DE3738480A1 - Method and device for measuring the intensity of a UV-laser beam - Google Patents
Method and device for measuring the intensity of a UV-laser beamInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils eines UV-Laserstrahles sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Da rüberhinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines gepulsten UV-Lasers, bei dem das erfindungsgemäße Meßverfahren eingesetzt wird.The invention relates to a method for measuring the intensity and / or the intensity profile of a UV laser beam and a device for performing such a method. There the invention also relates to a method for Controlling the output power of a pulsed UV laser in which the measuring method according to the invention is used.
Laserstrahlung im ultravioletten Bereich (UV-Laserstrahlung) hat eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der indu striellen Werkstoffbearbeitung, Medizin und Forschung gefunden. Als Strahlquelle kommen insbesondere Excimerlaser in Betracht, die je nach Art der verwendeten Edelgas-Halogenide im Vakuum-UV bis zum nahen UV emittieren können.Laser radiation in the ultraviolet range (UV laser radiation) has a variety of applications, especially in the indu material processing, medicine and research found. Excimer lasers are particularly suitable as the beam source, depending on the type of noble gas halide used in vacuum UV can emit up to near UV.
Aufbau, Funktion und Steuerung von Excimerlasern sind dem Fach mann bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben zu wer den.Structure, function and control of excimer lasers are the subject man known and need not be described here in detail who the.
Bei der Beurteilung der mit dem Laserstrahl erzielten Bearbei tungsergebnisse, bei der Steuerung der Bearbeitungsqualität sowie anderen Anwendungen des Laserstrahles ist es erforder lich, die wesentlichen Strahlparameter und insbesondere dessen Intensität und möglichst auch das Intensitätsprofil, d. h. die Verteilung der Intensität über den Querschnitt des Strahles, zu kennen. Bei vielen Anwendungen ist es überdies wünschenswert, den Laser so zu steuern, daß der Laserstrahl von Puls zu Puls eine gleichbleibende Intensität aufweist oder seine Intensität gemäß einer vorgegebenen Funktion ändert. Die Mittel, mit denen die Intensität des Laserstrahles beeinflußbar sind, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann bei einem Excimerlaser die Intensität des Strahles durch Änderung der Entladespannung gesteuert werden. Auch kann die Intensität durch Änderung der optischen Parameter beeinflußt werden.When evaluating the work done with the laser beam results when controlling the processing quality as well as other applications of the laser beam, it is required Lich, the main beam parameters and in particular its Intensity and, if possible, the intensity profile, d. H. the Distribution of the intensity over the cross section of the beam, too know. In many applications it is also desirable to control the laser so that the laser beam from pulse to pulse has a constant intensity or its intensity changes according to a given function. The means by which The intensity of the laser beam can be influenced Known specialist. For example, with an excimer laser the intensity of the beam by changing the discharge voltage to be controlled. The intensity can also be changed by changing the optical parameters can be influenced.
Zur Messung der Intensität von Laserstrahlen wird üblicherweise aus dem Laserstrahl ein geringer Anteil mittels eines teilre flektierenden Spiegels ausgekoppelt und vermessen. Es genügt häufig nicht, den freilaufenden Laserstrahl zu vermessen, da bei vielen Bearbeitungsvorgängen der Laserstrahl eine Rück koppelung vom bearbeiteten Werkstück auf den Laser selbst be wirkt. Vielmehr ist die Untersuchung der Intensität oder des Intensitätsprofils direkt in der für die Materialbearbeitung vorgesehenen Anordnung durchzuführen.To measure the intensity of laser beams is usually a small portion of the laser beam by means of a partial uncoupled mirror and measured. It is sufficient often not to measure the free-running laser beam, because in many machining processes the laser beam turns back coupling from the machined workpiece to the laser itself works. Rather, the examination of the intensity or the Intensity profile directly in the for material processing the proposed arrangement.
