WO2019063662A2 - Lasersystem und verfahren zur erzeugung eines top-hat-angenäherten strahlprofils - Google Patents

Lasersystem und verfahren zur erzeugung eines top-hat-angenäherten strahlprofils Download PDF

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WO2019063662A2
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laser
laser system
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fiber
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Christian Stolzenburg
Dominik Bauer
Aleksander BUDNICKI
Daniel FLAMM
Florian Jansen
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Trumpf Laser Gmbh
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/14—Mode converters

Definitions

  • the present invention relates to a laser system for producing a laser beam having a beam profile which approximates a top-hat beam profile (box profile) as well as to a method for producing a top-hat-approximated beam profile.
  • Laser beam straightening homogenizers are known in the art which are configured to produce a laser beam having a beam profile which approximates an ideal top hat beam profile.
  • These conventional beam homogenizers usually have a field mapper or a lens array.
  • a field mapper generates an outgoing wavefront in which, in the course of the further free propagation, the intensity of the laser light is resorted such that the top hat-approximated beam profile is generated.
  • the field mapper comprises a plurality of aspherical lenses or a diffractive optical element.
  • the quality of the top hat approximated beam profile is sensitive to the beam profile of the incident laser beam impinging on the field mapper.
  • the quality is sensitive to the orientation of the field mapper relative to the incoming laser beam. This can impair the homogenization, in particular if no complicated adjustment devices are provided.
  • a first aspect of the invention relates to a laser system comprising a beam homogenizer for homogenizing a Gaussian or substantially Gaussian beam profile of a single laser beam into a homogenized beam profile.
  • the substantially Gaussian beam profile represents a two-dimensional energy density distribution or Power density distribution of the laser beam.
  • the homogenization is carried out using an optical element of the beam homogenizer.
  • the optical element is configured as a refractive, reflective and / or diffractive optical element.
  • the laser system further comprises a multi-mode fiber. The laser system is configured for mode excitation in the multimode fiber using the homogenized beam profile.
  • the beam profiles may be transverse beam profiles relative to a propagation direction of the laser beam.
  • the energy density distribution may represent an integration of the power density distribution over one or more laser pulses of the laser beam.
  • the Gaussian or substantially Gaussian beam profile may be a beam profile of an incident laser beam arriving at the beam homogenizer.
  • the incoming laser beam can propagate in a gaseous medium (such as air), in a vacuum, in a liquid or in a solid.
  • the Gaussian or substantially Gaussian beam profile may be a beam profile of a beam in an optical fiber adjacent to the beam homogenizer.
  • the optical waveguide may be an optical fiber, in particular a monomode fiber, hollow core fiber (photonic crystal fiber) or a multimode fiber.
  • the incoming laser beam may be a Gaussian beam (also referred to as TEM 0 o-mode) or substantially a Gaussian beam. Higher order modes than the TEM 0 o mode of the Gaussian beam may be suppressed or absent in the incoming laser beam.
  • An M 2 factor (diffraction factor) of the incident laser beam may be less than 1, 7, preferably 1, 5 and particularly preferably 1, 2 or as 1, 1.
  • the incident laser beam may be the transverse fundamental mode or substantially the transversal fundamental mode of the optical fiber. Higher order modes than the transverse fundamental mode may be suppressed or absent.
  • the laser system may be configured such that the laser beam within the beam homogenizer propagates at least partially in a gaseous medium (such as air) or in vacuum.
  • the beam homogenizer can effect mode excitation in the multimode fiber by means of free-space fiber coupling.
  • the beam homogenizer can be arranged in the laser beam between a light exit surface of a core of an input fiber and a light entry surface of a core of the multimode fiber.
  • the beam homogenizer may be arranged adjacent to or spaced from the light entry surface and / or from the light exit surface.
  • the mode excitation may include coupling at least a portion of the laser beam into the multimode fiber.
  • the homogenized beam profile produced by the beam homogenizer may be located within its homogenized beam portion of the laser beam which extends along a propagation direction of the laser beam.
  • the beam profile of the laser beam can be homogenized in each case in comparison to the beam profile of the laser beam which arrives at the beam homogenizer.
  • the homogenized beam section may have a focus of the laser beam or represent a focus. However, it is also conceivable that the focus is arranged outside the homogenized beam section, that is to say that the homogenized beam section is free from a focus.
  • a position of the focus may correspond to a position of the light entrance surface of the multi-mode fiber. Alternatively, the position of the focus may be spaced from the position of the light entrance surface. The position of the light entry surface may be within the homogenized beam section.
  • a core of the multimode fiber may have a diameter which is greater than 30pm or greater than 100 ⁇ , in particular greater than 200 ⁇ .
  • the refractive optical element may have an aspherical optically effective refractive surface. This surface may be part of an aspherical lens.
  • the reflective optical element may have an aspherical optically effective reflective surface. This surface can be part of an aspherical mirror.
  • the refractive and / or reflective optical element may be an array optics, in particular a lens array.
  • the homogenized beam profile may have a circular or substantially circular cross-section. However, there are also other cross-sectional geometries, such as rectangular or hexagonal conceivable.
  • a cross-sectional geometry of the homogenized beam profile may correspond to a cross-sectional geometry of the core of the multi-mode fiber.
  • the laser system comprises a beam homogenizer for homogenizing a single laser beam having a substantially Gaussian beam profile representing a two-dimensional energy or power density distribution of the laser beam into a homogenized beam profile, the homogenization using at least one optical element of the beam homogenizer, which generates a multispot beam profile from the Gaussian beam profile and is configured as a refractive, reflective and / or diffractive optical element, and a multimode fiber of the beam homogenizer configured to multi-mode excitation in the multimode fiber using the multispot beam profile.
  • the multispot mode excitation according to the invention with a suitable weighting of the individual spots results in the coupling conditions for modes of different symmetry groups being fulfilled simultaneously and a homogenized beam profile results at the output of the multimode fiber.
  • radially symmetric and radially anti-symmetric modes are excited (on- and off-axis coupling). This procedure increases the number of excited modes and provides better mixing (modes of different symmetry groups), thus reducing the interference contrast at the fiber output.
  • the homogenized beam profile has a plateau uniformity with a metric that is less than 0.3 or less than 0.2 or less than 0.1.
  • the plateau irregularity can be defined according to the standard ISO 13694: 2015.
  • the homogenized beam pro! a slope on with a metric less than 0.3 or less than 0.2 or less than 0.1.
  • the slope can be related to threshold values of 10% and 90% of a maximum value of the homogenized beam profile.
  • the slope can be defined according to the standard ISO 13694: 2015.
  • a proportion of at least 80% of a total energy or power of the homogenized beam profile has a beam uniformity which is more uniform than ⁇ 10% or more uniform than ⁇ 5% or more uniform than ⁇ 2%.
  • Beam uniformity may be defined according to ISO 13694: 2015.
  • the laser system is configured such that the homogenized beam profile is corresponding to or substantially equivalent to a super Gaussian beam profile with an order greater than or equal to 5 or greater than 7 or greater equal to 10.
  • the laser system is configured such that the homogenized beam profile is generated substantially at a light entry surface of a core of the multi-mode fiber as seen along a propagation direction of the laser beam.
  • a position of the homogenized beam profile along a propagation direction of the laser beam may be equal to or substantially equal to a position of a light entrance surface of the multi-mode fiber.
  • a transverse extent of the homogenized beam profile essentially corresponds to a light entry surface. surface of the core of the ultimode fiber.
  • the homogenized beam pro! may be congruent or substantially congruent to Lichteintrittsfikiee.
  • the beam homogenizer is configured so that the laser beam converges on the light entry surface of the core of the multi-mode fiber.
  • a convergence angle of the laser beam at the light entry surface of the core of the multimode fiber may correspond to an acceptance angle of the multimode fiber or substantially correspond to the acceptance angle.
  • the laser system further comprises a laser amplifier for amplifying at least a part of the laser beam.
  • the laser amplifier may be located downstream of the multimode fiber.
  • At least a portion of the ultimode fiber is configured such that at least a portion of the laser beam is amplifiable by means of the portion.
  • At least a portion of the multi-mode fiber may be formed as an active optical fiber.
  • a core of the active optical fiber may form an optically active medium of a fiber amplifier of the laser system.
  • the core may be doped, for example, with rare earth metal ions.
  • the laser system may be configured to couple pumping light into the core of the active optical fiber or into the cladding of the fiber. The pump light may be generated by a pump laser of the laser system.
  • the beam homogenizer has imaging optics, which can be configured, for example, as 4f imaging optics.
  • the beam homogenizer can generate an intermediate focus and / or a homogenized intermediate beam profile in an object plane of the imaging optics, which is homogenized in comparison to the beam profile of the laser beam which arrives at the beam homogenizer.
  • the homogenized intermediate beam profile may be in the intermediate focus.
  • a position of an image plane of the imaging optics, which is optically conjugate to the object plane may be equal to or im Substantially equal to a position of the light entrance surface of the core of the multi-mode fiber.
  • the beam homogenizer has collimation optics.
  • the collimating optics can be arranged downstream of the input fiber of the laser system and / or upstream of the refractive, reflective and / or diffractive optical element.
  • the beam homogenizer has a beam-matching optical system for beam expansion and / or beam narrowing of the laser beam.
  • the beam matching optics may be located downstream of the input fiber and / or upstream of the refractive, reflective and / or diffractive optical element.
  • the beam-matching optics may be located downstream of the collimating optics.
  • the collimating optics may be configured as beam-matching optics at the same time.
  • the collimating optics may have a variable focal length for beam matching.
  • a magnification of the beam-matching optics may be controllably variable. For different magnification values, the beam-matching optics may be afocal. Downstream of the diffractive optical element can be arranged focusing optics, which focuses the laser beam into the intermediate focus.
  • the optical element of the beam homogenizer is configured as a diffractive optical element.
  • the diffractive optical element may be configured as a refractive and / or reflective optical element.
  • the diffractive optical element may have a diffractive structure which is arranged in the laser beam.
  • the diffractive structure can be configured as a diffractive phase structure and / or as a diffractive amplitude structure.
  • the diffractive structure may be rotationally-asymmetrical or axis-asymmetrical relative to a beam axis of the laser beam.
  • the diffractive optical element may have a statistical or substantially random diffractive structure.
  • the statistical or substantially statistical diffractive structure may be a statistical or substantially static Tistic diffractive phases and / or diffractive amplitude structure.
  • the statistical or substantially statistical diffractive structure may be calculated based on statistically (ie, randomly) or substantially statistically selected amplitudes and / or phase distribution for the plane in which the homogenized beam profile or the intermediate beam profile is generated.
  • the laser system comprises a fiber laser which is configured to generate at least a part of the laser beam.
  • the fiber laser can be arranged upstream of the beam homogenizer.
  • a laser medium of the fiber laser may comprise a single-mode fiber core.
  • the beam homogenizer is configured such that a location frequency spectrum of the homogenized beam profile is suppressed for each frequency value above a transverse boundary spatial frequency of the multimode fiber. Due to the suppressed part of the spatial frequency spectrum, the homogenized beam profile may deviate from an ideal top hat beam profile. A maximum value of the spatial frequency spectrum of the homogenized beam profile at the light entry surface may be corresponding to or substantially corresponding to the transverse boundary spatial frequency of the multimode fiber.
