DE68913674T2

DE68913674T2 - Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Ablenken eines Laserstrahls.

Info

Publication number: DE68913674T2
Application number: DE68913674T
Authority: DE
Inventors: Herve Achard; Hubert Bono; Jean-Pierre Joly; Jean-Luc Mermet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2009-12-02
Also published as: EP0373055A1; DE68913674D1; FR2639857B1; EP0373055B1; JPH02197389A; FR2639857A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Ablenken eines Laserstrahls. Sie findet besonders in der Metallurgie und der Mikroelektronik Anwendung.
Mehrere bekannte Vorrichtungen verwenden einen Laserstrahl während der Oberflächenbehandlung, um sie zum Beispiel Schmelzen oder Rekristallisieren zu lassen. Um bessere Ergebnisse zu erhalten muß der Quermodus des Lasers, gewöhnlich TEMOO, modifiziert werden, um einen vergrößerten Fleck zu erhalten, von größtmöglicher Länge, während eine erhöhte Leistungsdichte erhalten bleibt.
Um einen solchen Fleck zu erhalten, kannte man eine erste Vorrichtung, welche einen brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerungsapparat verwendet. Ein Laser liefert einen Strahl, dessen Quermodus TEMOO ist, das heißt von Gauss'scher Energieverteilung auf dem Querschnitt des Strahls. Die Querverbindung des brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerungsapparats wandelt den kreisförmigen Querschnitt des Gauss'schen Strahls in einen elliptischen Querschnitt um.
Der umgewandelte Strahl ist parallel; er wird auf die zu behandelnde Oberfläche durch ein Objektiv fokussiert. In der Brennpunktebene dieses Objektivs ist das Bild des Strahls ein elliptischer Fleck, dessen Ellipsenverhältnis gleich der Vergrößerung des brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerungsapparats ist.
Die Abmessungen des durch die einzige Diffraktion bestiinrnten Flecks sind gegeben durch:
d = (4λF)/(πkw)
D = (4λf)/(πw)
Mit:
d: kleine Ellipsenachse,
D: große Ellipsenachse,
λ: Wellenlänge des Lasers,
F: Brennpunkt des Objektivs,
k: brennpunktlose zylindrische Vergrößerung,
w: Durchmesser des Laserstrahls.
Das Ellipsenverhältnis D/d ist gleich k, der brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerung.
Das Ellipsenverhältnis wird also durch den Durchmesser der Eintrittspupille des Objektivs beschränkt, weil es unnütz ist, den Strahl auf größere Abmessungen mit diesem Durchmesser zu vergrößern: eine bestimmte Lichtmenge würde nicht durch das Objektiv fokussiert und wäre somit verloren. Man erhält also Ellipsenverhältnisse im Maximum gleich ungefähr 10, was einen ersten Nachteil dieser Vorrichtung darstellt.
Nidererseits weist diese Vorrichtung keine große Anpassungsfähigkeit der Verwendung auf: die Modifikation des Ellipsenverhältnisses (in der weiter oben angegebenen Beschränkung) schließt das Ersetzten der brennpunktlosen Vergrößerung und die Neuzusammensetzung der ganzen, für die Oberflächenbehandlung verwendeten, optischen Kette mit ein.
Ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung ruht in der Tatsache, daß um die große Ellipsenachse um einen Faktor X zu vervielfachen, der Durchmesser w des einfallenden Lichtstrahls um denselben Faktor und seine Oberfläche um einen Faktor X² reduziert werden müssen.
Andererseits, um dieselbe Leistungsdichte in der vergrößerten Ellipse (durch Verkleinerung von w) zu erhalten, muß man die einfallende Leistung um den Faktor X vervielfachen.
Der Leistung pro Oberflächeneinheit am Eingang des brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerers wird also ein Faktor X³ zugeordnet. Unter der Wirkung der großen eingesetzten Leistungsdichten, verschlechtert sich die verwendete Optik schnell.
Ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung betrifft die Verbindung der optischen Anweichungen des brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerers. Diese letzteren betreffen besonders stark die kleine Ellipsenachse.
