WO2022033923A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen einer definierten laserlinie auf einer arbeitsebene Download PDF

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WO2022033923A1
WO2022033923A1 PCT/EP2021/071651 EP2021071651W WO2022033923A1 WO 2022033923 A1 WO2022033923 A1 WO 2022033923A1 EP 2021071651 W EP2021071651 W EP 2021071651W WO 2022033923 A1 WO2022033923 A1 WO 2022033923A1
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optical
axis
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working plane
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PCT/EP2021/071651
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Andreas Heimes
Martin Wimmer
Julian Hellstern
Mario Schwartz
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • G02B27/0938—Using specific optical elements

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a defined laser line on a working plane, with a laser light source that is set up to generate a raw beam, and with an optical arrangement that receives the raw beam and transforms it into an illumination beam strikes the work plane, wherein the illumination beam defines a beam direction that intersects the work plane, and wherein the illumination beam has a beam profile perpendicular to the beam direction having a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width, the optical arrangement having a number of optical elements which focus the beam profile at a defined position in the area of the working plane, the defined position shifting by a drift length as a result of heating of the optical elements depending on the operating power and/or operating time of the laser light source .
  • Such a device is disclosed, for example, in DE 10 2018 200 078 A1.
  • Such a device generates a defined linear laser illumination at a defined point of a work plane, in particular to process a workpiece.
  • the workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate, which serves as a carrier material.
  • the plastic material can in particular be a film on which organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors are produced.
  • OLED films are increasingly being used for displays in smartphones, tablet PCs, televisions and other screen display devices. After the electronic structures have been produced, the film must be detached from the glass carrier.
  • Another application for illuminating a workpiece with a defined laser line can be the line-by-line melting of amorphous silicon on a carrier plate.
  • the laser line is also moved here at a defined speed relative to the workpiece surface. By melting it, the comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon.
  • SLA Solid State Laser Annealing
  • a laser line is required on the work plane, which is as long as possible in one direction in order to cover the widest possible work area, and which is very short in comparison to this in the other direction, in order to provide a suitable for the respective process provide the required energy density. Accordingly, a long, thin laser line parallel to the working plane is desirable.
  • the direction in which the laser line runs is often referred to as the long axis and the line thickness as the short axis of the so-called beam profile.
  • the laser line should have a defined intensity profile in both axes.
  • the laser line it is desirable for the laser line to have an intensity profile that is as rectangular as possible or possibly trapezoidal in the long axis, with the latter being advantageous if several such laser lines are to be combined to form a longer total line.
  • a rectangular intensity profile (so-called top hat profile), a Gaussian profile or another intensity profile is required for the axis.
  • WO 2018/019374 A1 discloses a device of the type mentioned at the outset with numerous details relating to the optical elements of the optical arrangement.
  • a laser source generates a raw laser beam, which is fanned out very widely in a first spatial direction with the aid of the optical arrangement in order to obtain the long axis.
  • the laser beam is focused in a second, perpendicular spatial direction in order to obtain the short axis.
  • the first and the second spatial direction are typically perpendicular to the beam direction in which the laser beam impinges on the working plane.
  • the optical arrangement of the device from WO 2018/019374 A1 has a collimator that collimates the raw laser beam, as well as a beam converter, a homogenizer and a focusing stage.
  • the beam converter takes the collimated raw beam and expands it in the long axis.
  • the beam converter can also take several raw laser beams from several laser sources and combine them into a common, expanded laser beam with higher power.
  • the homogenizer generates the desired beam profile in the long axis and in the short axis, for example a top hat profile in each case.
  • the focusing stage focuses the laser beam that has been shaped in this way onto the defined position in the area of the working plane.
  • DE 10 2018 200 078 A1 mentioned at the outset discloses an optical arrangement for generating an illumination line with a telescope arrangement which has an optical refractive power in relation to the short axis.
  • the telescope assembly includes a first lens group and a second lens group movable relative to each other along the optical axis.
  • a control unit controls the movement while the laser beam source generates the laser beam in order to keep the intensity of the illumination line and its so-called full width at half maximum, i.e. the line width at 50% of the intensity (Full Width at Half Maximum, FWHM) as constant as possible over time. It has been shown that the properties of the optical arrangement can change during the generation of the laser beam.
  • thermal lenses can form due to the heating of the optical elements as a result of the laser beam, which change the optical properties of the arrangement.
  • DE 10 2018 200 078 A1 proposes that to compensate for or at least reduce the resulting change in the focus position by shifting the telescope lenses relative to one another.
  • a disadvantage of this solution is the mechanical effort required to adjust the position of the telescope lenses. The movement can lead to wear and/or misalignment of the optical arrangement.
  • a device of the type mentioned is specified here, wherein the short-axis beam width of the beam profile varies along the beam direction and thus defines a usable process window, and wherein the optical arrangement is set up to the usable process window with a depth of field to generate in the beam direction that is greater than the drift length.
  • the new device makes it possible to dispense with a mechanical adjustment of the optical arrangement or the optical elements that bring about the focusing of the beam profile in the short axis relative to one another.
  • the optical elements which have an optical refractive power in relation to the short axis of the beam profile and which focus the beam profile at a defined position in the region of the working plane, therefore preferably have fixed distances relative to one another.
  • the optical elements are each fixed. This reduces mechanical wear and also the risk that the optical arrangement can be misaligned as a result of a mechanical movement.
  • the new device is based on the idea of specifically increasing the depth of field of the arrangement in the beam direction, hereinafter referred to as longitudinal, so that the defined position at which the beam profile is focused, even if there is a shift as a result of thermal lenses in the depth of field remains.
  • the new device consciously accepts a focus drift as a result of heating of the optical elements as a function of the operating power and/or operating time of the laser light source.
  • the optical arrangement is purposefully set up to reduce the beam quality, especially in the short axis, so that the beam profile remains the same even if the focus position remains in the process window.
  • the optical arrangement is specifically designed for a larger depth of focus by additional optical elements and/or increased illumination of the optical elements and the associated utilization of aberrations.
  • the new device therefore has an optical arrangement in which the relationship between the depth of field and the focus shift is positively influenced.
  • the process window of the device is thus increased in comparison to devices from the prior art. Mechanical tracking and the disadvantages associated with it are avoided. Accordingly, the above object is fully achieved.
  • the short-axis beam width has a maximum value along the beam direction and the process window has a front end and a rear end in the beam direction, with the short-axis beam width at the front end and at the rear end being up to 10% smaller than the Maximum value is preferably up to 5% smaller than the maximum value and particularly preferably 1% smaller than the maximum value.
  • the optical arrangement is set up to generate the beam profile in such a way that a process window with the specified parameters is created.
  • the short-axis beam width can be determined here in particular as a half-width, ie as the difference between the two intensity values of the beam profile in the short axis that have 50% of the maximum intensity of the beam profile at the corresponding position along the beam direction (Full Width at Half Maximum, FWHM).
  • the short-axis beam width can be specified here as the difference between the two intensity values of the beam profile in the short axis that have 90% of the maximum intensity of the beam profile at the corresponding position along the beam direction (Full Width at 90% of Maximum).
  • the specified values provide a beneficial increase in depth of field while maintaining short-axis beam quality at a level well-suited for common LLO and SLA applications.
