WO2006058749A1 - Pinhole mit einem refraktiven oder diffraktiven optischen element zur ortsfrequenzfilterung von laserstrahlen - Google Patents

Pinhole mit einem refraktiven oder diffraktiven optischen element zur ortsfrequenzfilterung von laserstrahlen Download PDF

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WO2006058749A1
WO2006058749A1 PCT/EP2005/012845 EP2005012845W WO2006058749A1 WO 2006058749 A1 WO2006058749 A1 WO 2006058749A1 EP 2005012845 W EP2005012845 W EP 2005012845W WO 2006058749 A1 WO2006058749 A1 WO 2006058749A1
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WO
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spatial frequency
filter device
laser radiation
frequency filter
deflection
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PCT/EP2005/012845
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Ernst Bernhard Kley
Thomas KÄMPFE
Andreas TÜNNERMANN
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Friedrich-Schiller- Universität Jena
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Publication date
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    • G02B5/1857Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams

Definitions

  • the invention relates to the field of pinholes (also referred to as pinhole apertures) which are used to perform spatial frequency filtering on laser beams.
  • Pinholes or pinholes for spatial frequency filtering of laser radiation are already in the state of
  • the conventional pinholes consist of an absorbing or reflecting layer provided with a hole.
  • Commercially available pinholes with hole diameters up to about 1 micron and thicknesses of the absorbent or reflective layer of up to about 10 microns.
  • the pinholes (alternatively the term needle hole or aperture is used in the following) are precision etched in, for example, stainless steel or a copper foil.
  • the problem with the pinholes is their possible destruction due to the transmitted heat output of the laser or the laser power.
  • Special designs of conventional pinholes for high laser powers therefore consist of special alloys (for example molybdenum), which are additionally provided with heat-dissipating foils (for example of copper).
  • the damage threshold of such pinholes is in the range of several MW / cm 2 for continuous laser radiation (continuous wave radiation) and about 1 J / cm 2 for pulsed radiation.
  • the diameter of the focus of a laser beam and the length of the focus or the Rayleighin of a laser beam are smaller with increasing divergence of the laser beam.
  • Pinholes suitable for spatial frequency filtering must therefore also have smaller diameters and smaller thicknesses, so that the pinhole or the pinhole does not acquire the character of a tube which would lead to an unwanted circumcision of the beam.
  • the pinhole damage threshold is reduced (due to the absorption or reflection of unwanted beam portions by the conventional pinholes), making their use at very high laser powers impossible.
  • the inventive object is quenzfiltervortechnische by a • Ortsfre- dissolved according to claim 22 according to claim 1 and a corresponding spatial frequency filter method.
  • the entire physical device with which the spatial frequency filtering of the laser radiation can be made (including the needle hole), as well as only the actual pinhole (or the aperture which it allows desired beam portions to remain at least approximately undistorted and unattenuated). What is meant in each case comes from the context in which the term pinholes is used.
  • the solution is through a dielectric pinhole, which deflects the unwanted beam portions, rather than absorbing them.
  • the deflection is effected by a deflection structure or by microstructures whose thickness in the beam direction is preferably only a few ⁇ m.
  • the pinhole or the spatial frequency filter device has a transmission body transparent to the laser radiation and a transmitter body arranged adjacent to this transmission body or into the transmission body integrated, a needle hole or an aperture exhibiting element.
  • the element forming the actual pinhole in this case has a diffractive or a refractive deflection structure.
  • the deflecting structure deflects the unwanted beam components of the irradiated laser radiation out of the direction of irradiation or removes them from the useful beam.
  • the dielectric materials (used for the transmission body and preferably also for the deflection structure) are thus transparent to the laser radiation and have a much higher destruction threshold than the materials used for the conventional pinholes. So, for example
  • Quartz glass can be used, which has a damage threshold of about 4000 J / cm 2 for pulsed radiation.
  • the damage threshold is not significantly reduced by the microstructures.
  • quartz glass with a lattice structure or a diffractive structure has a damage threshold of approximately 2400 J / cm 2 .
  • the deflection of the unwanted laser beam components can take place by means of a diffractive or a refractive structure.
  • circular diffraction orders are generated, preferably by a circular binary grating.
  • a binary grid is a grid with exactly two height steps or expansions in the beam direction. All diffraction orders other than the zeroth order of diffraction are diffracted by appropriate choice of the period of the grating from the region of the laser beam (which is ideally Gaussian in cross-section).
  • the zeroth diffraction order can be achieved by optimizing the Grid parameters fill factor and depth are suppressed.
  • the deflection is preferably achieved by a circular, dielectric prism.
  • the illumination direction ie, depending on the angle of incidence of the laser beam with respect to the plane perpendicular to the axis of symmetry of the pinhole, the required angle of elevation of the prism results from the deflection angle required to remove the unwanted beam portions.
  • the illumination direction should be selected such that the laser beam is incident perpendicular to the pinhole plane or parallel to the axis of symmetry of the pinhole.
  • the inventive dielectric pinholes have the advantage that they are particularly suitable for spatial frequency filtering of laser beams of high divergence and high power. They have a significantly increased damage threshold so that they can be used even at very high laser powers without destroying the pinhole. Thus, in the beam direction, very thin pinholes can be produced which avoid a truncation of the laser beam even at high di- blasts of the beam.
  • Invention pinholes or spatial frequency filter devices can be constructed and used as described in one of the following examples.
  • identical reference numerals are used for identical or corresponding elements.
  • Figure 1 shows a conventional pinhole.
  • FIG. 2 shows the essential geometric variables a Gaussian laser beam or a Gaussian beam.
  • FIG. 3 shows the functional principle of dielectric pinholes according to the invention.
  • FIG. 4 shows a refractive dielectric pinhole according to the invention.
  • FIG. 5 shows the mode of operation of the dielectric
  • FIG. 5a shows the principle of gray-tone lithography with subsequent proportional transfer.
  • FIG. 3 shows a diffractive, dielectric pinhole according to the invention.
  • FIG. 7 shows the mode of action of the diffractive, dielectric pinhole from FIG. 6 in detail.
  • FIG. 7a shows the results for an optimization calculation for the suppression of the zeroth diffraction order.
  • FIG. 7b outlines the basis of the deflection condition ⁇ p > 2 * ⁇ .
  • FIG. 8 shows a scanning electron microscope
  • FIG. 9 shows the filter effect of different pinholes in comparison.
  • Figure 1 shows a conventional pinhole and a conventional spatial frequency filter device and defines some sizes that are necessary for understanding the operation of a Pinholes.
  • Figure 1 shows (as well as Figures 3 to 6) has a section in a plane through the center of a pinhole, wherein the cutting plane is parallel to the beam direction of the incident on the pinhole laser radiation.
  • the conventional, shown Ortsfrequenzfiltervor- direction has an aperture or a pinhole 7 cylindrical shape, which is or which is introduced into a metal foil 1, on.
  • FIG. 1 a of the metal foil 1 only the two edges 1 a and 1 b are shown, which form the jacket of the pinhole 7.
  • a Gaussian laser beam 2 viewed in a sectional plane perpendicular to the direction of irradiation or central beam direction is irradiated.
  • the central beam direction is denoted by z.
  • the diameter of the pinhole or the aperture 7 perpendicular to the beam direction is denoted by d p .
  • the Gauss beam is focused on the focal plane 3 by a focusing lens (not shown) arranged in the beam direction in front of the pinhole, in which the pinhole is arranged.
  • the Gaussian beam has its smallest beam cross section or the smallest beam extent in a plane perpendicular to the beam direction.
  • FIG. 1b a Gaussian beam is shown which, in comparison to the Gaussian beam shown in FIG. 1a, has a significantly higher divergence (see FIG. 2).
  • Conventional spatial frequency filter device 1 is not suitable here for filtering the beam of high divergence: Those two edge beams of the beam of laser radiation 2, which should not be filtered out by the pinhole (beams 2a, 2b) are due to the high divergence and the unmatched, ie the trimmed to large thickness Sp of Pinholes 7. Such trimming can be avoided with a high divergence beam through a very thin pinhole, as shown in FIG. 1c. However, such a very thin, conventional pinhole is not suitable for use at high laser powers, as it is destroyed by them.
  • FIG. 2 outlines the geometric relationships in the case of a Gaussian laser beam or laser beam 2. Shown is a section in a plane through the central beam axis z and in the beam direction. An ideal laser beam has a Gaussian intensity profile in the beam cross section perpendicular to the main beam direction z.
  • the beam diameter d is usually given as the value at which the intensity has dropped to 1/2 times the maximum intensity value (on the central beam axis z). This diameter is outlined here by the marginal rays 2a, 2b.
  • the Gaussian beam has its smallest diameter, the diameter d g , in the focal plane 3 (perpendicular to the plane of the drawing).
  • the far-field behavior is described by the divergence ⁇ (asymptotic behavior far away from the focal plane).
  • thus corresponds half the aperture angle of the Gaussian cone in the far field (far field: distance from the focal plane 3 significantly greater than Rayleigh length Z 0 , ie distance at least about 5 Rayleigh lengths, for the definition of Z 0 see later).
  • a measure of the collimation of the laser beam is the Rayleigh length zo. This is the distance in the beam direction z from the focusing plane 3, where the beam diameter of the Gauss beam is.
  • FIG. 3 outlines the mode of operation of a dielectric pinhole 4, 5, 6 according to the invention.
  • the Gaussian laser beam 2 is irradiated onto the pinhole 4, 5, 6.
