WO2019042946A1 - Vorrichtung und verfahren zur formung von laser-strahlung für eine materialbearbeitung - Google Patents

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WO2019042946A1
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Dmitriy Mikhaylov
Roland Gauch
Tobias Graf
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B27/30—Collimators

Definitions

  • the invention relates to a device for shaping coherent radiation of a laser source for material processing by means of at least one diffractive beam shaper.
  • the invention further relates to a method for shaping coherent radiation of a laser source for material processing by means of at least one diffractive beam shaper.
  • phase modulators amplitude modulators or phase and amplitude modulators.
  • phase elements can be produced as phase elements in glass or other transparent materials. Alternatively, they can also be called phase masks on so Spatial Light Modulators (SLM).
  • SLM Spatial Light Modulators
  • diffractive beam-shaping elements can be embodied as:
  • the separation of the diffraction orders must be at least twice the divergence (as full angle) of the incident laser radiation.
  • - Diffusers should generate a desired intensity distribution in the far field.
  • the diffraction orders in the far field are not separated but overlap. This can lead to constructive and destructive interference of adjacent diffraction orders and thus to fluctuations in the
  • Optical structures for beamformers are usually very expensive to adjust. Again, interference can interfere with the intended intensity distribution in the far field.
  • the document DE 10 2012 011 343 A1 describes a device (and a method and a corresponding sample structure) for interference structure of a preferably flat sample with a laser, a focusing arrangement positioned in the beam path of the laser with which the laser radiation focuses in a first spatial direction into a sample volume in which the sample is positionable or positioned, can be imaged, a arranged in the beam path of the laser separation device with the laser radiation in a second, not parallel to the first spatial direction, preferably orthogonal to the first spatial direction spatial direction with two radiation beams so directable to the sample volume in that the two beams within the sample volume interfere in an interference area, and at least one projection mask positioned in the beam path of the laser.
  • the laser radiation is homogenized with the aid of an iris diaphragm, guided on a diffractive optical element designed as a beam splitter, and the partial beams resulting from diffraction are imaged on the sample P by means of a lens system for interferential structuring.
  • the laser radiation is focused in a first spatial direction into a sample volume in which the sample can be positioned or positioned, can be imaged.
  • the separation arrangement the laser radiation in a second spatial direction with two radiation bundles can be directed to the sample volume in such a way that the two radiation bundles within the sample volume interfere in an interference region.
  • the second The spatial direction is not parallel to the first spatial direction, preferably perpendicular to the first spatial direction.
  • the focusing arrangement and the separating arrangement can be positioned in the beam path of a plurality of lasers. The focusing arrangement and the separating arrangement and the plurality of lasers are then designed and positioned so that a focused image of the laser radiation of the plurality of lasers in the first
  • a slicing arrangement of the plurality of laser beams (the plurality of lasers) generates a plurality of beams within the sample volume in the
  • AI periodic patterns can be displayed on the sample. On a mutual influence of adjacent maxima by interference or a reduction of influence is not received.
  • the document DE 102007005791 AI relates to a diffractive beam splitter for optical systems in the form of a diffractive optical beam shaping element (DOE), which in an illumination system for the distribution of a supplied coherent
  • DOE diffractive optical beam shaping element
  • Input beam is provided in a plurality of partial beams.
  • a wedge plate (2) is provided on the beam input side in front of a diffractive optical element (1), wherein an optical system (5) is arranged downstream of the diffractive optical element (1) in order to achieve a common rotation of the diffractive optical element in the beam path (1) and the wedge plate (2) to speckle too and in a far field (8) design-related the desired
  • the object of the invention relating to the device is achieved in that a first and at least one second laser source are provided for generating an intensity pattern in the far field, wherein the first and the at least second laser source are incoherent to each other.
  • a first and at least one second laser source are provided for generating an intensity pattern in the far field, wherein the first and the at least second laser source are incoherent to each other.
  • Laser radiation through diffractive beamformer usually dictates the far field divergence of the laser source the minimum distance of the feasible diffraction orders.
  • the device may contain more than two mutually incoherent laser sources and associated beamformer and thus further improve the achievable resolution.
  • a diffractive beam shaper two or more separate beam shaper or different sub-areas on a
  • Beam shaper can be used.
  • An embodiment for realizing high-resolution intensity distributions provides that intensity maxima of a second intensity pattern of the at least second laser source are arranged in regions of low intensity of a first intensity pattern of the first laser source.
  • the two or more intensity distributions are thus interlocked so that only ever sufficiently far
  • disjoint diffraction orders originate from a laser source.
  • An embodiment for generating step-shaped intensity distributions without interfering interference effects in the overlapping region provides that intensity maxima of the second intensity pattern of the at least second laser source are arranged in regions of high intensity of the first intensity pattern of the first laser source.
  • An embodiment for narrowly tiling intensity distributions without interfering interference effects at the interfaces between the tiles provides that the intensity pattern of the second laser source is at a distance of less than twice the angular divergence of the first laser source and / or the second
  • Laser source is arranged laterally of the intensity pattern of the first laser source as in a tiling.
