WO2022128995A1 - Vorrichtung und verfahren zur fokuslagen-bestimmung - Google Patents

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WO2022128995A1
WO2022128995A1 PCT/EP2021/085615 EP2021085615W WO2022128995A1 WO 2022128995 A1 WO2022128995 A1 WO 2022128995A1 EP 2021085615 W EP2021085615 W EP 2021085615W WO 2022128995 A1 WO2022128995 A1 WO 2022128995A1
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Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Stefan Wolf
Johannes ROßNAGEL
Marc Hänsel
Roman Niedrig
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Primes Gmbh Messtechnik Für Die Produktion Mit Laserstrahlung
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    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the axial position of a beam focus of an energy beam from electromagnetic radiation, in particular for determining the axial position of a beam focus of processing optics.
  • the energy beam can in particular be a laser beam.
  • the invention also provides devices and methods that enable the position of the beam focus of processing optics to be determined during a laser processing process.
  • a central task in laser material processing is the adjustment and control of the axial focal position of the laser beam relative to the material or workpiece to be processed.
  • the focus of the laser beam is not necessarily directly on the surface of the workpiece. Rather, the optimal positioning of the laser beam focus to the workpiece depends on several factors.
  • the focus can, for example, lie within the workpiece, ie below the workpiece surface, particularly when machining workpieces with a high material thickness.
  • the processing result is often sensitive to the exact focal position of the laser beam, which is why it is desirable or necessary that the positioning of the laser beam focus to the workpiece does not change during processing.
  • Lasers with high brilliance and high power are used in modern laser processing systems. Due to the material properties in the optical elements of laser processing optics, the high laser power leads to heating of the optical elements. This creates a radial temperature gradient in the optical elements, which results in a change in the refractive power of the optical elements due to the temperature dependence of material parameters such as the refractive index. This effect is called thermal focus shift. Although this thermal focus shift can be minimized by selecting a suitable material for the optical elements, for example by using high-purity, low-absorption types of quartz glass, it is practically always present.
  • the effect is intensified by the reaction products and particles of various sizes created during laser material processing, which can be deposited on the processing optics or the protective glass of the processing optics and lead to increased absorption.
  • the protective glasses in particular often contribute to a change in the beam focus position of the processing optics.
  • Devices for determining a workpiece distance or a workpiece surface position are known from the prior art, which, for example, function according to the basic principle of optical triangulation.
  • Patent application EP 0 248 479 A1 thus discloses an arrangement for optically measuring a distance between a surface and a reference surface. To do this, the surface is illuminated with a radiation source and the reflected radiation is directed to a detector via an optical system after the reflected radiation has passed through an aperture with two off-axis openings. The extent of the pattern of beam spots produced by the aperture is a measure of the distance between the surface and the reference surface.
  • Patent application DE 101 42 206 A1 describes a measuring arrangement for determining the depth of bores or holes formed in substrate surfaces groove-shaped incisions.
  • the light emitted by a luminous spot on the substrate surface is also used here in order to obtain the depth information.
  • the light passes through two openings of an optical aperture onto a focusing element and is directed onto a detector.
  • the light is guided from at least one opening of the diaphragm onto a refracting or reflecting optical element to change the direction of the beam. In this way, for example, the deflection effect can be increased as a function of the depth of the substrate surface.
  • a device and a method for determining the focus position of a high-energy beam are known from the patent application DE 10 2013 210 078 A1.
  • the device includes, among other things, an image acquisition device, which is designed to form at least two observation beams, and imaging optics for generating at least two images of the area to be monitored or a reference contour.
  • an image acquisition device which is designed to form at least two observation beams, and imaging optics for generating at least two images of the area to be monitored or a reference contour.
  • a deviation of the focus position to the workpiece can be inferred from a change in the lateral distance of the two images of the area of the workpiece surface to be monitored.
  • a change in the focal length of the focusing element can be determined from a change in the lateral distance of two images of the reference structure, which can be formed, for example, by the inner contour of a laser processing nozzle, and a change in the focus position can thus be inferred. Since the light emitted or reflected by the workpiece or by the reference structure is also used in this device to generate the images, it is not possible to measure the focus position of the high-energy beam in the actual sense. A change in the beam focus position that is not caused by the focusing element but, for example, by the collimation optics, would not be able to be determined with the disclosed device.
  • Patent application EP 2 886239 A1 discloses a method and a device for monitoring and controlling the processing path in a laser joining process.
  • the processing head described in the publication has, among other things, a distance sensor in the form of a double-slit sensor with imaging optics and a double-slit diaphragm.
  • the distance between the processing head and the workpiece surface can be determined with the distance sensor.
  • a position or a distance from a workpiece surface is ultimately always determined optically.
  • the determination of the focal position of a beam directed onto a workpiece surface is not possible with the devices and methods cited above, or only with a low degree of accuracy.
  • a device and a method for processing material with electromagnetic radiation are known from publication WO 2012/041 351 A1. It is provided that a device for pattern generation, for example a perforated mask, is pivoted into the electromagnetic beam that is focused onto the material. A partially reflecting surface is arranged in front of the focus, so that the image of the pattern generated with the pattern generator is reflected back on the partially reflecting surface and reaches a detector via a beam splitter. The image on the detector is processed by a computer and an electrical signal dependent on the focal position is generated.
  • the disclosed method is intended for use in ophthalmic surgery.
  • the method is not or not very suitable for general applications in laser material processing, since it is generally not possible to permanently arrange a partially reflecting surface just in front of the beam focus, and it is also unfavorable to arrange a shadow mask in a high-power laser beam.
  • radiation is reflected back by means of a flat plate, which is arranged at a tilt angle in the laser beam, and is detected with a spatially resolving detector. Changes in divergence of the laser beam can be determined by detecting a shift in the focal position of the partial beam imaged on the detector.
  • the device is intended in particular for analyzing and monitoring a driver laser arrangement for generating EUV radiation.
  • Patent application DE 10 2011 007 176 A1 describes a device for focusing a laser beam and a method for monitoring laser processing.
  • a transmissive optical element in particular from a protective glass, laser radiation is reflected back and the reflected radiation is detected with a detector for determining the focus position.
  • the protective glass is arranged at a tilt angle so that the back-reflected radiation is deflected directly to the side and no further beam splitting is required.
  • a screen is provided to screen out the radiation reflected back from one of the sides of the protective glass.
  • the focus position of the laser beam is determined by evaluating the size or diameter of the impact area of the reflected laser radiation on the detector.
  • Patent DE 10 2013227 031 A1 discloses a device and a method for analyzing a light beam impinging on a substrate and for correcting a focal length shift.
  • a portion of the light beam reflected by the protective glass is deflected into a measuring beam path onto a sensor for beam analysis.
  • the portion reflected by the protective glass is guided through an aperture in the measuring beam path, which blocks out interference rays that are reflected by other parts of the device.
  • the protective glass is inclined and/or wedge plates are used to deflect the reflected beam.
  • the publication teaches the use of a CCD camera or a CMOS camera as a sensor, with which a measurement according to DIN ISO 11146 should be possible.
  • the actual focal length is determined by means of ABCD matrix calculation.
  • the device presented in the patent application DE 10 2018 105 364 A1 and the method for determining a focal position of a laser beam in a laser processing system work in a very similar way to the device from DE 10 2011 007 176 A1.
  • the use of calibration data is provided for determining the focus position, which include beam diameters measured as a function of the laser power.
  • the determination of the focal position is also based on the determination of the diameter of the intensity distribution on the detector in the method presented here.
  • the focus position is typically determined by determining the dimensions or diameter of the beam spot on the detector detected.
  • a focus position can be determined in this way if the beam parameters are known, but such methods are unfavorable for several reasons: on the one hand, the detected beam diameter also changes when the divergence and/or the diameter of the processing laser beam changes; on the other hand, a change in the diameter when the focus position changes is minimal, especially in the area of the beam waist. Both lead to considerable uncertainty when determining the axial focus position. Finally, based on a measurement in the optimal focus position, it cannot be recognized in which direction the beam focus is shifted, since the diameter increases in both directions.
  • the subsequently published DE 102019 004 337 A1 discloses a beam analysis device for determining a focal position of a light beam. It comprises an imaging device, a detector unit with a spatially resolved light-sensitive detector and an evaluation unit. Four partial beams are generated from a measuring beam by four selection devices. The first and second of the selection devices are arranged at a first distance along a y-direction, which extends transversely to a beam direction of the measuring beam. The first and second partial beams generated by this are imaged onto the detector by partial aperture lenses and are thereby deflected in the y-direction. When the focus position changes, the distance between the beam spots of the first and second partial beams changes along the y-direction on the detector.
  • the evaluation unit can determine the change in the focus position from this change in distance. However, under certain circumstances, the first distance can be small or even zero. The beam spots of the first and second partial beams can then no longer be distinguished and a clear evaluation is not possible.
  • the third and fourth of the selection devices are arranged at a second distance along an x-direction, which extends transversely to a beam direction of the measuring beam and perpendicular to the y-direction.
  • the third and fourth partial beams generated by this are imaged onto the detector by partial aperture lenses and deflected in the x-direction.
  • the evaluation unit can determine the change in the focus position from this change in distance. Also the second distance can be small or even zero. Then the beam spots of the third and fourth partial beams can no longer be distinguished.
  • a beam analysis device for determining an axial position of a beam focus, which comprises a beam shaping device, a detector, and an evaluation device.
  • the beam focus is a focus of an energy beam from electromagnetic radiation or a focus of a sample beam coupled out of the energy beam.
  • the beam shaping device is set up to extract (at least) two partial beams from the energy beam or from the sample beam coupled out of the energy beam in a plane of partial beam release, the two partial beams being a first partial beam and a second partial beam.
  • the cross sections of the two partial beams in the plane of the partial beam release are each defined by a partial aperture.
  • the partial apertures are delimited from one another. Center points of the partial apertures are at a distance k from one another, a first lateral direction being defined by the distance k between the partial apertures.
  • the term "lateral" refers to directions in planes perpendicular to the respective local optical axis.
  • the beam shaping device is also set up to shape an intensity distribution on the detector with (at least two) beam spots and to form at least one beam spot from each of the two partial beams (i.e. from at least one beam spot from the first partial beam and at least one beam spot from the second partial beam ) to image the two sub-beams onto the detector and to deflect and/or offset at least one of the two sub-beams in a second lateral direction, thereby forming a distance w along the second lateral direction between the beam spots on the detector.
  • the second lateral direction is aligned transversely to the first lateral direction and the two beam spots are the at least one beam spot of the first partial beam and the at least one beam spot of the second partial beam.
  • the detector includes a sensor that is sensitive to light radiation and has a two-dimensional spatial resolution, which is set up to convert the intensity distribution impinging on the detector into electrical signals.
  • the detector is placed along a propagation path for the two sub-beams at a distance s behind the plane of sub-beam release.
  • the evaluation device is set up to process the electrical signals from the detector, which represent the intensity distribution on the detector.
  • the evaluation device is also set up to determine a distance a along the first lateral direction between positions of the two beam spots on the detector.
  • the evaluation device is also set up to determine an axial position of the beam focus based on distance a and/or to determine a change in the axial position of the beam focus based on a change in distance a.
  • the beam analysis device is a particularly robust, precise, versatile and compact device for determining the focal position.
  • the beam shaping device is set up to form the (at least two) partial apertures for the release of one of the two partial beams in the plane of the partial beam release.
  • the beam shaping device is set up such that the beam spot of one of the two partial beams and the beam spot of the other of the two partial beams on the detector due to the distance k (in the first lateral direction in the plane of the partial beam release) form the distance a from one another on the detector along the first lateral direction on the detector, the distance a depending, among other things, on the axial position of the beam focus.
  • the beam shaping device is also set up so that the beam spot of one of the two partial beams and the beam spot of the other of the two partial beams on the detector due to the deflection and/or displacement of at least one of the two partial beams are additionally along the second lateral direction on the detector are offset from one another by the distance w, the second lateral direction at the detector being transverse to the first lateral direction at the detector.
  • the first distance a can be small or even zero under certain circumstances. Due to the additional distance w between the two beam spots on the detector, the two beam spots can still be distinguished even in such a case.
  • the beam shaping device can be set up in such a way that the distance w is so large that the two beam spots only partially (or preferably not) overlap even if the distance a is zero.
  • the beam analysis device according to the invention can optionally be further developed by one or more of the features listed below.
  • the sample beam can be identical to the energy beam, in particular if the sample beam is not formed by decoupling from the energy beam.
  • the evaluation device can be connected to the detector for receiving the electrical signals from the detector.
  • the evaluation device can be connected to the detector via at least one data line.
  • the evaluation device can be connected wirelessly to the detector in order to receive the electrical signals from the detector.
  • the evaluation device and the detector can be formed in a common unit.
  • the first lateral direction and the local optical axis can be changed between the plane of the partial beam release and the detector by beam folding and/or beam deflection.
  • the second lateral direction can also be changed accordingly by beam folding and/or beam deflection.
  • beam folding and/or beam deflection For example, the beam analysis device can be made more compact without impairing the measurement accuracy.
  • the beam shaping device of the beam analysis device can be set up to deflect and/or offset the two partial beams relative to one another, with a difference between the deflections and/or displacements of the two partial beams being aligned along the second lateral direction to form the distance w along the second lateral direction between the two beam spots on the detector.
  • the beam shaping device can be set up to deflect and/or offset both of the two partial beams in the second lateral direction, with only the difference between the deflections and/or displacements of the two partial beams along the second lateral direction leading to the formation of the distance w. This enables a larger distance w with less influence on the optical axis.
  • the beam analysis device can comprise a decoupling device, wherein the decoupling device contains a beam decoupler for decoupling the sample beam from the energy beam.
  • the decoupling device can enable a measurement by the beam analysis device during normal operation of the processing optics.
  • the beam outcoupler of the beam analysis device can be a beam splitter device which is set up for outcoupling a portion of the radiation in the range from 0.01% to 5% of the energy beam as a sample beam by reflection and/or transmission. In typical applications, this portion of the radiation is sufficient for an accurate measurement on the one hand, and on the other hand the energy beam is only slightly weakened by the decoupling.
  • the beam shaping device of the beam analysis device can include an imaging device with at least one optical lens for imaging the partial beams onto the detector. This enables, for example, the use of a more compact detector. Alternatively or additionally, the measurement accuracy can be improved as a result.
  • the plane of partial beam release can be arranged at the image-side focal point of the imaging device. This makes the evaluation particularly easy.
  • the evaluation device can be set up to determine the axial position of the beam focus based on the distance a between the two beam spots and/or the change in the axial position of the beam focus based on the change in the distance a between the two beam spots using a linear calculation rule. This allows a particularly simple, precise and fast evaluation with particularly little calculation effort.
  • the evaluation device can be set up to determine the axial position of the beam focus based on the distance a between the two beam spots, and/or the change in the axial position of the beam focus based on the change in the distance a between the two beam spots, using a calculation rule that is linear at least in sections . This allows a simple, precise and fast evaluation with little calculation effort.
  • the beam analysis device can include a beam folding device which contains a beam splitter and at least one mirror and which is arranged in the beam path in front of the detector.
  • the at least one mirror is arranged to reflect a portion of the radiation leaving the beam splitter back into the beam splitter, as a result of which the beam folding device forms a first folded beam path in this way.
  • the plane of the partial beam release of the beam shaping device is arranged in the beam path in front of the beam folding device or in the first folded beam path.
  • the beam folding device can also contain at least one second mirror, the second mirror being arranged to reflect a further portion of the radiation leaving the beam splitter back into the beam splitter, as a result of which the beam folding device forms a second folded beam path in this way.
  • the second folded beam path may allow additional parameters to be measured.
  • the plane of the partial beam release of the beam shaping device is arranged in the first folded beam path, and that no partial beam release is arranged in the second folded beam path and in this way a radiation component of the sample beam (or Energy beam) is guided to the detector as an unmodulated beam.
  • the evaluation device can be set up to determine a beam diameter and/or a beam profile from an intensity distribution of a beam spot of the unmodulated beam on the detector. This allows the energy beam or the sample beam to be characterized more precisely.
  • the mirror In the second folded beam path, the mirror can be arranged to be axially displaceable and the position of the mirror can be adjustable by means of a positioning device.
  • the axial displacement of the second mirror can be used, for example, to determine a beam caustic of the energy beam or the sample beam.
  • the evaluation device can be set up accordingly to determine the beam caustic. In particular, the evaluation device can be set up to control the axial displacement of this mirror.
  • the beam shaping device of the beam analysis device can include a beam separator device with at least one partial beam deflection element for deflecting and/or offsetting the at least one of the two partial beams in the second lateral direction to form the distance w along the second lateral direction between the two beam spots on the detector.
  • the beam separator device can also include at least two partial beam deflection elements for deflecting and/or offsetting the two partial beams relative to one another. A difference between the deflections and/or displacements of the two partial beams is aligned along the second lateral direction to form the distance w along the second lateral direction between the two beam spots on the detector.
  • the beam separator device can contain at least one wedge plate as a partial beam deflection element, which is arranged in alignment in front of or behind one of the partial apertures in the beam direction, and which is used to deflect it from the partial aperture separated from the two partial beams is set up by an angular amount in the range from 0.02° to 6°.
  • the beam separator device can contain at least one tilted flat plate or a prism as a partial beam deflection element, which is (are) arranged in line in the beam direction in front of or behind one of the partial apertures and which (s) is/are used to offset that of the two partial beams separated from the partial aperture by an amount in the range is established from 0.05 mm to 3 mm.
  • the beam separator device can be arranged within the first folded beam path and can contain at least two mirrors as partial beam deflection elements.
  • Each of the at least two mirrors can be arranged aligned in front of or behind one of the partial apertures in the beam direction; alternatively, the circumferences or edges of the mirrors themselves can form the partial apertures.
  • Each of the two mirrors is designed to reflect back one of the two partial beams. At this time, an angular difference between the normal directions on the mirror surfaces of the mirrors is in an amount range from 0.01° to 3°, and the difference between the normal directions on the mirror surfaces of the mirrors is aligned along the second lateral direction.
  • the evaluation device can be set up to determine a lateral position of the entire intensity distribution with the (at least) two beam spots on the detector
  • the beam analysis device can include a beam splitter for splitting up the sample beam, a further imaging device with at least one optical lens, and a second detector.
  • the beam splitter is arranged in the beam path in front of the plane of the partial beam release of the beam shaping device, and the beam splitter is arranged between the optical lens of the imaging device and the plane of the partial beam release.
  • the further imaging device is arranged between the beam splitter and the second detector for imaging an enlarged beam spot or an enlarged image of the beam focus onto the second detector. This allows a more precise characterization of the energy beam or the sample beam.
  • the evaluation device can be set up to process the electrical signals generated by the second detector, and the evaluation device can be set up to determine a beam diameter and/or a focus diameter from an intensity distribution on the second detector.
  • the beam analysis device can comprise a beam splitter for splitting up the sample beam, a further imaging device with at least one optical lens, and a second detector.
  • the beam splitter is arranged in the beam path in front of the plane of the partial beam release of the beam shaping device, and the beam splitter is arranged between the optical lens of the imaging device and the plane of the partial beam release.
  • the further imaging device is arranged between the beam splitter and the second detector.
  • the imaging device and the further imaging device together form a combined lens system which has an image-side focal plane.
  • the second detector can be arranged in the image-side focal plane of the combined lens system.
  • the evaluation device can be set up to process the electrical signals generated by the second detector, and the evaluation device can be set up to determine a divergence angle from an intensity distribution on the second detector.