  • the laser system further comprises a focusing system, which is arranged downstream of the multimode fiber.
  • the focusing system may be configured to extract and focus light from a transport fiber.
  • the focusing system may be configured to generate a focus of the extracted light on a surface of an object to be processed.
  • the transport fiber may be the multimode fiber in which the modes were excited by the homogenized beam profile.
  • the transport fiber may be an optical fiber located downstream of the multimode fiber.
  • the transport fiber may be configured as a multimode fiber.
  • the focusing system can produce a collimating tion optics, have a scanning system and / or a focusing optics.
  • the focusing optics can be arranged downstream of the Koliimationsoptik.
  • the beam blender has at least one diffractive optical element with a one- or two-dimensional phase mask or alternatively at least one refractive optical element with a one- or two-dimensional phase mask, in particular a one- or two-dimensional microlens array.
  • the first element can generate the target beam profile and the second element can heal phase noise to produce a propagating super-gauss / top-hat.
  • the invention also relates to a method for homogenizing a single laser beam with a substantially Gaussian beam profile, which represents a two-dimensional energy or power density distribution of the laser beam, to a homogenized beam profile, in particular to a top hat beam profile, wherein the beam profile in a multimode fiber to a Fashion stimulation leads.
  • the laser system according to the invention can be used for generating an input beam for a laser amplifier or additionally or alternatively for generating a laser beam for material processing.
  • the material processing may include laser ablation, laser cutting, laser drilling, laser welding, and / or laser marking.
  • FIGS. 8a, 8b show the phase mask of a one-dimensional, diffractive optical element and the associated intensity profile
  • FIGS. 9a, 9b show the phase mask of a two-dimensional, diffractive optical element and the associated intensity profile.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a laser system 1 according to a first embodiment.
  • the laser system 1 is configured for processing an object surface 25 of a workpiece.
  • a machining of a workpiece may, for example, be a laser ablation, a laser welding or a laser marking.
  • the laser system 1 is configured to generate a machining focus 21 in a machining area. At least at one position within the machining focus 21, the laser beam has a beam profile which, to a good approximation, corresponds to a top hat beam profile (also referred to as a fiat top).
  • the Top Hat beam profile is an ideal beam profile in the form of a box.
  • a beam profile which corresponds to a top hat beam profile to a good approximation, for example, may be a super Gau ß profile of a higher order.
  • Many applications in the field of material processing benefit from a multi-mode beam profile, which corresponds as closely as possible to such a top-hat beam profile.
  • the laser system 1 has a laser 24, which generates a laser beam and in the exemplary embodiment shown is configured as a fundamental mode fiber-coupled laser, for example diode lasers with single-mode coupling.
  • Ground mode fiber lasers provide high flexibility in temporal and spectral pulse shaping for the laser beam produced.
  • the laser beam of the fundamental-mode fiber laser is fed to a beam homogenizer 5 via a monomode fiber 2.
  • the incoming laser beam 3, which is emitted from the single-mode fiber 2 and incident on the beam homogenizer 5, is a Gaussian beam with high accuracy. Therefore, by using the fundamental mode fiber laser, it can be ensured that no changes in the beam profile of the incident laser beam 3 occur.
  • the laser system 1 comprises a laser of a different type.
  • the laser beam is guided to the beam homogenizer 5 using a multimode fiber and / or as a free beam.
  • the beam homogenizer 5 effects free space coupling between the single-mode fiber 2 and a multi-mode fiber 4.
  • the laser beam coupled into the multi-mode fiber 4 is transported to an optional amplifier 18 by means of the multi-mode fiber 4.
  • the amplified laser beam emanating from the amplifier 18 is fed through the multimode fiber 4 or through a further multimode fiber 23 to a processing head 19, depending on whether the laser beam is coupled out of the multimode fiber 4 in the amplifier 18.
  • the amplifier 18 may be formed, for example, as a fiber amplifier.
  • at least a portion of the multi-mode fiber 4 may be formed as an active optical fiber.
  • other configurations of the amplifier 18 are conceivable.
  • the processing head 19 is configured as a focusing system, which has a collimating optics 20 and a focusing optics 22.
  • the processing head 19 further comprises an optional scanning system 30, which is arranged in the laser beam between the collimating optics 20 and the focusing optics 22.
  • Focusing optics 22 focus the laser beam, which has been collimated by collimating optics 20, into the processing area to produce processing focus 21.
  • a beam profile of the laser beam, at least at a position within the machining focus 21, is a top hat approximated beam profile.
  • the beam homogenizer 5 is configured such that a homogenized beam profile is generated on a light entry surface 10 of the multimode fiber 4 from the Gaussian beam profile of the incident laser beam 3.
  • the homogenized beam profile is also a top-hat-approximated beam profile.
  • the mode excitation in the multimode fiber 4 therefore takes place using the homogenized beam profile. It has been shown that with the aid of the mode excitation in the multimode fiber 4 using the homogenized beam profile, a machining focus 21 can be produced in a machining area, wherein a beam profile at a position within the machining focus 21 corresponds to a top hat beam profile to a good approximation.
  • the top hat-approximated beam profile depends less sensitively on the orientation of the beam homogenizer 5 to the incoming laser beam 3 from.
  • lasers which generate an incoming laser beam 3 with a fluctuating beam profile
  • Fluctuating beam profiles can result, in particular, when the laser beam can not be guided through a single-mode fiber, for example, when high pulse energies are to be provided in the processing area.
  • Figs. 2a and 2b is shown by an experiment on an exemplary multimode fiber 4, the power density distribution at a light exit surface of the multimode fiber 4 is more homogeneous when a higher number of modes within the multimode fiber is excited.
  • the core of the multimode fiber 4, which was used in the experiment, has a diameter of 75 ⁇ .
  • FIG. 2a shows the power density distribution at the light exit surface of the multimode fiber 4 in a case where a Gaussian beam is applied to the light entrance surface.
  • che 10 of the multimode fiber 4 is coupled.
  • Higher-order modes can be excited in the multimode fiber 4, for example by coupling (spot size, position), bends (micro, macro) and targeted inhomogeneity of the transverse fiber profile along z in the multimode fiber 4. Therefore, the power density distribution at the light exit surface of the multimode fiber 4 has an interference pattern which is generated by mode interference within the multimode fiber 4 and the shape of which depends strongly on the position of the multimode fiber 4.
  • FIG. 2 b shows the power density distribution at the light exit surface of the multimode fiber 4 when a homogenized beam profile is produced at the light entry surface 10, as is the case with the laser system 1 shown in FIG. 1.
  • the interference contrast of the interference pattern is significantly suppressed.
  • the interference contrast decreases, and the power density distribution at the light emitting surface of the multi-mode fiber becomes more homogeneous.
  • the homogenized beam profile at the light entry surface 10 of the multimode fiber 4 has a plateau uniformity (English: plateau uniformly ity) with a ratio which is less than 0.3, preferably as 0.2 and more preferably 0, 1.
  • the plateau uniformity has an index of zero.
  • the plateau uniformity may be measured on a power density distribution or on an energy density distribution of the homogenized beam profile.
  • the energy density distribution can be used as a measured variable, wherein the energy density distribution can represent an integration of the power density distribution over one or more laser pulses.
  • the plateau irregularity is defined according to the standard ISO 13694: 2015 and will be described with reference to FIGS. 3a and 3b illustrated. The content of this standard is incorporated by reference in its entirety.
  • the plateau uniformity Up E for an energy density distribution of the homogenized beam profile is defined by ⁇ ⁇ _ E FWHM
  • a FWHM is the full half width in an energy density histogram N (£) (shown in Figure 3b).
  • the energy density histogram N (E) indicates the number N of positions in the cross-sectional plane of the homogenized beam profile at which the energy density E was recorded.
  • the associated two-dimensional homogenized beam profile is illustrated in FIG. 3a by a one-dimensional section.
  • AHFWHM is the full half-width in a power density histogram N) (not shown in Figs. 3a and 3b) indicating the number N of positions in the cross-sectional plane of the homogenized beam profile at which the power density H was recorded.
  • the full half width A / FW HM refers to the plateau of the power density distribution.
  • the homogenized beam profile has an edge steepness with a characteristic number which is less than 0.3, preferably 0.2 and particularly preferably 0.1.
  • the slope is based on threshold values of 10% and 90% of a maximum value of the homogenized beam profile.
  • the edge slope can be calculated based on the energy or power density distribution. For the energy density distribution of the maximum value is £ m ax shown in Fig. 3a.
  • the slope is defined according to the standard EN ISO 13694: 2015.
  • the edge steepness S ne is defined according to the following expression:
  • ⁇ ⁇ denotes the irradiation area, which represents those values of the beam profile which exceed the proportion ⁇ of the maximum value (the energy or power density distribution). Accordingly, A F designates the irradiation surface, which represents those values of the beam profile which exceed the proportion e of the maximum value, ⁇ and ⁇ therefore represent threshold values.
  • ⁇ should be set to 10% of the maximum value and ⁇ to 90% of the maximum value.
  • the slope has a ratio of 0.
  • a proportion of at least 80% of a total energy or power of the harmonized beam profile has a beam uniformity which is more uniform than ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% and particularly preferred ⁇ 2%.
  • the beam uniformity is here defined according to the standard ISO 13694: 2015 and is illustrated with the aid of FIG. 3a.
  • the beam uniformity may be determined based on the energy density distribution or the power density distribution. In accordance with this standard, the calculation of the beam uniformity U results from the energy density distribution:
  • the average value E Qave (illustrated in Fig. 3a) is calculated from the values of the energy density distribution within the irradiation area A e .
  • the irradiation area A e (illustrated in FIG. 3 a) is an area representing those values of the energy density distribution which exceed a portion of the maximum value of the energy density distribution ⁇ max . Accordingly, the beam uniformity U c is based on the power density distribution:
  • the average value H Kave is calculated from the values of the power density distribution within the irradiation area A K.
  • the irradiation area A K is an area which represents those values of the energy density distribution which exceed a proportion ⁇ - of the maximum value of the power density distribution H max .
  • p and ⁇ are each chosen so that 80% of the total energy, or the total power, integrated over the beam cross-section, within the irradiation area A Q and A K are.
  • the homogenized beam profile is corresponding to or substantially equivalent to a super Gaussian beam prober! with an order greater than or equal to 5, preferably greater than or equal to 7 and particularly preferably greater than or equal to 10, the super Gaussian beam profile is defined by:
  • the super Gaussian beam profile is defined by:
  • r in the case of a round beam cross-section is the magnitude of the radius vector in the cross-sectional plane whose origin coincides with the beam axis of the laser beam or, in the case of, for example, a rectangular or elliptical beam cross-section, can only be x or y.
  • the parameter n is the order of the super Gaussian beam profile and w is a measure of the transverse extent of the super Gaussian beam profile.
  • a super Gaussian beam profile of order 2 speaks a Gaussian beam profile. As the order increases, the super Gaussian beam profile approximates the top hat silhouette.
  • the laser beam converges on the light entry surface 10 of the multimode fiber 4.