In der Zeitschrift "Laser und Optoelektronik", Nr. 3/1985, S. 278 bis 281 werden verschiedene Verfahren zur ortsaufge lösten Laserstrahl-Diagnostik beschrieben, die mit hochre flektierenden, durch den Laserstrahl rotierenden Elementen, wie Nadeln, Speichen etc., arbeiten.In the magazine "Laser and Optoelectronics", No. 3/1985, Pp. 278 to 281 are various procedures for location surveillance solved laser beam diagnostics described with high reflecting elements rotating by the laser beam, such as Needles, spokes, etc.
In der DE-PS 24 31 396 wird ein Verfahren zur Steuerung der In tensität eines Laserstrahles beschrieben, bei dem der Zeeman- Effekt ausgenutzt und entsprechend der momentan gemessen Strahlintensität der Absorptionskoeffizient eines paramagneti schen Gases mit Hilfe eines Magnetfeldes eingestellt wird.In DE-PS 24 31 396 a method for controlling the In intensity of a laser beam in which the Zeeman Effect exploited and measured according to the currently Beam intensity is the absorption coefficient of a paramagneti gas is set using a magnetic field.
Auch opto-akustische Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung von Lasern sind bekannt (US-PS 43 44 172).Also opto-acoustic methods for controlling the output power of lasers are known (US-PS 43 44 172).
Bei UV-Laserstrahlung, also insbesondere Excimerlaserstrahlung, tritt das besondere Problem auf, daß UV-Strahlung wesentlich schwieriger "handhabbar" ist als Strahlung im sichtbaren oder IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Zum Beispiel kann UV-Strahlung nicht ohne weiteres über längere Strecken verlust frei transportiert werden (zum Beispiel kann Strahlung mit Wel lenlängen von 193 nm und 248 nm, also die ArF- bzw. KrF-Emis sionen des Excimerlasers, kaum mittels Quarzfasern übertragen werden). Deshalb muß sich bei herkömmlichen Anordnungen zum Messen der Intensität von UV-Strahlung der Energiedetektor in unmittelbarer Nähe des Ortes befinden, an dem der für die Messung benutzte Anteil aus dem Laserstrahl ausgekoppelt wird. Wird für die Auskoppelung eine schräggestellte Quarzscheibe verwendet, so erfordert dies selbst schon einige Zentimeter Weglänge, wodurch die Länge des Lasers durch die Meßvorrichtung erheblich vergrößert wird.With UV laser radiation, in particular excimer laser radiation, The particular problem arises that UV radiation is essential is more "manageable" than radiation in the visible or IR range of the electromagnetic spectrum. For example UV radiation is not easily lost over long distances can be transported freely (for example, radiation with Wel length of 193 nm and 248 nm, i.e. the ArF and KrF emis sions of the excimer laser, hardly transmitted by means of quartz fibers will). Therefore, in conventional arrangements Measuring the intensity of UV radiation in the energy detector in the immediate vicinity of the place where the for the Measurement used portion is coupled out of the laser beam. For the decoupling, an inclined quartz disc used, this already requires a few centimeters Path length, which is the length of the laser through the measuring device is significantly enlarged.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und leicht handhabbaren Mitteln die Intensität und/oder das Intensitätsprofil eines UV-Laserstrahles zu messen.The invention has for its object with simple and easily manageable means the intensity and / or that Measure the intensity profile of a UV laser beam.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im UV-Laserstrahl ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper angeordnet wird, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluoreszierenden Stoff dotiert ist, und daß die Intensität bzw. das Intensitätsprofil der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung gemessen wird.According to the invention this object is achieved in that UV laser beam is essentially for UV laser radiation permeable body is arranged with one low percentage of UV laser radiation absorbing and long-wave than fluorescent substance is doped, and that the intensity or the intensity profile the longer-wave fluorescence radiation is measured.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren läßt sich auch zum Steuern der Ausgangsleistung eines gepulsten UV-Lasers, insbesondere eines Excimerlasers verwenden. Dabei wird:The measuring method according to the invention can also be used for controlling the output power of a pulsed UV laser, in particular using an excimer laser. Thereby:
- - im UV-Laserstrahl ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper positioniert, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absor bierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluoreszie renden Stoff dotiert ist, - In the UV laser beam for UV laser radiation in essentially permeable body positioned with absorbed a small amount of UV laser radiation and long-wave fluorescence than UV radiation is doped,
- - die Intensität der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung gemessen und ein ihr entsprechendes Signal abgeleitet,- The intensity of the longer-wave fluorescence radiation measured and a corresponding signal derived,
- - das abgeleitete Signal mit einem der gewünschten Aus gangsleistung des Lasers entsprechenden Signal verglichen, und- The derived signal with one of the desired off output power of the laser compared the corresponding signal, and
- - gemäß dem Vergleichsergebnis ein die Ausgangsleistung des Laser beinflussender Parameter eingestellt.- According to the comparison result, the output power of the Laser influencing parameters set.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils eines gepulsten UV-Laserstrah les zeichnet sich aus durch einen im UV-Laserstrahl angeordne ten Körper, der für die UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluo reszierenden Stoff dotiert ist, sowie einen Detektor für die langwelligere Fluoreszenzstrahlung.The device according to the invention for measuring the intensity and / or the intensity profile of a pulsed UV laser beam les is characterized by a UV laser beam body that is essentially transparent to UV radiation and with a small proportion of UV laser radiation absorbing and long-wave than the UV radiation fluo resected substance is doped, as well as a detector for the long-wave fluorescence radiation.