  • Desirable beam portions these are the beam portions (or beam portions which are close to the central beam z) within the cone, which is given by the marginal rays 2 a, 2 b, are not deflected by the dielectric pinhole.
  • FIG. 4 shows a refractive dielectric pinhole according to the invention or a corresponding spatial frequency filter device.
  • the spatial frequency filter device has a transparent transmission body 4 made of a dielectric material, here quartz glass, up.
  • the transmission body 4 here has the shape of a very flat cylinder whose height D (which corresponds to the thickness of the transmission body in the beam direction z) is significantly smaller than its diameter ⁇ (extension of the transmission body 4 in the direction perpendicular to the beam direction z).
  • a refractive deflection structure in the form of an annular primate 5 is provided adjacent to the transmission body 4
  • the cross section of the prism ring 5, for a plane in the main beam direction and 5 (identical here z with the central beam axis) through the axis of symmetry of the ring prism is triangular-shaped, so that in the * here sectional view shown a triangular section 5a by the (in the drawing plane) overhead half ring of the primate and a second triangular section 5b are represented by the underlying half ring of the prism.
  • the prism ring 5 is thus arranged rotationally symmetrical about the central beam axis z and has a clear inner diameter d p . This clear inner diameter dp is the diameter of the aperture or the actual pinhole 7.
  • the maximum outer diameter of the prism ring 5 in a plane perpendicular to the central ray direction z is .DELTA. / 2.
  • the prism ring 5 is spatially shaped so that in the illustrated section 5a, 5b has the shape of a right triangle.
  • the prism ring 5 is arranged adjacent to the transmission body 4, that in the section shown one of the equilateral legs of the triangle forms the boundary to the transmission body 4 (first leg perpendicular to the beam direction z) and the other leg on the outer side circumference of the prism 5 perpendicular thereto stands
  • Thickness Sp Those rays of the Gaussian beam 2, which meet at a distance of less than d p / 2 from the central beam z perpendicular to the inlet side surface of the transmission body 4 are thus not detected after passing through the transmission body 4 from the prism 5, but undistracted by the Transmissive 4 transmits. Also, the rays 2a, 2b which are not perpendicularly incident near the central axis z are not detected by the prism.
  • a visible path here means the optical path length which the beam or the respective beam component in the central beam direction z (ie, from the transmission body-facing side of the prism to the side of the prism remote from the transmission body) passes within the prism 5.
  • the effective thickness s w thus increases: For a beam component at the outer edge of the actual pinhole 7 or at the inner edge of the annular prism 5, the effective thickness of Prism structure thus zero, while it corresponds to a beam portion at the outer edge of the annular prism of maximum thickness, ie s p .
  • the maximum depth s p of the prism on its outside is limited in this case above all by the production technology.
  • beam components which lie in the focal plane (not shown here) outside of a circular disk with radius d p / 2 around the central beam z are thus filtered out of the Gauss beam 2.
  • These beam components now correspond precisely to the intensity fluctuations of the Gaussian beam profile with high frequency or the high-frequency noise which is superimposed on the Gaussian profile.
  • the pinhole shown thus acts as a spatial frequency filter, which filters out the noise corresponding high frequencies and thus ensures a higher freedom from interference of the laser beam, as for example for Applications in the field of holography or optical data processing is necessary.
  • FIG. 5 outlines the mode of operation of the refractive pinhole shown in FIG. 4 in detail.
  • FIG. 5a shows an overview sketch in which, unlike the pinhole shown in FIG. 4, the diameter of the transmission body 4 (perpendicular to the beam direction) is greater than that of the prism ring 5.
  • the prism ring In general, it is advantageous for the prism ring to use high-index materials, since these offer the advantage that the structures are generally flatter and thus easier to produce or are advantageous for the application (filtering of divergences).
  • the properties of the dielectric material used determine the destruction threshold of the pinhole.
  • other materials than quartz glass eg plastic or other glasses. This also applies to the materials used in the diffractive pinhole described below.
  • the described example values for the irradiated Gaussian beam also apply to the example shown below for a diffractive pinhole according to the invention.
  • the transmission body 4 is also made of this quartz glass.
  • This slope angle ex of the prism is determined by the direction of the illumination and the desired or the necessary (see later) deflection angle ⁇ p .
  • the angle ⁇ p is the angle at which a beam incident on the refraction surface A in the direction of the central beam direction z is deflected by the central beam direction z.
  • the incidence of light is to be selected so that the Gaussian beam or its central ray is incident perpendicular to the pinhole plane or to the plane of the plate of the transmission body.
  • the refractive, dielectric diaphragm or the corresponding spatial frequency filter device is produced by means of analog gray-tone lithography on a quartz glass substrate with subsequent proportional transfer.
  • FIG. 5a shows the principle of gray-tone lithography (parts of the figures A to C) with subsequent proportional transfer (parts D to H).
  • a first step A an electron beam-sensitive glass 10a is blackened with the aid of an electron beam 11 of an electron beam writer. With increasing electron dose, the blackening in the electron beam-sensitive glass 10a increases, so that in this glass, a gray tone mask 10b is generated.
  • step B an ordinary photolithographic step (step B): First, a resist layer 14a is disposed on a substrate 13a.
  • the electron beam-sensitive glass 10a with the gray tone mask 10b is arranged on this resist layer 14a.
  • the assembly is then irradiated with UV rays 12.
  • the local blackening of the gray tone mask 10b determines in this process step, then the UV dose locally introduced into the resist 14a and, in turn, the local solubility rate of the resist 14a.
  • the solubility distribution in the resist layer 14a is converted into a height profile 14b of the resist.
  • the proportional transfer (steps D to H) then serves to transfer the prepared resist profile 14b into a more solid material, So in the substrate, which consists in the present case of quartz glass.
  • the curing of the resist element 14b initially takes place in a first step D with UV radiation 12.
  • the now UV-cured resist element 14c is thermally cured by heating the substrate 13a together with the element 14c by means of a heating plate 16 (step E).
  • the now thermally cured resist profile 14d is removed with the aid of reactive ion beam etching (with the aid of ion beams 15, wherein additionally a chemical removal process takes place by adding etching gases) and at the same time proportionally into the quartz glass or the substrate 13 etched.
  • Step F shows the beginning of ion beam etching.
  • the resist element has already been partially removed (FIG. 14e) and the profile has already partially been transferred to the substrate (FIG. 13b).
  • Figure section H shows the finished etched substrate 13c, to which the height profile originally present in the resist element 14 has been completely transferred.
  • FIG. 6 shows a diffractive pinhole according to the invention.
  • This has a transmission body 4, which is designed in the same way as the transmission body of the above-described refractive spatial frequency filter device.
  • a grid structure 6 is arranged adjacent to the transmission body 4.
  • the lattice structure 6 is designed as an annular, binary lattice:
  • the individual circular lattice webs 6a, 6b,... See FIG. 7, which show a partial section perpendicular to the Lattice plane and through the center of symmetry or center of the lattice) are arranged on concentric circles around the cylinder central axis of the transmission body 4 (which here corresponds to the central beam direction z of the irradiated Gauss beam 2).
  • the diameter of the individual circular lattice webs increases in each case by a constant factor (double period of the lattice).
  • the grid bars 6 are not arranged over the entire radius of the transmission body 4 on this, but only from a radial distance of d p / 2 from the cylinder axis or central axis z, so that a clear inner width or an aperture 7 with the diameter d p is formed.
  • the depth of the grating webs is marked Sp.
  • D The thickness of the transmissive body in the beam direction.
  • the grating structure 6 can alternatively be integrated into the transmission body 4 by being etched onto the transmission body 4, as an alternative to its arrangement on the transmission body 4.
  • the grid webs 6 are arranged only at a distance of d p / 2 from the cylinder central axis of the body 4. Beam portions of the Gaussian beam 2 which strike the transmission body 4 within such a radial distance from the central beam z (for example the beams 2a, 2b) are therefore not detected by the diffractive deflection structure 6. Edge beams or external beams of the Gauss beam, which hit the transmission body at a distance of greater than d p / 2, however, after passing through the transmission body of the grating structure 6 detected and subjected to a diffraction. In the sketch, the zeroth, the first and the second order of diffraction are plotted for such a marginal ray (0, 1 and 2).
  • FIG. 7 outlines the diffraction conditions on the grating structure 6 in more detail.
  • the individual grid webs 6a, 6b In the direction perpendicular to the irradiation direction E, the individual grid webs 6a, 6b have an extension, which is marked with web.
  • the spacing of the individual grid bars from one another in the radial direction or perpendicular to the direction of irradiation E is indicated by p (period of the grid).
  • the depth or the thickness of the grid webs (this is constant here and therefore equal to the maximum thickness of the deflecting structure) in the direction of irradiation E is identified by s p .
  • s p corresponds to the visible or effective for the beam thickness s w of the thickness s p of the grid bars.
  • the lattice structure or the annular binary lattice 6 is now formed such that all diffraction orders except the zeroth diffraction order are bent out of the range of the Gaussian beam 2: the deflection angle ⁇ p is defined here as the angle under which the first order of diffraction from the original direction of incidence E (parallel to the central beam direction z) is deflected away.
  • the zeroth diffraction order is determined by an op- the lattice parameters fill factor f and depth Sp of the grid bars is suppressed.
  • the suppression is influenced by the refractive index n of the material of the grating structure 6, ie the optimum choice of f and s p depends on n.
