"Anordnung und Verfahren zur Unterdrückung von Speckle- Strukturen eines gepul sten Laserstrahles" "Arrangement and method for suppressing speckle structures of a pulsed laser beam"
Die vorliegende Erfindung betrifft ein e Anordnung sowie ein Verfahren zur Unterdrückung von Speckle-Strukturen eines gepulsten , zur Materialbearbeitung verwendeten Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene.The present invention relates to an arrangement and a method for suppressing speckle structures of a pulsed laser beam used for material processing in a processing plane.
Kohärentes Licht, insbesondere Lase rlicht kann bei Überlagerung mit sich selbst I nterferenzerscheinungen aufweisen , die insbesondere als sogenannte Speckle-Strukturen auftreten können . Bei der Verwendung von Laserlicht zur Materialbearbeitung werden in der Regel die Laserstrahlen durch Homogenisatoren derart mit sich selbst überlagert, dass in der Bearbeitungsebene regelmäßige I ntensitätsschwankungen auftreten, d ie den vorgenannten interferenzbedingten Speckle-Struktu ren entsprechen . Derartige Speckle-Strukturen können sich bei v ielen Anwendungen als ausgesprochen störend oder nicht akzeptierbar erweisen. Insbesondere wenn die Materialbearbeitung über einen thermischen Prozess erfolgt, der einen gewissen Leistungsschwellwert voraussetzt, wie dies beispielsweise bei Schweißanwend ungen oder auch bei Druckanwendungen der Fall ist, kann durch lokale I ntensitätsschwankungen der aufgebrachten Laserstrahlung eine lokal fehlerhafte Bearbeitung die Folge sei n .Coherent light, in particular laser light, can have interference phenomena when superimposed on itself, which in particular can occur as so-called speckle structures. When using laser light for material processing, the laser beams are generally superimposed on themselves by homogenizers in such a way that regular intensity fluctuations occur in the processing plane, which correspond to the aforementioned interference-related speckle structures. Such speckle structures can prove to be extremely disruptive or unacceptable in many applications. In particular, if the material processing is carried out via a thermal process that requires a certain power threshold, as is the case, for example, in welding applications or also in printing applications, locally faulty processing can result from local intensity fluctuations in the applied laser radiation.
Das der vorliegenden Erfindung zugru ndeliegende Problem ist die Schaffung einer Anordnung sowie die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, die mit verg leichsweise einfachen Mitteln und/oder vergleichsweise effektiv Speckle-Strukturen unterdrücken können.
Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Anordnung durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 1 erreicht.The problem on which the present invention is based is the creation of an arrangement and the specification of a method of the type mentioned at the beginning, which can suppress comparatively simple means and / or comparatively effectively speckle structures. This is achieved according to the invention with regard to the arrangement by an arrangement of the type mentioned at the outset with the characterizing features of claim 1 and with regard to the method by a method of the type mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1 1.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen , dass die Anordnung Strahlteilermittel zur Aufteilung des Laserstrahles in zwei Teilstrahlen sowie Strahlvereinigungsmittel zur Zusammenführung der beiden Teilstrahlen umfasst, wobei die Anordnung derart gestaltet ist, dass einer der beiden Teilstrahlen zwischen den Strahlteilermitteln und den Strahlvereinigungsmitteln eine derartige Phasenverschiebung erfährt, dass bei Überlagerung der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene keine Speckle-Strukturen entstehen oder dass bei Überlagerung der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene Speckle-Strukturen einer vorgegebenen Form und/oder Größe entstehen. Durch eine derartige Phasenverschiebung des ersten Teilstrahls gegenüber dem zweiten Teilstrahl kann erreicht werden, dass zwar zu bestimmten Zeitpunkten Interferenzen in der Bearbeitungsebene auftreten , diese sich jedoch bei unter Umständen nicht mehr oder nur unwesentlich miteinander phasenkorrelierten Teilstrahlen zeitlich wegmitteln , so dass keine Speckle-Strukturen auftreten.According to claim 1, it is provided that the arrangement comprises beam splitter means for splitting the laser beam into two partial beams and beam combining means for combining the two partial beams, the arrangement being designed such that one of the two partial beams between the beam splitting means and the beam combining means undergoes a phase shift such that when the partial beams are superimposed on the processing plane, no speckle structures arise or that when the partial beams are superimposed on the processing plane, speckle structures of a predetermined shape and / or size are produced. Such a phase shift of the first partial beam with respect to the second partial beam can result in interference occurring in the processing plane at certain points in time, but this can be averaged over time in the case of partial beams that are no longer or only insignificantly phase-correlated with one another, so that no speckle structures occur ,
Gemäß Anspruch 2 kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilermittel derart ausgebildet sind, dass der Laserstrahl in zwei gleiche Teilstrahlen aufgeteilt wird .According to claim 2 it can be provided that the beam splitter means are designed such that the laser beam is divided into two equal partial beams.