  • a convergence angle of the laser beam at the light entry surface 10 substantially corresponds to an acceptance angle of the multimode fiber 4.
  • the convergence angle is defined as the angle between an edge line of the laser beam and the beam axis, ie, half the opening angle.
  • the acceptance angle is the maximum angle of incidence relative to the axis of the multimode fiber 4, below which a light beam may be incident on the light entry surface 10 in order to be forwarded in the multimode fiber 4 by total reflections.
  • the numerical aperture of the multi-mode fiber 4 is illuminated, so that a large number of modes are excited. At the same time a power loss is avoided by a too large convergence angle.
  • the homogenized beam profile is substantially congruent with the light entry surface 10 of the multimode fiber 4.
  • the parameter w of the super Gaussian distribution may correspond or substantially correspond to the radius of the core of the multimode fiber 4. This ensures on the one hand that a high proportion of the laser light intensity is coupled into the multimode fiber 4. In addition, this ensures the excitation of a high number of modes within the multimode fiber and thus a comparatively good homogenization of the top hat-approximated beam profile, which is located within the processing focus 21.
  • imaging optics 6 of the beam homogenizer which images an intermediate focus 9 onto the light entry surface 10 of the core of the multimode fiber 4.
  • the imaging optics 6 is formed, for example, as a 4f imaging optics, which has two refractive optical elements 15 and 16, each with positive B compelling force.
  • the imaging optics 6 are also conceivable.
  • the beam homogenizer 5 has a diffractive optical element 7, on which the collimated laser beam is incident.
  • the laser beam which emanates from the diffractive optical element 7, focused on the intermediate focus 9 in a focal plane of the focusing optics 8.
  • the laser system 1 is configured such that the light entry surface 10 of the Muftimodenmaschine 4 is disposed at the location of the intermediate focus 9.
  • the beam homogenizer 5 has no imaging optics 6.
  • the homogenized beam profile is generated at the light entry surface 10 of the multimode fiber 4 using reflective and / or refractive optical elements.
  • the beam homogenizer 5 may have two optical elements. Each of the optical elements may be configured as an aspheric lens or aspheric mirror.
  • the collimated laser beam for illuminating the diffractive optical element 7 is generated by a collimating lens 11 and an optional beam expander 13, which are each arranged upstream of the diffractive optical element 7. Between the collimating lens 1 1 and the beam expander 13, an insulator 12 is optionally arranged in the laser beam, this can also be placed at a different location to prevent back reflection of parts of the laser beam in the laser 24.
  • the diffractive optical element 7 has a diffractive phase structure. Additionally or alternatively, it is conceivable that the diffractive optical element 7 has a diffractive amplitude structure. By avoiding a diffractive amplitude structure, however, as a rule a higher proportion of the power of the incident laser beam 3 can be concentrated in the top hat of the top hat approximated beam profile, which in the processing Focus 21 is located.
  • the diffractive amplitude structure and / or the diffractive phase structure can be calculated, for example, on the basis of an iterative Fourier transform algorithm (IFTA).
  • FIG. 4 a illustrates the transverse phase distribution which is generated by the diffractive phase structure of the diffractive optical element 7.
  • the gray values represent the phase angle in radians in the plane of the diffractive optical element 7.
  • Figure 4b illustrates the transverse power density distribution of the homogenized beam profile in a plane of the light input surface 10 of the multimode fiber 4, where the gray values represent arbitrary units.
  • FIG. 4c illustrates the transverse phase distribution of the homogenized beam profile in the plane of the light entry surface 10 of the multimode fiber 4, wherein the gray values represent the phase angle in radians.
  • the rotationally symmetrical configuration of the transverse phase distribution shown in FIG. 4a produces a substantially planar phase front on the light entry surface 10, as can be seen in FIG. 4c. This flat phase front causes only rotationally symmetric modes are excited in the multimode fiber 4.
  • the diffractive optical element 7 is configured as a statistical diffractive phase structure.
  • a statistical diffractive phase structure can be calculated, for example, using an iterative Fourier transform algorithm.
  • FIG. 5a illustrates the transverse phase distribution in the plane of the diffractive optical element 7 in the laser system 1 according to the second exemplary embodiment.
  • the gray values represent the phase angle in radians.
  • the diffractive structure of the diffractive optical element 7 is configured as a statistical diffractive phase structure.
  • Fig. 5b illustrates the power density distribution in the plane of the light entrance surface 10 of the multimode fiber 4, where the gray values represent arbitrary units.
  • the statistical diffractive phase structure generates point-like fluctuations in the plateau region of the power density distribution. These fluctuations are attenuated by the mode mixing in the multimode fiber 4 and are no longer recognizable in the top hat approximated beam profile, which is located in the machining focus 21.
  • FIG. 5 c shows the transverse phase distribution in the plane of the light entry surface 10 of the multimode fiber 4 in the laser system 1 according to the second exemplary embodiment.
  • the gray values represent the phase values in radians.
  • FIGS. 4c and 5c show that the light on the light entry surface 10 of the multimode fiber 4 no longer forms a plane wavefront due to the statistical diffractive phase structure.
  • the phase distribution is more of a statistical nature. It could be shown that a larger mode mixing in the multimode fiber 4 can be achieved thereby.
  • this additionally results in an excitation of modes in the multimode fiber 4, which have no rotationally symmetrical field distributions, which increases the number of propagating modes.
  • the interference contrast in the top-hat-approximated beam profile located in the machining focus 21 can be lowered, and a longer propagation distance D in the machining area can be obtained.
  • the beam homogenizer 5 has two diffractive optical elements. A first of the two diffractive ones optical elements generates the homogenized beam pro! and the second diffractive optical element heals phase disturbances. It has been shown that the homogeneity of the top-hat-approximated beam profile thereby further increases machining focus 21 and furthermore an even greater propagation distance D can be generated in the machining area.
  • the beam homogenizer 5 has an optical delay device which delays a first part of the laser beam relative to at least a second part of the laser beam.
  • the first part goes through a delay line, while the second part bypasses the delay line.
  • the delay device can be arranged upstream of a diffractive optical element (such as the diffractive optical element 7 shown in FIG. 1), with the aid of which the homogenization of the laser beam incident on the beam homogenizer takes place.
  • An optical path length of the delay line may be longer than a longitudinal coherence length of the laser beam incident on the delay device.
  • the delay device may be configured such that the first part of the laser beam is separated from the second part of the laser beam by means of a partially transmissive mirror.
  • the laser system 1 shown in FIG. 1 differs from the laser system shown in FIG. 1 only in that here the beam homogenizer 5 'is the diffractive optical element (DOE) 7 for generating a multispot beam profile from the Gaussian beam profile and the muitimode fiber 4 which is formed into a Muiti mode excitation in the multi-mode fiber 4 using the multi-spot beam profile.
  • DOE diffractive optical element
  • a fundamental mode beam is expanded by the telescope 13 and propagates through a 7 which, after focusing, produces a multi-spot profile. This is mapped to the launch-side fiber end face 10 of the multi-mode fiber 4 and excites a plurality of modes in this multi-mode fiber 4, so that mode interference is reduced. In this case, the high number of modes reduces the interference contrast, so that the beam profile at the fiber output is more homogeneous.
  • the height of the registered spatial frequency must be adapted to the respective fiber NA (acceptance angle).
  • the imaging optics 6 consisting of the lenses 15, 16, but can also be omitted if the lens 8 can be suitably selected. This shortens the structure significantly (2f construction instead of 6f).
  • the operation of the multispot excitation of the multimode fiber 4 can be described as follows.
  • NA 0.1
  • the measured beam profile at the end of a 20m long multimode fiber 4 is shown for a central A (Fig. 7a), an offset of about half a core diameter (Fig. 7b) and for an offset of slightly less than a core diameter ( Figure 7c).
  • the three launch situations differ mainly by the group of modes of the multi-mode fiber 4 that is excited. For central excitation, it can be seen that predominantly modes with rotational symmetry were excited.
  • radially symmetric and radially anti-symmetric modes are excited (on- and off-axis coupling). This procedure increases the number of excited modes and provides better mixing (modes of different symmetry groups), thus reducing the interference contrast at the fiber output.
  • FIG. 8a shows the phase mask of a one-dimensional DOE 7 and FIG. 8b the associated intensity profile in the form of a multi-spot distribution.
  • 9a shows the phase mask of a two-dimensional DOE 7 and FIG. 9b the associated intensity profile form of a multi-spot distribution.
  • the circle in the intensity profile corresponds to the fiber core of the multimode fiber 4, in which is to be coupled.
  • the first element can generate the target beam profile and the second element can cure phase noise to produce a propagating supergauss / top hat
  • a refractive beam splitting e.g. in the form of microlens arrays.

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Abstract

Das erfindungsgemäße Lasersystem (1) weist einen Strahlhomogenisierer (5) auf zur Homogenisierung eines im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofils eines Laserstrahls (3) zu einem homogenisierten Strahlprofil. Die Homogenisierung erfolgt unter Verwendung eines optischen Elements (7) des Strahlhomogenisierers (5), welches als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist. Das Lasersystem (1) weist ferner eine Multimodenfaser (5) und ist konfiguriert zu einer Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils.

Description

Lasersystem und Verfahren zur Erzeugung eines Top-Hat-angenäherten
Strahlprofiis
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Strahlprofil, welches einem Top-Hat-Strahlprofil (Kastenprofil) angenähert ist, sowie auch auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Top-Hat-angenäherten Strahlprofils.
Aus dem Stand der Technik sind Strahihomogenisierer für Laserlicht bekannt, die zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Strahlprofil konfiguriert sind, welches einem idealen Top-Hat-Strahlprofil angenähert ist. Diese herkömmlichen Strahlhomogenisierer weisen üblicherweise einen Field- Mapper oder ein Linsenarray auf. Ein Field-Mapper erzeugt eine ausgehende Wellenfront, in welcher im Laufe der weiteren freien Propagation die Intensität des Laserlichts so umsortiert wird, dass das Top-Hat-angenäherte Strahlprofil erzeugt wird. In typischen Ausführungsformen weist der Field-Mapper mehrere asphärische Linsen oder ein diffraktives optisches Element auf. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Verwendung von Field-Mappern die Qualität des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils empfindlich vom Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls abhängt, welcher auf den Field-Mapper auftrifft. Ferner hängt die Qualität empfindlich von der Ausrichtung des Field-Mappers relativ zum eintreffenden Laserstrahl ab. Dies kann die Homogenisierung beeinträchtigen, insbesondere dann, wenn keine aufwändigen Justagevorrichtungen vorgesehen sind.
Diese Abhängigkeiten sind weniger ausgeprägt, wenn der Strahlhomogenisierer auf einem Linsenarray basiert, zudem konzentrieren Field-Mapper im Vergleich zu Linsenarrays einen deutlich geringeren Anteil der Leistung im Top-Hat- Bereich. Des Weiteren ist bei der Verwendung von Linsenarrays die Propagati- onsdistanz, über welche das Strahlprofil homogen bleibt, im Vergleich zur Verwendung von Field-Mappern vergleichsweise gering.