  • a simply constructed and to be adjusted embodiment of the device for generating intertwined intensity distributions provides that a common focusing lens is provided for focusing radiation of the first and the at least second laser source.
  • An embodiment for producing tiled intensity distributions provides that at least two separate focusing lenses are provided for focusing radiation of the first and the at least second laser source.
  • Laser source laser sources with different polarization or wavelength are provided.
  • the object of the invention relating to the method is achieved by using radiation of a first and at least one second laser source to generate an intensity pattern in the far field, wherein an at least second laser source incoherent to the first laser source is used. If more than two laser sources are used, they must all emit incoherent radiation.
  • An embodiment of the method provides that laser sources with different polarization and / or wavelength are used as first and second laser source.
  • Laser source is generated by means of a beam splitter and a forming unit.
  • a beam splitter By means of the beam splitter, a partial beam is branched off, which subsequently becomes in a conversion unit by wavelength tuning or change of the polarization properties to a second to the first incoherent laser source.
  • FIG. 1 a shows a first intensity distribution in the far field of a laser source
  • FIG. 1 b shows a second intensity distribution in the far field of a laser source
  • FIG. 2a shows a third intensity diagram
  • FIG. 2b shows a fourth intensity diagram
  • FIG. 2c a superimposition of a third and fourth intensity profile
  • FIG. 3 two-dimensional intensity distributions
  • FIG. 5 shows an arrangement for superposition of two-dimensional intensity distributions
  • FIG. 6 shows an arrangement for tiling two-dimensional intensity distributions
  • Figure 7 shows an arrangement for generating two non-coherent to each other
  • Radiation bundles from a laser source are Radiation bundles from a laser source.
  • FIG. 1 a shows a first intensity distribution 1 1 on a first intensity diagram 10.
  • a diffractive 13 ⁇ 5 beam splitter is exposed to light from a laser source. This results in the far field, the first intensity distribution 1 1 with 13 x 5 diffraction orders 12.
  • the light of the laser source has a gaussian beam cross-section with 250 ⁇ waist radius.
  • the separation of the diffraction orders 12 is 0.3 °, the far field divergence of the light of the laser source is 0.15 ° full angle.
  • the diffraction orders 12 are neatly separated, the uniformity error (Lax-Lin) / (Lax + Lin) of the first
  • Intensity distribution 1 1 is less than 1%.
  • FIG. 1b shows, on a second intensity diagram 13, a second intensity distribution 14, which arises in the same arrangement as in FIG. 1a, when light from a laser source with a Gaussian beam cross section having a waist radius of 100 ⁇ m is used.
  • the light has a far field divergence of 0.36 ° full angle. Diffraction orders with a separation of 0.3 ° can no longer be generated since interference effects disturb the second intensity distribution 14.
  • the uniformity error of the second intensity distribution 14 is up to 100%.
  • FIG. 2 a shows in a third intensity diagram 20 a one-dimensional example of a first intensity profile 22, as can be produced by means of a 1 ⁇ 2 beam splitter.
  • the first intensity profile 22 is removed along a first intensity axis 21 and a first spatial axis 23.
  • the diffraction orders of the first intensity profile 22 are sufficiently separated.
  • FIG. 2b shows in a fourth intensity diagram 24 a one-dimensional example of a second intensity profile 26, as can be produced by means of a 1 ⁇ 3 beam splitter.
  • the second intensity profile 26 is removed along a second intensity axis 25 and a second location axis 27.
  • the diffraction orders of the second intensity profile 26 are sufficiently separated.
  • FIG. 2c shows, in a fifth intensity diagram 30, a superposition of the first intensity profile 22 and the second intensity profile 26, which are removed along a third intensity axis 31 and a third spatial axis 33. If the first intensity profile 22 and the second intensity profile 26 were generated by mutually coherent laser radiation, interference would occur in overlapping regions 32, so that the interference would be disturbed. According to the invention, however, it is provided to generate the first intensity profile 22 and the second intensity profile 26 by mutually non-coherent laser radiation. Therefore, the overlay of the
  • FIG. 3 a shows a twodimensional third intensity distribution 41 in a sixth intensity diagram 40.
  • a seventh intensity diagram 42 shown in FIG. 3 b shows a fourth intensity distribution 43 whose diffraction orders are arranged in gaps of the third intensity distribution 41.
  • the diffraction orders of a fifth intensity distribution 45 shown in an eighth intensity diagram 44 and a sixth intensity distribution 46 shown in a ninth intensity diagram 46 are arranged in gaps of the other intensity distributions.
  • FIG. 4 a shows a first overlay 51 of the third intensity distribution 41 and the fourth intensity distribution 43 in a tenth intensity diagram 50.
  • the intensity distributions 41, 43, 45 and 47 are generated by non-coherent radiation. Therefore, the first overlay 51 shows no interference interference and the first overlay 51 shows a high resolution of cleanly separated intensity maxima.
