WO2021197923A1 - Optische anordnung und lasersystem - Google Patents

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WO2021197923A1
WO2021197923A1 PCT/EP2021/057416 EP2021057416W WO2021197923A1 WO 2021197923 A1 WO2021197923 A1 WO 2021197923A1 EP 2021057416 W EP2021057416 W EP 2021057416W WO 2021197923 A1 WO2021197923 A1 WO 2021197923A1
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optical arrangement
lens array
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lens
line
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PCT/EP2021/057416
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Thomas Zeller
Christoph Tillkorn
Julian Hellstern
Andreas Heimes
Christian LINGEL
Christoph Irion
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for converting an input laser beam into a line-like output beam, as well as a laser system comprising such an optical arrangement.
  • Such laser systems are used to generate, in particular, high-intensity radiation with an intensity distribution which has a beam cross-section extending in a line-like manner.
  • the axis defined by the linear extension is referred to as the “long axis” of the intensity distribution.
  • An axis perpendicular to the linear extent and perpendicular to the Direction of propagation is also referred to as the "short axis”.
  • a local coordinate system should be assumed to describe the geometric relationships of the beam, with the long axis (x), the short axis (y) and the direction of propagation (z) defining an oriented, right-handed, Cartesian coordinate system.
  • the line-like beam profiles mentioned are used, for example, to process surfaces of glasses or semiconductors (e.g. tempering, annealing).
  • the line-like beam profile is scanned over the surface to be processed essentially perpendicular to the long axis.
  • the radiation can trigger e.g. recrystallization processes, superficial melting, diffusion processes of foreign materials into the material to be treated or other phase changes in the area of the surface.
  • Such processing processes are used, for example, in the manufacture of TFT displays, in the doping of semiconductors, in the manufacture of solar cells, but also in the manufacture of aesthetically designed glass surfaces for building purposes.
  • the intensity profile along the long axis is as homogeneous and essentially constant as possible Has intensity profile and the intensity profile along the short axis meets corresponding quality requirements.
  • the intensity profile regularly has local inhomogeneities in the intensity profile, which, for example, due to interference artifacts (e.g. regular diffraction patterns), and / or defects and form errors of optics (e.g. aberration errors), and / or contamination of optics by particles (lead to a shadow cast on the working plane).
  • the present invention is concerned with the task of providing an intensity profile that is as homogeneous as possible.
  • the optical arrangement is a device for converting an input laser beam into an output beam with a linear intensity profile.
  • the output beam spreads (in spatial mean) in one direction of propagation and has one Intensity distribution on which one in an optical working plane of the optical arrangement
  • the line direction is to be understood such that the beam cross-section is elongated locally along the line direction.
  • the optical arrangement comprises a reshaping optics with an input aperture, through which the input laser beam can be radiated, and an output aperture.
  • the exit aperture extends in particular elongated along a longitudinal exit aperture direction.
  • the dimension of the exit aperture along the exit aperture longitudinal direction is considerably larger than the dimension perpendicular to the exit aperture longitudinal direction.
  • the reshaping optics are designed in such a way that the input laser beam irradiated through the input aperture is converted into a beam packet exiting through the output aperture.
  • the beam package already forms an elongated overall after the exit aperture
  • the beam packet comprises a large number of beam segments, which in particular extend over the preferably elongated Distribute the exit aperture and preferably fill the exit aperture completely.
  • a beam packet denotes, in particular, a light distribution which can be mathematically described by a vector field, the Poynting vector of the associated electromagnetic field being assigned locally to each spatial point.
  • the reshaping optics are designed, in particular, to generate a beam packet from a largely coherent input laser beam which has a reduced spatial coherence or is even essentially incoherent.
  • the optical arrangement also includes homogenization optics, which are designed to superimpose and mix different beam segments of the beam packet along the line direction, so that the intensity profile is homogenized with respect to the direction in which the beam cross-section extends elongated.
  • the homogenization optics comprise a first lens array and a second lens array connected downstream of the first lens array in the beam path.
  • a lens array particularly denotes an arrangement of several lenses.
  • the arrangement of the lenses can be irregular or the lenses can be arranged next to one another in a regular pattern.
  • the optical arrangement further comprises a transformation lens means connected downstream of the homogenization optics in the beam path. That
  • Transformation lens means is designed in such a way that the mixed beam segments are superimposed and homogenized to form the line-like output beam.
  • the transformation lens means in particular also contributes to homogenization.
  • the working plane can run in a focus area of the transformation lens means. It is conceivable, for example, that beam segments from each area of the detected radiation are focused into different, preferably all, areas along the line direction.
  • the optical arrangement further comprises a
  • Displacement device which is designed to displace the second lens array of the homogenization optics relative to the first lens array of the homogenization optics.
  • a displacement of the second lens array relative to the first lens array causes, among other things, a change in the intensity distribution of the (mixed) beam packet emerging from the homogenization optics (in the following the mixed beam packet emerging from the homogenization optics is also referred to as the "inter-beam packet").
  • the second lens array is displaced relative to the first lens array a change in the angular distribution of the beam segments of the intermediate beam packet and / or a spatial shift of the beam center of gravity of the intermediate beam packet (ie the center of gravity of the intensity distribution over the beam cross section of the entire intermediate beam packet).
  • a change in the angular distribution of the beam segments of the intermediate beam packet has the consequence that the intermediate beam packet hits the transformation lens means at a different angle, which follows the homogenizing optics in the beam path.
  • Such an angle change at the transformation lens means leads, among other things, to a spatial displacement of the beam's center of gravity of the output beam.
  • the center of gravity of the output beam can be spatially displaced by displacing the second lens array relative to the first lens array. This enables the output beam to be spatially displaced in a time-dependent manner by means of a time-dependent displacement of the second lens array relative to the first lens array and thus to smooth out disruptive interference effects on a time average.