  • the illumination beam has a beam waist in the beam direction, with the optical arrangement being set up to generate the beam waist in the region of the working plane.
  • Every real laser beam has a so-called beam waist. This is the position in the propagation or beam direction of the laser beam at which the laser beam has its minimum diameter or radius. In other words, the diameter or radius of a real laser beam changes in the direction of the beam.
  • the beam diameter increases with increasing distance from the beam waist.
  • the extent of the beam waist in the direction of the beam can be quantified, for example, using the so-called Rayleigh length.
  • the Rayleigh length is that distance from the center of the waist w 0 at which the radius of the ray - usually measured in the electric field - has increased by a factor of V2, because it is valid where denotes the Rayleigh length and w(z) is the ray radius in the short axis.
  • the optical arrangement is set up to position the beam waist in the area of the working plane, preferably in the working plane.
  • the configuration is particularly advantageous when the beam profile in the short axis is a Gaussian profile. It efficiently enables a high energy density at the point of machining a workpiece.
  • the optical arrangement has an optical phase element which impresses an axicon-like phase front on the short axis of the illumination beam.
  • An axicon in the true sense is a conically ground lens that maps a point light source onto a line along the optical axis or transforms a laser beam into a ring.
  • the term axicon often refers to a rotationally symmetrical case or a rotationally symmetrical element.
  • the phase element affects the short axis, ie the phase element produces the axicon-like phase front when viewing the optical arrangement for the short axis.
  • the long axis remains largely unaffected. A rotational symmetry is therefore not implied.
  • the axicon-like phase front which is generated in this embodiment with the aid of the phase element, is consequently reflected in the fact that the laser beam has ring portions when viewing the beam path for the short axis transverse to the optical axis of the arrangement. A portion of the laser light is "scattered outwards" with the help of the phase element. This proportion leads to an increase in the depth of field in a comparatively simple and cost-effective manner. Accordingly, this configuration enables the new device to be implemented quite simply and inexpensively.
  • the optical phase element contains a refractive optical element, in particular a prismatic or acylindrically ground lens.
  • This refinement enables the new device to be implemented in a particularly simple and cost-effective manner.
  • an optical arrangement corresponding to the prior art mentioned at the outset can be modified by introducing such a refractive optical element, for example an acylindrical lens with a wedge-shaped profile, in order to arrive at the new device.
  • the optical phase element contains a diffractive optical element.
  • the axicon-like phase front is generated in the short axis with the help of diffraction effects.
  • the optical phase element includes an irregular grating. The configuration enables an implementation with low optical losses and a large tolerance in relation to the position of the phase element in the beam path of the optical arrangement.
  • the optical phase element includes a spatial light modulator (SLM).
  • a spatial light modulator is a device for imparting spatial modulation to light.
  • it can contain an array of micromirrors and/or one or more deformable mirrors.
  • Such a light modulator makes it possible to generate a very individual phase front and therefore allows optimal beam shaping.
  • the optical arrangement has a telescope arrangement with at least two spaced-apart optical elements which have an optical refractive power in relation to the short axis of the beam profile, the optical phase element being arranged in front of the telescope arrangement as seen in the beam direction.
  • This configuration allows the depth of field to be increased by a factor of about 2 in a very simple and inexpensive manner.
  • the configuration is particularly advantageous for LLO applications and other applications that work with a Gaussian beam profile in the short axis, since the influence of the Phase element on the beam profile can be easily tolerated here.
  • the optical arrangement has a telescope arrangement with at least two spaced-apart optical elements which have an optical refractive power in relation to the short axis of the beam profile, the optical phase element being located between the at least two spaced-apart optical elements of the telescope arrangement is arranged.
  • the optical phase element is advantageously arranged in the far-field plane of the short axis.
  • the far field here can be defined in terms of the output of the beam transformer and can be achieved either by optics (focusing) or by looking at a plane far from the output aperture.
  • the path length is much larger than the Rayleigh length of the exit beam from the beam transformer.
  • the configuration is particularly suitable for applications with a top hat beam profile in the short axis, such as SLA applications in particular.
  • the optical arrangement has an objective lens with aberrations in the edge area, with the illumination beam containing beam components from the edge area.
  • the device advantageously uses an optical arrangement that is non-diffraction limited.
  • the embodiment uses aberrations in the edge area of the objective lens in an advantageous manner. It has the advantage that the local heating of the optical elements is reduced due to the large-area illumination. As a result, the thermally induced drift of the focus position is reduced, which is already an advantage.
  • the depth of field is increased by including the beam components from the edge area, so that two advantageous effects come together here.
  • the configuration enables the new device to be implemented with a small number of optical elements and thus allows a long-term cost-effective implementation.
  • the design is particularly advantageous for SLA applications and other applications with a top hat short axis beam profile.
  • the optical arrangement has at least one plano-convex lens with a first planar side and a second convex side, the convex side being directed towards the working plane.
  • the plano-convex lens is particularly advantageously arranged at the optical output of the device.
  • it can be the last optical element of the optical arrangement in the direction of the beam.
  • a plano-convex lens would be placed upside down in a generic device so that its planar side faces the working plane.
  • the preferred arrangement has the advantage that the aberrations from the edge area of the lens are utilized even more effectively.
  • the at least one lens can contain a plurality of individual lenses, of which at least one is plano-convex and arranged in the orientation mentioned.
  • FIG. 1a and 1b a schematic representation of a first exemplary embodiment of the new device
  • FIG. 2 shows a simplified representation of a beam profile to explain the first exemplary embodiment and further exemplary embodiments
  • FIG. 3 shows a simplified representation of the beam waist and waist length according to some exemplary embodiments of the new device
  • Fig. 4a and 4b is a schematic representation of a second embodiment of the new device.
  • 5a and 5b show a schematic representation of a further exemplary embodiment of the new device.
  • a first embodiment of the new device is denoted in its entirety by the reference numeral 10.
  • 1a shows the device 10 in a simplified representation with a view from above onto the laser line 12, which is placed in the area of a working plane 14 here.
  • the device 10 has a laser light source 16, which can be, for example, a solid-state laser that generates laser light in the infrared range or in the UV range.
  • the laser light source 16 can include a Nd:YAG laser with a wavelength in the range of 1030 nm.
  • the laser light source 16 may include diode lasers, excimer lasers, or solid state lasers. that generate laser light with wavelengths between 300 nm and 350 nm, 500 nm and 530 nm or 900 nm to 1070 nm.
  • the device 10 shows the device 10 from the side, i.e. with a view of the short axis of the laser line 12.
  • the beam direction of the laser beam is specified below with the coordinate axis z.
  • the laser line 12 runs in the direction of the x-axis and the line width is viewed in the direction of the y-axis. Accordingly, the x-axis designates the long axis of the beam profile below and the y-axis designates the short axis of the beam profile.
  • the laser light source 16 generates a raw laser beam 18, which is subsequently reshaped with an optical arrangement 20 to form an illumination beam 22 with the beam direction 23.
  • the optical arrangement 20 here includes a beam guidance unit 24, which in some exemplary embodiments can include a collimator that collimates the raw laser beam 18, as well as a beam converter and homogenizer, which are referred to here together with the reference numeral 26 in simplified form.