Gemäß Anspruch 3 kann dabei vorgesehen sein , dass die Teilstrahlen hinsichtlich ihrer Intensität gleich sind .
Gemäß Anspruch 4 kann vorgesehen sein, dass die beiden Teilstrahlen einander hinsichtlich ihres Querschnittes im Wesentlichen entsprechen.According to claim 3 it can be provided that the partial beams are equal in terms of their intensity. According to claim 4, it can be provided that the two partial beams essentially correspond to one another with regard to their cross section.
Gemäß Anspruch 5 kann vorgesehen sein, dass die beiden Teilstrahlen symmetrisch zueinander sind , derart, dass in der Bearbeitungsebene diejenigen Querschnittsabschnitte der Teilstrahlen überlagert werden, die demselben und entsprechenden Querschnittsabschnitt des Laserstrahles entnommen sind . Zwei im Wesentlichen identische und zueinander symmetrische Teilstrahlen können in der Bearbeitungsebene derart miteinander überlagert werden, dass an jedem Ort der Bearbeitungsebene einander entsprechende Bereiche des ersten Teilstrahles mit entsprechenden Bereichen des zweiten Teilstrahles überlagert werden , wobei jeweils die an einem Ort miteinander überlagerten Bereiche der Teilstrahlen die gleiche I ntensität aufweisen . Wenn somit das elektromagnetische Feld des zweiten Teilstrahles gegenüber dem elektromagnetischen Feld des ersten Teilstrahles eine Phasenverschiebung erfährt, kann durch die gleichen Intensitäten einander entsprechender Bereiche der beiden Teilstrahlen im Überlagerungsbereich wirkungsvoll eine Unterdrückung der Speckle-Strukturen vorgenommen werden .According to claim 5, it can be provided that the two partial beams are symmetrical to one another, such that those cross-sectional sections of the partial beams that are taken from the same and corresponding cross-sectional section of the laser beam are superimposed on the processing plane. Two substantially identical and mutually symmetrical partial beams can be superimposed on one another in the processing plane in such a way that corresponding regions of the first partial beam are superimposed with corresponding regions of the second partial beam at each location of the processing plane, the regions of the partial beams superimposed on one another in each case have the same intensity. If the electromagnetic field of the second partial beam thus experiences a phase shift with respect to the electromagnetic field of the first partial beam, the speckle structures can be effectively suppressed by the same intensities of corresponding areas of the two partial beams in the overlapping area.