  • a spatial shift of the beam center of gravity of the intermediate beam package has the consequence that the intermediate beam package strikes the transformation lens means at a changed position.
  • Such a spatial Shifting the intermediate beam packet leads, among other things, to a change in the angular distribution of the beam components of the output beam. In other words, by changing the spatial position of the intermediate beam packet, a direction of propagation of the output beam is changed.
  • the displacement device is preferably designed to move the second lens array relative to the first Shifting the lens array in a repetitive motion pattern.
  • the time scales of the change are so short compared to the process times of the field of application of the optical arrangement that a spatially homogeneous intensity is effectively effective along the line direction.
  • Recurring means in particular that an initial configuration is assumed or run through again and again, in the manner of an oscillating movement. This oscillating movement can in principle be periodic or non-periodic.
  • the second lens array is moved back and forth about a reference position.
  • a recurring movement does not take place periodically with a fixed frequency, but with a varying, in particular randomly varying, frequency and / or amplitude, in particular chaotically.
  • the dominant frequency contributions are preferably in a range of 50-150 Hz, in particular in a range of 75-125 Hz (in the present context this means in particular that the Fourier spectrum of the movement pattern has a comparatively high amplitude for the so-called dominant frequency amounts).
  • the displacement device is designed to move the second lens array back and forth along the line direction. Then the center of gravity of the output beam is also moved back and forth along the line direction, i.e. along the long axis.
  • a back and forth movement with a varying, in particular randomly varying, frequency, with the dominant frequency contributions being in a range of 50-150 Hz, further in particular in a range of 75-125 Hz.
  • the displacement device comprises a housing frame and a holding device for holding the second lens array.
  • the holding device is in particular displaceably mounted on the housing frame.
  • the holding device is preferably mounted on the housing frame in such a way that it can be displaced back and forth along the line direction.
  • the holding device is mounted on the housing frame, for example via at least one solid-state bearing. Bearings via a roller bearing or by means of air suspension are also conceivable.
  • a mounting makes it possible in principle to move the holding device back and forth in a swinging movement relative to the housing frame.
  • the displacement device is designed in such a way that the holding device can swing back and forth relative to the housing frame.
  • the rigidity of the bearing (for example of the at least one solid-state bearing) is based on a frequency of an oscillating movement the holding device is matched to the housing frame.
  • the rigidity for coordinating the oscillating movement can, however, also be provided by a separate spring means which couples the holding device to the housing frame.
  • the displacement device preferably comprises an actuator.
  • the actuator can be a motor.
  • the actuator is, for example, a voice coil, a piezo actuator and / or another linear motor.
  • the transformation lens means is designed in particular to superimpose the beam segments (intermediate beam package) mixed by the homogenization optics to form the line-like output beam, so that the desired line-like intensity distribution is established in the working plane.
  • the transformation lens means is preferably designed as refractive Fourier optics or as a Fourier lens (in particular not acting in an imaging manner).
  • a design as a Fresnel zone plate is conceivable.
  • the first and the second lens array each have a multiplicity of cylinder lenses extending along respective cylinder axes.
  • the cylindrical lenses are geometrically dimensioned in such a way that the beam package passes through a large number of cylindrical lenses lying next to one another.
  • An effective homogenization can be achieved, for example, that the respective cylinder axes run perpendicular to the direction of propagation and perpendicular to the direction of the line.
  • the cylinder lenses are designed without any curvature along the respective cylinder axis.
  • the properties of the output beam are also decisively influenced by the design of the forming optics.
  • the optical processes in the forming optics are complex and in particular also have an influence on the spatial coherence of the light distribution, which in turn is crucial for the formation of disruptive
  • the reshaping optics are preferably designed such that when an input laser beam with high spatial coherence is irradiated through the input aperture, the beam packet emerging from the output aperture has a considerably reduced spatial coherence, in particular is incoherent.
  • the beam packet emerging from the output aperture has a considerably reduced spatial coherence, in particular is incoherent.
  • the object described at the beginning is also achieved by a laser system which is designed to produce a line-like output laser beam with a To generate intensity distribution, which has a linear intensity profile in the beam cross-section.
  • the laser system is fed by at least one laser light source for emitting an input laser beam and comprises an optical arrangement of the type described above for converting the input laser beam into the linear output beam.
  • the optical arrangement is arranged in such a way that the input laser beam is fed by the laser light source.
  • the laser light source is particularly suitable or designed for multi-mode operation.
  • the laser radiation from the laser light source can in principle be radiated directly into the optical arrangement.
  • the laser system further comprises preform optics, by means of which the laser radiation is reshaped before it enters the optical arrangement.
  • the preform optics can be designed as collimation optics, for example.
  • the preform optics can have an anamorphic effect, so that the input laser beam has an elliptical beam cross section.
  • FIG. 1 sketch to explain the beam path in a laser system for generating linear intensity distributions
  • FIG. 2 is a sketch to explain the effect of the homogenization optics and the transformation lens center
  • Transform lens means upon displacement of the second lens array relative to the first lens array
  • FIG. 1 shows a sketched illustration of a laser system 10 for generating an output beam 12 which, in a working plane 14, has a line-like beam cross-section extending along a line direction (x-direction) with non-vanishing intensity.
  • the laser system 10 comprises at least one laser light source 16 for emitting laser radiation.
  • the laser light source 16 is preferably designed as a multi-mode laser.
  • the laser radiation feeds an input laser beam 18, optionally via preform optics (not shown).
  • the preform optics can, for example, have a collimating effect and / or transform the laser radiation into an input laser beam 18 with an elliptical beam cross section. It is conceivable, for example, that the laser radiation is first converted into the input laser beam 18 by means of deflecting mirrors and / or lens means.