Es besteht daher ein Bedarf an Lasersystemen zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem Top-Hat-angenäherten Strahlprofil, die eine hohe Toleranz gegenüber Justagefehlern und/oder gegenüber dem Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls aufweisen. Hierbei soll möglichst viel Leistung im Top-Hat- Bereich konzentriert werden. Gleichzeitig besteht ein Bedarf an Lasersystemen, die einen Laserstrahl mit einem Top-Hat-angenäherten Strahlprofil erzeugen, welches über eine möglichst große Propagationsdistanz homogen bleibt.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem, welches einen Strahlhomogenisierer zur Homogenisierung eines gaußförmigen oder im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofils eines einzigen Laserstrahls zu einem homogenisierten Strahlprofil umfasst. Das im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil repräsentiert eine zweidimensionale Energiedichteverteilung oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls. Die Homogenisierung erfolgt unter Verwendung eines optischen Elements des Strahlhomogenisierers. Das optische Element ist als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert. Das Lasersystem weist ferner eine Multimodenfaser auf. Das Lasersystem ist konfiguriert zu einer Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils.
Die Strahlprofile können transversale Strahlprofile relativ zu einer Ausbreitungs- richtung des Laserstrahls sein. Die Energiedichteverteilung kann eine Integration der Leistungsdichteverteilung über einen oder über mehrere Laserpulse des Laserstrahls repräsentieren.
Das gaußförmige oder im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil kann ein Strahlprofil eines eintreffenden Laserstrahls sein, welcher auf den Strahlhomo- genisierer eintrifft. Der eintreffende Laserstrahl kann in einem gasförmigen Medium (wie Luft), im Vakuum, in einer Flüssigkeit oder in einem Feststoff propagieren. Das gaußförmige oder im Wesentlichen gaußförmige Strahlprofil kann ein Strahlprofil eines Strahls in einem Lichtleiter sein, welcher an den Strahiho- mogenisierer angrenzt. Der Lichtleiter kann eine optische Faser, insbesondere eine Monomodenfaser, Hohlkernfaser (photonische Kristallfaser) oder eine Multimodenfaser sein.
Der eintreffende Laserstrahl kann ein Gaußstrahl (auch als TEM0o-Mode bezeichnet) oder im Wesentlichen ein Gaußstrahl sein. Moden höherer Ordnung als die TEM0o-Mode des Gaußstrahls können im eintreffenden Laserstrahl unterdrückt oder nicht vorhanden sein. Ein M2-Faktor (Beugungsmaßzahl) des eintreffenden Laserstrahls kann geringer sein als 1 ,7, bevorzugt 1 ,5 und besonders bevorzugt 1 ,2 oder als 1 ,1. Propagiert der eintreffende Laserstrahl in einem Lichtleiter, wie in einer optischen Faser, insbesondere einer Monomodenfaser, kann der eintreffende Laserstrahl die transversale Grundmode oder im Wesentlichen die transversale Grundmode des Lichtleiters sein. Moden höherer Ordnung als die transversale Grundmode können unterdrückt oder nicht vorhanden sein. Das Lasersystem kann so konfiguriert sein, dass der Laserstrahlinnerhalb des Strahlhomogenisierers zumindest teilweise in einem gasförmiges Medium (wie Luft) oder im Vakuum propagiert. In anderen Worten kann der Strahlhomogeni- sierer die Modenanregung in der Multimodenfaser mit Hilfe einer Freistrahl-zuFaser-Kopplung (engl.: free-space fiber coupling) bewirken.
Der Strahlhomogenisierer kann im Laserstrahl zwischen einer Lichtaustrittsflä- che eines Kerns einer Eingangsfaser und einer Lichteintrittsfläche eines Kerns der Multimodenfaser angeordnet sein. Der Strahlhomogenisierer kann angrenzend oder beabstandet von der Lichteintrittsfläche und/oder von der Lichtaustrittsfläche angeordnet sein.
Die Modenanregung kann ein Einkoppeln zumindest eines Teils des Laserstrahls in die Multimodenfaser umfassen.
Das homogenisierte Strahlprofil, welches vom Strahlhomogenisierer erzeugt wird, kann sich innerhalb seines homogenisierten Strahlabschnitts des Laserstrahls befinden, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erstreckt. An jeder Position innerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts kann das Strahlprofil des Laserstrahls jeweils homogenisiert sein im Vergleich zum Strahlprofil des Laserstrahls, welcher auf den Strahlhomogenisierer eintrifft. Der homogenisierte Strahlabschnitt kann einen Fokus des Laserstrahls aufweisen oder einen Fokus repräsentieren. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Fokus außerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts angeordnet ist, das heißt, dass der homogenisierte Strahlabschnitt frei von einem Fokus ist. Gesehen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls kann eine Position des Fokus einer Position der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser entsprechen. Alternativ kann die Position des Fokus beabstandet von der Position der Lichteintrittsfläche sein. Die Position der Lichteintrittsfläche kann sich innerhalb des homogenisierten Strahlabschnitts befinden.
Ein Kern der Multimodenfaser kann einen Durchmesser aufweisen, welcher größer ist als 30pm oder größer ist als 100μηι, insbesondere größer als 200μιτι. Das refraktive optische Element kann eine asphärische optisch wirksame re- fraktive Fläche aufweisen. Diese Fläche kann Teil einer asphärischen Linse sein. Das reflektive optische Element kann eine asphärische optisch wirksame reflektive Fläche aufweisen. Diese Fläche kann Teil eines asphärischen Spiegels sein. Das refraktive und/oder reflektive optische Element kann eine Array- optik, insbesondere ein Linsenarray, sein.
Das homogenisierte Strahlprofil kann einen kreisförmigen oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es sind jedoch auch andere Querschnittgeometrien, wie rechteckig oder sechseckig denkbar. Eine Querschnittgeometrie des homogenisierten Strahlprofils kann einer Querschnittgeometrie des Kerns der Multimodenfaser entsprechen.
Das erfindungsgemäße Lasersystem umfasst in einem weiteren Aspekt einen Strahlhomogenisierer zur Homogenisierung eines einzigen Laserstrahls mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil, wobei die Homogenisierung unter Verwendung mindestens eines optischen Elements des Strahlhomogenisierers, welches aus dem gaußförmigen Strahlprofil ein Multispot-Strahlprofil erzeugt und als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist, und einer Multimodenfaser des Strahlhomogenisierers erfolgt, die zu einer Multi-Modenanregung in der Multimodenfaser unter Verwendung des Multispot- Strahlprofils konfiguriert ist.
Insgesamt führt die erfindungsgemäße Multispot-Modenanregung mit einer geeigneten Gewichtung der einzelnen Spots dazu, dass die Einkoppelbedingungen für Moden verschiedener Symmetriegruppen gleichzeitig erfüllt werden und sich am Ausgang der Multimodenfaser ein homogenisiertes Strahlprofil ergibt. Insbesondere werden zum Beispiel radial symmetrische und radial anti-symmetrische Moden angeregt (on- und off-axis Einkopplung). Dieses Vorgehen erhöht die Anzahl der angeregten Moden und sorgt für eine bessere Durchmischung (Moden verschiedener Symmetriegruppen), sodass der Interferenzkontrast am Faserausgang reduziert wird. Gemäß einer Ausführungsform weist das homogenisierte Strahlprofil eine Plateaugleichförmigkeit auf mit einer Kennzahl, welche geringer ist als 0,3 oder geringer ist als 0,2 oder geringer ist als 0,1. Die Plateaugleichförmigkeit kann definiert sein gemäß der Norm ISO 13694:2015.
Gemäß einer Ausführungsform weist das homogenisierte Strahlprofi! eine Flankensteilheit auf mit einer Kennzahl geringer als 0,3 oder geringer als 0,2 oder geringer als 0,1. Die Flankensteilheit kann auf Schwellenwerte von 10% und 90% eines Maximalwertes des homogenisierten Strahlprofils bezogen sein. Die Flankensteilheit kann definiert sein gemäß der Norm ISO 13694:2015.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Anteil von zumindest 80% einer Gesamtenergie oder -leistung des homogenisierten Strahlprofils eine Strahlgleichförmigkeit auf, welche gleichförmiger ist als ±10% oder gleichförmiger ist als ±5% oder gleichförmiger ist als ±2%. Die Strahlgleichförmigkeit kann definiert sein gemäß der Norm ISO 13694:2015.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem so konfiguriert, dass das homogenisierte Strahlprofil entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend ist zu einem Super-Gau ß-Strahlprofil mit einer Ordnung größer oder gleich 5 oder größer gleich 7 oder größer gleich 10.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem so konfiguriert, dass das homogenisierte Strahlprofil im Wesentlichen an einer Lichteintrittsfläche eines Kerns der Multimodenfaser erzeugt wird, gesehen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. In anderen Worten kann eine Position des homogenisierten Strahlprofils entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls gleich oder im Wesentlichen gleich sein zu einer Position einer Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht eine transversale Ausdehnung des homogenisierten Strahlprofils im Wesentlichen einer Lichteintrittsflä- che des Kerns der ultimodenfaser. Das homogenisierte Strahlprofi! kann deckungsgleich oder im Wesentlichen deckungsgleich zur Lichteintrittsfiäche sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Strahlhomogenisierer so konfiguriert, dass der Laserstrahl konvergierend auf die Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser eintrifft. Ein Konvergenzwinkel des Laserstrahls an der Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser kann einem Akzeptanzwinkel der Multimodenfaser entsprechen oder im Wesentlichen dem Akzeptanzwinkel entsprechen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem ferner einen Laserverstärker zur Verstärkung zumindest eines Teils des Laserstrahls auf. Der Laserverstärker kann stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest ein Abschnitt der ultimodenfaser so konfiguriert, dass mit Hilfe des Abschnitts zumindest ein Teil des Laserstrahls verstärkbar ist. Zumindest ein Abschnitt der Multimodenfaser kann als aktive optische Faser ausgebildet sein. Ein Kern der aktiven optischen Faser kann ein optisch aktives Medium eines Faserverstärkers des Lasersystems bilden. Der Kern kann dotiert sein, beispielsweise mit Metallionen Seltener Erden. Das Lasersystem kann ausgebildet sein, Pumplicht in den Kern der aktiven optischen Faser oder in den Mantel der Faser einzukoppeln. Das Pumplicht kann durch einen Pumplaser des Lasersystems erzeugt sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Abbildungsoptik auf, die beispielsweise als 4f-Abbildungsoptik konfiguriert sein kann. Der Strahlhomogenisierer kann in einer Objektebene der Abbildungsoptik einen Zwischenfokus und/oder ein homogenisiertes Zwischen-Strahlprofil erzeugen, welches im Vergleich zum Strahlprofil des Laserstrahls, welcher auf den Strahlhomogenisierer eintrifft, homogenisiert ist. Das homogenisierte Zwischen-Strahlprofil kann sich im Zwischenfokus befinden. Gesehen entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls kann eine Position einer Bildebene der Abbildungsoptik, welche optisch konjugiert zur Objektebene ist, gleich oder im Wesentlichen gleich sein zu einer Position der Lichteintrittsfläche des Kerns der Multimodenfaser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Kollimationsoptik auf. Die Kollimationsoptik kann stromabwärts der Eingangsfaser des Lasersystems und/oder stromaufwärts des refraktiven, reflektiven und/oder diffraktiven optischen Elements angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Strahlhomogenisierer eine Strahlanpassungsoptik zur Strahlaufweitung und/oder zur Strahlverengung des Laserstrahls auf. Die Strahlanpassungsoptik kann stromabwärts der Eingangsfaser und/oder stromaufwärts des refraktiven, reflektiven und/oder diffraktiven optischen Elements angeordnet sein. Die Strahlanpassungsoptik kann stromabwärts der Kollimationsoptik angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kollimationsoptik gleichzeitig als Strahlanpassungsoptik konfiguriert sein. In anderen Worten kann die Kollimationsoptik eine veränderbare Brennweite zur Strahlanpassung aufweisen. Ein Abbildungsmaßstab der Strahlanpassungsoptik kann steuerbar variabel sein. Für unterschiedliche Werte des Abbildungsmaßstabes kann die Strahlanpassungsoptik afokal sein. Stromabwärts des diffraktiven optischen Elements kann eine Fokussieroptik angeordnet sein, welche der Laserstrahl in den Zwischenfokus fokussiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das optische Element des Strahl- homogenisierers als diffraktives optisches Element konfiguriert. Alternativ kann das diffraktive optische Element als refraktives und/oder reflektives optisches Element konfiguriert sein. Das diffraktive optische Element kann eine diffraktive Struktur aufweisen, welche im Laserstrahl angeordnet ist. Die diffraktive Struktur kann als diffraktive Phasenstruktur und/oder als diffraktive Amplitudenstruktur konfiguriert sein. Die diffraktive Struktur kann rotations-unsymmetrisch oder achsen-unsymmetrisch relativ zu einer Strahlachse des Laserstrahls sein.