Gemäß Anspruch 6 kann vorgesehen sein, das zwischen den Strahlteilermitteln und den Strahlvereinigungsmitteln ein elektrooptischer Modulator angeordnet ist, der d ie Phase eines der beiden Teilstrahlen verschieben oder verändern kann. I nsbesondere wenn die Kohärenzlänge des Laserstrahles sehr groß ist, kann es aparativ sehr aufwändig sein, die Differenz des optischen Weges der beiden Teilstrahlen größer als die Kohärenzlänge zu wählen. In diesem Fall ist es sicherlich sinnvoll, die Phasenverschiebung oder Phasenveränderung eines der beiden Teilstrahlen mit anderen Mitteln, insbesondere mittels eines elektrooptischen Modulators
herbeizuführen. Vermittels eines elektrooptischen Modulators lässt sich dabei insbesondere eine vergleichsweise beliebige Phasenverschiebung herbeiführen, so dass die Speckle-Strukturen nicht nur unterdrückt sondern beliebig verändert werden können.According to claim 6 it can be provided that an electro-optical modulator is arranged between the beam splitter means and the beam combining means, which can shift or change the phase of one of the two partial beams. In particular, if the coherence length of the laser beam is very long, it can be a very complex process to choose the difference in the optical path of the two partial beams larger than the coherence length. In this case, it certainly makes sense to change the phase or phase of one of the two partial beams by other means, in particular by means of an electro-optical modulator bring about. By means of an electro-optical modulator, in particular a comparatively arbitrary phase shift can be brought about, so that the speckle structures can not only be suppressed but can be changed as desired.
Gemäß Anspruch 7 kann vorgesehen sein , dass d ie Strahlteilermittel als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet sind . Die Ausbildung der Strahlteilermittel als teildurchlässiger Spiegel lässt sich fertigungstechnisch sehr einfach umsetzen.According to claim 7 it can be provided that the beam splitter means are designed as a partially transparent mirror. The design of the beam splitter means as a partially transparent mirror can be implemented very easily in terms of production technology.
Gemäß Anspruch 8 kann vorgesehen sein , dass die Anordnung einen Spiegel umfasst, der den zweiten von dem Strahlteilermittel ausgehenden Teilstrahl derart reflektieren kann, dass die beiden Teilstrahlen nach der Reflektion des zweiten Teilstrahles an dem Spiegel parallel zueinander verlaufen. Durch diese Maßnahme können die Teilstrahlen vergleichsweise einfach derart in der Bearbeitungsebene überlagert werden, dass aus entsprechenden Bereichen des ursprünglichen Laserstrahls entnommene Bereiche eines jeden der Teilstrahlen miteinander überlagert werden. Insbesondere finden hierbei eine gerade Anzahl von Reflektionen, nämlich im konkreten Fall zwei Reflektionen statt, nämlich eine Reflektion an dem teildurchlässigen Spiegel und eine Reflektion an dem zusätzlichen Spiegel. Es besteht durchaus auch die Möglichkeit, eine andere gerade Anzahl von Reflektionen zu wählen, nämlich beispielsweise vier Reflektionen, um den optischen Weg des zweiten Teilstrahls weiter zu verlängern. Eine gerade Anzahl von Reflektionen ermöglicht eine entsprechende symmetrische Überlagerung und damit eine unter Umständen vollständige Unterdrückung der Speckle- Strukturen in der Bearbeitungsebene.
Gemäß Anspruch 9 kann vorgesehen sein, dass d ie Strahlvereinigungsmittel ein Linsenarray und eine Fourierlinse umfassen.According to claim 8 it can be provided that the arrangement comprises a mirror which can reflect the second partial beam emanating from the beam splitter means in such a way that the two partial beams run parallel to one another after the reflection of the second partial beam on the mirror. This measure allows the partial beams to be superimposed comparatively simply in the processing plane in such a way that regions of each of the partial beams removed from corresponding regions of the original laser beam are superimposed on one another. In particular, there is an even number of reflections, namely two reflections in the specific case, namely one reflection on the partially transparent mirror and one reflection on the additional mirror. There is also the possibility of choosing a different even number of reflections, namely four reflections, for example, in order to further extend the optical path of the second partial beam. An even number of reflections enables a corresponding symmetrical overlay and thus, under certain circumstances, a complete suppression of the speckle structures in the processing plane. According to claim 9 it can be provided that the beam combining means comprise a lens array and a Fourier lens.
