WO2019243042A1 - Optische anordnung und lasersystem - Google Patents

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WO2019243042A1
WO2019243042A1 PCT/EP2019/064581 EP2019064581W WO2019243042A1 WO 2019243042 A1 WO2019243042 A1 WO 2019243042A1 EP 2019064581 W EP2019064581 W EP 2019064581W WO 2019243042 A1 WO2019243042 A1 WO 2019243042A1
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aperture
optics
optical arrangement
line
designed
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Torsten Beck
Daniel FLAMM
Andreas Heimes
Julian Hellstern
Christian LINGEL
Felix MARSCHALL
Silke Thierfelder
Christoph Tillkorn
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • Input laser beam described in a linear output beam and a laser system comprising such an optical arrangement.
  • the laser systems mentioned are used to generate a particularly high-intensity radiation with a
  • Intensity distribution which has a line-like beam cross section.
  • the axis defined by the linear expansion is referred to as the "long axis" of the intensity distribution.
  • An axis perpendicular to the line direction and perpendicular to the direction of propagation is also referred to as the "short axis".
  • Direction of propagation (z) define an oriented, right-handed, Cartesian coordinate system.
  • Such beam profiles are used, for example, to process the surfaces of glasses or semiconductors (e.g. tempering, annealing).
  • the line-like beam profile is scanned essentially perpendicular to the long axis over the surface to be processed.
  • the radiation can e.g. Umkristallisationsreae,
  • the intensity profile along the long axis has an essentially homogeneous, essentially constant intensity curve.
  • the process result in the above-mentioned machining processes also depends strongly on the intensity curve along the short axis. For example, unintended peaks in the Intensity course or too steep flanks of the
  • the beam profile along the short axis has a constant course in some areas with sloping slopes.
  • the object of the present invention is to achieve an intensity distribution with as homogeneous as possible
  • the intensity distribution should be adaptable for different areas of application.
  • optical arrangement is one
  • the output beam spreads (on a spatial average) in a direction of propagation and has an intensity distribution which is in an optical one
  • the optical arrangement comprises a shaping optics with an input aperture through which the input laser beam can be irradiated, and an elongated one
  • the exit aperture extends oblong along a longitudinal direction of the aperture. In this respect, the dimension of the initial aperture along the
  • the shaping optics is designed in such a way that the input laser beam radiated through the input aperture is converted into a beam packet which is in a
  • Beam package in particular includes a variety of
  • the optical arrangement also includes one
  • Homogenization optics which are arranged in such a way that the beam packet emerging from the forming optics is detected and which is designed to convert the emerging beam packet into the desired, line-like
  • the longitudinal direction of the aperture is not parallel to the line direction. Rather, the longitudinal direction of the aperture rotates with respect to the line direction around the direction of propagation by a non-vanishing angle of rotation. In this respect, the longitudinal direction of the aperture and the line direction in projection on a plane perpendicular to the
  • Direction of propagation (i.e. in the x-y plane) considers the angle of rotation with one another.
  • the angle of rotation can be defined as the acute angle included in the mathematically positive sense between the line direction and the longitudinal direction of the aperture
  • the angle of rotation can also be defined by the amount of the acute angle enclosed between the longitudinal direction of the aperture and the direction of the line.
  • the intensity profile of the output beam along the long axis (x) differs significantly from the intensity profile along the short axis (y).
  • the intensity distribution along the long axis (x) is largely homogeneous due to the homogenization optics.
  • the intensity distribution has a largely constant course along the line direction or long axis (x) and falls off at the edge with comparatively steep flanks (so-called "top hat profile"). Due to the homogenization optics, the intensities of the beam segments emerging adjacent along the longitudinal direction of the aperture become additive along the line direction
  • Adjacent beam segments of the beam packet are offset from one another along the short axis (y). This means that the contributions of the individual beam segments along the short axis vary depending on the location and therefore the
  • Intensity distribution after homogenization has an inclined flank along the short axis.
  • the inclination of the flank or the flank steepness is dependent on the angle of rotation and can therefore also be continuously adjusted via the angle of rotation. If a firmly defined one
  • the holder can also be designed to be stationary or the exit aperture
  • the output beam has a region-wise area due to the homogenization along the long axis (y)
  • the angle of rotation is preferably greater than 0 ° and less than 90 °.
  • the shaping optics can be adjusted using an adjustable bracket be held in the optical arrangement.
  • Edge steepness of the intensity distribution can be set along the short axis and the output beam can thus be adapted to different areas of application.
  • the holder is preferably designed such that the angle of rotation can be continuously adjusted.
  • the shaping optics is preferably designed to generate a beam packet upon irradiation of a coherent input laser beam through the input aperture (ie an input laser beam that has spatial coherence over the entire extent of the input aperture) or upon irradiation of an at least partially coherent input laser beam that emerges from the output aperture and which has a reduced spatial coherence, preferably has a significantly reduced spatial coherence or is incoherent. This reduces or completely avoids interference effects during the homogenization following in the beam path. Such interference effects can lead to unintentional intensity extremes and thus the process results at the beginning
  • the described reduction or elimination of the spatial coherence can be achieved, for example, by the shaping optics being designed such that for
  • Adjacent beam segments of an input laser beam are provided with different optical path lengths when they pass through the shaping optics.
  • the Forming optics designed so that neighboring
  • Beam segments of an input laser beam as they pass through the shaping optics are rearranged in such a way that the beam segments of the emerging beam packet which exit through the exit aperture have covered different optical path lengths.
  • Path lengths for beam segments entering opposite and marginal areas of the entrance aperture differ by a value that is greater than that
  • the forming optics are preferably plate-like and
  • the shaping optics has a plate front side and a plate rear side running essentially parallel to the plate front side.
  • the front and back of the plate form the large boundary surfaces of a flat plate.
  • an area of the plate front is designed as an entrance aperture, and an area of the
  • the back of the plate provides the exit aperture.
  • the shaping optics is designed in particular in such a way that beam segments of an input laser beam, after coupling through the input aperture, are guided to the output aperture by at least one, preferably multiple, reflection on the plate front side and the plate rear side. The number of reflections depends in particular on the beam position and the beam angle at the Entrance aperture. In this respect lay different
  • Beam segments of the input laser beam back different optical path lengths.
  • the zoom segments of the input laser beam back different optical path lengths.
  • the entrance aperture or the exit aperture can be any one of the entrance aperture or the exit aperture.
  • the plate front and the plate back which do not act as an entrance aperture or exit aperture, can be designed to be mirrored, in particular provided with a reflective coating.
  • configurations can also be advantageous in which the injected beams are guided by total internal reflection between the front side of the plate and the back of the plate, so that a reflective coating can be omitted.
  • the properties of the emerging beam package can be adjusted by aligning the shaping optics mentioned
  • the adjustable holder for the shaping optics is designed such that also
  • Exit aperture influenced.
  • the angles and positions of the beam segments when exiting the exit aperture are influenced by rotating the forming optics about the longitudinal direction of the aperture.
  • the number of internal reflections and thus the optical path lengths when passing through the forming optics can be influenced.
  • the adjustable bracket for the forming optics is
  • the shaping optics can also be rotated by an angle of rotation about an axis perpendicular to the longitudinal direction of the aperture and perpendicular to the direction of propagation.
  • the extent to which beam segments are separated from one another at the exit aperture can be varied by rotating them about this axis.