  • the laser system 10 further comprises an optical arrangement 20 by means of which the input laser beam 18 is converted into the linear output beam 12.
  • a Cartesian coordinate system (x, y, z) is shown in the figures.
  • the input laser beam 18 propagates along the z-direction.
  • the axis defined by the linear extension of the output beam 12 runs along the x-axis (“long axis”).
  • An axis perpendicular to the line direction and perpendicular to the direction of propagation is referred to as the "short axis" (y-axis).
  • the optical arrangement 20 comprises several optical assemblies which are arranged downstream of one another in the beam path. As shown in simplified form in FIG. 1, the input laser beam 18 is first passed through a conversion optics 22, which convert the input laser beam 18 into a beam package 24. The beam package 24 is then mixed by means of homogenization optics 26 and converted into an intermediate beam package 28. The intermediate beam packet 28 finally passes a transformation lens means 30 downstream of the homogenizing optics 26, which the
  • Intermediate beam packet 28 is converted into the line-like output beam 12, which has a largely homogeneous intensity along the line direction x.
  • the optical arrangement can additionally comprise collimating / focusing optics 32 connected downstream of the transformation lens means 30 in the beam path.
  • the reshaping optics 22 has an input aperture 34 through which the input laser beam 18 can be coupled in, and an output aperture 36 through which the beam package 24 exits.
  • the reshaping optics 22 act in particular in such a way that adjacent beam segments of the input laser beam 18 are re-sorted into beam segments of the beam packet 24 as they pass through the reshaping optics 22.
  • the reshaping optics 22 are preferably designed in such a way that when an input laser beam 18 with high spatial coherence is irradiated through the input aperture 34, the beam packet 24 emerging from the output aperture 36 has a greatly reduced spatial coherence, in particular is incoherent.
  • the conversion optics 22 can be designed, for example, in such a way that beam segments of the beam packet 24 emerging from the exit aperture 40 have covered different optical path lengths in the conversion optics 22.
  • the differences in the optical path lengths for the beam segments are large compared to the coherence length of the laser radiation.
  • FIG. 2 schematically shows the structure and mode of operation of the homogenizing optics 26 and the transformation lens means 30.
  • Homogenization optics 26 comprise a first lens array 38 and a second lens array 40 connected downstream of the first lens array in the beam path. As shown by way of example in FIG extend along respective cylinder axes. In the example shown, the respective cylinder axes run orthogonally to the plane of the drawing, ie orthogonally to the (local) direction of propagation (z) and orthogonally to the (local) line direction (x).
  • the cylinder lenses 42 are geometrically dimensioned in such a way that the beam package 24 passes through a plurality of the cylinder lenses 42 lying next to one another. As can be seen from FIG. 2, the lens arrays 38, 40 are arranged in such a way that the cylindrical lenses 42 capture the beam packet 24 and mix and superimpose different beam segments of the beam packet 24 with one another.
  • the beam segments mixed and superimposed in this way form an intermediate beam packet 28, which in the further course strikes the transformation lens means 30 connected downstream of the homogenization optics 26.
  • the transformation lens means 30 is designed in particular to superimpose the beam segments of the intermediate beam packet 28 to form the line-like output beam 12, so that the desired line-like intensity distribution is established in the working plane 14.
  • the transformation lens means 30 is formed by a non-imaging Fourier lens 44.
  • the Fourier lens 44 is arranged in particular such that the working plane 14 runs in a focal plane of the Fourier lens 44 (see FIG. 2).
  • the mixing and superposition of the beam segments of the beam package 24 means that the output beam 12 is already comparatively homogeneous along the (local) line direction x. Nevertheless, local inhomogeneities can occur in the intensity curve. For example, it is conceivable that interference effects become periodic Inhomogeneities lead to inhomogeneities in the course of the intensity (cf. section designated by reference numeral 46 in FIG. 3). Furthermore, it is possible that local impurities in the beam path (for example particles 48 on optical means 50, which are located downstream of the Fourier lens 44) lead to a shadow 52, which leads to a local inhomogeneity in the intensity profile.
  • local impurities in the beam path for example particles 48 on optical means 50, which are located downstream of the Fourier lens 44
  • the aforementioned inhomogeneities in the intensity profile can be reduced by displacing the second lens array 40 relative to the first lens array 38.
  • the optical arrangement 20 has a displacement device 54 (shown schematically in FIGS. 2 and 3).
  • the displacement device 54 is preferably designed to move the second lens array 40 back and forth relative to the first lens array 38, in particular along the line direction x.
  • a displacement of the second lens array 40 relative to the first lens array 38 causes, among other things, a change in the angular distribution of the beam segments of the intermediate beam packet 28 and / or a spatial displacement of the beam center of gravity of the intermediate beam packet 28.
  • a change in the angular distribution of the beam segments of the intermediate beam packet 28 has the consequence that the intermediate beam packet 28 hits the Fourier lens 44 following the homogenization optics 26 at a changed angle.
  • Such an angle change at the Fourier lens 44 leads, among other things, to a spatial shift of the beam center of gravity of the output beam 12 (shown in FIG. 3 at the bottom left as an example for a shift of the second lens array "downward" with dashed lines).
  • the center of gravity of the output beam 12 can be spatially shifted back and forth. In this way, inhomogeneities due to interference effects can be smoothed on average (indicated schematically at the bottom left in FIG. 3).
  • a spatial shift of the beam center of gravity of the intermediate beam packet 28 has the consequence that the intermediate beam packet 28 hits the Fourier lens 44 at a changed position.
  • Such a shift of the intermediate beam packet 28 leads, among other things, to certain areas of the Fourier lens 44 receiving fewer intensity contributions from the intermediate beam packet 28, as a result of which the light distribution of the output beam 12 is given a preferred angle or asymmetry (in FIG a central reference position "upwards").
