WO2021239278A1 - Vorrichtung zur homogenisierung von laserlicht und anordnung einer mehrzahl derartiger vorrichtungen - Google Patents

Vorrichtung zur homogenisierung von laserlicht und anordnung einer mehrzahl derartiger vorrichtungen Download PDF

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WO2021239278A1
WO2021239278A1 PCT/EP2021/054444 EP2021054444W WO2021239278A1 WO 2021239278 A1 WO2021239278 A1 WO 2021239278A1 EP 2021054444 W EP2021054444 W EP 2021054444W WO 2021239278 A1 WO2021239278 A1 WO 2021239278A1
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microlens array
microlens
microlenses
laser light
plane
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PCT/EP2021/054444
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Henning KALIS
Florian SECK
Mikhail Ivanenko
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Limo Display Gmbh
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
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    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0062—Stacked lens arrays, i.e. refractive surfaces arranged in at least two planes, without structurally separate optical elements in-between

Definitions

  • the present invention relates to a device for homogenizing laser light, comprising a first microlens array with a plurality of microlenses arranged next to one another in a first direction, a second microlens array with a plurality of microlenses arranged next to one another in the first direction, the second microlens array is arranged at a distance from the first microlens array in the direction of beam propagation of the laser light, and the plane of the lens vertices of the second microlens array to the plane of the lens vertices of the first microlens array by an angle
  • the present invention relates to an arrangement of a plurality of such devices for homogenizing laser light.
  • a device for homogenizing laser light is known from WO 2008/043491 A1, which device has a monolithic structure.
  • the device has two microlens arrays spaced apart from one another, the plane of the lens vertices of the second microlens array being inclined by an angle ⁇ with respect to the plane of the lens vertices of the first microlens array.
  • the microlenses of the two microlens arrays are arranged according to their diameters or focal lengths.
  • the diameters take or focal lengths in a first direction in which the microlenses are arranged next to one another. This means that the last microlens of the first microlens array and the last microlens of the second microlens array have the greatest diameter or the greatest focal length and the greatest distance from one another.
  • a disadvantage of this device for homogenizing laser light is that the focal points of the microlenses of the first microlens array are on the surface of the microlenses of the second microlens array or in the glass substrate of the second microlens array.
  • This can lead to irreversible destruction of the second microlens array when high-energy laser radiation is used, as is used, for example, in material processing, in particular for the crystallization of silicon.
  • the device for homogenizing laser light known from the prior art has the problem that with increasing angle of inclination ⁇ of the plane of the lens vertices of the second microlens array, depending on the type of illumination, which is typically Gaussian, a physical scanning effect arises. This leads to an undesirable, essentially linear increase or decrease in the intensity profile along the resulting linear intensity distribution in the Working level. Such a macro-inhomogeneity has the effect that the workpiece to be machined is machined unevenly, which should be avoided.
  • the monolithic structure of the device known from WO 2008/043491 A1 for homogenizing laser light also does not permit subsequent adjustment, in particular adjustment of the distance for fine adjustment of the line length in the working plane.
  • an optical wedge is arranged and the focal lengths of the microlenses of the microlens array are selected such that a focal plane of the device lies in an air gap between the second microlens array and the optical wedge.
  • the first and the second microlens array according to the invention, not monolithic executed device for the homogenization of laser light have in the first direction changing radii of curvature, diameter or focal lengths, so that interference-related micro-inhomogeneities can be effectively suppressed.
  • the device presented here for homogenizing laser light is also suitable for applications in which very high laser powers, in particular very high pulse energies , appear. This is because a high energy input into the optical components of the device, in particular into the glass substrate of the second microlens array or a coating of the second microlens array, can be effectively prevented. Since the focal plane is located within the air gap between the second microlens array and the optical wedge, excessive energy input into the optical wedge can also be effectively prevented.
  • the first microlens array and the second microlens array are also two physically separate components. This advantageously makes it possible to compensate for decentering errors of the microlens arrays with respect to one another and also to change the distance between the microlens arrays. As a result of this change in the distance, in particular the resulting line length in a working plane can also be varied within a certain framework.
  • the microlens arrays are designed in such a way that the focal lengths of the microlenses arranged next to one another in the first direction increase successively starting from the first microlens to the nth microlens.
  • Such a configuration enables, in particular, a simpler production of the microlens arrays.
  • the number of microlenses of the first microlens array corresponds to the number of microlenses of the second microlens array, so that a microlens of the first microlens array is assigned to each of the microlenses of the second microlens array.
  • the microlenses are designed as cylinder lenses, the cylinder axes of which are each oriented in a second direction perpendicular to the first direction and perpendicular to a third direction, which defines the direction of beam propagation of the laser light.
  • the cylinder axes of the cylinder lenses are thus oriented in particular parallel to one another.
  • acylindrical microlenses for example for the second microlens array
  • spherical microlenses can also be used, with the complexity of the overall optical structure additionally increasing, in particular in the case of a spherical configuration. The use of cylinder lenses is thus more advantageous in practical application.
  • the optical wedge has a light entry surface which is oriented parallel to the plane of the lens vertices of the second microlens array. This means that the light entry surface of the optical wedge to the plane of the lens vertices of the first microlens array is also at an angle
  • the well-defined common focal plane within the air gap between the second microlens array and the optical wedge, which is arranged at a distance di_ behind the second microlens array, can in particular be achieved by adapting the radii of curvature or focal lengths of the microlenses of the first microlens array.
  • the following preferably applies to the focal length 1 w of the i-th microlens of the first microlens array: where d G denotes the glass thickness and n G denotes the refractive index of the glass substrate of the second microlens array and where / (i) denotes the focal length of the i-th microlens of the second microlens array and where di_ is the distance between the second microlens array and the optical wedge and where applies : i 1 ... n.
  • all focal lengths of the total of n microlenses of the first microlens array can be calculated very easily on the basis of optical properties of the total of n microlenses of the second microlens array.
  • the denominator typically has a negative sign, so that the focal lengths of all microlenses of the first microlens array have a positive sign and these microlenses are thus convexly shaped.
  • the distances which are typically in the micrometer or millimeter range, are thus determined by a recursive formula and depend in particular on optical properties (focal point and numerical aperture) and geometric properties (center-to-center distance) of the microlenses of the second microlens array.
  • the angle of inclination a is selected such that: where ⁇ denotes the numerical aperture and n c denotes the refractive index of the second microlens array.
  • ⁇ 15 ° as imaging errors may occur at larger angles, which would have to be compensated for in a suitable manner by additional measures.
  • the optical wedge is designed in such a way that it can be moved in a translatory manner and / or is rotatable about an axis extending in the second direction.
  • the optical wedge makes it possible to fine-tune an optical path length of the laser light by dynamic adjustment, in particular rotation and / or translation, for example during machining of a workpiece with a laser device which has at least one device presented here for homogenizing laser light .
  • this creates the possibility of influencing the resulting surface properties of the workpiece to be machined in real time.
  • micromirror arrays in combination with a refractive optical wedge instead of microlens arrays. It is particularly advantageous here to hit the micromirror arrays with the incident laser light parallel to an apex of curvature in order to thereby reduce the astigmatism.
  • An arrangement according to the invention has a plurality of devices for homogenizing laser light according to one of claims 1 to 9, the devices being arranged next to one another in the first direction and devices adjacent to one another being designed so that the plane of the lens vertices of the second microlens array to the plane of the Lens vertex of the first microlens array is inclined alternately by an angle + a and by an angle -a.
  • an even number of devices be arranged next to one another.
  • An arrangement executed in this way of an even number of devices for homogenizing laser light results in a laser device which is linear in a working plane Can generate intensity distribution, to a superposition of an even number of linear intensity profiles of the laser light in the working plane, which have the same slope with different signs.