  • Beam packets can be influenced.
  • the initial aperture is particularly flat
  • the initial aperture is rectangular and has a long side of the rectangle that runs parallel to the longitudinal direction of the aperture.
  • the initial aperture can also be trapezoidal, polygonal, band-like or
  • the initial aperture basically has a planar extent, which extends along the
  • Aperture longitudinal direction is larger than perpendicular to
  • Area of the edges of the intensity profile can be influenced, which results from the subsequent homogenization.
  • the homogenization optics preferably act in such a way that different beam segments of the steel package which emerges from the shaping optics are not mixed with respect to an axis perpendicular to the line direction and perpendicular to the direction of propagation and / or not with one another
  • Homogenization optics have at least one cylinder lens array along each cylinder axis
  • the cylinder axes perpendicular to the direction of propagation and perpendicular to
  • Line direction that is, are oriented along the short axis (y).
  • the cylindrical lenses are designed in particular without curvature along the short axis (y).
  • the cylindrical lenses are preferably geometrically dimensioned in such a way that the beam packet is composed of a plurality
  • homogenization optics are one
  • the working plane can run in a focus area of the Fourier lens. It is conceivable, for example, that from every area of the detected radiation
  • Beam segments are focused in different, preferably all, areas along the line direction.
  • the homogenization optics can be such
  • the above-mentioned configurations have the effect that the line-like output beam along the line direction (long axis y) is characterized by a large beam parameter product or a large diffraction index M 2 , which is significantly larger than the beam parameter product or the diffraction index with respect to the short axis.
  • the output beam has a high depth of field with respect to the short axis y.
  • Homogenization optics also include transverse optics, which can be designed to focus and / or image the beam packet with respect to the short axis (y) in the working plane or in a focal plane offset from the working plane.
  • the transverse optics act to shape the Beam profile along the short axis.
  • the transverse optics can be arranged with two or more
  • Collective lenses can be formed, which are arranged in succession in the beam path.
  • Beam packets generated in a central focal plane can then be imaged in the working plane with at least one further lens.
  • Homogenization optics an optical low-pass filter for filtering high spatial frequencies with respect to the short axis (y). This can reduce interference artifacts along the short axis (y) which are undesirable
  • Intensity peaks can result in the output beam.
  • Such interference artifacts can arise, for example, when passing through the forming optics.
  • the aforementioned low-pass filtering achieves a smoothed intensity curve along the short axis and thus the
  • a low-pass filter can be implemented in the above-described transverse optics, for example, by imaging the angular spectrum of the beam packet in the central focal plane of the lens arrangement in order to carry out the low-pass filtering there.
  • a slit diaphragm can be arranged in the central focal plane.
  • the slit diaphragm has a slit-like diaphragm opening, which is extended in particular along the long axis (x).
  • the aperture is preferably
  • the laser system comprises a laser light source for emitting laser radiation and an optical arrangement of the type described above.
  • the optical arrangement is arranged such that the input laser beam is fed by the laser light source.
  • the laser light source is particularly suitable for or designed for multi-mode operation.
  • the laser radiation from the laser light source can be radiated directly through the entrance aperture.
  • Input aperture is reshaped using preform optics.
  • the preform optics can be designed, for example, as collimation optics.
  • the preform optics can have an anamorphic effect, so that the input laser beam has an elliptical beam cross section.
  • the line-like intensity distribution can in principle be provided directly in the working plane of the homogenization optics, so that the output beam of the
  • Homogenization optics corresponds precisely to the total intensity distribution of the laser system.
  • the process level can differ from the working level of the optical arrangement.
  • the output beam can also be made in the beam path by means of another beam downstream collimation and focusing optics are redirected and / or reshaped. It can also be advantageous that the beam path is still folded by deflecting mirrors after the homogenization optics. The space required for the laser system can thereby be reduced.
  • Figure 1 Sketch to explain the beam path in a laser system for generating linear
  • Figure 2 Perspective representation of an optical arrangement with preform optics, shaping optics and
  • Figure 3 Sketched representation of a forming optics
  • Figure 8 Sketched representation of an intensity curve along the short axis (y) to explain the
  • Figure 1 shows a sketched representation
  • the laser system 10 comprises at least one laser light source 14 for emitting laser radiation 16.
  • the laser light source 14 is preferably designed as a multi-mode laser.
  • the laser radiation 16 feeds, optionally via preform optics 18, an input laser beam 20.
  • the preform optics 18 can, for example, have a collimating effect and / or Transform laser radiation 16 into an input laser beam 20 with an elliptical beam cross section.
  • the input laser beam 20 is guided through a shaping optics 22 and emerges from it as a beam package 24.
  • the beam packet 24 is converted into an output beam 28 by means of homogenization optics 26, as will be explained in more detail below.
  • the output beam 28 can optionally be converted into the intensity distribution L by means of collimation and / or focusing optics 30.
  • the forming optics 22 and the homogenizing optics 26 are part of an optical arrangement 32 in which the
  • the optical arrangement 32 can also include the preform optics 18 and / or the collimation / focusing optics 30.
  • Figure 2 shows a perspective view
  • the laser radiation 16 is first converted into the input laser beam 20 by means of deflecting mirrors 34 and / or lens means 36.
  • they are optical elements of the preform optics 18 are formed such that the input laser beam is elliptical
  • Input laser beam 20 are fed by laser radiation 16 'of at least one further laser light source.
  • Laser light sources can e.g. about a common
  • Deflecting mirror 34 are brought together (dotted and dashed beam path in Figure 2).
  • a Cartesian coordinate system (x, y, z) is shown in FIG. 2 to explain the geometric relationships.
  • the spreads are shown in FIG. 2 to explain the geometric relationships.
  • the elliptical beam cross section 38 has a long axis along the y axis and has a correspondingly small diameter along the x axis.
  • the shaping optics 22 transform the input laser beam 20 into a beam packet 24, which by means of the homogenization optics 26 into one
  • Output beam 40 is converted, which is in a
  • Working plane 42 of the optical arrangement 32 extends linearly along a line direction (x).
  • Forming optics 22 in one possible embodiment.
  • the forming optics is as
  • the forming body 44 has a plate front side 46 and a plate rear side 48 running parallel thereto. A region of the front plate 46 serves as
  • a portion of the back of the plate 48 acts as
  • Light decoupling surface and provides an exit aperture 52 through which the beam packet 24 exits.
  • the forming optics 22 act
  • Beam packets 24 are resorted. This takes place in
  • Beam segments 54a, 54b, 54c coupled into the entrance aperture 50 are guided to the exit aperture 52 by internal reflection in the forming body 44 between the plate front side 46 and the plate rear side 48. Since the beam segments 54a to 54c at different positions through the
  • the beam segments 56a to 56c emerging from the output aperture 52 have traveled different optical path lengths.
  • Forming body 44 is in particular designed such that the optical paths of the different beam segments 56a to 56c are so different from one another that the
  • Beam packet 24 has a greatly reduced spatial coherence, in particular is incoherent. This happens
  • the forming optics 22 is arranged such that the output aperture 52 with respect to the
  • Line direction x is rotated around the z axis. In the example shown, this is indicated by an angle of rotation
  • the longitudinal aperture direction 58 is the direction along which the elongated (rectangular in the example shown) exit aperture 52 extends (see FIG. 3).