  • a direction of propagation of the output beam 12 can be changed as a function of time.
  • impurities 48 for example dust particles
  • a shadow 52 generated by such an impurity 48 is also changed over time, so that, on average, a disruptive influence of the shadow on the intensity profile can be smoothed.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of the displacement device 54 is shown in FIG.
  • the displacement device 54 comprises a housing frame 56 and a holding device 58 for holding the second lens array 40.
  • the holding device 58 has, in sections, recesses 60 which serve as windows for the transmission of the laser beam through the lens array 40.
  • the holding device 58 is mounted on the housing frame 56 via a bearing device 62 (comprising, for example, several solid-state bearings) so that the holding device 58 can swing back and forth relative to the housing frame 56. It is preferred here if a bearing rigidity of the bearing device 62 is matched to a frequency of an oscillating movement of the holding device 58 with respect to the housing frame 56.
  • the displacement device furthermore has an actuator 64, which is designed, for example and preferably, as a voice coil 66.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), die optische Anordnung umfassend eine Umformoptik (22) aufweisend eine Eingangsapertur (34) durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur (36), wobei die Umformoptik derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (36) austretendes Strahlpaket (24) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird, die optische Anordnung ferner umfassend eine Homogenisierungsoptik (26) und wenigstens ein Transformationslinsenmittel (30), wobei die Homogenisierungsoptik dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung (x) zu durchmischen, wobei das Transformationslinsenmittel (30) derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente (28) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert werden, wobei die Homogenisierungsoptik ein erstes Linsen-Array und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array umfasst, und wobei die die optische Anordnung ferner eine Verlagerungseinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array relativ zu dem ersten Linsen-Array zu verlagern.

Description

Titel : Optische Anordnung und Lasersystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl, sowie ein Lasersystem umfassend eine solche optische Anordnung.
Solche 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 linienartigen Ausdehnung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als "kurze Achse" bezeichnet. Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse des Strahls soll jeweils ein lokales Koordinatensystem angenommen werden, wobei die lange Achse (x), die kurze Achse (y) und die Ausbreitungsrichtung (z) ein orientiertes, rechtshändiges, kartesisches Koordinatensystem definieren.
Die genannten linienartigen 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 es wichtig, dass das Intensitätsprofil entlang der langen Achse einen möglichst homogenen, im Wesentlichen konstanten Intensitätsverlauf aufweist und das Intensitätsprofil entlang der kurzen Achse entsprechenden Güteanforderungen gerecht wird. In der Praxis weist das Intensitätsprofil jedoch regelmäßig lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auf, welche z.B. durch Interferenzartefakte (bspw. regelmäßige Beugungsmuster), und/oder Defekte und Formfehler von Optiken (bspw. Aberrationsfehler), und/oder Verunreinigungen von Optiken durch Partikel (führen zu einem Schattenwurf auf der Arbeitsebene) hervorgerufen werden.
Zur Reduktion von Interferenzartefakten ist es bekannt, eine Position des Laserstrahls entlang der langen Achse mittels Spiegeln periodisch hin- und her zu bewegen und auf diese Weise einen störenden Einfluss auf den Intensitätsverlauf im zeitlichen Mittel zu glätten. Eine entsprechende optische Anordnung ist beispielsweise in US 2011/0097906 Al beschrieben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, einen möglichst homogenen Intensitätsverlauf bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 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. Da der Strahl beim
Durchlaufen der optischen Anordnung je nach Ausgestaltung einmal oder mehrfach umgelenkt werden kann, ist die Linienrichtung derart zu verstehen, dass der Strahlquerschnitt lokal entlang der Linienrichtung in die Länge gezogen ist.
Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik mit einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur. Die Ausgangsapertur erstreckt sich insbesondere länglich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung. Insbesondere ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur-Längsrichtung erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung. Die Umformoptik ist derart ausgebildet, dass der durch die Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird. Insbesondere bildet das Strahlpaket in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der Ausgangsapertur insgesamt bereits eine längliche
Intensitätsverteilung, insbesondere bereits mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter. Das Strahlpaket umfasst eine Vielzahl von Strahlsegmenten, die sich insbesondere über die vorzugsweise längliche Ausgangsapertur verteilen und die Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig ausfüllen.
Ein Strahlpaket bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Lichtverteilung, welche mathematisch durch ein Vektorfeld beschrieben werden kann, wobei jedem Raumpunkt lokal der Poynting-Vektor des zugehörigen elektromagnetischen Feldes zugeordnet ist.
Die Umformoptik ist insbesondere dazu ausgebildet, aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder sogar im Wesentlichen inkohärent ist.
Die optische Anordnung umfasst außerdem eine Homogenisierungsoptik, welche dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets entlang der Linienrichtung zu überlagern und zu durchmischen, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich derjenigen Richtung homogenisiert ist, in welcher sich der Strahlquerschnitt länglich erstreckt.
Die Homogenisierungsoptik umfasst ein erstes Linsen-Array und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array. Ein Linsen-Array bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Anordnung von mehreren Linsen. Die Anordnung der Linsen kann unregelmäßig sein oder die Linsen können in einem regelmäßigen Muster nebeneinander angeordnet sein. Die optische Anordnung umfasst ferner ein der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Transformationslinsenmittel. Das
Transformationslinsenmittel ist derart ausgebildet, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem linienartigen Ausgangsstrahl überlagert und homogenisiert werden.
Insofern trägt das Transformationslinsenmittel insbesondere auch zur Homogenisierung bei. Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich des Transformationslinsenmittels verlaufen. Denkbar ist beispielsweise, dass von jedem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene, vorzugsweise sämtliche, Bereiche entlang der Linienrichtung fokussiert werden.