  • linear macro inhomogeneities can also be compensated for in a particularly advantageous manner, so that the resulting intensity profile is homogenized again in the working plane.
  • the extinction of the macro-inhomogeneities can alternatively also be achieved by pre-homogenizing the laser light, since the scanning effect no longer makes a significant contribution with an approximately homogeneous illumination of the device. Then, for example, only one device or an odd number of devices could be used for homogenizing laser light.
  • the macro inhomogeneities can also be eliminated by an asymmetrical adaptation of a, for example, Gaussian beam profile (in particular corresponding to a Weibull distribution) of the laser light.
  • the asymmetry of the beam profile must be adapted to the width modulation of the microlenses of the microlens array associated with the angle of inclination.
  • FIG. 1 shows a schematically very simplified representation of a laser device, by means of which a linear intensity distribution can be generated in a working plane
  • FIG. 2 shows a plan view of an arrangement of two devices for homogenizing laser light in a first configuration
  • FIG. 3 shows a plan view of an arrangement of two devices for homogenizing laser light in a second configuration
  • FIGS. 2 and 3 shows a plan view of a first of the two devices for homogenizing laser light according to FIGS. 2 and 3,
  • Fig. 5 is a detailed view showing the beam path of two
  • FIG. 6 shows a plan view of an arrangement with a number m> 2 of devices for homogenizing laser light.
  • a linear intensity distribution of the laser light 2.1-2.m can be generated in a working plane 105.
  • FIG. 1 shows the structure of a corresponding laser device 100 in a schematically very simplified form and without explicitly showing, for example, individual laser beams or details of the optical components of the laser device 100, in particular specific shapes of optically functional surfaces of the optical components.
  • the laser device 100 has a laser light source 101 with a plurality of laser modules 101.1, 101.2, ..., 101. m or laser emitters, the laser modules 101.1, 101.2, Laser light 2.1 -2.m preferably has similar, but not necessarily identical beam profiles.
  • the laser modules 101.1, 101.2, .... 101. m or laser emitters of the laser light source 101 illuminate a beam transformation device 102 during operation, which comprises a plurality of optical means for beam shaping which are designed to generate an at least sectionally linear intensity distribution in the angular space.
  • beam transformation devices 102 are known from the prior art in completely different embodiments and should therefore not be explained further at this point.
  • the laser light 2.1-2.m passes through an arrangement 103 of a number m> 2 of devices 1.1-1.m Homogenization of laser light 2.1-2.m, which will be explained in more detail below, and below at least one Fourier lens 104 arranged behind the arrangement 103 in the direction of beam propagation of the laser light 2.1-2.m Beam propagation direction behind the Fourier lens 104 arranged working plane 105, in which a workpiece to be processed is located, to generate the linear intensity distribution of the laser light 2.1-2.m.
  • the special feature here is that by using the arrangement 103 of a preferably even number m> 2 of devices 1.1-1.m for homogenizing laser light 2.1-2.m, the line length and the flank shape of each individual line of the laser light 2.1-2.m can be set so that a linear intensity distribution can be generated in the working plane 105 by the superimposition of the individual lines of the laser light 2.1-2.m.
  • the combined partial lines of the laser light 2.1-2m result in a homogeneous linear intensity distribution in the working plane 105.
  • 2 and 3 show two different configurations of the two devices 1.1, 1.2 for homogenizing laser light 2.1, 2.2, which form the arrangement 103.
  • the arrangement 103 can preferably have an even number m> 2 of such devices 1.1-1.m. As in Fig. 2 and
  • the two devices 1.1, 1.2 arranged next to one another in the x direction are designed in such a way that they are each mirror-symmetrical to a yz plane extending between them.
  • the two configurations shown there differ differ from each other in that the positions of the devices 1.1,
  • Each of the two devices 1.1, 1.2 has a first microlens array 3 with a number n of microlenses 30.1-30. n, which are arranged next to one another in a first direction (x direction) and are designed as cylinder lenses, the cylinder axes of which are oriented essentially parallel to one another. Furthermore, each of the two devices 1.1, 1.2 has a second microlens array 4, which is arranged at a distance from the first microlens array 3 in the direction of beam propagation of the laser light 2.1, 2.2 (z direction), and a number n of microlenses 40.1 -40.
  • n which are also arranged next to one another in the first direction (x direction) and are designed as cylinder lenses, the cylinder axes of which are oriented essentially parallel to one another.
  • n, 40.1 -40. n each extend in a second direction (y-direction) perpendicular to the first direction (x-direction) and perpendicular to a third direction (z-direction), which defines the beam propagation direction of the laser light 2.1, 2.2.
  • the number n of microlenses 30.1 -30. n of the first microlens array 3 corresponds to the number n of microlenses 40.1 -40. n of the second microlens array 4.
  • a microlens 30.1-30. n of the first microlens array 3 is assigned, so that when the devices 1.1, 1.2 are in operation, partial beams 20, 21 of the laser light 2.1, 2.2 have passed through an i-th microlens 30.
  • acylindrical or spherical microlenses 30.1-30. n, 40.1 -40. n can be used, the complexity of the overall optical structure increasing even further, particularly in the case of a spherical configuration.
  • the two devices 1.1, 1.2 for homogenizing laser light 2.1, 2.2 each have an optical wedge 5 which is spaced from the second microlens array 4 and is thus arranged behind the second microlens array 4 in the direction of beam propagation of the laser light 2.1, 2.2.
  • the plane 41 of the lens vertices of the second microlens array 4 is at an angle
  • n of the first microlens array 3 of the microlenses 40.1 -40 corresponding therewith. n of the second microlens array 4 vary.
  • the plane 41 of the lens vertices of the second microlens array 4 is inclined to the plane 31 of the lens vertices of the first microlens array 3 in both configurations by an angle + a and in the second device 1.2 the plane 41 is the lens vertices of the second microlens array 4 inclined at an angle -a opposite to the plane 31 of the lens vertices of the first microlens array 3
  • the microlens arrays 3, 4 of the two devices 1.1, 1.2 for homogenizing laser light 2.1, 2.2 are designed such that the devices 1.1, 1.2 each have a focal plane 6 in an air gap 7 between the second microlens array 4 and the optical wedge 5.
  • the microlens arrays 3, 4 in the exemplary embodiments shown here are designed in such a way that the focal lengths or diameters of the microlenses 30.1-30. N, 40.1-40. n, viewed in the first direction (x-direction) starting from the first microlens 30.1, 40.1 up to the nth microlens 30n, 40n successively enlarge.
  • the microlens arrays 3, 4 can be designed in such a way that the focal lengths or diameters of the microlenses 30.1-30. N, 40.1-40.
  • n viewed in the first direction (x-direction) starting from the first microlens 30.1, 40.1 up to the nth microlens 30n, 40n, so that an ascending or descending order of the microlenses 30.1-30. n, 40.1 -40. n according to focal lengths or diameters in the first direction is not mandatory, although it is particularly preferred for manufacturing reasons.
  • the distance between the first microlens 30.1 (shortest focal length) of the first microlens array 3 and the first microlens 40.1 (shortest focal length) of the second microlens array 4 assigned to it is the minimum distance between the two microlens arrays 3, 4 of both devices 1.1, 1.2.
  • n (greatest focal length) of the second microlens array 4 is the maximum distance between the two microlens arrays 3, 4 of the devices 1.1 , 1.2.
  • the position of the focal plane 6 in the air gap 7 between the second microlens array 4 and the optical wedge 5 advantageously ensures that the energy density in the glass substrates of the optically functional components, in particular in the second microlens array 4 and in the optical wedge 5, and can also be significantly reduced on their surfaces.