  • the forming optics 22 is preferably by means of a
  • adjustable holding device 60 (shown sketched in FIG. 2) held in the optical arrangement 32.
  • the holding device 60 is designed such that the
  • Angle of rotation is continuously adjustable.
  • FIG. 5 schematically represents the mode of operation of the
  • Homogenization optics 26 is basically
  • Homogenization optics arranged in such a way that it detects the beam packet 24 and converts it into the output beam 40, which is linear along the
  • Line direction (x) extends. Different beam segments 56a, 56b, 56c of the beam packet 24 are thereby.
  • the mixing and superimposition of the beam segments of the beam package 24 leads to the output beam 28 being largely homogeneous along the line direction x and having an essentially constant intensity curve.
  • the homogenization optics 26 can have at least one cylindrical lens array 62, which acts on the beam segments 56a, 56b, 56c, ..., so that they overlap in the working plane 42.
  • Homogenization optics can also include a Fourier lens 64, which is designed to focus with respect to the x-axis.
  • the Fourier lens 64 is in particular arranged in such a way that the working plane 42 runs in a focal plane of the Fourier lens 64.
  • the homogenization optics 26 preferably also include a transverse optics 66 (cf. FIG. 6a) which are used for
  • Focusing and / or imaging of the beam packet 24 is set up with respect to the short axis y.
  • the transversal optics 66 comprise a first converging lens 68 and one that follows in the beam path
  • second converging lens 70 In a focal plane 72 corresponds to the first converging lens 68
  • an optical low-pass filter 74 be provided, for example in the form of a slit diaphragm in the focal plane 72.
  • the optical low-pass filter 74 filters high spatial frequencies with respect to the short axis y.
  • the second converging lens 70 is preferably such
  • the focal plane 72 coincides with the object-side focal plane of the second converging lens 70.
  • FIG. 6 b shows a transversal optic with a single effective converging lens 69, which generates an intermediate focus 71 for the beam package 24.
  • the spatial frequencies can be filtered in the intermediate focus 71, e.g. by means of low-pass filter 74.
  • FIG. 6c shows an embodiment with the basic structure as in FIG. 6a, the converging lenses 68 and 70 having different focal lengths. As a result, an imaging scale other than 1: 1 is achieved.
  • Figure 6d is a structure with three
  • the first converging lens 68 in turn generates an intermediate focus 71, in which the filtering with the low-pass filter 74 can take place.
  • the filtering result is imaged into the working plane 42 using an arrangement of two lenses 70a and 70b.
  • FIG. 7 shows in
  • the beam segments 56a to 56f are mixed and superimposed with respect to the long axis x (line direction). Because neighboring due to the angle of rotation
  • Beam segments 56a to 56f are offset from one another along the short axis y, the mixing leads and
  • FIG. 8 shows an example of a course of the intensity of the output beam 40 in the working plane 42 in
  • the intensity I and the location coordinate y are given in dimensionless units.
  • the output beam 40 is shown for a non-vanishing angle of rotation between the longitudinal direction 58 of the aperture
  • the intensity distribution 40 has a largely constant in a central area 78 Course on and falls in edge areas with flanks 76.
  • the flanks 76 result from the fact that, due to the angle of rotation in the edge regions, the beam segments 56a, 56b, 56c, ... of the beam packet 24 make smaller contributions to the output beam 40.
  • the slope of the flanks 76 can be determined by means of the width of an interval of the location coordinates along the short axis y, over which interval the intensity I increases from 10% to 90% of the value in the central region 78 (cf. FIG. 8).
  • a slope triangle can be defined from this, from which the slope can be determined as the quotient of the increase in intensity (80%) and the interval of the location coordinates required for this.
  • FIG. 9 shows schematically the dependence of the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (32) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (20) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (28, 40), das optische System (32) umfassend: - eine Umformoptik (22) aufweisend eine Eingangsapertur (50), und eine länglich ausgebildete Ausgangsapertur (52), die sich länglich entlang einer Aperturlängsrichtung (58) erstreckt, - eine Homogenisierungsoptik (26), welche dazu ausgebildet ist, das aus der Umformoptik (22) austretende Strahlpaket (24) in den linienartigen Ausgangsstrahl (40) umzuwandeln. Die Aperturlängsrichtung (58) verläuft bezüglich der Linienrichtung (x) um die Ausbreitungsrichtung (z) um einen nichtverschwindenden Drehwinkel (α) verdreht. Die Erfindung betrifft auch ein Lasersystem zur Erzeugung einer linienförmigen Intensitätsverteilung.

Description

Titel: Optische Anordnung und Lasersystem
Beschreibung
Eingangslaserstrahls in einen linienförmigen Ausgangsstrahl beschrieben, sowie ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung.
Die genannten Lasersysteme dienen zur Erzeugung einer insbesondere hochintensiven Strahlung mit einer
Intensitätsverteilung, die einen linienartig erstreckten Strahlquerschnitt aufweist. Im Folgenden wird die durch die linienartige Ausdehnung definierte Achse als "lange Achse" der Intensitätsverteilung bezeichnet. Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als "kurze Achse" bezeichnet. Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse sollen die lange Achse (x) , die kurze Achse (y) und die
Ausbreitungsrichtung (z) ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
Derartige Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt, um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten (z.B. Tempering, Annealing) . Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche gescannt. Durch die Strahlung können z.B. Umkristallisationsprozesse,
oberflächliche Schmelzungen, Diffusionsprozesse von
Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden. Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z.B. bei der Herstellung von TFT-Displays , bei der
Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von
Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch
ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz.
Eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der WO 2018/019374 Al beschrieben.
Für die vorstehend genannten Bearbeitungsprozesse ist
Voraussetzung, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist. Das Prozessergebnis bei den genannten Bearbeitungsprozessen hängt aber auch stark von dem Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse ab. Beispielsweise können unbeabsichtigte Spitzen im Intensitätsverlauf oder zu steile Flanken des
Intensitätsprofils die Umkristallisation einer
Halbleiteroberfläche ungünstig beeinflussen oder zu
thermischen Spannungen führen. Je nach Anwendungsgebiet kann es z.B. erwünscht sein, dass das Strahlprofil entlang der kurzen Achse einen bereichsweise konstanten Verlauf mit geneigt abfallenden Flanken aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Intensitätsverteilung mit möglichst homogenem
Intensitätsverlauf entlang der langen Achse bereitzustellen und die Eigenschaften des Intensitätsverlaufs entlang der kurzen Achse im Hinblick auf die gewünschten
Prozessergebnisse zu verbessern. Insbesondere soll die Intensitätsverteilung für verschiedene Einsatzgebiete anpassbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die optische Anordnung ist eine
Vorrichtung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahles in einen Ausgangsstrahl mit linienartigem Intensitätsprofil. Insofern breitet sich der Ausgangsstrahl (im räumlichen Mittel) in eine Ausbreitungsrichtung aus und weist eine Intensitätsverteilung auf, welche in einer optischen
Arbeitsebene der optischen Anordnung einen
Strahlquerschnitt mit linienartigem Verlauf entlang einer Richtung aufweist, welche im vorliegenden Zusammenhang als "Linienrichtung" bezeichnet wird. Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine länglich ausgebildete
Ausgangsapertur. Die Ausgangsapertur erstreckt sich länglich entlang einer Aperturlängsrichtung. Insofern ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der
Aperturlängsrichtung erheblich größer, als die Abmessung senkrecht zur Aperturlängsrichtung.