Dabei kann gemäß Anspruch 10 vorgesehen sein, dass das Linsenarray eine Mehrzahl von Zylinderlinsen aufweist, insbesondere auf Eintritts- und Austrittsfläche zueinander gekreuzte Zylinderlinsen. Durch derartige Linsenarrays lässt sich eine Homogenisierung von Lichtstrahlen erreichen. Insbesondere lässt sich damit aber auch in Verbindung mit der Fourierlinse eine weitestgehend gleichmäßige Überlagerung von auf sie auftreffende Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene erzielen.It can be provided according to claim 10 that the lens array has a plurality of cylindrical lenses, in particular crossed cylindrical lenses on the entrance and exit surfaces. A homogenization of light beams can be achieved by means of such lens arrays. In particular, however, in connection with the Fourier lens, it is possible to achieve a largely uniform superimposition of partial beams striking it in the processing plane.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 1 1 sieht folgende Verfahrensschritt vor: der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt; einer der beiden Teilstrahlen erfährt relativ zu dem anderen der Teilstrahlen eine Phasenverschiebung; die beiden Teilstrahlen werden in der Bearbeitungsebene überlagert.The inventive method according to claim 1 1 provides the following step: the laser beam is divided into two partial beams; one of the two partial beams experiences a phase shift relative to the other of the partial beams; the two partial beams are superimposed on the processing plane.
Dabei kann gemäß Anspruch 12 vorgesehen sein, dass die Phasenverschiebung des zweiten Teilstrahles gegenüber dem ersten Teilstrahl durch Hindurchtritt durch einen elektrooptischen Modulator erzielt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenIt can be provided according to claim 12 that the phase shift of the second partial beam with respect to the first partial beam is achieved by passing through an electro-optical modulator. Further features and advantages of the present invention will become clear from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Show in it
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung;Fig. 1 is a schematic side view of an arrangement according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht auf Abbildungsmittel der erfind ungsgemäßen Anordnung;2 shows a schematic side view of imaging means of the arrangement according to the invention;
Fig. 3 die I ntensitätsverteilung von Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebene mit störenden Speckle-Strukturen;3 shows the intensity distribution of laser radiation in a processing plane with interfering speckle structures;
Fig. 4 die Intensitätsverteilung von Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebene, bei der die Speckle-Strukturen durch eine erfindungsgemäße Anordnung unterdrückt wurden.4 shows the intensity distribution of laser radiation in a processing plane in which the speckle structures have been suppressed by an arrangement according to the invention.
I n einigen der Figuren sind kartesische Koordinatenachsen zur besseren Übersichtlichkeit eingefügt.Cartesian coordinate axes have been inserted in some of the figures for clarity.
Aus Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung schematisch ersichtlich. Von links in Fig. 1 fällt ein Laserstrahl 1 in d ie erfindungsgemäße Anordnung ein, der Teil eines Laserpulses ist. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen als Strahlteilermittel 2 dienenden teildu rchlässigen Spiegel, der einen ersten Teilstrahl 3 des Laserstrahles 1 ungehindert hindurchtreten lässt. Ein zweiter Teilstrahl 4 wird von dem Strahlteilermittel 2 schräg nach oben und hinten in Fig. 1 zurück reflektiert. Der zweite Teilstrahl 4 wird von einem Spiegel 5, der im Wesentlichen parallel zu dem als Strahlteilermittel 2 dienenden teilreflektierenden Spiegel ausgerichtet ist, derart reflektiert, dass die Teilstrahlen 3, 4 nach Reflektion des
zweiten Teilstrahles 4 an dem Spiegel 5 parallel zueinander in positiver Z-Richtung verlaufen.An arrangement according to the invention is shown schematically in FIG. From the left in FIG. 1, a laser beam 1 falls into the arrangement according to the invention, which is part of a laser pulse. The arrangement according to the invention comprises a partially transparent mirror serving as beam splitter means 2, which allows a first partial beam 3 of the laser beam 1 to pass through unhindered. A second partial beam 4 is reflected obliquely upwards and backwards by the beam splitter means 2 in FIG. 1. The second partial beam 4 is reflected by a mirror 5, which is aligned essentially parallel to the partially reflecting mirror serving as beam splitting means 2, such that the partial beams 3, 4 after reflection of the second partial beam 4 on the mirror 5 run parallel to one another in the positive Z direction.