Die optische Anordnung umfasst ferner eine
Verlagerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array der Homogenisierungsoptik relativ zu dem ersten Linsen-Array der Homogenisierungsoptik zu verlagern .
Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array bewirkt u.a. eine Veränderung der Intensitätsverteilung des aus der Homogenisierungsoptik austretenden (durchmischten) Strahlpakets (im Folgenden wird das aus der Homogenisierungsoptik austretende durchmischte Strahlpaket auch als "Zwischenstrahlpaket" bezeichnet) . Insbesondere bewirkt eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets (d.h. des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt des gesamten Zwischenstrahlpakets).
Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket unter einem veränderten Winkel auf das Transformationslinsenmittel trifft, welches der Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachfolgt. Eine derartige Winkeländerung an dem Transformationslinsenmittel führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten kann also durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls räumlich verschoben werden. Dies ermöglicht es, durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array den Ausgangsstrahl zeitabhängig räumlich zu verschieben und somit störende Interferenzeffekte im zeitlichen Mittel zu glätten .
Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets hat hingegen zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket an einer veränderten Position auf das Transformationslinsenmittel trifft. Eine solche räumliche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets führt u.a. zu einer Veränderung der Winkelverteilung der Strahlkomponenten des Ausgangsstrahls. Mit anderen Worten wird durch Veränderung der räumlichen Position des Zwischenstrahlpakets eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls verändert.
Durch zeitabhängige Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array können insofern solche Bereiche, welche der optischen Anordnung im Strahlengang nachgeschaltet sind, (bspw. weitere Optikmittel) aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Verunreinigungen im Strahlengang nach der optischen Anordnung (bspw. partikuläre Verunreinigungen auf nachfolgenden Optikmitteln) werden folglich ebenfalls zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet, sodass ein von diesen Verunreinigungen erzeugter Schattenwurf zeitabhängig verändert und somit im Mittel geglättet wird. Hierdurch können durch Schattenwurf erzeugte Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden. Zudem können Inhomogenitäten, welche sich aus Formungenauigkeiten von Optiken ergeben, reduziert werden.
Zusammenfassend ermöglicht es eine derartige optische Anordnung also, lokale Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im zeitlichen Mittel zu glätten und somit ein deutlich verbessertes Prozessergebnis bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken zu erzielen.
Vorzugsweise ist die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet, das zweite Linsen-Array relativ zu dem ersten Linsen-Array in einem wiederkehrenden Bewegungsmuster zu verlagern. Insbesondere sind die Zeitskalen der Veränderung so kurz im Vergleich zu den Prozesszeiten des Anwendungsgebiets der optischen Anordnung, dass effektiv eine räumlich homogene Intensität entlang der Linienrichtung wirksam ist. Wiederkehrend heißt insbesondere, dass eine Ausgangskonfiguration immer wieder eingenommen oder durchlaufen wird, in der Art einer Schwingbewegung. Diese Schwingbewegung kann grundsätzlich periodisch oder nicht-periodisch sein. Es ist denkbar, dass das zweite Linsen-Array um eine Referenzposition hin- und her bewegt wird. Vorzugsweise erfolgt eine wiederkehrende Bewegung aber nicht periodisch mit festgelegter Frequenz, sondern mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Frequenz und/oder Amplitude, insbesondere chaotisch. Vorzugsweise liegen dominierende Frequenzbeiträge in einem Bereich von 50-150 Hz, insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz (dies bedeutet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere, dass das Fourierspektrum des Bewegungsmusters eine vergleichsweise hohe Amplitude bei den sogenannten dominierenden Frequenzbeträgen aufweist).
Um einen besonders homogenen Intensitätsverlauf entlang der Linienrichtung zu erzielen, ist es bevorzugt, wenn die Verlagerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array entlang der Linienrichtung hin- und her zu bewegen. Dann wird der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls ebenfalls entlang der Linienrichtung, also entlang der langen Achse, hin- und her bewegt. Vorzugsweise erfolgt eine hin- und her Bewegung mit variierender, insbesondere zufällig variierender, Frequenz, wobei dominierende Frequenzbeiträge dabei insbesondere in einem Bereich von 50-150 Hz liegen, weiter insbesondere in einem Bereich von 75-125 Hz.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Verlagerungseinrichtung einen Gehäuserahmen und eine Halteeinrichtung zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays. Die Halteeinrichtung ist insbesondere an dem Gehäuserahmen verschiebbar gelagert. Eine solche Ausgestaltung ist robust und ermöglicht eine sichere Halterung des Linsen-Arrays auch bei vergleichsweise schneller Verlagerung.
Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung derart an dem Gehäuserahmen gelagert, dass sie entlang der Linienrichtung hin- und her verschiebbar ist.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Halteeinrichtung an dem Gehäuserahmen gelagert ist, beispielsweise über wenigstens ein Festkörperlager. Denkbar sind auch Lagerungen über ein Wälzlager oder mittels Luftfederung. Eine Lagerung ermöglicht es grundsätzlich, die Halteeinrichtung in einer Schwingbewegung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und her zu verlagern. Insofern ist die Verlagerungseinrichtung derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtung relativ zu dem Gehäuserahmen hin- und herschwingen kann.
In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn eine Steifigkeit der Lagerung (z.B. des wenigstens einen Festkörperlagers) auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung gegenüber dem Gehäuserahmen abgestimmt ist. Die Steifigkeit zur Abstimmung der Schwingbewegung kann aber auch durch ein separates Federmittel bereitgestellt werden, welches die die Halteeinrichtung mit dem Gehäuserahmen koppelt.
Zum Antreiben einer Verschiebebewegung der Halteeinrichtung umfasst die Verlagerungseinrichtung vorzugsweise einen Aktuator. Bei dem Aktuator kann sich um einen Motor handeln. Bei dem Aktuator handelt es sich z.B. um eine Schwingspule, einen Piezo-Aktors und/oder einen sonstigen Linearmotor .