Man kannte die Schwierigkeit, die chromatischen und andere Abweichungen auf den Linsen eines brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerers zu korrigieren, wobei die Linsen andererseits bearbeitet werden, um einer hohen Leistungsdichte standzuhalten.
Ein anderer Nachteil dieser Vorrichtung resultiert aus allen schon angeführten Nachteilen: all diese Anstrengungen, die auferlegt werden um die Vorrichtung auszuführen, schließen hohe Kosten mit ein.
Man kannte eine zweite Vorrichtung, die es ermöglicht, einen vergrößerten Lichtfleck mit einer für die Oberflächenbehandlung ausreichenden Leistungsdichte zu erhalten. Diese Vorrichtung besteht aus einem Laser, dessen Quermodus TEMO1 ist. Daran paßt man die Zusammensetzung der Spiegel an, welche den Hohlraum des Lasers bilden.
Die Laser, deren Quermodus TEMOO und TEMO1 sind, werden in dem Artikel "Review of Laser Modes" von C. Breck Hitz, Laser and Applications, November 1985, S. 79-82 beschrieben.
Man kannte schließlich nach dem Dokument DD-A-157 685 eine Vorrichtung zur Bildung eines Bereichs für die Verwendung von Materialien mit einem Laser. Diese Vorrichtung umfaßt ein Teleskop, das von einem Okular und einem Objektiv gebildet wird, eine Reihe von Wollaston-Prismen und verzögernde Lambda-Viertel-Plättchen und eine sphärische Linse zur Fokussierung. Diese Vorrichtung ermöglicht es dennoch nur, einen Dauerstrich zu erhalten, der von kleinen elliptischen Punkten gebildet wird, dessen große Ellipsenachse horizontal ist. Kolglich weist der erhaltene Strich eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung auf.
Figur 1 zeigt schematisch den Verlauf des erhaltenen Flecks. Sein Verlauf ähnelt einer Bohne oder einer defonaierten Ellipse. Sie weist eine größere Länge gemäß Achse a auf.
Figur 2 stellt schematisch das Intensitätsprofils gemäß der Achse des durch diese Vorrichtung erhaltenen Strähls auf. Die Ordinate I stellt die Lichtintensität in beliebigen Einheiten dar.
Die folgende Intensitätsverteilung weist zwei Maxima auf: das Profil ist in Form eines "Kamelrückens".
Dieser Fleck wird durch ein Objektiv auf die zu behandelnde Fläche fokussiert; dieser Vorgang erhält das Intensitätsprofil.
Dieser Vorrichtung weist mehrere Nachteile auf. Die Verteilung der Lichtintensität im Inneren des Flecks weist zwei Maxima auf, was für bestizmte Anwendungen schlecht ist, die eine Lichtverteilung so gleichförmig als möglich benötigen (zum Beispiel das Ausglühen).
Das Ellipsenverhältnis, welches berechnet werden kann, indem man den Verlauf des erhaltenen Flecks an eine Ellipse angleicht, ist kleiner oder gleich 2. Dies stellt eine große Beschränkung für die Vorrichtung dar.
Außerdem arbeitet der Laser mit einem Modus, der weniger stabil ist als der Grundmodus. Diese Instabilität ruft nachteilige Leistungsschwankungen für die Oberflächenbehandlung hervor.
An letzter Stelle zieht jede Modifikation des Verlaufs des Flecks ein Auswechseln von mindestens einem Element der optischen Kette (zum Beispiel einem Spiegel des Laserhohlraums) nach sich.
Man kannte eine dritte Vorrichtung, welche zwei Laserstrahlen verwendet, die so gemischt sind, daß sie nur einen vergrößerten Fleck bilden. Dieser Fleck wird von zwei kreisförmigen Flecken von jedem der Strahlen gebildet. Seine Intensitätsverteilung entlang seiner größten Länge ist vergleichbar mit der, die in Figur 2 dargestellt und schon beschrieben ist.