  • the suppression in this case refers to the proportion of light remaining in the zeroth order of diffraction, measured by the light which would pass through the substrate or the transmission body without a lattice structure.
  • the optimization or the corresponding optimization calculation is done using the Fourier Modal method.
  • FIG. 7a shows the result of the optimization calculation for the suppression U of the zeroth diffraction order for the above parameters.
  • the optimization calculation can also be performed with other rigorous methods than the Fourier modal method.
  • FIG. 7b outlines the derivation of the fundamental condition for the deflection angle ⁇ p as a function of the divergence ⁇ . This is sketched on the basis of the example of the diffractive pinhole 4, 6, 7.
  • Figure 7b-B shows such a pinhole.
  • Figure 7b-A shows a corresponding structure 4, 6, but without central Pinholeö réelle 7.
  • the reference numeral 2e denotes the radiated on the structure, the interfering Gauss beam. Typically, only this Gaussian beam is itself modulated with the perturbations to be removed, outside there is no intensity.
  • Pinhole separated in the middle remains the spatial area ⁇ , which is filled by the deflected at the angle ⁇ p (first order of diffraction) perturbations 2h, the same.
  • the deflection ⁇ p must be at least twice as large as the divergence ⁇ of the laser beam (or the disturbances 2 h) in order to ensure complete separation of the signal 2 g from the disturbances 2 h.
  • ⁇ P ⁇ 2 ⁇ follows.
  • the production of the described diffractive spatial frequency filter device takes place by means of (binary) electron beam lithography and ion beam etching.
  • the substrate used here too is a 1.5 mm thick quartz glass 4.
  • FIG. 8 shows a scanning electron micrograph of the diffractive dielectric pinhole from FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 8 a shows an overview of the grating plane (plane perpendicular to the direction of irradiation). Good to see in the center of the aperture 7 with the diameter d p .
  • FIG. 8b shows a detail in the region of the aperture 7.
  • the individual grid webs 6a, 6b, 6c as well as a section of the central aperture 7 can be clearly seen.
  • Figure 9 shows the filtering effect of the described inventive dielectric pinholes in comparison.
  • Figure 9a (left column) refers to an unfiltered Gaussian beam.
  • FIG. 9b (middle Column) faces the filter effect of the described diffractive pinhole.
  • FIG. 9 c (right-hand column) describes the filter effect of the described refractive pinhole.
  • a measured intensity profile or beam cross-sectional profile in the focal plane is shown in the upper line.
  • the second line shows a 3D representation (vertical axis: intensity relative to the maximum intensity) of the measured profile.
  • the third line shows a section through the measured intensity profile at the height of the xx axis.
  • the fourth line shows in each case the difference of the section profile shown in the third line to a fitted Gaussian function (deviation of the intensity from the ideal Gaussian distribution).
  • the ideal Gaussian profile superimposed high-frequency noise components of the real measuring beam are very well filtered out by the dielectric pinholes according to the invention, so that (FIG. 9b and 9c) a nearly ideal Gaussian profile results for the filtered intensity distribution.
  • a spatial frequency filter device for spatial frequency filtering of laser radiation with a laser radiation for at least partially transparent or radiatable transmissive body and disposed adjacent to the transmission body or integrated in the transmission body, forming a pinhole or aperture having element, said element for Deflection instead of absorbing unwanted beam portions in an area surrounding the pinhole or aperture has a diffractive and / or refractive deflection structure covering this area.
  • laser radiation is thus at least partially transparent to the laser radiation transmission body irradiated with laser radiation, in which case an unwanted beam component of laser radiation is deflected by means of a diffractive and / or refractive deflecting instead of being absorbed
  • the deflection structure is a pinhole or covering an area surrounding an aperture of an element adjacently disposed on the transmission body or integrated in the transmission body, comprising the pinhole or aperture and the deflection structure.
  • the pinhole or the aperture is 0.5 ⁇ m ⁇ d G ⁇ 10 ⁇ m.
  • the diameter d e will assume a value between 1 micron and 6 microns.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ortsfrequenzfiltervorrichtung zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung. Diese weist einen für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten Transmissionskörper und ein an dem Transmissionskörper angrenzend angeordnetes oder in den Transmissionskörper integriertes, Pinhole bildendes bzw. eine Apertur aufweisendes Element auf, wobei das Pinhole bildende Element eine diffraktive und/oder eine refraktive lblenkstruktur aufweist.

Description

PINHOLE MIT EINEM REFRAKTIVEN ODER DIFFRAKTIVEN OPTISCHEN ELEMENT ZUR ORTSFREQUENZFILTERUNG VON LASERSTRAHLEN
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Pinho- les (auch als Lochblenden bezeichnet) , die dazu verwendet werden, bei Laserstrahlen eine Ortsfrequenzfilterung vorzunehmen.
Pinholes bzw. Lochblenden zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung sind bereits aus dem Stand der
Technik bekannt. Die konventionellen Pinholes bestehen aus einer absorbierenden oder einer reflektierenden Schicht, die mit einem Loch versehen ist. Kommerziell erhältlich sind Pinholes mit Lochdurchmessern bis etwa 1 μm und Dicken der absorbierenden oder reflektierenden Schicht von bis zu etwa 10 μm. Die Pinholes (alternativ wird im Folgenden auch der Begriff Nadelloch oder Apertur verwendet) sind hierbei beispielsweise in Edelstahl oder eine Kupferfolie präzi- sionsgeätzt. Wichtig ist hierbei eine möglichst idea- Ie Rotationssymmetrie bzw. Rundheit des Nadellochs und die Freiheit des Lochrands von jeglichen Kantendefekten bzw. Kantenirregularitäten. Problematisch bei den Pinholes ist ihre mögliche Zerstörung auf- grund der übertragenen Wärmeleistung des Lasers bzw. der Laserleistung. Spezialausführungen konventioneller Pinholes für hohe Laserleistungen bestehen deswegen aus speziellen Legierungen (beispielsweise Molybdän) , die zusätzlich mit wärmeableitenden Folien (beispielsweise aus Kupfer) versehen sind. Die Zerstörschwelle solcher Pinholes liegt im Bereich von mehreren MW/cm2 für kontinuierliche Laserstrahlung (Continuous Wave-Strahlung) und etwa bei 1 J/cm2 für gepulste Strahlung.
Der Durchmesser des Fokus eines Laserstrahls und die Länge des Fokus bzw. die Rayleighlänge eines Laserstrahls werden mit zunehmender Divergenz des Laserstrahls kleiner. Zur Ortsfrequenzfilterung geeignete Pinholes müssen damit ebenfalls kleinere Durchmesser und geringere Dicken aufweisen, damit das Pinhole bzw. das Nadelloch nicht den Charakter eines Rohres bekommt, der zu einer ungewollten Beschneidung des Strahls führen würde. Mit bei hohen Divergenzen somit erforderlichen geringen Dicken des Pinholes verringert sich jedoch die Zerstörschwelle des Pinholes (bedingt durch die Absorption oder Reflexion der unerwünschten Strahlanteile durch die konventionellen Pinholes) , was den Einsatz bei sehr hohen Laserleis- tungen unmöglich macht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Pinhole zur Ortsfrequenzfilterung bzw. eine Ortsfre- quenzfiltervorrichtung mit einer Apertur zur Verfü- gung zu stellen, welche die Filterung bzw. Entfernung unerwünschter Laserstrahlanteile mit hoher Genauig- keit und Effizienz auch bei Einsatz sehr hoher Laserleistungen und hoher Divergenzen des Laserstrahls erlaubt, ohne dass das Pinhole bzw. die Ortsfrequenz- filteϊrvorrichtung zerstört wird oder der Laserstrahl unerwünscht beschnitten wird.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Ortsfre- quenzfiltervorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Ortsfrequenzfilterverfahren nach Anspruch 22 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Nachfolgend und in der gesamten Erfindungsbeschreibung wird unter einem Pinhole sowohl die gesamte kör- perliche Vorrichtung (Ortsfrequenzfiltervorrichtung) , mit der die Ortsfrequenzfilterung der Laserstrahlung vorgenommen werden kann (inklusive des Nadellochs) , als auch lediglich das eigentliche Nadelloch (bzw. die Apertur, welche es ermöglicht, dass erwünschte Strahlanteile zumindest näherungsweise unabgelenkt und ungeschwächt verbleiben) verstanden. Was jeweils gemeint ist, geht aus dem jeweiligen Zusammenhang, in dem der Begriff des Pinholes verwendet wird, hervor.
Die Lösung erfolgt durch ein dielektrisches Pinhole, welches die unerwünschten Strahlanteile ablenkt, anstatt sie zu absorbieren. Die Ablenkung erfolgt durch eine Ablenkstruktur bzw. durch Mikrostrukturen, deren Dicke in Strahlrichtung vorzugsweise nur wenige um beträgt. Hierdurch wird der Charakter eines Rohres auch bei sehr hohen Divergenzen und damit notwendigen kleinen Durchmessern des Pinholes vermieden. Das Pinhole bzw. die Ortsfrequenzfiltervorrichtung weist einen für die Laserstrahlung transparenten Transmissi- onskörper und ein an diesem Transmissionskörper angrenzend angeordnetes oder in den Transmissionskörper integriertes, ein Nadelloch bzw. eine Apertur aufweisendes Element auf. Das das eigentliche Pinhole ausbildende Element weist hierbei eine diffraktive oder eine refraktive Ablenkstruktur auf. Durch die Ablenk- struktur werden die unerwünschten Strahlanteile der eingestrahlten Laserstrahlung aus der Einstrahlrichtung abgelenkt bzw. aus dem Nutzstrahlbündel entfernt.