  • FIG. 4b shows, in an eleventh intensity diagram 52, a second superimposition 53 of the third, fourth, fifth and sixth intensity distributions 41, 43, 45 and 47.
  • the non-coherent intensity distributions 41, 43, 45 and 47 cause interferences due to interference in the avoided second superposition 53 and it can be achieved a very highly spatially or angularly resolved intensity distribution.
  • the third, fourth, fifth and sixth intensity distributions 41, 43, 45 and 47 can have different intensities, which can also be varied over time as required, such that the second overlay 53 have intensity profiles adapted to the respective application can. If non-coherent intensity distributions are arranged close to one another (tiling), disturbances due to interference can be avoided at the seams and a gap-free tile pattern with a resolution as in the second superposition 53 can be provided.
  • FIG. 5 shows a first beam shaping device 60 for superposition
  • a first, a second, a third and a fourth laser source 61, 62, 63, 64 generate non-coherent radiation to each other, which by diffraction optics 65 to diffractive
  • Beam shaper 66 is directed.
  • intensity distributions are produced on a focusing plane 68 after focusing with a focusing lens 67, as shown by way of example in FIGS. 1a, 3a, 3b, 3c or 3d.
  • the optical paths are set up in such a way that the individual intensity distributions can be combined to the second superposition 53 by way of example.
  • the diffractive beam shapers 66 generate areal intensity distributions, as are generated by way of example in a Gauss-to-top-hat beamformer. According to the invention, these intensity distributions can be superimposed on graduated intensity distributions without disturbing interferences occurring.
  • FIG. 6 shows a second beam shaping device 70 for tiling
  • Beam shaping device 60 becomes in the second beam shaping device 70 a Lens matrix 71 used to focus on the focusing plane 68. As a result, the tiling of the two-dimensional intensity distributions is achieved.
  • FIG. 7 shows a third beam-shaping device 80 in which only the first laser source 61 is used.
  • the radiation of the first laser source 61 is in a beam splitter
  • the 81 split into a first partial beam 83 and a second partial beam 84.
  • the second partial beam 84 is passed through a conversion unit 82, in which the wavelength and / or the polarization of the radiation is changed.
  • the first partial beam 83 and the second partial beam 84 are no longer coherent with one another and interference effects can be avoided when they are superposed or tiled on the focusing plane 68.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung von kohärenter Strahlung einer Laserquelle zur Materialbearbeitung mittels zumindest einem diffraktiven Strahlformer. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest eine erste und eine zweite Laserquelle zur Erzeugung eines Intensitätsmusters im Fernfeld vorgesehen sind, wobei die erste und die zweite Laserquelle zueinander inkohärent sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Erzeugung von Intensitätsmustern mit Strukturgrößen, die kleiner sind als dies dem doppelten des Divergenzwinkels der Laserquelle entspricht.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zur Formung von Laser-Strahlung für eine
Materialbearbeitung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung von kohärenter Strahlung einer Laserquelle zur Materialbearbeitung mittels zumindest einem diffraktiven Strahlformer.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Formung von kohärenter Strahlung einer Laserquelle zur Materialbearbeitung mittels zumindest einem diffraktiven Strahlformer.
Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung (Laser-Abtragen, Schweißen, Löten, Reinigen, Bohren, Sintern, Schmelzen) wird in den meisten Fällen mit fokussierten Laserstrahlen gearbeitet, die eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweisen. Für viele dieser Prozesse ist es aber von Vorteil, die Intensitätsverteilung in dem
Bearbeitungsbereich an den Prozess anzupassen. Die Strahlformung in dem
Bearbeitungsbereich bietet dabei enormes Optimierungspotenzial für die
Laserprozessentwicklung.
Zur Formung einer Intensitätsverteilung eines Laserstrahls können entweder seine Phase, seine Amplitude oder beides zusammen moduliert werden. Entsprechend gibt es Phasenmodulatoren, Amplitudenmodulatoren oder Phasen- und Amplitudenmodulatoren. Diffraktive Strahlformer (Diffractive Optical Elements DOE) für
Fernfeldintensitäten können als Phasenelemente in Glas oder anderen transparenten Materialien hergestellt werden. Alternativ können sie auch als Phasenmasken auf so genannten Spatial Light Modulators (SLM) dargestellt werden. Beispielhaft können diffraktive strahlformende Elemente ausgeführt sein als:
- Strahlteiler, wie beispielhaft binäre oder trianguläre (1x2 Strahlteiler) Gitter. Aufgrund der Geometrie der diffraktiven Struktur kommt es auf einem rechteckigen Gitter im Ortsfrequenzraum (k-Raum) zu konstruktiver Interferenz. Durch numerische Algorithmen (beispielhaft Phase retrieval mit einem Iterative Fourier Transform Algorithm (I FTA)) können unterschiedlichste Anordnungen von aktiven Beugungsordnungen (konstruktive Interferenz) verwirklicht werden. Hierbei muss die
Winkeltrennung der Beugungsordnungen groß genug gegenüber der Fernfelddivergenz der einfallenden Laserstrahlung sein, da andernfalls Interferenz die Anordnung der aktiven Beugungsordnungen stört. Als Faustformel muss die Trennung der Beugungsordnungen mindestens dem Zweifachen der Divergenz (als Vollwinkel) der einfallenden Laserstrahlung betragen.
