DE4341553C1 - Vorrichtung zum Homogenisieren der Lichtverteilung eines Laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Homogenisie­ ren der Lichtverteilung eines Laserstrahles.

Viele Laserstrahlquellen, wie zum Beispiel Multimode- Festkörperlaser oder Excimer-Laser, haben eine Energie­ dichteverteilung im Strahlquerschnitt, die von der er­ wünschten, möglichst konstanten Energiedichte abweicht und deren lokale Spitzen zu einer starken Beeinträchti­ gung führen können. Wird mit diesen Laserstrahlen bei­ spielsweise Material bearbeitet, kann durch diese nicht konstante Energiedichteverteilung das Bearbeitungser­ gebnis erheblich beeinträchtigt werden.

Es sind als Strahlhomogenisatoren ausgebildete Vorrich­ tungen bekannt, die eine Homogenisierung durch Überlage­ rung einzelner Teilstrahlen eines Strahlenbündels bewir­ ken. Dies wird durch Vielfachreflexion des Strahlenbün­ dels in einem verspiegelten Kanal (EP-OS 0 493 365 und EP-OS 0 230 931) oder einer Multimode-Lichtleitfaser (EP-OS 0 435 825) erzielt. Durch die Vielfachreflexion wird eine große Anzahl virtueller Lichtquellen gebildet, deren Teilstrahlen den Homogenisator unter einem relativ großen Divergenzwinkel verlassen.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung (DE-OS 41 03 615) wird der Strahlquerschnitt in mehrere einzel­ ne Strahlsegmente aufgeteilt. Die Segmente werden in ei­ ner Bildebene, in der eine Blendeneinrichtung angeordnet ist, überlappend abgebildet. Eine Strahlhomogenisierung wird daher nur in einer definierten Ebene in einem be­ stimmten Abstand vom Homogenisierer erreicht.

Mit diesen Vorrichtungen ist zwangsläufig eine Erhöhung der Strahldivergenz verbunden, weshalb für eine effekti­ ve Nutzung der so übertragenen optischen Energiefluß­ dichte für die weitere Auslegung des Strahlenganges Op­ tiken mit hohen numerischen Aperturen verwendet werden müssen. Bei diesen Anordnungen ist außerdem die Trans­ mission der Strahlen aufgrund von geometrischen Verlu­ sten oder der Absorption der Strahlung in refraktiven Elementen auf einen Transmissionsgrad von deutlich klei­ ner als 1 begrenzt. Dies ist besonders im Wellenlängen­ bereich der tiefen UV-Strahlung der Molekül- oder Exci­ mer-Laser (die zum Beispiel Wellenlängen von 157 nm, 193 nm und 248 nm haben) kritisch. Strahlhomogenisatoren mit refraktiven Elementen zeigen dort eine relativ star­ ke Absorption der Strahlung in den optischen Elementen, was zu einer Minderung der übertragenen Leistung und zu Standzeitproblemen durch Bildung von Absorptionszentren unter dem Einfluß der UV-Strahlung (Farbzentrenbildung) führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Homogenisieren der Lichtverteilung eines Laser­ strahls zu schaffen, bei der die Gesamtheit der austre­ tenden Teilstrahlen die gleiche Strahldivergenz besitzt wie der Primärlaserstrahl, so daß Optiken geringer nume­ rischer Apertur verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Primärla­ serstrahl durch den Strahlteiler aufgeteilt, wobei der reflektierte Teilstrahl zu den Umlenkspiegeln gelenkt wird. Der den Strahlteiler transmittierende Teilstrahl tritt aus der Vorrichtung aus. Nach dem Umlauf des re­ flektierten Teilstrahles zwischen den Umlenkspiegeln wird er am Strahlteiler wiederum aufgeteilt, wobei der reflektierte Teilstrahl mit dem transmittierten Teil­ strahl den aus der Vorrichtung austretenden Gesamtstrahl bildet. Durch die beiden, einen Versatz aufweisenden Teilstrahlen ergibt sich eine sehr hohe Homogenität des Laserstrahlbündels, wobei der Gesamtstrahl die gleiche Strahldivergenz aufweist wie der Primärlaserstrahl. Die Umlenkspiegel haben eine geringe numerische Apertur und sind kostengünstig. Der Aufwand zu ihrer Auslegung ist außerdem gering. Mit Ausnahme des Strahlteilers, der sehr dünn sein kann, werden nur reflektive optische Ele­ mente verwendet, so daß die speziell im UV-Bereich auf­ tretenden Probleme erhöhter Absorption, die beim Einsatz refraktiver Elemente auftreten, zuverlässig vermieden werden. Wird eine ungerade Zahl von Umlenkspiegeln ver­ wendet, so weist der aus den Teilstrahlen gebildete Ge­ samtstrahl eine bezüglich des Schwerpunktes des Primär­ laserstrahles symmetrische Energieverteilung auf. Wird eine gerade Zahl von Umlenkspiegeln verwendet, so über­ lappen sich die den Gesamtstrahl bildenden Teilstrahlen mehr oder weniger. Dadurch ergibt sich ein Gesamtstrahl mit einem breiteren Strahlprofil, dessen Modulation der Energieverteilung durch den Versatz am Rekombinations­ ort, d. h. dem Strahlteiler, eingestellt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise in der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung eingesetzt. Hierbei erfolgt eine gleichmäßige, flächige Bestrahlung. Auch kann eine strukturierte Maske verkleinert abgebil­ det werden. Durch die gleichförmige Energiedichte der Strahlung wird ein gleichmäßiger Bearbeitungsgrad er­ zielt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Aus­ führungsform einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung,