Die (für den Transmissionskörper und bevorzugt auch für die Ablenkstruktur) verwendeten dielektrischen Materialien sind somit für die Laserstrahlung transparent und weisen eine wesentlich höhere Zerstörungsschwelle auf als die für die konventionellen Pinholes verwendeten Materialien. So kann beispielsweise
Quarzglas eingesetzt werden, welches für gepulste Strahlung eine Zerstörschwelle von etwa 4000 J/cm2 aufweist. Die Zerstörschwelle wird hierbei durch die Mikrostrukturen nicht wesentlich verringert. So hat beispielsweise Quarzglas mit einer Gitterstruktur bzw. einer diffraktiven Struktur eine Zerstörschwelle von etwa 2400 J/cm2.
Wie bereits beschrieben kann die Ablenkung der uner- wünschten Laserstrahlanteile durch eine diffraktive oder eine refraktive Struktur erfolgen. Bei der diffraktiven, mit Lichtbeugung arbeitenden Variante werden, bevorzugt durch ein kreisförmiges, binäres Gitter, kreisförmige Beugungsordnungen erzeugt. Ein binäres Gitter ist ein Gitter mit genau zwei Höhenstufen bzw. Ausdehnungen in Strahlrichtung. Alle Beugungsordnungen außer der nullten Beugungsordnung werden durch angemessene Wahl der Periode des Gitters aus dem Bereich des Laserstrahls (der ideal- erweise im Querschnitt gaußförmig ist) hinausgebeugt. Die nullte Beugungsordnung kann durch Optimierung der Gitterparameter Füllfaktor und Tiefe unterdrückt werden. Bei der refraktiven Variante bzw. der über Lichtbrechung arbeitenden Variante wird die Ablenkung bevorzugt durch ein kreisförmiges, dielektrisches Prisma erreicht. Aus dem zur Entfernung der unerwünschten Strahlanteile benötigten Ablenkwinkel ergibt sich je nach Beleuchtungsrichtung, d.h. je nach Einfallswinkel des Laserstrahls in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Pinholes, der nö- tige Anstiegswinkel des Prismas. Die Beleuchtungsrichtung sollte hierbei so gewählt werden, dass der Laserstrahl senkrecht zur Pinholeebene bzw. parallel zur Symmetrieachse des Pinholes einfällt.
Gegenüber den konventionellen Pinholes weisen die er- findungsgemäßen dielektrischen Pinholes den Vorteil auf, dass sie insbesondere auch zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlen hoher Divergenz und hoher Leistung geeignet sind. Sie weisen eine deutlich er- höhte Zerstörschwelle auf, so dass der Einsatz auch bei sehr hohen Laserleistungen möglich ist, ohne das Pinhole zu zerstören. So können in Strahlrichtung gesehen sehr dünne Pinholes hergestellt werden, welche eine Beschneidung des Laserstrahls auch bei hohen Di- vergenzen des Strahls vermeiden.
Erfindungsgeiαäße Pinholes bzw. Ortsfrequenzfiltervor- richtungen können, wie in einem der nachfolgenden Beispiele beschrieben, aufgebaut sein und verwendet werden. In den den Beispielen zugehörigen Figuren werden für identische bzw. sich entsprechende Elemente identische Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt ein konventionelles Pinhole.
Figur 2 zeigt die wesentlichen geometrischen Größen eines gaußförmigen Laserstrahls bzw. eines GaußStrahls.
Figur 3 zeigt das Funktionsprinzip erfindungsgemä- ßer dielektrischer Pinholes.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes refraktives, dielektrisches Pinhole.
Figur 5 zeigt die Wirkungsweise des dielektrischen
Pinholes aus Figur 4 im Detail.
Figur 5a zeigt das Prinzip der Grautonlithographie mit anschließendem Proportionaltransfer.
Figur β zeigt ein erfindungsgemäßes diffraktives, dielektrisches Pinhole.
Figur 7 zeigt die Wirkungsweise des diffraktiven, dielektrischen Pinholes aus Figur 6 im Detail.
Figur 7a zeigt die Ergebnisse für eine Optimierungsrechnung für die Unterdrückung der nullten BeugungsOrdnung.
Figur 7b skizziert die Basis der Ablenkungsbedingung θp>2*θ.
Figur 8 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische
Aufnahme eines erfindungsgemäßen diffrakti- ven, dielektrischen Pinholes.
Figur 9 zeigt die Filterwirkung verschiedener Pin- holes im Vergleich. Figur 1 zeigt ein konventionelles Pinhole bzw. eine konventionelle Ortsfrequenzfiltervorrichtung und definiert einige Größen, die zum Verständnis der Funktionsweise eines Pinholes notwendig sind. Figur 1 zeigt (wie auch die Figuren 3 bis 6) einen Schnitt in einer Ebene durch das Zentrum eines Pinholes, wobei die Schnittebene parallel zur Strahlrichtung der auf das Pinhole eingestrahlten Laserstrahlung ist. Die konventionelle, dargestellte Ortsfrequenzfiltervor- richtung weist eine Apertur bzw. ein Pinhole 7 zylindrischer Form, welche bzw. welches in eine Metallfolie 1 eingebracht ist, auf. Gezeigt sind in Figur Ia von der Metallfolie 1 lediglich die beiden Ränder Ia und Ib, welche den Mantel des Pinholes 7 ausbil- den. Auf die Filtervorrichtung wird ein in einer Schnittebene senkrecht zur Einstrahlrichtung bzw. Zentralstrahlrichtung gesehen gaußförmiger Laserstrahl 2 eingestrahlt. Die Zentralstrahlrichtung ist mit z bezeichnet. Dargestellt sind zwei Einzelstrah- len 2a, 2b des Laserstrahlenbündels, welche durch das Pinhole nicht ausgefiltert werden (Figur Ia und Ic) bzw. eigentlich nicht ausgefiltert werden sollten (Figur Ib) . Der Durchmesser des Pinholes bzw. der Apertur 7 senkrecht zur Strahlrichtung ist mit dp be- zeichnet. Die Dicke bzw. Tiefe des Pinholes 7 in
Strahlrichtung ist mit sp bezeichnet. Der Gaußstrahl ist durch eine in Strahlrichtung vor dem Pinhole angeordnete, nicht dargestellte Fokussierlinse auf die Fokusebene 3 fokussiert, in der das Pinhole angeord- net ist. In der Fokusebene 3 weist der Gaußstrahl seinen geringsten Strahlquerschnitt bzw. die geringste Strahlausdehnung in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung auf. In Figur Ib ist ein Gaußstrahl gezeigt, welcher im Vergleich zum in Figur Ia gezeig- ten Gaußstrahl eine deutlich höhere Divergenz (siehe hierzu Figur 2) aufweist. Die in Figur Ib gezeigte konventionelle Ortsfrequenzfiltervorrichtung 1 ist hierbei zur Filterung des Strahls hoher Divergenz nicht geeignet: Diejenigen beiden Randstrahlen des Strahlenbündels der Laserstrahlung 2, welche durch das Pinhole gerade nicht ausgefiltert werden sollten (Strahlen 2a, 2b) werden aufgrund der hohen Divergenz und der nicht angepassten, d.h. der zu großen Dicke Sp des Pinholes 7 beschnitten. Eine solche Beschneidung kann bei einem Strahl hoher Divergenz durch ein sehr dünnes Pinhole, wie es in Figur Ic dargestellt ist, vermieden werden. Ein solches sehr dünnes, konventionelles Pinhole ist jedoch nicht für den Einsatz bei hohen Laserleistungen geeignet, da es durch diese zerstört wird.
Figur 2 skizziert die geometrischen Verhältnisse bei einem gaußförmigen Laserstrahlenbündel bzw. Laserstrahl 2. Gezeigt ist ein Schnitt in einer Ebene durch die Zentralstrahlachse z und in Strahlrichtung. Ein idealer Laserstrahl weist im Strahlquerschnitt senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z ein gaußförmiges Intensitätsprofil auf. Der Strahldurchmesser d wird meist als derjenige Wert angegeben, bei dem die Intensität auf das l/e2-fache des Maximalintensitäts- wertes (auf der Zentralstrahlachse z) abgefallen ist. Dieser Durchmesser ist hier durch die Randstrahlen 2a, 2b skizziert. Zwischen zwei optischen Elementen lässt sich die Ausdehnung d(z) des Strahls entlang der Strahlachse z durch die folgende Gleichung be- schreiben: d2 (z)=dg 22z2
Der Gaußstrahl weist in der Fokusebene 3 (senkrecht zur Zeichenebene) seinen geringsten Durchmesser, den Durchmesser dg auf. Das Fernfeldverhalten wird durch die Divergenz θ beschrieben (asymptotisches Verhalten weit entfernt von der Fokusebene) . θ entspricht somit dem halben Öffnungswinkel des Gaußstrahlenkegels im Fernfeld (Fernfeld: Abstand von der Fokusebene 3 deutlich größer als Rayleighlänge Z0, d.h. Abstand mindestens etwa 5 Rayleighlängen; zur Definition von Z0 siehe später) . Das Produkt aus minimalem Strahldurchmesser dg und Divergenz θ ist konstant: dgθ=4λ/π
Ein Maß für die Kollimation des Laserstrahls ist die Rayleighlänge zo. Diese ist derjenige Abstand in Strahlrichtung z von der Fokussierebene 3, wo der Strahldurchmesser des Gaußstrahls
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ist.