Die in Fig. 1 abgebildete erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin ein Strahlvereinigungsmittel 6, das in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist. Eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Strahlvereinigungsmittels 6 ist aus Fig. 2 detailliert ersichtlich und wird im Nachfolgenden noch näher beschrieben . Durch das Strahlvereinigungsmittel 6 werden die Teilstrahlen 3, 4 derart miteinander kombiniert, dass sie in einer Bearbeitungsebene 7 miteinander überlappt werden.The arrangement according to the invention shown in FIG. 1 further comprises a beam combining means 6, which is shown only schematically in FIG. 1. An exemplary embodiment of such a beam combining means 6 can be seen in detail in FIG. 2 and is described in more detail below. The beam combining means 6 combine the partial beams 3, 4 in such a way that they are overlapped with one another in a processing plane 7.
Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, zwischen den Strahlteilermitteln 2 und den Strahlvereinigungsmitteln 6 einen elektroakustischen Modulator 8 einzubringen, der in Fig . 1 gestrichelt dargestellt ist.According to the invention, there is the possibility of introducing an electroacoustic modulator 8 between the beam splitter means 2 and the beam combining means 6, which is shown in FIG. 1 is shown in dashed lines.
I n Fig. 1 ist der Laserstrahl 1 an seinem in X-Richtung oberen Rand mit einem L und an seinem in X-Richtung unteren Rand mit einem R gekennzeichnet, um die Lage des linken und des rechten Randes des Laserstrahles 1 zu verdeutlichen. Der Teilstrahl 3 stellt letztlich die Verlängerung des Laserstrahles 1 in Z-Richtung durch die Strahlteilermittel 2 dar, so dass gegenüber dem Laserstrahl 1 bei dem Teilstrahl 3 der linke und der rechte Rand nicht verändert sind , so dass ebenfalls bei dem Teilstrahl 3 der linke Rand in X-Richtung oben ist und der rechte Rand in X-Richtung unten ist. Aus Fig. 1 ist weiterhin ersichtlich, dass auch bei dem Teilstrahl 4 der linke Rand L' in X-Richtung oben angeordnet ist, wohingegen der rechte Rand R' in X-Richtung unten angeordnet ist.1, the laser beam 1 is marked with an L at its upper edge in the X direction and with an R at its lower edge in the X direction in order to clarify the position of the left and right edges of the laser beam 1. The partial beam 3 ultimately represents the extension of the laser beam 1 in the Z direction by the beam splitter means 2, so that the left and right edges of the partial beam 3 are not changed with respect to the laser beam 1, so that the left edge also in the partial beam 3 is up in the X direction and the right edge is down in the X direction. 1 that the left edge L 'is also arranged at the top in the X direction, whereas the right edge R' is arranged at the bottom in the X direction.
Durch die Strahlvereinigungsmittel 6 werden die Teilstrahlen 3, 4 derart in der Arbeitsebene 7 überlagert, dass der linke Rand L des
Teilstrahles 3 mit dem linken Rand L' des Teilstrahls 4 sowie der rechte Rand R des Teilstrahles 3 mit dem rechten Rand R' des Teilstrahles 4 überlagert wird .The partial beams 3, 4 are superimposed in the working plane 7 by the beam combining means 6 such that the left edge L of the Partial beam 3 with the left edge L 'of the partial beam 4 and the right edge R of the partial beam 3 with the right edge R' of the partial beam 4 is superimposed.
In Fig. 2 ist ein Beispiel für Strahlvereinigungsmittel 6 abgebildet, die sowohl zur Überlagerung zweier in X-Richtung voneinander beabstandeter Teilstrahlen 3, 4 als auch zur Überlagerung direkt aneinander angrenzender Teilstrahlen dienen können. Weiterhin können die in Fig. 2 abgebildeten Strahlvereinigungsmittel 6 auch einen in X-Richtung ausgedehnten Strahl derart mit sich selbst überlagern, dass eine Homogenisierung des Laserstrahles stattfindet.FIG. 2 shows an example of beam combining means 6, which can be used both for superimposing two partial beams 3, 4 spaced apart in the X direction and for superimposing directly adjacent partial beams. Furthermore, the beam combining means 6 shown in FIG. 2 can also overlay a beam extended in the X direction with itself such that the laser beam is homogenized.