  • the devices 1.1, 1.2 presented here for homogenizing laser light 2.1, 2.2 or the arrangement 103 formed from these can also be used for homogenizing laser light 2.1, 2.2 with high power without damaging the glass substrates and of the surfaces of the optically functional components, in particular of the second microlens array 4 and the optical wedge 5, of the devices 1.1, 1.2 or of the arrangement 103 formed from them.
  • the optical wedge 5 has a light entry surface 50 which is oriented parallel to the plane 41 of the lens vertices of the second microlens array 4 and thus also at the angle
  • the optical wedge 5 can advantageously be used for fine adjustment of the optical path length of the laser light 2.1, 2.2 and thus also for fine adjustment and compensation for possible micro-inhomogeneities. This measure can advantageously improve the surface quality of the workpieces to be processed by means of the laser device 100 in real time.
  • the optical wedge 5 can be moved in the millisecond range. Because the devices 1.1, 1.2 presented here for homogenizing laser light 2.1, 2.2 are not monolithic are formed, an adjustment of the line length and a compensation of decentering errors of the microlens arrays 3, 4 is also possible within a certain framework.
  • the well-defined common focal plane 6 within the air gap 7 between the second microlens array 4 and the optical wedge 5, which is arranged at a distance di_ behind the second microlens array 4, can be achieved by adapting the radii of curvature or focal lengths of the microlenses 30.1-30.
  • n of the first microlens array 3 can be achieved.
  • n of the first microlens array 3 can be calculated as follows:
  • d G denotes the glass thickness and n G the refractive index of the glass substrate of the second microlens array 4. Furthermore, / ( denotes the focal length of the ith of the total of n microlenses 40.1-40. N of the second microlens array 4. The following always applies:
  • the optical wedge 5 which is arranged behind the second microlens array 4 in the direction of beam propagation, has a light entry surface 50 which is arranged parallel to the plane 41 of the lens vertices of the second microlens array 4 and thus also at the angle
  • ⁇ denotes the numerical aperture of the second microlens array 4, which is for all microlenses 40.1 -40.
  • n is the same.
  • the thickness of the optical wedge 5 at its thinnest point can in principle be chosen as desired.
  • ⁇ 15 ° as imaging errors may occur at larger angles, which would have to be compensated for in a suitable manner by additional measures.
  • the arrangement 103 preferably has an even number m> 2 of the devices 1.1-1.m presented here.
  • the arrangements 103 shown in FIGS. 2 and 3 have, by way of example, two such devices 1.1, 1.2, which are designed mirror-symmetrically to the y-z plane running between them.
  • An arrangement 103 implemented in the manner described here leads to a superposition of the two linear intensity profiles of the laser light 2.1, 2.2 in the working plane 105, which have the same gradient with different signs. As a result, linear macro inhomogeneities can be compensated for, so that the resulting intensity profile in the working plane 105 is homogenized again.
  • the arrangement 103 has an even number m> 2 of such devices 1.1 -1.m, these are shown in FIG illustrated way lined up, the mirror symmetry of adjacent devices 1.1-1.m, through which the laser light 2.1, 2.2 ..., 2m can pass, is always maintained.
  • mutually adjacent devices 1.1-1.m are designed so that the plane 41 of the lens vertices of the second microlens array 4 is inclined to the plane 31 of the lens vertices of the first microlens array 3 alternately by an angle + a and an angle -a.
  • the extinction of the macro-inhomogeneities can alternatively also be achieved by pre-homogenizing the laser light 2.1-2.m, since the scanning effect no longer makes a significant contribution with an approximately homogeneous illumination of the device 1.1-1.m. Then, for example, only one of the devices 1 .1-1 .m or an odd number of devices 1.1-1.m could be used for homogenizing laser light 2.1-2.m.
  • the macro inhomogeneities can be eliminated by an asymmetrical adaptation of a, for example, Gaussian beam profile.
  • the asymmetry of the beam profile must be due to the width modulation of the microlenses 30.1-30 associated with the angle of inclination.
  • n of the microlens arrays 3, 4 can be adapted.
  • Machining processes of workpieces which are typically carried out with laser devices 100 which have such devices 1.1-1.m for homogenizing laser light 2.1-2.m or an arrangement 103 of an even number m> 2 of such devices 1.1-1.m, are very sensitive with regard to intensity fluctuations (therefore the suppression of the interference-related intensity fluctuations is also advantageous). These will also match the ones presented here Devices for homogenization of laser light 2.1-2.m or with the arrangement 103 formed from it cannot be completely suppressed, but only occur in a greatly weakened form.
  • the optical wedge 5 can be rotated about the y-axis during the machining process. This creates the possibility of impressing a time-dependent angle offset on the resulting linear intensity distribution, so that the laser line resulting in the working plane 105 can be moved back and forth, for example in the millisecond range, whereby the periodic pattern on the workpiece to be processed can be contrasted loses. In other words, this is a real-time manipulation of the optical path length.
  • the line length in the working plane 105 can moreover be changed to a certain extent.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1.1-1.m) zur Homogenisierung von Laserlicht (2.1-2.m), umfassend - ein erstes Mikrolinsenarray (3) mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen (30.1-30.n), die in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, - ein zweites Mikrolinsenarray (4) mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen (40.1-40.n), die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei das zweite Mikrolinsenarray (4) in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts (2.1-2.m) vom ersten Mikrolinsenarray (3) beabstandet angeordnet ist und die Ebene (41) der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays (4) zur Ebene (31) der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays (3) um einen Winkel |α| geneigt ist und wobei die Mikrolinsenarrays (3, 4) so ausgebildet sind, dass sich die Brennweiten der in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Mikrolinsen (30.1-30.n, 40.1-40.n) ausgehend von der ersten Mikrolinse (30.1, 40.1) bis zur n-ten Mikrolinse (30n, 40n) verändern, wobei in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Mikrolinsenarray (4) ein optischer Keil (5) angeordnet ist und die Brennweiten der Mikrolinsen (30.1-30.n, 40.1-40.n) der Mikrolinsenarrays (3, 4) so gewählt sind, dass eine Brennebene (6) der Vorrichtung (1.1-1.m) in einem Luftspalt (7) zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray (4) und dem optischen Keil (5) liegt.

Description

, .Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht und Anordnung einer Mehrzahl derartiger Vorrichtungen“
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht, umfassend ein erstes Mikrolinsenarray mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, die in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, ein zweites Mikrolinsenarray mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen, die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei das zweite Mikrolinsenarray in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts vom ersten Mikrolinsenarray beabstandet angeordnet ist und die Ebene der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays zur Ebene der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays um einen Winkel |a| geneigt ist und wobei die Mikrolinsenarrays so ausgebildet sind, dass sich die Brennweiten der in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Mikrolinsen ausgehend von der ersten Mikrolinse bis zur n-ten Mikrolinse verändern. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung einer Mehrzahl derartiger Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht.
Aus der WO 2008/043491 A1 ist eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht bekannt, die monolithisch aufgebaut ist. Die Vorrichtung weist zwei voneinander beabstandete Mikrolinsenarrays auf, wobei die Ebene der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays gegenüber der Ebene der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays um einen Winkel a geneigt ist. Die Mikrolinsen der beiden Mikrolinsenarrays sind nach ihren Durchmessern beziehungsweise Brennweiten geordnet. Ausgehend von einer ersten Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays und einer ersten Mikrolinse des zweiten Mikrolinsenarrays, deren Abstand der kürzeste Abstand zwischen allen einander zugeordneten Mikrolinsen der beiden Mikrolinsenarrays ist, nehmen die Durchmesser beziehungsweise Brennweiten in einer ersten Richtung, in der die Mikrolinsen nebeneinander angeordnet sind, zu. Das bedeutet, dass die letzte Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays und die letzte Mikrolinse des zweiten Mikrolinsenarrays den größten Durchmesser beziehungsweise die größte Brennweite und den größten Abstand voneinander haben.