Diese Vorrichtung weist die mit der Form des "Kamelrükkens" des Intensitätsprofils untrennbar verbundenen Nachteile aus. Andererseits ist der Einsatz von zwei Lasern nötig, von Apparaten, deren Regulierung schwierig ist, umso mehr, als die Leistung der beiden Strahlen identisch sein muß und mit großer Präzission reguliert werden muß.
Diese Vorrichtung ist also wenig beguem, von unbeguemer Regulierung und teuer.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben: einen elliptischen Fleck zu erhalten, dessen Ellipsenverhältnis nach Belieben reguliert werden kann, ohne die optische Kette der Vorrichtung zu verändern, wobei dieses Ellipsenverhältnis erhöhte Werte erreichen kann.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, zu vermeiden, die verschiedenen optischen Elemente der Vorrichtung großen Leistungsdichten zu unterziehen.
Dafür preist die Erfindung den Einsatz eines brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerers, der mit einem zylindrischen Vorsatz-Anamorphot gekoppelt ist.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung durch Ablenken eines Lasersträhls, die einen Laser, eine Kette zur Umwandlung des Laserstrahls, ein System zum Ablenken des Laserstrahls, eine Fokussierungsoptik umfaßt. Die besagte Kette zur Umwandlung umfaßt:
- einen brennpunktlosen zylindrischen Vergrößerer,
- einen zylindrischen Vorsatzs-Ahamorphot.
Der brennpunktlose zylindrische Vergrößerer, der am Ausgang eines Lasers angeordnet ist, welcher einen Gauss'schen Strahl liefert, ermöglicht es, den Durchmesser des Querschnitts dieses Strähls zu vergrößern, während dieser letzte genau parallel gehalten wird. In dieser Weise haben alle optischen Elemente, die nach dem Vergrößerer angeordnet sind, nicht so hohe Leistungsdichten zu ertragen.
Der zylindrische Vorsatz-Anamorphot ermöglicht die Umwandlung des Gauss'schen Strahls, der von dem Laser stammt, in einen Strahl mit veränderlicher Brechkraft auf einer einzigen Achse.
Gemäß einer Ausführungsvariante besitzt der zylindrische Vorsatz-Anamorphot eine beliebig veränderliche Vergrößerung entlang einer Achse. Sie ermöglicht es, die Ellipsengestalt des auf das Substrat fokussierten Lichtflecks zu regulieren, indem seine große Achse geändert wird ohne die kleine Achse abzuändern. Somit vermeidet man schwere Veränderungen und Ersetzungen von optischen Elementen, wenn man die Abmessungen des Lichtflecks ändern will.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsweise umfaßt der zylindrische Vorsatz-Anamorphot eine zylindrische plan-konvexe Linse und eine zylindrische plan-konkave Linse.
Gemäß einer Ausfuhrungsvariante umfaßt der zylindrische Vorsatz-Anamorphot einen kokaven zylindrischen Spiegel und einen konvexen zylindrischen Spiegel.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante umfaßt der zylindrische Vorsatz-Anamorphot einen konvexen zylindrischen Spiegel und eine zylindrische plan-konkave Linse.
Geinäß anderen einer Ausführungsvariante umfäßt der zylindrische Vorsatz-Anamorphot eine zylindrische plan-konvexe Linse und einen konkaven zylindrischen Spiegel.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsweise sind die Umwandlungskette, das System zum Ablenken und die Fokussierungsoptik auf die Wellenlängen des verwendeten Laserstrahls achromatisiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsweise weisen von den beiden optischen Elemente, welche den zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten bilden, die eine eine Konkavität und die andere eine Konvexität auf, wobei die Konkavität und die Konvexität komplementär sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsweise umfaßt das System zur Ablenkung mindestens einen oszillierenden Spiegel.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsweise umfaßt die Vorrichtung gemäß der Erfindung außerdem:
- eine Kammer, in welcher ein chemisch inertes oder reaktives Gas vorherrscht entsprechend der angestrebten Oberflächenbehandlung, diese Kammer ist mit einem für den besagten, für die Oberflächenbehandlung verwendeten, Laserstrahl durchlässigen runden Fenster ausgestattet,
- in dieser Kammer eine erwärmende Stütze, die dazu fähig ist, ein Material auf zunehmen, das eine zu behandelnde Fläche hat,
- eine Schleuse zum Auswechseln, die mit der Kammer durch eine, von einer Klappe geschlossene, Öffnung verbunden ist, diese Schleuse umfaßt in ihrem Inneren einen beweglichen Arm, der fähig ist, das besagte Material aufzunehmen und der von außerhalb der Schleuse bewegt werden kann, dieser Arm ist fähig, das besagte Material ins Innere der Kammer einzuführen und das besagte Material auf der Stütze anzuordnen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Vorrichtung wird die erwärmende Stütze auf einer ersten, entlang einer ersten Richtung D1 beweglichen und entsprechend einer zweiten Richtung D2, senkrecht zur ersten, festen Platine befestigt.