Die in Fig. 2 abgebildeten Strahlvereinigungsmittel 6 umfassen ein Linsenarray 9 und eine Fourierlinse 10. Das Linsenarray 9 weist auf seiner Austrittsseite eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen 1 1 auf. Die Zylinderachsen der Zylinderlinsen 1 1 erstrecken sich in Y-Richtung und damit in die Abbildungsebene der Fig. 2 hinein beziehungsweise aus dieser heraus.The beam combining means 6 shown in FIG. 2 comprise a lens array 9 and a Fourier lens 10. The lens array 9 has on its exit side a plurality of cylindrical lenses 11 arranged parallel to one another. The cylinder axes of the cylindrical lenses 11 extend in the Y direction and thus into the imaging plane of FIG. 2 or out of it.
Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass auf der Eintrittsfläche des Linsenarrays 9 ebenfalls eine Mehrzahl von parallel nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen angeordnet ist, deren Zylinderachsen sich jedoch in X-Richtung erstrecken. Auf diese Weise kann das Linsenarray 9 zueinander gekreuzte Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche umfassen, so dass die durch sie hindurchtretenden Laserstrahlen oder Teilstrahlen 3, 4 sowohl hinsichtlich der X-Richtung als auch hinsichtlich der Y-Richtung abgelenkt werden können.There is certainly the possibility that a plurality of cylindrical lenses arranged parallel to one another are also arranged on the entry surface of the lens array 9, but whose cylinder axes extend in the X direction. In this way, the lens array 9 can comprise crossed cylindrical lenses on the entry surface and the exit surface, so that the laser beams or partial beams 3, 4 passing through them can be deflected both with respect to the X direction and with respect to the Y direction.
Die Fourierlinse 10 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als plankonvexe sphärische Linse ausgebildet.
Von einer jeden der Zylinderlinsen 1 1 beziehungsweise gegebenenfalls auch von den nicht abgebildeten Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche des Linsenarrays 9 werden Teilstrahlen der einzelnen Teilstrahlen 3, 4 in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Diese Vielzahl von Teilstrahlen werden dann durch die Fourierlinse 10 in der Bearbeitungsebene 7 überlagert, wobei jeweils unter einem gleichen Winkel aus den Zylinderlinsen 1 1 austretende Teilstrahlen an gleichen Orten auf der Bearbeitungsebene 7 auftreffen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass beispielsweise die linken Ränder L, L' der Teilstrahlen 3, 4 in der Bearbeitungsebene am gleichen Ort miteinander überlagert werden.The Fourier lens 10 is designed in the exemplary embodiment shown as a plano-convex spherical lens. Partial beams of the individual partial beams 3, 4 are deflected in different directions by each of the cylindrical lenses 11 or, if appropriate, also by the cylindrical lenses (not shown) on the entry surface of the lens array 9. This multiplicity of partial beams are then superimposed by the Fourier lens 10 in the processing plane 7, partial beams emerging from the cylindrical lenses 11 arriving at the same locations on the processing plane 7 at the same angle. In this way it can be ensured that, for example, the left edges L, L 'of the partial beams 3, 4 are superimposed on one another in the processing plane at the same location.
Fig. 3 zeigt die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene, der nicht durch eine erfindungsgemäße Anordnung verlaufen ist, sondern beispielsweise lediglich mittels eines Linsenarrays 9 und einer Fourierlinse 10, wie sie aus Fig. 2 ersichtlich sind , mit sich selbst in der Bearbeitungsebene 7 überlagert wurde. Aufgrund der Kohärenz des Laserlichtes entstehen dabei in der Bearbeitungsebene 7 sogenannte Speckle-Strukturen 12. Diese Speckle-Strukturen entstehen aufgrund der Interferenz des Laserlichtes mit sich selbst.FIG. 3 shows the intensity distribution of a laser beam in a processing plane, which did not run through an arrangement according to the invention, but only superimposed on itself in processing plane 7 by means of a lens array 9 and a Fourier lens 10, as can be seen in FIG. 2 has been. Because of the coherence of the laser light, so-called speckle structures 12 arise in the processing plane 7. These speckle structures arise due to the interference of the laser light with itself.