Fig. 2 verschiedene Formen von Laserstrahlen nach Verlassen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung,

Fig. 4 in schematischer Darstellung weitere Ausfüh­ rungsformen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung,

Fig. 5 in schematischer Darstellung die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Bearbeitungsanlage.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 dient dazu, die Energie­ dichte eines Laserstrahlungsbündels zu homogenisieren, ohne den maximalen Divergenzwinkel des Strahlenbündels zu vergrößern. Die Vorrichtung weist hierzu drei Umlenk­ spiegel 1 bis 3 auf, die so angeordnet sind, daß die Auftreffpunkte 12 bis 14 der Laserstrahlen auf die Spie­ gelflächen 15 bis 17 der Umlenkspiegel 1 bis 3 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Im dargestellten Ausführungs­ beispiel sind die Umlenkspiegel 1 bis 3 und ein Strahl­ teiler 4, der im Bereich zwischen den Umlenkspiegeln 1 und 3 angeordnet ist, in einer Ebene angeordnet. Der vom (nicht dargestellten) Laser kommende Laserstrahl 5 wird durch den Strahlteiler 4 in zwei Teilstrahlen 6 und 8 aufgespalten. Der Teilstrahl 8 durchläuft den Strahltei­ ler 4 ungehindert. Der andere Teilstrahl 6 entsteht durch Reflexion am Strahlteiler 4 und trifft auf die Spiegelfläche 17 des Umlenkspiegels 1. Dort wird der Teilstrahl 6 zum Umlenkspiegel 2 reflektiert. Der re­ flektierte Teilstrahl 6 trifft im Punkt 13 auf die Spie­ gelfläche 16 des Umlenkspiegels 2, an dem der Teilstrahl zum Umlenkspiegel 3 hin reflektiert wird. Der Teilstrahl 6 trifft dort im Auftreffpunkt 12 auf die Spiegelfläche 15, an der dieser Teilstrahl zum Strahlteiler 4 hin re­ flektiert wird. An ihm wird der Teilstrahl 6 teilweise reflektiert, wodurch der Teilstrahl 7 entsteht, während ein Teilstrahl 11 durch den Strahlteiler 4 hindurchtritt und im Auftreffpunkt 14′ auf die Spiegelfläche 17 des Umlenkspiegels 1 trifft. An den Auftreffpunkten 12′ und 13′ wird der Teilstrahl 11 in gleicher Weise wie der Teilstrahl 6 jeweils reflektiert, bis er wieder zum Strahlteiler 4 gelangt. An ihm wird der Teilstrahl 11 wiederum in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die entspre­ chend den Teilstrahlen 6 und 8 den zuvor beschriebenen Weg nehmen.

