DE3829728A1

DE3829728A1 - Method and device for homogenizing the cross-sectional intensity distribution of a laser beam

Info

Publication number: DE3829728A1
Application number: DE19883829728
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Sowada
Original assignee: LAMBDA PHYSIK FORSCHUNG
Current assignee: LAMBDA PHYSIK FORSCHUNG
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1989-03-23

Abstract

In order to homogenizing the intensity distribution over the cross-section of a laser beam 10, a plurality of optical elements 14, 16 are arranged in the beam, in each case intercepting a part of the cross-section of the laser beam, which components superpose the beam portions 12, 12' which they intercept. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung im Quer schnitt eines Laserstrahls.The invention relates to a method and a device to homogenize the intensity distribution in the cross cut a laser beam.

Laserstrahlen haben häufig keine gleichförmige Intensi tätsverteilung über ihren Querschnitt. Dies gilt für eine Vielzahl von Laserquellen. Zum Beispiel wird die Intensi tätsverteilung bei vielen Laserstrahlen durch eine zur Ausbreitungsrichtung des Strahls rotationssymmetrische Glockenkurve beschrieben. Bei den sogenannten instabilen Resonatoren weist die Intensität des Laserstrahls häufig ein Loch in der Mitte des Strahlquerschnittes auf. Sowohl bei gepulsten als auch bei kontinuierlichen Laserquellen treten häufig sogenannte Intensitätsspitzen ("hot spots") auf, also begrenzte Bereiche im Strahlquerschnitt, in denen der Laserstrahl eine wesentlich höhere Intensität hat als in den übrigen Bereichen. Die Intensitätsspitzen können an bestimmten Orten auftreten oder auch innerhalb des Strahlquerschnittes springen.Laser beams often do not have a uniform intensity distribution across their cross-section. This applies to one Variety of laser sources. For example, the Intensi distribution of many laser beams by one Direction of propagation of the beam rotationally symmetrical Bell curve described. With the so-called unstable Resonators often show the intensity of the laser beam a hole in the middle of the beam cross-section. Either with pulsed as well as with continuous laser sources so-called intensity peaks ("hot spots") often occur on, i.e. limited areas in the beam cross-section, in which the laser beam has a much higher intensity than in the other areas. The intensity peaks can occur in certain locations or even within of the beam cross section.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen von Laserstrahlen sind derart ungleichmäßige Verteilungen der Intensität des Strahles über dessen Querschnitt von Nachteil. Sollen zum Beispiel grössere Flächenstücke mit Laserstrahlen ausge leuchtet oder bearbeitet werden, so können ungleichmäßige Intensitätsverteilungen oder auch Intensitätsspitzen stö rend wirken.There are many uses of laser beams such uneven distributions of the intensity of the Beam across its cross section is disadvantageous. Should go to Example larger areas with laser beams lights up or edited, so uneven Intensity distributions or intensity peaks disrupt have an effect.

Transversale Gasentladungslaser, wie zum Beispiel TEA- CO₂-Laser oder Excimer-Laser, weisen zwar keine störenden Intensitätsspitzen auf, müssen aber zur Ausleuchtung eines größeren Flächenstückes optisch manipuliert werden, wobei beträchtliche Intensitätseinbußen in Kauf zu nehmen sind.Transverse gas discharge lasers, such as TEA-CO ₂ lasers or excimer lasers, do not have any disturbing intensity peaks, but must be optically manipulated to illuminate a large area, with considerable losses in intensity being accepted.

Bekannte Verfahren zum Homogenisieren der Intensitätsver teilung in Laserstrahlen sind aufwendig und/oder nicht in allen Wellenlängenbereichen anwendbar.Known methods for homogenizing the intensity ver division into laser beams are complex and / or not in applicable in all wavelength ranges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengün stiges, bei einer Vielzahl von Lasertypen und Wellenlängen anwendbares sowie wenig Justieraufwand erforderndes Ver fahren zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung von Laserstrahlen zu schaffen.The invention has for its object a cost-effective with a variety of laser types and wavelengths applicable Ver and requires little adjustment effort drive to homogenize the intensity distribution of To create laser beams.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, die einander überlagert wer den.The inventive method for solving this problem is characterized in that the laser beam in several Partial beams is divided, which are superimposed on each other the.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß unterschiedliche Intensitäten der Teilstrahlen bei ihrer Überlagerung aus geglichen werden.This measure ensures that different Intensities of the partial beams when they overlap be compared.

In zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgese hen, daß mindestens einer der Teilstrahlen aufgeweitet oder gebündelt wird, ehe er mindestens einem weiteren Teilstrahl überlagert wird. Dabei können die Teilstrahlen jeweils zumindest annähernd auf eine solche Fläche aufge weitet werden, die der auszuleuchtenden oder zu bearbei tenden Fläche entspricht. Appropriate embodiments of the invention are provided hen that at least one of the partial beams expanded or is bundled before at least one more Partial beam is superimposed. The partial beams can in each case at least approximately on such a surface be expanded to be the one to be illuminated or processed corresponding area.

Nach der erfindungsgemäßen Überlagerung können die Teil strahlen parallel ausgerichtet werden, so daß ein im Vergleich zum von der Laserquelle erzeugten Laserstrahl aufgeweiteter oder gebündelter Gesamtstrahl mit gleich mäßiger (homogener) Intensitätsverteilung entsteht.After the overlay according to the invention, the part rays are aligned in parallel so that an im Comparison to the laser beam generated by the laser source widened or bundled total beam with the same moderate (homogeneous) intensity distribution arises.

Auch ist eine Fokussierung nach dem Überlagern möglich.Focusing after superimposition is also possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls zeichnet sich durch mindestens ein optisches Element aus, das einen Teil des Laserstrahls erfaßt und diesen Teil in eine Richtung ablenkt, in der er sich mit mindestens einem weiteren Teilstrahl überlagert.The inventive device for homogenizing the Intensity distribution of a laser beam stands out by at least one optical element that is part of the laser beam and this part in one direction distracts, in which he engages with at least one other Partial beam superimposed.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen optischen Elemente kön nen, je nach ihrer Gestaltung und Anordnung, die einzelnen Teilstrahlen zunächst aufweiten oder bündeln und sie dann überlagern.The optical elements provided according to the invention can depending on their design and arrangement, the individual First expand or bundle partial beams and then them overlay.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung sind in den Unteransprüchen 6 bis 10 beschrieben.Refinements of the optical arrangement according to the invention are described in subclaims 6 to 10.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Intensitätsprofile eines Excimer-Laserstrahls entlang zweier zueinander senkrecht stehender Achsen;Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below using schematic drawings. In the drawings: Figure 1 shows the intensity profile of an excimer laser beam along two mutually perpendicular axes standing;.

Fig. 2 eine optische Anordnung zum Homogenisieren eines Laserstrahls, der die in Fig. 1 gezeigten Intensitätsprofile aufweist, FIG. 2 shows an optical arrangement for homogenizing a laser beam which has the intensity profiles shown in FIG. 1,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig. 2, und Fig. 3 is a view in the direction of arrow A of Fig. 2, and

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge mäßen optischen Anordnung. Fig. 4 shows a further embodiment of an optical arrangement according to the invention.

In Fig. 1 zeigt die Kurve I in üblicher Darstellung das Intensitätsprofil eines Excimer-Laserstrahls, also die Abhängigkeit der Strahlintensität vom Abstand zur Mittel achse O des Strahls. Die Intensität kann z. B. in Energie pro Zeit- und Flächeneinheit gemessen werden.In Fig. 1, curve I shows the usual representation of the intensity profile of an excimer laser beam, that is, the dependence of the beam intensity on the distance to the central axis O of the beam. The intensity can e.g. B. measured in energy per unit of time and area.

Gemäß Fig. 1 hat der gezeigte Excimer-Laserstrahl in einer ersten Richtung über einen Bereich von ca. 20 mm eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung entsprechend der Kurve I. In einer zur Richtung des Schnittes gemäß Kurve I senkrechten Richtung hat der Excimer-Laserstrahl aber eine etwa glockenförmige Intensitätsverteilung entsprechend der Kurve II, ist also inhomogen.According to FIG. 1, the excimer laser beam shown has a largely homogeneous intensity distribution in a first direction over a range of approximately 20 mm in accordance with curve I. However, in a direction perpendicular to the direction of the cut according to curve I, the excimer laser beam has an approximately bell-shaped intensity distribution according to curve II and is therefore inhomogeneous.

Fig. 2 zeigt eine optische Anordnung, mit welcher ein Laserstrahl mit einem inhomogenen Intensitätsprofil gemäß Fig. 1 vollständig homogenisiert werden kann. FIG. 2 shows an optical arrangement with which a laser beam with an inhomogeneous intensity profile according to FIG. 1 can be completely homogenized.