Fig. 4 zeigt die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene 7 nach Hindurchtritt durch eine erfindungsgemäße Anordnung. Es ist deutlich ersichtlich, dass die Speckle-Strukturen gemäß Fig. 3 in Fig. 4 unterdrückt sind . Dies hat seinen Grund darin, dass in der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Fig. 1 der Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 eine Phasenverschiebung erfahren hat, die groß genug ist, dass bei Überlagerung der Teilstrahlen 3, 4 in der Bearbeitungsebene 7 keine oder kaum merkliche Speckle-Strukturen entstehen . Dies kann bei der Anordnung
gemäß Fig. 1 insbesondere dadurch erzielt werden, dass der zusätzliche optische Weg, den der Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 durch die teilweise Rückreflektion erfährt, größer ist als die Kohärenzlänge des Laserstrahles 1 .4 shows the intensity distribution of the laser radiation in the processing plane 7 after passing through an arrangement according to the invention. It can be clearly seen that the speckle structures according to FIG. 3 are suppressed in FIG. 4. The reason for this is that in the arrangement according to the invention according to FIG. 1, the partial beam 4 has undergone a phase shift with respect to the partial beam 3 which is large enough that when the partial beams 3, 4 are superimposed in the processing plane 7 there is no or hardly noticeable speckle. Structures emerge. This can be the case with the arrangement 1 can be achieved in particular in that the additional optical path which the partial beam 4 experiences with respect to the partial beam 3 due to the partial back reflection is greater than the coherence length of the laser beam 1.
Durch den zusätzlichen optischen Weg , den der Teilstrahl 4 zurücklegt, wird der Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 zeitlich verschoben. Bei einer Wegdifferenz des Teilstrahles 4 größer der Kohärenzlänge des Laserstrahles 1 stammen somit die letztlich in der Bearbeitungsebene zu einem bestimmten Zeitpunkt überlagerten Teilstrahlen 3, 4 aus zueinander nicht kohärenten, zeitlich nacheinander ausgesandten Wellenzügen des Laserstrahles 1 . In einem Laserpuls einer Länge von etwa 10 ns können durchaus 10 oder 100 zeitlich nacheinander ausgesandte jeweils nicht zueinander kohärente Wellenzüge vorhanden sein. Beispielsweise bei einem Excimerlaser sind die heute maximal erreichbaren Kohärenzlängen etwa im Bereich von 0,3 m, so dass ein Laserpu ls von einer Dauer von 10 ns, der eine räumliche Ausdehnung von etwa 3 m aufweist, somit etwa 10 jeweils in sich , aber nicht zueinander kohärente Wellenzüge umfasst. Wenn somit der zusätzliche optische Weg, den der Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 zurücklegt mehr als 0,3 m beträgt, werden die Teilstrahlen 3, 4 bei ihrer Überlagerung in der Bearbeitungsebene 7 mit ziemlicher Sicherheit aus nicht zueinander kohärenten Wellenzügen des Laserstrahles 1 entnommen sein, so dass die Teilstrahlen 3, 4 in der Bearbeitungsebene 7 nicht kohärent zueinander sind. Aus diesem Grund entstehen auch keine Speckle- Strukturen , weil zwar zu einem bestimmten Zeitpunkt Interferenzeffekte entstehen können, diese sich aber über die Dauer des Laserpulses zeitlich herausmitteln . Daher entsteht eine Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene 7, die etwa der Fig. 4 entspricht.