Der Reflexionsgrad des Strahlteilers 4 ist so ausgelegt, daß die Summation aller entsprechend Teilstrahl 8 ver­ laufenden Teilstrahlen und die Summation aller entspre­ chend Teilstrahl 7 verlaufenden Teilstrahlen möglichst gleiche Werte der Strahlungsintensitäten bzw. Energie­ dichten ergeben. Die Transmission der Teilstrahlen er­ gibt sich aus folgender Beziehung:

Hierbei bedeuten:

Aus diesen Beziehungen ergibt sich bei verlustfreien Um­ lenkspiegeln eine Reflexion RTS des Strahlteilers 4 von 0,666 für eine Strahlteilung von 50%.

Der Strahlversatz zwischen den Teilstrahlen 7 und 8 kann durch eine laterale Verschiebung eines der Umlenkspiegel 1 bis 3 eingestellt werden. In Fig. 1 ist beispielhaft der Umlenkspiegel 3 in X- und/oder in Z-Richtung ver­ stellbar. Auch kann ein Versatz zwischen den Teilstrah­ len 7 und 8 durch ein entgegengesetztes Verkippen zweier Umlenkspiegel oder eines Umlenkspiegels und des Strahl­ teilers 4 erreicht werden.

In Fig. 1 ist die Intensitätsverteilung des Laserstrah­ les 5 anhand der Intensitätskurve 9 dargestellt. Diese Intensitätskurve 9 verläuft ähnlich einer Glockenkurve. Durch eine entsprechende Anordnung der Umlenkspiegel 1 bis 3 und des Strahlteilers 4 kann diese Intensitätskur­ ve 9 in die Intensitätskurve 10 (gestrichelte Linie) verändert werden, indem in der beschriebenen Weise der Laserstrahl 5 in die beiden Teilstrahlen 7 und 8 aufge­ teilt wird. Da diese beiden Teilstrahlen 7, 8 einen Strahlenversatz aufweisen, ergibt sich eine Intensitäts­ kurve 10 (gestrichelte Linie in Fig. 1) des aus den bei­ den Teilstrahlen gebildeten Laserstrahls. Somit kann, wie ein Vergleich der Intensitätskurven 9 und 10 bei­ spielhaft zeigt, aus einer Energiedichteverteilung des Laserstrahles 5 gemäß der Kurve 9 eine plateauähnliche Verteilung entsprechend der Intensitätskurve 10 erzeugt werden. Die Größe des geeigneten Strahlenversatzes zwi­ schen den beiden Teilstrahlen 7 und 8 ist abhängig von der Struktur des Primärstrahles 5. Durch die beschriebe­ nen Verstellungen der Umlenkspiegel 1 bis 3 und/oder des Strahlteilers 4 lassen sich auf diese Weise unterschied­ liche Energiedichteverteilungen leicht einstellen.

Zusätzlich kann durch die entstehende Spiegelung des Teilstrahles 7 an der Y-Z-Ebene, wie in Fig. 2 gezeigt ist, in Verbindung mit der beschriebenen translatori­ schen Verschiebung der Teilstrahlen 7 und 8 gegeneinan­ der eine Drehung der Teilstrahlen 7, 8 um die Achse des einfallenden Primärstrahles 5 erzeugt werden. Die Symme­ trieebene der Spiegelung wird durch die Ausbreitungs­ richtung des Primärstrahles 5 und durch den Normalenvek­ tor der durch die Auftreffpunkte 12 bis 14 des Teil­ strahles 6 auf den Umlenkspiegeln 1 bis 6 auf gespannten Ebene definiert.

Für eine ungerade Zahl von Umlenkspiegeln (i = 3, 5 . . . ) sind die Teilstrahlen spiegelbildlich. Dieser Fall wird gewählt, wenn es gilt, aus einem asymmetrischen Strahl­ profil durch genaue und leicht versetzte Überlagerung der beiden Teilstrahlen 7 und 8 ein symmetrisches Strahlprofil zu erzeugen.

Ein einziger Umlenkspiegel (i = 1) kommt aus geometri­ schen Gründen nicht in Frage.