  • the beam shaper and homogenizer 26 expands the (collimated) raw laser beam 18 in the x-axis in order to generate the long axis of the laser line 12 .
  • the beam shaper and homogenizer 26 produces a transverse beam profile 28 as shown in a simplified representation in FIG.
  • the beam profile 28 has a long axis 30 with a long-axis beamwidth 31 in the x-direction and a short axis 32 with a short-axis beamwidth 33 in the y-direction.
  • the intensity I of the laser beam is specified here in the vertical coordinate axis.
  • the short-axis beamwidth 33 is shown here as a half-width (FWHM) by way of example.
  • FWHM half-width
  • the beam profile can be a Gaussian profile or a top hat profile, but with a finite edge steepness.
  • the beam profile 28 can be moved with the device 10 relative to the working plane 14, for example in the y direction.
  • the beam shaper and homogenizer 26 are implemented in the manner described in WO 2018/019374 A1. ben is.
  • the beam shaper and homogenizer 26 can accordingly include a transparent, monolithic, plate-shaped element with a front side and a back side that are essentially parallel to one another and at an acute angle (not shown here) to the optical axis 34 of the optical assembly 20 are arranged.
  • the front and back can each have a reflective coating, so that the collimated raw beam 18 is coupled obliquely into the plate-shaped element on the front and experiences multiple reflections there before the beam emerges fanned out at the back and is homogenized.
  • the beam shaper and homogenizer 26 can contain another optical element with numerous lenses (not shown here), which forms the fanned-out illumination beam, in particular in the long axis 30 .
  • the beam shaper and homogenizer 26 can be implemented in a manner as described in DE 10 2018 200 078 A1 mentioned at the outset, which is also included here by reference. Accordingly, the optical arrangement can contain further optical elements, which are not shown here for reasons of clarity and which serve in particular to shape the beam in the long axis.
  • the optical arrangement 20 here includes a telescope arrangement with a first optical element 36 and a second optical element 38.
  • the telescope arrangement has an optical refractive power that primarily affects the short axis 32 of the beam profile 28. It is set up to shape the beam profile 28 in the short axis 32 .
  • the laser beam shaped in this way illuminates an objective lens 40 here, which then focuses the beam profile 28 at a defined position 42 in the region of the working plane 14 with the aid of the illumination beam 22 .
  • the illumination beam 22 has a beam waist 44 on the object side in the beam direction, which is positioned here in the region of the working plane 14 (cf. FIG. 3). However, it can also be before or after the working plane.
  • the beam waist 44 has a waist length that can be quantified, for example, using the Rayleigh length on both sides.
  • the waist length can be quantified via a percentage increase 48, ie the waist length then corresponds to the longitudinal distance those points at which the beam diameter in the y-direction has increased by a defined percentage compared to the minimum beam diameter in the short axis.
  • the defined percentage may be less than or equal to 10% in some embodiments.
  • the waist length may correspond to the depth of field 46 .
  • the optical elements 36, 38, 40 heat up.
  • the heating can cause thermal lenses to form.
  • Thermal lenses are created by the absorption of laser light in the optical assembly.
  • the local increase in temperature can be significant in particular when laser light sources with a power of several kW are used.
  • the low thermal conductivity of optical materials causes a strong temperature gradient.
  • the resulting refractive index gradient and the thermal expansion of the material then act like an additional lens. The result of these thermal lenses is that the defined position 42 or the focus position of the illumination beam 22 is shifted by a drift length 50 .
  • the shifting of the defined position can occur in particular after the laser light source 16 has been switched on, when the optical elements are exposed to the laser beam again for the first time after a long interruption, but also if the operating power of the laser light source 16 changes, for example because it is operated at low power switched to higher power operation.
  • the device 10 according to FIGS. 1a and 1b has an optical phase element 52 in the beam path.
  • the phase element 52 is arranged in front of the short-axis telescope arrangement with the optical elements 36,38.
  • the phase element 52 imposes an axicon-like (though not rotationally symmetric) phase front on the laser beam illuminating the objective lens 40 with respect to the short axis.
  • the laser beam is given ring portions transversely to the optical axis 34 of the arrangement 20 .
  • the ring components result in the short-axis profile being imaged several times in succession in the beam direction z in the working plane 14 .
  • the depth of field in the direction of the beam is specifically extended.
  • the depth of focus 46 is dimensioned to be greater than the drift length 50, as shown in Fig. 3 is shown in simplified form.
  • the depth of field corresponds here to the waist length 46, but this does not have to be the case in all exemplary embodiments.
  • the depth of focus 46 is defined using the varying short-axis beam width 33 along the beam direction 23 .
  • the short-axis beam width 33 varies along the beam direction and has a maximum value at one point, which in FIG. 3 , for example, coincides with the center of the beam waist.
  • the depth of field defines the usable process window in the direction of the beam.
  • the short-axis beam width is 10% smaller than the maximum value of the short-axis beam width, preferably 5% smaller than the maximum value and particularly preferably 1% smaller than the maximum value.
  • the beam profile 28 is kept in the process window for processing a workpiece, even if the focal plane shifts as a result of thermal lenses.
  • the placement of the phase element 52 in the beam path in front of the short axis telescope assembly 32 is particularly advantageous for LLO applications and other applications with a Gaussian short axis beam profile 32.
  • the phase element 52 is positioned between the optical elements 36, 38 of the short axis telescope assembly.
  • the phase element 52 primarily affects the far field of the short axis 32 of the beam profile 28.
  • Such a placement of the phase element 52 is advantageous for SLA applications and other applications with a top hat beam profile.
  • the phase element 52 can be implemented in the exemplary embodiments of FIGS. 1a and 1b and 4a and 4b with one or more refractive optical elements, one or more diffractive optical elements and/or with a spatial light modulator, respectively.
  • the exemplary embodiment according to FIGS. 5a and 5b manages without a dedicated phase element 52. Rather, aberrations of the optical elements, in particular from the edge region of the objective lens 40, are used here in a targeted manner in order to achieve a greater To achieve depth of field 46. In principle, a dedicated phase element could also be used in combination (not shown here).
  • the optical arrangement 20 is advantageously not diffraction-limited.
  • the fanned-out laser beam illuminates the objective lens 40 up to the edge area, for example up to the edge area of the outer 20% of the lens radius in the short-axis view. This alone has the advantage that the radiant power of the laser beam is distributed over a larger lens area and the objective lens 40 heats up less locally.
  • this embodiment advantageously reduces the drift length.
  • the aberrations from the peripheral area of the objective lens mean that the depth of field is increased.
  • the quotient of the drift length 50 to the depth of field 46 is favorably influenced. A concomitant deterioration in beam quality in the short axis can be tolerated in many applications.
  • the objective lens 40 includes a plano-convex lens that has the convex side 54 directed toward the working plane 14 while the planar side 56 points toward the telescope assembly 36,38.
  • This orientation of the objective lens is very unusual for an optical arrangement of a generic device. However, it increases the effect of the spherical aberrations from the edge area of the objective lens 40.
  • Wavefront aberrations W(y p ) can be converted into longitudinal aberrations where As' is the longitudinal displacement, ri is the image-side refractive index, R is the radius of the reference sphere, and y p is the pupil coordinate.