Bei kohärenteren Laserquellen, wie beispielsweise bei einem Nd :YAG-Laser kann die Kohärenzlänge durchaus 10 m und mehr betragen. Es erweist sich als ausgesprochen aufwändig und kostenintensiv, eine erfindungsgemäße Anordnung derart zu gestalten, dass die von dem Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 zusätzlich zurückgelegte optische Weglänge 10 m und mehr beträgt. Daher kann, wie dies in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, ein elektrooptischer Modulator 8 in den Strahlengang des Teilstrahls 4 eingebracht werden. Durch diesen elektrooptischen Modulator kann die Phase des Teilstrahles 4 derart verschoben beziehungsweise verändert werden , dass die Phasenkorrelation zwischen den Teilstrahlen 3 und 4 aufgehoben wird. In diesem Fall kann auch für Wegunterschiede zwischen den Teilstrahlen 3, 4, die kleiner sind als die Kohärenzlänge des Laserstrahles 1 , erreicht werden, dass bei Überlagerung der Teilstrahlen 3, 4 in der Arbeitsebene 7 keine Speckle-Strukturen auftreten.Due to the additional optical path that the partial beam 4 travels, the partial beam 4 is shifted in time with respect to the partial beam 3. In the event of a path difference of the partial beam 4 greater than the coherence length of the laser beam 1, the partial beams 3, 4 ultimately superimposed in the processing plane at a specific time thus originate from wave trains of the laser beam 1 which are not coherent with one another and are temporally successively emitted. In a laser pulse of a length of approximately 10 ns, 10 or 100 wave trains, each of which are consecutively not coherent, may be present. For example, in the case of an excimer laser, the maximum coherence lengths that can be achieved today are approximately in the range of 0.3 m, so that a laser pulse of a duration of 10 ns, which has a spatial extent of approximately 3 m, is therefore approximately 10 in each case, but not includes mutually coherent wave trains. Thus, if the additional optical path that the partial beam 4 travels with respect to the partial beam 3 is more than 0.3 m, the partial beams 3, 4 will almost certainly be taken from non-coherent wave trains of the laser beam 1 when they are superimposed in the processing plane 7 , so that the partial beams 3, 4 in the processing plane 7 are not coherent with one another. For this reason, no speckle structures arise because interference effects can occur at a certain point in time, but these are averaged out over time over the duration of the laser pulse. This results in an intensity distribution in the processing plane 7, which corresponds approximately to FIG. 4. In the case of more coherent laser sources, such as, for example, an Nd: YAG laser, the coherence length can be 10 m and more. It has proven to be extremely complex and costly to design an arrangement according to the invention in such a way that the optical path length additionally traveled by the partial beam 4 compared to the partial beam 3 is 10 m and more. Therefore, as indicated by dashed lines in FIG. 1, an electro-optical modulator 8 can be introduced into the beam path of the partial beam 4. With this electro-optical modulator, the phase of the partial beam 4 can be shifted or changed in such a way that the phase correlation between the partial beams 3 and 4 is eliminated. In this case, even for path differences between the partial beams 3, 4, which are smaller than the coherence length of the laser beam 1, it can be achieved that no speckle structures occur when the partial beams 3, 4 are superimposed in the working plane 7.
Die durch den elektrooptischen Modulator bewirkte Phasenverschiebung beziehungsweise Phasenveränderung des Teilstrahles 4 kann auch derart gewählt werden, dass in der Bearbeitungsebene 7 Speckle-Strukturen einer gewünschten Form entstehen. Beispielsweise könnten in der Bearbeitungsebene 7 Speckle-Strukturen entstehen, die annähernd die Form mehrerer Rechteckpulse oder Sägezahnpulse oder dergleichen aufweisen.
The phase shift or phase change of the partial beam 4 caused by the electro-optical modulator can also be selected such that speckle structures of a desired shape are created in the processing plane 7. For example, 7 speckle structures could arise in the processing plane, which have approximately the shape of several rectangular pulses or sawtooth pulses or the like.
Bezugszeichen listeReference numerals list
Laserstrahl Strahlteilermitte erster Teilstrahl zweiter Teilstrahl Spiegel Strahlvereinigungsmittel Bearbeitungsebene elektrooptischer Modulator Linsenarray Fourierlinse Zylinderlinse Speckle-Strukturen
Laser beam center of beam splitter first partial beam second partial beam mirror beam combining means processing plane electro-optical modulator lens array Fourier lens cylindrical lens speckle structures