Fig. 2 zeigt die Orientierung eines Strahlenbündels 10 mit rechteckigem Querschnitt nach Verlassen des Homoge­ nisators in Abhängigkeit der Orientierung des Rechteck­ querschnittes zur Symmetrieebene der Spiegelung. Die in den Fig. 2a bis 2d dargestellten Ausführungsbeispiele von Strahlenbündeln entstehen bei einer ungeraden Anzahl von Umlenkspiegeln. Der in Fig. 2a schematisch darge­ stellte Strahlquerschnitt ist zum Beispiel typisch für Excimer-Laser, bei denen aufgrund der Strahlgeometrie in zwei Raumrichtungen unterschiedliche Strahldivergenzen auftreten. Bei der Fokussierung der Strahlung führt dies zu elliptischen Strahldurchmessern. Bei einer Ausbildung des Strahlenbündels entsprechend den Fig. 2b und 2d ist eine Mittelung über beide Divergenzen im Überschnei­ dungsbereich der Teilbündel 7 und 8 möglich, so daß eine räumlich isotrope Verteilung der Strahldivergenz erzielt werden kann. Wie die Fig. 2a und 2c zeigen, liegen die beiden Teilstrahlen 7 und 8 übereinander, während sie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2b und 2d einander kreuzen.

Auf die beschriebene Weise läßt sich das aus den Teil­ strahlen 7, 8 gebildete Strahlenbündel so einstellen, daß die gewünschte Energiedichteverteilung entsteht. Wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt worden ist, kann das Strahlenbündel mit einem breiteren und/oder höheren Ma­ ximum ausgebildet werden als die Teilstrahlen 7 oder 8.

Bei einer geraden Anzahl von Umlenkspiegeln bleiben die Teilstrahlen ungespiegelt. Eine solche Anordnung wird beispielsweise dann gewählt, wenn aus einem Strahl mit einem ausreichend symmetrischen Profil ein breiterer Teilstrahl durch Versatz der beiden Teilstrahlen 7, 8 erzeugt werden soll. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform hat die Vorrichtung vier Umlenkspiegel 18 bis 21. Im Bereich zwischen den beiden Umlenkspiegeln 18 und 19 befindet sich der Strahlteiler 4. Der primäre Laserstrahl 5 trifft wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 auf den Strahlteiler 4 und wird dort in die beiden Teilstrahlen 6 und 8 aufgeteilt. Der Teilstrahl 6 wird am Strahltei­ ler 4 zum Umlenkspiegel 19 reflektiert, während der an­ dere Teilstrahl 8 den Strahlteiler 4 passiert. Am Um­ lenkspiegel 19 wird der Teilstrahl zum Umlenkspiegel 20 umgelenkt, an dem er wiederum zum Umlenkspiegel 21 und von dort zum Umlenkspiegel 18 reflektiert wird. Am Um­ lenkspiegel 18 wird der Teilstrahl 6 zum Strahlteiler 4 reflektiert. Dort wird der Teilstrahl 6 wiederum in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, wobei der reflektierte Teil­ strahl 7 divergierend zum Teilstrahl 8 verläuft. Der an­ dere, den Strahlteiler 4 passierende Teilstrahl 6 läuft dann wieder in der beschriebenen Weise innerhalb des op­ tischen Systems um. Somit wird aus dem Primärlaserstrahl 5 ein Strahlenbündel 7, 8 gebildet, das breiter ist als der Primärlaserstrahl 5.

Mit den beschriebenen Vorrichtungen ist es möglich, eine Mittelung über einen einzelnen Laserpuls während seiner Pulsdauer vorzunehmen. Voraussetzung hierfür ist, daß die Pulsdauer größer ist als die Laufzeit zwischen den Umlenkspiegeln 1 bis 3 bzw. 18 bis 21. Für einen Exci­ mer-Laser mit seiner typischen Pulsdauer im 10 ns-Be­ reich und mit Strahlquerschnitten von einigen cm² ist diese Bedingung leicht zu erfüllen. Wird eine Laser­ strahlung mit einer kürzeren Pulsdauer verwendet, muß die Laufzeit des Laserstrahles zwischen den Umlenkspie­ geln verkleinert werden, weil anderenfalls die Teil­ strahlen 7, 8 als zwei zeitlich voneinander getrennte Pulse erscheinen. Die Anpassung der Laufzeit ist bei­ spielsweise durch Verkleinern der gesamten Anordnung möglich.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kann die Modulation der Energieverteilung durch den Versatz der Teilstrahlen 7, 8 am Rekombinationsort, d. h. am Strahlteiler 4, ein­ gestellt werden.

Zur Erzeugung einer sogenannten Top-Hat-Energievertei­ lung können mehrere Vorrichtungen gemäß Fig. 3 in Reihe geschaltet werden. Wenn hierbei zweidimensionale Top- Hat-Profile erzeugt werden sollen, dann werden diese Vorrichtungen für zueinander senkrechte Richtungen ein­ gesetzt, wodurch eine Symmetrisierung der Energievertei­ lung in beiden Richtungen des Strahlprofils erfolgt.