  • the beam shaping device is set up such that the positions of the two beam spots on the detector run on two paths separated from one another by the distance w when the axial position of the beam focus varies.
  • a system can also be provided which comprises a beam analysis device and processing optics for guiding and focusing the energy beam.
  • the processing optics can include a decoupling device for decoupling the sample beam from the energy beam.
  • the Beam analysis device for receiving the sample beam coupled out to be connected to the processing optics. The beam analysis device can thus be used in a simple manner for examining the energy beam.
  • the beam focus is a focus of an energy beam from electromagnetic radiation or a focus of a sample beam coupled out of the energy beam.
  • the procedure comprises at least the following steps:
  • Imaging of the two partial beams for example by means of the beam shaping device, on the detector to form at least one beam spot from each of the two partial beams (i.e. at least one beam spot from the first partial beam and at least one beam spot from the second partial beam) to form an intensity distribution on the Detector comprising two beam spots, the two beam spots being the at least one beam spot of the first partial beam and the at least one beam spot of the second partial beam, and • Deflecting and/or offsetting at least one of the two partial beams in a second lateral direction, for example by means of the beam shaping device, and thereby forming a distance w along the second lateral direction between the two beam spots on the detector, the second lateral direction being transverse to the first lateral direction is aligned.
  • the beam-shaping device can be designed according to any of the described embodiments.
  • the advantages described here apply correspondingly to the beam analysis method.
  • the evaluation device can in particular be designed according to any of the described embodiments.
  • the advantages described here apply correspondingly to the beam analysis method.
  • the beam analysis method according to the invention can be further developed by one or more of the optional steps listed below.
  • the two partial beams can be deflected and/or offset relative to one another, for example by means of the beam shaping device, with a difference between the deflections and/or displacements of the two partial beams being aligned along the second lateral direction, as a result of which the distance w along the second lateral direction between the two beam spots are formed on the detector.
  • both of the two partial beams can be deflected and/or offset in the second lateral direction, with only the difference between the deflections and/or offsets of the two partial beams along the second lateral direction leading to the formation of the distance w. This enables a larger distance w with less influence on the optical axis.
  • the sample beam can be decoupled from the energy beam, for example by means of a beam decoupler in a decoupling device.
  • a radiation portion in the range of 0.01% to 5% of the energy beam can be coupled out as a sample beam by reflection and/or transmission, for example by means of the beam coupler.
  • the two partial beams can be imaged onto the detector by means of an imaging device which is arranged in the beam shaping device and has at least one optical lens.
  • the partial beams can be released in a plane which lies at the focal point of the imaging device on the image side.
  • the axial position of the beam focus can be determined based on the distance a between the two beam spots, or the change in the axial position of the beam focus can be determined based on the change in the distance a between the two beam spots, using a linear calculation rule.
  • the axial position of the beam focus can be determined based on the distance a between the two beam spots, or the change in the axial position of the beam focus can be determined based on the change in the distance a between the two beam spots, using a calculation rule that is linear at least in sections.
  • a first folded beam path can be formed by reflecting a portion of the radiation leaving the beam splitter on the at least one mirror back into the beam splitter by means of a beam folding device, which includes a beam splitter and at least one mirror and which is arranged in the beam path in front of the detector.
  • a beam folding device which includes a beam splitter and at least one mirror and which is arranged in the beam path in front of the detector.
  • a second folded beam path can be formed by the beam folding device, which also includes at least one second mirror, by reflecting another portion of the radiation leaving the beam splitter at the second mirror back into the beam splitter.
  • An optional method is also provided in which the separation of the two partial beams takes place in the first folded beam path and in which no separation of partial beams takes place in the second folded beam path and as a result a radiation component of the sample beam (or energy beam) is emitted as an unmodulated beam onto the detector is performed.
  • a beam diameter and/or a beam profile can be determined from an intensity distribution of a beam spot of the unmodulated beam on the detector, for example by means of the evaluation device.
  • the axial position of the mirror in the second beam path can be varied by means of a positioning device and an intensity distribution of the beam spot of the unmodulated beam can be registered on the detector for at least three different positions of the mirror. At least one beam parameter of the unmodulated beam can be determined from the registered intensity distributions, for example by means of the evaluation device.
  • a lateral position of the entire intensity distribution with the two beam spots on the detector can be determined, and a lateral position of the beam focus of the sample beam can be calculated from the lateral position of the entire intensity distribution or a change in the lateral position of the beam focus of the sample beam can be calculated from a Change in the lateral position of the entire intensity distribution can be calculated.
  • Another possible procedure can include the following three steps:
  • - Splitting of the sample beam by means of a beam splitter which is arranged in the beam path behind the optical lens of the imaging device and in front of the plane of the partial beam release.
  • - imaging a split sample beam onto a second detector by means of a further imaging device with at least one optical lens arranged between the beam splitter and the second detector to form an enlarged beam spot or an enlarged image of the beam focus on the second detector.
  • Yet another possible method may involve the following three steps:
  • a beam splitter which is arranged in the beam path behind the optical lens of the imaging device and in front of the plane of the partial beam release.
  • the imaging device and the further imaging device together form a combined lens system which has an image-side focal plane.
  • the second detector is arranged in the image-side focal plane of the combined lens system.
  • a method is optionally provided in which the energy beam is focused by processing optics.
  • Another method is optionally provided, in which the determined axial position of the beam focus or the determined change in the axial position of the beam focus is used to control a laser machining process.
  • a method is optionally provided in which the positions of the two beam spots on the detector run on two paths separated from one another by the distance w when the axial position of the beam focus is varied.
  • FIG. 1a A schematic representation of an embodiment of the beam analysis device according to the invention.
  • FIG. 1b A schematic representation of an embodiment of the beam analysis device similar to FIG. 1a with an additional decoupling device.
  • FIG. 2 A schematic representation of a modulation device for the beam analysis device and a schematic representation of exemplary intensity curves before and after the modulation device.
  • FIG. 3 A schematic, exemplary representation of beam spots on the detector of the beam analysis device and a schematic representation of an intensity curve on the detector.
  • FIG. 4 A schematic representation of the beam analysis device as in FIG. 1a with an additional representation of the beam path with a changed focus position.
  • FIG. 5 A schematic, exemplary representation of beam spots on the detector with an additional representation of the change in the position of the beam spots when the focus position changes.
  • FIG. 6 A schematic, incomplete representation of a beam analysis device with the arrangement of the modulation device in front of the imaging device. Only the elements that are essential for determining the focus position are shown.
  • FIG. 7 A schematic, incomplete representation of a beam analysis device with the arrangement of the modulation device behind the imaging device. Only the elements that are essential for determining the focus position are shown.
  • FIG. 8 A schematic representation of an embodiment variant of the beam analysis device, in which the modulation device is arranged in the focal plane of the imaging device.
  • FIG. 9 A schematic representation of an embodiment variant of the beam analysis device, in which the imaging device and the beam separator device are implemented in a common arrangement.
  • FIG. 10 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with a beam folding device.
  • FIG. 11a A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with the arrangement of the beam separator device in the folded beam path.
  • FIG. 11b A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with the arrangement of the beam separator device in the folded beam path and the use of an alternative beam splitter.
  • FIG. 12 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with the arrangement of the modulation device and the beam separator device in the folded beam path.
  • FIG. 13 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device, in which the modulation device and the beam separator device are implemented in a common arrangement.
  • FIG. 14 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with a beam folding device for forming two different beam paths onto the detector.
  • FIG. 15a A schematic exemplary representation of beam spots on the detector for an embodiment variant of the beam analysis device with two beam paths.
  • FIG. 15b A schematic exemplary representation of beam spots on the detector for an embodiment variant of the beam analysis device with two beam paths with an additional representation of the change in the position of the beam spots when the focus position changes.
  • FIG. 16a A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device, two beam paths onto the detector and an additional shutter device.
  • FIG. 16b A schematic representation of a further embodiment variant of the beam analysis device similar to that in FIG. 16a with an additional decoupling device.
  • FIG. 16c A schematic representation of a further embodiment variant of the beam analysis device similar to that in FIG. 16a with an additional decoupling device and with an additional beam power measurement.
  • FIG. 16d A schematic representation of a further embodiment variant of the beam analysis device similar to that in FIG. 16c with a multi-stage decoupling device.
  • FIG. 17 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with two beam paths onto the detector, in which a modulation device is arranged in only one beam path.
  • Figure 18 A schematic representation of a further embodiment of the
  • FIG. 19a A schematic representation of a further embodiment variant of the beam analysis device similar to that in FIG. 17, in which the beam path length for the unmodulated beam can be adjusted.
  • FIG. 19b A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device similar to that in FIG. 19a with an additional outcoupling device.
  • FIG. 19c A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device similar to that in FIG. 19a with an additional decoupling device and with an additional beam power measurement.
  • FIG. 19d A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device similar to that in FIG. 19a in combination with processing optics, in which the sample beam is decoupled from the collimated energy beam of the processing optics.
  • FIG. 19e A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device similar to that in FIG. 19a in combination with processing optics, in which the sample beam is formed by reflective decoupling of a radiation component reflected back from the protective glass.
  • FIG. 19f A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device similar to that in FIG. 19a in combination with processing optics, in which the sample beam is formed by transmissive decoupling of a radiation component reflected back from the protective glass.
  • FIG. 20 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with an additional beam division and imaging of a portion of the sample beam onto a second detector.
  • FIG. 21 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with an additional beam splitting and guidance of a sample beam portion to a second detector with an adjustable length of the beam path to the second detector.
  • FIG. 22 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with two beam paths similar to FIG. 14 and with an additional beam splitting and imaging of a far-field beam distribution of the sample beam onto a second detector.
  • FIG. 23 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with two beam paths similar to FIG. 18 and with an additional beam splitting and imaging of a far-field beam distribution of the sample beam onto a second detector.
  • FIG. 24 A schematic representation of a further embodiment of the beam analysis device with two beam paths similar to FIG. 19a and with an additional beam splitting and imaging of a far-field beam distribution of the sample beam onto a second detector.
  • FIG. 25 A schematic representation of an embodiment of the beam analysis device with a beam shaping device with four partial apertures for extracting four partial beams.
  • Figure 26a A schematic representation of a modulation device and a beam separator device for a beam analysis device according to Figure 25.
  • FIG. 26b A schematic, exemplary representation of beam spots on the detector of the beam analysis device according to FIG. 25 and the modulation device according to FIG. 26a.
  • Figure 27a A schematic representation of a further modulation device and a beam separator device for a beam analysis device similar to Figure 25.
  • FIG. 27b An exemplary representation of beam spots on the detector when using a modulation device according to FIG. 27a.
  • FIG. 28a A schematic representation of a further modulation device with four partial apertures.
  • FIG. 28b An exemplary representation of beam spots on the detector when using a modulation device according to FIG. 28a.
  • FIG. 29a A schematic representation of a further modulation device and a beam separator device for a beam analysis device similar to FIG. 25, but with three partial apertures.
  • FIG. 29b An exemplary representation of beam spots on the detector when using a modulation device according to FIG. 29a.
  • FIG. 30a A schematic representation of a further modulation device with four partial apertures and a beam separator device for deflecting four partial beams.
  • FIG. 30b An exemplary representation of beam spots on the detector when using a modulation device according to FIG. 30a.
  • FIG. 1a shows a beam analysis device 10 according to the invention, which contains a beam shaping device 12, a detector 40 and an evaluation device 45.
  • the beam shaping device 12, the detector 40 and the evaluation device 45 are preferably arranged together in one housing.
  • the beam analysis device 10 receives a sample beam 70 with a beam focus 71 propagating along an optical axis 11.
  • the beam shaping device 12 comprises a modulation device 20, a beam separator device 52 and an imaging device 50, which in this exemplary embodiment are embodied as independent devices.
  • the modulation device 20 is used to separate two partial beams 72, 73 from the sample beam 70 in a plane of the partial beam release 19.
  • the modulation device 20 has at least two pass zones 21, 22 that are delimited from one another and at least one blocking zone 25, which completely separates the pass zones 21, 22 encloses and separates.
  • the radiation propagates further to the detector 40; in the area of the restricted zone 25, the propagation of the radiation to the detector is impeded.
  • the edges of the transmission zones 21, 22 delimit two partial apertures 32, 33, which are in the plane of Partial beam release 19 define the cross sections of the partial beams 72, 73 formed in this way.
  • the center points of the partial apertures 32, 33 are at a distance k from one another.
  • the distance k that is to say the imaginary shortest connection between the centers of the partial apertures 32, 33, defines a first lateral direction 31.
  • the first lateral direction 31 is aligned perpendicular to the local optical axis 11.
  • the first lateral direction 31 is aligned parallel to the y-coordinate axis, for example.
  • the upper part of FIG. 1a consequently shows a representation of the beam analysis device 10 in the yz plane, as indicated by the coordinate arrows y, z.
  • the modulation device 20 modulates the intensity distribution of the sample beam 70 in the plane of the partial beam release 19, as a result of which a shaped sample beam 79 with the two partial beams 72, 73 is formed.
  • the modulation device 20 can be, for example, a double pinhole diaphragm with two openings, the two openings representing the transmission zones 21 , 22 .
  • the shaped sample beam 79 is imaged onto the detector 40 by means of the imaging device 50 .
  • the detector 40 In a sensor plane 39, the detector 40 has a sensor which is sensitive to light radiation and has a two-dimensional spatial resolution, which converts the intensity distribution on the detector 40 into electrical signals which are received and processed by the evaluation device 45.
  • the evaluation device 45 is electrically connected to the detector 40 for this purpose.
  • the imaging device 50 contains at least one optical lens 51 . By imaging the shaped sample beam 79 onto the detector 40, at least one beam spot 92, 93 is formed on the detector for each of the partial beams 72, 73.
  • the two beam spots 92, 93 are at a distance a from one another on the detector 40 in the first lateral direction 31.
  • the distance a depends, among other things, on the distance k between the partial apertures 32, 33, on the distance s between the plane of the partial beam release 19 and the sensor plane 39, and on the distance zs between the axial position of the beam focus 71 and the plane of the partial beam release 19.
  • the axial position of the beam focus 71 can thus be determined from the distance a.
  • the distance a is zero when the image position of the beam focus 71 falls on the detector 40 or on the sensor plane 39 .
  • the evaluation device 45 can clearly assign the beam spots 92, 93 and can thus distinguish between a positive and a negative displacement of the beam focus 71, ie forwards or backwards, it is provided according to the invention that at least one of the partial beams 72, 73 in a second lateral direction 37 to deflect or displace, which is oriented transverse to the first lateral direction 31 .
  • the second lateral direction 37 can be oriented perpendicular to the first lateral direction 31, for example.
  • the second lateral direction 37 is oriented perpendicularly to the local optical axis 11 .
  • both partial beams 72, 73 are deflected along the second lateral direction 37.
  • the beam shaping device 12 has the beam separator device 52, which in this example comprises two wedge plates as partial beam deflection elements 53, 54.
  • One of the wedge plates 53, 54 is arranged in alignment behind one of the passage zones 21, 22 in the beam direction.
  • both partial beams are thus deflected by approximately the same amount, but in opposite directions, along second lateral direction 37 .
  • the direction of deflection is defined by the orientation of the wedge angle of the wedge plates.
  • partial beam 72 can be deflected by wedge plate 53 by an angular amount in the range of 0.02° to 6°
  • partial beam 73 can be deflected by wedge plate 54 by the same angular amount in the opposite direction.
  • the beam spots 92, 93 are at a distance w from one another in the direction of the second lateral direction 37.
  • a partial representation of the beam analysis device 10 in the xz plane is shown in the lower part of FIG figure is indicated.
  • FIG. 1b shows a beam analysis device 10 similar to the embodiment shown in FIG. 1a.
  • the embodiment variant of the beam analysis device 10 shown in Figure 1b differs from the embodiment according to Figure 1b by an additional decoupling device 14.
  • the decoupling device 14 comprises a beam decoupler 15.
  • an energy beam 77 of electromagnetic radiation for example a laser beam
  • the beam coupler 15 is a plane plate which is arranged as a beam splitter and at one of its boundary surfaces a fraction of the intensity of the energy beam 77 is reflected as the sample beam 70 .
  • the plane plate can be coated for the purpose of adjusting the degree of reflection, for example with a reflection-reducing layer.
  • a low residual reflection of conventional anti-reflective coatings can range from about 0.05% to about 1% be sufficient to provide the sample beam 70.
  • the decoupling device 14 reduces and/or limits a radiation intensity of the sample beam 70 at the same time. All other features of the embodiment in FIG. 1b correspond to the features shown in FIG. 1a, the same reference numbers correspond to the same features as in FIG 1a; in this respect, reference is made to the description of FIG. 1a for the other features.
  • FIG. 2 shows an example of a modulation device 20 as can be used in a beam analysis device 10 according to FIGS. 1a or 1b.
  • the modulation device 20 shown in FIG. 2 is a double pinhole diaphragm.
  • the modulation device 20 has two pass zones 21 , 22 delimited from one another and a blocking zone 25 which surrounds the pass zones 21 , 22 .
  • the passage zones 21, 22 are circular openings in this example. No radiation is transmitted in the area of the restricted zone 25; the exclusion zone 25 can consist of absorbing and/or reflecting material.
  • the edges of the transmission zones 21, 22 define the two partial apertures 32, 33.
  • the centers of the partial apertures 32, 33 define the first lateral direction 31 and are at a distance k from one another.
  • the partial apertures 32 , 33 each have a width b along the first lateral direction 31 .
  • the sample beam 70 strikes the modulation device 20 and has an intensity distribution 81 in front of the modulation device 20, which can be Gaussian, for example.
  • the radiation propagating through the transmission zones 21, 22 forms the shaped sample beam 79 with the two partial beams 72, 73.
  • the shaped sample beam 79 has an intensity distribution 82 immediately behind the modulation device 20.
  • the intensity distribution 81 of the sample beam 70 in front of the modulation device 20 and the intensity distribution 82 of the shaped sample beam 79 directly behind the modulation device 20 are shown schematically in the right-hand part of FIG. 2 as beam profiles along the first lateral direction 31 for a Gaussian sample beam 70.
  • FIG. 3 is a schematic, exemplary illustration of an intensity distribution on the detector 40 in a beam analysis device 10 according to FIGS. 1a or 1b.
  • the intensity distribution on the detector 40 is made up of the beam spots 92, 93, which are focused or approximately focused as a result of imaging by the imaging device 50.
  • the beam spots 92, 93 are at a distance a from one another.
  • the distance a is at the shown exemplary distribution of the beam spots zero, but can have any values.
  • the distance a changes when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the beam spots 92, 93 are at a distance w from one another in the second lateral direction 37.
  • the distance w does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the intensity distribution 83 of the shaped sample beam 79 on the detector 40 is shown schematically as a beam profile along the second lateral direction 37.
  • the two peaks in the beam profile of the intensity distribution 83 shown represent the beam spots 92, 93.
  • FIG. 4 shows the same beam analysis device 10 as in FIG. 1a. In this respect, for the explanation of FIG. 4, reference is made to the description of FIG. 1a.
  • FIG. 4 also illustrates the change in the distance a between the beam spots 92, 93 on the detector 40 when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the partial beams 72, 73 are not shown in FIG Points of impingement of the beams through the center points of the partial apertures 32, 33 on the detector 40 represent the positions of the beam spots 92, 93.
  • FIG. 5 shows schematically the intensity distribution with the beam spots 92, 93 on the detector 40 for a beam analysis device 10 according to FIGS. 1a, 1b or 4, which is equipped with a modulation device 20 as shown in FIG.
  • FIG. 5 also illustrates the change in the distance a between the beam spots 92, 93 on the detector 40 when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the primed reference symbols in the figure identify the details changed by the axial displacement of the beam focus.