Die Kennzeichen und Vorteile der Erfindung treten besser bei der folgenden Beschreibung hervor, die zur Erläuterung und keineswegs zur Beschränkung gegeben wird. Dieser Beschreibung bezieht sich auf angefügte Zeichnungen, auf denen:
- die schon beschriebene Figur 1 schematisch den Querschnitt eines Lichtstrahls darstellt, der von einer Vorrichtung gemäß der herkömmlichen Art stammt,
- die schon beschriebene Figur 2 schematisch das Intensitätsprofil entlang einer Achse a eines Lichtstrahls darstellt, der von einer Vorrichtung gemäß der herkömmlichen Art stammt,
- Figur 3 schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt,
- die Figuren 4A bis 4D schematisch im Schnitt verschiedene Ausführungsweisen der optischen Elemente eines zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten darstellen,
- Figur 5 schematisch und im Schnitt einen zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten darstellt.
Figur 3 stellt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dar.
Ein Laser 10 liefert einen Gauss'schen Strahl. Die kann ein Laser mit ionisiertem Argon sein, der zum Beispiel einen kontinuierlichen Strahl von 20W in Mehrfachlinien liefert. Gemäß der Art der gewünschten Oberflächenbehandlung und den eingesetzten Leistungen kann man zum Beispiel auch einen CO&sub2;-Laser verwenden. Der Strahl durchläuft dann eine Kette zur Umwandlung 11, welche einen brennpunktlosen sphärischen Vergrößerer 12 und einen zylindrischen Vorsatz-Amorphoten 14 umfaßt. Der brennpunktlose sphärische Vergrößerer 12 weist eine Vergrößerung g auf. Diese Vergrößerung g kann zum Beispiel gleich 9,3 sein.
Der vergrößerte Lichtstrahl durchläuft einen zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten 14. Die ursprünglich isotrope Brechkraft wird anisotrop. Somit wird, durch Einwirkung auf den Vorsatz-Anamorphoten 14, das Ellipsenverhältnis des fokussierten Flecks beliebig regulierbar, wie man später sehen wird.
Am Ausgang des Vorsatz-Anamorphoten fällt der Strahl auf das System zur Ablenkung 16. Dieses System zur Ablenkung 16 umfaßt bevorzugter Weise einen oszillierenden Spiegel 18, der von einem Motor 20 bewegt wird.
Der von einer Ablenkungsbewegung angeregte Strahl durchläuft eine Fokussierungsoptik 22.
Bevorzugterweise ist diese Fokussierungsoptik 22 ein Objektiv mit ebenem Feld. Dieses letztere kann zum Beispiel eine Brennweite von 225 mm, eine Öffnung von 24 mm und eine Feld von 125 mm in seiner Brennebene aufweisen. Ein Objektiv mit ebenem Feld ermöglicht ein Ablenken auf einem großen Feld ohne Defokussierung.
Alle die optischen Elemente (Kette zur Umwandlung 11, System zum Ablenken 16, Fokussierungsoptik 22) werden für die Wellenlängen der Vorrichtungsverwendung (488 und 514,5 nm für Argon, 10 600 nn für CO&sub2;) achromatisiert.
Das Material 23, welches eine zu behandelnde Fläche hat, wird in einer Karniner 24 angeordnet, in deren Inneren eine inerte Gasatmosphäre herrscht. Dieses Gas kann zum Beispiel Stickstoff sein. Der Druck im Inneren der Kammer kann zum Beispiel einige Torr betrage.