  • a scales the degree of spherical aberration and depends on the lens design.
  • P o is the laser power here.
  • the thermal lens causes a focus shift of magnitude
  • the beam incident into the working plane is characterized along the short axis by a depth of field which scales approximately with the illumination y p and the beam diameter FW of the short axis in the working plane, ie
  • the power density P 0 /FW is a constant and is predefined through the process.
  • the focal length f results from the working distance.
  • the quotient of focus shift and depth of field is independent of the illumination y p .
  • the depth of field in the exemplary embodiments of the new device falls less sharply with the illumination.
  • the quotient Q is a function of y p and no longer independent of it. The quotient Q is therefore less than 1, preferably much less than 1.

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14) besitzt eine Laserlichtquelle (16), die einen Rohstrahl (18) erzeugt, sowie eine optische Anordnung (20), die den Rohstrahl aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl (22) umformt, der auf die Arbeitsebene trifft. Der Beleuchtungsstrahl (22) definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und besitzt ein transversales Strahlprofil (28). Das Strahlprofil (28) hat senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse (30) mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse (32) mit einer Kurzachsstrahlbreite. Die optische Anordnung (20) besitzt eine Anzahl von optischen Elementen (36, 38, 40), die das Strahlprofil (28) an eine definierte Position (42) im Bereich der Arbeitsebene 814) fokussieren. Die definierte Position (42) kann sich in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente (36, 38, 40) in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle (16) um eine Driftlänge (50) verschieben. Die Kurzachsstrahlbreite des Strahlprofils (28) variiert entlang der Strahlrichtung und definiert dabei ein nutzbares Prozessfenster. Die optische Anordnung (20) ist dazu eingerichtet, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe (46) in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge (50) ist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtguelle, die dazu eingerichtet ist, einen Rohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die den Rohstrahl aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, der auf die Arbeitsebene trifft, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei die optische Anordnung eine Anzahl von optischen Elementen aufweist, die das Strahlprofil an eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene fokussieren, wobei sich die definierte Position in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtguelle um eine Driftlänge verschiebt.
[0002] Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in DE 10 2018 200 078 A1 offenbart. [0003] Eine solche Vorrichtung erzeugt eine definierte linienförmige Laserbeleuchtung an einer definierten Stelle einer Arbeitsebene, um insbesondere ein Werkstück zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablett-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann vorteilhaft mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die haftende Verbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.
[0004] Eine andere Anwendung für die Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird hier ebenfalls mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing oder SLA bezeichnet.
[0005] Für derartige Anwendungen wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie parallel zu der Arbeitsebene. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, häufig als lange Achse und die Liniendicke als kurze Achse des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen jeweils einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist beispielsweise, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder eventuell trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere solcher Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil), ein Gaußprofil oder ein anderes Intensitätsprofil gewünscht.
[0006] WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit zahlreichen Details, die die optischen Elemente der optischen Anordnung betreffen. Eine Laserquelle erzeugt einen Laser-Rohstrahl, der mit Hilfe der optischen Anordnung in einer ersten Raumrichtung sehr breit aufgefächert wird, um die lange Achse zu erhalten. In einer zweiten, senkrecht dazu liegenden Raumrichtung wird der Laserstrahl fokussiert, um die kurze Achse zu erhalten. Die erste und die zweite Raumrichtung liegen typischerweise senkrecht zu der Strahlrichtung, in der der Laserstrahl auf die Arbeitsebene trifft. Die optische Anordnung der Vorrichtung aus WO 2018/019374 A1 besitzt einen Kollimator, der den Laser-Rohstrahl koll imiert, sowie einen Strahlumformer, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahlumformer nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahlumformer auch mehrere Laser-Rohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem gemeinsamen aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse und in der kurzen Achse, beispielsweise also jeweils ein Top Hat Profil. Die Fokussierstufe fokussiert den derartig umgeformten Laserstrahl auf die definierte Position im Bereich der Arbeitsebene.
[0007] Die eingangs genannte DE 10 2018 200 078 A1 offenbart eine optische Anordnung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie mit einer Teleskopanordnung, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse aufweist. Die Teleskopanordnung beinhaltet eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe, die entlang der optischen Achse relativ zueinander beweglich sind. Eine Steuereinheit steuert die Bewegung, während die Laserstrahlquelle den Laserstrahl erzeugt, um die Intensität der Beleuchtungslinie und ihre sogenannte Halbwertsbreite, d.h. die Linienbreite bei 50% der Intensität (Full Width at Half Maximum, FWHM) zeitlich möglichst konstant zu halten. Es habe sich gezeigt, dass sich die Eigenschaften der optischen Anordnung während der Erzeugung des Laserstrahls ändern können. Insbesondere können sich durch die Aufheizung der optischen Elemente infolge des Laserstrahls sogenannte thermische Linsen bilden, die die optischen Eigenschaften der Anordnung verändern. DE 10 2018 200 078 A1 schlägt vor, die sich daraus ergebende Veränderung der Fokusposition durch eine Verschiebung der Teleskoplinsen relativ zueinander zu kompensieren oder zumindest zu verringern.
[0008] Ein Nachteil dieser Lösung ist der mechanische Aufwand, den eine Positionsverstellung der Teleskoplinsen erfordert. Die Bewegung kann zu Verschleiß führen und/oder eine Dejustage der optischen Anordnung zur Folge haben. Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf alternative Weise dazu beiträgt, die Arbeitsebene im Arbeitsbereich der Vorrichtung zu halten.
[0009] Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird hier eine Vorrichtung der eingangs genannten Art angegeben, wobei die Kurzachsstrahlbreite des Strahlprofils entlang der Strahlrichtung variiert und somit ein nutzbares Prozessfenster definiert, und wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge ist.
[0010] Die neue Vorrichtung macht es möglich, auf eine mechanische Verstellung der optischen Anordnung bzw. der optischen Elemente, die die Fokussierung des Strahlprofils in der kurzen Achse bewirken, relativ zueinander zu verzichten. Bevorzugt weisen die optischen Elemente, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen und die das Strahlprofil an eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene fokussieren, daher starre Abstände relativ zueinander auf. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die optischen Elemente jeweils feststehend. Damit reduziert sich mechanischer Verschleiß und auch die Gefahr, dass die optische Anordnung infolge einer mechanischen Bewegung dejustiert werden kann. Stattdessen beruht die neue Vorrichtung auf der Idee, die Schärfentiefe der Anordnung in Strahlrichtung, im Folgenden longitudinal genannt, gezielt zu vergrößern, so dass die definierte Position, an die das Strahlprofil fokussiert wird, selbst bei einer Verschiebung infolge von thermischen Linsen im Bereich der Schärfentiefe verbleibt. Mit anderen Worten nimmt die neue Vorrichtung eine Fokusdrift infolge einer Erwärmung der optischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle bewusst in Kauf. Allerdings ist die optische Anordnung gezielt dazu eingerichtet, die Strahlqualität, insbesondere in der kurzen Achse, zu reduzieren, so dass das Strahlprofil auch bei einem Drift der Fokus- position im Prozessfenster verbleibt. Anstelle einer mechanischen Nachführung ist die optische Anordnung durch zusätzliche optische Elemente und/oder eine vergrößerte Ausleuchtung der optischen Elemente sowie eine damit einhergehende Ausnutzung von Aberrationen gezielt auf eine größere Schärfentiefe ausgelegt.