  • the beam spots 92, 93 are at a distance a from one another. The distance a changes when the axial position of the beam focus 71 changes, for example to the distance a′.
  • the beam spots 92, 93 have the distance w from one another due to the deflection of the partial beams 72, 73 by means of the beam separator device 52, which does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the distance w is independent of the axial position of the beam focus 71 .
  • the positions of the beam spots 92, 93 on the detector 40 therefore run on two paths separated from one another by the distance w when the axial beam focus position is varied.
  • the assignment of the beam spots is always unambiguous and both the size of a change and the direction of the change can be clearly determined.
  • FIG. 6 shows the geometric variables and relationships that influence the functional relationship between the distance a between the beam spots 92 and 93 and the axial position of the beam focus 71, ie the elements that are essential for determining the focus position are shown.
  • the reference numerals 10 and 52 are placed in parentheses because not all elements of the beam analysis device 10 are shown. Otherwise, the beam analysis device 10 shown here corresponds to the device shown in FIG. 1a, with the modulation device 20 being arranged in front of the lens 51 of the imaging device 50 in the direction of the beam.
  • FIG. 7 shows the geometric parameters and relationships that determine the functional relationship between the distance a between the beam spots 92 and 93 and the axial position of the beam focus 71 .
  • the modulation device 20 is arranged behind the lens 51 of the imaging device 50 in the beam direction.
  • d is the distance from the position of the imaging device 50, more precisely, from the main plane of the imaging device 50, to the plane of the partial beam release 19.
  • the calculation formula for this case is:
  • Az Aa f 2 / ( sk ) This simple linear relationship simplifies the calibration of the device and a particularly high degree of accuracy in determining the focal position can be achieved.
  • FIG. 8 shows another embodiment variant of the beam separator device 52 in contrast to the beam analysis device 10 of FIG. 1a.
  • the variant of the beam separator device 52 shown here as an example comprises two plane plates as partial beam deflection elements 53, 54.
  • the plane plates 53, 54 are aligned in the beam direction in front of or, in this case, behind the respective partial apertures 32, 33 and are inclined at an angle opposite to one another, see above that the two partial beams 72, 73 are offset from one another in the second lateral direction 37.
  • Flat plates are usually less expensive than wedge plates;
  • the distance w between the beam spots 92, 93 in the second lateral direction 37 can be adjusted by the angle of inclination of the plane plates. All other elements shown correspond to the description of FIG. 1a.
  • FIG. 9 shows a beam analysis device 10 similar to FIG. 1a, in which the imaging device 50 and the beam separator device 52 are implemented in a common arrangement.
  • the lens 51 contained in the imaging device 50 is divided into two halves and the two lens halves are shifted relative to one another in a direction perpendicular to the first lateral direction 31 defined by the distance k. All other elements shown correspond to the description of FIG. 1a.
  • FIG. 10 shows a further embodiment of the beam analysis device 10 according to the invention.
  • the beam analysis device 10 is additionally equipped here with a beam folding device 60 and otherwise corresponds to FIG. 1a.
  • the beam folding device 60 comprises a beam splitter 61 and a mirror 64 .
  • the beam folding device 60 is arranged behind the beam shaping device 12 .
  • a portion of the radiation of the shaped sample beam 79 is deflected by means of the beam splitter 61 , which can be a beam splitter cube, for example.
  • the deflected portion of the radiation impinges on the mirror 64 and is reflected back into the beam splitter 61 by it.
  • the beam is folded by the back reflection with the mirror 64, thereby forming a first folded beam path.
  • the shaped sample beam 79 onto the detector 40.
  • the area circled in the figure around the detector 40 is shown as an enlarged detail in the lower part of the figure, the detailed figure below being a representation in the xz plane, i.e. the plane perpendicular to the plane of the drawing upper part of the figure shows.
  • the direction of the local optical axis 11 changes.
  • the first lateral direction 31 in the area of the detector 40 does not point in the same direction as that due to the distance k when viewed globally in this case defined first lateral direction 31 in the plane of the partial beam release 19.
  • the first lateral direction 31 is always to be understood in relation to the local coordinates of the sample beam 70, 79.
  • the local coordinates of the sample beam 70, 79 are always based on the local optical axis 11.
  • the local optical axis 11 always forms the z-axis of the local coordinates.
  • the first lateral direction 31 is always aligned perpendicularly, ie laterally, to the local optical axis 11 or to the local z-axis.
  • the second lateral direction 37 is also always to be understood in relation to the local coordinates of the sample beam 70, 79. Accordingly, both the first lateral direction 31 and the second lateral direction 37 are always aligned perpendicularly to the local optical axis, and the second lateral direction 37 is always aligned transversely to the first lateral direction 31 .
  • the local optical axis and local z-axis can even turn around exactly due to reflection, for example at the mirror 64 .
  • the first lateral direction 31 and the second lateral direction 37 change accordingly.
  • the first lateral direction 31 is causally defined by the imaginary connection of the center points of the partial apertures 32, 33, ie by the distance k, and results in a beam deflection corresponding to the change in the local optical axis 11.
  • the beam folding device 60 enables a compact, space-saving design of the beam analysis device 10. All other elements shown in FIG. 10 correspond to the description of FIG. 1a.
  • FIG 11a shows a beam analysis device 10 similar to Figure 1a and like Figure 10 with an additional beam folding device 60.
  • the beam folding device 60 here comprises a beam splitter 61 and two mirrors 56, 57 Modulation device 20 arranged.
  • the beam splitter 61 radiation components of the partial beams 72, 73 that have been separated out are deflected.
  • One partial beam 72 , 73 of the deflected radiation components strikes one of the mirrors 56 , 57 .
  • the two mirrors 56 , 57 reflect the partial beams 72 , 73 back into the beam splitter 61 .
  • a first folded beam path is formed by the back reflection with the mirrors 56, 57.
  • the two mirrors 56, 57 are inclined towards one another at a small angle and in this way form the beam separator device 52 at the same time.
  • the difference in the normal directions on the mirror surfaces of the mirrors 56, 57 is aligned along the second lateral direction 37.
  • the angle difference between the normal directions on the mirror surfaces of the mirrors 56, 57 can be, for example, in an amount range from 0.01° to 3°.
  • Mirrors are typically less expensive than wedge plates; in addition, the distance w between the beam spots 92, 93 in the second lateral direction 37 can be adjusted by the angle of inclination of the mirrors 56, 57. All other elements shown correspond to the descriptions of Figure 1a and Figure 10.
  • FIG. 11b shows the same beam analysis device 10 as FIG. 11a.
  • FIG. 11b shows, by way of example, that the beam splitter 61 of the beam folding device 60 can be designed not only as a beam splitter cube, but also as a beam splitter mirror or beam splitter plate. All other elements shown correspond to the descriptions of FIG. 1a, FIG. 10 and FIG. 11a.
  • FIG. 12 shows a beam analysis device 10 similar to FIG. 11a.
  • the modulation device 20 is not arranged in front of the beam folding device 60 here, but within the beam folding device 60 in the folded beam path in approximately the same plane as the mirrors 56, 57. All other elements shown correspond to the descriptions of FIG. 1a , Figure 10 and Figure 11a.
  • FIG. 13 shows a beam analysis device 10 similar to FIG. 12.
  • the modulation device 20 is represented by the mirrors 56, 57 educated.
  • the mirrors 56, 57 also form the beam separator device 52 and are also part of the beam folding device 60.
  • the edges of the mirrors 56 and 57 form the partial apertures 32, 33.
  • the partial beams 72, 73 are therefore separated by the reflection of the Radiation within the partial apertures 32, 33 or the mirrors 56, 57, while the radiation outside of the partial apertures 32, 33 is not reflected and thus does not contribute to the intensity distribution on the detector 40.
  • FIG. 14 shows a beam analysis device 10 similar to FIG.
  • the beam folding device 60 is also used to additionally form a second folded beam path to the detector 40 .
  • a second radiation component of the partial beams 72, 73 emanating from the beam splitter 61 is reflected back by means of a further pair of mirrors 58, 59, which form a second beam separator device 55, and the radiation components of the partial beams 72, 73 from both folded beam paths are with the same beam splitter 61 again superimposed on a common propagation path to the detector 40.
  • the partial beams 72, 73 can thus each form two beam spots, i.e.
  • the beam spots 92, 93 imaged over the first folded beam path have a spacing ai in the first lateral direction and the beam spots 92, 93 imaged over the second folded beam path have a spacing a2 in the first lateral direction.
  • a distance wi is formed in the second lateral direction 37 between the beam spots 92, 93 imaged over the first folded beam path
  • a distance W2 is formed between the beam spots 92, 93 imaged over the second folded beam path.
  • the lengths of the two folded beam paths can be chosen to be different. The selection of different beam path lengths can be used advantageously to increase the detection range of the beam analysis device 10 with regard to the change in the position of the beam focus 71, and/or to use the beam analysis device 10 for sample beams 70 with different beam divergences at different beam focus positions or distances zs to be able to use the partial beam release 19 level. All other elements shown in FIG. 14 correspond to the descriptions of FIG. 1a, FIG. 10 and FIG. 11a.
  • Figure 15a is a schematic, exemplary representation of an intensity distribution on the detector 40 in a beam analysis device 10 with two folded beam paths according to Figure 14.
  • the intensity distribution on the detector 40 is composed of two pairs of beam spots 92, 93.
  • a first pair of beam spots 92, 93 has the distance ai from one another in the first lateral direction 31 .
  • the distance ai is zero in the distribution of the beam spots shown and changes when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • a second pair of beam spots 92, 93 is at a distance a2 from one another in the first lateral direction 31 and is at a distance W2 from one another in the second lateral direction 37 due to the deflection of the partial beams 72, 73 by the second beam separator device 55.
  • the distance W2 does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • FIG. 15b shows the same exemplary representation of an intensity distribution on the detector 40 in a beam analysis device 10 with two folded beam paths according to FIG. 14 as in FIG. 15a.
  • FIG. 15b also illustrates the change in the distances ai and a2 between the beam spots 92, 93 on the detector 40 when the axial position of the beam focus 71 changes for both pairs of beam spots.
  • the primed reference symbols in the figure identify the details changed by the axial shift of the beam focus.
  • the first pair of beam spots 92, 93 has the distance ai from one another in the first lateral direction 31. Of the When the axial position of beam focus 71 changes, distance ai changes to distance ai', for example.
  • the first pair of beam spots 92, 93 have the distance wi from one another, which does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the second pair of beam spots 92, 93 is at a distance a2 from one another in the first lateral direction 31 and changes to a distance a2' when the axial position of the beam focus 71 changes, for example.
  • the second pair of beam spots 92, 93 is at a distance W2 from one another, which does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the positions of the two pairs of beam spots 92, 93 on the detector 40 therefore run on four different paths when the axial beam focus position is varied.
  • the assignment of the beam spots is always unambiguous and both the size of a change and the direction of the change can be clearly determined.
  • FIG. 16a shows a beam analysis device 10, which is constructed essentially the same as the beam analysis device in FIG. 14.
  • a deflection mirror 68 is arranged in the second folded beam path, so that the two folded beam paths partially run parallel.
  • the shutter device 69 can then be implemented particularly simply as a linearly displaceable shutter or as a shutter that can be pivoted about an axis. In this way it can be controlled via which beam path the partial beams 72, 73 are imaged onto the detector 40. This can be advantageous for reliable identification of the respective beam path pair 92, 93 on the detector 40. All other elements shown correspond to the descriptions of Figure 1a, Figure 10, Figure 11a and Figure 14.
  • Figures 16b to 16d show further embodiment variants of the beam analysis device 10 from Figure 16a with different embodiment options for splitting off or for decoupling the sample beam 70 from an energy beam 77.
  • FIG. 16b shows a beam analysis device 10 in which the sample beam 70 is coupled out of an energy beam 77 by means of a coupling device 14 becomes.
  • the beam analysis device 10 comprises the decoupling device 14 with a beam decoupler 15, which in this example is realized with a beam splitter plate, at the boundary surface of which a fraction of the intensity of the energy beam 77 is reflected as a sample beam 70.
  • the plane plate can be coated for the purpose of adjusting the degree of reflection, for example with a reflection-reducing layer.
  • a low residual reflection of conventional anti-reflection coatings in the range from about 0.05% to about 1% can be sufficient to provide the sample beam 70.
  • the decoupling device 14 is therefore also used to weaken the radiation intensity of the sample beam 70.
  • the energy beam 77 has an energy beam focus 76. Since the sample beam 70 is decoupled from the energy beam 77 without changing its geometric properties and beam parameters, the energy beam focus 76 is at the same time the beam focus 71 of the sample beam 70. All other elements shown correspond to the descriptions of FIG. 14 and FIG. 16a.
  • the beam analysis device 10 shown in FIG. 16c differs from the device shown in FIG. 16b by an additional beam absorber device 44, which is also set up to measure the beam power.
  • the energy beam 77 is directed onto the absorber and power measuring device 44 after passing through the decoupling device 14 with the beam decoupler 15 .
  • the evaluation device 45 is connected to the absorber and power measurement device 44 .
  • the measured values generated by the absorber and power measuring device 44 can be registered and/or processed by the evaluation device 45 . All other elements shown correspond to the descriptions of the previous figures, in particular of Figure 16a.
  • FIG. 16d shows an embodiment of the beam analysis device 10, which largely corresponds to the embodiment of FIG. 16c.
  • the decoupling device 14 comprises the beam decoupler 15 and a second beam decoupler 16 which is arranged downstream of the beam decoupler 15 .
  • the decoupling device 14 achieves a particularly high beam attenuation for the sample beam 70.
  • the intensity of the sample beam 70 can be in a range of 0.002% to 0.2% of the intensity of the energy beam 77 due to the two-stage decoupling.
  • the two Beam decouplers 15, 16 connected in series can therefore also be used to determine the focal position of energy beams 77 with particularly high power.
  • Such energy beams can be generated, for example, by high-power lasers and have powers of several kilowatts.
  • the second decoupling can take place with a reflection in a plane rotated by 90° with respect to the first reflection, so that polarization-dependent differences in the degree of reflection can be compensated for.
  • the residual radiation passing through the second beam decoupler 16 can be caught by a further absorber device 43 . All other elements shown correspond to the descriptions of the previous figures, in particular of Figure 16a.
  • FIG. 17 shows an embodiment of the beam analysis device 10 which comprises a beam shaping device 12, a beam folding device 60, a detector 40 and an evaluation device 45.
  • the beam shaping device 12, the beam folding device 60, the detector 40 and the evaluation device 45 are preferably arranged together in one housing.
  • the beam shaping device 12 comprises the imaging device 50 with the at least one optical lens 51, the modulation device 20, and the beam separator device 52 with the mirrors 56, 57.
  • the beam folding device 60 comprises the beam splitter 61, the mirror 64 and the mirrors 56, 57, the latter are part of the beam separator device 52 at the same time.
  • the beam folding device 60 is arranged behind the lens 51 of the imaging device 50 in the beam direction.
  • the beam splitter 61 divides the sample beam 70 into two radiation components.
  • the first of the two radiation components passes through the modulation device 20 and the beam separator device 52, which are arranged in planes that are close together.
  • the at least two partial beams 72 , 73 are released in the plane of the partial beam release 19 with the two partial apertures 32 , 33 by means of the modulation device 20 .
  • the centers of the partial apertures 32, 33 are at a distance k from one another in the first lateral direction 31.
  • the two partial beams 72, 73 are then reflected back into the beam splitter 61 by means of the mirrors 56, 57 of the beam folding device 60 and the beam separator device 52, as a result of which the first folded beam path is formed.
  • the two mirrors 56, 57 are inclined towards one another at a small angle and in this way form the beam separator device 52 at the same time.
  • the second of the two radiation components After passing through the beam splitter 61, the second of the two radiation components impinges on the mirror 64 and is reflected back by it into the beam splitter 61, as a result of which the second folded beam path is formed. There is no modulation of the intensity distribution of the sample beam 70 in the second folded beam path, so that an unmodulated beam 78 is formed in the second beam path.
  • the two radiation components from the two folded beam paths are superimposed in the beam splitter 61 and imaged onto the detector 40 along a common propagation path with a local optical axis 11 .
  • the intensity distribution on the detector 40 thus includes three beam spots 92, 93 and 98.
  • the two beam spots 92, 93 are formed in the manner already explained above by imaging the two partial beams 72, 73, which are formed by the modulation device 20 and the beam separator device 52 in first folded beam path are formed.
  • the beam spots 92, 93 are on the detector 40 in the first lateral direction 31 at the distance a from one another. The distance a changes when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the evaluation device 45 determines the axial focus position or the change in the axial focus position of the beam focus 71. Due to the deflection of the partial beams 72, 73 By means of the beam separator device 52, the beam spots 92, 93 are at a distance w from one another in the second lateral direction 37. The distance w does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • a third beam spot 98 is formed on the detector 40 by imaging the unmodulated beam 78 propagating over the second folded beam path.
  • the beam spot 98 of the unmodulated beam thus represents the original intensity distribution of the sample beam 70 or of the energy beam 77 from which the sample beam 70 is coupled out can be.
  • the beam spot 98 can also be an image of the beam focus 71 .
  • the intensity distribution and/or the diameter of the beam focus 71 can therefore also be determined by the evaluation device 45 on the basis of the imaging scale of the imaging by the imaging device 50 .
  • FIG. 18 shows an embodiment of the beam analysis device 10, which largely corresponds to the embodiment of FIG.
  • the unmodulated beam 78 which forms the beam spot 98 on the detector 40, is imaged on the detector 40 in an enlarged manner.
  • a further imaging device 63 arranged with at least one optical lens.
  • the imaging device 63 can contain a concave lens.
  • the second folded beam path can have a different beam path length than the first folded beam path. Due to the enlarged image of the unmodulated beam 78, an intensity distribution and/or a beam diameter can be determined from the beam spot 98 with higher resolution and accuracy. All other elements shown correspond to the descriptions of the previous figures, in particular figure 17.
  • the embodiment variant shown in FIG. 19a also essentially corresponds to the embodiment of FIG. 17.
  • the beam path length in the second folded beam path can be variably adjusted.
  • the mirror 64 is arranged such that it can be displaced axially, for example by means of a linear guide, and is coupled to a positioning device 66 .
  • the mirror 64 can be shifted to different axial positions (64, 64') by means of the positioning device 66 .
  • the positioning device 66 can, for example, contain a plunger coil drive, as a result of which very rapid adjustments, for example in the range of milliseconds, can be implemented.
  • the evaluation device 45 can be set up to control the positioning device 66 .
  • the evaluation device 45 can also be set up for data exchange with the positioning device 66, for example in order to exchange information on the mirror position or change in adjustment path.
  • the positioning device 66 for example in order to exchange information on the mirror position or change in adjustment path.
  • several, preferably at least 3, particularly preferably at least 10, mirror positions can be set one after the other and the respective intensity distribution of the beam spot 98 on the detector 40 can be registered.
  • Various beam parameters of the sample beam 70 can be determined from this data, for example the focus diameter, the beam divergence and/or the beam parameter product.
  • the beam analysis device 10 shown here is thus able, on the one hand, to determine the axial beam focus position virtually in real time and, on the other hand, to measure the beam caustic of the sample beam 70 or the energy beam 77 almost in real time, at least in a very short time. It is therefore also a Standard ISO 11146 compliant beam measurement possible in a very short time, for example in less than a second.
  • FIGS. 19b and 19c show further variants of the beam analysis device 10 from FIG.