Ein Nachteil dieser Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht besteht darin, dass die Brennpunkte der Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays auf der Oberfläche der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays beziehungsweise im Glassubstrat des zweiten Mikrolinsenarrays liegen. Dieses führt dazu, dass abhängig von den Betriebsparametern der Laserlichtquelle, insbesondere in Abhängigkeit von der Intensität, der Ausleuchtung des zweiten Mikrolinsenarrays und der Strahldivergenz, sehr rasch Energiedichten des Laserlichts auftreten können, die dazu führen können, dass eine Zerstörschwelle einer Beschichtung der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays oder eine Zerstörschwelle des Glassubstrats des zweiten Mikrolinsenarrays erreicht werden können. Dieses kann zu einer irreversiblen Zerstörung des zweiten Mikrolinsenarrays bei einem Einsatz hochenergetischer Laserstrahlung führen, wie sie zum Beispiel in der Materialbearbeitung, insbesondere für die Kristallisation von Silizium, verwendet wird.
Weiterhin besteht bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht das Problem, dass bei zunehmendem Neigungswinkel a der Ebene der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays in Abhängigkeit von der Art der Beleuchtung, die typischerweise gaußförmig ist, ein physikalischer Abtasteffekt entsteht. Dieser führt zu einem unerwünschten, im Wesentlichen linearen Anstieg oder Abfall des Intensitätsverlaufs entlang der resultierenden linienförmigen Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene. Eine derartige Makro-Inhomogenität bewirkt, dass das zu bearbeitende Werkstück ungleichmäßig bearbeitet wird, was zwingend vermieden werden sollte.
Der monolithische Aufbau der aus der WO 2008/043491 A1 bekannten Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht lässt darüber hinaus eine nachträgliche Justage, insbesondere eine Justage des Abstands zur Feinjustage der Linienlänge in der Arbeitsebene, nicht zu.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht der eingangs genannten Art und eine Anordnung einer Mehrzahl derartiger Vorrichtungen zur Verfügung zu stellen, die während des Betriebs in einer Laservorrichtung zu einer geringeren Energiedichte in und auf den optischen Komponenten führen sowie Mikro- beziehungsweise Makro-Inhomogenitäten wirksam verringern können.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Hinsichtlich der Anordnung wird diese Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht zeichnet sich dadurch aus, dass in
Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Mikrolinsenarray ein optischer Keil angeordnet ist und die Brennweiten der Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays so gewählt sind, dass eine Brennebene der Vorrichtung in einem Luftspalt zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray und dem optischen Keil liegt. Das erste und das zweite Mikrolinsenarray der erfindungsgemäßen, nicht monolithisch ausgeführten Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht weisen in der ersten Richtung sich ändernde Krümmungsradien, Durchmesser beziehungsweise Brennweiten auf, so dass interferenzbedingte Mikro- Inhomogenitäten wirksam unterdrückt werden können. Dadurch, dass sich die Brennebene der Vorrichtung in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts in einem Luftspalt hinter dem zweiten Mikrolinsenarray und vor dem optischen Keil befindet, eignet sich die hier vorgestellte Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht auch für Anwendungen, bei denen sehr hohe Laserleistungen, insbesondere sehr hohe Pulsenergien, auftreten. Denn ein hoher Energieeintrag in die optischen Komponenten der Vorrichtung, insbesondere in das Glassubtrat des zweiten Mikrolinsenarrays oder eine Beschichtung des zweiten Mikrolinsenarrays, kann wirksam verhindert werden. Da sich die Brennebene innerhalb des Luftspalts zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray und dem optischen Keil befindet, kann auch ein zu hoher Energieeintrag in den optischen Keil wirksam verhindert werden. Aufgrund des nicht-monolithischen Aufbaus der Vorrichtung sind das erste Mikrolinsenarray und das zweite Mikrolinsenarray überdies zwei physisch voneinander getrennte Bauteile. Dadurch ist es in vorteilhafter weise möglich, Dezentrierungsfehler der Mikrolinsenarrays zueinander zu kompensieren und auch den Abstand zwischen den Mikrolinsenarrays zu verändern. Durch diese Veränderung des Abstands kann insbesondere auch die resultierende Linienlänge in einer Arbeitsebene in einem gewissen Rahmen variiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mikrolinsenarrays so ausgebildet sind, dass sich die Brennweiten der in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Mikrolinsen ausgehend von der ersten Mikrolinse bis zur n-ten Mikrolinse sukzessive vergrößern. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine einfachere Herstellung der Mikrolinsenarrays. In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Anzahl der Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays der Anzahl der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays entspricht, so dass jeder der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays eine Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays zugeordnet ist. Daraus ergibt sich, dass im Betrieb der Vorrichtung diejenigen Teilstrahlen des Laserlichts, die durch eine i-te Mikrolinse (i = 1...n) des ersten Mikrolinsenarrays hindurchgetreten sind, zumindest größtenteils auch durch eine i-te Mikrolinse (i = 1...n) des zweiten Mikrolinsenarrays hindurchtreten, so dass insoweit eine Zuordnung der Mikrolinsen gegeben ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Mikrolinsen als Zylinderlinsen ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich jeweils in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und senkrecht zu einer dritten Richtung, welche die Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts definiert, orientiert sind. Die Zylinderachsen der Zylinderlinsen sind somit insbesondere parallel zueinander orientiert. Beispielsweise können auch azylindrische Mikrolinsen (beispielsweise für das zweite Mikrolinsenarray) oder sphärische Mikrolinsen verwendet werdet, wobei insbesondere bei einer sphärischen Ausgestaltung die Komplexität des optischen Gesamtaufbaus noch zusätzlich steigt. Die Verwendung von Zylinderlinsen ist somit in der praktischen Anwendung vorteilhafter.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der optische Keil eine Lichteintrittsfläche aufweist, die parallel zur Ebene der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays orientiert ist. Daraus ergibt sich, dass die Lichteintrittsfläche des optischen Keils zur Ebene der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays ebenfalls um einen Winkel |a| geneigt ist. Dieses führt dazu, dass der Winkelversatz, der durch das zweite Mikrolinsenarray verursacht wird, durch den optischen Keil kompensiert wird und nur ein resultierender Parallelversatz erzeugt wird.