Das diffraktive optische Element kann eine statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur aufweisen. Die statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur kann eine statistische oder im Wesentlichen sta- tistische diffraktive Phasen und/oder diffraktive Amplitudenstruktur sein. Die statistische oder im Wesentlichen statistische diffraktive Struktur kann beispielsweise berechnet sein auf Basis einer statistisch (d.h. zufällig) oder im Wesentlichen statistisch gewählten Amplituden und/oder Phasenverteilung für die Ebene, in welcher das homogenisierte Strahlprofil oder das Zwischen-Strahlprofil erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem einen Faserlaser auf, welcher konfiguriert ist, zumindest einen Teil des Laserstrahls zu erzeugen. Der Faserlaser kann stromaufwärts des Strahlhomogenisierers angeordnet sein. Ein Lasermedium des Faserlasers kann einen Monomoden- Faserkern aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Strahlhomogenisierer so konfiguriert, dass ein Orts-Frequenzspektrum des homogenisierten Strahlprofils unterdrückt ist für jeden Frequenzwert oberhalb einer transversalen Grenz- Ortsfrequenz der Multimodenfaser. Durch den unterdrückten Teil des Ortsfrequenzspektrums kann das homogenisierte Strahlprofil von einem idealen Top- Hat-Strahlprofil abweichen. Ein Maximalwert des Orts-Frequenzspektrums des homogenisierten Strahlprofils an der Lichteintrittsfläche kann entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend sein zu der transversalen Grenz-Ortsfrequenz der Multimodenfaser.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Lasersystem ferner ein Fo- kussiersystem auf, welches stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet ist. Das Fokussiersystem kann konfiguriert sein, Licht aus einer Transportfaser auszukoppeln und zu fokussieren. Das Fokussiersystem kann konfiguriert sein, einen Fokus des ausgekoppelten Lichts auf einer Oberfläche eines zu bearbeitenden Objekts zu erzeugen. Die Transportfaser kann die Multimodenfaser sein, in welcher die Moden mittels des homogenisierten Strahlprofils angeregt wurden. Alternativ kann die Transportfaser eine optische Faser sein, welche stromabwärts der Multimodenfaser angeordnet ist. Die Transportfaser kann als Multimodenfaser konfiguriert sein. Das Fokussiersystem kann eine Kollima- tionsoptik, ein Scansystem und/oder eine Fokussieroptik aufweisen. Die Fokussieroptik kann stromabwärts der Koliimationsoptik angeordnet sein.
Vorzugsweise weist zur Erzeugung des Multispot-Strahlprofils der Strahihomo- genisierer mindestens ein diffraktives optisches Element mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske oder alternativ mindestens ein refraktives optisches Element mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske, insbesondere ein ein- oder zweidimensionales Mikrolinsenarray, auf. Bei Verwendung zweier diffraktiver optischer Elemente kann das erste Element das Ziel- Strahlprofil generieren und das zweite Element Phasenstörungen heilen, um einen propagierenden Supergauß/Top-Hat zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum Homogenisieren eines einzigen Laserstrahls mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil, insbesondere zu einem TopHat-Strahlprofil, wobei das Strahlprofil in einer Multimodenfaser zu einer Modenanregung führt.
Das erfindungsgemäße Lasersystem kann zur Erzeugung eines Eingangsstrahls für einen Laserverstärker oder zusätzlich oder alternativ zur Erzeugung eines Laserstrahls für die Materialbearbeitung dienen. Die Materialbearbeitung kann eine Laserablation, ein Laserschneiden, ein Laserbohren, ein Laserschweißen und/oder ein Laserbeschriften umfassen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
eine transversale Leistungsdichteverteilung an einer Lichtaustrittsfläche einer Multimodenfaser bei einer Modenanregung mit Hilfe eines Gaußstrahls (Fig. 2a) und eines homogenisierten Strahlprofils (Fig. 2b);
eine Illustration zur Berechnung der Plateaugleichförmigkeit und der Strahlgleichförmigkeit eines homogenisierten Strahlprofils, welches durch einen Strahlhomogenisierer des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems erzeugt wird;
eine transversale Phasenverteilung eines Laserstrahls in einer Ebene eines diffraktiven optischen Elements des Strahlhomo- genisierers des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems;
eine transversale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls in einer Ebene einer Lichteintrittsfläche einer Multimodenfaser des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems;
eine transversale Phasenverteilung des Laserstrahls in der Ebene der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems;
eine transversale Phasenverteilung eines Laserstrahls in einer Ebene einer statistischen diffraktiven Phasenstruktur eines Strahlhomogenisierers in einem erfindungsgemäßen Lasersystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
eine transversale Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls in einer Ebene einer Lichteintrittsfläche einer Multimodenfaser im Lasersystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
eine transversale Phasenverteilung des Laserstrahls in der Ebene der Lichteintrittsfläche der Multimodenfaser im Lasersystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform;
das am Ende einer Multimodefaser gemessene Strahiprofil bei einem zentral (Fig. 7a) und mit unterschiedlichen Offsets (Fign. 7b, 7c) eingekoppelten Grundmodestrahl; Fign. 8a, 8b die Phasenmaske eines eindimensionalen, diffraktiven optischen Elements und das zugehörige Intensitätsprofil; und
Fign. 9a, 9b die Phasenmaske eines zweidimensionalen, diffraktiven optischen Elements und das zugehörige Intensitätsprofil.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Lasersystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Lasersystem 1 ist zur Bearbeitung einer Objektoberfläche 25 eines Werkstücks konfiguriert. Eine solche Bearbeitung eines Werkstücks kann beispielsweise eine Laserablation, ein Laserschweißen oder ein Laserbeschriften sein.
Das Lasersystem 1 ist konfiguriert, in einem Bearbeitungsbereich einen Bearbeitungsfokus 21 zu erzeugen. Zumindest an einer Position innerhalb des Bearbeitungsfokus 21 weist der Laserstrahl ein Strahlprofil auf, welches in guter Näherung einem Top-Hat-Strahlprofil (auch als Fiat-Top bezeichnet) entspricht. Das Top-Hat-Strahlprofil ist ein ideales Strahlprofil in Form eines Kastens. Ein Strahlprofil, welches in guter Näherung einem Top-Hat-Strahlprofil entspricht, kann beispielsweise ein Super-Gau ß-Profil einer höheren Ordnung sein. Viele Anwendungen im Bereich der Materialbearbeitung profitieren von einem Multimode-Strahlprofil, welches in möglichst guter Näherung einem solchen Top- Hat-Strahlprofil entspricht.
Das Lasersystem 1 weist einen Laser 24 auf, welcher einmen Laserstrahl erzeugt und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Grundmode- fasergekoppelter Laser, z.B. Diodenlaser mit Singlemodekopplung, konfiguriert ist. Grundmoden-Faserlaser stellen eine hohe Flexibilität in der zeitlichen und spektralen Pulsformung für den erzeugten Laserstrahl bereit. Der Laserstrahl des Grundmoden-Faserlasers wird über eine Monomodenfaser 2 einem Strahl- homogenisierer 5 zugeführt. Der eintreffende Laserstrahl 3, welcher von der Monomodenfaser 2 emittiert wird und auf den Strahlhomogenisierer 5 einfällt, ist mit hoher Genauigkeit ein Gauß-Strahl. Daher kann durch Verwendung des Grundmoden-Faserlasers sichergestellt werden, dass keine Veränderungen im Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls 3 auftreten. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass das Lasersystem 1 einen Laser eines unterschiedlichen Typs aufweist. Ferner ist es auch denkbar, dass der Laserstrahl unter Verwendung einer Multimodenfaser und/oder als freier Strahl zum Strahlhomogenisie- rer 5 geführt wird.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, bewirkt der Strahlhomogenisierer 5 eine Freiraumkopplung zwischen der Monomodenfaser 2 und einer Multimodenfaser 4. Der in die Multimodenfaser 4 eingekoppelte Laserstrahl wird mit Hilfe der Multimodenfaser 4 zu einem optionalen Verstärker 18 transportiert. Der aus dem Verstärker 18 ausgehende, verstärkte Laserstrahl wird durch die Multimodenfaser 4 oder durch eine weitere Multimodenfaser 23 einem Bearbeitungskopf 19 zugeführt, je nachdem ob im Verstärker 18 der Laserstrahl aus der Multimodenfaser 4 ausgekoppelt wird. Der Verstärker 18 kann beispielsweise als Faserverstärker ausgebildet sein. Hierbei kann zumindest ein Abschnitt der Multimodenfaser 4 als aktive optische Faser ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen des Verstärkers 18 denkbar.
Der Bearbeitungskopf 19 ist als Fokussiersystem konfiguriert, welches eine Kollimationsoptik 20 und eine Fokussieroptik 22 aufweist. Der Bearbeitungskopf 19 weist ferner ein optionales Scansystem 30 auf, welches im Laserstrahl zwischen der Kollimationsoptik 20 und der Fokussieroptik 22 angeordnet ist. Durch die Fokussieroptik 22 wird der Laserstrahl, welcher durch die Kollimationsoptik 20 kollimiert wurde, in den Bearbeitungsbereich fokussiert, um den Bearbeitungsfokus 21 zu erzeugen. Ein Strahlprofil des Laserstrahls, zumindest an einer Position innerhalb des Bearbeitungsfokus 21 , ist ein Top-Hat-angenähertes Strahlprofil.