  • FIG. 19b shows a beam analysis device 10 in which the sample beam 70 is coupled out of an energy beam 77 by means of a coupling device 14 .
  • the beam analysis device 10 corresponds to the device shown in FIG.
  • the decoupling device 14 thus also serves to attenuate the radiation intensity of the sample beam 70.
  • the energy beam 77 has an energy beam focus 76. Since the sample beam 70 is decoupled from the energy beam 77 without changing its geometric properties and beam parameters, the energy beam focus is 76 simultaneously the beam focus 71 of the sample beam 70. All other elements shown correspond to the descriptions of FIGS. 17 and 19a.
  • the beam analysis device 10 shown in FIG. 19c differs from the device shown in FIG. 19b by an additional beam absorber device 44, which is also set up to measure the beam power.
  • the energy beam 77 is directed onto the absorber and power measuring device 44 after the energy beam 77 has passed the decoupling device 14 with the beam decoupler 15 .
  • the measured values generated by the absorber and power measuring device 44 can be registered and/or processed by the evaluation device 45 . All other elements shown correspond to the descriptions of the previous figures.
  • FIGS. 19d to 19f show the same beam analysis device 10 as in FIG. 19a.
  • the use of the beam analysis device 10 from FIG. 19a on a laser processing optics 100 is shown in the figures.
  • various possibilities are shown for decoupling the sample beam 70 from a laser beam 77 guided in the laser processing optics 100 .
  • Figure 19d shows the decoupling of a fraction of the laser beam 77 by means of a beam decoupler 15 of a decoupling device 14 integrated in the laser processing optics 100.
  • the laser processing optics 100 also typically includes a collimator 113, a focusing device 116 and a protective glass 120.
  • the beam decoupler 15 can, for example, be a dielectric AR - Be (anti-reflection) coated, tilted plane plate, where the residual reflection of the AR layer is used.
  • an anti-reflective dielectric layer reflects a fraction of the radiation intensity, which can range from about 0.05% to 1%.
  • a fraction of the laser beam 77 collimated by the collimator 113 is coupled out.
  • the source point for the decoupled sample beam 70, which forms the beam focus 71, is, for example, the end of an optical fiber 110.
  • This arrangement is suitable, for example, for an adjustable collimator 113 using the beam analysis device 10 to determine the actual position or a change in the actual or the to be able to determine the virtual position of the beam exit point, for example the end of an optical fiber 110 .
  • the position of the energy beam focus 76, in which the laser processing optics 100 focuses the energy beam or laser beam 77, can then in turn be calculated from this position.
  • a change in the focus position when a thermal lens occurs in the collimator 113, for example as a result of the collimator 113 becoming dirty, can also be determined online, i.e. during the laser processing, preferably in real time. All other elements shown correspond to the description of FIG. 19a.
  • the beam coupler 15 is arranged in such a way that a fraction of a portion of the radiation that is reflected back by the protective glass 120 of the laser processing optics 100 is coupled out.
  • the beam focus 71 in the portion of radiation reflected back is a mirror image of the laser beam focus 76, so that all changes in the position of the laser beam focus 76 also affect the position of the beam focus 71, which is determined by the beam analysis device 10.
  • the protective glass 120 can be arranged at a slight angle, for example. It can also be used for this purpose alternatively, a wedge plate can be used as protective glass 120. All other elements shown correspond to the descriptions of Figures 19a and 19d.
  • FIG. 19f also shows the same beam analysis device 10 as in FIG. 19a.
  • the beam analysis device 10 is coupled here to a laser processing optics 100, similar to FIG.
  • the beam decoupler 15 of the decoupling device 14 integrated in the laser processing optics 100 is a highly reflective mirror, for example a plane plate with a highly reflective dielectric coating, which is actually mainly set up to deflect the laser beam 77 in the laser processing optics 77.
  • HR highly reflective
  • This transmitted portion of radiation forms the sample beam 70 that is coupled out. All other elements shown correspond to the descriptions of FIGS. 19a and 19d.
  • FIG. 20 shows an embodiment of the beam analysis device 10 which is based on the embodiment of FIG.
  • the beam analysis device 10 comprises a beam folding device 60 for forming two folded beam paths and a modulation device 20 which is arranged in front of the beam folding device 60 .
  • the beam analysis device 10 here includes a second beam splitter 62 , a further imaging device 63 and a second detector 42 .
  • the second beam splitter is arranged between the lens 51 of the imaging device 50 and the modulation device 20 .
  • a portion of the radiation is coupled out of the sample beam 70 by means of the second beam splitter 62 in order to form an unmodulated beam 78 which is directed onto the second detector 42 and imaged.
  • the further imaging device 63 is arranged in front of the second detector 42 in the beam direction and is used in conjunction with the imaging device 50 for the enlarged imaging of the unmodulated beam 78 on the second detector 42.
  • the beam spot 98 formed by the imaging of the unmodulated beam 78 on the second detector 42 can thus be an enlarged image of the beam focus 71 or an enlarged beam cross-sectional plane of the sample beam 70 from a region of the beam caustic near the beam focus 71.
  • the one registered by the second detector 42 Intensity distribution can be evaluated by evaluation device 45 .
  • the focus position is determined using the signals from detector 40 and an intensity distribution
  • a beam profile and/or a beam diameter from beam focus 71 or from a cross-sectional plane near beam focus 71 is determined using signals from second detector 42.
  • the advantage of this embodiment variant over the embodiment variants of Figure 17 or Figure 18 is that the entire sensor surface of the detector 42 is available for the intensity distribution of the unmodulated beam 78, while in the embodiments of Figure 17 or 18 part of the sensor surface is available for the beam spots 92, 93 is required.
  • FIG. 21 shows a further embodiment of the beam analysis device 10, which is based on the embodiment of FIG.
  • the beam analysis device 10 comprises a beam folding device 60 for forming two folded beam paths and a modulation device 20 which is arranged in front of the beam folding device 60 .
  • the beam analysis device 10 here comprises a second beam splitter 62, a mirror 64, a positioning device 66 and a second detector 42.
  • the second beam splitter is arranged between the lens 51 of the imaging device 50 and the modulation device 20.
  • a portion of the radiation is coupled out of the sample beam 70 by means of the second beam splitter 62 to form an unmodulated beam 78.
  • the portion of the radiation coupled out by the second beam splitter 62 i.e.
  • the unmodulated beam 78 is directed onto the mirror 64, reflected back by the mirror 64, and then onto the second detector 42 and imaged to form a beam spot 98 on the second detector 42.
  • the length of the propagation path of the unmodulated beam 78 is variably adjustable.
  • the mirror 64 is arranged such that it can be displaced axially, for example by means of a linear guide, and is coupled to the positioning device 66 .
  • the mirror 64 can be shifted to different axial positions (64, 64') by means of the positioning device 66 .
  • the positioning device 66 can, for example, contain a plunger coil drive, as a result of which very rapid adjustments, for example in the range of milliseconds, can be implemented.
  • the evaluation device 45 can also be set up to control the positioning device 66 .
  • the evaluation device 45 can also be set up for data exchange with the positioning device 66, for example information about the mirror position or the change in adjustment path exchange.
  • several, preferably at least 3, particularly preferably at least 10, different mirror positions can be set one after the other and the respective intensity distribution of the beam spot 98 can be registered on the second detector 42 .
  • Various beam parameters of the sample beam 70 can be determined from this data, for example the focus diameter, the beam divergence and/or the beam parameter product.
  • the beam analysis device 10 shown here is thus able, on the one hand, to determine the axial beam focus position virtually in real time and, on the other hand, to measure the beam caustic of the sample beam 70 or the energy beam 77 almost in real time, at least in a very short time.
  • a beam measurement that conforms to the ISO 11146 standard is therefore also possible in a very short time, for example in less than a second.
  • the advantage of this embodiment variant compared to the device shown in Figure 19a is that the entire sensor surface of the second detector 42 is available for the intensity distribution of the unmodulated beam 78, while in the embodiment of Figure 19a part of the sensor surface is available for the beam spots 92, 93 is needed.
  • FIGS. 22 to 24 show embodiments of a beam analysis device 10 which additionally include a far-field analysis device.
  • This far-field analysis device can be combined with all of the beam analysis devices 10 previously described.
  • the far-field analysis device includes a second beam splitter 62, a further imaging device 67 and a second detector 42.
  • the second beam splitter 62 is arranged in the beam direction behind the at least one lens 51 of the imaging device 50 and in front of the modulation device 20.
  • a portion of the radiation is coupled out of the sample beam 70 by means of the second beam splitter 62 to form an unmodulated beam 78, which is guided to the second detector 42 to form a beam intensity distribution 99 on the second detector 42.
  • the further imaging device 67 is arranged, which contains at least one optical lens or can be a multi-lens objective.
  • the further imaging device 67 forms a combined lens system together with the imaging device 50 and the lens 51 contained therein.
  • This combined lens system has a combined focal length and an image-side focal plane of the combined lens system.
  • the second detector 42 is exactly in the image-side focal plane of the combined lens system arranged.
  • the combined lens system thus forms a so-called Fourier lens for the second detector 42 because the intensity distribution 99 of the unmodulated beam 78 occurring on the second detector 42 represents a Fourier transformation of the intensity distribution of the sample beam 70 .
  • the intensity distribution 99 on the second detector 42 is therefore the so-called far-field intensity distribution, independent of the axial position of the beam focus 71. A divergence angle of the sample beam 70 can therefore be determined from this intensity distribution 99 in particular.
  • FIG. 22 shows an embodiment of the beam analysis device 10 in which the far-field analysis device just explained is integrated into a beam analysis device 10 which otherwise corresponds to the device shown in FIG.
  • FIG. 22 shows an embodiment of the beam analysis device 10 in which the far-field analysis device just explained is integrated into a beam analysis device 10 which otherwise corresponds to the device shown in FIG.
  • FIG. 23 shows an embodiment of the beam analysis device 10 in which the far-field analysis device just explained is integrated into a beam analysis device 10 which otherwise corresponds to the device shown in FIG.
  • the embodiment variant of Figure 23 enables the determination of a lot of information about the sample beam 70 or about the energy beam 77:
  • the axial focal position can be determined from the signals of the detector 40 as well as the intensity distribution in the beam focus or in the near field of the beam focus, and from the signals of the second Detector 42, the far-field properties can be determined.
  • extensive geometric beam information is available that can be determined practically in real time and can be used, for example, to control a laser machining process.
  • FIG. 24 shows an embodiment of the beam analysis device 10 in which the far-field analysis device just explained is integrated into a beam analysis device 10 which otherwise corresponds to the device shown in FIG. 19a.
  • the embodiment variant of FIG. 24 enables the determination of the axial focus position, a near-field intensity distribution and the far-field Intensity distribution almost in real time, as well as a complete, ISO 11146-compliant beam measurement in a very short time.
  • the modulation device 20 has four pass zones 21 , 22 , 23 , 24 which are delimited from one another and which define four partial apertures 32 , 33 , 34 , 35 .
  • the partial apertures 32, 33, 34, 35 are arranged along a lateral axis.
  • the first lateral direction 31 is defined by the connecting line of the center points of two partial apertures, for example of the partial apertures 32 and 33 with the distance ki2 between the center points of the partial apertures.
  • At least one of the partial beams 72, 73, which are extracted through the partial apertures 32, 33, is deflected or offset in the second lateral direction 37 by means of the beam separator device 52.
  • both partial beams 72, 73 are deflected in opposite directions to one another in the second lateral direction 37.
  • each partial aperture 32, 33 is assigned a partial beam deflection element 53, 54.
  • the further partial apertures 34, 35 which are defined by the transmission zones 23 and 24, are also arranged along the first lateral direction 31 at a distance k34 from one another in this exemplary embodiment.
  • the transmission zones 23, 24 are arranged further outwards here than the transmission zones 21, 22, so that in the case of the partial beams 74, 75 released by means of the partial apertures 34, 35, a greater angle change occurs when the beam focus position 71 changes than in the case of the partial beams 72 , 73 from the partial apertures 32, 33 located closer to the optical axis 11.
  • the change in the position of the beam spots 94, 95, which are generated by the partial beams 74, 75 on the detector 40 is greater than the change in the position of the beam spots 92, 93 from the partial beams 72 and 73.
  • the advantage of using two pairs of partial apertures with different distances ki2, k34 is that, on the one hand, with the partial aperture pair lying further outside, there is greater sensitivity and accuracy when determining the axial position of the beam focus 71 is achieved, and on the other hand also with a sample beam 70 or energy beam 77 with a smaller beam aperture which would not or not sufficiently illuminate the transmission zones 23, 24 lying further to the outside, nor the transmission zone pair 21, 22 lying further to the inside illuminated by the sample beam and enables a reliable measurement.
  • the partial beams 74, 75 which are released from the additional partial apertures 34, 35, are also deflected in opposite directions to one another in the second lateral direction 37.
  • the partial aperture 34 is assigned a partial beam deflection element 54b and the partial aperture 35 is assigned a partial beam deflection element 54c.
  • the beam spots 92, 93 generated by the partial beams 72, 73 are at a distance ai2 from one another in the first lateral direction 31. This distance ai2 depends on the axial position of the beam focus 71 and, as shown in FIG. 25, can also be zero, for example.
  • the beam spots 94, 95 generated by the partial beams 74, 75 are at a distance a34 from one another on the detector 40 in the first lateral direction 31.
  • the distance a34 also depends on the axial position of the beam focus 71 and can also be zero, for example.
  • the mode of operation of the beam separator device 52 can be seen in the lower part of FIG.
  • the partial beam deflection elements 53, 54, 54b, 54c are used to deflect the partial beams 72, 73, 74, 75 in the direction of the second lateral direction 37 by different amounts in each case.
  • the beam spots 92, 93, 94, 95 are thus spatially separated from one another on the detector 40, so that their positions on the detector 40 can be determined unambiguously.
  • the beam spots 92, 93 generated by the partial apertures 32, 33 have a distance W12 from one another on the detector 40 along the second lateral direction 37, and the beam spots 94, 95 generated by the partial apertures 34, 35 have a distance along the second lateral direction 37 W34 to each other on the detector 40.
  • the distances in the second lateral direction depend on the individual deflection by the partial beam deflection elements 53, 54, 54b, 54c, and on the axial position of the detector 40, for example on the distance s between the modulation device 20 and the detector 40.
  • the distances W12 and W34 essentially do not depend on the axial position of the beam focus 71, and thus the beam spots 92, 93, 94, 95 on the detector 40 always remain separated at any axial position of the beam focus 71 .
  • the distances ai2 and 334 in the first lateral direction 31 between the beam spots 92, 93 and 94, 95 are a function of the axial position of the beam focus 71, so that the axial position of the beam focus 71 can be determined from the two distances ai2 and a34.
  • the first and the second sub-beam at least one of which is offset in the second lateral direction 37 .
  • the partial beams 72, 73 form the first and second partial beams.
  • the partial beams 74, 75 could nevertheless also be understood as first and second partial beams according to the invention, because in this exemplary embodiment at least one partial beam of the partial beams 74, 75 is also offset in the second lateral direction 37.
  • the other elements of the beam analysis device 10 shown in FIG. 25 correspond to the embodiment shown in FIG. 1a. For the explanation of the other elements of FIG. 25, reference is therefore made to the description of FIG. 1a.
  • FIG. 26a shows a view of the lateral axes 31 and 37 of a modulation device 20 for resolving four partial beams 72, 73, 74, 75 for a beam analysis device 10 as shown in FIG.
  • the lateral axes 31 and 37 can be the local x and y axes, for example.
  • this figure also shows the beam separator device 52 with the partial beam deflection elements 53, 54, 54b, 54c, by means of which the partial beams 72, 73, 74, 75 are deflected, superimposed on the modulation device 20.
  • the modulation device 20 has four partial apertures 32 , 33 , 34 , 35 , which are defined by the four pass zones 21 , 22 , 23 , 24 delimited from one another and are arranged along the first lateral axis 31 .
  • the centers of the inner partial apertures 32, 33 are at a distance ki2 from one another, and the centers of the outer partial apertures 34, 35 are at a distance k34 from one another.
  • the passage zones 21, 22, 23, 24 and thus the partial apertures 32, 33, 34, 35 have defined dimensions bi, b2, bs, b4, the dimensions being the width or, in the case of round passage zones, the diameter of the respective passage zone.
  • the dimensions bi, b2, bs, b4 of the passage zones can be the same size or different sizes. Since the intensity in the beam profile of laser beams often decreases radially outwards, it can be expedient to choose the dimensions of the outer pass zones, here 23 and 24, larger than the dimensions of the inner pass zones, here 21 and 22. It can be useful , the dimensions of transmission zones that are at the same radial distance from the optical axis should be selected in pairs.
  • FIG. 26b schematically shows the intensity distribution with the beam spots 92, 93, 94, 95 on the detector 40 for a beam analysis device 10 according to FIG. 25, which is equipped with a modulation device 20 as shown in FIG. 26a.
  • the figure also shows the change in the distance ai2 between the beam spots 92, 93 and the change in the distance a34 between the beam spots 94, 95 when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the primed reference symbols in the figure identify the details changed by the axial shift of the beam focus.
  • the beam spots 92, 93 have the distance ai2 from one another in the first lateral direction 31. When the axial position of the beam focus 71 changes, the distance ai2 changes to the distance ai2, for example.
  • the beam spots 92, 93 have the distance W12 from one another due to the deflection of the partial beams 72, 73 by means of the beam separator device 52, which distance does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the beam spots 94, 95 have the distance a34 from one another in the first lateral direction 31.
  • the distance a34 changes to the distance a34.
  • the beam spots 94, 95 have the distance W34 from one another due to the deflection of the partial beams 74, 75 by means of the beam separator device 52, which does not change when the axial position of the beam focus 71 changes.
  • the distances W12 and W34 are therefore independent of the axial position of the beam focus 71. If the axial beam focus position is varied, the positions of the beam spots 92, 93, 94, 95 on the detector 40 consequently run on four separate tracks. Thus, the assignment of the beam spots is always unambiguous and both the size of a change and the direction of the change can be clearly determined.
  • FIGS. 27a to 30a further exemplary embodiments for modulation devices 20 and beam separator devices 52 for beam analysis devices 10 according to the invention are shown schematically.
  • FIGS. 27b to 30b show the intensity distributions on the detector 40 for the combination of modulation device 20 and beam separator device 52 shown in the preceding figure two transmission zones 21, 22, two partial beams, namely the first partial beam 72 and the second partial beam 73, are extracted, and of these two partial beams 72, 73 at least one partial beam is deflected in the second lateral direction 37, which is aligned transversely to the first lateral direction 31 is, the first lateral direction 31 being defined by the connecting line or by the distance ki2 between the centers of the two partial apertures 32, 33.
  • the partial apertures 32, 33 are formed by the passage zones 21, 22. Unaffected by this, the modulation device 20 can have further transmission zones 23, 24, as a result of which further partial beams 74, 75 are released.
  • the further partial apertures 34, 35 formed by the further transmission zones 23, 24 can be arranged in the same direction, i.e. in the first lateral direction 31, as the partial apertures 32, 33 for the two partial beams 72, 73.
  • the further partial apertures 34, 35 but can also be arranged in a different direction. It can be provided that all partial beams 72, 73, 74, 75 are separated from one another by means of the beam separator device 52. Provision is also made for only the first and the second partial beam 72, 73 to be separated from one another.
  • FIG. 27a shows the same modulation device 20 as FIG. 26a, but the beam separator device 52 in FIG further partial beams 74, 75 released by the further partial apertures 34, 35 are not deflected.
  • the advantage is a somewhat simpler construction of the beam separator device 52.