Das Transformationslinsenmittel ist insbesondere dazu ausgebildet, die von der Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlsegmente (Zwischenstrahlpaket) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Zu diesem Zweck ist das Transformationslinsenmittel vorzugsweise als refraktive Fourieroptik ausgebildet bzw. als (insbesondere nicht abbildendend wirkende) Fourierlinse ausgebildet. Denkbar ist z.B. eine Ausgestaltung als Fresnel-Zonenplatte.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung weisen das erste und das zweite Linsen-Array jeweils eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen auf. Für eine besonders effektive Durchmischung der Strahlsegmente des Strahlpakets ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Zylinderlinsen geometrisch derart bemessen sind, dass das Strahlpaket durch eine Vielzahl nebeneinanderliegender Zylinderlinsen tritt.
Eine effektive Homogenisierung lässt sich z.B. dadurch erreichen, dass die jeweiligen Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Linienrichtung verlaufen. Insbesondere sind die Zylinderlinsen entlang der jeweiligen Zylinderachse wölbungsfrei ausgebildet.
Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden auch entscheidend durch die Ausgestaltung der Umformoptik beeinflusst. Die optischen Vorgänge in der Umformoptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend für die Ausbildung störender
Interferenzartefakte ist. Vorzugsweise ist die Umformoptik derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur das aus der Ausgangsapertur austretende Strahlpaket eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Dadurch werden Interferenzeffekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung und/oder Fokussierung reduziert bzw. gänzlich vermieden, wodurch Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf weiter reduziert werden können.
Die eingangs beschriebene Aufgabe wird auch durch ein Lasersystem gelöst, welches dazu ausgebildet ist, einen linienartigen Ausgangslaserstrahl mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, zu erzeugen.
Das Lasersystem wird von wenigstens einer Laserlichtquelle zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls gespeist und umfasst eine optische Anordnung der vorstehend beschriebenen Art zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls in den linienartigen Ausgangsstrahl. 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 in die optische Anordnung eingestrahlt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass das Lasersystem ferner eine Vorformoptik umfasst, mittels derer die Laserstrahlung vor Eintritt in die optische Anordnung umgeformt wird. Die Vorformoptik kann beispielsweise als Kollimierungsoptik ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, sodass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen;
Figur 2 Skizze zur Erläuterung der Wirkung der Homogenisierungsoptik und des Transformationslinsenmitteis;
Figur 3 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs an der Homogenisierungsoptik und dem
Transformationslinsenmittel bei Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays relativ zu dem ersten Linsen-Array; und
Figur 4 skizzierte Darstellung einer bevorzugten
Ausgestaltung einer Verlagerungseinrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
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 eines Ausgangsstrahls 12, welcher in einer Arbeitsebene 14 einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x-Richtung) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 16 zur Abgabe von Laserstrahlung. Die Laserlichtquelle 16 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet. Die Laserstrahlung speist, optional über eine Vorformoptik (nicht dargestellt), einen Eingangslaserstrahl 18. Die Vorformoptik kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung in einen Eingangslaserstrahl 18 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen. Denkbar ist beispielsweise, dass die Laserstrahlung zunächst mittels Umlenkspiegeln und/oder Linsenmitteln in den Eingangslaserstrahl 18 umgeformt wird.
Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 20, mittels welcher der Eingangslaserstrahl 18 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umwandelt wird.
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in den Figuren ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z) dargestellt. In dem dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 18 entlang der z-Richtung aus. Die durch die linienartige Ausdehnung des Ausgangsstrahls 12 definierte Achse verläuft entlang der x-Achse ("lange Achse") . Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird als "kurze Achse" (y-Achse) bezeichnet.
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 zu einer langgestreckten Linie ergänzen.
Die optische Anordnung 20 umfasst mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang einander nachgelagert sind. Wie in Figur 1 vereinfacht dargestellt, wird der Eingangslaserstrahl 18 zunächst durch eine Umformoptik 22 geleitet, welche den Eingangslaserstrahl 18 in ein Strahlpaket 24 umformt. Das Strahlpaket 24 wird im Anschluss mittels einer Homogenisierungsoptik 26 durchmischt und in ein Zwischenstrahlpaket 28 umgewandelt. Das Zwischenstrahlpaket 28 passiert schließlich ein der Homogenisierungsoptik 26 nachgelagertes Transformationslinsenmittel 30, welches das
Zwischenstrahlpaket 28 in den linienartigen Ausgangsstrahl 12 umgewandelt, der entlang der Linienrichtung x eine weitgehend homogene Intensität aufweist.
Optional kann die optische Anordnung zusätzlich eine dem Transformationslinsenmittel 30 im Strahlengang nachgeschaltete Kollimierungs-/Fokussierungsoptik 32 umfassen .
Die Umformoptik 22 weist eine Eingangsapertur 34, durch welche der Eingangslaserstrahl 18 eingekoppelt werden kann, und eine Ausgangsapertur 36, durch welche das Strahlpaket 24 austritt, auf. Die Umformoptik 22 wirkt dabei insbesondere derart, dass benachbarte Strahlsegmente des Eingangslaserstrahls 18 beim Durchlaufen der Umformoptik 22 in Strahlsegmente des Strahlpakets 24 umsortiert werden. Vorzugsweise ist die Umformoptik 22 derart ausgebildet, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls 18 mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur 34 das aus der Ausgangsapertur 36 austretende Strahlpaket 24 eine stark verringerte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist. Zu diesem Zweck kann die Umformoptik 22 beispielsweise derart ausgebildet sein, dass aus der Ausgangsapertur 40 austretende Strahlsegmente des Strahlpakets 24 unterschiedliche optische Weglängen in der Umformoptik 22 zurückgelegt haben. Insbesondere sind die Unterschiede der optischen Weglängen für die Strahlsegmente groß im Vergleich zur Kohärenzlänge der Laserstrahlung.