Im Laserstrahl 10 sind mehrere optische Elemente 14 in Form von parallel angeordneten Zylinderlinsen so angeord net, daß sie einen Teilstrahl 12 des gesamten Laserstrahls 10 erfassen und abbilden.In the laser beam 10 , a plurality of optical elements 14 are arranged in the form of parallel cylindrical lenses so that they detect and image a partial beam 12 of the entire laser beam 10 .

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 2 in Richtung des Pfeiles A. Die parallel angeordneten opti schen Elemente 14 können positive oder negative Brennweite aufweisen. FIG. 3 shows a view of the arrangement according to FIG. 2 in the direction of arrow A. The parallel arranged optical elements 14 can have positive or negative focal length.

Bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat jedes der optischen Elemente 14 eine positive Brennweite; ihr Brennpunkt 14′ liegt also außerhalb der Zylinderman telfläche. Optische Elemente 14 in Form langgestreckter Zylinderlinsen mit positiver Brennweite lassen sich z.B. preiswert und wenig aufwendig durch Abmantelung von Quarzfaserkernen herstellen. In the embodiment shown in Figures 2 and 3, each of the optical elements 14 has a positive focal length; their focal point 14 'is therefore outside the Zylinderman telfläche. Optical elements 14 in the form of elongated cylindrical lenses with a positive focal length can be produced, for example, inexpensively and with little effort by stripping quartz fiber cores.

Die derart gebildeten optischen Elemente 14 sind gemäß Fig. 2 und 3 lückenlos in einer Reihe angeordnet. Ihre Achsen 14′′ sind parallel zu einer Koordinatenachse 18 (siehe Fig. 1 und 3) ausgerichtet, in welcher der Laser strahl 10 bereits eine weitgehend homogene Intensitäts verteilung aufweist. In Richtung einer zur Koordinaten achse 18 normalen Koordinatenachse 20 hat der Laserstrahl 10 seine größte Inhomogenität. Gemäß Fig. 2 und 3 stehen die Achsen 14′′ der optischen Elemente 14 wie auch die Koordinatenachsen 18 und 20 senkrecht zur Ausbreitungs richtung 22 des Laserstrahls 10, der homogenisiert werden soll.The optical elements 14 formed in this way are arranged in a row in accordance with FIGS. 2 and 3. Their axes 14 '' are aligned parallel to a coordinate axis 18 (see Fig. 1 and 3), in which the laser beam 10 already has a largely homogeneous intensity distribution. In the direction of a coordinate axis 20 normal to the coordinate axis 18 , the laser beam 10 has its greatest inhomogeneity. According to Fig. 2 and 3, the axles 14 '' of the optical elements 14 as well as the coordinate axes 18 and 20 perpendicular to the direction of propagation 22 of the laser beam 10, which is to be homogenized.

Wie der Fig. 2 unmittelbar zu entnehmen ist, werden die einzelnen Teilstrahlen 12, welche durch die Empfangsflä chen der optischen Elemente 14 definiert sind, auf die Eingangsfläche eines weiteren optischen Elements 16 in Form einer Zylinder-Sammellinse abgebildet, deren Achse parallel zu den Achsen 14′′ der optischen Elemente 14 ange ordnet ist. Das Abbild 12′ des in Fig. 2 zuoberst gezeich neten Teilstrahls 12 ist auf der Eingangsfläche der Sam mellinse 16 eingezeichnet. Wie dargestellt, überlappen sich die einzelnen Teilstrahlen 12 weitgehend, so daß vor handene Intensitätsunterschiede zwischen den Teilstrahlen durch die Überlagerung ausgeglichen werden.As can be seen directly from FIG. 2, the individual partial beams 12 , which are defined by the receiving surfaces of the optical elements 14 , are imaged on the input surface of a further optical element 16 in the form of a cylindrical converging lens, the axis of which is parallel to the axes 14 '' of the optical elements 14 is arranged. The image 12 'of the top in Fig. 2 signed sub-beam 12 is located on the input surface of the Sam lens 16 . As shown, the individual partial beams 12 largely overlap, so that existing intensity differences between the partial beams are compensated for by the superimposition.

Enthält der zu homogenisierende Laserstrahl 10 Intensi tätsspitzen, so sind die Abmessungen der optischen Ele mente 14 so gewählt, daß sie jeweils einen Teil-Quer schnitt erfassen, welcher der Abmessung einer Intensi tätsspitze etwa entspricht, so daß die Intensitätsspitze gleichmäßig auf die Eingangsfläche der Sammellinse 16 abgebildet wird. If the laser beam to be homogenized contains 10 intensity peaks, the dimensions of the optical elements 14 are selected such that they each capture a partial cross-section which corresponds approximately to the dimension of an intensity peak, so that the intensity peak uniformly on the input surface of the converging lens 16 is shown.