Die wohldefinierte gemeinsame Brennebene innerhalb des Luftspalts zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray und dem optischen Keil, der in einem Abstand di_ hinter dem zweiten Mikrolinsenarray angeordnet ist, kann insbesondere durch eine Anpassung der Krümmungsradien beziehungsweise Brennweiten der Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays erreicht werden. Vorzugsweise gilt für die Brennweite 1 w der i-ten Mikrolinse des ersten Mikrolinsenarrays:
Figure imgf000008_0001
wobei dG die Glasdicke und nG den Brechungsindex des Glassubstrats des zweiten Mikrolinsenarrays bezeichnen und wobei /(i) die Brennweite der i-ten Mikrolinse des zweiten Mikrolinsenarrays bezeichnet und wobei di_ der Abstand zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray und dem optischen Keil ist und wobei gilt: i = 1...n. Mit dieser Formel können alle Brennweiten der insgesamt n Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays auf Basis optischer Eigenschaften der insgesamt n Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays sehr einfach berechnet werden. Der Nenner weist typischerweise ein negatives Vorzeichen auf, so dass die Brennweiten aller Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays ein positives Vorzeichen besitzen und diese Mikrolinsen somit konvex geformt sind. Vorzugsweise gilt:
Figure imgf000008_0002
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass für die Abstände
Figure imgf000008_0003
zwischen den Mikrolinsen des ersten Mikrolinsenarrays und den Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays gilt:
Figure imgf000009_0001
wobei den Mittenabstand zwischen der i-ten Mikrolinse und der i + 1-ten Mikrolinse,
Figure imgf000009_0002
die Brennweite der i-ten Mikrolinse des zweiten Mikrolinsenarrays und ß die numerische Apertur des zweiten Mikrolinsenarrays bezeichnen, wobei gilt: i = 1...P-1. Die Abstände , die typischerweise im Mikrometer- oder Millimeterbereich liegen, werden somit durch eine rekursive Formel bestimmt und hängen insbesondere von optischen Eigenschaften (Brennpunkt und numerische Apertur) und geometrischen Eigenschaften (Mittenabstand) der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays ab.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Neigungswinkel a so gewählt ist, dass gilt:
Figure imgf000009_0003
wobei ß die numerische Apertur und nc den Brechungsindex des zweiten Mikrolinsenarrays bezeichnen. Vorzugsweise sollte |a| < 15° sein, da bei größeren Winkeln unter Umständen Abbildungsfehler auftreten können, die in geeigneter Weise durch zusätzliche Maßnahmen kompensiert werden müssten.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass der optische Keil so ausgebildet ist, dass er translatorisch bewegbar ist und/oder um eine sich in der zweiten Richtung erstreckende Achse rotierbar ist. Dadurch ermöglicht es der optische Keil, eine optische Weglänge des Laserlichts durch eine dynamische Justage, insbesondere Rotation und/oder Translation, zum Beispiel während einer Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Laservorrichtung, welche zumindest eine hier vorgestellte Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht aufweist, fein zu justieren. Dadurch wird insbesondere die Möglichkeit geschaffen, in Echtzeit Einfluss auf die sich ergebende Oberflächenbeschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstücks zu nehmen.
Es soll an dieser Stelle noch angemerkt werden, dass es auch möglich ist, anstelle von Mikrolinsenarrays entsprechende Mikrospiegelarrays in Kombination mit einem refraktiven optischen Keil zu verwenden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Mikrospiegelarrays mit dem einfallenden Laserlicht parallel zu einem Krümmungsscheitel zu treffen, um dadurch den Astigmatismus zu verringern.
Eine erfindungsgemäße Anordnung weist eine Mehrzahl von Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf, wobei die Vorrichtungen in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind und zueinander benachbarte Vorrichtungen so ausgebildet sind, dass die Ebene der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays zur Ebene der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays abwechselnd um einen Winkel +a und um einen Winkel -a geneigt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass eine gerade Anzahl von Vorrichtungen nebeneinander angeordnet ist. Eine in dieser Weise ausgeführte Anordnung einer geraden Anzahl von Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht führt bei einer Laservorrichtung, die in einer Arbeitsebene eine linienförmige Intensitätsverteilung erzeugen kann, zu einer Überlagerung einer geraden Anzahl linearer Intensitätsprofile des Laserlichts in der Arbeitsebene, welche die gleiche Steigung mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen. Dadurch können in besonders vorteilhafter Weise auch lineare Makro-Inhomogenitäten ausgeglichen werden, so dass das resultierende Intensitätsprofil in der Arbeitsebene wieder homogenisiert ist.
Die Auslöschung der Makro-Inhomogenitäten kann alternativ auch durch eine Vorhomogenisierung des Laserlichts erreicht werden, da der Abtasteffekt bei annähernd homogener Ausleuchtung der Vorrichtung keinen signifikanten Beitrag mehr leistet. Dann könnte zum Beispiel auch nur eine Vorrichtung oder eine ungerade Anzahl von Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht verwendet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass eine Auslöschung der Makro- Inhomogenitäten auch durch eine unsymmetrische Anpassung eines zum Beispiel gaußartigen Strahlprofils (insbesondere entsprechend einer Weibull-Verteilung) des Laserlichts erreicht wird. Hierfür muss die Asymmetrie des Strahlprofils an die mit dem Neigungswinkel einhergehende Breitenmodulation der Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays angepasst werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematisch sehr stark vereinfachte Darstellung einer Laservorrichtung, mittels derer in einer Arbeitsebene eine linienförmige Intensitätsverteilung erzeugt werden kann,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Anordnung zweier Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht in einer ersten Konfiguration,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Anordnung zweier Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht in einer zweiten Konfiguration,
Fig. 4 eine Draufsicht auf eine erste der beiden Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht gemäß Fig. 2 und 3,
Fig. 5 eine Detailansicht, die den Strahlengang zweier
Teilstrahlen des Laserlichts durch zwei voneinander beabstandete Mikrolinsen und einen optischen Keil zeigt,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einer Anzahl m > 2 von Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserlicht.
Zur Verdeutlichung wurde in den Figuren jeweils ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet. Eine y-Achse erstreckt sich jeweils senkrecht zur Zeichenebene.
Bevor weiter unten Einzelheiten einer Vorrichtung 1.1 -1.m zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 -2.m und einer daraus gebildeten An Ordnung 103 einer Anzahl m > 2 derartiger Vorrichtungen 1 .1 -1 .m näher beschrieben werden sollen, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 zunächst einige grundlegende Prinzipien erläutert, auf welche Weise mittels einer Laservorrichtung 100, die mit der Anordnung 103 ausgestattet ist, in einer Arbeitsebene 105 eine linienförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts 2.1 -2.m erzeugt werden kann.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer entsprechenden Laservorrichtung 100 in schematisch sehr stark vereinfachter Form und ohne dabei zum Beispiel einzelne Laserstrahlen oder auch Einzelheiten der optischen Komponenten der Laservorrichtung 100, insbesondere spezifische Formen optisch funktionaler Flächen der optischen Komponenten, explizit darzustellen.
Typischerweise weist die Laservorrichtung 100 eine Laserlichtquelle 101 mit einer Mehrzahl von Lasermodulen 101.1 , 101.2, ..., 101. m beziehungsweise Laseremittern auf, wobei das während des Betriebs von diesen Lasermodulen 101.1 , 101.2, .... 101. m beziehungsweise Laseremittern emittierte Laserlicht 2.1 -2.m vorzugsweise ähnliche, aber nicht zwingend identische Strahlprofile aufweist. Die Lasermodule 101.1 , 101.2, .... 101. m beziehungsweise Laseremitter der Laserlichtquelle 101 beleuchten während des Betriebs eine Strahltransformationsvorrichtung 102, die eine Mehrzahl von Optikmitteln zur Strahlformung umfasst, die dazu ausgebildet sind, im Winkelraum eine zumindest abschnittsweise linienförmige Intensitätsverteilung zu erzeugen. Derartige Strahltransformationsvorrichtungen 102 sind aus dem Stand der Technik in ganz unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden.