- Diffuser sollen im Fernfeld eine gewünschte Intensitätsverteilung erzeugen. Hierbei sind bei kohärenter Beleuchtung die Beugungsordnungen im Fernfeld nicht getrennt sondern überlagern sich. Dies kann zu konstruktiver und destruktiver Interferenz benachbarter Beugungsordnungen und damit zu Schwankungen in der
Intensitätsverteilung (Speckle- Muster) führen.
- Strahlformer, wie beispielhaft Gauß-to-Top-Hat Strahlformer. Das Grunddesign
basiert üblicherweise auf einer geometrisch optischen Lösung eines inversen Problems. Beispielhaft ist dies dargestellt in Dickey et al., Laser Beam Shaping, CRC Press. Eine Nachbearbeitung und Verbesserung der geometrisch optischen Lösung kann mittels einem Iterative Fourier Transform Algorithm (IFTA) erfolgen. Optische Aufbauten für Strahlformer sind in der Regel sehr aufwändig in der Justage. Auch hier können Interferenzen die beabsichtigte Intensitätsverteilung im Fernfeld stören.
Die mögliche Orts- oder Winkel-Auflösung des Intensitätsmusters im Fernfeld der Laserquelle wird durch die Divergenz der Laserquelle im Fernfeld auf der
Bearbeitungsebene gegeben. Überschreitet der Vollwinkel der Fernfeld-Divergenz der Laserquelle die Hälfte der Winkel-Trennung der durch Beugungsordnungen des diffraktiven Strahlteilers erzeugten Maxima der gewünschten Intensitätsverteilung, wird das Intensitätsmuster durch Interferenzeffekte gestört. Hierdurch wird die mögliche Orts- oder Winkel-Auflösung des Intensitätsmusters begrenzt. Ebenso ist der Abstand zweier Intensitätsverteilungen bei einer Kachelung von Intensitätsverteilungen durch solche Interferenzeffekte begrenzt. Sollen zwei Intensitätsverteilungen zur Erzeugung eines stufenförmigen Intensitätsprofils übereinander gelegt werden, so können
Interferenzeffekte zu unerwünschten Abweichungen vom gewünschten Profil führen.
Die Schrift DE 10 2012 011 343 AI beschreibt eine Vorrichtung (sowie ein Verfahren und eine entsprechende Probenstruktur) zur Interferenzstruktunerung einer bevorzugt flächigen Probe mit einem Laser, einer im Strahlengang des Lasers positionierten Fokussieranordnung, mit der die Laserstrahlung in einer ersten Raumrichtung fokussiert in ein Probenvolumen, in dem die Probe positionierbar ist oder positioniert ist, abbildbar ist, einer im Strahlengang des Lasers angeordneten Auftrennanordnung, mit der die Laserstrahlung in einer zweiten, zur ersten Raumrichtung nicht parallelen, bevorzugt zur ersten Raumrichtung orthogonalen Raumrichtung mit zwei Strahlenbündeln so auf das Probenvolumen richtbar ist, dass die beiden Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in einem Interferenzbereich interferieren, und mindestens einer im Strahlengang des Lasers positionierten Projektionsmaske.
Die Laserstrahlung wird mit Hilfe einer Iris-Blende homogenisiert, auf ein als beam splitter ausgebildetes diffraktives optisches Element geführt und die durch Diffraktion entstehenden Teilstrahlen werden mit Hilfe eines Linsensystems zur Interferenz- strukturierung auf die Probe P abgebildet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Interferenzstruktunerung einer Probe umfasst: einen Laser, eine im Strahlengang des Lasers positionierte Fokussieranordnung, eine im Strahlengang des Lasers angeordnete Auftrennanordnung und mindestens eine im Strahlengang des Lasers positionierte Projektionsmaske. Mit der Fokussieranordnung ist die Laserstrahlung in einer ersten Raumrichtung fokussiert in ein Probevolumen, in dem die Probe positionierbar ist oder positioniert ist, abbildbar. Mit der Auftrennanordnung ist die Laserstrahlung in einer zweiten Raumrichtung mit zwei Strahlenbündeln so auf das Probevolumen richtbar, dass die beiden Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens in einem Interferenzbereich interferieren. Die zweite Raumrichtung ist dabei nicht parallel zur ersten Raumrichtung, vorzugsweise senkrecht zur ersten Raumrichtung.
Es kann auch [0013] vorgesehen sein, mehr als zwei Strahlenbündel zu überlagern, wobei diese immer kohärent zueinander sein müssen. In einer anderen Ausführung [0014] können die Fokussieranordnung und die Auftrennanordnung im Strahlengang mehrerer Laser positioniert sein. Die Fokussieranordnung und die Auftrennanordnung sowie die mehreren Laser sind dann so ausgebildet und positioniert, dass eine fokussierte Abbildung der Laserstrahlung der mehreren Laser in der ersten
Raumrichtung in das Probenvolumen erfolgt und dass die durch die
Auftrennanordnung aus der Mehrzahl von Laserstrahlen (der mehreren Laser) erzeugte Vielzahl von Strahlenbündel innerhalb des Probenvolumens im
Interferenzbereich interferiert.