Es ist auch möglich, mehrere Reihungen von optischen Ele menten 14 in Form von Zylinderlinsen gemäß Fig. 2 hinter einander anzuordnen, um den Effekt der Homogenisierung zu erhöhen.It is also possible to arrange several rows of optical elements 14 in the form of cylindrical lenses according to FIG. 2 one behind the other in order to increase the effect of the homogenization.

Soll mit dem Laserstrahl 10 eine Fläche bearbeitet werden, so wird zweckmäßigerweise direkt hinter der Sammellinse 16 eine Arbeitsmaske positioniert.If a surface is to be processed with the laser beam 10, a work mask is expediently positioned directly behind the converging lens 16 .

Soll ein Laserstrahl homogenisiert werden, der (im Unter schied zum Strahlprofil gemäß Fig. 1) in zwei zueinander senkrechten Richtungen eine inhomogene Intensitätsvertei lung aufweist, so können zwei Anordnungen aus optischen Elementen 14 in Form von Zylinderlinsen gemäß Fig. 2 hin tereinander gekreuzt angeordnet werden, d.h. die Achsen der ersten Reihe von Zylinderlinsen stehen senkrecht auf denen der zweiten Reihe von Zylinderlinsen. In diesem Falle wird statt der Zylinder-Sammellinse 16 eine sphä rische Sammellinse eingesetzt. Mit einer solchen Anordnung können insbesondere Laserstrahlen homogenisiert werden, die ein zentrales Loch oder eine in bezug auf die Ausbrei tungsrichtung 22 glockenförmige Intensitätsverteilung auf weisen.If a laser beam is to be homogenized, which (in contrast to the beam profile according to FIG. 1) has an inhomogeneous intensity distribution in two mutually perpendicular directions, then two arrangements of optical elements 14 in the form of cylindrical lenses according to FIG. 2 can be arranged crossed one behind the other , ie the axes of the first row of cylindrical lenses are perpendicular to those of the second row of cylindrical lenses. In this case, a spherical converging lens is used instead of the cylinder converging lens 16 . With such an arrangement, in particular laser beams can be homogenized which have a central hole or a bell-shaped intensity distribution with respect to the direction of expansion 22 .

Gemäß Fig. 4 sind als optische Elemente 14 zwei Prismen derart angeordnet, daß sie an zwei gegenüberliegenden Rän dern eines von einem Excimer erzeugten Laserstrahls 10 je einen Teilstrahl 12 erfassen und diese beiden Teilstrahlen 12 zueinander hin ablenken. Jeder dieser beiden Teilstrah len 12 wird dabei gebündelt. Ein weiterer Teilstrahl 24, der im dargestellten Beispiel breiter ist als jeder der beiden Teilstrahlen 12, geht von den optischen Elementen 14 unbeeinflußt zwischen diesen hindurch. Die angestrebte homogene Intensitätsverteilung ergibt sich in einer Ebene 30, in der sich die Abbilder 12′ der beiden abgelenkten Teilstrahlen 12 mit dem von den optischen Elementen 14 unbeeinflußten Teilstrahl 24 überlagern.According to FIG. 4 two prisms 14 are arranged so as optical elements that it on two opposite knurled of countries from an excimer laser beam generated 10 each detect a component beam 12, and these two sub-beams 12 deflect toward each other. Each of these two beams 12 is bundled. Another sub-beam 24 , which in the example shown is wider than each of the two sub-beams 12 , passes through them unaffected by the optical elements 14 . The desired homogeneous intensity distribution results in a plane 30 in which the images 12 'of the two deflected partial beams 12 overlap with the partial beam 24 unaffected by the optical elements 14 .

Der Unterschied der Anordnung gemäß Fig. 4 zu der in Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnung mit Zylinderlinsen besteht darin, daß durch Verkleinerung oder Vergrößerung des spit zen Winkels α zwischen Eintrittsfläche 26 und Austritts fläche 28 die aufgeprägte Divergenz beeinflußt werden kann. Das hat Auswirkungen auf die Abbildbarkeit der Ebene 30 bester Homogenität: je kleiner der Winkel α, desto besser die Abbildbarkeit, desto länger ist aber auch die Gesamtanordnung, wenn die Eintrittsfläche 26 normal zur Ausbreitungsrichtung 22 des Laserstrahls 10 angeordnet ist, wie in Fig. 4 dargestellt.The difference between the arrangement according to FIG. 4, to the position shown in Fig. 2 and 3 assembly with cylindrical lenses is that by reducing or increasing α the spit zen angle the impressed divergence can be affected area between the inlet surface 26 and outlet 28th This has effects on the imaging of the plane 30 of the best homogeneity: the smaller the angle α , the better the imaging, but the longer the overall arrangement if the entrance surface 26 is arranged normal to the direction of propagation 22 of the laser beam 10 , as in FIG. 4 shown.