Die Kammer ist mit einem, für die Wellenlängen der Verwendung transparenten, runden Fenster 26 ausgestattet.
Das Material 23 wird zum Beispiel durch Unterdruck an einer erwärmenden Stütze 28 gehalten, mit der zu behandelnde Fläche gegenüber dem runden Fenster 26. Die Temperatur, auf welcher die Stütze 28 gehalten wird, hängt von der angestrebten Verwendung ab; sie kann zum Beispiel 800ºC betragen.
Das Material 23 wird in die Kammer 24 durch Zwischenschalten einer Schleuse zum Wechseln 30 eingeführt, weil in der Kammer 24 ein Stickstoffatmosphäre herrscht.
Eine Öffnung 32, die durch eine Klappe 34 dicht abgeschlossen ist, verbindet die Kammer 24 mit der Schleuse 30.
Diese letztere ist in ihrem Inneren mit einem beweglichen Arm 36 ausgestattet, der fähig ist, das besagte Material 23 aufzunehmen und welcher von außerhalb der Schleuse 30 bewegt werden kann. Der Arm 36 umfaßt zum Beispiel eine Platte 38.
Das Material 23 wird in die Schleuse 30 durch eine Öffnung 40 eingeführt und auf der Platte 38 gelagert. Die Öffnung 40 wird durch eine Tür 42 geschlossen, welche die Isolierung der Schleuse 30 von dem Äußeren garantiert.
Der Arm 36 führt das Material 23 in die Kammer 24 durch die Öffnung 32 ein, indem die Klappe 34 zurückgeschoben wird. Das Material 23 wird auf der Stütze 28 angeordnet und durch Unterdruck gehalten. Der Arm 36 wird dann in die Schleuse 30 zurück an den Platz gebracht.
Um die Schnelligkeit des Ablenkens zu erhöhen, wird die Stütze 28 auf einer ersten Platine 44 befestigt, die entlang einer ersten Richtung D1 beweglich ist. Diese Platine 44 ist auf einer zweiten Platine 46, die entlang einer zweiten Richtung D2, senkrecht zur ersten D1, beweglich ist, befestigt.
Der elliptische Strahl, nachdem er das Objektiv 22 durchlaufen hat, durchläuft das runde Fenster 26 und tastet die zu behandelnde Oberfläche ab.
Die Optik des zylindrischen Vorsatz-Anamorphots 14 kann in verschiedener Weise ausgeführt werden. Die Figuren 4A bis 4D beschreiben schematisch vier Ausführungsweisen.
Figur 4A stellt schematisch eine erste optische Katoptrik- Anordnung dar, welche einen zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten darstellt. Dieser letztere wird aus einem zylindrischen konvexen Spiegel 48 gebildet, der durch einen Abstand e von einem zylindrischen konkaven Spiegel 50 getrennt ist.
Der Gauss'sche Strahl reflektiert zuerst an dem Spiegel 48, dann an dem Spiegel 50.
Bevorzugterweise sind die Konkavität und die Konvexität der beiden Spiegel 50 und 48 komplementär.
Die Verwendung von zwei Spiegeln ermöglicht es, sich vollständig von chromatischen Abweichungen zu befreien und den Einsatz der Vorrichtung, die einen Laser 10 mit sehr hoher Leistung verwendet, wesentlich zu vereinfachen.
Die Variation des Ellipsenverhälthisses wird erhalten, indem man den Abstand e variieren läßt. Die Umnüllung der Spiegel 48, 50 beschränkt die Reduktion des Abstands e. Dieser Abstand ist proportional zum Ellipsenverhältnis.
Der lichtbrechende Einbau, der schematisch im Schnitt in Figur 4B dargestellt ist, ist wesentlich anpassungsfähiger, weil er es ermöglicht, den Abstand e von 0 bis Unendlich variieren zu lassen (in der Praxis beschränkt man sich auf einen Abstand e von zum Beispiel maximal gleich 35 mm).