Die Figur 2 stellt schematisch Aufbau und Funktionsweise der Homogenisierungsoptik 26 und des Transformationslinsenmittels 30 dar. Die
Homogenisierungsoptik 26 umfasst ein erstes Linsen-Array 38 und ein dem ersten Linsen-Array im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen-Array 40. Wie in Figur 2 beispielhaft dargestellt, weisen die Linsen-Arrays 38, 40 jeweils eine Vielzahl von Zylinderlinsen 42 auf, welche sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstrecken. Die jeweiligen Zylinderachsen verlaufen in dem dargestellten Beispiel orthogonal zur Zeichenebene, also orthogonal zur (lokalen) Ausbreitungsrichtung (z) und orthogonal zur (lokalen) Linienrichtung (x). Die Zylinderlinsen 42 sind geometrisch derart bemessen, dass das Strahlpaket 24 durch eine Vielzahl der nebeneinander liegenden Zylinderlinsen 42 tritt. Wie aus Figur 2 ersichtlich, sind die Linsen-Arrays 38, 40 derart angeordnet, dass die Zylinderlinsen 42 das Strahlpaket 24 erfassen und verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets 24 miteinander durchmischen und überlagern.
Die auf diese Weise durchmischten und überlagerten Strahlsegmente bilden ein Zwischenstrahlpaket 28, welches im weiteren Verlauf auf das der Homogenisierungsoptik 26 nachgeschaltete Transformationslinsenmittel 30 trifft.
Das Transformationslinsenmittel 30 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 zu dem linienartigen Ausgangsstrahl 12 zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene 14 die gewünschte linienartige Intensitätsverteilung einstellt. Beispielhaft und bevorzugt ist das Transformationslinsenmittel 30 durch eine nicht abbildende Fourierlinse 44 gebildet. Die Fourierlinse 44 ist insbesondere derart angeordnet, dass die Arbeitsebene 14 in einer Fokusebene der Fourierlinse 44 verläuft (vgl. Figur 2).
Insbesondere im Zusammenspiel mit der Umformoptik 22, welche wie vorstehend erläutert vorzugsweise die Kohärenz des Eingangslaserstrahls 18 weitgehend aufhebt, führt die Durchmischung und Überlagerung der Strahlsegmente des Strahlpakets 24 dazu, dass der Ausgangsstrahl 12 entlang der (lokalen) Linienrichtung x bereits vergleichsweise homogen ist. Dennoch können lokale Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf auftreten. Beispielsweise ist es denkbar, dass Interferenzeffekte zu periodischen Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf führen (vgl. in Figur 3 mit Bezugszeichen 46 bezeichneter Ausschnitt). Ferner ist es möglich, dass lokale Verunreinigungen im Strahlengang (bspw. Partikel 48 auf Optikmitteln 50, welche der Fourierlinse 44 nachgelagert sind) zu einem Schattenwurf 52 führen, was zu einer lokalen Inhomogenität im Intensitätsverlauf führt.
Wie nachfolgend im Detail erläutert, können durch Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 die genannten Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden.
Zur Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 weist die optische Anordnung 20 eine Verlagerungseinrichtung 54 auf (in den Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt). Die Verlagerungseinrichtung 54 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, um das zweite Linsen- Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 hin- und her zu bewegen, insbesondere entlang der Linienrichtung x.
Eine Verlagerung des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 bewirkt u.a. eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 und/oder eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28.
Eine Veränderung der Winkelverteilung der Strahlsegmente des Zwischenstrahlpakets 28 (mit anderen Worten eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung des Zwischenstrahlpakets 28) hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 unter einem veränderten Winkel auf die der Homogenisierungsoptik 26 nachfolgende Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Winkeländerung an der Fourierlinse 44 führt u.a. zu einer räumlichen Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Ausgangsstrahls 12 (in Figur 3 links unten beispielhaft für eine Verlagerung des zweiten Linsen- Arrays "nach unten" mit Strichlinien dargestellt). Insofern kann durch hin- und her Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 der Strahlschwerpunkt des Ausgangsstrahls 12 räumlich hin- und her verschoben werden. Auf diese Weise können Inhomogenitäten aufgrund von Interferenzeffekten im Mittel geglättet werden (in Figur 3 links unten schematisch angedeutet) .
Eine räumliche Verschiebung des Strahlschwerpunkts des Zwischenstrahlpakets 28 hat zur Folge, dass das Zwischenstrahlpaket 28 an einer veränderten Position auf die Fourierlinse 44 trifft. Eine solche Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 führt u.a. dazu, dass bestimmte Bereiche der Fourierlinse 44 weniger Intensitätsbeiträge des Zwischenstrahlpakets 28 erhalten, wodurch die Lichtverteilung des Ausgangsstrahl 12 einen Vorzugswinkel bzw. eine Asymmetrie erhält (in Figur 3 rechts unten beispielhaft für eine Verschiebung des Zwischenstrahlpakets 28 aus einer mittigen Referenzposition "nach oben" skizziert) . Insofern kann durch hin- und her Bewegen des zweiten Linsen-Arrays 40 relativ zu dem ersten Linsen-Array 38 eine Ausbreitungsrichtung des Ausgangsstrahls 12 zeitabhängig verändert werden. Dies führt dazu, dass Verunreinigungen 48 (bspw. Staubpartikel) im Strahlengang nach der Fourierlinse 44 (bspw. auf einer nachfolgenden Optik 52) zeitabhängig aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden. Ein durch eine solche Verunreinigung 48 erzeugter Schattenwurf 52 wird insofern ebenfalls zeitlich verändert, sodass im Mittel ein störender Einfluss des Schattenwurfs auf den Intensitätsverlauf geglättet werden kann.