Mit der Vorrichtung und dem Verfahren nach DE 10 2012 011 343 AI sind periodische Muster auf der Probe darstellbar. Auf eine gegenseitige Beeinflussung nebeneinander liegender Maxima durch Interferenz oder eine Verminderung der Beeinflussung wird jedoch nicht eingegangen.
Die Schrift DE 102007005791 AI betrifft einen diffraktiven Strahlteiler für optische Systeme in Form eines diffraktiv optischen Strahlformungselementes (DOE), welches in einem Beleuchtungssystem zur Aufteilung eines zugeführten kohärenten
Eingangsstrahlenbündels in mehrere Teilstrahlenbündel vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass strahleingangsseitig vor einem diffraktiv optischen Element (1 ) eine Keilplatte (2) vorgesehen ist, wobei dem diffraktiv optischen Element (1 ) im Strahlengang ein optisches System (5) nachgeordnet ist, um bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes (1 ) und der Keilplatte (2) Speckle zu mittein und in einem Fernfeld (8) designbedingt die gewünschte
Intensitätsverteilung zu erzeugen, wobei sich das Fernfeld (8) um eine optische Achse (9) dreht, und wobei eine 0. Ordnung (4) von Nutzordnungen (3) getrennt ausgebildet ist. Gemäß DE 102007005791 AI werden somit unerwünschte Intensitätsschwankungen durch Interferenzeffekte gemittelt, nicht aber durch räumliche Trennung von Intensitäts-Maxima und Auffüllung der Lücken durch nicht kohärente Intensitäts- Maxima beseitigt. Die Schrift EP 000001845418 A2 beschreibt ein System aus einer Strahlungsquelle für einen zumindest teilweise kohärenten Lichtstrahl, ein Element zur Änderung von dessen Winkelverteilung und ein rotierendes optisches Element, das den
einkommenden Lichtstrahl aufnimmt und daraus einen inkohärenten Strahl zu formen wobei der einkommende Lichtstrahl unter verschiedenen Winkeln oder Positionen auf das die Winkelverteilung ändernde Element auftrifft und der Winkel oder die Position von der Drehgeschwindigkeit des rotierenden optischen Element abhängen und als Funktion der Zeit variieren.
Unerwünschte Inhomogenitäten der Intensitätsverteilung auf der Probe durch
Interferenzeffekte werden nach EP 000001845418 A2 zwar vermieden, eine
Strukturierung der Intensitätsverteilung auf der Probe ist jedoch nur mittels eines Projektionssystems oder einer Maske und nicht durch Interferenz des Lichts auf der Ebene der Probenoberfläche möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Verwirklichung von Intensitätsverteilungen im Fernfeld einer Strahlformungseinrichtung zu ermöglichen, welche feiner aufgelöst sind als dies die Fernfelddivergenz einer Laserquelle erlaubt.
Offenbarung der Erfindung Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine erste und zumindest eine zweite Laserquelle zur Erzeugung eines Intensitätsmusters im Fernfeld vorgesehen sind, wobei die erste und die zumindest zweite Laserquelle zueinander inkohärent sind. Bei der Erzeugung von Intensitätsmustern mittels
Laserstrahlung durch diffraktive Strahlformer gibt in der Regel die Fernfelddivergenz der Laserquelle den minimalen Abstand der realisierbaren Beugungsordnungen vor.
Bei Unterschreitung der doppelten Fernfelddivergenz können Interferenzen
benachbarter Beugungsordnungen wirksam werden, die die Uniformität der
Fernfeldintensität, und damit der Intensitätsverteilung auf einem Werkstück, beeinträchtigen. Wird erfindungsgemäß eine erste Intensitätsverteilung, die unter Beachtung der durch die Fernfelddivergenz gegebenen Grenze erzeugt wird, mit einer zweiten Intensitätsverteilung, die ebenfalls unter Beachtung der durch die
Fernfelddivergenz gegebene Grenze mit einer zu der ersten Laserquelle nicht kohärenten Laserquelle erzeugt wird, überlagert, lassen sich höhere Orts- oder Winkel- Auflösungen der resultierenden Intensitätsverteilung erzeugen als dies mit einer einzelnen Laserquelle möglich wäre. Die Vorrichtung kann mehr als zwei zueinander inkohärente Laserquellen und zugehörigen Strahlformer enthalten und so die erreichbare Auflösung weiter verbessern. Als diffraktive Strahlformer können zwei oder mehrere getrennte Strahlformer oder unterschiedliche Teilflächen auf einem
Strahlformer eingesetzt werden.