[0011] Die neue Vorrichtung besitzt daher eine optische Anordnung, bei der das Verhältnis von Schärfentiefe und Fokusverschiebung positiv beeinflusst ist. Damit ist das Prozessfenster der Vorrichtung im Vergleich zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik vergrößert. Eine mechanische Nachführung und die mit ihr verbundenen Nachteile werden vermieden. Dementsprechend ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.
[0012] In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Kurzachsstrahlbreite entlang der Strahlrichtung einen Maximalwert und das Prozessfenster besitzt in Strahlrichtung ein vorderes Ende und ein hinteres Ende, wobei die Kurzachsstrahlbreite an dem vorderen Ende und an dem hinteren Ende jeweils um bis zu 10% kleiner als der Maximalwert ist, vorzugsweise jeweils um bis zu 5% kleiner als der Maximalwert und besonders bevorzugt jeweils um 1% kleiner als der Maximalwert.
[0013] In dieser Ausgestaltung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, das Strahlprofil so zu erzeugen, dass sich ein Prozessfenster mit den angegebenen Parametern entsteht. Die Kurzachsstrahlbreite kann hier insbesondere als Halbwertsbreite bestimmt sein, d.h. als Differenz zwischen den beiden Intensitätswerten des Strahlprofils in der kurzen Achse, die 50% der Maximalintensität des Strahlprofils an der entsprechenden Position entlang der Strahlrichtung besitzen (Full Width at Half Maximum, FWHM). Alternativ kann die Kurzachsstrahlbreite hier als Differenz zwischen den beiden Intensitätswerten des Strahlprofils in der kurzen Achse angegeben werden, die 90% der Maximalintensität des Strahlprofils an der entsprechenden Position entlang der Strahlrichtung besitzen (Full Width at 90% of Maximum). Die angegebenen Werte bieten eine vorteilhafte Vergrößerung der Schärfentiefe, während die Strahlqualität in der kurzen Achse auf einem Niveau erhalten bleibt, das für gängige LLO und SLA-Anwendungen gut geeignet ist. [0014] In einer weiteren Ausgestaltung weist der Beleuchtungsstrahl in Strahlrichtung eine Strahltaille auf, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, die Strahltaille im Bereich der Arbeitsebene zu erzeugen.
[0015] Jeder reale Laserstrahl besitzt eine sogenannte Strahltaille. Dies ist in Ausbreitungs- bzw. Strahlrichtung des Laserstrahls diejenige Position, an der der Laserstrahl seinen minimalen Durchmesser oder Radius besitzt. Mit anderen Worten ändert sich der Durchmesser bzw. Radius eines realen Laserstrahls in Strahlrichtung. Mit zunehmender Entfernung von der Strahltaille vergrößert sich der Strahldurchmesser. Die Ausdehnung der Strahltaille in Strahlrichtung kann beispielsweise anhand der sogenannten Rayleigh-Länge quantifiziert werden. Die Rayleigh-Länge ist diejenige Entfernung vom Zentrum der Taille w0, bei der sich der Radius des Strahls - üblicherweise gemessen am elektrischen Feld - um den Faktor V2 erhöht hat, denn es gilt
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wobei die Rayleigh-Länge bezeichnet und w(z) der Strahlradius in der kurzen Achse ist. In dieser Ausgestaltung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, die Strahltaille im Bereich der Arbeitsebene, vorzugsweise in der Arbeitsebene zu platzieren. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Strahlprofil in der kurzen Achse ein Gaußprofil ist. Sie ermöglicht auf effiziente Weise eine hohe Energiedichte am Ort der Bearbeitung eines Werkstücks.
[0016] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung ein optisches Phasenelement auf, das dem Beleuchtungsstrahl eine axikonartige Phasenfront in der kurzen Achse aufprägt.
[0017] Ein Axikon im eigentlichen Sinn ist eine konisch geschliffene Linse, die eine Punktlichtquelle auf eine Linie entlang der optischen Achse abbildet oder einen Laserstrahl in einen Ring transformiert. Der Begriff Axikon bezieht sich häufig auf einen rotationssymmetrischen Fall bzw. auf ein rotationssymmetrisches Element. Im vorliegenden Fall beeinflusst das Phasenelement jedoch die kurze Achse, d.h. das Phasenelement erzeugt die axikonartige Phasenfront bei Betrachtung der optischen Anordnung für die kurze Achse. Die lange Achse bleibt weitgehend unbeeinflusst. Eine Rotationssymmetrie ist daher nicht impliziert. Die axikonartige Phasenfront, die in dieser Ausgestaltung mit Hilfe des Phasenelements erzeugt wird, zeigt sich folglich darin, dass der Laserstrahl bei Betrachtung des Strahlengangs für die kurze Achse transversal zur optischen Achse der Anordnung Ringanteile besitzt. Ein Anteil des Laserlichts wird mit Hilfe des Phasenelements „nach außen gestreut“. Dieser Anteil führt auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise zu einer Vergrößerung der Schärfentiefe. Dementsprechend ermöglicht diese Ausgestaltung eine recht einfache und kostengünstige Implementierung der neuen Vorrichtung.
[0018] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein refraktives optisches Element, insbesondere eine prismatisch oder azylindrisch geschliffene Linse.
[0019] Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Implementierung der neuen Vorrichtung. Insbesondere kann eine optische Anordnung entsprechend des eingangs genannten Standes der Technik durch Einbringen eines derartigen refraktiven optischen Elements, etwa einer im Profil keilförmigen azylindrischen Linse, modifiziert werden, um zu der neuen Vorrichtung zu kommen.
[0020] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein diffraktives optisches Element.
[0021] In dieser Ausgestaltung wird die axikonartige Phasenfront in der kurzen Achse mit Hilfe von Beugungseffekten erzeugt. In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein unregelmäßiges Gitter. Die Ausgestaltung ermöglicht eine Implementierung mit geringen optischen Verlusten und einer großen Toleranz in Bezug auf die Position des Phasenelements im Strahlengang der optischen Anordnung. [0022] In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement einen räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM).
[0023] Ein räumlicher Lichtmodulator ist ein Gerät, um Licht eine räumliche Modulation aufzuprägen. Er kann insbesondere eine Anordnung von Mikrospiegeln und/oder einen oder mehrere deformierbare Spiegel beinhalten. Ein solcher Lichtmodulator ermöglicht die Erzeugung einer sehr individuellen Phasenfront und erlaubt daher eine optimale Strahlformung.
[0024] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen auf, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen, wobei das optische Phasenelement in Strahlrichtung gesehen vor der Teleskopanordnung angeordnet ist.
[0025] Diese Ausgestaltung ermöglicht auf recht einfache und kostengünstige Weise eine Erhöhung der Schärfentiefe um einen Faktor von etwa 2. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für LLO Anwendungen und andere Anwendungen, die mit einem gaußschen Strahlprofil in der kurzen Achse arbeiten, da der Einfluss des Phasenelements auf das Strahlprofil hier ohne Weiteres toleriert werden kann.