Diese bevorzugte Ausführungsweise wird durch eine zylindrische plan-konvexe Linse 52 und eine zylindrische plan-konkave Linse 54 gebildet. Der Strahl durchläuft am Ausgang des brennpunktlosen sphärischen Vergrößerers 12 zuerst die Linse 52, dann die Linse 54.
Bevorzugterweise sind die Konvexität und die Konkavität der beiden Linsen 52 und 54 komplementär.
Die Figuren 4c und 4D stellen schematisch und im Schnitt optische Katadioptrik-Einbauten dar, welche den zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten ausführen.
Der Einbau von Figur 4C wird aus einem zylindrischen konvexen Spiegel 56 und einer zylindrischen plan-konkaven Linse 58 gebildet. Der Strahl reflektiert zuerst am Spiegel 56, dann durchläuft er die Linse 58.
Der Spiegel 56 und die Linse 58 sind durch einen beliebig regulierbaren Abstand e, proportional zum Ellipsenverhältnis des am Ausgang des Einbaus 14 erhaltenen Strähls, getrennt.
Der Einbau von Figur 4D wird aus einer zylindrischen plankonvexen Linse 60 und einem zylindrischen konkaven Spiegel 62 gebildet. Der Strahl am Ausgang des brennpunktlosen sphärischen Vergrößerers durchläuft die Linse 60, dann reflektiert er am Spiegel 62.
Die beiden Elemente 60 und 62 sind durch einen beliebig regulierbaren Abstand, proportional zum Ellipsenverhältnis des am Ausgang des Einbaus 23 erhaltenen Strahls, getrennt.
Vorzugsweise sind in diesen beiden letzteren Ausführungsweisen die konvexen Elemente komplementär zu den konkaven Elementen.
Für alle diese Ausführungsweisen werden die Abmessungen des elliptischen Flecks im Brennpunkt des Fokussierungssystems in Abschätzung gegeben durch:
d = (4λF)/(πkw)
D = (kwFe)/(f²) für e> 0
mit:
d: kleine Ellipsenachse,
D: große Ellipsenachse,
λ: Wellenlänge des Lasers,
F: Brennpunkt des Fokussierungssystems 22,
k: Vergrößerung des brennpunktlosen sphärischen Vergrößerers 12,
w: Durchmesser des Laserstrahls (am Ausgang des Lasers),
e: Abstand zwischen den optischen Elementen, die den zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten 14 bilden,
f: Brennpunkt der optischen Elemente, die den zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten 14 bilden.
In jeder der durch die Figuren 4A bis 4D beschriebenen Ausführungsweisen wird der Brennpunkt jedes der optischen Elemente 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62, welche den zylinorischen Vorsatz-Anamorphoten bilden, identische und gleich mit f gewählt. f kann zum Beispiel gleich 301 mm sein.
Der Abstand e kann von Null bis Unendlich variieren. In einem Ausführungsbeispiel beschränkt man die Variationen von e auf den Bereich zwischen 5 mm und 35 mm.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Durchmesser des Strahls w gleich 1,9 mm gewählt (dieser Durchmesser entspricht einer Intensität von 1/e² mal der Intensität im Zentrum des Gauss'schen Strahls am Ende des Lasers 10).
Die Vergrößerung k des brennpunktlosen sphärischen Vergrößerers 12 kann zum Beispiel ungefähr gleich 9 sein.
Der Brennpunkt F des Fokussierungssystems 22 kann zum Beispiel gleich 225 mm sein.
Diese Werte führen zu einem elliptischen Fleck, dessen kleine Achse d ungefähr gleich 10 Mikrometer ist und dessen große Achse von 220 bis 1540 Mikrometern gehen kann.
Das Ellipsenverhältnis ist also gleich:
D/d = (πk²m²e)/(f²4λ)
Dieses Verhältnis präzisiert die Proportionalitätskonstante, die zwischen dem Ellipsenverhältnis und dem Abstand e besteht.
Für die oben zur Beschreibung und nicht zur Beschränkung genommenen Werte kann das Ellipsenverhältnis D/d von 22 bis 154 gehen.