Nach dieser Strahlformung passiert das Laserlicht 2.1 -2.m eine Anordnung 103 einer Anzahl m > 2 von Vorrichtungen 1.1 -1.m zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1-2.m, die weiter unten noch näher erläutert werden, und nachfolgend zumindest eine in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts 2.1 -2.m hinter der Anordnung 103 angeordnete Fourierlinse 104. Diese Fourierlinse 104 dient dem Zweck, im Ortsraum in einer in Strahlausbreitungsrichtung hinter der Fourierlinse 104 angeordneten Arbeitsebene 105, in der sich ein zu bearbeitendes Werkstück befindet, die linienförmige Intensitätsverteilung des Laserlichts 2.1-2.m zu erzeugen. Das Besondere ist dabei, dass durch die Verwendung der Anordnung 103 einer vorzugsweise geraden Anzahl m > 2 von Vorrichtungen 1.1-1.m zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1-2.m die Linienlänge und die Flankenform jeder einzelnen Linie des Laserlichts 2.1-2.m so eingestellt werden kann, dass in der Arbeitsebene 105 durch die Überlagerung der einzelnen Linien des Laserlichts 2.1-2.m eine linienförmige Intensitätsverteilung generiert werden kann. Die zusammengesetzten Teillinien des Laserlichts 2.1-2m ergeben dadurch eine homogene linienförmige Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene 105.
Nachfolgend sollen unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 5 weitere Einzelheiten einer Anordnung 103 zweier Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 näher erläutert werden. Fig.
2 und 3 zeigen dabei zwei unterschiedliche Konfigurationen der beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2, welche die Anordnung 103 bilden.
Allgemein kann die Anordnung 103 vorzugsweise eine gerade Anzahl m > 2 derartiger Vorrichtungen 1.1 -1.m aufweisen. Wie in Fig. 2 und
3 zu erkennen, sind die beiden in x-Richtung nebeneinander angeordneten Vorrichtungen 1.1 , 1.2 so ausgebildet, dass sie jeweils spiegelsymmetrisch zu einer sich zwischen ihnen erstreckenden y-z- Ebene sind. Die beiden dort gezeigten Konfigurationen unterscheiden sich dadurch voneinander, dass die Positionen der Vorrichtungen 1.1 ,
1 .2 vertauscht sind.
Jede der beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 weist ein erstes Mikrolinsenarray 3 mit einer Anzahl n von Mikrolinsen 30.1 -30. n auf, die in einer ersten Richtung (x-Richtung) nebeneinander angeordnet sind und als Zylinderlinsen ausgebildet sind, deren Zylinderachsen im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Ferner weist jede der beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 ein zweites Mikrolinsenarray 4 auf, das in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts 2.1 , 2.2 (z- Richtung) vom ersten Mikrolinsenarray 3 beabstandet angeordnet ist und eine Anzahl n von Mikrolinsen 40.1 -40. n umfasst, die ebenfalls in der ersten Richtung (x-Richtung) nebeneinander angeordnet sind und als Zylinderlinsen ausgebildet sind, deren Zylinderachsen im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind. Die Zylinderachsen der als Zylinderlinsen ausgeführten Mikrolinsen 30.1 -30. n, 40.1 -40. n erstrecken sich jeweils in einer zweiten Richtung (y-Richtung) senkrecht zu der ersten Richtung (x-Richtung) und senkrecht zu einer dritten Richtung (z-Richtung), welche die Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts 2.1 , 2.2 definiert.
Die Anzahl n der Mikrolinsen 30.1 -30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 entspricht der Anzahl n der Mikrolinsen 40.1 -40. n des zweiten Mikrolinsenarrays 4. Das bedeutet mit anderen Worten, dass jeder der Mikrolinsen 40.1-40. n des zweiten Mikrolinsenarrays 4 eine Mikrolinse 30.1 -30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 zugeordnet ist, so dass im Betrieb der Vorrichtungen 1.1 , 1.2 Teilstrahlen 20, 21 des Laserlichts 2.1 , 2.2 die durch eine i-te Mikrolinse 30. i (i = 1 ...n) des ersten Mikrolinsenarrays 3 hindurchgetreten sind, zumindest größtenteils durch eine i-te Mikrolinse 40. i (i = 1 ...n) des zweiten Mikrolinsenarrays 4 hindurchtreten. Diese Situation ist in Fig. 5 im Detail gezeigt. Um die Darstellung zu vereinfachen, wurden für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele Mikrolinsenarrays 3, 4 gewählt, die eine Anzahl n = 7 von Mikrolinsen 30.1 -30. n, 40.1 -40. n aufweisen. Es versteht sich, dass diese Anzahl lediglich beispielhaft ist.
Beispielsweise können in alternativen Ausführungsformen auch azylindrische oder sphärische Mikrolinsen 30.1 -30. n, 40.1 -40. n verwendet werdet, wobei insbesondere bei einer sphärischen Ausgestaltung die Komplexität des optischen Gesamtaufbaus noch zusätzlich steigt.
Ferner weisen die beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 jeweils einen optischen Keil 5 auf, der von dem zweiten Mikrolinsenarray 4 beabstandet ist und somit in Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts 2.1 , 2.2 hinter dem zweiten Mikrolinsenarray 4 angeordnet ist.
Wie insbesondere in Fig. 2 und 3 zu erkennen, ist die Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 in beiden dort gezeigten Konfigurationen jeweils um einen Winkel |a| geneigt, so dass die Abstände der Mikrolinsen 30.1 -30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 von den damit korrespondierenden Mikrolinsen 40.1 -40. n des zweiten Mikrolinsenarrays 4 variieren. Dabei ist bei der ersten Vorrichtung 1.1 die Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 in beiden Konfigurationen um einen Winkel +a geneigt und bei der zweiten Vorrichtung 1.2 ist die Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 entgegengesetzt um einen Winkel -a geneigt Die Mikrolinsenarrays 3, 4 der beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 sind so ausgebildet, dass die Vorrichtungen 1.1 , 1.2 jeweils eine Brennebene 6 in einem Luftspalt 7 zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray 4 und dem optischen Keil 5 aufweisen. Zu diesem Zweck sind die Mikrolinsenarrays 3, 4 in den hier gezeigten Ausführungsbeispielen so ausgebildet, dass sich die Brennweiten beziehungsweise Durchmesser der Mikrolinsen 30.1 - 30. n, 40.1 -40. n in der ersten Richtung (x-Richtung) betrachtet ausgehend von der ersten Mikrolinse 30.1 , 40.1 bis zur n-ten Mikrolinse 30n, 40n sukzessive vergrößern. Ganz allgemein können die Mikrolinsenarrays 3, 4 so ausgebildet sein, dass sich die Brennweiten beziehungsweise Durchmesser der Mikrolinsen 30.1 - 30. n, 40.1 -40. n in der ersten Richtung (x-Richtung) betrachtet ausgehend von der ersten Mikrolinse 30.1 , 40.1 bis zur n-ten Mikrolinse 30n, 40n verändern, so dass eine auf- oder absteigende Ordnung der Mikrolinsen 30.1 -30. n, 40.1 -40. n nach Brennweiten beziehungsweise Durchmessern in der ersten Richtung nicht zwingend ist, wenngleich jedoch insbesondere aus Fertigungsgründen bevorzugt ist.
Aufgrund der Neigung der Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 um den Winkel |a| ist der Abstand der ersten Mikrolinse 30.1 (kürzeste Brennweite) des ersten Mikrolinsenarrays 3 von der dieser zugeordneten ersten Mikrolinse 40.1 (kürzeste Brennweite) des zweiten Mikrolinsenarrays 4 jeweils der minimale Abstand zwischen den beiden Mikrolinsenarrays 3, 4 beider Vorrichtungen 1.1 , 1.2. Demgegenüber ist der Abstand der n-ten Mikrolinse 30. n (größte Brennweite) des ersten Mikrolinsenarrays 3 von der n-ten Mikrolinse 40. n (größte Brennweite) des zweiten Mikrolinsenarrays 4 der maximale Abstand zwischen den beiden Mikrolinsenarrays 3, 4 der Vorrichtungen 1.1 , 1.2. Durch die Lage der Brennebene 6 im Luftspalt 7 zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray 4 und dem optischen Keil 5 wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Energiedichte in den Glassubstraten der optisch funktionalen Bauteile, insbesondere in dem zweiten Mikrolinsenarray 4 und in dem optischen Keil 5, und auch auf deren Oberflächen erheblich verringert werden kann. Dadurch ist es möglich, dass die hier vorgestellten Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 beziehungsweise die aus diesen gebildete Anordnung 103 auch zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 mit hoher Leistung verwendet werden kann, ohne dass es zu Beschädigungen der Glassubstrate und der Oberflächen der optisch funktionalen Bauteile, insbesondere des zweiten Mikrolinsenarrays 4 und des optischen Keils 5, der Vorrichtungen 1.1 , 1.2 beziehungsweise der aus diesen gebildeten Anordnung 103 kommt.