Die Umformoptik ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein Strahlpaket umgewandelt wird, welches in einer
theoretischen Betrachtungsebene nach der Austrittsapertur insgesamt bereits eine Intensitätsverteilung mit im
Wesentlichen linienförmigen Charakter bildet. Das
Strahlpaket umfasst insbesondere eine Vielzahl von
Strahlsegmenten, die sich insbesondere über längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur
vorzugsweise vollständig ausfüllen.
Die optische Anordnung umfasst außerdem eine
Homogenisierungsoptik, welche derart angeordnet ist, dass das aus der Umformoptik austretende Strahlpaket erfasst wird und welche dazu ausgebildet ist, das austretende Strahlpaket in das gewünschte, linienartige
Intensitätsprofil umzuwandeln. Dabei ist die
Homogenisierungsoptik derart ausgebildet, dass sie
verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung durchmischt und überlagert und dadurch das Intensitätsprofil bezüglich der Linienrichtung homogenisiert wird.
Dabei verläuft die Aperturlängsrichtung nicht parallel zur Linienrichtung. Vielmehr verläuft die Aperturlängsrichtung bezüglich der Linienrichtung um die Ausbreitungsrichtung um einen nicht verschwindenden Drehwinkel verdreht. Insofern schließen die Aperturlängsrichtung und die Linienrichtung in Projektion auf eine Ebene senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung (also in der x-y-Ebene) betrachtet den Drehwinkel miteinander ein. Der Drehwinkel kann als der im mathematisch positiven Sinn zwischen Linienrichtung und Aperturlängsrichtung eingeschlossene, spitze Winkel
definiert sein (d.h. der ausgehend von der x-Achse des kartesischen Koordinantensystems im mathematisch positiven Sinne gemessene Winkel) . Da für das optische Ergebnis im Wesentlichen die betragsmäßige Größe des Drehwinkels ausschlaggebend ist, kann der Drehwinkel auch durch den Betrag des zwischen Aperturlängsrichtung und Linienrichtung eingeschlossenen, spitzen Winkel definiert werden.
Aufgrund der genannten Ausgestaltung unterscheidet sich der Intensitätsverlauf des Ausgangsstrahls entlang der langen Achse (x) deutlich von dem Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse (y) . Entlang der langen Achse (x) ist die Intensitätsverteilung aufgrund der Homogenisierungsoptik weitgehend homogen. Entlang der Linienrichtung bzw. langen Achse (x) weist die Intensitätsverteilung insofern einen weitgehend konstanten Verlauf auf und fällt am Rand mit vergleichsweise steilen Flanken ab (sog. "Top-Hat-Profil " ) . Durch die Homogenisierungsoptik werden die Intensitäten der entlang der Aperturlängsrichtung benachbart austretenden Strahlsegmente additiv entlang der Linienrichtung
überlagert. Aufgrund des verdrehten Verlaufes von
Aperturlängsrichtung und Linienrichtung sind dabei
benachbarte Strahlsegemente des Strahlpakets entlang der kurzen Achse (y) zueinander versetzt. Dies führt dazu, dass die Beiträge der einzelnen Strahlsegmente entlang der kurzen Achse ortsabhängig variieren und daher die
Intensitätsverteilung nach Homogenisierung eine geneigte Flanke im Verlauf entlang der kurzen Achse aufweist. Die Neigung der Flanke bzw. die Flankensteilheit ist dabei von dem Drehwinkel abhängig und somit auch über den Drehwinkel kontinuierlich einstellbar. Wenn eine fest definierte
Flankensteilheit erwünscht ist, kann die Halterung auch ortsfest ausgebildet sein oder die Ausgangsapertur
entsprechend geneigt ausgebildet sein.
Somit weist der Ausgangsstrahl in einer Darstellung des Intensitätsprofils in Abhängigkeit einer Ortskoordinate entlang der kurzen Achse (x) aufgrund der Homogenisierung entlang der langen Achse (y) einen bereichsweise im
Wesentlichen konstanten Wert auf und fällt beidseitig mit Flanken auf den Bezugswert (Null) ab.
Der Drehwinkel ist vorzugsweise größer als 0° und kleiner als 90°.
Um den Drehwinkel kontinuierlich einstellbar zu machen, kann die Umformoptik mittels einer einstellbaren Halterung in der optischen Anordnung gehaltert sein. Durch Veränderung des Drehwinkels kann wie erläutert die
Flankensteilheit der Intensitätsverteilung entlang der kurzen Achse eingestellt werden und der Ausgangsstrahl somit an verschiedene Anwendungsgebiete angepasst werden. Vorzugsweise ist die Halterung derart ausgebildet, dass der Drehwinkel kontinuierlich einstellbar ist.
Die Umformoptik ist vorzugsweise dazu ausgebildet, bei Einstrahlung eines kohärenten Eingangslaserstrahls durch die Eingangsapertur (d.h. eines Eingangslaserstrahls, der über die gesamte Ausdehnung der Eingangsapertur räumliche Kohärenz aufweist) oder bei Einstrahlung eines zumindest partiell kohärenten Eingangslaserstrahls ein Strahlpaket zu erzeugen, das aus der Ausgangsapertur austritt und welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, vorzugsweise eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder inkohärent ist. Dadurch werden Interferenzeffekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung reduziert bzw. gänzlich vermieden. Derartige Interferenzeffekte können zu unbeabsichtigten Intensitätsextrema führen und dadurch die Prozessergebnisse bei der eingangs
beschriebenen Oberflächenbearbeitung beeinträchtigen.
Die beschriebene Reduzierung bzw. Aufhebung der räumlichen Kohärenz kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass für
benachbarte Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik unterschiedliche optische Weglängen bereitgestellt werden. Insbesondere ist die Umformoptik derart ausgestaltet, dass benachbarte
Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls beim Durchtritt durch die Umformoptik derart umsortiert werden, dass die Strahlsegmente des austretenden Strahlpakets, welche durch die Ausgangsapertur austreten, unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben. Insbesondere ist die
Umformoptik derart ausgestaltet, dass die optischen
Weglängen für Strahlsegmente, die an gegenüberliegenden und randständigen Bereichen der Eingangsapertur eintreten, sich um einen Wert unterscheiden, der größer ist, als die
Kohärenzlänge des Eingangslaserstrahls.
Vorzugsweise ist die Umformoptik plattenartig und
einstückig aus einem Material ausgebildet, das für die Wellenlänge des Eingangslaserstrahls optisch durchlässig bzw. transparent ist. Die Umformoptik weist insofern eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel zur Plattenvorderseite verlaufende Plattenrückseite auf.
Plattenvorderseite und Plattenrückseite bilden insofern die großen Begrenzungsflächen einer sich flächig erstreckenden Platte. Insbesondere ist ein Bereich der Plattenvorderseite als Eingangsapertur ausgestaltet, und ein Bereich der
Plattenrückseite stellt die Ausgangsapertur bereit. Die Umformoptik ist dabei insbesondere derart ausgebildet, dass Strahlsegmente eines Eingangslaserstrahls nach Einkopplung durch die Eingangsapertur durch mindestens einmalige, bevorzugs vielfache, Reflexion an der Plattenvorderseite und der Plattenrückseite zur Ausgangsapertur geleitet werden. Die Zahl der Reflexionen hängt insbesondere von der Einstrahlposition und dem Einstrahlwinkel an der Eingangsapertur ab. Insofern legen unterschiedliche
Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls unterschiedliche optische Weglängen zurück. Insbesondere erfolgt die
Reflexion derart, dass unterschiedliche (insbesondere benachbarte) Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls beim Durchlaufen der Umformoptik umsortiert werden und als
Ausgangsstrahlsegmente durch die Ausgangsapertur austreten.