Für eine gutes Funktionieren der Vorrichtung muß die geometrische Deformation der Wellenfront am Ausgang jedes optischen Bestandteils der Vorrichtung des Ablenkens kleiner als ein Viertel der Wellenlänge sein. Folglich sind die geometrischen Abweichungen vernachlässigbar.
Man sieht in Figur 5 einen Schnitt, der schematisch einen zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten 14 darstellt, welcher in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendbar ist.
Die optischen Elemente werden, entsprechend dem Schema der Figur 43, aus zwei zylindrischen Linsen 52, 54, die eine 52 plankonvex, die andere 54 plan-konkav, gebildet.
Die Linse 52 wird in einer Aufnahme gehalten, die in einer Stütze 64 durch eine, an der Stütze 64 befestigte, Halterung 66 angebracht ist.
Die Linse 54 wird in einer Aufnahme gehalten, die in einer Stütze 68 durch eine, an der Stütze 68 befestigte, Halterung 70 angebracht ist.
Die Konvexität der Linse 52 ist mit der Front gegen die Konkavität der Linse 54 gerichtet.
Die Stützen 64 und 68 sind in einem zylindrischen Hauptkörper 72 enthalten, in welchem die beiden Öffnungen 74 und 76, die auf der optischen Achse AO der Vorrichtung zentriert sind, mit ihren Enden angebracht sind.
Die Öffnung 74 ermöglicht das Einführen des Gauss'schen Strähls in das Innere des Vorsatz-Anamorphots 14, während die Öffnung 76 den Austritt des Strahls ermöglicht.
Die Stützen 64 und 67 weisen natürlich Öffnungen auf, welche die Ausbreitung des Strahls frei lassen.
Die Stütze 64 kann eine Rotation um die Achse AO ausführen. Ein an der Stütze 64 befestigter Zahnkranz 78, der mit einer auf dem Körper 72 befestigten Schnecke 80 verbunden ist, ermöglicht es, diese Rotation zu kontrollieren. Diese Rotation ermöglicht es, die Parallelität der Mantellinien der Linsen zu sichern.
Die Stütze 68 kann eine Translation entlang der Achse AO ausführen. Eine Zahnstange 82, die auf der Stütze 68 befestigt ist, verbunden mit einer Schnecke 84, ermöglicht es, diese Translation zu kontrollieren. Diese letztere ermöglicht es, die beiden Linsen 52, 54 voneinander zu entfernen, so daß man das Ellipsenverhältnis variieren läßt.
Dagegen sind die Translation der Stütze 64 und die Rotation der Stütze 68 verboten.
Um die Parallelität der Linsen zu erhalten, verwendet man eine nicht dargestellte Vorrichtung zur Regulierung. Diese Vorrichtung umfaßt ein autokollimatisierendes Fernrohr, welches einen, vom Vorsatz-Anamorphoten 14 stammenden, Strahl auf eine matte Fläche wirft.
Die Regulierung besteht darin, die erhaltene Ellipse so rein als möglich zu halten, während man an der Schraube 80 dreht, was die Rotation der Stütze 64 in dem Hauptkörper 72 ermöglicht.
Die Parallelität muß erhalten bleiben, wie auch der Abstand zwischen den Linsen 52, 54 ist.
Egal welche die angenommene Ausführungsvariante ist, eine Vorrichtung gemäß der Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf: das Ellipsenverhältnis kann durch die einfache Veränderung von e von 1 bis zu einigen Hundert und mehr gehen. Diese Vorrichtung ist also sehr anpassungsfähig; sie ermöglicht es, das Ellipsenverhältnis an die gewünschte Anwendung sehr schnell anzupassen, ohne jegliche andere Regulierung zu verändern.
Um das Ellipsenverhältnis um einen Faktor X zu erhöhen und um die Leistungsdichte im Inneren des Strahls konstant zu halten, genügt es, den Abstand e zwischen den beiden Linsen 52, 54 um einen Faktor X variieren zu lassen und die Leistungsdichte des vom Laser 10 stammenden Strahls um einen Faktor X zu vervielfachen.