Der optische Keil 5 weist eine Lichteintrittsfläche 50 auf, die parallel zur Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 orientiert ist und somit ebenfalls um den Winkel |a| - das heißt um den Winkel +a bei der ersten Vorrichtung 1.1 und um den Winkel -a bei der zweiten Vorrichtung 1.2 - zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 geneigt ist. Der optische Keil 5 kann in vorteilhafter Weise zur Feinjustierung der optischen Weglänge des Laserlichts 2.1 , 2.2 und damit auch zur Feinjustierung und Kompensation möglicher Mikro-Inhomogenitäten verwendet werden. Durch diese Maßnahme kann in vorteilhafter Weise in Echtzeit die Oberflächenqualität der mittels der Laservorrichtung 100 zu bearbeitenden Werkstücke verbessert werden. Der optische Keil 5 kann zu diesem Zweck im Millisekunden-Bereich bewegt werden. Dadurch, dass die hier vorgestellten Vorrichtungen 1.1 , 1.2 zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 , 2.2 nicht monolithisch ausgebildet sind, ist in einem gewissen Rahmen auch eine Einstellung der Linienlänge sowie eine Kompensation von Dezentrierungsfehlern der Mikrolinsenarrays 3, 4 möglich.
Die wohldefinierte gemeinsame Brennebene 6 innerhalb des Luftspalts 7 zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray 4 und dem optischen Keil 5, der in einem Abstand di_ hinter dem zweiten Mikrolinsenarray 4 angeordnet ist, kann durch eine Anpassung der Krümmungsradien beziehungsweise Brennweiten der Mikrolinsen 30.1 -30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 erreicht werden. Dabei kann die Brennweite
Figure imgf000019_0001
für die i-te der insgesamt n Mikrolinsen 30.1 -30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 wie folgt berechnet werden:
Figure imgf000019_0002
In dieser Formel bezeichnen dG die Glasdicke und nG den Brechungsindex des Glassubstrats des zweiten Mikrolinsenarrays 4. Ferner bezeichnet /( die Brennweite der i-ten der insgesamt n Mikrolinsen 40.1-40. n des zweiten Mikrolinsenarrays 4. Dabei gilt stets:
Figure imgf000019_0003
Vorzugsweise gilt:
Figure imgf000019_0004
Wie oben bereits erwähnt, weist der optische Keil 5, der in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Mikrolinsenarray 4 angeordnet ist, eine Lichteintrittsfäche 50 auf, die parallel zur Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 angeordnet ist und somit ebenfalls um den Winkel |a| zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 geneigt ist. Dadurch können in vorteilhafter Weise Phasenunterschiede einzelner Teilstrahlen des Laserlichts 2.1 , 2.2 gewährleistet werden, um dadurch interferenzbedingte Mikro-Inhomogenitäten zu minimieren. Zudem kann mithilfe des optischen Keils 5 ein durch das zweite Mikrolinsenarray 4 aufgeprägter Winkelversatz auf einfache Weise korrigiert werden.
Der Neigungswinkel a sollte in vorteilhafter Weise das folgende Kriterium erfüllen:
Figure imgf000020_0001
Dabei bezeichnet ß die numerische Apertur des zweiten Mikrolinsenarrays 4, die für alle Mikrolinsen 40.1 -40. n gleich ist. Die Dicke des optischen Keils 5 an seiner dünnsten Stelle kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Vorzugsweise sollte |a| < 15° sein, da bei größeren Winkeln unter Umständen Abbildungsfehler auftreten können, die in geeigneter Weise durch zusätzliche Maßnahmen kompensiert werden müssten.
Die Abstände d[ i z +i:i der beiden Mikrolinsenarrays 3, 4, die typischerweise im Mikrometer- beziehungsweise Millimeterbereich liegen, können durch eine rekursive Beziehung bestimmt werden, für die gilt:
Figure imgf000020_0002
ln dieser Formel bezeichnet den Mittenabstand zwischen der i-ten Mikrolinse 40. i und der i + 1 -ten Mikrolinse 40. i + 1 (i = 1...P-1 ) des zweiten Mikrolinsenarrays 4.
Die Anordnung 103 weist vorzugsweise eine gerade Anzahl m > 2 der hier vorgestellten Vorrichtungen 1.1 -1.m auf. Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnungen 103 weisen exemplarisch zwei derartige Vorrichtungen 1.1 , 1.2 auf, die spiegelsymmetrisch zu der zwischen ihnen verlaufenden y-z-Ebene ausgebildet sind. Das bedeutet vorliegend für die erste Konfiguration gemäß Fig. 2, dass die erste Mikrolinse 30.1 des ersten Mikrolinsenarrays 3 der ersten Vorrichtung 1 a benachbart zur ersten Mikrolinse 30.1 des ersten Mikrolinsenarrays 3 der zweiten Vorrichtung 1 b angeordnet ist. Für die zweite Konfiguration gemäß Fig. 3, bei der die Positionen der beiden Vorrichtungen 1.1 , 1.2 im Vergleich zu der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration vertauscht sind, ergibt sich, dass die n-te Mikrolinse 30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 der ersten Vorrichtung 1 a neben der n-ten Mikrolinse 30. n des ersten Mikrolinsenarrays 3 der zweiten Vorrichtung 1 b angeordnet ist. Entsprechendes gilt in beiden Konfigurationen auch für die Mikrolinsen 40.1 -40. n des zweiten Mikrolinsenarrays 4.
Eine in der hier beschriebenen Weise ausgeführte Anordnung 103 führt zu einer Überlagerung der beiden linearen Intensitätsprofile des Laserlichts 2.1 , 2.2 in der Arbeitsebene 105, welche die gleiche Steigung mit unterschiedlichen Vorzeichen aufweisen. Dadurch können lineare Makro-Inhomogenitäten ausgeglichen werden, so dass das resultierende Intensitätsprofil in der Arbeitsebene 105 wieder homogenisiert ist.
Wenn die Anordnung 103 eine gerade Anzahl m > 2 derartiger Vorrichtungen 1.1 -1.m aufweist, werden diese in der in Fig. 6 veranschaulichten Weise aneinandergereiht, wobei die Spiegelsymmetrie benachbarter Vorrichtungen 1.1 -1.m, durch die das Laserlicht 2.1 , 2.2 ..., 2m hindurchtreten kann, stets beibehalten wird. Das bedeutet, dass zueinander benachbarte Vorrichtungen 1.1 -1.m so ausgebildet sind, dass die Ebene 41 der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays 4 zur Ebene 31 der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays 3 abwechselnd um einen Winkel +a und um einen Winkel -a geneigt ist.