Nach einem Grundgedanken der Erfindung wird also im UV-Laser strahl ein für diesen transparenter Körper positioniert, der langwelliger fluoreszierende Stoffe enthält, so daß ein gerin ger Anteil der UV-Laserstrahlung in Abhängigkeit von dessen In tensität bzw. Intensitätsverteilung in langwelligeres und damit leichter übertrag- und meßbares Licht umgesetzt wird, dessen Intensität bzw. Intensitätsprofil gemessen wird.According to a basic idea of the invention, UV laser is used beam positioned for this transparent body that contains long-wave fluorescent substances, so that a gerin ger proportion of UV laser radiation depending on its In intensity or intensity distribution in long-wave and thus easier to transmit and measurable light is implemented Intensity or intensity profile is measured.
Da die langwelligere Fluoreszenzstrahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt, kann sie mit herkömm lichen Mitteln in einfacher Weise, z. B. über einen Lichtleiter aus Kunststoff, zu einem Detektor überführt werden, der prak tisch an beliebiger Stelle angeordnet werden kann. Für die In tensitätsmessung im sichtbaren Spektralbereich stehen empfind liche Detektoren zur Verfügung.Because the longer-wave fluorescence radiation in the visible range of the electromagnetic spectrum, it can with conventional union means in a simple manner, for. B. via a light guide made of plastic, can be transferred to a detector that is practical table can be placed anywhere. For the In Intensity measurements in the visible spectral range are sensitive available detectors.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Auskoppeln eines geringen Anteils des UV-Laserstrahls ein mit Cer dotierter Quarzkörper im UV-Laserstrahl positioniert wird. In a preferred embodiment of the invention, that for decoupling a small portion of the UV laser beam a quartz body doped with cerium positioned in the UV laser beam becomes.
Zur Erhöhung der Ausbeute an Fluoreszenzstrahlung kann der Kör per an zumindest einem Teil seiner Wände mit einer die Fluores zenzstrahlung nach innen reflektierenden Schicht versehen sein, so daß die Strahlung zum Lichtleiter bzw. Detektor gebündelt wird.To increase the yield of fluorescent radiation, the Kör per on at least part of its walls with one of the fluorescence be provided with an internal reflective layer, so that the radiation is focused to the light guide or detector becomes.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur Messung der Gesamt-Intensität des Laserstrahls als auch zum Messen der örtlichen Intensitätsverteilung innerhalb eines Laserpulses, also dem Leistungs- oder Energiefluß pro Flächeneinheit. Zur Messung der Intensitätsverteilung des UV-Laserstrahles wird der für diese Strahlung im wesentlichen transparente Körper homogen mit dem langwelliger fluoreszierenden Stoff dotiert, so daß die Fluoreszenzstrahlung ein getreues Abbild der UV-Strahlung lie fert.The method according to the invention is suitable both for measurement the total intensity of the laser beam as well as for measuring the local intensity distribution within a laser pulse, that is, the power or energy flow per unit area. To Measurement of the intensity distribution of the UV laser beam is the for this radiation essentially transparent bodies homogeneous doped with the long-wave fluorescent substance, so that the Fluorescence radiation is a true image of the UV radiation finished.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Exemplary embodiments of the invention are described below the drawing explained in more detail. It shows:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen der Intensität eines gepulsten UV-Laserstrah les, und Fig. 1 shows a first embodiment of a device for measuring the intensity of a pulsed UV laser beam, and
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen der Intensitätsverteilung eines gepulsten UV-Laser strahles. Fig. 2 shows an embodiment of a device for measuring the intensity distribution of a pulsed UV laser beam.