Figur 3 skizziert die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes 4, 5, 6. Entlang der Zentralstrahlachse z wird der gaußförmige Laserstrahl 2 auf das Pinhole 4, 5, 6 eingestrahlt. Erwünschte Strahlanteile, dies sind die innerhalb des Kegels, der durch die Randstrahlen 2a, 2b gegeben ist, liegenden Strahlanteile (bzw. Strahlanteile, die dem Zentralstrahl z nahe liegen) , werden durch das dielektrische Pinhole nicht abgelenkt. Weitere außenliegende Strahlanteile (Strahlen des Strahlquerschnittes, deren Abstand zur Zentralachse z größer ist als der Abstand der erwünschten Strahlanteile; dies ist hier durch die beiden unerwünschten Strahlen 2c, 2d skizziert) , werden durch die nachfolgend beschriebene Ablenkstrukturen des erfindungsgemäßen Pinholes bzw. der erfindungsgemäßen Ortsfrequenzfil- tervorrichtung aus dem erwünschten Signalbereich 2a, 2b durch Ablenkung entfernt.
Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes refraktives, dielektrisches Pinhole bzw. eine entsprechende Ortsfrequenzfiltervorrichtung. Die Ortsfrequenzfiltervor- richtung weist einen transparenten Transmissionskörper 4 aus einem dielektrischen Material, hier Quarz- glas, auf. Der Transmissionskörper 4 hat hier die Form eines sehr flachen Zylinders, dessen Höhe D (welche der Dicke des Transmissionskörpers in Strahlrichtung z entspricht) deutlich kleiner ist, als sein Durchmesser Δ (Ausdehnung des Transmissionskörpers 4 in Richtung senkrecht zur Strahlrichtung z) . In Strahlrichtung gesehen auf der strahlausfallsseitigen Seite des Transiαissionskörpers 4 ist angrenzend an den Transmissionskörper 4 eine refraktive Ablenk- struktur in Form eines ringförmigen Primas 5 aus
Quarzglas angeordnet. Der Querschnitt des Prismenrings 5 in einer Ebene in Hauptstrahlrichtung z und durch die Symmetrieachse des Ringprismas 5 (hier identisch mit der Zentralstrahlachse z) ist dreiecks- förmig, so dass in der* hier dargestellten Schnittansicht ein dreiecksförmiger Schnitt 5a durch den (in der Zeichenebene) obenliegenden Halbring des Primas und ein zweiter dreiecksförmiger Schnitt 5b durch den untenliegenden Halbring des Prismas dargestellt sind. Der Prismenring 5 ist somit rotationssymmetrisch um die Zentralstrahlachse z angeordnet und weist einen lichten Innendurchmesser dp auf. Dieser lichte Innendurchmesser dp ist der Durchmesser der Apertur bzw. des eigentlichen Pinholes 7. Der maximale Außendurch- messer des Prismenrings 5 in einer Ebene senkrecht zur Zentralstrahlrichtung z beträgt Δ/2. Der Prismenring 5 ist hier räumlich so ausgeformt, dass er im dargestellten Schnitt 5a, 5b die Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweist. Der Prismenring 5 ist so angrenzend an den Transmissionskörper 4 angeordnet, dass im dargestellten Schnitt einer der gleichseitigen Schenkel des Dreiecks die Grenze zum Transmissionskörper 4 bildet (erster Schenkel senkrecht zur Strahlrichtung z) und der andere Schenkel am außen- seitigen Umfang des Prismas 5 senkrecht dazu steht
(zweiter Schenkel in Strahlrichtung z) . Die Basis des rechtwinkeligen Dreiecks (Hypotenuse) bildet dann einen Winkel α mit der Senkrechten auf der Zentralstrahlrichtung z bzw. mit dem ersten Schenkel. Diejenige Oberfläche A des ringförmigen Prismas, an der die unerwünschten Strahlanteile 2c, 2d dann gebrochen werden, ist somit unter dem Winkel α zur Strahlquerschnittsebene bzw. Ebene senkrecht zur Hauptstrahl- richtung z angeordnet (Anstiegswinkel α des Prismas) . Die Dicke des Prismenrings in Strahlrichtung nimmt mit zunehmendem Abstand von der Zentralachse z somit linear zu. Die maximale Ausdehnung der brechenden Struktur 5 bzw. des Prismas 5 in Zentralstrahlrichtung z im Abstand Δ/2 von der Achse z ist mit sp bezeichnet.
Auf dem Transmissionskörper 4 ist somit ein Element angeordnet, welches eine Ablenkstruktur in Form eines Prismas 5 aufweist und eine Apertur 7 bzw. ein Pinhole 7 ausbildet. Dieses Pinhole 7 hat dann den Durch- messer dp und die maximale Tiefe bzw. die maximale
Dicke Sp. Diejenigen Strahlen des Gaußstrahlenbündels 2, welche in einem Abstand von kleiner als dp/2 vom Zentralstrahl z senkrecht auf die einstrahlseitige Oberfläche des Transmissionskörpers 4 treffen, werden somit nach Durchlaufen des Transmissionskörpers 4 vom Prisma 5 nicht erfasst, sondern unabgelenkt durch den Transmissionskörper 4 transmittiert. Auch die nahe der Zentralachse z nicht senkrecht einfallenden Strahlen 2a, 2b werden nicht vom Prisma erfasst. Die- jenigen einfallenden Strahlanteile 2c, 2d, die senkrecht und mit einem Abstand > dp/2 vom Zentralstrahl z auf den Transmissionskörper 4 treffen, werden dagegen vom Prisma 5 erfasst und aufgrund des Anstiegswinkels α des Prismas 5 durch die ablenkende Fläche A des Prismas in Richtung von der Zentralstrahlrichtung z weg bzw. aus dem erwünschten Strahlenbündel abge- lenkt. Gegenüber der maximalen Dicke sp ist die wirksame Dicke sw am refraktiven Pinhole durch die für den Strahl bzw. den jeweiligen Strahlanteil jeweils sichtbare Strecke gegeben. Unter sichtbarer Strecke wird hierbei diejenige optische Weglänge verstanden, die der Strahl bzw. der jeweilige Strahlanteil in Zentralstrahlrichtung z gesehen (also von der trans- missionskörperzugewandten Seite des Prismas bis zur transmissionskörperabgewandten Seite des Prismas) in- nerhalb des Prismas 5 durchläuft. Von der Zentralstrahlachse z zur Außenseite des Prismas hin (in einer Ebene senkrecht zur Zentralstrahlrichtung z gesehen) nimmt die wirksame Dicke sw somit zu: Für einen Strahlanteil am Außenrand des eigentlichen Pinholes 7 bzw. am Innenrand des ringförmigen Prismas 5 ist die wirksame Dicke der Prismenstruktur somit Null, während sie für einen Strahlanteil am äußeren Rand des ringförmigen Prismas der maximalen Dicke, also sp entspricht. Die maximale Tiefe sp des Prismas an des- sen Außenseite ist hierbei vor allen Dingen durch die Herstellungstechnologie begrenzt. Beim gezeigten refraktiven Pinhole ist somit am Innenrand des Prismenrings 5 (also im Abstand von dp/2 von der Zentralstrahlachse) eine wirksame Dicke von sw=0 erreichbar. Näherungsweise werden Strahlenanteile, welche in der Fokusebene (hier nicht dargestellt) außerhalb einer Kreisscheibe mit Radius dp/2 um den Zentralstrahl z liegen, somit aus dem Gaußstrahl 2 herausgefiltert. Diese Strahlanteile entsprechen nun gerade den Inten- sitätsfluktuationen des gaußförmigen Strahlprofils mit hoher Frequenz bzw. dem hochfrequenten Rauschen, welches dem Gaußprofil überlagert ist. Das gezeigte Pinhole wirkt somit als Ortsfrequenzfilter, welches die dem Rauschen entsprechenden hohen Frequenzen aus- filtert und so eine höhere Störungsfreiheit des Laserstrahls sicherstellt, wie sie beispielsweise für Anwendungen im Bereich der Holographie oder optischen Datenverarbeitung notwendig ist.