[0026] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen auf, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen, wobei das optische Phasenelement zwischen den zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen der Teleskopanordnung angeordnet ist.
[0027] In dieser Ausgestaltung ist das optische Phasenelement vorteilhaft in der Fernfeldebene der kurzen Achse angeordnet. Das Fernfeld kann hier in Bezug auf den Ausgang des Strahltransformators definiert sein und lässt sich entweder über eine Optik (Fokussierung) erreichen oder, indem man eine weit von der Austrittsapertur entfernte Ebene betrachtet. Typischerweise ist die Weglänge dabei viel größer als die Rayleigh-Länge des Austritts- Strahls aus dem Strahltransformator. Die Ausgestaltung eignet sich vor allem für Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil in der kurzen Achse, wie insbesondere SLA Anwendungen.
[0028] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Objektivlinse mit Aberrationen im Randbereich auf, wobei der Beleuchtungsstrahl Strahlanteile aus dem Randbereich beinhaltet.
[0029] In dieser Ausgestaltung verwendet die Vorrichtung vorteilhaft eine optische Anordnung, die nicht-beugungsbegrenzt ist. Die Ausgestaltung nutzt Aberrationen im Randbereich der Objektivlinse in vorteilhafter Weise. Sie besitzt den Vorteil, dass die lokale Erwärmung der optischen Elemente aufgrund der großflächigen Ausleuchtung reduziert wird. Infolgedessen reduziert sich die thermisch bedingte Drift der Fokusposition, was bereits einen Vorteil darstellt. Darüber hinaus wird die Schärfentiefe durch die Einbeziehung der Strahlanteile aus dem Randbereich vergrößert, so dass hier zwei vorteilhafte Effekte zusammenkommen. Die Ausgestaltung ermöglicht die Implementierung der neuen Vorrichtung mit einer geringen Anzahl an optischen Elementen und erlaubt damit eine langfristig kostengünstige Realisierung. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für SLA-Anwendungen und andere Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil in der kurzen Achse.
[0030] In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung zumindest eine plankonvexe Linse mit einer ersten planen Seite und einer zweiten konvexen Seite auf, wobei die konvexe Seite auf die Arbeitsebene gerichtet ist.
[0031] Besonders vorteilhaft ist die plan-konvexe Linse am optischen Ausgang der Vorrichtung angeordnet. Sie kann insbesondere das letzte optische Element der optischen Anordnung in Strahlrichtung sein. Üblicherweise würde eine solche plan-konvexe Linse in einer gattungsgemäßen Vorrichtung umgekehrt platziert, so dass sie mit ihrer planen Seite zu der Arbeitsebene weist. Die bevorzugte Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Aberrationen aus dem Randbereich der Linse noch effektiver ausgenutzt werden. Die zumindest eine Linse kann in einigen Ausführungsbeispielen mehreren Einzellinsen beinhalten, von denen zumindest eine plan-konvex und in der genannten Ausrichtung angeordnet ist. [0032] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0033] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a und 1b eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines Strahlprofils zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels und weiterer Ausführungsbeispiele,
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung der Strahltaille und Taillenlänge gemäß einigen Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
Fig. 4a und 4b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und
Fig. 5a und 5b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.
[0034] In Fig. 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Fig. 1a zeigt die Vorrichtung 10 in einer vereinfachten Darstellung mit einem Blick von oben auf die Laserlinie 12, die hier im Bereich einer Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 16, die beispielsweise ein Festkörperlaser sein kann, der Laserlicht im Infrarotbereich oder im UV-Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 16 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1030 nm beinhalten. In weiteren Beispielen kann die Laserlichtquelle 16 Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, die Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 300 nm und 350 nm, 500 nm und 530 nm oder 900 nm bis 1070 nm erzeugen.
[0035] Fig. 1 b zeigt die Vorrichtung 10 von der Seite, d.h. mit einem Blick auf die kurze Achse der Laserlinie 12. Im Folgenden wird die Strahlrichtung des Laserstrahls mit der Koordinatenachse z angegeben. Die Laserlinie 12 verläuft in Richtung der x-Achse und die Linienbreite wird in Richtung der y-Achse betrachtet. Dementsprechend bezeichnet die x-Achse im Folgenden die lange Achse des Strahlprofils und die y-Achse bezeichnet die kurze Achse des Strahlprofils.
[0036] Die Laserlichtquelle 16 erzeugt einen Laser-Rohstrahl 18, der im weiteren Verlauf mit einer optischen Anordnung 20 zu einem Beleuchtungsstrahl 22 mit der Strahlrichtung 23 umgeformt wird. Die optische Anordnung 20 beinhaltet hier eine Strahlführungseinheit 24, die in einigen Ausführungsbeispielen einen Kollimator beinhalten kann, der den Laser- Rohstrahl 18 kollimiert, sowie einen Strahlumformer und Homogenisierer, die hier vereinfacht gemeinsam mit der Bezugsziffer 26 bezeichnet sind. Der Strahlumformer und Homogenisierer 26 weitet den (kollimierten) Laser-Rohstrahl 18 in der x-Achse auf, um die lange Achse der Laserlinie 12 zu erzeugen. Außerdem erzeugt der Strahlumformer und Homogenisierer 26 ein transversales Strahlprofil 28, wie es in einer vereinfachten Darstellung in Fig. 2 gezeigt ist. Wie gezeigt, besitzt das Strahlprofil 28 eine lange Achse 30 mit einer Langachsstrahl breite 31 in x-Richtung und eine kurze Achse 32 mit einer Kurzachsstrahlbreite 33 in y-Richtung. In der vertikalen Koordinatenachse ist hier die Intensität I des Laserstrahls angegeben. Die Kurzachsstrahlbreite 33 ist hier beispielhaft als Halbwertsbreite (FWHM) dargestellt. Das Strahlprofil kann abweichend von dem hier vereinfacht dargestellten trapezförmigen Intensitätsverlauf ein Gaußprofil oder ein Top Hat Profil, allerdings mit endlicher Flankensteilheit sein.
[0037] Zur Bearbeitung eines Werkstücks (hier nicht dargestellt) kann das Strahlprofil 28 mit der Vorrichtung 10 relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt werden, beispielsweise in y- Richtung. In Bezug auf weitere Details der Vorrichtung 10 wird auf die eingangs genannte WO 2018/019374 A1 verwiesen, die hier durch die Bezugnahme aufgenommen ist. Insbesondere sind der Strahl umform er und Homogenisierer 26 in einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen in der Weise realisiert, wie dies in WO 2018/019374 A1 beschrie- ben ist. Beispielsweise kann der Strahlumformer und Homogenisierer 26 dementsprechend ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer Rückseite beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinanderstehen und unter einem spitzen Winkel (hier nicht dargestellt) zu der optischen Achse 34 der optischen Anordnung 20 angeordnet sind. Die Vorderseite und die Rückseite können jeweils eine reflektierende Beschichtung aufweisen, so dass der kollimierte Rohstrahl 18 an der Vorderseite schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird und darin mehrfache Reflexionen erfährt, bevor der Strahl aufgefächert an der Rückseite austritt und homogenisiert wird. Der Strahlumformer und Homogenisierer 26 kann ein weiteres optisches Element mit zahlreichen Linsen beinhalten (hier nicht dargestellt), das den aufgefächerten Beleuchtungsstrahl insbesondere in der langen Achse 30 formt. Alternativ kann der Strahlumformer und Homogenisierer 26 in einer Weise realisiert sein, wie dies in der eingangs genannten DE 10 2018 200 078 A1 beschrieben ist, die hier ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Dementsprechend kann die optische Anordnung weitere optische Elemente beinhalten, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind und die insbesondere der Strahlformung in der langen Achse dienen.