In den Figuren ist ein als solcher bekannter Excimerlaser mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Excimerlaser gibt einen La serstrahl 12, 12′ im ultravioletten Bereich des elektromagne tischen Spektrums ab.In the figures, an excimer laser known as such is provided with the reference number 10 . The excimer laser emits a laser beam 12 , 12 'in the ultraviolet range of the electromagnetic spectrum.
An beliebiger Stelle im Laserstrahl 12 oder auch im Laser selbst wird ein Körper 14 angeordnet, der für die UV-Laserstrah lung im wesentlichen durchlässig ist, aber eine Dotierung D aus einem Stoff aufweist, der einen geringen Anteil, z. B. 1%, der UV-Laserstrahlung absorbiert und langwelliger im sichtbaren Bereich des Spektrums fluoresziert. Beim dargestellten Ausfüh rungsbeispiel ist der Körper 14 aus Quarz und die Dotierung im wesentlich aus Cer, wodurch eine wesentlich höhere Lebensdauer der Meßvorrichtung als mit fluoreszierenden organischen Stoffen erzielt wird.At any point in the laser beam 12 or in the laser itself, a body 14 is arranged, which is essentially permeable to the UV laser radiation, but has a doping D made of a substance that has a small proportion, for. B. 1%, which absorbs UV laser radiation and fluoresces long-wave in the visible region of the spectrum. In the exemplary embodiment shown, the body 14 is made of quartz and the doping is essentially made of cerium, as a result of which a considerably longer service life of the measuring device is achieved than with fluorescent organic substances.
Der Körper 14 ist zur Erhöhung der Ausbeute an langwelliger Fluoreszenzstrahlung mit einer Schicht 14′ versehen, welche die Fluoreszenzstrahlung F nach innen in Richtung auf einen Licht leiter 16 reflektiert. Die Gewinnung hinreichender Intensitäten langwelliger Fluoreszenzstrahlung stellt bei dem erfindungsge mäßen Verfahren aber kein Problem dar.The body 14 is provided to increase the yield of long-wave fluorescent radiation with a layer 14 ', which reflects the fluorescent radiation F inwards towards a light guide 16 . Obtaining sufficient intensities of long-wave fluorescence radiation is not a problem with the method according to the invention.
Die Fluoreszenzstrahlung F wird gemäß Fig. 1 mit einem herkömm lichen Lichtleiter 16 zu einem Detektor 18 übertragen, welcher ein der Intensität der Fluoreszenzstrahlung F proportionales elektrisches Signal erzeugt, das in einem Verstärker 20 ver stärkt und an einen Vergleicher 22 abgegeben wird. Im Verglei cher 22 wird das der Intensität des UV-Laserstrahles 12 ent sprechende Signal des Verstärkers 20 mit einem Vergleichsignal aus einer Bezugssignalquelle 24 verglichen, welches der ge wünschten Intensität des UV-Laserstrahles 12 entspricht. Ent sprechend dem Vergleichsergebnis wird eine Steuerschaltung 26 für den Laser 10 angesteuert, welche in dem Fachmann bekannter Weise einen die Intenität des UV-Laserstrahles beeinflussenden Parameter des Laser 10, also z. B. dessen Entladungsspannung, ändert.The fluorescent radiation F is shown in FIG. 1 with a conventional light guide 16 to a detector 18 which generates an electric signal proportional to the intensity of the fluorescent radiation F , which amplifies ver in an amplifier 20 and is output to a comparator 22 . In Verglei cher 22, the intensity of the UV laser beam 12 ent speaking signal of the amplifier 20 is compared with a comparison signal from a reference signal source 24, which corresponds to the ge desired intensity of the UV laser beam 12th Accordingly, the comparison result, a control circuit 26 for the laser 10 is driven, which in a manner known to those skilled in the art influences a parameter of the laser 10 which influences the intensity of the UV laser beam, that is to say, for. B. its discharge voltage changes.