  • FIG. 27b shows the intensity distribution with the beam spots 92, 93, 94, 95 on the detector 40 for a beam analysis device 10, which is equipped with a beam separator device 52 as in FIG. 27a.
  • the beam spots 92, 93 of the first and second partial beams 72, 73 are at a distance W12 from one another in the second lateral direction 37 and consequently run on two paths separated by the distance W12 when the axial focus position of the beam focus 71 changes.
  • the other beam spots 94, 95 of the other partial beams 74, 75 are not separated from one another in the second lateral direction 37 and consequently run on the same path when the axial focus position of the beam focus 71 changes.
  • the modulation device 20 shown in FIG. 28a is constructed similarly to the modulation device of FIG.
  • the trajectory or track on which the beam spots 94, 95 travel on the detector 40 is also oriented in a different direction than the trajectories of the beam spots 92, 93, as illustrated in Figure 28b.
  • FIGS. 29a and 29b show a possible example of a modulation device 20 for resolving three partial beams by means of three partial apertures 32, 33, 34, which are at different distances from one another. Similar to what was explained in the description of FIG. 25, this also enables increased accuracy when determining the beam focus position and an enlarged functional range for beams with different beam divergences.
  • FIGS. 30a and 30b show a modulation device 20 for resolving four partial beams by means of four partial apertures 32, 33, 34, 35 similar to the modulation device shown in FIG. 28a.
  • the beam separator device 52 in FIG. 30a is set up to deflect all four partial beams, with the two partial beam pairs, released on the one hand through the partial apertures 32 and 33 and on the other hand through the partial apertures 34 and 35, being deflected in different lateral directions .
  • both beam spot pairs 92, 93 and 94, 95 run on the detector 40 on separate tracks, but the further beam spot pair 94, 95 in a different lateral orientation than the beam spot pair 92, 93 of the first and the second Partial beam 72, 73. This is illustrated in FIG. 30b.
  • the modulation devices 20 and beam separator devices 52 shown are to be understood as examples.
  • the beam analysis device 10 according to the invention is not limited to the embodiments shown and not limited to the modulation devices and beam separator devices shown. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the invention provides a beam analysis device 10 for determining an axial position of a beam focus 71 .
  • the beam focus 71 is a focus 76 of an energy beam 77 from electromagnetic radiation or a focus of a sample beam 70 decoupled from the energy beam 77.
  • the beam analysis device 10 comprises a beam shaping device 12, a detector 40, and an evaluation device 45.
  • the beam shaping device 12 is set up to separate at least two partial beams 72 , 73 from the energy beam 77 or from the sample beam 70 coupled out of the energy beam 77 in a plane of the partial beam release 19 .
  • the cross section of each partial beam 72, 73 in the plane of the partial beam release 19 is defined by a respective partial aperture 32, 33.
  • the beam shaping device 12 is set up to form the at least two partial apertures 32, 33 for the release of a partial beam 72, 73 in the plane of the partial beam release 19.
  • the partial apertures 32, 33 are delimited from one another, that is, the edges of the partial apertures 72, 73 do not touch.
  • the lateral positions of the partial apertures 32, 33 are defined by their respective center point, the term “lateral” referring to directions in planes perpendicular to the respective local optical axis 11.
  • the center points of the partial apertures 32, 33 are at a distance k from one another.
  • a first lateral direction 31 is defined by the distance k between the partial apertures 32, 33.
  • an imaginary connecting line between the centers of the two partial apertures 32, 33 defines the first lateral direction 31.
  • the first lateral direction 31 lies in a plane that is perpendicular to the local optical axis 11 . Since the local optical axis 11 in a beam path is always identified with a z-axis of a local coordinate system, the first lateral direction 31 thus lies in an x-y plane.
  • the partial beam release of the beam-shaping device is implemented, for example, as a modulation device 20 that is set up to form at least two pass zones 21 , 22 and at least one blocking zone 25 .
  • one of the transmission zones 21, 22 forms one of the two partial apertures 32, 33 in each case.
  • the Transmission zones 21, 22 are characterized in that a permeability for the radiation within the transmission zones 21, 22 is significantly greater than in the area of the blocking zone 25.
  • the term permeability is to be understood in terms of the intended direction of propagation of the partial beams 72, 73 extracted in this way .
  • a radiation transmittance (or reflectance) in the transmission zones 21, 22 is at least twice as high as a radiation transmittance (or reflectance) in the blocking zone 25.
  • the radiation transmittance (or reflectance) in the blocking zone is at least 10 times smaller than the radiation transmittance (or reflectance) in the pass zones 21, 22.
  • the radiation transmittance (or reflectance) in the blocking zone is at least 100 times smaller than the radiation transmittance (or reflectance) in the pass zones 21, 22.
  • the partial apertures 32, 33 have a width b in the plane of the partial beam release 19 along the first lateral direction 31.
  • the width b of the partial apertures 32, 33 is at most equal to half the distance k between the centers of the partial apertures 32, 33. It follows that there is an area between the partial apertures 32, 33, for example a blocked zone 25, which is at least as wide as the width b of the partial apertures 32, 33. In other words, the distance k between the centers of the partial apertures 32, 33 is at least twice the width b of the partial apertures 32, 33.
  • Beam shaping device 12 is also set up to shape an intensity distribution 83 on detector 40 with at least two beam spots 92, 93 and to form at least one beam spot 92, 93 from each of the two partial beams 72, 73, the at least two partial beams 72, 73 onto the detector 40 and to deflect and/or offset at least one of the at least two partial beams 72, 73 in a second lateral direction 37.
  • Each of the two partial beams 72, 73 forms at least one associated beam spot 92, 93 on the detector 40.
  • the positions of the two beam spots 92, 93 are preferably defined by the center points and/or by the focal points of the intensity distributions of the beam spots 92, 93 on the detector 40 second lateral direction 37 aligned transversely to the first lateral direction 31 .
  • the second lateral direction 37 lies in a plane that is perpendicular to the local optical axis 11 .
  • the second lateral direction 37 lies in a plane perpendicular to the local optical axis 11, ie in an xy plane.
  • the second lateral direction 37 is oriented at an angle in the range of 30° to 150° to the first lateral direction 31, for example.
  • the second lateral direction can in particular (at least essentially) be oriented perpendicular to the first lateral direction.
  • the beam shaping device 12 deflects and/or offsets the first of the at least two partial beams 72, 73 in the second lateral direction 37 and/or deflects both partial beams 72, 73 in different directions with a directional difference in an alignment along the second lateral direction 37 and/or or offset, the beam spot 92 of the first of the at least two partial beams and the beam spot 93 of the second of the at least two partial beams (at the detector 40 and thus) are offset from one another in the intensity distribution along the second lateral direction 37 by the distance w, which is transverse to the Distance a of these beam spots 92, 93 (at the detector 40 and thus) in the intensity distribution along the first lateral direction 31 and the distance a is caused solely by the distance k in the first lateral direction 31.
  • the beam spot 92 which is caused by the first of the at least two partial beams on the detector 40 and in the intensity distribution
  • the beam spot 93 which is caused by the second of the at least two partial beams on the detector and in the intensity distribution
  • the intensity distribution is additionally offset by the offset w along the second lateral direction 37.
  • the detector 40 comprises a sensor that is sensitive to light radiation and has a two-dimensional spatial resolution, which is set up to convert the intensity distribution 83 impinging on the detector 40 into electrical signals.
  • the detector 40 can be a CCD camera or a CMOS camera or a comparable device.
  • the sensor that is sensitive to light radiation and has a two-dimensional spatial resolution is typically a pixel-based semiconductor sensor.
  • the detector 40 is arranged along a propagation path for the partial beams 72, 73 at a distance s behind the plane of the partial beam release 19.
  • the evaluation device 45 is set up to process the electrical signals from the detector 40 which represent the intensity distribution 83 on the detector 40 .
  • Evaluation device 45 is set up to determine a distance a along first lateral direction 31 between positions of the two beam spots 92, 93 on detector 40, more precisely, to determine a positional difference between the two beam spots 92, 93 in first lateral direction 31 , the difference in position between the two beam spots 92, 93 in the first lateral direction 31 being the distance a.
  • the position of the respective beam spot 92, 93 is preferably defined by the center point and/or by the center of gravity of the intensity distribution of the respective beam spot 92, 93 on the detector 40.
  • the evaluation device 45 is also set up to determine an axial position of the beam focus 71 based on the distance a and/or to determine a change in the axial position of the beam focus 71 based on a change in the distance a.
  • the evaluation device 45 can be implemented, for example, as a software program running on a computer.
  • the width b of the partial apertures 32, 33 is small compared to their distance k. Then the beam spots 92, 93 on the detector 40 are relatively small over a wide range of the axial position of the beam focus 71 and a possible influence of an intensity distribution within the beam spots 92, 93 on the determination of the position of the beam spots 92, 93 is small or completely negligible .
  • the partial apertures should not be too small, since otherwise the beam spots 92, 93 can be widened by diffraction and diffraction structures can arise outside of the beam spots 92, 93.
  • the distance k is therefore preferably at least 2.5 times and at most 25 times the width b of the partial apertures 32, 33.
  • the distance k is particularly preferably at least 3 times and at most 12 times the width b of the partial apertures 32, 33.
  • the distance k is very preferably at least 4 times and at most 7 times the width b of the partial apertures 32, 33
  • Partial apertures 32, 33 have a simple geometric shape, for example circular or elliptical.
  • the partial apertures 32, 33 can also have a square, rectangular, diamond-shaped, hexagonal, octagonal, trapezoidal, or similar shape.
  • the width b corresponds to the diameter of the partial apertures 32, 33.
  • the beam-shaping device 12 can also be set up to separate more than two partial beams.
  • more than two, for example 3 or 4 partial apertures separated from one another can be arranged in the plane of the partial beam release 19 .
  • the multiple partial apertures can all be distributed along the first lateral direction 31 . It is also possible for the partial apertures that are additional to the two partial apertures 32, 33 to be arranged in a different lateral direction than the two partial apertures 32, 33 in the plane of the partial beam release 19.
  • the beam-shaping device 12 preferably comprises a beam separator device 52 for deflecting and/or offsetting the first of the at least two partial beams 72, 73 in the second lateral direction 37.
  • the beam separator device 52 is also set up for deflecting and/or displacing the two partial beams 72, 73 in different directions, with the difference in the deflection directions being aligned along the second lateral direction 37.
  • the beam shaping device 12 of the beam analysis device 10 comprises a modulation device 20, an imaging device 50 with at least one optical lens 51, and a beam separator device 52.
  • These three devices 20, 50, 52 can be implemented as separate devices. However, two of the three devices or all three devices 20, 50, 52 can also be implemented as a single device.
  • the modulation device 20 can be designed as a double pinhole diaphragm.
  • the imaging device 50 can be embodied as a single converging lens 51, for example. However, it is also possible, for example, to provide the modulation device 20 as a mask, for example by means of partial blackening, directly on or in the optical lens 51 . In this latter example, the modulation device 20 and the imaging device 50 are implemented as a unitary device.
  • the optical lens 51 could also be designed as an aspherical free-form lens, in which the lens surfaces within the partial apertures 32, 33 have an additional tilting for deflecting the partial beams 72, 73 in the second lateral direction 37.
  • all devices 20, 50, 52 are then implemented in a uniform device.
  • the distance a between the beam spots 92, 93 on the detector 40 changes in the first lateral direction 31 . That is, the distance a is functionally related to the z position of the beam focus 71 .
  • This functional relationship is influenced and/or defined by the following geometric quantities: a is the distance along the first lateral direction 31 between the beam spots 92 and 93 on the detector 40; a' is the distance along the first lateral direction between beam spots 92' and 93' on detector 40 when the beam focus position is changed;
  • the plane of the partial beam release 19 as a reference point for the distance of the beam focus position 71 is usually not of significant interest. It is more practical if the reference point can be selected or calibrated at will. For this purpose, it is advantageous to specify a functional relationship that directly describes the change in focus position.
  • the following functional relationship for the beam analysis device 10 is obtained from the application of the theorems of rays and the known mapping equations:
  • the coefficients ci, C2, C3 are as follows:
  • the coefficients ci, C2, C3 can be determined by setting at least 3 different known axial positions of the beam focus 71 and determining the corresponding change Aa in the distance a.
  • the coefficients determined in this way can be stored as calibration data in the evaluation device 45, with which the focal position change Az can then be calculated by the evaluation device 45 for any distance changes Aa.
  • the coefficients can be calculated directly from the geometric distances of the arrangement using the formulas given above and stored in the evaluation device 45 .
  • all axial distances, ie z s , d, e, s, are the distances along the optical axis 11 .
  • the distances z s , d, e, s are consequently composed of the respective distances along the local optical axes 11 , possibly piece by piece.
  • the corresponding partial paths must be corrected by a factor dependent on the refractive index of the optical material.
  • the distance d from the main plane of the imaging device 50 to the plane of the partial beam separation 19 is equal to the focal length f of the imaging device 50.
  • the plane of the partial beam release 19 is arranged at the focal point of the imaging device 50 on the image side.
  • Ci f 4
  • Az Aa f 2 / ( ks )
  • This feature or this arrangement can be advantageously implemented in embodiments in which there is a distance between the imaging device 50 and the modulation device 20 anyway, for example if the modulation device 20 is arranged in the folded beam path (cf., for example, FIGS. 12 and 13).
  • This aspect of the invention can therefore also be advantageously combined in embodiments in which two folded beam paths are implemented and in one of the folded beam paths there is no modulation device, so that the original beam profile of the sample beam 70 can be registered and determined at the same time (cf. Figures 17 and 18).
  • an axially adjustable mirror 64 in the beam path of the unmodulated beam 78 it is also possible to record an entire beam caustic and thus to determine all geometric beam parameters (cf. FIGS. 19a to 19f).
  • the first lateral direction 31 can be defined locally. It is in each case (at least essentially) perpendicular to the local optical axis 11 . In particular, it can be defined as that direction in a plane perpendicular to the local optical axis 11 along which the at least two partial beams 72, 73 in this plane are spaced apart only because of the distance k between the partial apertures 32, 33.
  • the second lateral direction 37 can be defined locally. It is (at least essentially) perpendicular to the optical axis 11 and transverse to the (local) first lateral direction 31. Viewed globally, the second lateral direction 37 can be changed once or several times, for example by beam folding and/or beam deflection.
  • the sample beam 70 can be identical to the energy beam 77, in particular if the sample beam 70 is not formed by decoupling from an energy beam.
  • At least one of the at least two partial apertures 32, 33 can be switched.
  • the at least two partial apertures 32, 33 are particularly preferably switchable.
  • the beam shaping device 12 can, for example, form an LCD panel device for forming one or more switchable partial apertures 32, 33.
  • a plane of the LCD panel device can define the plane of the partial beam release 19 .
  • One or more of the at least two partial apertures 32, 33 of the beam-shaping device 12 are preferably unchangeable.
  • a partial aperture 32, 33 can be formed, for example, by a fixed aperture and/or a (spatially limited) reflection surface of a mirror and in this way form a transmission zone 21, 22 of the modulation device 20. This allows for a simple, robust, reliable and cost-effective implementation.
  • one or more of the at least two partial apertures 32, 33 of the beam shaping device 12 are variable.
  • a variable partial aperture 32, 33 can be realized, for example, by several pixels of an LCD screen device and/or a screen opening with a mechanically adjustable size.
  • a variable partial aperture 32, 33 can allow adaptation to current measurement conditions (for example light intensity, light distribution in the light beam to be measured, wavelength(s), etc.).
  • a ray direction can be defined locally. Viewed globally, the beam direction can change, for example due to beam folding and/or beam deflection.
  • the local beam direction can be defined by a direction of a local Poynting vector of the sample beam 70, for example.
  • a local beam direction of a partial beam 72, 73 can be defined by a direction of a local Poynting vector of the respective partial beam 72, 73.
  • a local (overall) beam direction can be defined by averaging the local Poynting vectors of the at least two partial beams 72, 73. The amounts of the Poynting vectors of these partial beams can be normalized before averaging.
  • the local (overall) beam direction can be defined by the Poynting vector of a fictitious path of the sample beam without separating the partial beams.
  • the local optical axis 11 can be defined, for example, by the intended local overall beam direction during operation.
  • the measuring principle of the beam analysis device is based on determining the positions of beam spots that are delimited from one another on the detector.
  • the position of a beam spot can be determined, for example, by calculating the center of gravity of the associated intensity distribution, ie the 1st moment of an intensity distribution.
  • the determination of positions and their distance from one another is largely independent, for example, of the level of a constant signal background, which can be caused by scattered light and/or sensor noise.
  • the measuring principle is less error-prone than other methods that are based, for example, on the determination of a beam diameter, i.e. the 2nd moment of an intensity distribution, and its change, because the determination of a 2nd moment is relatively sensitive to changes in the height of the background.
  • Another essential advantage of the invention is that the determination of the axial position of the beam focus is not influenced by fluctuations in the beam quality of the laser radiation or the sample beam.
  • the determination of changes in the axial position of the beam focus is possible almost in real time, which means that the determination only requires a fraction of the typical time constant of focus position changes that are caused by the thermal focus shift.
  • the invention is therefore also able to provide signals for controlling the laser material processing during a laser processing process.
  • Laser radiation within the meaning of this disclosure is preferably electromagnetic radiation in the range from 0.3 ⁇ m to 1.5 ⁇ m and with a power of at least 1 mW, particularly preferably with a power of at least 100 W.
  • partial beam deflection elements e.g. wedge plates, prisms or plane plates
  • Beam focus , 73 partial beams , 75 further partial beams

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlanalysevorrichtung (10) zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus (71) eines Energiestrahls oder eines aus einem Energiestrahl ausgekoppelten Probenstrahls (70), die eine Strahlformungseinrichtung (12), einen Detektor (40), und eine Auswertungseinrichtung (45) umfasst. Die Strahlformungseinrichtung (12) ist eingerichtet, aus dem Probenstrahl (70) in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) zwei Teilstrahlen (72, 73) herauszulösen, wobei die Querschnitte der zwei Teilstrahlen (72, 73) durch voneinander abgegrenzte Teilaperturen (32, 33) definiert sind, die in einer ersten lateralen Richtung (31) einen Abstand k zueinander aufweisen. Die Strahlformungseinrichtung (12) ist eingerichtet, die zwei Teilstrahlen (72, 73) abzubilden zur Formung von zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor und mindestens einen der zwei Teilstrahlen (72, 73) in einer zweiten lateralen Richtung (37) abzulenken, die quer zur ersten lateralen Richtung (31) ausgerichtet ist, zur Ausbildung eines Abstandes w in der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93). Die Auswertungseinrichtung (45) ist eingerichtet zur Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung (31) zwischen Positionen der zwei Strahlflecke (92, 93) auf dem Detektor (40) und zur Bestimmung einer axialen Position des Strahlfokus (71) basierend auf dem Abstand a und/oder zur Bestimmung einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71) basierend auf einer Änderung des Abstandes a. Die Erfindung betrifft auch ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus (71).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Fokuslagen-Bestimmung
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der axialen Position eines Strahlfokus eines Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung, insbesondere zur Bestimmung der axialen Position eines Strahlfokus einer Bearbeitungsoptik. Der Energiestrahl kann insbesondere ein Laserstrahl sein. Die Erfindung stellt auch Vorrichtungen und Verfahren bereit, die eine Bestimmung der Position des Strahlfokus einer Bearbeitungsoptik während eines Laserbearbeitungsprozesses ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine zentrale Aufgabenstellung bei der Lasermatenalbearbeitung ist die Einstellung und Kontrolle der axialen Fokuslage des Laserstrahls relativ zu dem zu bearbeitenden Material oder Werkstück. Bei einer optimalen Prozessführung liegt der Fokus des Laserstrahls nicht zwangsweise direkt auf der Oberfläche des Werkstücks. Vielmehr hängt die optimale Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück von mehreren Faktoren ab. Der Fokus kann beispielsweise, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken mit hoher Materialstärke, innerhalb des Werkstücks liegen, also unterhalb der Werkstück-Oberfläche. Oftmals ist das Bearbeitungsergebnis empfindlich von der genauen Fokuslage des Laserstrahls abhängig, weshalb es wünschenswert bzw. notwendig ist, dass sich die Positionierung des Laserstrahl-Fokus zum Werkstück nicht während der Bearbeitung ändert.