Die Auslöschung der Makro-Inhomogenitäten kann alternativ auch durch eine Vorhomogenisierung des Laserlichts 2.1 -2.m erreicht werden, da der Abtasteffekt bei annähernd homogener Ausleuchtung der Vorrichtung 1.1 -1.m keinen signifikanten Beitrag mehr leistet. Dann könnte zum Beispiel auch nur eine der Vorrichtungen 1 .1 -1 .m oder eine ungerade Anzahl von Vorrichtungen 1.1 -1.m zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 -2.m verwendet werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass eine Auslöschung der Makro- Inhomogenitäten durch eine unsymmetrische Anpassung eines zum Beispiel gaußartigen Strahlprofils erreicht wird. Hierfür muss die Asymmetrie des Strahlprofils an die mit dem Neigungswinkel einhergehende Breitenmodulation der Mikrolinsen 30.1 -30. n, 40.1 - 40. n der Mikrolinsenarrays 3, 4 angepasst werden.
Bearbeitungsprozesse von Werkstücken, welche typischerweise mit Laservorrichtungen 100 durchgeführt werden, die derartige Vorrichtungen 1.1 -1.m zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 -2.m beziehungsweise eine Anordnung 103 einer geraden Anzahl m > 2 derartiger Vorrichtungen 1.1 -1.m aufweisen, sind sehr sensitiv im Hinblick auf Intensitätsschwankungen (daher ist auch die Unterdrückung der interferenzbedingten Intensitätsfluktuationen vorteilhaft). Diese werden sich auch mit den hier vorgestellten Vorrichtungen
Figure imgf000023_0001
zur Homogenisierung von Laserlicht 2.1 -2.m beziehungsweise mit der aus diesen gebildeten Anordnung 103 zwar nicht vollständig unterdrücken lassen, treten aber nur in stark abgeschwächter Form auf.
Um die optischen Eigenschaften des Laserlichts 2.1 -2.m auf dem in der Arbeitsebene 105 zu bearbeitenden Werkstück darüber hinaus noch weiter zu verbessern, kann der optische Keil 5 während des Bearbeitungsprozesses um die y-Achse rotiert werden. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, der resultierenden linearen Intensitätsverteilung einen zeitabhängigen Winkel-Offset aufzuprägen, so dass die sich in der Arbeitsebene 105 ergebende Laserlinie beispielsweise im Millisekunden-Bereich hin- und herbewegt werden kann, wodurch das periodische Muster auf dem zu bearbeitenden Werkstück an Kontrast verliert. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei um eine Echtzeitmanipulation der optischen Weglänge. Durch eine Variation des Abstands des zweiten Mikrolinsenarrays 4 vom ersten Mikrolinsenarray 3 kann überdies die Linienlänge in der Arbeitsebene 105 in einem gewissen Rahmen verändert werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung (1.1 -1.m) zur Homogenisierung von Laserlicht (2.1 - 2.m), umfassend
- ein erstes Mikrolinsenarray (3) mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen (30.1 -30. n), die in einer ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind,
- ein zweites Mikrolinsenarray (4) mit einer Mehrzahl von Mikrolinsen (40.1 -40. n), die in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind, wobei das zweite Mikrolinsenarray (4) in
Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts (2.1 -2.m) vom ersten Mikrolinsenarray (3) beabstandet angeordnet ist und die Ebene (41 ) der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays (4) zur Ebene (31 ) der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays (3) um einen Winkel |a| geneigt ist und wobei die Mikrolinsenarrays (3, 4) so ausgebildet sind, dass sich die Brennweiten der in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Mikrolinsen (30.1 - 30. n, 40.1-40. n) ausgehend von der ersten Mikrolinse (30.1 , 40.1 ) bis zur n-ten Mikrolinse (30n, 40n) verändern, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Mikrolinsenarray (4) ein optischer Keil (5) angeordnet ist und die Brennweiten der Mikrolinsen (30.1 -30. n, 40.1 -40. n) der Mikrolinsenarrays (3, 4) so gewählt sind, dass eine Brennebene (6) der Vorrichtung (1.1 -1.m) in einem Luftspalt (7) zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray (4) und dem optischen Keil (5) liegt.
2. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsenarrays (3, 4) so ausgebildet sind, dass sich die Brennweiten der in der ersten Richtung nebeneinander angeordneten Mikrolinsen (30.1 -30. n, 40.1-40. n) ausgehend von der ersten Mikrolinse (30.1 , 40.1 ) bis zur n-ten Mikrolinse (30n, 40n) sukzessive vergrößern.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Mikrolinsen (30.1 -30. n) des ersten Mikrolinsenarrays (3) der Anzahl der Mikrolinsen (40.1 -40. n) des zweiten Mikrolinsenarrays (4) entspricht, so dass jeder der Mikrolinsen (40.1 -40. n) des zweiten Mikrolinsenarrays (4) eine Mikrolinse (30.1 -30. n) des ersten Mikrolinsenarrays (3) zugeordnet ist.
4. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (30.1 -30. n, 40.1 - 40. n) als Zylinderlinsen ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich jeweils in einer zweiten Richtung senkrecht zu der ersten Richtung und senkrecht zu einer dritten Richtung, welche die Strahlausbreitungsrichtung des Laserlichts (2.1 -2.m) definiert, orientiert sind.
5. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Keil (5) eine Lichteintrittsfläche (50) aufweist, die parallel zur Ebene (41 ) der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays (4) orientiert ist.
6. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Brennweite
Figure imgf000025_0001
der i-ten Mikrolinse (30. i) des ersten Mikrolinsenarrays (3) gilt:
Figure imgf000025_0002
wobei dG die Glasdicke und nG den Brechungsindex eines Glassubstrats des zweiten Mikrolinsenarrays (4) bezeichnen und wobei
Figure imgf000026_0001
die Brennweite der i-ten Mikrolinse (40. i) des zweiten Mikrolinsenarrays (4) bezeichnet und wobei di_ der Abstand zwischen dem zweiten Mikrolinsenarray (4) und dem optischen Keil (5) ist und wobei gilt: i = 1...n.
7. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstände d[ l 2 +1^ zwischen den Mikrolinsen (30.1 -30. n) des ersten Mikrolinsenarrays (3) und den Mikrolinsen (40.1 -40. n) des zweiten Mikrolinsenarrays
(4), gilt:
Figure imgf000026_0002
wobei p(i) den Mittenabstand zwischen der i-ten Mikrolinse (40. i) und der i + 1 -ten Mikrolinse (40. i + 1 ) und /(i) die Brennweite der i- ten Mikrolinse (40. i) und ß die numerische Apertur des zweiten Mikrolinsenarrays (4) bezeichnen, wobei gilt i = 1 ...n-1.
8. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel a so gewählt ist, dass gilt:
Figure imgf000026_0003
wobei ß die numerische Apertur und nG den Brechungsindex des zweiten Mikrolinsenarrays (4) bezeichnen.
9. Vorrichtung (1.1 -1.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Keil (5) so ausgebildet ist, dass er translatorisch bewegbar ist und/oder um eine sich in der zweiten Richtung erstreckende Achse rotierbar ist.
10. Anordnung (103) einer Mehrzahl von Vorrichtungen (1.1 -1.m) zur Homogenisierung von Laserlicht (2.1 -2.m) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Vorrichtungen (1.1 -1.m) in der ersten Richtung nebeneinander angeordnet sind und wobei zueinander benachbarte Vorrichtungen (1.1 -1.m) so ausgebildet sind, dass die Ebene (41 ) der Linsenscheitel des zweiten Mikrolinsenarrays (4) zur Ebene (31 ) der Linsenscheitel des ersten Mikrolinsenarrays (3) abwechselnd um einen Winkel +a und um einen Winkel -a geneigt ist.
11. Anordnung (103) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Vorrichtungen (1.1 -1.m) nebeneinander angeordnet ist.
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