Figur 5 skizziert die Funktionsweise des in Figur 4 dargestellten, refraktiven Pinholes im Detail. Figur 5a zeigt eine Übersichtsskizze, bei der abweichend vom in Figur 4 dargestellten Pinhole der Durchmesser des Transmissionskörpers 4 (senkrecht zur Strahlrichtung) größer ist als derjenige des Prismenrings 5. Bei der hier beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen refraktiven Filtervorrichtung werden die folgenden Werte für die eingestrahlte gaußförmige Laserstrahlung vorausgesetzt: Wellenlänge λ=632,8 niti, Divergenz θ=ll°, Fokusdurch- messer dg=2,l um und Rayleighlänge zo=5,3 um. Das für den Prismenring 5 verwendete Quarzglas besitzt eine Brechungszahl von ni=l,457. Generell ist es vorteilhaft für den Prismenring hochbrechende Materialien einzusetzen, da diese den Vorteil bieten, dass die Strukturen im allgemeinen flacher sind und damit leichter herzustellen sind bzw. für die Anwendung (Filterung von Divergenzen) vorteilhaft sind. Die Eigenschaften des eingesetzten, dielektrischen Materials bestimmen die Zerstörungsschwelle des Pinholes. Somit können, wenn es die Anwendung zulässt, auch andere Materialien als Quarzglas eingesetzt werden (z.B. Kunststoff oder andere Gläser) . Dies gilt ebenso für die bei dem nachfolgend beschriebenen diffrak- tiven Pinhole eingesetzten Materalien. Die beschrie- benen Beispielwerte für den eingestrahlten Gaußstrahl gelten ebenso für das nachfolgend dargestellte Beispiel für ein erfindungsgemäßes diffraktives Pinhole. Der Transmissionskörper 4 ist ebenfalls aus diesem Quarzglas hergestellt. Der Anstiegswinkel α des Pris- mas bzw. die Neigung der Brechungsfläche A in Bezug auf die Ebene senkrecht zur Hauptstrahlrichtung z be- trägt hier ex=33°. Dieser Anstiegswinkel ex des Prismas wird durch die Richtung der Beleuchtung und den gewünschten bzw. den notwendigen (siehe später) Ablenkwinkel θp bestimmt. Der Winkel θp ist derjenige Win- kel, unter dem ein in Richtung der Zentralstrahlrichtung z auf die Brechungsfläche A einfallender Strahl von der Zentralstrahlrichtung z abgelenkt wird. Der Lichteinfall ist hierbei so zu wählen, dass der Gauß- strahl bzw. dessen Zentralstrahl senkrecht zur Pinho- leebene bzw. zur Plattenebene des Transmissionskörpers einfällt.
Im vorliegenden Fall beträgt der Anstiegswinkel ex=33°, so dass sich anhand der aus dem Brechungsge- setz hergeleiteten Beziehung θp=arcsin(ni*sin(ex) ) -ex ein Ablenkwinkel von θp=28° ergibt, ex = 33° wurde gewählt, damit sich ein Ablenkwinkel θp ergibt, der mehr als doppelt so groß ist wie die Signalbereichs- divergenz von θ=ll°.
Die Parameter des dargestellten refraktiven Pinholes, dies sind die wirksame Dicke sw, der Pinholedurcnmes- ser dp und der Ablenkwinkel θp, werden hier wie folgt gewählt (dies gilt ebenfalls für das nachfolgend dargestellte erfindungsgemäße diffraktive, dielektrische Pinhole) :
• Wirksame Dicke: sw<2z0; dann erfolgt keine Be- schneidung des Gaußstrahles 2 innerhalb der Ray- leighlänge Z0.
• Durchmesser: dp=2,5dg; dies stellt einen Kompro- miss zwischen der Filterwirkung (bessere Filterwirkung bei kleinerem Pinholedurchmesser) und der Beschneidung des Gaußstrahls (höhere Beschneidung bei kleinerem Pinholedurchmesser) dar .
* Ablenkwinkel: ΘP>2Θ; ist der Ablenkwinkel mindestens doppelt so groß wie die Divergenz, so erfolgt eine vollständige Trennung von Stör- und Signalanteilen bei der weiteren Ausbreitung des
Laserstrahls nach dem Pinhole.
Die Herstellung der refraktiven, dielektrischen Blende bzw. der entsprechenden Ortsfrequenzfiltervorrich- tung erfolgt mittels analoger Grautonlithographie auf einem Quarzglassubstrat mit anschließendem Proportionaltransfer. Figur 5a zeigt das Prinzip der Grautonlithographie (Figurenteile A bis C) mit anschließendem Proportionaltransfer (Figurenteile D bis H) . Bei der Grautonlithographie wird in einem ersten Schritt A ein elektronenstrahlsensitives Glas 10a mit Hilfe eines Elektronenstrahls 11 eines Elektronenstrahl- schreibers geschwärzt. Mit wachsender Elektronendosis steigt die Schwärzung im elektronenstrahlsensitiven Glas 10a an, so dass in diesem Glas eine Grautonmaske 10b erzeugt wird. Es folgt nun ein gewöhnlicher photolithographischer Schritt (Schritt B) : Zunächst wird auf einem Substrat 13a eine Resist-Schicht 14a angeordnet. Auf dieser Resist-Schicht 14a wird das elekt- ronenstrahlsensitive Glas 10a mit der Grautonmaske 10b angeordnet. Die Anordnung wird dann mit UV- Strahlen 12 bestrahlt. Die lokale Schwärzung der Grautonmaske 10b bestimmt bei diesem Verfahrensschritt, dann die in den Resist 14a lokal eingebrachte UV-Dosis und damit wiederum die lokale Löslichkeits- rate des Resists 14a. Durch einen entsprechenden Entwicklungsschritt (Schritt C) wird die Löslichkeits- verteilung in der Resist-Schicht 14a in ein Höhenprofil 14b des Resists umgesetzt. Der Proportionaltrans- fer (Schritte D bis H) dient dann der Übertragung des hergestellten Resistprofils 14b in festeres Material, also in das Substrat, welches im vorliegenden Fall aus Quarzglas besteht. Hierbei erfolgt zunächst in einem ersten Schritt D die Härtung des Resistelements 14b mit UV-Strahlung 12. Anschließend erfolgt eine thermische Härtung des nunmehr UV-gehärteten Resistelements 14c durch Erhitzung des Substrats 13a samt des Elements 14c mittels einer Erhitzungsplatte 16 (Schritt E) . Im folgenden (Schritte F bis H) wird mit Hilfe von reaktivem Ionenstrahlätzen (mit Hilfe von Ionenstrahlen 15, wobei durch Zusetzung von Ätzgasen zusätzlich ein chemischer Abtragungsprozess stattfindet) das nunmehr thermisch gehärtete Resistprofil 14d abgetragen und gleichzeitig proportional in das Quarzglas bzw. das Substrat 13 geätzt. Durch die Ein- Stellung der Selektivität, d.h. des Verhältnisses zwischen Ätzrate des Resists 14 und des Quarzmaterials 13 kann eine Skalierung des Höhenprofils senkrecht zur Substratebene erreicht werden. Schritt F zeigt den Beginn der Ionenstrahlätzung. Im nachfol- genden Schritt G ist das Resistelement schon teilweise abgetragen (14e) und das Profil schon teilweise auf das Substrat übertragen (13b) . Figurenabschnitt H zeigt das fertig geätzte Substrat 13c, auf das das ursprünglich im Resistelement 14 vorhandene Höhenpro- fil vollständig übertragen wurde.
Figur 6 zeigt ein erfindungsgemäßes diffraktives Pinhole. Dieses weist einen Transmissionskörper 4 auf, der ebenso ausgebildet ist wie der Transmissionskör- per der vorstehend beschriebenen refraktiven Ortsfre- quenzfiltervorrichtung. Auf der Strahlausfallsseite ist angrenzend an den Transmissionskörper 4 eine Gitterstruktur 6 angeordnet. Die Gitterstruktur 6 ist als ringförmiges, binäres Gitter ausgestaltet: Die einzelnen kreisförmigen Gitterstege 6a, 6b, ... (siehe Figur 7, welche einen Teilausschnitt senkrecht zur Gitterebene und durch das Symmetriezentrum bzw. Kreiszentrum des Gitters zeigt) sind dabei auf konzentrischen Kreisen um die Zylinderzentralachse des Transmissionskörpers 4 (die hier der Zentralstrahl- richtung z des eingestrahlten Gaußstrahls 2 entspricht) angeordnet. Der Durchmesser der einzelnen kreisförmigen Gitterstege nimmt hierbei jeweils um einen konstanten Faktor (doppelte Periode des Gitters) zu. Die Gitterstege 6 sind jedoch nicht über den gesamten Radius des Transmissionskörpers 4 auf diesem angeordnet, sondern erst ab einer radialen Entfernung von dp/2 von der Zylinderachse bzw. Zentralstrahlachse z, so dass eine lichte Innenweite bzw. eine Apertur 7 mit dem Durchmesser dp ausgebildet wird. Transmissionskörper 4 und Gitterstege 6 bestehen hier aus Quarzglas mit einer Brechungszahl' von n=l,457 bei der Wellenlänge λ=632,8 um. Die Tiefe der Gitterstege (Dicke der diffraktiven Ablenkstruktur 6) ist mit Sp gekennzeichnet. Die Dicke des Transmissi- onskörpers in Strahlrichtung ist mit D gekennzeichnet (hier: D=I,5 mm) . Die Gitterstruktur 6 kann alternativ zu ihrer Anordnung auf dem Transmissionskörper 4 jedoch auch durch Einätzen in den Transmissionskörper 4 integriert werden.
In Radialrichtung gesehen sind die Gitterstege 6 erst ab einer Entfernung von dp/2 von der Zylinderzentralachse des Körpers 4 angeordnet. Strahlanteile des Gaußstrahls 2, welche innerhalb eines solchen Radial- abstandes vom Zentralstrahl z auf den Transmissionskörper 4 treffen (so z.B. die Strahlen 2a, 2b), werden daher von der diffraktiven Ablenkstruktur 6 nicht erfasst. Randstrahlen bzw. außenliegende Strahlen des Gaußstrahls, welche in einer Entfernung von größer als dp/2 auf den Transmissionskörper treffen, werden jedoch nach Durchlaufen des Transmissionskörpers von der Gitterstruktur 6 erfasst und einer Beugung unterworfen. In der Skizze sind hierbei für einen solchen Randstrahl die nullte, die erste und die zweite Beugungsordnung eingezeichnet (0., 1. und 2.) .