Mit der in Fig. 2 schematisch gezeichneten Vorrichtung kann die Intensitätsverteilung des UV-Laserstrahles 12 gemessen werden. Hierzu wird die im Körper 14 erzeugte Fluoreszenzstrahlung F auf eine Abbildungslinse 18 gerichtet, welche die Strahlung auf einen herkömmlichen Bildwandler 30 abbildet, so daß das Abbild dem Intensitätsprofil des UV-Laserstrahles entspricht. With the device shown schematically in FIG. 2, the intensity distribution of the UV laser beam 12 can be measured. For this purpose, the fluorescence radiation F generated in the body 14 is directed onto an imaging lens 18 , which images the radiation onto a conventional image converter 30 , so that the image corresponds to the intensity profile of the UV laser beam.
Es versteht sich, daß die Beschichtung 14′ am Körper 14 nur dort aufgebracht ist, wo sie den Durchgang des UV-Laserstrahles 12 bzw. 12′ nicht stört. Es ist auch möglich, die reflektierende Schicht 14′ so auszubilden, daß sie ausschließlich die langwel ligere Fluoreszenzstrahlung reflektiert, nicht aber die UV-Strah lung.It is understood that the coating 14 'is applied to the body 14 only where it does not interfere with the passage of the UV laser beam 12 or 12 '. It is also possible to form the reflective layer 14 'in such a way that it only reflects the longer wavelength fluorescent radiation, but not the UV radiation.
Der Bildwandler 30 ist von herkömmlicher Art, also z. B. ein CCD- oder SIT-Wandler, und erzeugt mittels einer Auswerteschal tung 32 eine Darstellung des Intensitätsprofiles des UV-Laser strahles, welche mittels einer herkömmlichen Anzeige- oder Ausgabeeinrichtung, wie einem Bildschirm oder Drucker, dem Benutzer mitgeteilt wird.The image converter 30 is of a conventional type, that is, for. B. a CCD or SIT converter, and generated by means of an evaluation circuit 32 a representation of the intensity profile of the UV laser beam, which is communicated to the user by means of a conventional display or output device, such as a screen or printer.
Claims (8)
- - daß im UV-Laserstrahl (12) ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper (14) positioniert wird, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laser strahlung absorbierenden und langwelliger als die UV- Strahlung fluoreszierenden Stoff (D) dotiert ist,
- - daß die Intensität der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung (F) gemessen und ein ihr entsprechendes Signal abgeleitet wird,
- - daß das abgeleitete Signal mit einem der gewünschten Aus gangsleistung des Lasers entsprechenden Signal verglichen wird, und
- - daß gemäß dem Vergleichsergebnis ein die Ausgangsleistung des Laser beinflussender Parameter eingestellt wird.
- - That in the UV laser beam ( 12 ) is positioned for the UV laser radiation essentially transparent body ( 14 ) which with a small proportion of the UV laser radiation absorbing and long-wave than the UV radiation fluorescent substance ( D ) is
- that the intensity of the longer-wave fluorescence radiation ( F ) is measured and a signal corresponding to it is derived,
- - That the derived signal is compared with a signal corresponding to the desired output power of the laser, and
- - That a parameter influencing the output power of the laser is set according to the comparison result.
- - einen im UV-Laserstrahl (12) angeordneten Körper (14), der für die UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung ab sorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluo reszierenden Stoff (D) dotiert ist, und
- - einen Detektor (18) für die langwelligere Fluoreszenz strahlung.
- - A body ( 14 ) arranged in the UV laser beam ( 12 ), which is essentially transparent to the UV radiation and with a small proportion of the UV laser radiation from sorbing and longer-wavelength than the UV radiation fluorescent substance ( D ) is endowed, and
- - A detector ( 18 ) for the long-wave fluorescence radiation.
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