[0038] Die optische Anordnung 20 beinhaltet hier eine Teleskopanordnung mit einem ersten optischen Element 36 und einem zweiten optischen Element 38. Die Teleskopanordnung besitzt eine optische Brechkraft, die vor allem die kurze Achse 32 des Strahlprofils 28 beeinflusst. Sie ist dazu eingerichtet, das Strahlprofil 28 in der kurzen Achse 32 zu formen. Der so umgeformte Laserstrahl beleuchtet hier eine Objektivlinse 40, die das Strahlprofil 28 dann mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls 22 an eine definierte Position 42 im Bereich der Arbeitsebene 14 fokussiert.
[0039] Wie in Fig. 1 b angedeutet ist, besitzt der Beleuchtungsstrahl 22 in Strahlrichtung eine objektseitige Strahltaille 44, die hier im Bereich der Arbeitsebene 14 positioniert ist (vgl. Fig. 3). Sie kann jedoch auch vor oder nach der Arbeitsebene liegen. Die Strahltaille 44 hat eine Taillenlänge, die beispielsweise anhand der beidseitigen Rayleigh-Länge quantifiziert sein kann.
[0040] In einigen Ausführungsbeispielen kann die Taillenlänge über eine prozentuale Zunahme 48 quantifiziert sein, d.h. die Taillenlänge entspricht dann dem longitudinalen Abstand derjenigen Punkte, an denen der Strahldurchmesser in y-Richtung um einen definierten Prozentsatz gegenüber dem minimalen Strahldurchmesser in der kurzen Achse zugenommen hat. Der definierte Prozentsatz kann in einigen Ausführungsbeispielen kleiner oder gleich 10% sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Taillenlänge der Schärfentiefe 46 entsprechen.
[0041] Aufgrund der Beleuchtung mit dem energiereichen Laserstrahl erwärmen sich die optischen Elemente 36, 38, 40. Die Erwärmung kann dazu führen, dass sich thermische Linsen bilden. Thermische Linsen entstehen durch die Absorption von Laserlicht in der optischen Anordnung. Die lokale Temperaturerhöhung kann insbesondere dann signifikant sein, wenn Laserlichtquellen mit mehreren kW Leistung eingesetzt werden. Die geringe thermische Leitfähigkeit optischer Materialien bewirkt einen starken Temperaturgradienten. Der resultierende Brechungsindexgradient und die thermische Ausdehnung des Materials wirken dann wie eine zusätzliche Linse. Diese thermischen Linsen haben zur Folge, dass sich die definierte Position 42 bzw. die Fokusposition des Beleuchtungsstrahls 22 um eine Driftlänge 50 verschiebt. Die Verschiebung der definierten Position kann insbesondere nach dem Einschalten der Laserlichtquelle 16 auftreten, wenn die optischen Elemente nach längerer Unterbrechung erstmalig wieder mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden, aber auch wenn sich die Betriebsleistung der Laserlichtquelle 16 verändert, weil beispielsweise von einem Betrieb mit niedriger Leistung auf einen Betrieb mit höherer Leistung umgeschaltet wird.
[0042] Die Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1a und 1 b besitzt aus diesem Grund ein optisches Phasenelement 52 im Strahlengang. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a und 1b ist das Phasenelement 52 vor der Kurzachs-Teleskopanordnung mit den optischen Elementen 36, 38 angeordnet. Das Phasenelement 52 prägt dem Laserstrahl, der die Objektivlinse 40 beleuchtet, eine axikonartige (allerdings nicht rotationssymmetrische) Phasenfront in Bezug auf die kurze Achse auf. Das hat zur Folge, dass der Laserstrahl transversal zur optischen Achse 34 der Anordnung 20 Ringanteile erhält. Außerdem führen die Ringanteile dazu, dass das Kurzachsprofil in der Strahlrichtung z mehrfach hintereinander in die Arbeitsebene 14 abgebildet wird. Dadurch wird die Schärfentiefe in Strahlrichtung gezielt verlängert. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schärfentiefe 46 so dimensioniert, dass sie größer als die Driftlänge 50 ist, wie dies in Fig. 3 vereinfacht dargestellt ist. Die Schärfentiefe entspricht hier der Taillenlänge 46, was aber nicht in allen Ausführungsbeispielen der Fall sein muss.
[0043] In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen wird die Schärfentiefe 46 anhand der variierenden Kurzachsstrahlbreite 33 entlang der Strahlrichtung 23 definiert. Die Kurzachsstrahlbreite 33 variiert entlang der Strahlrichtung und besitzt an einer Stelle einen Maximalwert, der in Fig. 3 beispielhaft mit dem Zentrum der Strahltaille zusammenfällt. Die Schärfentiefe definiert das nutzbare Prozessfenster in Strahlrichtung. Am vorderen Ende und am hinteren Ende des Prozessfensters ist die Kurzachsstrahlbreite jeweils um 10% kleiner als der Maximalwert der Kurzachsstrahlbreite, vorzugsweise jeweils um 5% kleiner als der Maximalwert und besonders bevorzugt jeweils um 1% kleiner als der Maximalwert. Da die Driftlänge 50 kleiner als die Schärfentiefe 46 ist, wird das Strahlprofil 28 für die Bearbeitung eines Werkstücks im Prozessfenster gehalten, auch wenn sich die Fokusebene infolge von thermischen Linsen verschiebt. Die Platzierung des Phasenelements 52 im Strahlengang vor der Teleskopanordnung für die kurze Achse 32 ist besonders vorteilhaft für LLO Anwendungen und andere Anwendungen mit einem gaußförmigen Strahlprofil in der kurzen Achse 32.
[0044] In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a und 4b ist das Phasenelement 52 zwischen den optischen Elementen 36, 38 der Teleskopanordnung für die kurze Achse angeordnet. In diesem Fall beeinflusst das Phasenelement 52 vor allem das Fernfeld der kurzen Achse 32 des Strahlprofils 28. Eine solche Platzierung des Phasenelements 52 ist vorteilhaft für SLA Anwendungen und andere Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil.
[0045] Das Phasenelement 52 kann in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1a und 1b und Fig. 4a und 4b jeweils mit einem oder mehreren refraktiven optischen Elementen, einem oder mehreren diffraktiven optischen Elementen und/oder mit einem räumlichen Lichtmodulator implementiert sein.