Die Eingangsapertur bzw. die Ausgangsapertur können
insofern als volltransparente Lichteinkoppelfläche bzw. Lichtauskoppelfläche ausgebildet sein. Die übrigen Bereiche der Plattenvorderseite und der Plattenrückseite, die nicht als Eingangsapertur oder Ausgangsapertur wirken, können verspiegelt ausgestaltet sein, insbesondere mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein. Vorteilhaft können aber auch Ausgestaltungen sein, bei welchen die eingekoppelten Strahlen durch interne Totalreflexion zwischen Plattenvorderseite und Plattenrückseite geleitet werden, so dass eine reflektierende Beschichtung entfallen kann .
Durch die Ausrichtung der genannten Umformoptik lassen sich die Eigenschaften des austretenden Strahlpakets
beeinflussen. Insbesondere ist die einstellbare Halterung für die Umformoptik derart ausgestaltet, dass auch
Drehwinkel senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung
einstellbar sind (insbesondere um x- und/oder y-Achse) . Durch Verdrehung um die x-Achse und y-Achse werden die Positionen der Strahlsegmente beim Austreten aus der
Austrittsapertur beeinflusst. Insbesondere ist ein Drehwinkel um die Aperturlängsrichtung einstellbar. Durch Verdrehung der Umformoptik um die Aperturlängsrichtung werden die Winkel und Positionen der Strahlsegmente beim Austreten aus der Ausgangsapertur beeinflusst. Insbesondere kann die Zahl der internen Reflexionen und somit die optischen Weglängen beim Durchgang durch die Umformoptik beeinflusst werden. Außerdem kann die Ausdehnung des austretenden Strahlpakets in Richtung senkrecht zur
Aperturlängsrichtung und zur Ausbreitungsrichtung
beeinflusst werden, d.h. die Ausdehnung des Linienprofils in der kurzen Achse (y) .
Die einstellbare Halterung für die Umformoptik ist
vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Umformoptik auch um eine Achse senkrecht zur Aperturlängsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung um einen Drehwinkel verdrehbar ist. Durch Verdrehung um diese Achse kann variiert werden, in welchem Ausmaß Strahlsegmente an der Ausgangsapertur voneinander separiert werden. Insofern kann die Längsausdehnung und Intensität der austretenden
Strahlpakete beeinflusst werden.
Die Ausgangsapertur ist insbesondere als ebene
Lichtaustrittsfläche ausgestaltet. Für die Ausgangsapertur können verschiedene geometrische Formen vorteilhaft sein. Insbesondere ist die Ausgangsapertur rechteckig ausgebildet und weist eine lange Rechteckseite auf, die parallel zur Aperturlängsrichtung verläuft. Die Ausgangsapertur kann jedoch auch trapezförmig, polygonal, bandartig oder
freiformartig verlaufen und eine lange Vorzugsrichtung aufweisen, die sich parallel zur Aperturlängsrichtung erstreckt. Insofern weist die Ausgangsapertur grundsätzlich eine flächige Ausdehnung auf, welche entlang der
Aperturlängsrichtung größer ist, als senkrecht zur
Aperturlängsrichtung. Durch geeignete Formgebung für die Ausgangsapertur kann der genaue Intensitätsverlauf im
Bereich der Flanken des Intensitätsprofils beeinflusst werden, das sich durch die nachfolgende Homogenisierung ergibt .
Die Homogenisierungsoptik wirkt vorzugsweise derart, dass verschiedene Strahlsegmente des Stahlpakets, welches aus der Umformoptik austritt, bezüglich einer Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung nicht durchmischt werden und/oder nicht miteinander
überlagert werden. Beispielsweise umfasst die
Homogenisierungsoptik wenigstens ein Zylinderlinsen-Array mit sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen
erstreckenden Zylinderlinsen, wobei die Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur
Linienrichtung verlaufen, also entlang der kurzen Achse (y) orientiert sind. Die Zylinderlinsen sind insbesondere entlang der kurzen Achse (y) wölbungsfrei ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl
nebeneinander liegender Zylinderlinsen tritt.
Denkbar ist auch, dass die Homogenisierungsoptik eine
Fourierlinse umfasst, welche dazu eingerichtet ist,
Strahlsegmente entlang der langen Achse bzw. der Linienrichtung zu überlagern und zu durchmischen. Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich der Fourierlinse verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung
Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
Grundsätzlich kann die Homogenisierungsoptik derart
ausgebildet sein, dass das aus der Umformoptik austretende Strahlpaket bezüglich der kurzen Achse optisch in die
Arbeitsebene abgebildet wird.
Die genannten Ausgestaltungen bewirken insbesondere, dass der linienartige Ausgangsstrahl entlang der Linienrichtung (lange Achse y) durch ein großes Strahlparameterprodukt bzw. eine große Beugungsmaßzahl M2 charakterisiert ist, welche deutlich größer als das Strahlparameterprodukt bzw. die Beugungsmaßzahl bezüglich der kurzen Achse ist.
Insofern weist der Ausgangsstrahl bezüglich der kurzen Achse y eine hohe Tiefenschärfe auf. Bei Verwendung der genannten optischen Anordnung im Lasersystem wird so die Justierung und Abstimmung der optischen Komponenten
aufeinander vereinfacht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die
Homogenisierungsoptik außerdem eine Transversaloptik, welche zur Fokussierung und/oder Abbildung des Strahlpakets bezüglich der kurzen Achse (y) in die Arbeitsebene oder in eine zur Arbeitsebene versetzte Fokusebene ausgebildet sein kann. Die Transversaloptik wirkt insofern zur Formung des Strahlprofils entlang der kurzen Achse. Insbesondere kann die Transversaloptik als Anordnung mit zwei oder mehr
Sammellinsen ausgebildet sein, welche im Strahlengang aufeinander folgend angeordnet sind. Vorzugsweise wird mittels wenigstens einer Linse ein Zwischenfokus des
Strahlpakets in einer mittleren Brennebene erzeugt. Je nach Ausgestaltung kann der Zwischenfokus dann mit wenigstens einer weiteren Linse in die Arbeitsebene abgebildet werden.
Zur weiteren Ausgestaltung umfasst die
Homogenisierungsoptik einen optischen Tiefpassfilter zur Filterung hoher Raumfrequenzen bezüglich der kurzen Achse (y) . Dadurch können Interferenzartefakte entlang der kurzen Achse (y) vermindert werden, welche zu unerwünschten
Intensitätsspitzen in dem Ausgangsstrahl führen können. Solche Interferenzartefakte können beispielsweise beim Durchlaufen der Umformoptik entstehen. Durch die genannte Tiefpassfilterung wird ein geglätteter Intensitätsverlauf entlang der kurzen Achse erzielt und somit die
Prozessergebnisse bei der Oberflächenbehandlung verbessert. Ein Tiefpassfilter kann bei der vorstehend beschriebenen Transversaloptik beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Winkelspektrum des Strahlpakets in die mittlere Brennebene der Linsenanordnung abgebildet wird, um dort die Tiefpassfilterung vorzunehmen. Beispielsweise kann in der mittleren Brennebene eine Schlitzblende angeordnet sein.