Wenn hingegen die Eintrittsfläche 26 mit der Ausbreitungs richtung 22 einen Winkel β <90° einschließt, kann α=0 sein; das oder jedes optische Element 14 kann also bei spielsweise auch ein Rechteckprisma sein. Der bzw. jeder Teilstrahl 12, der durch ein solches optische Element 14 hindurchgeht, wird weder aufgeweitet noch gebündelt.If, on the other hand, the entry surface 26 forms an angle β <90 ° with the direction of propagation 22 , α = 0; the or each optical element 14 can also be a rectangular prism for example. The or each partial beam 12 which passes through such an optical element 14 is neither expanded nor bundled.

Das beschriebene Verfahren und die optischen Anordnungen zum Homogenisieren von Laserstrahlen haben den Vorteil, daß sie in allen Wellenlängenbereichen vom UV bis zum IR eingesetzt werden können. Es können Materialien verwendet werden, bei denen nur geringe Intensitätsverluste auftre ten. Auch können die optischen Elemente zum Homogenisieren des Strahles an die zu beleuchtende oder zu bearbeitende Fläche angepaßt werden, d. h. die optischen Elemente wer den so ausgestaltet, daß das von ihnen erzeugte Überlage rungsbild der Teilstrahlen der gewünschten Fläche ent spricht. So können auch quadratische Flächen mit wenig Aufwand erzeugt werden.The described method and the optical arrangements for homogenizing laser beams have the advantage that they are in all wavelength ranges from UV to IR can be used. Materials can be used where there is only a slight loss of intensity The optical elements can also be used for homogenization of the beam to the one to be illuminated or processed Area to be adjusted, d. H. the optical elements who designed so that the overlay they created tion image of the partial beams of the desired area speaks. So even square surfaces with little Effort is generated.

Claims

1. A method for homogenizing the intensity distribution in the cross section of a laser beam ( 10 ), characterized in that the laser beam ( 10 ) is divided into several partial beams ( 12 , 24 ) which are superimposed on one another.

2. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the partial beams ( 12 ) is expanded or bundled before it is superimposed on at least one further partial beam ( 12 , 24 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the part rays ( 12 , 24 ) are aligned in parallel after their superposition.

4. Optical arrangement for homogenizing the intensity distribution in the cross section of a laser beam 10, characterized by at least one opti cal element ( 14 ) which detects a part of the laser beam ( 10 ) and deflects this part in a direction in which it is with at least one another partial beam ( 12 , 24 ) superimposed.

5. Optical arrangement according to claim 4, characterized in that at least one optical element ( 14 ) widens the partial beam ( 12 ) detected by it.

6. Optical arrangement according to one of claims 4 or 5, characterized in that a number of juxtaposed th lenses ( 14 ) are provided as optical elements ( 14 , 16 ) which expand and overlap the partial beams ( 12 ) and one another, and a the expanded and superimposed partial beams aligning the parallel lens ( 16 ).

7. Optical arrangement according to one of claims 4 to 6 for homogenizing a laser beam ( 10 ) with localized intensity peaks, characterized in that at least one optical element ( 14 ) detects a part of the cross section of the laser beam ( 10 ), which is the cross section of an intensity peak corresponds at least approximately.

8. Optical arrangement according to one of claims 4 to 7 for homogenizing the intensity distribution of a laser beam ( 10 ) which, in a direction perpendicular to its direction of propagation ( 22 ), a first axis ( 18 ) which is already homogeneous, in a second axis perpendicular to the first axis ( 20 ) but has an inhomogeneous distribution, such as an excimer laser beam, characterized in that a series of cylindrical lenses ( 14 ) with their longitudinal axes ( 14 '') parallel to the first axis ( 18 ) arranged side by side in the laser beam ( 10 ) are.

9. Optical arrangement according to claim 4, characterized in that at least one optical element ( 14 ) bundles the partial beam ( 12 ) detected and deflected by it.

10. Optical arrangement according to claim 9, characterized in that at least one optical element ( 14 ) is a prism.