Figur 7 skizziert die Beugungsverhältnisse an der Gitterstruktur 6 genauer. Gezeichnet sind einzelne Gitterstege 6a, βb, ... . Diese sind wie beschrieben ebenso wie der hier nicht gezeigte Transmissionskör- per 4 aus Quarzglas mit einem Brechungsindex n=l,457 ausgebildet. In Richtung senkrecht zur Einstrahlrichtung E weisen die einzelnen Gitterstege 6a, 6b eine Ausdehnung auf, die mit ssteg gekennzeichnet ist. Der Abstand der einzelnen Gitterstege voneinander in Ra- dialrichtung bzw. senkrecht zur Einstrahlrichtung E ist mit p (Periode des Gitters) gekennzeichnet. Die Tiefe bzw. die Dicke der Gitterstege (diese ist hier konstant und daher gleich der maximalen Dicke der Ablenkstruktur) in Einstrahlrichtung E ist mit sp ge- kennzeichnet. Hier entspricht also die für den Strahl sichtbare bzw. die wirksame Dicke sw der Dicke sp der Gitterstege. Die Gitterstruktur bzw. das ringförmige binäre Gitter 6 wird nun so ausgebildet, dass alle Beugungsordnungen außer der nullten Beugungsordnung aus dem Bereich des Gaußstrahls 2 hinausgebeugt werden: Der Ablenkwinkel θp ist hierbei als derjenige Winkel definiert, unter dem die erste Beugungsordnung von der ursprünglichen Einstrahlrichtung E (parallel zur Zentralstrahlrichtung z) weggelenkt wird. Das Gitter wird dabei vorteilhafterweise so ausgebildet, dass dieser Ablenkwinkel ΘP>2Θ ist. Dies geschieht durch eine geeignete Wahl der Periode p des Gitters. Im vorliegenden Fall wird eine Periode p=l,06 um gewählt. Hiermit ergibt sich ein Ablenkwinkel von θp=30° (Gaußstrahlparameter wie vorstehend beschrieben) . Die nullte Beugungsordnung wird durch eine Op- timierung der Gitterparameter Füllfaktor f und Tiefe Sp der Gitterstege unterdrückt. Der Füllfaktor ist hierbei definiert als f=sSteg/p. Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Unterdrückung der nullten Ordnung auf 1,1 %, wobei die Stegbreite sSteg so gewählt ist, dass sich f=0,4 ergibt und wobei die Steghöhe sp=0,66 um beträgt. Die Unterdrückung wird hierbei durch den Brechungsindex n des Materials der Gitterstruktur 6 beeinflusst, d.h. die optimale Wahl von f und sp hängt von n ab. Die Unterdrückung bezeichnet hierbei den Anteil des Lichts, der in der nullten Beugungsordnung verbleibt, gemessen am Licht, welches ohne Gitterstruktur durch das Substrat bzw. den Transmissionskörper hindurchtreten würde. Die Optimierung bzw. die entsprechende Optimierungsrechnung geschieht mit Hilfe der Fourier-Modal-Methode. Figur 7a zeigt das Ergebnis der Optimierungsrechnung für die Unterdrückung U der nullten Beugungsordnung für die vorstehenden Parameter. Die Optimierungsrechnung kann auch mit anderen rigorosen Methoden als der Fourier- Modal-Methode durchgeführt werden.
Figur 7b skizziert die Herleitung der grundlegenden Bedingung für den Ablenkwinkel θp in Abhängigkeit von der Divergenz θ. Dies ist anhand des Beispiels des diffraktiven Pinholes 4, 6, 7 skizziert. Figur 7b-B zeigt ein solches Pinhole. Figur 7b-A zeigt eine entsprechende Struktur 4, 6, jedoch ohne zentrale Pinholeöffnung 7. Das Bezugszeichen 2e kennzeichnet den auf die Struktur eingestrahlten, mit Störungen behafteten Gaußstrahl. Typischerweise ist nur dieser Gauß- strahl selbst moduliert mit den zu entfernenden Störungen, außerhalb gibt es keine Intensität. Wird daher wie in Figurenteil A (Struktur ohne Pinhole) ge- zeigt der komplette Strahl um den Ablenkwinkel θp abgelenkt, so füllt er auch dort nur denjenigen Raumbe- reich, der durch seine Divergenz θ gegeben ist, aus: Der abgelenkte Strahl 2f (gezeigt ist die Ablenkung erster Ordnung) ist nach wie vor mit den Störungen behaftet. Werden nun durch eine diffraktive Pinho- lestruktur 4, 6, 7 Signal und Störungen durch das
Pinhole in der Mitte separiert, bleibt der räumliche Bereich θ, der durch die unter dem Winkel θp (erste Beugungsordnung) abgelenkten Störungen 2h ausgefüllt wird, derselbe. Aus diesem Grund muss die Ablenkung θp mindestens zweimal so groß sein wie die Divergenz θ des Laserstrahls (bzw. der Störungen 2h) , um eine vollständige Trennung des Signals 2g von den Störungen 2h zu gewährleisten. Daraus folgt somit die Bedingung ΘP≥2Θ.
Die Herstellung der beschriebenen diffraktiven Ortsfrequenzfiltervorrichtung, insbesondere die Herstellung der Ablenkstruktur 6 in Form des binären Gitters erfolgt mittels (binärer) Elektronenstrahlli- thographie und Ionenstrahlätzen. Als Substrat dient auch hier ein 1,5 mm dickes Quarzglas 4.
Figur 8 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des diffraktiven dielektrischen Pinholes aus den Abbildungen 6 und 7. Figur 8a zeigt einen Übersichtsblick auf die Gitterebene (Ebene senkrecht zur Einstrahlrichtung) . Gut zu erkennen ist im Zentrum die Apertur 7 mit dem Durchmesser dp. Figur 8b zeigt einen Ausschnitt im Bereich der Apertur 7. Hier sind deutlich die einzelnen Gitterstege 6a, 6b, 6c sowie ein Abschnitt der zentralen Apertur 7 zu sehen.
Figur 9 zeigt die Filterwirkung der beschriebenen erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes im Vergleich. Figur 9a (linke Spalte) bezieht sich hierbei auf einen ungefilterten Gaußstrahl. Figur 9b (mittlere Spalte) stellt dem die Filterwirkung des beschriebenen diffraktiven Pinholes gegenüber. Figur 9c (rechte Spalte) beschreibt die Filterwirkung des beschriebenen refraktiven Pinholes. Hierbei ist jeweils in der oberen Zeile ein gemessenes Intensitätsprofil bzw. Strahlquerschnittsprofil in der Fokusebene dargestellt. Die zweite Zeile zeigt eine 3D-Darstellung (vertikale Achse: Intensität relativ zur Maximalintensität) des gemessenen Profils. Die dritte Zeile zeigt einen Schnitt durch das gemessene Intensitätsprofil auf Höhe der Achse x-x. Die vierte Zeile zeigt jeweils die Differenz des in der dritten Zeile dargestellten Schnittprofils zu einer angefitteten Gauß- funktion (Abweichung der Intensität von der idealen Gaußverteilung) . Wie der Vergleich der vierten Zeile deutlich zeigt, werden durch die erfindungsgemäßen dielektrischen Pinholes dem idealen Gaußprofil überlagerte hochfrequente .Rauschanteile des realen Messstrahls sehr gut herausgefiltert, so dass sich (Figur 9b und 9c) ein nahezu ideales Gaußprofil für die gefilterte Intensitätsverteilung ergibt.
Zusammenfassend wird also als besonders vorteilhaft vorgeschlagen eine Ortsfrequenzfiltervorrichtung zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung mit einem für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenten oder durchstrahlbaren Transmissionskörper und einem an dem Transmissionskörper angrenzend angeordneten oder in den Transmissionskörper integrierten, eine Lochblende bildenden oder eine Apertur aufweisenden Element, wobei dieses Element zur Ablenkung anstelle von Absorption unerwünschter Strahlanteile in einem die Lochblende oder Apertur umgebenden Bereich eine diesen Bereich abdeckende diffraktive und/oder refraktive Ablenkstruktur aufweist. Bei einem entsprechenden Verfahren zur Ortsfrequenzfilte- rung von Laserstrahlung wird also ein für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenter Transmissionskörper mit Laserstrahlung durchstrahlt, wobei anschließend ein unerwünschter Strahlanteil der La- serstrahlung mit Hilfe einer diffraktiven und/oder refraktiven Ablenkstruktur abgelenkt wird, anstatt absorbiert zu werden, wobei die Ablenkstruktur einen eine Lochblende oder eine Apertur umgebenden Bereich eines an dem Transmissionskörper angrenzend angeord- neten oder in den Transmissionskörper integrierten, die Lochblende oder Apertur und die Ablenkstruktur aufweisenden Elements abdeckt. Bei typischen Ausführungen der Erfindung gilt für den oben mit dG bezeichneten Durchmesser der Lochblende oder der Aper- tur (des Pinholes) : 0,5 um < dG < 10 μm. Bei besonders vorteilhaften Ausführungen der Erfindung, die einerseits eine effektive Ortsfrequenzfilterung erlauben und andererseits besonders belastbar sind, wird der Durchmesser de einen Wert zwischen 1 μm und 6 μm annehmen.

Claims

Patentansprüche
1. Ortsfrequenzfiltervorrichtung zur Ortsfrequenz- filterung von Laserstrahlung mit
einem für die Laserstrahlung (2) zumindest teilweise transparenten bzw. durchstrahlbaren Transmissionskörper (4)
und einem an dem Transmissionskörper (4) angren- zend angeordneten oder in den Transmissionskörper (4) integrierten, pinhole-bildenden bzw. eine Apertur (7) aufweisenden Element, wobei das Element eine diffraktive und/oder eine refrakti- ve Ablenkstruktur (5,6) aufweist.
2. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die diffraktive Ablenkstruktur (6) die nullte Beugungsordnung unterdrückbar ist.
3. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Unterdrückung durch die räumliche Form der diffraktiven Ablenkstruktur (6) realisiert ist.
4. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eingestrahlte Laserstrahlung (2) durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise aus der Einstrahlrichtung ablenkbar ist.
5. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,, dass
die Ablenkstruktur (5, 6) räumlich so ausgebildet ist und so angeordnet ist, dass für durch den Transmissionskörper (4) transmittierte La- serstrahlung mit endlichem Strahlquerschnitt ein zentraler Anteil der Laserstrahlung bzw. ein im Strahlquerschnitt gesehen um den Zentralstrahl im wesentlichen zentrierter, innenliegender Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkvorrich- tung in der Strahlrichtung nicht beeinflussbar ist bzw. durch das Pinhole (7) durchstrahlbar ist und dass der dem zentralen Anteil komplementäre bzw. außenliegende Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilwei- se in der Strahlrichtung beeinflussbar und in
Richtung vom Zentralstrahl weg ablenkbar ist.
6. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablenkstruktur um eine Achse in Strahlrichtung (Symmetrieachse) radialsymmetrisch ausgebildet ist bzw. in Bezug auf die Symmetrieachse konzentrisch angeordnet ist und als Ringstruktur mit einem lichten Innendurchmesser und einem Au- ßendurchmesser ausgebildet ist bzw. ringförmig um die Symmetrieachse angeordnet ist, wobei die Ablenkstruktur räumlich so ausgebildet ist, dass bei Einstrahlung von Laserlicht in Richtung der und symmetrisch um die Symmetrieachse ein unter einem Symmetrieachsenabstand, welcher kleiner als der halbe Innendurchmesser
(Innenradius) ist, eingestrahlter und durch den Transmissionskörper transmittierter Laserstrahlenanteil durch die Ablenkstruktur nicht erfassbar bzw. nicht in seiner Richtung ablenkbar ist und dass ein unter einem Symmetrieachsenabstand, welcher größer gleich dem Innenradius und kleiner gleich dem halben Außendurchmesser (Außenradius) ist, eingestrahlter und durch den Transmissionskörper transmittierter Laserstrahlenan- teil von der Ablenkstruktur erfassbar und zumindest teilweise in Richtung von der Symmetrieachse weg ablenkbar ist.
7. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Transmissionskörper und/oder die Ablenkstruktur ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht.
8. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorherge- henden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dielektrikum ein hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex von bevorzugt größer 1,4 ist.
9. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Dielektrikum, Glas, insbesondere Quarzglas, oder Kunststoff enthält oder daraus besteht.
10. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Transmissionskörper eine ebene, flache Platte aufweist.
11. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Transmissionskörper und die Ablenkstruktur einstückig ausgebildet sind.
12. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die maximale Dicke sp der Ablenkstruktur in Strahlrichtung (maximale Tiefe der Ablenkstruktur) über 50 nm und/oder unter 500 μm, insbeson- dere über 100 nm und/oder unter 100 μm, insbesondere über 200 nm und/oder unter 20 um, insbesondere über 500 nm und/oder unter 2 um beträgt.
13. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wirksame Dicke sw der Ablenkstruktur kleiner ist als das 5-fache, bevorzugt kleiner ist als das 3-fache, bevorzugt kleiner ist als das 2.5- fache, bevorzugt kleiner ist als das 2-fache, bevorzugt kleiner ist als das 1.5-fache, bevorzugt kleiner ist als das 1-fache der Rayleigh- länge Z0 der verwendeten LaserStrahlung.
14. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Innendurchmesser der Ablenkstruktur größer als das 1-fache und/oder kleiner als das 5- fache, bevorzugt größer als das 2-fache und/oder kleiner als das 3-fache des Fokusdurchmessers dg der Laserstrahlung ist, wobei der Innendurchmesser besonders bevorzugt das 2.5-fache des Fokus- durchmessers beträgt.
15. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,-
dadurch gekennzeichnet, dass
die refraktiven Ablenkstruktur ein Prisma, ins- besondere ein ringförmiges Prisma, aufweist.
16. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch und nach Anspruch 6,
gekennzeichnet durch
ein ringförmig um die Symmetrieachse angeordne- tes Prisma, welches in einer parallel zur Symmetrieachse und durch die Symmetrieachse verlaufenden Schnittebene gesehen dreieckförmig ist, wobei lediglich eine Spitze des Dreiecks innenliegend bzw. auf einem Kreis um die Symmetrie- achse mit einem Radius entsprechend dem Innenra- dius (Innenkreis) angeordnet ist und wobei die Tiefe des Prismas in Strahlrichtung mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse ausgehend vom Innenkreis bzw. Innenradius bis zum Außenra- dius über zumindest einen Teilbereich der Ringstruktur zunimmt.
17. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,, dass
die diffraktive Ablenkstruktur ein Gitter, insbesondere ein ringförmiges Gitter bzw. ein Gitter, dessen Gitterlinien bzw. Gitterstege auf konzentrischen Kreisen angeordnet sind, aufweist, wobei das Gitter bevorzugt ein Binärgit- ter ist.
18. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis f=ssteg/p (Füllfaktor) von mittle- rer Breite ssteg eines Gitterstegs und Periode p des Gitters, wobei die Periode p der mittlere Abstand zweier Gitterstege bzw. zweier benachbarter Gitterstrukturen ist, und die Gitterstegtiefe Sp bzw, die Ausdehnung der Gitterstege senkrecht zur Gitterebene bzw. in Durchstrahlrichtung so gewählt sind, dass die nullte Beugungsordnung auf unter 10%, bevorzugt unter 5%, bevorzugt unter 2% bevorzugt unter 1%, bevorzugt unter 0.5% der Leistung, die ohne die Ablenk- Struktur durch den Transmissionskörper hindurchtreten würde, unterdrückbar ist.
19. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablenkstruktur so ausgebildet ist, dass der außenliegende Anteil bzw. der nicht durch das
Pinhole gestrahlte Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise in der Strahlrichtung beeinflussbar und vom Zentralstrahl weg um einen Ablenkwinkel θp ablenkbar ist, der um mindestens das 1.8-fache, bevorzugt um mindestens das 2-fache, bevorzugt um mindestens das 2.5-fache, bevorzugt um mindestens das 3-fache größer ist als die Divergenz θ der Laserstrahlung.
20. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch und nach einem der Ansprüche 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Periode p des Gitters so gewählt ist, dass der Ablenkwinkel θp der Ablenkwinkel der ersten
BeugungsOrdnung ist.
21. Ortsfrequenzfiltervorrichtung nach Anspruch 19 und nach einem der Ansprüche 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ablenkwinkel θp durch geeignete Wahl des Anstiegswinkels α des Prismas bzw. des Winkels, um den die Tiefe des Prismas mit zunehmendem Abstand von der Symmetrieachse ausgehend vom Innenkreis bzw. Innenradius bis zum Außenradius über zumindest einen Teilbereich der Ringstruktur zunimmt, realisiert ist.
22. Verfahren zur Ortsfrequenzfilterung von Laserstrahlung wobei
ein für die Laserstrahlung zumindest teilweise transparenter Transmissionskörper mit Laser- Strahlung durchstrahlt wird,
und wobei die Laserstrahlung anschließend teilweise aus der Einstrahlrichtung abgelenkt wird mit Hilfe einer diffraktiven und/oder einer refraktiven Ablenkstruktur eines an dem Trans- missionskörper angrenzend angeordneten oder in den Transmissionskörper integrierten, pinhole- bildenden bzw. eine Apertur aufweisenden Elements.
23. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 eingesetzt wird.
24. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die diffraktive Ablenkstruktur die nullte Beugungsordnung unterdrückt wird.
25. Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablenkstruktur räumlich so ausgebildet wird und so angeordnet wird, dass für die durch den Transmissionskörper transmittierte Laserstrahlung mit ihrem endlichen Strahlquerschnitt ein zentraler Anteil der Laserstrahlung bzw. ein im Strahlquerschnitt gesehen um den Zentralstrahl im wesentlichen zentrierter, innenliegender Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkvorrich- tung in der Strahlrichtung nicht beeinflusst wird und dass der dem zentralen Anteil komplementäre bzw. außenliegende Anteil der Laserstrahlung durch die Ablenkstruktur zumindest teilweise in der Strahlrichtung beeinflusst und in Richtung vom Zentralstrahl weg abgelenkt wird.
26. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Transmissionskörper eine ebene, flache Platte mit der Plattenebene senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet wird.
27. Verfahren nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als refraktive Ablenkstruktur ein ringförmiges Prisma eingesetzt wird und/oder dass als diffraktive Ablenkstruktur ein ringförmiges, bevorzugt binäres Gitter eingesetzt wird.
28. Verfahren nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
29. der abgelenkte Teil der Laserstrahlung vom Zentralstrahl weg um einen Ablenkwinkel θp abgelenkt wird, der um mindestens das 1.8-fache, bevorzugt um mindestens das 2-fache, bevorzugt um mindestens das 2.5-fache, bevorzugt um mindestens das 3-fache größer ist als die Divergenz θ der eingestrahlten Laserstrahlung.
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