Die Schlitzblende weist eine schlitzartige Blendenöffnung auf, welche insbesondere entlang der langen Achse (x) ausgedehnt ist. Vorzugsweise ist die Blendenöffnung
rechteckig ausgebildet. Die eingangs beschriebene Aufgabe wird auch durch ein
Lasersystem zur Erzeugung von Strahlung mit einer
Intensitätsverteilung mit linienartigem Intensitätsprofil gelöst. Das Lasersystem umfasst eine Laserlichtquelle zur Abgabe von Laserstrahlung sowie eine optische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art. Die optische Anordnung ist derart angeordnet, dass der Eingangslaserstrahl von der Laserlichtquelle gespeist wird.
Die Laserlichtquelle ist insbesondere für den Multi-Moden- Betrieb geeignet oder dazu ausgelegt. Die Laserstrahlung der Laserlichtquelle kann grundsätzlich direkt durch die Eingangsapertur eingestrahlt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Laserstrahlung vor Eintritt in die
Eingangsapertur mittels einer Vorformoptik umgeformt wird. Die Vorformoptik kann beispielsweise als Kollimierungsoptik ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, so dass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
Die linienartige Intensitätsverteilung kann grundsätzlich direkt in der Arbeitsebene der Homogenisierungsoptik bereitgestellt werden, so dass der Ausgangsstrahl der
Homogenisierungsoptik gerade der insgesamt abgegebenen Intensitätsverteilung des Lasersystems entspricht.
Grundsätzlich wird die Intensitätsverteilung des
Lasersystems in einer Prozessebene des Lasersystems
bereitgestellt. Die Prozessebene kann von der Arbeitsebene der optischen Anordnung abweichen. Beispielsweise kann der Ausgangsstrahl noch mittels weiterer, im Strahlengang nachgeordneter Kollimierungs- und Fokussierungsoptiken umgelenkt und/oder umgeformt werden. Vorteilhaft kann auch sein, dass der Strahlengang nach der Homogenisierungsoptik noch durch Umlenkspiegel gefaltet wird. Dadurch kann der erforderliche Bauraum für das Lasersystem verringert werden .
Weitere Einzelheiten und mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben .
Es zeigen:
Figur 1: Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger
Intensitätsverteilungen;
Figur 2: Perspektivische Darstellung einer optischen Anordnung mit Vorformoptik, Umformoptik und
Homogenisierungsoptik;
Figur 3: Skizzierte Darstellung einer Umformoptik;
Figur 4: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung des
Strahlengangs in einer Umformoptik;
Figur 5: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der
Wirkung der Homogenisierungsoptik entlang der langen Achse (Linienrichtung) ; Figur 6a) - 6d) : Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik entlang der kurzen Achse (y) ;
Figur 7: Skizzierte Darstellung zur Erläuterung der
Drehwinkel-Abhängigkeit des Intensitätsprofils;
Figur 8: Skizzierte Darstellung eines Intensitätsverlaufs entlang der kurzen Achse (y) zur Erläuterung der
Flankensteigung; und
Figur 9: Abhängigkeit der Flankensteigung vom Drehwinkel (skizzierte Darstellung) .
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die Figur 1 zeigt in skizzierter Darstellung ein
Lasersystem 10 zur Erzeugung von Strahlung mit einer
Intensitätsverteilung L, welche einen linienförmigen
Strahlquerschnitt in einer Prozessebene 12 aufweist.
Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 14 zur Abgabe von Laserstrahlung 16. Die Laserlichtquelle 14 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung 16 speist, optional über eine Vorformoptik 18, einen Eingangslaserstrahl 20. Die Vorformoptik 18 kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung 16 in einen Eingangslaserstrahl 20 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen.
Der Eingangslaserstrahl 20 wird durch eine Umformoptik 22 geleitet und tritt aus dieser als Strahlpaket 24 aus. Das Strahlpaket 24 wird mittels einer Homogenisierungsoptik 26 in eine Ausgangsstrahl 28 umgewandelt, wie nachfolgend noch näher erläutert. Der Ausgangsstrahl 28 kann optional mittels einer Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 30 in die Intensitätsverteilung L überführt werden.
Für die Bearbeitung großer Flächen kann es erwünscht sein, ein sehr langgestrecktes, linienartiges Intensitätsprofil zu erzielen. Insofern ist es denkbar, mehrere Lasersysteme der genannten Art (10, 10') vorzusehen und derart
anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen L, L' zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
Die Umformoptik 22 und die Homogenisierungsoptik 26 sind Teil einer optischen Anordnung 32, in welcher die
eigentliche Umwandlung der von der Laserlichtquelle 14 abgegebenen Laserstrahlung 16 in die Linienform erfolgt.
Die optische Anordnung 32 kann außerdem die Vorformoptik 18 und/oder die Kollimierungs-/Fokussierungsoptik 30 umfassen.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung zur
Erläuterung der optischen Anordnung 32. Denkbar ist, dass die Laserstrahlung 16 zunächst mittels Umlenkspiegeln 34 und/oder Linsenmitteln 36 in den Eingangslaserstrahl 20 umgeformt wird. Im dargestellten Beispiel sind die optischen Elemente der Vorformoptik 18 derart ausgebildet, dass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen
Strahlquerschnitt 38 aufweist. Ferner kann der
Eingangslaserstrahl 20 von Laserstrahlung 16' wenigstens einer weiteren Laserlichtquelle gespeist werden. Die
Laserstrahlungen 16, 16' der verschiedenen
Laserlichtquellen können z.B. über einen gemeinsamen
Umlenkspiegel 34 zusammengeführt werden (gepunkteter und gestrichelter Strahlengang in Figur 2) .
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in Figur 2 ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. Im dargestellten Beispiel breitet sich der
Eingangslaserstrahl 20 entlang der z-Richtung aus. Der elliptische Strahlquerschnitt 38 weist eine lange Achse entlang der y-Achse auf und hat entsprechend entlang der x- Achse einen geringen Durchmesser.
Wie nachfolgend noch näher erläutert, formt die Umformoptik 22 den Eingangslaserstrahl 20 in ein Strahlpaket 24 um, welches mittels der Homogenisierungsoptik 26 in einen
Ausgangsstrahl 40 umgewandelt wird, die sich in einer
Arbeitsebene 42 der optischen Anordnung 32 linienartig entlang einer Linienrichtung (x) erstreckt.
Die Figur 3 zeigt in skizzierter Darstellung die
Umformoptik 22 in einer möglichen Ausgestaltungsform. Im dargestellten Beispiel ist die Umformoptik als
einstückiger, plattenartiger Umformkörper 44 aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material ausgebildet. Der Umformkörper 44 weist eine Plattenvorderseite 46 und eine parallel hierzu verlaufende Plattenrückseite 48 auf. Ein Bereich der Plattenvorderseite 46 dient als
Lichteinkoppelfläche und stellt eine Eingangsapertur 50 der Umformoptik 22 bereit, durch welche der Eingangslaserstrahl 20 in den Umformkörper 44 eingekoppelt werden kann. Ein Bereich der Plattenrückseite 48 wirkt als
Lichtauskoppelflache und stellt eine Ausgangsapertur 52 bereit, durch welche das Strahlpaket 24 austritt.