Der Strahlhomogenisierer 5 ist so konfiguriert, dass aus dem gaußförmigen Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls 3 ein homogenisiertes Strahlprofil auf einer Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 erzeugt wird. Das homogenisierte Strahlprofil ist hierbei ebenso ein Top-Hat-angenähertes Strahlprofil. Die Modenanregung in der Multimodenfaser 4 erfolgt daher unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der Modenanregung in der Multimodenfaser 4 unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils ein Bearbeitungsfokus 21 in einem Bearbeitungsbereich erzeugt werden kann, wobei ein Strahlprofil an einer Position innerhalb des Bearbeitungsfokus 21 in guter Näherung einem Top-Hat-Strahlprofil entspricht. Das Top-Hat-angenäherte Strahlprofil hängt dabei weniger empfindlich von der Ausrichtung des Strahlhomogenisierers 5 zum eintreffenden Laserstrahl 3 ab. Werden Laser verwendet, welche einen eintreffenden Laserstrahl 3 mit fluktuierendem Strahlprofil erzeugen, besteht verminderte empfindliche Abhängigkeit des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils im Bearbeitungsfokus 21 von diesen Fluktuationen gegenüber herkömmlichen Herangehensweisen . Fluktuierende Strahlprofile können sich insbesondere dann ergeben, wenn der Laserstrahl nicht durch eine Monomodenfaser geführt werden kann, beispielsweise, wenn im Bearbeitungsbereich hohe Pulsenergien bereitgestellt werden sollen.
Zudem hat sich gezeigt, dass mit Hilfe der Modenanregung in der Multimodenfaser 4 unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils eine vergleichsweise große Propagationsdistanz D im Bearbeitungsbereich erhalten werden kann, über welche das Strahlprofil in guter Näherung dem Top-Hat-Strahlprofil entspricht. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch die Einkopplung des Laserstrahls in die Multimodenfaser 4 mit Hilfe des homogenisierten Strahlprofils eine deutlich höhere Anzahl an Moden (Modengemisch) innerhalb der Multimodenfaser 4 angeregt werden kann, verglichen mit einer Einkopplung unter Verwendung eines gaußförmigen Strahlprofils.
Wie in Fign. 2a und 2b durch ein Experiment an einer beispielhaften Multimodenfaser 4 gezeigt wird, ist die Leistungsdichteverteilung an einer Lichtaustrittsfläche der Multimodenfaser 4 homogener, wenn eine höhere Anzahl an Moden innerhalb der Multimodenfaser angeregt wird. Der Kern der Multimodenfaser 4, welche in dem Experiment verwendet wurde, weist einen Durchmesser von 75 μηι auf.
Fig. 2a zeigt die Leistungsdichteverteilung an der Lichtaustrittsfläche der Multimodenfaser 4 in einem Fall, in welchem ein Gaußstrahl an der Lichteintrittsflä- che 10 der Multimodenfaser 4 eingekoppelt wird. Moden höherer Ordnung lassen sich in der Multimodenfaser 4 beispielsweise durch Einkopplung (Spotgröße, Position), Biegungen (Mikro, Makro) und gezielte Inhomogenität des transversalen Faserprofils entlang z in der Multimodenfaser 4 anregen. Daher weist die Leistungsdichteverteilung an der Lichtaustrittsfläche der Multimodenfaser 4 ein interferenzmuster auf, das durch Modeninterferenz innerhalb der Multimodenfaser 4 erzeugt wird und dessen Form stark von der Lage der Multimodenfaser 4 abhängt.
Im Vergleich hierzu zeigt Fig. 2b die Leistungsdichteverteilung an der Lichtaustrittsfläche der Multimodenfaser 4, wenn an der Lichteintrittsfläche 10 ein homogenisiertes Strahlprofil erzeugt wird, wie dies bei dem in Fig. 1 gezeigten Lasersystem 1 erfolgt. Wie an Fig. 2b zu erkennen ist, wird der Interferenzkontrast des Interferenzmusters deutlich unterdrückt. Wird also eine höhere Anzahl an Moden angeregt, so sinkt der Interferenzkontrast, und die Leistungsdichteverteilung an der Lichtaustrittsfläche der Multimodenfaser wird homogener.
Für das Lasersystem 1 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das homogenisierte Strahlprofil an der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 eine Plateaugleichförmigkeit (engl.: plateau uniform ity) aufweist mit einer Kennzahl, welche geringer ist als 0,3, bevorzugt als 0,2 und besonders bevorzugt 0, 1 . Definitionsgemäß weist für das ideale Top-Hat-Strahlprofil die Plateaugleichförmigkeit eine Kennzahl von 0 auf. Die Plateaugleichförmigkeit kann an einer Leistungsdichteverteilung oder an einer Energiedichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils gemessen sein. Bei Pulslasern kann beispielsweise die Energiedichteverteilung als Messgröße verwendet werden, wobei die Energiedichteverteilung eine Integration der Leistungsdichteverteilung über einen oder mehrere Laserpulse repräsentieren kann.
Die Plateaugleichförmigkeit ist definiert gemäß der Norm ISO 13694:2015 und wird anhand der Fign. 3a und 3b illustriert. Der Inhalt dieser Norm wird durch Verweis vollumfänglich einbezogen. Im Einklang mit dieser Norm ist die Plateaugleichförmigkeit UpE für eine Energiedichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils definiert durch τ τ _ EFWHM
UPE ~ p ■ wobei A FWHM die volle Halbwertsbreite in einem Energiedichtehistogramm N(£) (gezeigt in Fig. 3b) ist. Das Energiedichtehistogramm N(E) gibt die Anzahl N der Positionen in der Querschnittsebene des homogenisierten Strahlprofils an, an welchen die Energiedichte E aufgezeichnet wurde. Das zugehörige zweidimensionale homogenisierte Strahlprofil ist in er Fig. 3a durch einen eindimensionalen Schnitt illustriert. Das Maximum 28 des Energiedichtehistogramms, an dem die volle Halbwertsbreite AEFWHM gemessen wird, bezieht sich auf das Plateau 27 der Energiedichteverteilung. Daher endet die rechte Flanke 29 des Maximums 28 häufig beim Maximalwert der Energiedichteverteilung
^rnax-
Entsprechend ist die Plateaugleichförmigkeit UPH für die Leistungsdichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils definiert durch
T T — AHFWHM
UPH — ~~7j ' >
"max
wobei AHFWHM die volle Halbwertsbreite in einem Leistungsdichtehistogramm N ) (nicht gezeigt in Fign. 3a und 3b) ist, welches die Anzahl N der Positionen in der Querschnittsebene des homogenisierten Strahlprofils angibt, an welchen die Leistungsdichte H aufgezeichnet wurde. Die volle Halbwertsbreite A/ FWHM bezieht sich auf das Plateau der Leistungsdichteverteilung.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das homogenisierte Strahlprofil eine Flankensteilheit (engl.: edge steepness) aufweist mit einer Kennzahl, welche geringer ist als 0,3, bevorzugt 0,2 und besonders bevorzugt 0,1. Wie nachfolgend genauer erklärt wird, ist die Flankensteilheit bezogen auf Schwellenwerte von 10 % und 90 % eines Maximalwertes des homogenisierten Strahlprofils. Die Flankensteiiheit kann auf Basis der Energie- oder Leistungsdichteverteilung berechnet sein. Für die Energiedichteverteilung ist der Maximalwert £max in Fig. 3a gezeigt. Die Flankensteilheit ist definiert gemäß der Norm EN ISO 13694:2015. Im Einklang mit dieser Norm ist die Flankensteilheit Sn e gemäß folgendem Ausdruck definiert:
Figure imgf000019_0001
wobei Αη die Bestrahlungsfläche bezeichnet, welche diejenigen Werte des Strahlprofils repräsentiert, welche den Anteil η des Maximalwertes (der Energiebzw. Leistungsdichteverteilung) übersteigen. Entsprechend bezeichnet AF die Bestrahlungsfläche, welche diejenigen Werte des Strahlprofils repräsentiert, welche den Anteil e des Maximalwertes übersteigen, η und ε repräsentieren daher Schwellenwerte. Für die angegebenen Werte in der vorliegenden Offenbarung soll η auf 10% des Maximalwertes und ε auf 90% des Maximalwertes festgelegt sein. Für das ideale Top-Hat-Strahlprofil weist die Flankensteilheit eine Kennzahl von 0 auf.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Anteil von zumindest 80 % einer Gesamtenergie oder -leistung des harmonisierten Strahlprofils eine Strahlgleichförmigkeit (engl.: beam uniformity) aufweist, welche gleichförmiger ist als ±10%, bevorzugt ±5% und besonders bevorzugt ±2%. Die Strahlgleichförmigkeit ist hierbei definiert gemäß der Norm ISO 13694:2015 und wird mit Hilfe der Fig. 3a illustriert. Die Strahlgleichförmigkeit kann auf Basis der Energiedichteverteilung oder der Leistungsdichteverteilung bestimmt sein. Im Einklang mit dieser Norm ergibt sich für die Berechnung der Strahlgleichförmigkeit U aus der Energiedichteverteilung:
Figure imgf000019_0002
wobei der Mittelwert EQave (illustriert in der Fig. 3a) aus den Werten der Energiedichteverteilung innerhalb der Bestrahlungsfläche Ae berechnet wird. Die Bestrahlungsfläche Ae (illustriert in der Fig. 3a) ist eine Fläche, welche diejenigen Werte der Energiedichteverteilung repräsentiert, welche einen Anteil des Maximalwertes der Energiedichteverteilung £max übersteigen. Entsprechend ergibt sich für die Strahlgleichförmigkeit Uc basierend auf der Leistun sdichteverteilung:
Figure imgf000020_0001
wobei der Mittelwert HKave aus den Werten der Leistungsdichteverteilung innerhalb der Bestrahlungsfläche AK berechnet wird. Die Bestrahlungsfläche AK ist eine Fläche, welche diejenigen Werte der Energiedichteverteilung repräsentiert, welche einen Anteil χ- des Maximalwertes der Leistungsdichteverteilung Hmax übersteigen.
Für die Berechnung der in dieser Offenbarung angegebenen Werte für das homogenisierte Strahlprofi! werden p und κ jeweils so gewählt, dass sich 80% der Gesamtenergie, bzw. der Gesamtleistung, integriert über den Strahlquerschnitt, innerhalb der Bestrahlungsfläche AQ bzw. AK befinden.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das homogenisierte Strahlpro- fii entsprechend oder im Wesentlichen entsprechend ist zu einem Super-Gauß- Strahlprofi! mit einer Ordnung größer/gleich 5, bevorzugt größer/gleich 7 und besonders bevorzugt größer/gleich 10. ist das Super-Gauß-Strahlprofil definiert durch:
Figure imgf000020_0002
und entsprechend ist für die Leistungsdichteverteilung das Super-Gauß- Strahlprofil definiert durch:
Figure imgf000020_0003
wobei r bei einem runden Strahlquerschnitt der Betrag des Radiusvektors in der Querschnittsebene ist, dessen Ursprung mit der Strahlachse des Laserstrahls zusammenfällt, oder bei einem z.B. rechteckigen oder elliptischen Strahlquerschnitt auch nur x oder y sein kann. Der Parameter n ist die Ordnung des Super-Gauß-Strahlprofils und w ist ein Maß für die transversale Ausdehnung des Super-Gauß-Strahlprofils. Ein Super-Gauß-Strahlprofil der Ordnung 2 ent- spricht einem Gauß-Strahlprofil. Mit zunehmender Ordnung nähert sich das Super-Gauß-Strahlprofil dem Top-Hat-Strahiprofii an.