Bei Laserschneid-Prozessen ist es darüber hinaus auch wichtig, dass der Abstand zwischen Werkstück und Schneiddüse während der Bearbeitung möglichst konstant bleibt, da die Strömungsdynamik des Schneidgases einen großen Einfluss auf das Schneidergebnis hat. Dieses Problem kann beispielsweise in bekannter Weise mittels kapazitiver Abstandsmessung und -Regelung gelöst werden. Häufig besteht das Problem einer Änderung der Strahlfokus-Position relativ zum Werkstück nicht in der Erfassung oder Nachführung der Werkstück-Position oder des Werkstück-Abstandes relativ zur Bearbeitungsoptik, sondern in der Erfassung der tatsächlichen Strahlfokus-Position relativ zur Bearbeitungsoptik.
Bei modernen Laserbearbeitungsanlagen kommen Laser mit einer hohen Brillanz und einer hohen Leistung, oftmals im Bereich von mehreren Kilowatt, zum Einsatz. Aufgrund der Materialeigenschaften in den optischen Elementen von Laserbearbeitungsoptiken führt die hohe Laserleistung zu einer Erwärmung der optischen Elemente. Dadurch wird ein radialer Temperaturgradient in den optischen Elementen erzeugt, der aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Materialparametem wie z.B. der Brechzahl in eine Änderung der Brechkraft der optischen Elemente resultiert. Dieser Effekt wird thermischer Fokus-Shift genannt. Dieser thermische Fokus-Shift kann zwar durch geeignete Materialwahl für die optischen Elemente minimiert werden, beispielsweise durch die Verwendung von hochreinen, absorptionsarmen Quarzglas-Sorten, ist aber dennoch praktisch immer vorhanden. Der Effekt wird verstärkt durch die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehenden Reaktionsprodukte und Partikel verschiedenster Größe, die sich auf der Bearbeitungsoptik oder dem Schutzglas der Bearbeitungsoptik niederschlagen können und zu einer erhöhten Absorption führen. Somit tragen oftmals besonders die Schutzgläser zu einer Änderung der Strahlfokus- Position der Bearbeitungsoptik bei.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung eines Werkstück- Abstandes oder einer Werkstückoberflächen-Position bekannt, die beispielsweise nach dem Grundprinzip der optischen Triangulation funktionieren.
So offenbart die Patentanmeldung EP 0 248 479 A1 eine Anordnung zur optischen Messung eines Abstandes zwischen einer Oberfläche und einer Referenzfläche. Dazu wird die Oberfläche mit einer Strahlungsquelle beleuchtet, und die reflektierte Strahlung wird über ein optisches System auf einen Detektor gerichtet, nachdem die reflektierte Strahlung eine Blende mit zwei außeraxialen Öffnungen passiert hat. Die Ausdehnung des von der Blende erzeugten Musters von Strahlflecken ist ein Maß für den Abstand zwischen der Oberfläche und der Referenzfläche.
Die Patentanmeldung DE 101 42 206 A1 beschreibt eine Messanordnung zur Bestimmung der Tiefe von in Substratoberflächen ausgebildeten Bohrungen oder nutenförmigen Einschnitten. Wie bei der zuvor zitierten Druckschrift wird auch hier das von einem Leuchtfleck auf der Substratoberfläche abgestrahlte Licht genutzt, um die Tiefeninformation zu erhalten. Das Licht gelangt durch zwei Öffnungen einer optischen Blende auf ein fokussierendes Element und wird auf einen Detektor gerichtet. Zuvor wird das Licht aus wenigstens einer Öffnung der Blende auf ein brechendes oder reflektierendes optisches Element zur Veränderung der Strahlrichtung geführt. Damit kann beispielsweise eine Verstärkung der Ablenkwirkung in Abhängigkeit der Tiefe der Substratoberfläche erzielt werden.
Aus der Patentanmeldung DE 10 2013 210 078 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition eines Hochenergiestrahls bekannt. Die Vorrichtung umfasst unter anderem eine Bilderfassungseinrichtung, die zur Bildung von mindestens zwei Beobachtungsstrahlen ausgebildet ist, und eine Abbildungsoptik zur Erzeugung von mindestens zwei Bildern des zu überwachenden Bereichs oder einer Referenzkontur. Einerseits kann aus einer Änderung des lateralen Abstandes der beiden Bilder des zu überwachenden Bereichs der Werkstückoberfläche auf eine Abweichung der Fokusposition zum Werkstück geschlossen werden. Andererseits kann aus einer Änderung des lateralen Abstandes von zwei Bildern der Referenzstruktur, die beispielsweise von der Innenkontur einer Laserbearbeitungsdüse gebildet sein kann, eine Änderung der Brennweite des Fokussierelements ermittelt werden und so auf eine Änderung der Fokusposition rückgeschlossen werden. Da auch in dieser Vorrichtung das vom Werkstück bzw. das von der Referenzstruktur abgestrahlte oder reflektierte Licht zur Erzeugung der Bilder verwendet wird, ist eine Vermessung der Fokusposition des Hochenergiestrahls im eigentlichen Sinne nicht möglich. Eine Änderung der Strahlfokusposition, die nicht durch das Fokussierelement hervorgerufen wird, sondern beispielsweise durch die Kollimationsoptik, würde mit der offenbarten Vorrichtung nicht ermittelt werden können.
Die Patentanmeldung EP 2 886239 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Regelung der Bearbeitungsbahn bei einem Laser-Fügeprozess. Der in der Druckschrift beschriebene Bearbeitungskopf weist unter anderem einen Abstandssensor in Form eines Doppelspaltsensors mit einer Abbildungsoptik und einer Doppelspaltblende auf. Mit dem Abstandssensor ist der Abstand des Bearbeitungskopfes zur Werkstückoberfläche bestimmbar. Bei allen oben zitierten Veröffentlichungen wird letztendlich immer eine Position oder ein Abstand einer Werkstückoberfläche auf optischem Wege bestimmt. Die Bestimmung der Fokuslage eines auf eine Werkstückoberfläche gerichteten Strahls ist hingegen mit den oben zitierten Vorrichtungen und Verfahren nicht oder nur mit geringer Genauigkeit möglich. Um die eigentliche Fokusposition des Bearbeitungsstrahls bestimmen zu können, ist es erforderlich, den Bearbeitungsstrahl direkt zu vermessen oder einen Probenstrahl aus dem Bearbeitungsstrahl auszukoppeln und den Probenstrahl zu vermessen.
Aus der Druckschrift WO 2012/ 041 351 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Bearbeitung von Material mit elektromagnetischer Strahlung bekannt. Dabei ist vorgesehen, eine Einrichtung zur Mustererzeugung, beispielsweise eine Lochmaske, in den elektromagnetischen Strahl einzuschwenken, der auf das Material fokussiert wird. Vor dem Fokus ist eine teilreflektierende Fläche angeordnet, so dass die Abbildung des mit dem Mustererzeuger erzeugten Musters auf der teilreflektierenden Fläche zurückreflektiert wird und über einen Strahlteiler auf einen Detektor gelangt. Das Bild auf dem Detektor wird von einem Rechner verarbeitet und ein von der Fokuslage abhängiges elektrisches Signal erzeugt. Das offenbarte Verfahren ist zur Anwendung in der Augenchirurgie vorgesehen. Für allgemeine Anwendungen in der Lasermaterialbearbeitung ist das Verfahren jedoch nicht oder wenig geeignet, da es im Allgemeinen nicht möglich ist, eine teilreflektierende Fläche kurz vor dem Strahlfokus dauerhaft anzuordnen, und weiterhin ist es ungünstig, eine Lochmaske in einem Hochleistungslaserstrahl anzuordnen.
Bei der in der WO 2015/ 185 152 A1 offenbarten Vorrichtung zur Überwachung eines Laserstrahls wird mittels einer Planplatte, die unter einem Kippwinkel im Laserstrahl angeordnet ist, Strahlung zurückreflektiert und mit einem ortsauflösenden Detektor erfasst. Divergenzänderungen des Laserstrahls können bestimmt werden durch Detektion einer Verschiebung der Fokuslage des auf den Detektor abgebildeten Teilstrahls. Die Vorrichtung ist insbesondere vorgesehen zur Analyse und Überwachung einer Treiberlaseranordnung zur Erzeugung von EUV-Strahlung.
Die Patentanmeldung DE 10 2011 007 176 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls und ein Verfahren zum Überwachen einer Laserbearbeitung. Dazu wird von einem transmissiven optischen Element, insbesondere von einem Schutzglas, Laserstrahlung zurückreflektiert und die rückreflektierte Strahlung mit einem Detektor zur Bestimmung der Fokusposition erfasst. Das Schutzglas ist hierbei unter einem Kippwinkel angeordnet, so dass die rückreflektierte Strahlung direkt zur Seite umgelenkt wird und keine weitere Strahlteilung erforderlich ist. Zum Ausblenden der von einer der Seiten des Schutzglases rückreflektierten Strahlung ist eine Blende vorgesehen. Die Bestimmung der Fokusposition des Laserstrahls erfolgt durch Auswertung der Größe bzw. des Durchmessers des Auftreffbereichs der zurückreflektierten Laserstrahlung auf dem Detektor.
Das Patent DE 10 2013227 031 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls und zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung. Bei der gezeigten Vorrichtung wird ein vom Schutzglas reflektierter Anteil des Lichtstrahls in einen Messstrahlengang auf einen Sensor zur Strahlanalyse abgelenkt. Der vom Schutzglas reflektierte Anteil wird im Messstrahlengang durch eine Blende geführt, wodurch Störstrahlen ausgeblendet werden, die von anderen Teilen der Vorrichtung reflektiert werden. Um die gewünschte Störstrahl-Ausblendung zu erreichen, ist eine Schrägstellung des Schutzglases und/oder die Verwendung von Keilplatten zur Umlenkung des reflektierten Strahls vorgesehen. Als Sensor lehrt die Veröffentlichung die Verwendung einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera, womit eine Vermessung gemäß DIN ISO 11146 ermöglicht werden soll. Weiterhin ist die Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Brennweite mittels ABCD-Matrixrechnung vorgesehen.
Die in der Patentanmeldung DE 10 2018 105 364 A1 vorgestellte Vorrichtung und das Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem arbeiten in ganz ähnlicher Weise wie die Vorrichtung aus der DE 10 2011 007 176 A1 . In dem Verfahren der DE 10 2018 105 364 A1 ist zur Bestimmung der Fokuslage die Verwendung von Kalibrierdaten vorgesehen, welche in Abhängigkeit von der Laserleistung gemessene Strahldurchmesser umfassen. Somit beruht die Bestimmung der Fokuslage auch bei dem hier vorgestellten Verfahren auf der Ermittlung des Durchmessers der Intensitätsverteilung auf dem Detektor.
Bei den zuletzt zitierten Veröffentlichungen wird die Fokuslage typischerweise durch die Bestimmung der Abmessungen bzw. des Durchmessers des Strahlflecks auf dem Detektor ermittelt. Zwar kann auf diese Weise prinzipiell eine Fokuslage bestimmt werden, wenn die Strahlparameter bekannt sind, jedoch sind solche Verfahren aus mehreren Gründen ungünstig: einerseits ändert sich der erfasste Strahldurchmesser auch bei Veränderungen der Divergenz und/oder des Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls; andererseits ist gerade im Bereich der Strahltaille eine Änderung des Durchmessers bei Änderung der Fokuslage minimal. Beides führt zu einer beträchtlichen Unsicherheit bei der Ermittlung der axialen Fokuslage. Schließlich kann ausgehend von einer Messung in der optimalen Fokuslage nicht erkannt werden, in welche Richtung der Strahlfokus verschoben wird, da der Durchmesser in beiden Richtungen größer wird.
Die nachveröffentlichte DE 102019 004 337 A1 offenbart eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Lichtstrahls. Sie umfasst eine Abbildungseinrichtung, eine Detektoreinheit mit einem ortsaufgelöst lichtempfindlichen Detektor und eine Auswertungseinheit. Aus einem Messstrahl werden durch vier Selektionsvorrichtungen vier Teilstrahlen erzeugt. Die erste und zweite der Selektionsvorrichtungen sind entlang einer y-Richtung, die sich quer zu einer Strahlrichtung des Messtrahls erstreckt, in einem ersten Abstand angeordnet. Die hiervon erzeugten ersten und zweiten Teilstrahlen werden durch Teilapertur-Linsen auf den Detektor abgebildet und dabei in der y-Richtung abgelenkt. Bei einer Änderung der Fokuslage ändert sich auf dem Detektor ein Abstand der Strahlflecke der ersten und zweiten Teilstrahlen entlang der y-Richtung. Aus dieser Abstandsänderung kann die Auswertungseinheit die Änderung der Fokuslage feststellen. Allerdings kann der erste Abstand unter Umständen klein oder sogar null werden. Dann sind die Strahlflecke der ersten und zweiten Teilstrahlen nicht mehr unterscheidbar und es ist keine eindeutige Auswertung möglich. Die dritte und vierte der Selektionsvorrichtungen sind entlang einer x-Richtung, die sich quer zu einer Strahlrichtung des Messtrahls und senkrecht zur y-Richtung erstreckt, in einem zweiten Abstand angeordnet. Die hiervon erzeugten dritten und vierten Teilstrahlen werden durch Teilapertur-Linsen auf den Detektor abgebildet und dabei in der x-Richtung abgelenkt. Bei einer Änderung der Fokuslage ändert sich auf dem Detektor ein Abstand der Strahlflecke der dritten und vierten Teilstrahlen entlang der x-Richtung. Aus dieser Abstandsänderung kann die Auswertungseinheit die Änderung der Fokuslage feststellen. Auch der zweite Abstand kann unter Umständen klein oder sogar null werden. Dann sind die Strahlflecke der dritten und vierten Teilstrahlen nicht mehr unterscheidbar.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, das Prinzip der optischen Triangulation vorteilhaft fortzubilden und insbesondere für die Vermessung der Fokuslage von Laserstrahlen nutzbar zu machen, die in Laserbearbeitungsoptiken geführt werden, ohne auf die von einem Werkstück abgestrahlte oder reflektierte Strahlung zurückgreifen zu müssen, und so eine besonders genaue Bestimmung der Fokuslage zu ermöglichen. Es ist auch Aufgabe dieser Erfindung, besonders robuste, genaue, vielseitige und kompakte Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage und gegebenenfalls auch zur Bestimmung weiterer Strahlparameter zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabenstellung wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.
Dazu ist erfindungsgemäß eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus vorgesehen, die eine Strahlformungseinrichtung, einen Detektor, und eine Auswertungseinrichtung umfasst. Dabei ist der Strahlfokus ein Fokus eines Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung oder ein Fokus eines aus dem Energiestrahl ausgekoppelten Probenstrahls.
Die Strahlformungseinrichtung ist dazu eingerichtet, aus dem Energiestrahl oder aus dem aus dem Energiestrahl ausgekoppelten Probenstrahl in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung (wenigstens) zwei Teilstrahlen herauszulösen, wobei die zwei Teilstrahlen ein erster Teilstrahl und ein zweiter Teilstrahl sind. Dabei sind die Querschnitte der zwei Teilstrahlen in der Ebene der Teilstrahlherauslösung durch jeweils eine Teilapertur definiert. Die Teilaperturen sind voneinander abgegrenzt. Mittelpunkte der Teilaperturen weisen einen Abstand k zueinander auf, wobei durch den Abstand k der Teilaperturen eine erste laterale Richtung definiert ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse. Die Strahlformungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet, zur Formung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor mit (mindestens zwei) Strahlflecken und zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck aus jedem der zwei Teilstrahlen (also aus wenigstens einem Strahlfleck aus dem ersten Teilstrahl und wenigstens einem Strahlfleck aus dem zweiten Teilstrahl), die zwei Teilstrahlen auf den Detektor abzubilden und mindestens einen der zwei Teilstrahlen in einer zweiten lateralen Richtung abzulenken und/oder zu versetzen, wodurch ein Abstand w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den Strahlflecken auf dem Detektor ausgebildet wird. Die zweite laterale Richtung ist dabei quer zur ersten lateralen Richtung ausgerichtet und die zwei Strahflecke sind der wenigstens eine Strahlfleck des ersten Teilstrahls und der wenigstens eine Strahlfleck des zweiten Teilstrahls.
Der Detektor umfasst einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor, der zur Umwandlung der auf den Detektor auftreffenden Intensitätsverteilung in elektrische Signale eingerichtet ist. Der Detektor ist entlang einer Propagationsstrecke für die zwei Teilstrahlen in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet.
Die Auswertungseinrichtung ist eingerichtet zur Verarbeitung der elektrischen Signale des Detektors, welche die Intensitätsverteilung auf dem Detektor repräsentieren. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung zwischen Positionen der beiden Strahlflecke auf dem Detektor. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung einer axialen Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a und/oder zur Bestimmung einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf einer Änderung des Abstandes a.
Die Strahlanalysevorrichtung ist eine besonders robuste, genaue, vielseitige und kompakte Vorrichtung zur Bestimmung der Fokuslage.
Mit anderen Worten ist die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet, in der Ebene der Teilstrahlherauslösung die (mindestens zwei) Teilaperturen zum Herauslösen von jeweils einem der zwei Teilstrahlen auszubilden. Die Strahlformungseinrichtung ist mit anderen Worten dazu eingerichtet, dass der Strahlfleck des einen der zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck des anderen der zwei Teilstrahlen auf dem Detektor aufgrund des Abstands k (in der ersten lateralen Richtung in der Ebene der Teilstrahlherauslösung) auf dem Detektor entlang der ersten lateralen Richtung am Detektor den Abstand a zueinander ausbilden, wobei der Abstand a unter anderem von der axialen Position des Strahlfokus abhängt.
Ferner ist die Strahlformungseinrichtung mit anderen Worten dazu eingerichtet, dass der Strahlfleck des einen der zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck des anderen der zwei Teilstrahlen auf dem Detektor aufgrund des Ablenkens und/oder Versetzens von mindestens einem der zwei Teilstrahlen zusätzlich entlang der zweiten lateralen Richtung am Detektor um den Abstand w zueinander versetzt werden, wobei die zweite laterale Richtung am Detektor quer zu der ersten lateralen Richtung am Detektor ist. Der erste Abstand a kann unter Umständen klein oder sogar null werden. Durch den zusätzlichen Abstand w der beiden Strahlflecken auf Detektor sind die beiden Strahlflecken selbst in einem solchen Fall noch unterscheidbar. Beispielsweise kann die Strahlformungseinrichtung derart eingerichtet sein, dass der Abstand w so groß ist, dass sich die beiden Strahlflecken auch in dem Fall, dass der Abstand a null wird, nur teilweise (oder bevorzugt nicht) überlappen.
Die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung kann optional durch eines oder durch mehrere der nachfolgend aufgeführten Merkmale weitergebildet werden.