Wie in Figur 4 skizziert, wirkt die Umformoptik 22
insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente 54a, 54b, 54c des Eingangslaserstrahls 20 beim Durchlaufen der Umformoptik 22 in Strahlsegmente 56a, 56b, 56c des
Strahlpakets 24 umsortiert werden. Dies erfolgt im
darstellten Beispiel dadurch, dass die durch die
Eingangsapertur 50 eingekoppelten Strahlsegmente 54a, 54b, 54c durch interne Reflexion in den Umformkörper 44 zwischen der Plattenvorderseite 46 und der Plattenrückseite 48 zur Ausgangsapertur 52 geleitet werden. Da die Strahlsegmente 54a bis 54c an verschiedenen Positionen durch die
Eingangsapertur eingekoppelt werden, haben die aus der Ausgangsapertur 52 austretenden Strahlsegmente 56a bis 56c unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt. Der
Umformkörper 44 ist insbesondere derart ausgebildet, dass die optischen Wege der verschiedenen Strahlsegmente 56a bis 56c derart verschieden voneinander sind, dass das
Strahlpaket 24 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dies erfolgt
insbesondere dadurch, dass die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente 56a bis 56c groß im
Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung 16 sind.
Wie in Figur 2 angedeutet, ist die Umformoptik 22 derart angeordnet, dass die Ausgangsapertur 52 bezüglich der
Linienrichtung x um die z-Achse verdreht ist. Dies wird im dargestellten Beispiel durch einen Drehwinkel
charakterisiert, welcher den eingeschlossenen, spitzen Winkel zwischen einer Aperturlängsrichtung 58 der
Ausgangsapertur 52 und der Linienrichtung x definiert. Die Aperturlängsrichtung 58 ist diejenige Richtung, entlang welcher sich die länglich ausgebildete (im dargestellten Beispiel rechteckige) Ausgangsapertur 52 erstreckt (vgl. Figur 3) .
Vorzugsweise ist die Umformoptik 22 mittels einer
einstellbaren Halteeinrichtung 60 (in Figur 2 skizziert dargestellt) in der optischen Anordnung 32 gehaltert. Die Halteeinrichtung 60 ist derart ausgebildet, dass der
Drehwinkel kontinuierlich einstellbar ist.
Die Figur 5 stellt schematisch die Funktionsweise der
Homogenisierungsoptik 26 dar. Grundsätzlich ist die
Homogenisierungsoptik derart angeordnet, dass sie das Strahlpaket 24 erfasst und in den Ausgangsstrahl 40 umwandelt, welcher sich linienartig entlang der
Linienrichtung (x) erstreckt. Dabei werden verschiedene Strahlsegmente 56a, 56b, 56c des Strahlpakets 24
miteinander durchmischt und überlagert, so dass sich in der Arbeitsebene 42 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 22, welche vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente des Strahlpakets 24 dazu, dass der Ausgangsstrahl 28 entlang der Linienrichtung x weitgehend homogen ist und einen im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist .
Beispielsweise kann die Homogenisierungsoptik 26 zumindest ein Zylinderlinsen-Array 62 aufweisen, welches auf die Strahlsegmente 56a, 56b, 56c, ... einwirkt, so dass sie sich in der Arbeitsebene 42 überlagern. Die
Homogenisierungsoptik kann auch eine Fourierlinse 64 umfassen, welche zur Fokussierung bezüglich der x-Achse ausgebildet ist. Die Fourierlinse 64 ist insbesondere derart angeordndet, dass die Arbeitsebene 42 in einer Fokusebene der Fourierlinse 64 verläuft.
Die Homogenisierungsoptik 26 umfasst vorzugsweise auch eine Transversaloptik 66 (vgl. Figur 6a), welche zur
Fokussierung und/oder Abbildung des Strahlpakets 24 bezüglich der kurzen Achse y eingerichtet ist.
Beispielsweise umfasst die Transversaloptik 66 eine erste Sammellinse 68 und eine im Strahlengang folgend
angeordnete, zweite Sammellinse 70. In einer Brennebene 72 der ersten Sammellinse 68 entspricht die
Intensitätsverteilung im Wesentlichen der
Fouriertransformierten des Strahlpakets 24. Zur weiteren Ausgestaltung kann ein optischer Tiefpassfilter 74 vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Schlitzblende in der Brennebene 72. Der optische Tiefpassfilter 74 filtert hohe Raumfrequenzen bezüglich der kurzen Achse y. Vorzugsweise ist die zweite Sammellinse 70 derart
angeordnet, dass die Brennebene 72 mit der obj ektseitigen Brennebene der zweiten Sammellinse 70 zusammenfällt.
Für die Transversaloptik 66 sind grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen denkbar. Insbesondere ist es nicht
zwingend, einen symmetrischen Aufbau wie in Figur 6a vorzusehen. Ebenso sind auch Anordnungen mit mehr als zwei Sammellinsen oder mit nur einer Sammellinse denkbar. In den Figuren 6b bis 6d sind entsprechende Beispiele skizziert. Die Figur 6b zeigt eine Transversaloptik mit einer einzigen wirksamen Sammellinse 69, welche einen Zwischenfokus 71 für das Strahlpaket 24 erzeugt. In dem Zwischenfokus 71 kann eine Filterung der Raumfrequenzen erfolgen, z.B. mittels Tiefpassfilter 74. Die Figur 6c zeigt eine Ausgestaltung mit dem grundsätzlichen Aufbau wie in Figur 6a, wobei die Sammellinsen 68 und 70 unterschiedlichen Brennweiten aufweisen. Dadurch wird ein Abbildungsmaßstab ungleich 1:1 realisiert. In Figur 6d ist ein Aufbau mit drei
Sammellinsen skizziert. Die erste Sammellinse 68 erzeugt wiederum einen Zwischenfokus 71, in welchem die Filterung mit dem Tiefpassfilter 74 erfolgen kann. Das
Filterungsergebnis wird mit einer Anordnung aus zwei Linsen 70a und 70b in die Arbeitsebene 42 abgebildet.
Anhand von Figur 7 wird der Einfluss des Drehwinkels zwischen Aperturlängsrichtung 58 und Linienrichtung x auf den Intensitätsverlauf des Ausgangsstrahls 28 entlang der kurzen Achse y erläutert. Die Figur 7 zeigt in
schematischer Darstellung die Ausgangsapertur 52, welche sich länglich entlang der Aperturlängsrichtung 58
erstreckt. Durch die Ausgangsapertur 52 treten im
dargestellten Beispiel Strahlsegmente 56a bis 56f des
Strahlpakets 24 aus.