Eine Ausführungsform zur Verwirklichung hoch aufgelöster Intensitätsverteilungen sieht vor, dass Intensitätsmaxima eines zweiten Intensitätsmusters der zumindest zweiten Laserquelle in Bereichen niedriger Intensität eines ersten Intensitätsmusters der ersten Laserquelle angeordnet sind. Die zwei oder mehr Intensitätsverteilungen werden somit so ineinander verschränkt, dass immer nur ausreichend weit
auseinander liegende Beugungsordnungen von einer Laserquelle stammen.
Eine Ausführungsform zur Erzeugung stufenförmiger Intensitätsverteilungen ohne störende Interferenzeffekte im Überlagerungsbereich sieht vor, dass Intensitätsmaxima des zweiten Intensitätsmusters der zumindest zweiten Laserquelle in Bereichen hoher Intensität des ersten Intensitätsmusters der ersten Laserquelle angeordnet sind.
Eine Ausführungsform zur engen Kachelung von Intensitätsverteilungen ohne störende Interferenzeffekte an den Nahtstellen zwischen den Kacheln sieht vor, dass das Intensitätsmuster der zweiten Laserquelle in einem Abstand von weniger als dem doppelten der Winkeldivergenz der ersten Laserquelle und/oder der zweiten
Laserquelle seitlich des Intensitätsmusters der ersten Laserquelle wie bei einer Kachelung angeordnet ist.
Eine einfach aufgebaute und zu justierende Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung von ineinander verschränkten Intensitätsverteilungen sieht vor, dass zur Fokussierung von Strahlung der ersten und der zumindest zweiten Laserquelle eine gemeinsame Fokussierungslinse vorgesehen ist. Eine Ausführungsform zur Erzeugung von gekachelten Intensitätsverteilungen sieht vor, dass zur Fokussierung von Strahlung der ersten und der zumindest zweiten Laserquelle zumindest zwei getrennte Fokussierungslinsen vorgesehen sind.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass als erste und als zweite
Laserquelle Laserquellen mit unterschiedlicher Polarisation oder Wellenlänge vorgesehen sind.
Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass Strahlung einer ersten und zumindest einer zweiten Laserquelle zur Erzeugung eines Intensitätsmusters im Fernfeld verwendet wird, wobei eine zu der ersten Laserquelle inkohärente zumindest zweite Laserquelle verwendet wird. Werden mehr als zwei Laserquellen verwendet, müssen diese alle untereinander inkohärente Strahlung abgeben.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass als erste und zweite Laserquelle Laserquellen mit unterschiedlicher Polarisation und/oder Wellenlänge verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass die Strahlung
unterschiedlicher Polarisation oder Wellenlänge aus der Strahlung der ersten
Laserquelle mittels eines Strahlteilers und einer Umformeinheit erzeugt wird. Mittels des Strahlteilers wird ein Teilstrahl abgezweigt, der nachfolgend in einer Umformeinheit durch Wellenlängentuning oder Änderung der Polarisationseigenschaften zu einer zweiten zur ersten inkohärenten Laserquelle wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a eine erste Intensitätsverteilung im Fernfeld einer Laserquelle,
Figur 1 b eine zweite Intensitätsverteilung im Fernfeld einer Laserquelle,
Figur 2a ein drittes Intensitätsdiagramm,
Figur 2b ein viertes Intensitätsdiagramm, Figur 2c eine Überlagerung eines dritten und vierten Intensitätsprofils,
Figur 3 zweidimensionale Intensitätsverteilungen,
Figur 4 Resultate der Überlagerung zweidimensionaler Intensitätsverteilungen, Figur 5 eine Anordnung zur Überlagerung zweidimensionaler Intensitätsverteilungen, Figur 6 eine Anordnung zur Kachelung zweidimensionaler Intensitätsverteilungen,
Figur 7 eine Anordnung zur Erzeugung von zwei zueinander nicht kohärenten
Strahlungsbündeln aus einer Laserquelle.
Figur 1 a zeigt auf einem ersten Intensitätsdiagramm 10 eine erste Intensitätsverteilung 1 1. Zur Herstellung der ersten Intensitätsverteilung 1 1 wird ein diffraktiver 13 x 5 Strahlteiler mit Licht einer Laserquelle beaufschlagt. Hierdurch ergibt sich im Fernfeld die erste Intensitätsverteilung 1 1 mit 13 x 5 Beugungsordnungen 12. In dem gezeigten Beispiel hat das Licht der Laserquelle einen gaußformigen Strahlquerschnitt mit 250μηι Taillenradius. Die Trennung der Beugungsordnungen 12 beträgt 0,3°, die Fernfelddivergenz des Lichts der Laserquelle beträgt 0,15° Vollwinkel. Die Beugungsordnungen 12 sind sauber getrennt, der Uniformitätsfehler (Lax - Lin)/(Lax+Lin) der ersten
Intensitätsverteilung 1 1 beträgt weniger als 1 %.