Der Probenstrahl kann mit dem Energiestrahl identisch sein, insbesondere wenn der Probenstrahl nicht durch Auskopplung aus dem Energiestrahl gebildet ist.
Die Auswertungseinrichtung kann mit dem Detektor für den Empfang der elektrischen Signale des Detektors verbunden sein. Beispielsweise kann die Auswertungseinrichtung über mindestens eine Datenleitung mit dem Detektor verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswertungseinrichtung mit dem Detektor kabellos für den Empfang der elektrischen Signale des Detektors verbunden sein. Gemäß einem anderen Aspekt können die Auswertungseinrichtung und der Detektor in einer gemeinsamen Einheit ausgebildet sein.
Beispielsweise können in der Strahlanalysevorrichtung die erste laterale Richtung und die lokale optische Achse zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung und dem Detektor durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung geändert werden. Weiterhin kann die zweite laterale Richtung durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung entsprechend mit geändert werden. Mithilfe der Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung kann die Strahlanalysevorrichtung beispielsweise ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit kompakter ausgeführt werden.
Die Strahlformungseinrichtung der Strahlanalysevorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die zwei Teilstrahlen relativ zueinander abzulenken und/oder zu versetzen, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet ist, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor. Insbesondere kann die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet sein, beide der zwei Teilstrahlen in der zweiten lateralen Richtung abzulenken und/oder zu versetzen, wobei lediglich die Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstahlen entlang der zweiten lateralen Richtung zur Ausbildung des Abstands w führt. Das ermöglicht einen größeren Abstand w bei geringerer Beeinflussung der optischen Achse.
Die Strahlanalysevorrichtung kann eine Auskopplungseinrichtung umfassen, wobei die Auskopplungseinrichtung einen Strahlauskoppler zur Auskopplung des Probenstrahls aus dem Energiestrahl beinhaltet. Auf diese Weise kann die Strahlanalyse einfach für bestehende Bearbeitungsoptiken genutzt werden. Zudem kann die Auskopplungseinrichtung eine Messung durch die Strahlanalysevorrichtung während des normalen Betriebs der Bearbeitungsoptik ermöglichen.
Der Strahlauskoppler der Strahlanalysevorrichtung kann eine Strahlteilereinrichtung sein, die zur Auskopplung eines Strahlungsanteils im Bereich von 0,01 % bis 5% des Energiestrahls als Probenstrahl durch Reflexion und/oder Transmission eingerichtet ist. Bei typischen Anwendungen genügt dieser Strahlungsanteil einerseits für eine genaue Messung und andererseits wird der Energiestrahl durch die Auskopplung nur unwesentlich geschwächt.
Die Strahlformungseinrichtung der Strahlanalysevorrichtung kann eine Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse zur Abbildung der Teilstrahlen auf den Detektor umfassen. Das ermöglicht beispielsweise die Verwendung eines kompakteren Detektors. Alternativ oder zusätzlich kann die Messgenauigkeit dadurch verbessert werden. Die Ebene der Teilstrahlherauslösung kann am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung angeordnet sein. Dadurch wird die Auswertung besonders einfach.
Die Auswertungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die axiale Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke, und/oder die Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke, mittels einer linearen Berechnungsvorschrift zu bestimmen. Das erlaubt eine besonders einfache, genaue und schnelle Auswertung mit besonders wenig Rechnungsaufwand.
Die Auswertungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die axiale Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke, und/oder die Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke, mittels einer zumindest abschnittsweise linearen Berechnungsvorschrift zu bestimmen. Das erlaubt eine einfache, genaue und schnelle Auswertung mit wenig Rechnungsaufwand.
Die Strahlanalysevorrichtung kann eine Strahlfaltungseinrichtung umfassen, die einen Strahlteiler und wenigstens einen Spiegel beinhaltet und die im Strahlenverlauf vor dem Detektor angeordnet ist. Dabei ist der wenigstens eine Spiegel angeordnet zur Reflexion eines den Strahlteiler verlassenden Strahlungsanteils zurück in den Strahlteiler, wodurch die Strahlfaltungseinrichtung auf diese Weise einen ersten gefalteten Strahlweg ausbildet. Die Ebene der Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung ist dabei im Strahlenverlauf vor der Strahlfaltungseinrichtung oder im ersten gefalteten Strahlweg angeordnet. Die Strahlfaltung erlaubt eine kompaktere Ausführung der Strahlanalysevorrichtung ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit.
In einer Weiterbildung der Strahlanalysevorrichtung kann die Strahlfaltungseinrichtung zusätzlich wenigstens einen zweiten Spiegel beinhalten, wobei der zweite Spiegel angeordnet ist zur Reflexion eines weiteren den Strahlteiler verlassenden Strahlungsanteils zurück in den Strahlteiler, wodurch die Strahlfaltungseinrichtung auf diese Weise einen zweiten gefalteten Strahlweg ausbildet. Der zweite gefaltete Strahlweg kann beispielsweise die Messung zusätzlicher Parameter ermöglichen. Bei einer möglichen Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung ist vorgesehen, dass die Ebene der Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung in dem ersten gefalteten Strahlweg angeordnet ist, und dass in dem zweiten gefalteten Strahlweg keine Teilstrahlherauslösung angeordnet ist und auf diese Weise über den zweiten gefalteten Strahlweg ein Strahlungsanteil des Probenstrahls (oder Energiestrahls) als unmodulierter Strahl auf den Detektor geführt ist. Die Auswertungseinrichtung kann dabei dazu eingerichtet sein, aus einer Intensitätsverteilung eines Strahlflecks des unmodulierten Strahls auf dem Detektor einen Strahldurchmesser und/oder ein Strahlprofil zu bestimmen. Das erlaubt es, den Energiestrahl bzw. den Probenstrahl genauer zu charakterisieren.
In dem zweiten gefalteten Strahlweg kann der Spiegel axial verschiebbar angeordnet sein und die Position des Spiegels kann mittels einer Positioniereinrichtung einstellbar sein. Die axiale Verschiebung des zweiten Spiegels kann beispielsweise zur Ermittlung einer Strahlkaustik des Energiestrahls bzw. des Probenstrahls genutzt werden. Die Auswertungseinrichtung kann entsprechend zur Ermittlung der Strahlkaustik eingerichtet sein. Insbesondere kann die Auswertungseinrichtung zur Steuerung der axialen Verschiebung dieses Spiegels eingerichtet sein.
Die Strahlformungseinrichtung der Strahlanalysevorrichtung kann eine Strahlseparatoreinrichtung mit wenigstens einem Teilstrahlablenkelement umfassen zur Ablenkung und/oder Versetzung des mindestens einen der zwei Teilstrahlen in der zweiten lateralen Richtung zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor.
Die Strahlseparatoreinrichtung kann auch wenigstens zwei Teilstrahlablenkelemente umfassen zur Ablenkung und/oder Versetzung der zwei Teilstrahlen relativ zueinander. Dabei ist eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor.
Die Strahlseparatoreinrichtung kann wenigstens eine Keilplatte als Teilstrahlablenkelement beinhalten, die in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen angeordnet ist, und die zur Ablenkung desjenigen von der Teilapertur herausgelösten der zwei Teilstrahlen um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° eingerichtet ist.
Die Strahlseparatoreinrichtung kann wenigstens eine verkippte Planplatte oder ein Prisma als Teilstrahlablenkelement beinhalten, welche(s) in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einem der Teilaperturen angeordnet ist, und welche(s) zur Versetzung desjenigen von der Teilapertur herausgelösten der zwei Teilstrahlen um einen Betrag im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm eingerichtet ist.
Die Strahlseparatoreinrichtung kann innerhalb des ersten gefalteten Strahlwegs angeordnet sein und wenigstens zwei Spiegel als Teilstrahlablenkelemente beinhalten. Jeder der wenigstens zwei Spiegel kann in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter jeweils einer der Teilaperturen angeordnet sein, alternativ können die Umfänge bzw. Ränder der Spiegel selbst die Teilaperturen ausbilden. Jeder der zwei Spiegel ist zur Rückreflexion jeweils eines der zwei Teilstrahlen eingerichtet. Dabei liegt eine Winkeldifferenz zwischen den Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel in einem Betragsbereich von 0,01° bis 3°, und die Differenz zwischen den Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel ist entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet.
Weiterhin kann die Auswertungseinrichtung eingerichtet sein zur Bestimmung einer lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung mit den (mindestens) zwei Strahlflecken auf dem Detektor und eingerichtet sein
• zur Berechnung einer lateralen Position des Strahlfokus des Probenstrahls aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung und/oder
• zur Berechnung einer Änderung der lateralen Position des Strahlfokus des Probenstrahls aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung.
Bei einer möglichen Ausführungsvariante kann die Strahlanalysevorrichtung einen Strahlteiler zur Aufteilung des Probenstrahls, eine weitere Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse, sowie einen zweiten Detektor umfassen. Dabei ist der Strahlteiler im Strahlenverlauf vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung angeordnet, und der Strahlteiler ist zwischen der optischen Linse der Abbildungseinrichtung und der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet. Die weitere Abbildungseinrichtung ist dabei zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten Detektor angeordnet zur Abbildung eines vergrößerten Strahlflecks oder eines vergrößerten Bildes des Strahlfokus auf den zweiten Detektor. Das erlaubt eine genauere Charakterisierung des Energiestrahls bzw. des Probenstrahls.
Die Auswertungseinrichtung kann zur Verarbeitung der vom zweiten Detektor erzeugten elektrischen Signale eingerichtet sein, und die Auswertungseinrichtung kann zur Bestimmung eines Strahldurchmessers und/oder eines Fokusdurchmessers aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor eingerichtet sein.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante kann die Strahlanalysevorrichtung einen Strahlteiler zur Aufteilung des Probenstrahls, eine weitere Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse, sowie einen zweiten Detektor umfassen. Dabei ist der Strahlteiler im Strahlenverlauf vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung angeordnet, und der Strahlteiler ist zwischen der optischen Linse der Abbildungseinrichtung und der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet. Die weitere Abbildungseinrichtung ist zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten Detektor angeordnet. Die Abbildungseinrichtung und die weitere Abbildungseinrichtung bilden dabei zusammen ein kombiniertes Linsensystem aus, welches eine bildseitige Brennebene aufweist. Der zweite Detektor kann in der bildseitigen Brennebene des kombinierten Linsensystems angeordnet sein.
Die Auswertungseinrichtung kann zur Verarbeitung der vom zweiten Detektor erzeugten elektrischen Signale eingerichtet sein, und die Auswertungseinrichtung kann zur Bestimmung eines Divergenzwinkels aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor eingerichtet sein.
Bei einer möglichen Ausführungsvariante ist die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet, dass die Positionen der zwei Strahlflecke auf dem Detektor bei einer Variation der axialen Position des Strahlfokus auf zwei durch den Abstand w voneinander getrennten Bahnen laufen.
Es kann weiterhin ein System vorgesehen sein, welches eine Strahlanalysevorrichtung und eine Bearbeitungsoptik zur Führung und zur Fokussierung des Energiestrahls umfasst. Dabei kann die Bearbeitungsoptik eine Auskopplungseinrichtung zur Auskopplung des Probenstrahls aus dem Energiestrahl umfassen. Weiterhin kann die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des ausgekoppelten Probenstrahls mit der Bearbeitungsoptik verbindbar sein. Die Strahlanalysevorrichtung kann somit in einfacher Weise für die Prüfung des Energiestrahls verwendet werden.
Zur Lösung der Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß auch ein Strahlanalyseverfahren zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus vorgesehen. Dabei ist der Strahlfokus ein Fokus eines Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung oder ein Fokus eines aus dem Energiestrahl ausgekoppelten Probenstrahls. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- Herauslösen von (wenigstens) zwei Teilstrahlen aus dem Energiestrahl oder aus dem aus dem Energiestrahl ausgekoppelten Probenstrahl in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung, beispielsweise mittels einer Strahlformungseinrichtung, wobei die zwei Teilstrahlen ein erster Teilstrahl und ein zweiter Teilstrahl sind, wobei Querschnitte der zwei Teilstrahlen in der Ebene der Teilstrahlherauslösung durch jeweils eine Teilapertur definiert werden. Dabei sind die Teilaperturen voneinander abgegrenzt und Mittelpunkte der Teilaperturen weisen einen Abstand k zueinander auf. Durch den Abstand k der Teilaperturen ist eine erste laterale Richtung definiert. Dabei bezieht sich der Begriff „lateral“ auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse.
- Führen der zwei Teilstrahlen auf einen Detektor, der entlang einer Propagationsstrecke für die zwei Teilstrahlen in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet ist, wobei das Führen der zwei Teilstrahlen auf den Detektor folgende Teilschritte umfasst:
• Abbilden der zwei Teilstrahlen, beispielsweise mittels der Strahlformungseinrichtung, auf den Detektor zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck aus jedem der zwei Teilstrahlen (also wenigstens einem Strahlfleck aus dem ersten Teilstrahl und wenigstens einem Strahlfleck aus dem zweiten Teilstrahl) zur Formung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor, welche zwei Strahlflecken umfasst, wobei die zwei Strahlflecke der wenigstens eine Strahlfleck des ersten Teilstrahls und der wenigstens eine Strahlfleck des zweiten Teilstrahls sind, und • Ablenken und/oder Versetzen von mindestens einem der zwei Teilstrahlen in einer zweiten lateralen Richtung, beispielsweise mittels der Strahlformungseinrichtung, und dadurch Ausbilden eines Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor, wobei die zweite laterale Richtung quer zur ersten lateralen Richtung ausgerichtet ist.
- Umwandeln der auf den Detektor auftreffenden Intensitätsverteilung in elektrische Signale mittels eines lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensors des Detektors.
- Verarbeiten der elektrischen Signale des Detektors, die die Intensitätsverteilung auf dem Detektor repräsentieren, beispielsweise mittels einer Auswertungseinrichtung.
- Bestimmen eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung zwischen Positionen der zwei Strahlflecke, beispielsweise mittels der Auswertungseinrichtung.
- Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a oder Bestimmen einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf einer Änderung des Abstandes a.
Die Strahlformungseinrichtung kann insbesondere nach einer beliebigen der beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Die hierzu beschriebenen Vorteile gelten entsprechend für das Strahlanalyseverfahren.
Die Auswertungseinrichtung kann insbesondere nach einer beliebigen der beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Die hierzu beschriebenen Vorteile gelten entsprechend für das Strahlanalyseverfahren.
Das erfindungsgemäße Strahlanalyseverfahren kann durch einen oder durch mehrere der nachfolgend aufgeführten optionalen Schritte weitergebildet werden.
Die zwei Teilstrahlen können relativ zueinander abgelenkt und/oder versetzt werden, beispielsweise mittels der Strahlformungseinrichtung, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet ist, wodurch der Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor ausgebildet wird. Insbesondere können beide der zwei Teilstrahlen in der zweiten lateralen Richtung abgelenkt und/oder versetzt werden, wobei lediglich die Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstahlen entlang der zweiten lateralen Richtung zur Ausbildung des Abstands w führt. Das ermöglicht einen größeren Abstand w bei geringerer Beeinflussung der optischen Achse.
In einem weiteren Schritt kann der Probenstrahl aus dem Energiestrahl ausgekoppelt werden, beispielsweise mittels eines Strahlauskopplers in einer Auskopplungseinrichtung.
Als Probenstrahl kann ein Strahlungsanteil im Bereich von 0,01 % bis 5% des Energiestrahls durch Reflexion und/oder Transmission ausgekoppelt werden, beispielsweise mittels des Strahlauskopplers.
Das Abbilden der zwei Teilstrahlen auf den Detektor kann mittels einer in der Strahlformungseinrichtung angeordneten Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse erfolgen.
Das Herauslösen der Teilstrahlen kann in einer Ebene, die am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung liegt, erfolgen.
Das Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke, oder das Bestimmen der Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke, kann mittels einer linearen Berechnungsvorschrift erfolgen.
Das Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke, oder das Bestimmen der Änderung der axialen Position des Strahlfokus basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke, kann mittels einer zumindest abschnittsweise linearen Berechnungsvorschrift erfolgen.
In einem weiteren Schritt kann mittels einer Strahlfaltungseinrichtung, die einen Strahlteiler und wenigstens einen Spiegel beinhaltet und die im Strahlenverlauf vor dem Detektor angeordnet ist, durch Reflexion eines den Strahlteiler verlassenden Strahlungsanteils an dem wenigstens einen Spiegel zurück in den Strahlteiler ein erster gefalteter Strahlweg gebildet werden. Dabei kann das Herauslösen der zwei Teilstrahlen im Strahlenverlauf vor der Strahlfaltungseinrichtung oder im ersten gefalteten Strahlweg erfolgen.
In noch einem weiteren Schritt kann mittels der Strahlfaltungseinrichtung, die zusätzlich wenigstens einen zweiten Spiegel beinhaltet, durch Reflexion eines weiteren den Strahlteiler verlassenden Strahlungsanteils an dem zweiten Spiegel zurück in den Strahlteiler ein zweiter gefalteter Strahlweg gebildet werden.
Es ist auch ein optionales Verfahren vorgesehen, bei dem das Herauslösen der zwei Teilstrahlen in dem ersten gefalteten Strahlweg stattfindet, und bei dem in dem zweiten gefalteten Strahlweg kein Herauslösen von Teilstrahlen erfolgt und dadurch ein Strahlungsanteil des Probenstrahls (oder Energiestrahls) als unmodulierter Strahl auf den Detektor geführt wird. Dabei kann, beispielsweise mittels der Auswertungseinrichtung, ein Strahldurchmesser und/oder ein Strahlprofil aus einer Intensitätsverteilung eines Strahlflecks des unmodulierten Strahls auf dem Detektor bestimmt werden.
Bei einem weiteren optionalen Verfahren kann mittels einer Positioniereinrichtung die axiale Position des Spiegels in dem zweiten Strahlweg variiert werden und bei wenigstens drei unterschiedlichen Positionen des Spiegels jeweils eine Intensitätsverteilung des Strahlflecks des unmodulierten Strahls auf dem Detektor registriert werden. Aus den registrierten Intensitätsverteilungen kann wenigstens ein Strahlparameter des unmodulierten Strahls bestimmt werden, beispielsweise mittels der Auswertungseinrichtung.
In einem weiteren Schritt kann eine laterale Position der gesamten Intensitätsverteilung mit den zwei Strahlflecken auf dem Detektor bestimmt werden, und eine laterale Position des Strahlfokus des Probenstrahls kann aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung oder eine Änderung der lateralen Position des Strahlfokus des Probenstrahls kann aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung berechnet werden.
Ein weiteres mögliches Verfahren kann die folgenden drei Schritte umfassen:
- Aufteilen des Probenstrahls mittels eines Strahlteilers, der im Strahlenverlauf hinter der optischen Linse der Abbildungseinrichtung und vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet ist. - Abbilden eines abgeteilten Probenstrahls auf einen zweiten Detektor mittels einer weiteren Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse, die zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten Detektor angeordnet ist, zur Formung eines vergrößerten Strahlflecks oder eines vergrößerten Bildes des Strahlfokus auf dem zweiten Detektor.
- Bestimmen eines Strahldurchmessers oder eines Fokusdurchmessers aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor.
Noch ein weiteres mögliches Verfahren kann die folgenden drei Schritte umfassen:
- Aufteilen des Probenstrahls mittels eines Strahlteilers, der im Strahlenverlauf hinter der optischen Linse der Abbildungseinrichtung und vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet ist.