Beim Durchlaufen der Homogenisierungsoptik 26 (vgl. Figur 5) werden die Strahlsegmente 56a bis 56f bezüglich der langen Achse x (Linienrichtung) durchmischt und überlagert. Da aufgrund des Drehwinkels jeweils benachbarte
Strahlsegmente 56a bis 56f entlang der kurzen Achse y zueinander versetzt sind, führt die Durchmischung und
Überlagerung dazu, dass der Ausgangsstrahl 28 entlang der kurzen Achse y einen trapezartigen Verlauf aufweist. Durch Einstellung des Drehwinkels kann die Steigung von Flanken 76, des Intensitätsverlaufs des Ausgangsstrahls 28 entlang der kurzen Achse y beeinflusst werden.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Intensität des Ausgangsstrahls 40 in der Arbeitsebene 42 in
Abhängigkeit einer Ortskoordinate entlang der kurzen Achse y. Hierbei sind die Intensität I und die Ortskoordinate y in dimensionslosen Einheiten angegeben. Dargestellt ist der Ausgangsstrahl 40 für einen nichtverschwindenden Drehwinkel zwischen der Aperturlängsrichtung 58 und der
Linienrichtung x. Aufgrund der Homogenisierung durch die Homogenisierungsoptik 26 weist die Intensitätsverteilung 40 in einem mittigen Bereich 78 einen weitgehend konstanten Verlauf auf und fällt in Randbereichen mit Flanken 76 ab. Die Flanken 76 ergeben sich dadurch, dass aufgrund des Drehwinkels in den Randbereichen die Strahlsegmente 56a, 56b, 56c, ... des Strahlpakets 24 geringere Beiträge zu dem Ausgangsstrahl 40 liefern. Die Steigung der Flanken 76 kann mittels der Breite eines Intervalls der Ortskoordinaten entlang der kurzen Achse y ermittelt werden, über welches Intervall die Intensität I von 10% auf 90% des Wertes im mittigen Bereich 78 ansteigt (vgl. Figur 8) . Hiermit kann ein Steigungsdreieck definiert werden, aus dem die Steigung als Quotient des Intensitätsanstiegs (80%) und dem dafür erforderlichen Intervall der Ortskoordinaten ermittelt werden kann. In der Figur 9 ist schematisch die Abhängigkeit der
Steigung (m) der Flanken von dem Drehwinkel dargestellt. Im Bereich kleiner Winkel (Kleinwinkelnäherung) nimmt die Steigung der Flanken 76 im Wesentlichen proportional zum Drehwinkel ab.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung (32) zur Umwandlung eines
Eingangslaserstrahls (20) in einen linienartigen
Ausgangsstrahl (28, 40), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene (42) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten
Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, das optische System (32) umfassend:
- eine Umformoptik (22) aufweisend eine
Eingangsapertur (50), durch welche der
Eingangslaserstrahl (20) einstrahlbar ist, und eine länglich ausgebildete Ausgangsapertur (52), die sich länglich entlang einer Aperturlängsrichtung (58) erstreckt,
wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur (50) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (20) in ein durch die
Ausgangsapertur (52) austretendes Strahlpaket (24) umgewandelt wird,
- eine Homogenisierungsoptik (26), welche dazu
ausgebildet ist, das Strahlpaket (24) in den
linienartigen Ausgangsstrahl (40) umzuwandeln, wobei verschiedene Strahlsegmente (56a-56f) des Strahlpakets (24) entlang der Linienrichtung (x) durchmischt und überlagert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturlängsrichtung (58) bezüglich der Linienrichtung (x) um die Ausbreitungsrichtung (z) um einen nichtverschwindenden Drehwinkel ( ) verdreht verläuft.
2. Optische Anordnung (32) nach Anspruch 1, wobei der Drehwinkel ( ) größer 0 Grad und kleiner 90 Grad ist.
3. Optische Anordnung (32) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine einstellbare Halteeinrichtung (60) für die
Umformoptik (22) vorgesehen ist, wobei die
Halteeinrichtung (60) derart ausgebildet ist, dass der Drehwinkel ( ) einstellbar ist.
4. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Umformoptik (22) derart
ausgebildet ist, dass bei Einstrahlung eines
Eingangslaserstrahls (20) mit hoher räumlicher
Kohärenz durch die Eingangsapertur (50) das aus der Ausgangsapertur (52) austretende Strahlpaket (24) eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist.
5. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Umformoptik (22) derart
ausgebildet ist, dass benachbarte Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls (20) beim Durchtritt durch die Umformoptik (22) in Strahlsegmente (56a-56c) des Strahlpakets (24) umsortiert werden, wobei benachbarte Strahlsegmente des Strahlpakets (24) beim Durchlaufen der Umformoptik (22) derart unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben, dass das Strahlpaket (24) eine verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist.
6. Optische Anordnung (32) nach Anspruch 5, wobei die Umformoptik aus einem monolithischen, plattenartigen, transpatentem Material (44) gebildet ist, aufweisend eine Plattenvorderseite (46) und eine im Wesentlichen parallel hierzu verlaufenden Plattenrückseite (48), wobei ein Bereich der Plattenvorderseite (46) die Eingangsapertur (50) bereitstellt und ein Bereich der Plattenrückseite (48) die Ausgangsapertur (52) bereitstellt, wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass Strahlsegmente (54a-54c) eines Eingangslaserstrahls (20) nach Einkopplung durch die Eingangsapertur (50) durch Reflexion an der
Plattenvorderseite (46) und der Plattenrückseite (48) zur Ausgangsapertur (52) geleitet werden.
7. Optische Anordnung nach zumindest den Ansprüchen 3 und 6, wobei die einstellbare Halteeinrichtung (60) außerdem derart ausgebildet ist, dass die Umformoptik (22) auch um die Aperturlängsrichtung (58) verdrehbar ist .
8. Optische Anordnung nach zumindest den Ansprüchen 3 und 6, wobei die einstellbare Halteeinrichtung (60) außerdem derart ausgebildet ist, dass die Umformoptik (22) auch um eine Achse senkrecht zur
Aperturlängsrichtung (58) und zur Ausbreitungsrichtung (z) verdrehbar ist.
9. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ausgangsapertur (52) rechteckig ausgebildet ist und eine lange Rechteckseite parallel zur Aperturlängsrichtung (58) verläuft.
10. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 8, wobei die Ausgangsapertur (52) trapezförmig oder polygonal oder bandartig oder freiformartig verläuft und eine lange Vorzugsrichtung aufweist, welche parallel zur Aperturlängsrichtung (58) verläuft.
11. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Homogenisierungsoptik (26) derart ausgebildet ist, dass verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets (24) bezüglich einer Achse (y) senkrecht zur Linienrichtung (x) und senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung (z) nicht durchmischt und/oder nicht miteinander überlagert werden.
12. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Homogenisierungsoptik (26) eine Transversaloptik (66) zur Fokussierung und/oder optischen Abbildung des Strahlpakets (24) bezüglich einer Achse (y) senkrecht zur Linienrichtung (x) und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) in die
Arbeitsebene (42) oder in eine zur Arbeitsebene versetzte Fokusebene umfasst.
13. Optische Anordnung (32) nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei die Homogenisierungsoptik (26) einen optischen Tiefpassfilter (74) zur Filterung hoher Raumfrequenzen bezüglich einer Achse (y) senkrecht zur Linienrichtung (x) und senkrecht zur
Ausbreitungsrichtung (z) umfasst.
14. Lasersystem (10) zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung (L) , welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil (I) aufweist, umfassend :
- eine Laserlichtquelle (14) zur Abgabe von
Laserstrahlung (16);
- eine optische Anordnung (32) nach einem der
vorherigen Ansprüche, wobei die optische Anordnung (32) derart angeordnet ist, dass der
Eingangslaserstrahl (30) für die Eingangsapertur (50) durch die Laserlichtquelle (14) gespeist wird.
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