Wie anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, trifft der Laserstrahl konvergierend auf die Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4. Ein Konvergenzwinkel des Laserstrahls an der Lichteintrittsfläche 10 entspricht im Wesentlichen einem Akzeptanzwinkel der Multimodenfaser 4. Der Konvergenzwinkel ist dabei definiert als der Winkel zwischen einer Randgeraden des Laserstrahls und der Strahlachse, d.h., der halbe Öffnungswinkel. Der Akzeptanzwinkel ist der maximale Einfallswinkel relativ zur Achse der Multimodenfaser 4, unter dem ein Lichtstrahl auf die Lichteintrittsfläche 10 einfallen darf, um in der Multimodenfaser 4 noch durch Totalreflexionen weitergeleitet zu werden. Dadurch wird die numerische Apertur der Multimodenfaser 4 ausgeleuchtet, so dass eine hohe Anzahl von Moden angeregt wird. Gleichzeitig wird ein Leistungsverlust durch einen zu großen Konvergenzwinkel vermieden. Eine Anregung vieler Moden wird zudem dadurch erreicht, dass das homogenisierte Strahlprofil im Wesentlichen deckungsgleich mit der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 ist. Beispielsweise kann der Parameter w der Super-Gauß-Verteilung dem Radius des Kerns der Multimodenfaser 4 entsprechen oder im Wesentlichen entsprechen. Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass ein hoher Anteil der Laserlichtintensität in die Multimodenfaser 4 eingekoppelt wird. Darüber hinaus gewährleistet dies die Anregung einer hohen Anzahl an Moden innerhalb der Multimodenfaser und damit eine vergleichsweise gute Homogenisierung des Top- Hat-angenäherten Strahlprofils, welches sich innerhalb des Bearbeitungsfokus 21 befindet.
Die gewünschte Ausdehnung des homogenisierten Strahlprofils an der Lichteintrittsfläche 10 und der gewünschte Konvergenzwinkel werden durch eine Abbildungsoptik 6 des Strahlhomogenisierers ermöglicht, welche einen Zwischenfokus 9 auf die Lichteintrittsfläche 10 des Kerns der Multimodenfaser 4 abbildet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abbildungsoptik 6 beispielsweise als 4f-Abbildungsoptik ausgebildet, welche zwei refraktive optische Elemente 15 und 16 mit jeweils positiver B rech kraft aufweist. Es sind jedoch auch andere Konfigurationen der Abbiidungsoptik 6 denkbar. Im Zwischenfokus 9 wird ein homogenisiertes Strahlprofil erzeugt, welches im Vergleich zum Strahlprofil des eintreffenden Laserstrahls 3 homogenisiert ist. Hierzu weist der Strahlhomogenisierer 5 ein diffraktives optisches Element 7 auf, auf welches der kollimierte Laserstrahl einfällt. Durch eine Fokussieroptik 8, wird der Laserstrahl, welches vom diffraktiven optischen Element 7 ausgeht, auf den Zwischenfokus 9 in einer Brennebene der Fokussieroptik 8 fokussiert. Es ist denkbar, dass das Lasersystem 1 so konfiguriert ist, dass die Lichteintrittsfläche 10 der Muftimodenfaser 4 am Ort des Zwischenfokus 9 angeordnet ist. In diesem Fall weist der Strahlhomogenisierer 5 keine Abbildungsoptik 6 auf. Optional kann es sinnvoll sein, Blenden 14, 26 einzusetzen um parasitäre Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elements 7 auszublenden.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, dass das homogenisierte Strahlprofil an der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 unter Verwendung von reflektiven und/oder refraktiven optischen Elementen erzeugt wird. Beispielsweise kann der Strahlhomogenisierer 5 zwei optische Elemente aufweisen. Jedes der optischen Elemente kann als asphärische Linse oder asphärischer Spiegel konfiguriert sein.
Der kollimierte Laserstrahl zur Beleuchtung des diffraktiven optischen Elements 7 wird von einer Kollimationsoptik 11 und einem optionalen Strahlaufweiter 13 erzeugt, welche jeweils stromaufwärts des diffraktiven optischen Elements 7 angeordnet sind. Zwischen der Kollimationsoptik 1 1 und dem Strahlaufweiter 13 ist optional ein Isolator 12 im Laserstrahl angeordnet, dieser kann auch an einer anderen Stelle platziert werden, um eine Rückreflexion von Teilen des Laserstrahls in den Laser 24 zu verhindern.
Das diffraktive optische Element 7 weist eine diffraktive Phasenstruktur auf. Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass das diffraktive optische Element 7 eine diffraktive Amplitudenstruktur aufweist. Durch die Vermeidung einer diffraktiven Amplitudenstruktur kann jedoch in der Regel ein höherer Anteil der Leistung des eintreffenden Laserstrahls 3 in den Top-Hat des Top-Hat- angenäherten Strahlprofils konzentriert werden, welches sich im Bearbeitungs- fokus 21 befindet. Die diffraktive Amplitudenstruktur und/oder die diffraktive Phasenstruktur können beispielsweise auf Basis eines iterativen Fouriertrans- formations-Algorithmus (engl.: iterative Fourier transform aigorithm; IFTA) berechnet werden.
Fig. 4a illustriert die transversale Phasenverteilung, welche durch die diffraktive Phasenstruktur des diffraktiven optischen Elements 7 erzeugt wird. Die Grauwerte repräsentieren den Phasenwinkel in Radiant in der Ebene des diffraktiven optischen Elements 7. Fig. 4b illustriert die transversale Leistungsdichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils in einer Ebene der Lichteintrrttsfläche 10 der Multimodenfaser 4, wobei die Grauwerte willkürliche Einheiten repräsentieren. Fig. 4c illustriert die transversale Phasenverteilung des homogenisierten Strahlprofils in der Ebene der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4, wobei die Grauwerte den Phasenwinkel in Radiant repräsentieren. Die in Fig. 4a gezeigte rotationssymmetrische Konfiguration der transversalen Phasenverteilung erzeugt auf der Lichteintrittsfläche 10 eine im Wesentlichen plane Phasenfront, wie dies in Fig. 4c zu sehen ist. Diese plane Phasenfront bewirkt, dass lediglich rotationssymmetrische Moden in der Multimodenfaser 4 angeregt werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine noch größere Modenmischung und damit eine noch bessere Homogenisierung des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils im Bearbeitungsfokus 21 und eine längere Propagationsdistanz D im Bearbeitungsbereich erreicht werden können, wenn Strahlformungstechniken unter Verwendung statistischer Phasenstrukturen verwendet werden. Die Wirkungsweise von statistischen Phasenstrukturen ist ähnlich der von diffraktiven Dif- fusoren.
Entsprechend wird in einem zweiten Ausführungsbeispiel das diffraktive optische Element 7 als statistische diffraktive Phasenstruktur konfiguriert. Eine solche statistische diffraktive Phasenstruktur kann beispielsweise unter Verwendung eines iterativen Fouriertransformations-Algorithmus berechnet werden. Hierbei wird beispielsweise eine statistische (zufällige) oder im Wesentlichen statistische Phasenverteilung in einer Ebene des homogenisierten Strahlprofils angenommen und durch mehrere Iterationen die transversale Phasenverteilung in der Ebene des diffraktiven optischen Elements berechnet.
Fig. 5a illustriert die transversale Phasenverteilung in der Ebene des diffraktiven optischen Elements 7 im Lasersystem 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Grauwerte repräsentieren den Phasenwinkel in Radiant. Die diffraktive Struktur des diffraktiven optischen Elements 7 ist als statistische diffraktive Phasenstruktur konfiguriert. Fig. 5b illustriert die Leistungsdichteverteilung in der Ebene der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4, wobei die Grauwerte willkürliche Einheiten repräsentieren. Im zweiten Ausführungsbeispiel erzeugt die statistische diffraktive Phasenstruktur punktförmige Schwankungen im Plateaubereich der Leistungsdichteverteilung. Diese Schwankungen werden durch die Modenmischung in der Multimodenfaser 4 abgeschwächt und sind im Top-Hat-angenäherten Strahlprofil, welches sich im Bearbeitungsfokus 21 befindet, nicht mehr zu erkennen.
Fig. 5c zeigt die transversale Phasenverteilung in der Ebene der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 im Lasersystem 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Grauwerte repräsentieren die Phasenwerte in Radiant. Ein Vergleich zwischen den Fign. 4c und 5c zeigt, dass durch die statistische diffraktive Phasenstruktur das Licht auf der Lichteintrittsfläche 10 der Multimodenfaser 4 keine plane Wellenfront mehr bildet. Hingegen ist auf der Lichteintrittsfläche 10 die Phasenverteilung eher statistischer Natur. Es konnte gezeigt werden, dass dadurch eine größere Modenmischung in der Multimodenfaser 4 erreicht werden kann. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich dadurch zusätzlich eine Anregung von Moden in der Multimodenfaser 4, welche keine rotationssymmetrischen Feldverteilungen aufweisen, wodurch sich die Anzahl der propagierenden Moden erhöht. Damit kann der Interferenzkontrast im Top-Hat-angenäherten Strahlprofil, welches sich im Bearbeitungsfokus 21 befindet, abgesenkt und eine längere Propagationsdistanz D im Bearbeitungsbereich erhalten werden.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel weist der Strahlhomogeni- sierer 5 zwei diffraktive optische Elemente auf. Ein erstes der zwei diffraktiven optischen Elemente erzeugt das homogenisierte Strahlprofi! und das zweite diffraktive optische Element heilt Phasenstörungen. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die Homogenität des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils ihm Bearbeitungsfokus 21 weiter erhöht und ferner eine noch größere Propagationsdistanz D im Bearbeitungsbereich erzeugt werden kann.
Es ist ferner denkbar, dass der Strahlhomogenisierer 5 eine optische Verzögerungsvorrichtung aufweist, welche einen ersten Teil des Laserstrahls relativ zu mindestens einem zweiten Teil des Laserstrahls verzögert. Der erste Teil durchläuft eine Verzögerungsstrecke, während der zweite Teil die Verzögerungsstrecke umgeht. Die Verzögerungsvorrichtung kann stromaufwärts eines diffrakti- ven optischen Elements (wie das in Fig. 1 gezeigte diffraktive optische Element 7) angeordnet sein, mit dessen Hilfe die Homogenisierung des auf den Strahlhomogenisierer eintreffenden Laserstrahls erfolgt. Eine optische Weglänge der Verzögerungsstrecke kann länger sein als eine longitudinale Kohärenzlänge des Laserstrahls, welches auf die Verzögerungsvorrichtung einfällt. Die Verzögerungsvorrichtung kann so konfiguriert sein, dass der erste Teil des Laserstrahls mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels vom zweiten Teil des Laserstrahls separiert wird.