In Figur 4 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Verlagerungseinrichtung 54 gezeigt.
Die Verlagerungseinrichtung 54 umfasst einen Gehäuserahmen 56 und eine Halteeinrichtung 58 zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays 40. Die Halteeinrichtung 58 weist abschnittsweise Aussparungen 60 auf, welche als Fenster zur Transmission des Lasterstrahls durch das Linsen-Array 40 dienen.
Die Halteeinrichtung 58 ist an dem Gehäuserahmen 56 über eine Lagereinrichtung 62 (umfassend z.B. mehrere Festkörperlager) gelagert, sodass die Halteeinrichtung 58 relativ zu dem Gehäuserahmen 56 hin- und herschwingen kann. Hierbei ist es bevorzugt, wenn eine Lagersteifigkeit der Lagereinrichtung 62 auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung 58 gegenüber dem Gehäuserahmen 56 abgestimmt ist. Zum Antreiben einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung 58 relativ zu dem Gehäuserahmen 56 weist die Verlagerungseinrichtung ferner einen Aktuator 64 auf, welcher beispielhaft und bevorzugt als Schwingspule 66 ausgebildet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung (20) zur Umwandlung eines
Eingangslaserstrahls (18) in einen linienartigen Ausgangsstrahl (12), welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene (14) einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung (x) ausgedehnten
Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, die optische Anordnung (20) umfassend:
- eine Umformoptik (22) aufweisend eine Eingangsapertur (34) durch welche der Eingangslaserstrahl (18) einstrahlbar ist, und eine Ausgangsapertur (36), wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass der durch die Eingangsapertur (34) eingestrahlte Eingangslaserstrahl (18) in ein durch die Ausgangsapertur (36) austretendes Strahlpaket (24) mit einer Vielzahl von Strahlsegmenten umgewandelt wird;
- eine Homogenisierungsoptik (26) und wenigstens ein Transformationslinsenmittel (30), wobei die Homogenisierungsoptik (26), dazu ausgebildet ist, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets (24) entlang der Linienrichtung (x) zu durchmischen, und wobei das
Transformationslinsenmittel (30) derart ausgebildet ist, dass die durchmischten Strahlsegmente (28) zu dem linienartigen Ausgangsstrahl (12) überlagert werden, und wobei die Homogenisierungsoptik (26) ein erstes Linsen-Array (38) und ein dem ersten Linsen-Array (38) im Strahlengang nachgeschaltetes zweites Linsen- Array (40) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Verlagerungseinrichtung (54) umfasst, welche dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array (40) relativ zu dem ersten Linsen-Array (38) zu verlagern.
2. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1, wobei die Verlagerungseinrichtung (54) dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array (40) relativ zu dem ersten Linsen-Array (38) in einem wiederkehrenden, insbesondere periodisch wiederkehrenden oder nicht periodisch wiederkehrenden, Bewegungsmuster zu bewegen.
3. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verlagerungseinrichtung (54) dazu ausgebildet ist, das zweite Linsen-Array (40) entlang der Linienrichtung (x) hin- und her zu bewegen.
4. Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verlagerungseinrichtung (54) einen Gehäuserahmen (56) und eine Halteeinrichtung (58) zur Halterung des zweiten Linsen-Arrays (40) umfasst, wobei die Halteeinrichtung (58) an dem Gehäuserahmen (56) verschiebbar gelagert ist, insbesondere derart, dass sie entlang der Linienrichtung (x) hin- und her verschiebbar ist.
5. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 4, wobei die Halteeinrichtung (58) über eine Lagereinrichtung (62) an dem Gehäuserahmen (56) gelagert ist.
6. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 5, wobei eine Lagersteifigkeit der Lagereinrichtung (62) auf eine Frequenz einer Schwingbewegung der Halteeinrichtung (58) gegenüber dem Gehäuserahmen (56) abgestimmt ist.
7. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 4, wobei ein die Halteeinrichtung (58) mit dem Gehäuserahmen (56) koppelndes Federmittel vorgesehen ist.
8. Optische Anordnung (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Verlagerungseinrichtung (54) einen Aktuator (64) zum Antreiben einer Verschiebebewegung der Halteeinrichtung (58) umfasst, insbesondere in Form einer Schwingspule (66) oder eines Piezo-Aktors.
9. Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das wenigstens eine Transformationslinsenmittel (30) als Fourierlinse (44) ausgebildet ist.
10. Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste und das zweite Linsen- Array (38, 40) eine Vielzahl von sich entlang von jeweiligen Zylinderachsen erstreckenden Zylinderlinsen (42) aufweisen, insbesondere wobei die Zylinderlinsen (42) geometrisch derart bemessen sind, dass das Strahlpaket (24) durch eine Vielzahl nebeneinanderliegender Zylinderlinsen (42) tritt.
11. Optische Anordnung (20) nach Anspruch 10, wobei die jeweiligen Zylinderachsen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) und senkrecht zur Linienrichtung (x) verlaufen, insbesondere wobei die Zylinderlinsen entlang der jeweiligen Zylinderachse wölbungsfrei ausgebildet sind.
12. Optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umformoptik (22) derart ausgebildet ist, dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls (18) mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur (34) das aus der Ausgangsapertur (36) austretende Strahlpaket (24) eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist, insbesondere inkohärent ist.
13. Lasersystem (10) zur Erzeugung eines linienartigen Ausgangstrahls (12) mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlquerschnitt ein linienförmiges Intensitätsprofil aufweist, umfassend:
- wenigstens eine Laserlichtquelle (16) zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls (18);
- eine optische Anordnung (20) nach einem der vorherigen Ansprüche zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls (18) in den linienartigen Ausgangsstrahl (12).
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