Auch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 können mehrere Vorrichtungen hintereinander für zueinander senkrechte Richtungen eingesetzt werden, um eine Symmetrisierung der Energieverteilung in beiden Richtungen des Strahl­ profiles zu erhalten.

In Fig. 4 ist die Vorrichtung entsprechend Fig. 3 mit den vier Umlenkspiegeln 18 bis 21 und dem Strahlteiler 4 dargestellt. Die Vorrichtung ist so orientiert, daß die Auftreffpunkte der Strahlen auf den Umlenkspiegeln 18 bis 21 in der Y-Z-Ebene orientiert sind. Der Laserstrahl 5 wird in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Weise re­ flektiert und in Teilstrahlen aufgeteilt. Die Intensi­ tätsverteilung des Laserstrahles 5 in den zwei zueinan­ der senkrechten Raumrichtungen X und Y ist im Schaufen­ ster 22 dargestellt.

Das Schaufenster 23 zeigt die Intensitätsverteilung des Laserstrahles nach der Homogenisierung in Y-Richtung.

In Fig. 4 ist die Vorrichtung mit den vier Umlenkspie­ geln 18 bis 21 und dem Strahlteiler 4 in einer solchen Lage dargestellt, daß die Auftreffpunkte der Strahlen auf den Umlenkspiegeln 18 bis 21 in der X-Z-Ebene lie­ gen. Dadurch wird, wie das Schaufenster 24 zeigt, der Laserstrahl in X-Richtung homogenisiert.

Die beschriebenen Vorrichtungen eignen sich zum Einsatz in der Materialbearbeitung, in der Medizintechnik und dergleichen.

Fig. 5 zeigt beispielhaft eine Anordnung der Vorrichtung in einer Bearbeitungsanlage. Eine schematisch darge­ stellte Laserstrahlquelle 25 sendet den Laserstrahl 5 aus. Die Vorrichtung 26 ist entsprechend der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 dargestellt, kann aber auch eine Ausbildung entsprechend Fig. 3 haben. Die Vorrichtung 26 ist um die Achse des Laserstrahles 5 drehbar angeordnet. In der Vorrichtung 26 wird der Laserstrahl 5 in der be­ schriebenen Weise homogenisiert und tritt als homogeni­ sierter Laserstrahl 27 aus der Vorrichtung 26 aus und trifft auf einen Umlenkspiegel 28, der den homogenisier­ ten Laserstrahl 27 zu einer Bearbeitungsoptik oder -lin­ se 29 umlenkt. Durch diese Optik 29 wird der Laserstrahl auf ein Werkstück 30 gerichtet, das er bearbeitet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Homogenisieren der Lichtverteilung eines Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des La­ serstrahles (5) mindestens ein optisches System liegt, das mindestens einen Strahlteiler (4) und we­ nigstens drei Umlenkspiegel (1 bis 3; 18 bis 21) aufweist, und daß der vom Strahlteiler (4) reflek­ tierte und von den Umlenkspiegeln (1 bis 3; 18 bis 21) umgelenkte Teilstrahl (6, 11) sowie der vom Strahlteiler (4) transmittierte Teilstrahl (8) zu ei­ nem Gesamtstrahl (7, 8) zusammengeführt werden, des­ sen Teilstrahlen (7, 8) einen Versatz aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffpunkte (12 bis 14; 12′ bis 14′) des zwischen den Umlenkspiegeln (1 bis 3; 18 bis 21) umlaufenden Teilstrahls (6, 11) an den Spiegelflächen (15 bis 17) der Umlenkspiegel in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Um­ lenkspiegel (1 bis 3; 18 bis 21) zur Einstellung des Versatzes zwischen den Teilstrahlen (7, 8) in X- oder Z-Richtung verstellbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) in X- und Z-Richtung verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) kippbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander benachbar­ te Umlenkspiegel (1 bis 3; 18 bis 21) gegeneinander kippbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Symmetrisierung der Energieverteilung in zwei zueinander senkrechten Richtungen zwei optische Systeme hintereinander ge­ schaltet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Top- Hat-Energieverteilung eine gerade Zahl von Umlenk­ spiegeln (18 bis 21) vorgesehen ist.