Beispiele für solche Verzögerungsvorrichtungen sind beispielsweise in US 2008/0225904 A1 und US 7,486,707 B2 offenbart, welche jeweils durch Verweis vollumfänglich einbezogen werden. Durch die Verzögerungsvorrichtung können Schwankungen in der Leistungs- bzw. Energiedichteverteilung des homogenisierten Strahlprofils auf der Lichteintrittsfläche 10 der Muitimodenfaser 4 verringert werden. Es hat sich gezeigt, dass dies zu einer Erhöhung der Homogenität des Top-Hat-angenäherten Strahlprofils im Bearbeitungsfokus 21 und zu einer größeren Propagationsdistanz D im Bearbeitungsbereich führt.
Von dem in Fig. 1 gezeigten Lasersystem unterscheidet sich das in Fig. 6 gezeigte Lasersystem 1 lediglich dadurch, dass hier der Strahlhomogenisierer 5' das diffraktives optisches Elements (DOE) 7 zur Erzeugung eines Multispot- Strahlprofils aus dem gaußförmigen Strahlprofil sowie die Muitimodenfaser 4 aufweist, die zu einer Muiti-Modenanregung in der Multimodenfaser 4 unter Verwendung des Multispot-Strahlprofils ausgebildet ist.
Ein Grundmode-Strahl wird durch das Teleskop 13 aufgeweitet und propagiert koilimiert durch ein 7, welches nach Fokussierung ein Multispot-Profil erzeugt. Dieses wird auf die einkopplungsseitige Faserendfläche 10 der Multimodefaser 4 abgebildet und regt eine Vielzahl von Moden in dieser Multimodefaser 4 an, sodass Modeninterferenz reduziert wird. Hierbei verringert die hohe Anzahl an Moden den I nterferenzkontrast, sodass das Strahlprofil am Faserausgang homogener ist. Hierbei muss die Höhe der eingeschriebenen Ortsfrequenz an die jeweilige Faser-NA (Akzeptanzwinkel) angepasst sein. Die Abbildungsoptik 6 bestehend aus den Linsen 15, 16, kann aber auch weggelassen werden, wenn die Linse 8 geeignet gewählt werden kann. Dies verkürzt den Aufbau deutlich (2f Aufbau statt 6f).
Die Wirkungsweise der Multispotanregung der Multimodefaser 4 kann wie folgt beschrieben werden. Ein grundmodiger Gaussstrahl wird auf die Faserendfläche der Multimodefaser 4 mit einem Kerndurchmesser von ΙΟΟμιτι und einer numerischen Apertur von NA - 0,2 abgebildet, wobei die Spotgröße des anregenden Strahls 15μιη (NA = 0,1) beträgt. In Fig. 7 wird nun das gemessene Strahlprofil am Ende einer 20m langen Multimodefaser 4 für eine zentrale A regung (Fig. 7a), einen Offset von etwa einem halben Kerndurchmesser (Fig. 7b) und für einen Offset von etwas weniger als einem Kerndurchmesser dargestellt (Fig. 7c). Die drei Einkoppelsituationen unterscheiden sich hauptsächlich durch die Gruppe an Moden der Multimodefaser 4, die angeregt wird. Für zentrale Anregung erkennt man, dass vornehmlich Moden mit Rotationssymmetrie angeregt wurden. In den anderen Fällen werden zwar Moden ohne radiale Symmetrie angeregt, allerdings können nun Moden mit radialer Symmetrie nicht mehr angeregt werden. Alle drei Fälle lassen Inhomogenitäten durch Modeninterferenz erkennen. Des Weiteren kann man feststellen, dass sich in den drei dargestellten Situationen zwar die Gruppe der angeregten Moden verändert hat, die numerische Apertur der eingekoppelten Strahlung am Fasereingang aber meist im Wesentlichen der numerischen Apertur der Strahlung am Faserausgang entspricht. Insgesamt lässt sich aus dieser Betrachtung ableiten, dass eine Multispot- Modenanregung mit einer geeigneten Gewichtung der einzelnen Spots dazu führt, dass die Einkoppelbedingungen für Moden verschiedener Symmetriegruppen gleichzeitig erfüllt werden und sich am Ausgang der Multimodenfaser 4 ein Top-Hat-angenähertes Strahlprofil ergibt. Insbesondere werden zum Beispiel radial symmetrische und radial anti-symmetrische Moden angeregt (on- und off-axis Einkopplung). Dieses Vorgehen erhöht die Anzahl der angeregten Moden und sorgt für eine bessere Durchmischung (Moden verschiedener Symmetriegruppen), sodass der Interferenzkontrast am Faserausgang reduziert wird.
Fig. 8a zeigt die Phasenmaske eines eindimensionalen DOE 7 und Fig. 8b das zugehörige Intensitätsprofil in Form einer Multispotverteilung. Fig. 9a zeigt die Phasenmaske eines zweidimensionalen DOE 7 und Fig. 9b das zugehörige Intensitätsprofil Form einer Multispotverteilung. Der Kreis im Intensitätsprofil entspricht dem Faserkern der Multimodefaser 4, in die eingekoppelt werden soll. Bei Verwendung zweier diffraktiver optischer Elemente kann das erste Element das Ziel-Strahlprofil generieren und das zweite Element Phasenstörungen heilen, um einen propagierenden Supergauß/Top-Hat zu erzeugen
Alternativ zum diffraktiven Ansatz (DOE) kann auch eine refraktive Strahlteilung, z.B. in Form von Mikrolinsenarrays, eingesetzt werden.

Claims

Ansprüche
1 , Lasersystem (1 ), umfassend
einen Strahlhomogenisierer (5) zur Homogenisierung eines einzigen Laserstrahls (3) mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energiedichteverteilung oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls (3) repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil;
wobei die Homogenisierung unter Verwendung eines optischen Elements des Strahlhomogenisierers (5) erfolgt, welches aus dem gaußförmigen Strahlprofil ein homogenisiertes Strahlprofil erzeugt und als refraktives, re- flektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist; und wobei das Lasersystem (1 ) ferner eine Multimodenfaser (4) aufweist und konfiguriert ist zu einer Modenanregung in der Multimodenfaser (4) unter Verwendung des homogenisierten Strahlprofils.
2. Lasersystem (1 ), umfassend
einen Strahlhomogenisierer (5') zur Homogenisierung eines einzigen Laserstrahls (3)mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls (3)repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil,
wobei die Homogenisierung unter Verwendung mindestens eines optischen Elements (7) des Strahlhomogenisierers (5'), welches aus dem gaußförmigen Strahlprofil ein Multispot-Strahlprofil erzeugt und als refraktives, reflektives und/oder diffraktives optisches Element konfiguriert ist, und einer Multimodenfaser (4) des Strahlhomogenisierers (5') erfolgt, die zu einer Multi-Modenanregung in der Multimodenfaser (4) unter Verwendung des Multispot-Strahlprofils konfiguriert ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das homogenisierte Strahlprofil eine Piateaugleichförmigkeit aufweist mit einer Kennzahl, welche geringer ist als 0,3 oder geringer ist als 0,1.
4. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das homogenisierte Strahlprofil eine Flankensteilheit aufweist mit einer Kennzahl geringer als 0,3 oder geringer als 0,1 , bezogen auf Schwellenwerte von 10% und 90% eines Maximalwertes des homogenisierten Strahlprofils.
5. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von zumindest 80% einer Gesamtenergie oder -leistung des homogenisierten Strahlprofils eine Strahlgleichförmigkeit aufweist, welche gleichförmiger ist als ±10% oder gleichförmiger ist als ±2%.
6. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (1 ) so konfiguriert ist, dass das homogenisierte Strahlprofil im Wesentlichen ein Super-Gauß-Strahlprofil mit einer Ordnung größer oder gleich 5 oder größer gleich 10 ist.
7. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (1 ) konfiguriert ist, das homogenisierte Strahlprofil im Wesentlichen an einer Lichteintrittsfläche (10) eines Kerns der Multimodenfaser (4) zu erzeugen, gesehen entlang einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3).
8. Lasersystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine transversale Ausdehnung des homogenisierten Strahlprofils im Wesentlichen einer Lichteintrittsfläche (10) eines Kerns der Multimodenfaser (4) entspricht.
9. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5) so konfiguriert ist, dass der Laserstrahl (3)konvergierend auf eine Lichteintrittsfläche (10) eines Kerns der Multimodenfaser (4) eintrifft.
10 Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch einen Laserverstärker (18) zur Verstärkung zumindest eines Teils des Laserstrahls (3), wobei der Laserverstärker (18) stromabwärts der Multimodenfaser (4) angeordnet ist.
1 1. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt der Multimodenfaser (4) so konfiguriert ist, dass mit Hilfe des Abschnitts zumindest ein Teil des Laserstrahls (3)verstärkbar ist.
12. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5) eine Abbildungsoptik (6) aufweist.
13. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5) eine Kollimationsoptik (1 1) aufweist.
14. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5) eine Strahlanpassungsoptik (13) zur Strahlaufweitung und/oder zur Strahlverengung des eines Laserstrahls (3)aufweist.
15. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element des Strahlhomogenisierers (5) als diffraktives optisches Element (7) konfiguriert ist.
16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element des Strahlhomogenisierers (5) als refrakti- ves optisches Element (15, 16) konfiguriert ist, welches eine oder mehrere, insbesondere asphärische, refraktive optische Fläche aufweist.
17. Lasersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element des Strahlhomogenisierers (5) als re- flektives optisches Element (15, 16) konfiguriert ist, welches eine oder mehrere, insbesondere asphärische, reflektive optische Fläche aufweist.
18. Lasersystem nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des optischen Elements als stochastische Phasenmaske wirkt.
19. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersystem (1) ferner eine Monomodenfaser (2) aufweist, welche stromaufwärts des Strahlhomogenisierers (5) angeordnet ist.
20. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch einen Faserlaser, welcher konfiguriert ist, zumindest einen Teil des Laserstrahls (3)zu erzeugen.
21. Lasersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lasermedium des Faserlasers einen Monomoden-Faserkern aufweist.
22. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5) so konfiguriert ist, dass ein Orts-Frequenzspektrum des homogenisierten Strahl profils unterdrückt ist für jeden Frequenzwert oberhalb einer transversalen Grenz- Ortsfrequenz der ultimodenfaser (4).
23. Lasersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5') zur Erzeugung des Multispot- Strahlprofils mindestens ein diffraktives optisches Element (7) mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske aufweist.
24. Lasersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlhomogenisierer (5') zur Erzeugung des Multispot- Strahlprofiis mindestens ein refraktives optisches Element mit einer ein- oder zweidimensionalen Phasenmaske, insbesondere ein ein- oder zweidimensionalen Mikrolinsenarray, aufweist.
25. Verfahren zum Homogenisieren eines einzigen Laserstrahls (3)mit einem im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil, das eine zweidimensionale Energie- oder Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls (3)repräsentiert, zu einem homogenisierten Strahlprofil, insbesondere zu einem TopHat- Strahlprofil, wobei das Strahlprofil in einer Multimodenfaser (4) zu einer Modenanregung führt.
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