[0046] Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5a und 5b kommt ohne ein dezidiertes Phasenelement 52 aus. Vielmehr werden hier gezielt Aberrationen der optischen Elemente, insbesondere aus dem Randbereich der Objektivlinse 40, ausgenutzt, um eine größere Schärfentiefe 46 zu erreichen. Prinzipiell könnte darüber hinaus noch ein dezidiertes Phasenelement in Kombination verwendet sein (hier nicht dargestellt). Vorteilhaft ist die optische Anordnung 20 in diesem Ausführungsbeispiel nicht beugungsbegrenzt. Der aufgefächerte Laserstrahl beleuchtet die Objektivlinse 40 hier bis in den Randbereich hinein, beispielsweise bis in den Randbereich der äußeren 20% des Linsenradius in der Ansicht auf die kurze Achse. Dies allein besitzt bereits den Vorteil, dass sich die Strahlungsleistung des Laserstrahls über eine größere Linsenfläche verteilt und sich die Objektivlinse 40 lokal weniger stark aufheizt. Aus diesem Grund reduziert dieses Ausführungsbeispiel die Driftlänge in vorteilhafter Weise. Darüber hinaus führen die Aberrationen aus dem Randbereich der Objektivlinse dazu, dass die Schärfentiefe erhöht ist. Der Quotient von Driftlänge 50 zu Schärfentiefe 46 wird günstig beeinflusst. Eine damit einhergehende Verschlechterung der Strahlqualität in der kurzen Achse kann in vielen Anwendungen toleriert werden.
[0047] In bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Objektivlinse 40 eine plan-konvexe Linse, die mit der konvexen Seite 54 zu der Arbeitsebene 14 gerichtet ist, während die plane Seite 56 in Richtung der Teleskopanordnung 36, 38 zeigt. Diese Ausrichtung der Objektivlinse ist für eine optische Anordnung einer gattungsgemäßen Vorrichtung sehr ungewöhnlich. Sie verstärkt jedoch den Effekt der sphärischen Aberrationen aus dem Randbereich der Objektivlinse 40.
[0048] Das Designkriterium der Objektivlinse richtet sich nach der gewünschten longitudinalen Verschiebung. Aberrationen der Wellenfront W(yp) lassen sich umrechnen in longitudinale Aberrationen
Figure imgf000017_0001
wobei As' die longitudinale Verschiebung, ri der bildseitige Brechungsindex, R der Radius der Referenzkugel und yp die Pupillenkoordinate ist. [0049] Im Falle einer Zylinderlinse betragen die Aberrationen der Wellenfront !Vsph (yp)ocyP 4- Dementsprechend beträgt die gesamte longitudinale Verschiebung in Luft As' = a R2yP 2. Hierbei skaliert a den Grad der sphärischen Aberration und hängt von dem Objektivdesign ab.
[0050] Bei einer gaußschen Beleuchtung yp der Objektivlinse mit charakteristischer Brennweite f wird eine thermische Brechkraft von
Figure imgf000018_0001
generiert. Hierbei ist a die Absorption des Arbeitsstücks, K die thermische Leitfähigkeit des Materials, Lx die Linienlänge entlang langer Achse und yp der Strahlradius der Ausleuchtung. Die Änderung des Brechungsindex sowie die Ausdehnung des Glases sind in der Konstanten y zusammengefasst,
Figure imgf000018_0002
Po ist hier die Laserleistung. Die thermische Linse verursacht eine Fokusverschiebung in der Größenordnung
Figure imgf000018_0003
[0051] Gleichzeitig ist der in die Arbeitsebene einfallende Strahl entlang der kurzen Achse gekennzeichnet durch eine Schärfentiefe, welche näherungsweise mit der Ausleuchtung yp und dem Strahldurchmesser FW der kurzen Achse in der Arbeitsebene skaliert, d.h.
FW
(4) DOF - f yP [0052] Vergrößert man die Breite FW der kurzen Achse, vergrößert sich auch die Schärfentiefe.
Je geringer die Ausleuchtung, desto größer die Schärfentiefe. Entsprechend ergibt sich das Verhältnis
Figure imgf000019_0001
[0053] Die Leistungsdichte P0/FW ist eine Konstante und über den Prozess vordefiniert. Die Brennweite f ergibt sich aus dem Arbeitsabstand. D.h. im beugungsbegrenzten Fall ist der Quotient aus Fokusverschiebung und Schärfentiefe unabhängig von der Ausleuchtung yp. Hingegen fällt die Schärfentiefe in den Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung weniger stark mit der Ausleuchtung ab. Entsprechend ist der Quotient Q eine Funktion von yp und nicht mehr unabhängig davon. Der Quotient Q ist damit kleiner als 1, vorzugsweise viel kleiner als 1.

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit einer Laserlichtquelle (16), die dazu eingerichtet ist, einen Rohstrahl (18) zu erzeugen, mit einer optischen Anordnung (20), die den Rohstrahl (18) aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl (22) umformt, der auf die Arbeitsebene (14) trifft, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) eine Strahlrichtung (23) definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl (22) ein Strahlprofil (28) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung (23) eine lange Achse (30) mit einer Langachsstrahlbreite (31) und eine kurze Achse (32) mit einer Kurzachsstrahlbreite (33) aufweist, wobei die optische Anordnung (20) eine Anzahl von optischen Elementen (36, 38, 40) aufweist, die das Strahlprofil (28) an eine definierte Position (42) im Bereich der Arbeitsebene (14) fokussieren, wobei sich die definierte Position (42) in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente (36, 38, 40) in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle (16) um eine Driftlänge (50) verschiebt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzachsstrahlbreite (33) des Strahlprofils (28) entlang der Strahlrichtung (23) variiert und dabei ein nutzbares Prozessfenster definiert, wobei die optische Anordnung (20) dazu eingerichtet ist, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe (46) in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge (50) ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzachsstrahlbreite (33) entlang der Strahlrichtung (23) einen Maximalwert besitzt und dass das Prozessfenster in Strahlrichtung ein vorderes Ende und ein hinteres Ende besitzt, wobei die Kurzachsstrahlbreite (33) an dem vorderen Ende und an dem hinteren Ende jeweils um bis zu 10% kleiner als der Maximalwert ist, vorzugsweise jeweils um bis zu 5% kleiner als der Maximalwert und besonders bevorzugt jeweils um 1% kleiner als der Maximalwert. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (36, 38, 40) eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen und relativ zueinander feststehend sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahl (22) in Strahlrichtung eine Strahltaille (44) aufweist, wobei die optische Anordnung (20) dazu eingerichtet ist, die Strahltaille (44) im Bereich der Arbeitsebene (14) zu erzeugen. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) ein optisches Phasenelement (52) aufweist, das dem Beleuchtungsstrahl (22) eine axikonartige Phasenfront aufprägt. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) ein refraktives optisches Element beinhaltet, insbesondere eine prismatisch oder azylindrisch geschliffene Linse. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) ein diffraktives optisches Element beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) einen räumlichen Lichtmodulator beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) aufweist, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen, wobei das optische Phasenelement (52) in Strahlrichtung gesehen vor der Teleskopanordnung angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) aufweist, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen, wobei das optische Phasenelement (52) zwischen den zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) der Teleskopanordnung angeordnet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Objektivlinse (40) mit Aberrationen im Randbereich aufweist, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) Strahlanteile aus dem Randbereich beinhaltet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) zumindest eine plan-konvexe Linse (40) mit einer ersten planen Seite (56) und einer zweiten konvexen (54) Seite aufweist, wobei die konvexe Seite (54) auf die Arbeitsebene (14) gerichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine plan-konvexe Linse (40) in Strahlrichtung ein Abschlusselement der optischen Anordnung (20) ist.
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