Figur 1 b zeigt auf einem zweiten Intensitätsdiagramm 13 eine zweite Intensitätsverteilung 14, wie sie in der gleichen Anordnung wie in Figur 1 a entsteht, wenn Licht einer Laserquelle mit einem gaußformigen Strahlquerschnitt mit einem Taillenradius von 100 μηη verwendet wird. Das Licht hat eine Fernfelddivergenz von 0,36° Vollwinkel. Beugungsordnungen mit einer Trennung von 0,3° können nicht mehr erzeugt werden, da Interferenzeffekte die zweite Intensitätsverteilung 14 stören. Der Uniformitätsfehler der zweiten Intensitätsverteilung 14 beträgt bis zu 100%.
Figur 2a zeigt in einem dritten Intensitätsdiagramm 20 ein eindimensionales Beispiel eines ersten Intensitätsprofils 22, wie es mittels eines 1 x 2 Strahlteilers hergestellt werden kann. Das erste Intensitätsprofil 22 ist entlang einer ersten Intensitätsachse 21 und einer ersten Ortsachse 23 abgetragen. Die Beugungsordnungen des ersten Intensitätsprofils 22 sind ausreichend getrennt. Figur 2b zeigt in einem vierten Intensitätsdiagramm 24 ein eindimensionales Beispiel eines zweiten Intensitätsprofils 26, wie es mittels eines 1 x 3 Strahlteilers hergestellt werden kann. Das zweite Intensitätsprofil 26 ist entlang einer zweiten Intensitätsachse 25 und einer zweiten Ortsachse 27 abgetragen. Auch die Beugungsordnungen des zweiten Intensitätsprofils 26 sind ausreichend getrennt.
Figur 2c zeigt in einem fünften Intensitätsdiagramm 30 eine Überlagerung des ersten Intensitätsprofils 22 und des zweiten Intensitätsprofils 26, welche entlang einer dritten Intensitätsachse 31 und einer dritten Ortsachse 33 abgetragen sind. Würden das erste Intensitätsprofil 22 und das zweite Intensitätsprofil 26 durch zueinander kohärente Laserstrahlung erzeugt, würde in Überlappungsbereichen 32 Interferenz auftreten, so dass die Überlagerung gestört würde. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, das erste Intensitätsprofil 22 und das zweite Intensitätsprofil 26 durch zueinander nichtkohärente Laserstrahlung zu erzeugen. Daher kann die Überlagerung der
Intensitätsprofile ungestört erfolgen und eine höhere Orts- oder Winkel-Auflösung von Beugungsordnungen verwirklicht werden.
Figur 3a zeigt in einem sechsten Intensitätsdiagramm 40 eine zweidimensionale dritte Intensitätsverteilung 41. Ein in Figur 3b dargestellte siebenten Intensitätsdiagramm 42 zeigt eine vierte Intensitätsverteilung 43, deren Beugungsordnungen in Lücken der dritten Intensitätsverteilung 41 angeordnet sind. Ebenso sind die Beugungsordnungen einer in einem achten Intensitätsdiagramm 44 dargestellten fünften Intensitätsverteilung 45 und einer in einem neunten Intensitätsdiagramm 46 dargestellten sechsten Intensitätsverteilung 46 in Lücken der übrigen Intensitätsverteilungen angeordnet.
Figur 4a zeigt in einem zehnten Intensitätsdiagramm 50 eine erste Überlagerung 51 der dritten Intensitätsverteilung 41 und der vierten Intensitätsverteilung 43.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Intensitätsverteilungen 41 , 43, 45 und 47 durch zueinander nicht-kohärente Strahlung erzeugt werden. Daher zeigt die erste Überlagerung 51 keine Störungen durch Interferenz und die erste Überlagerung 51 zeigt eine hohe Auflösung von sauber getrennten Intensitätsmaxima. Figur 4b zeigt in einem elften Intensitätsdiagramm 52 eine zweite Überlagerung 53 der dritten, vierten, fünften und sechsten Intensitätsverteilung 41 , 43, 45 und 47. Auch hier werden durch die nicht-kohärenten Intensitätsverteilungen 41 , 43, 45 und 47 Störungen durch Interferenz bei der zweiten Überlagerung 53 vermieden und es kann eine sehr hoch orts- oder winkel-aufgelöste Intensitätsverteilung erzielt werden. Falls es für eine Anwendung vorteilhaft ist, können die dritte, vierte, fünfte und sechste Intensitätsverteilung 41 , 43, 45 und 47 unterschiedliche Intensitäten aufweisen, die bedarfsweise auch zeitlich variiert werden können, so dass die zweite Überlagerung 53 an die jeweilige Anwendung angepasste Intensitätsverläufe aufweisen kann. Werden zueinander nicht kohärente Intensitätsverteilungen eng nebeneinander angeordnet (Kachelung), können an den Nahtstellen Störungen durch Interferenz vermieden werden und es kann ein lückenloses Kachelmuster mit einer Auflösung wie bei der zweiten Überlagerung 53 bereitgestellt werden.