Die Abmessung der kleinen Achse d des Flecks ist unabhängig von e; die Leistungsdichte am Eingang der Vorrichtung wird also nur vom Faktor X betroffen.
Auf jede Weise ist nur die Eingangsfläche des brennpunktlosen sphärischen Vergrößerers 12 der hohen Leistungsdichte unterworfen. Die anderen Elemente der optischen Kette sind somit geschützt.
Im Fall der Beschädiguhg ist diese Eingangsfläche viel leichter auszuführen als diejenige eines zylindrischen Vergrößerers.
Aus allen diesen Vorteilen ergibt sich, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung keine besondere optische Korrektur benötigt und bei geringen Kosten bleibt.
Eine industrielle Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann die Ausführung von rekristallisierten Schichten aus Silizium in dünnen Schichten auf abgeschiedenem Siliziumoxid sein (Struktur "Silizium auf Isolator", SOI oder "silicon on insulator" in der angelsächsischen Terminologie). Diese Ausführung tritt in der Herstellung "dreidimensionaler" integrierter Schaltungen auf.
Eine andere industrielle Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist eine Behandlung, die in der Metallurgie verwendet wird: die Oberflächenamorphisierung.

Claims

1. Vorrichtung für die Behandlung einer Oberfläche durch Abtasten bzw. Überstreichen mittels eines Laserstrahlbündels, enthaltend wenigstens einen Laser (10), eine Laserstrahl-Übertragungskette (11), ein Laserstrahl-Abtastsystem (16), eine Fokussierungsoptik (22),

dadurch gekennzeichnet,

daß die übertragungskette umfaßt:

- einen zylindrischen Vorsatz-Anamorphot (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:

einen sphärischen brennpunktlosen Vergrößerungsapparat (12) für die Vergrößerung eine Strahlenbündels vor seinem Eindringen in den genannten zylindrischen Vorsatz-Anamorphoten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) eine in einer Achse beliebig variierbare Vergrößerung besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) zwei optische Elemente enthält: eine plan-konvexe zylindrische Linse (52) und eine plan-konkave zylindrische Linse (54).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) zwei optische Elemente enthält: einen konvexen zylindrischen Spiegel (48) und einen konkaven zylindrische Spiegel (50).

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) zwei optische Elemente enthält: eine plan-konvexe zylindrische Linse (60) und einen konkaven zylindrischen Spiegel (62).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) zwei optische Elemente enthält: einen konvexen zylindrischen Spiegel (56) und eine plan-konkave zylindrische Linse (58).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß von den Elementen, aus denen der zylindrische Vorsatz-Anamorphot (14) besteht, das eine konvex und das andere konkav ist, wobei die Konvexität und die Konkavität komplementär sind zueinander.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungskette (11), das Abtastsystem (16) und die Fokussierungsoptik (22) achromatisch gemacht sind für die Wellenlängen des verwendeten Laserstrahls.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastsystem (16) wenigstens einen oszillierenden Spiegel (18) umfaßt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:

- einen mit einem Gas gefüllten Behälter (24), wobei dieser Behälter (24) versehen ist mit einem für den genannten Laserstrahl durchlässigen Fenster (26),

- in diesem Behälter (24) einen Heizträger (28) zur Aufnahme eines Materials (23) mit einer zu behandelnden Oberfläche,

- eine Lade-Schleusenkammer (30), verbunden mit dem Behälter (24) durch eine Öffnung (32), verschlossen durch ein Klappe (34), wobei diese Schleusenkammer (30) in ihrem Innern einen beweglichen Arm (36) enthält, der das genannten Material (23) aufnehmen und von außerhalb der Schleusenkammer (30) betätigt werden kann, wobei dieser Arm (36) in der Lage ist, das genannte Material (23) ins Innere des Behälters (24) einzuführen und das genannte Material (23) auf dem Träger (28) anzuordnen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizträger (28) auf einer ersten Platine (44) befestigt ist, beweglich in einer ersten Richtung D1 und fest verbunden mit einer zweiten Platine (46), beweglich in einer zweiten Richtung D2, senkrecht zur ersten.