Figur 5 zeigt eine erste Strahlformungseinrichtung 60 zur Überlagerung
zweidimensionaler Intensitätsverteilungen, wie sie zur Bereitstellung der ersten 51 und zweiten Überlagerung 53 aus Figur 4b eingesetzt werden kann. Eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Laserquelle 61 , 62, 63, 64 erzeugen zueinander nicht-kohärente Strahlung, welche durch Kollimationsoptiken 65 auf diffraktive
Strahlformer 66 gelenkt wird. Durch auf den diffraktiven Strahlformern 66 eingestellte Phasenmasken werden auf einer Fokussierebene 68 nach Fokussierung mit einer Fokussierungslinse 67 Intensitätsverteilungen erzeugt, wie sie beispielhaft in den Figuren 1 a, 3a, 3b, 3c oder 3d gezeigt wurden. Die optischen Wege sind dabei so eingerichtet, dass die einzelnen Intensitätsverteilungen beispielhaft zur zweiten Überlagerung 53 kombiniert werden können. In einer anderen Ausführungsform werden durch die diffraktiven Strahlformer 66 flächige Intensitätsverteilungen erzeugt, wie sie beispielhaft bei einem Gauss-to-top-hat-Strahlformer erzeugt werden. Diese Intensitätsverteilungen können erfindungsgemäß zu gestuften Intensitätsverteilungen überlagert werden, ohne dass störende Interferenzen auftreten.
Figur 6 zeigt eine zweite Strahlformungseinrichtung 70 zur Kachelung
zweidimensionaler Intensitätsverteilungen. Bereits in Figur 5 beschriebene Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Unterschied zur ersten
Strahlformungseinrichtung 60 wird bei der zweiten Strahlformungseinrichtung 70 eine Linsen-Matrix 71 zur Fokussierung auf die Fokussierebene 68 verwendet. Hierdurch wird die Kachelung der zweidimensionalen Intensitätsverteilungen erreicht.
Figur 7 zeigt eine dritte Strahlformungseinrichtung 80, bei der nur die erste Laserquelle 61 eingesetzt wird. Die Strahlung der ersten Laserquelle 61 wird in einem Strahlteiler
81 in einen ersten Teilstrahl 83 und einen zweiten Teilstrahl 84 aufgeteilt. Der zweite Teilstrahl 84 wird über eine Umformeinheit 82 geleitet, in der die Wellenlänge und/oder die Polarisation der Strahlung geändert wird. Hierdurch sind der erste Teilstrahl 83 und der zweite Teilstrahl 84 nicht mehr kohärent zueinander und bei deren Überlagerung oder Kachelung auf der Fokussierebene 68 können Interferenzeffekte vermieden werden.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung zur Formung von kohärenter Strahlung einer Laserquelle zur
Materialbearbeitung mittels zumindest einem diffraktiven Strahlformer (66), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste und zumindest eine zweite Laserquelle (61 , 62) zur Erzeugung eines Intensitätsmusters im Fernfeld vorgesehen sind, wobei die erste und die zumindest zweite Laserquelle (61 , 62) zueinander inkohärent sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Intensitätsmaxima eines zweiten Intensitätsmusters der zumindest zweiten Laserquelle (62) in Bereichen niedriger Intensität eines ersten Intensitätsmusters der ersten
Laserquelle (61 ) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Intensitätsmaxima des zweiten Intensitätsmusters der zumindest zweiten Laserquelle (62) in
Bereichen hoher Intensität des ersten Intensitätsmusters der ersten Laserquelle (61 ) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das
Intensitätsmuster der zweiten Laserquelle (62) in einem Abstand von weniger als dem doppelten der Winkeldivergenz der ersten Laserquelle (61 ) und/oder der zweiten Laserquelle (62) seitlich des Intensitätsmusters der ersten Laserquelle (61 ) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokussierung von Strahlung der ersten (61 ) und der zumindest zweiten
Laserquelle (62) eine gemeinsame Fokussierungslinse (67) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Fokussierung von Strahlung der ersten (61 ) und der zumindest zweiten
Laserquelle (62) zumindest zwei getrennte Fokussierungslinsen vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als erste (61 ) und als zweite Laserquelle (62) Laserquellen mit unterschiedlicher Polarisation oder Wellenlänge vorgesehen sind.
8. Verfahren zur Formung von kohärenter Strahlung einer Laserquelle zur
Materialbearbeitung mittels zumindest einem diffraktiven Strahlformer (66), dadurch gekennzeichnet, dass Strahlung einer ersten (61 ) und zumindest einer zweiten Laserquelle (62) zur Erzeugung eines Intensitätsmusters im Fernfeld verwendet wird, wobei eine zu der ersten Laserquelle (61 ) inkohärente zumindest zweite Laserquelle (62) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als erste (61 ) und zweite Laserquelle (62) Laserquellen mit unterschiedlicher Polarisation und/oder Wellenlänge verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung unterschiedlicher Polarisation oder Wellenlänge aus der Strahlung der ersten Laserquelle (61 ) mittels eines Strahlteilers (81 ) und einer Umformeinheit (82) erzeugt wird.
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DICKEY ET AL.: "Laser Beam Shaping", CRC PRESS

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