- Führen eines abgeteilten Probenstrahls auf einen zweiten Detektor mittels einer weiteren Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse, die zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten Detektor angeordnet ist, zur Formung einer Fernfeld-Strahlverteilung auf dem zweiten Detektor. Dabei bilden die Abbildungseinrichtung und die weitere Abbildungseinrichtung zusammen ein kombiniertes Linsensystem aus, welches eine bildseitige Brennebene aufweist. Der zweite Detektor ist dabei in der bildseitigen Brennebene des kombinierten Linsensystems angeordnet ist.
- Bestimmen eines Fernfeld-Strahldurchmessers oder eines Divergenzwinkels aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor.
Es ist optional ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Energiestrahl durch eine Bearbeitungsoptik fokussiert wird.
Es ist optional ein weiteres Verfahren vorgesehen, bei dem die bestimmte axiale Position des Strahlfokus oder die bestimmte Änderung der axialen Position des Strahlfokus zur Steuerung eines Laserbearbeitungsprozesses verwendet wird.
Es ist optional ein Verfahren vorgesehen, bei dem die Positionen der zwei Strahlflecke auf dem Detektor bei einer Variation der axialen Position des Strahlfokus auf zwei durch den Abstand w voneinander getrennten Bahnen laufen. KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen Elemente und Aspekte kombiniert sein können, die in verschiedenen Figuren dargestellt sind. Es zeigt:
Figur 1 a: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlanalysevorrichtung.
Figur 1 b: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich Figur 1 a mit einer zusätzlichen Auskopplungseinrichtung.
Figur 2: Eine schematische Darstellung einer Modulationseinrichtung für die Strahlanalysevorrichtung sowie eine schematische Darstellung beispielhafter Intensitätsverläufe vor und hinter der Modulationseinrichtung.
Figur 3: Eine schematische, beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor der Strahlanalysevorrichtung sowie eine schematische Darstellung eines Intensitätsverlaufs auf dem Detektor.
Figur 4: Eine schematische Darstellung der Strahlanalysevorrichtung wie in Figur 1 a mit zusätzlicher Darstellung des Strahlenverlaufs bei geänderter Fokusposition.
Figur 5: Eine schematische, beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor mit zusätzlicher Darstellung der Änderung der Position der Strahlflecke bei Änderung der Fokusposition.
Figur 6: Eine schematische, unvollständige Darstellung einer Strahlanalysevorrichtung mit Anordnung der Modulationseinrichtung vor der Abbildungseinrichtung. Es sind nur die Elemente dargestellt, die zur Bestimmung der Fokusposition wesentlich sind. Figur 7: Eine schematische, unvollständige Darstellung einer Strahlanalysevorrichtung mit Anordnung der Modulationseinrichtung hinter der Abbildungseinrichtung. Es sind nur die Elemente dargestellt, die zur Bestimmung der Fokusposition wesentlich sind.
Figur 8: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung, bei der die Modulationseinrichtung in der Brennebene der Abbildungseinrichtung angeordnet ist.
Figur 9: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung, bei der die Abbildungseinrichtung und die Strahlseparatoreinrichtung in einer gemeinsamen Anordnung verwirklicht sind.
Figur 10: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit einer Strahlfaltungseinrichtung.
Figur 11 a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit Anordnung der Strahlseparatoreinrichtung im gefalteten Strahlweg.
Figur 11 b: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit Anordnung der Strahlseparatoreinrichtung im gefalteten Strahlweg und Verwendung eines alternativen Strahlteilers.
Figur 12: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit Anordnung der Modulationseinrichtung und der Strahlseparatoreinrichtung im gefalteten Strahlweg.
Figur 13: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung, bei der die Modulationseinrichtung und die Strahlseparatoreinrichtung in einer gemeinsamen Anordnung verwirklicht sind.
Figur 14: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit einer Strahlfaltungseinrichtung zur Ausbildung von zwei unterschiedlichen Strahlwegen auf den Detektor. Figur 15a: Eine schematische beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor für eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen.
Figur 15b: Eine schematische beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor für eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen mit zusätzlicher Darstellung der Änderung der Position der Strahlflecke bei Änderung der Fokusposition.
Figur 16a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung zwei Strahlwegen auf den Detektor und einer zusätzlichen Shuttereinrichtung.
Figur 16b: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 16a mit einer zusätzlichen Auskopplungseinrichtung.
Figur 16c: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 16a mit einer zusätzlichen Auskopplungseinrichtung und mit einer zusätzlichen Strahlleistungsmessung.
Figur 16d: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 16c mit einer mehrstufigen Auskopplungseinrichtung.
Figur 17: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen auf den Detektor, bei der nur in einem Strahlweg eine Modulationseinrichtung angeordnet ist.
Figur 18: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der
Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen auf den Detektor, bei der nur in einem Strahlweg eine Modulationseinrichtung angeordnet ist und bei der ein unmodulierter Strahl vergrößert auf den Detektor abgebildet wird. Figur 19a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 17, bei der die Strahlweg- Länge für den unmodulierten Strahl einstellbar ist.
Figur 19b: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 19a mit einer zusätzlichen Auskopplungseinrichtung.
Figur 19c: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 19a mit einer zusätzlichen Auskopplungseinrichtung und mit einer zusätzlichen Strahlleistungsmessung.
Figur 19d: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 19a in Kombination mit einer Bearbeitungsoptik, bei der der Probenstrahl aus dem kollimierten Energiestrahl der Bearbeitungsoptik ausgekoppelt wird.
Figur 19e: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 19a in Kombination mit einer Bearbeitungsoptik, bei der der Probenstrahl durch reflektive Auskopplung eines vom Schutzglas rückreflektierten Strahlungsanteils gebildet wird.
Figur 19f: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung ähnlich wie in Figur 19a in Kombination mit einer Bearbeitungsoptik, bei der der Probenstrahl durch transmissive Auskopplung eines vom Schutzglas rückreflektierten Strahlungsanteils gebildet wird.
Figur 20: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit einer zusätzlichen Strahl-Aufteilung und Abbildung eines Probenstrahl-Anteils auf einen zweiten Detektor.
Figur 21 : Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit einer zusätzlichen Strahl-Aufteilung und Führung eines Probenstrahl-Anteils auf einen zweiten Detektor mit einstellbarer Länge des Strahlwegs auf den zweiten Detektor. Figur 22: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen ähnlich Figur 14 und mit einer zusätzlichen Strahl-Aufteilung und Abbildung einer Fernfeld- Strahlverteilung des Probenstrahls auf einen zweiten Detektor.
Figur 23: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen ähnlich Figur 18 und mit einer zusätzlichen Strahl-Aufteilung und Abbildung einer Fernfeld- Strahlverteilung des Probenstrahls auf einen zweiten Detektor.
Figur 24: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit zwei Strahlwegen ähnlich Figur 19a und mit einer zusätzlichen Strahl-Aufteilung und Abbildung einer Fernfeld- Strahlverteilung des Probenstrahls auf einen zweiten Detektor.
Figur 25: Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung mit einer Strahlformungseinrichtung mit vier Teilaperturen zur Herauslösung von vier Teilstrahlen.
Figur 26a: Eine schematische Darstellung einer Modulationseinrichtung und einer Strahlseparatoreinrichtung für eine Strahlanalysevorrichtung nach Figur 25.
Figur 26b: Eine schematische, beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor der Strahlanalysevorrichtung nach Figur 25 und der Modulationseinrichtung nach Figur 26a.
Figur 27a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Modulationseinrichtung und einer Strahlseparatoreinrichtung für eine Strahlanalysevorrichtung ähnlich Figur 25.
Figur 27b: Eine beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor bei Verwendung einer Modulationseinrichtung nach Figur 27a.
Figur 28a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Modulationseinrichtung mit vier Teilaperturen.
Figur 28b: Eine beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor bei Verwendung einer Modulationseinrichtung nach Figur 28a. Figur 29a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Modulationseinrichtung und einer Strahlseparatoreinrichtung für eine Strahlanalysevorrichtung ähnlich Figur 25, jedoch mit drei Teilaperturen.
Figur 29b: Eine beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor bei Verwendung einer Modulationseinrichtung nach Figur 29a.
Figur 30a: Eine schematische Darstellung einer weiteren Modulationseinrichtung mit vier Teilaperturen und einer Strahlseparatoreinrichtung zur Ablenkung von vier Teilstrahlen.
Figur 30b: Eine beispielhafte Darstellung von Strahlflecken auf dem Detektor bei Verwendung einer Modulationseinrichtung nach Figur 30a.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1a zeigt eine erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10, die eine Strahlformungseinrichtung 12, einen Detektor 40 sowie eine Auswertungseinrichtung 45 beinhaltet. Die Strahlformungseinrichtung 12, der Detektor 40 und die Auswertungseinrichtung 45 sind bevorzugt gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet. Die Strahlanalysevorrichtung 10 empfängt einen entlang einer optischen Achse 11 propagierenden Probenstrahl 70 mit einem Strahlfokus 71. Die Strahlformungseinrichtung 12 umfasst eine Modulationseinrichtung 20, eine Strahlseparatoreinrichtung 52, und eine Abbildungseinrichtung 50, die in diesem Ausführungsbeispiel als eigenständige Einrichtungen ausgebildet sind. Die Modulationseinrichtung 20 dient zur Herauslösung von zwei Teilstrahlen 72, 73 aus dem Probenstrahl 70 in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung 19. Dazu hat die Modulationseinrichtung 20 wenigstens zwei voneinander abgegrenzte Durchlasszonen 21 , 22 und wenigstens eine Sperrzone 25, die die Durchlasszonen 21 , 22 jeweils vollständig umschließt und voneinander trennt. Im Bereich der Durchlasszonen 21 , 22 propagiert die Strahlung weiter zum Detektor 40; im Bereich der Sperrzone 25 wird die Propagation der Strahlung zum Detektor behindert. Auf diese Weise umgrenzen die Ränder der Durchlasszonen 21 , 22 zwei Teilaperturen 32, 33, die in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 die Querschnitte der auf diese Weise gebildeten Teilstrahlen 72, 73 definieren. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33 weisen einen Abstand k zueinander auf. Der Abstand k, das heißt, die gedachte kürzeste Verbindung der Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33, definiert eine erste laterale Richtung 31. Die erste laterale Richtung 31 ist senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 ausgerichtet. In der gewählten Darstellung der Figur 1a ist die erste laterale Richtung 31 beispielhaft parallel zur y-Koordinatenachse ausgerichtet. Der obere Teil von Figur 1a zeigt folglich eine Darstellung der Strahlanalysevorrichtung 10 in der y-z-Ebene, wie durch die Koordinaten-Pfeile y, z angedeutet ist. Die Modulationseinrichtung 20 moduliert die Intensitätsverteilung des Probenstrahls 70 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19, wodurch ein geformter Probenstrahl 79 mit den beiden Teilstrahlen 72, 73 ausgebildet wird. Die Modulationseinrichtung 20 kann beispielsweise eine Doppellochblende mit zwei Öffnungen sein, wobei die beiden Öffnungen die Durchlasszonen 21 , 22 darstellen. Mittels der Abbildungseinrichtung 50 wird der geformte Probenstrahl 79 auf den Detektor 40 abgebildet. Der Detektor 40 weist in einer Sensor-Ebene 39 einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor auf, welcher die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 in elektrische Signale umwandelt, die von der Auswertungseinrichtung 45 empfangen und verarbeitet werden. Die Auswertungseinrichtung 45 ist in dieser Ausführungsform dazu elektrisch mit dem Detektor 40 verbunden. Die Abbildungseinrichtung 50 enthält wenigstens eine optische Linse 51 . Durch die Abbildung des geformten Probenstrahls 79 auf den Detektor 40 wird für jeden der Teilstrahlen 72, 73 wenigstens ein Strahlfleck 92, 93 auf dem Detektor gebildet. Die beiden Strahlflecke 92, 93 weisen auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ist unter anderem abhängig vom Abstand k der Teilaperturen 32, 33, vom Abstand s zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 und der Sensor-Ebene 39, und vom Abstand zs zwischen der axialen Position des Strahlfokus 71 und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19. Somit kann aus dem Abstand a die axiale Position des Strahlfokus 71 bestimmt werden. Der Abstand a ist Null, wenn die Bild-Position des Strahlfokus 71 auf den Detektor 40, bzw. auf die Sensor-Ebene 39, fällt. Damit die Auswertungseinrichtung 45 die Strahlflecke 92, 93 eindeutig zuordnen kann und somit zwischen einer positiven und einer negativen Verlagerung des Strahlfokus 71 , d.h. nach vorne oder nach hinten, unterscheiden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, wenigstens einen der Teilstrahlen 72, 73 in einer zweiten lateralen Richtung 37 abzulenken oder zu versetzen, die quer zu ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet ist. Die zweite laterale Richtung 37 kann beispielsweise senkrecht zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet sein. Die zweite laterale Richtung 37 ist ebenso wie die erste laterale Richtung 31 senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 ausgerichtet. In der Ausführungsform von Figur 1a werden beide Teilstrahlen 72, 73 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt. Dazu weist die Strahlformungseinrichtung 12 die Strahlseparatoreinrichtung 52 auf, die in diesem Beispiel zwei Keilplatten als Teilstrahlablenkelemente 53, 54 umfasst. Jeweils eine der Keilplatten 53, 54 ist in Strahlrichtung fluchtend hinter einer der Durchlasszonen 21 , 22 angeordnet. Im gezeigten Beispiel werden dadurch beide Teilstrahlen um etwa den gleichen Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung, entlang der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt. Die Ablenkrichtung wird durch die Orientierung des Keilwinkels der Keilplatten definiert. Beispielsweise kann der Teilstrahl 72 mittels der Keilplatte 53 um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° abgelenkt sein, und der Teilstrahl 73 kann mittels der Keilplatte 54 um den gleichen Winkelbetrag in entgegengesetzter Richtung abgelenkt sein. Durch die Ablenkung und die Propagation zum Detektor 40 weisen die Strahlflecke 92, 93 in Richtung der zweiten lateralen Richtung 37 einen Abstand w zueinander auf. Zur Darstellung dieser Ablenkung, die im oberen Teil der Figur 1a aus der Zeichenebene heraus erfolgt, ist im unteren Teil der Figur 1a eine Teildarstellung der Strahlanalysevorrichtung 10 in der x-z-Ebene gezeigt, wie durch die Koordinaten-Pfeile x, z im unteren Teil der Figur angedeutet ist.
In Figur 1 b ist eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich der in Figur 1a gezeigten Ausführungsform dargestellt. Die in Figur 1 b gezeigte Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Figur 1b durch eine zusätzliche Auskopplungseinrichtung 14. Die Auskopplungseinrichtung 14 umfasst einen Strahlauskoppler 15. Mittels des Strahlauskopplers 15 wird aus einem Energiestrahl 77 aus elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise einem Laserstrahl, der Probenstrahl 70 ausgekoppelt. Der Strahlauskoppler 15 ist in diesem Beispiel eine Planplatte, die als Strahlteiler angeordnet ist, und an deren einer Grenzfläche ein Bruchteil der Intensität des Energiestrahls 77 als Probenstrahl 70 reflektiert wird. Die Planplatte kann zum Zweck der Anpassung des Reflexionsgrades beschichtet sein, beispielsweise mit einer Reflexions-mindernden Schicht. Eine geringe Restreflexion üblicher Antireflex-Beschichtungen im Bereich von etwa 0,05% bis etwa 1 % kann ausreichend sein zur Bereitstellung des Probenstrahls 70. Die Auskopplungseinrichtung 14 reduziert und/oder begrenzt damit zugleich eine Strahlungsintensität des Probenstrahls 70. Alle übrigen Merkmale der Ausführungsform in Figur 1 b entsprechen den in Figur 1a dargestellten Merkmalen, gleiche Bezugszeichen entsprechen den gleichen Merkmalen wie in Figur 1a; insofern wird für die übrigen Merkmale auf die Beschreibung zur Figur 1a verwiesen.
Figur 2 zeigt beispielhaft eine Modulationseinrichtung 20, wie sie in einer Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß der Figuren 1a oder 1 b zum Einsatz kommen kann. Die in Figur 2 dargestellte Modulationseinrichtung 20 ist eine Doppellochblende. Die Modulationseinrichtung 20 weist zwei voneinander abgegrenzte Durchlasszonen 21 , 22 und eine Sperrzone 25 auf, die die Durchlasszonen 21 , 22 umgibt. Die Durchlasszonen 21 , 22 sind in diesem Beispiel kreisförmige Öffnungen. Im Bereich der Sperrzone 25 wird keine Strahlung transmittiert; die Sperrzone 25 kann aus absorbierendem und/oder reflektierendem Material bestehen. Die Ränder der Durchlasszonen 21 , 22 definieren die zwei Teilaperturen 32, 33. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33 definieren die erste laterale Richtung 31 und weisen einen Abstand k zueinander auf. Die Teilaperturen 32, 33 haben in dieser Ausführungsform entlang der ersten lateralen Richtung 31 jeweils eine Breite b. Der Probenstrahl 70 trifft auf die Modulationseinrichtung 20 und hat vor der Modulationseinrichtung 20 eine Intensitätsverteilung 81 , die beispielsweise gaußförmig sein kann. Die durch die Durchlasszonen 21 , 22 propagierende Strahlung bildet den geformten Probenstrahl 79 mit den beiden Teilstrahlen 72, 73. Unmittelbar hinter der Modulationseinrichtung 20 hat der geformte Probenstrahl 79 eine Intensitätsverteilung 82. Die Intensitätsverteilung 81 des Probenstrahls 70 vor der Modulationseinrichtung 20 und die Intensitätsverteilung 82 des geformten Probenstrahls 79 unmittelbar hinter der Modulationseinrichtung 20 sind im rechten Teil der Figur 2 schematisch als Strahlprofile entlang der ersten lateralen Richtung 31 für einen gaußförmigen Probenstrahl 70 dargestellt.
Figur 3 ist eine schematische, beispielhafte Darstellung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 bei einer Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß den Figuren 1a oder 1 b. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 setzt sich zusammen aus den Strahlflecken 92, 93, die aufgrund der Abbildung mittels der Abbildungseinrichtung 50 fokussiert oder annähernd fokussiert sind. Die Strahlflecke 92, 93 weisen in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ist bei der gezeigten beispielhaften Verteilung der Strahlflecke Null, kann aber beliebige Werte aufweisen. Der Abstand a ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 . Aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 weisen die Strahlflecke 92, 93 in der zweiten lateralen Richtung 37 den Abstand w zueinander auf. Der Abstand w ändert sich nicht bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 . Im rechten Teil der Figur 3 ist die Intensitätsverteilung 83 des geformten Probenstrahls 79 auf dem Detektor 40 schematisch als Strahlprofil entlang der zweiten lateralen Richtung 37 dargestellt. Die beiden Peaks im Strahlprofil der dargestellten Intensitätsverteilung 83 repräsentieren die Strahlflecke 92, 93.
Figur 4 zeigt die gleiche Strahlanalysevorrichtung 10 wie die Figur 1a. Insofern wird zur Erläuterung der Figur 4 auf die Beschreibung von Figur 1 a verwiesen. Figur 4 veranschaulicht zusätzlich die Änderung des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 . Um die Übersichtlichkeit der Abbildung nicht zu beeinträchtigen, sind in der Figur 4 die Teilstrahlen 72, 73 nicht mit ihren an den Rändern der Teilaperturen 32, 33 gebildeten Randstrahlen dargestellt, sondern nur mit ihren Strahlen durch die jeweiligen Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33. Die Auftreff-Punkte der Strahlen durch die Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33 auf dem Detektor 40 repräsentieren die Positionen der Strahlflecke 92, 93. Die apostrophierten Bezugszeichen in der Figur 4 kennzeichnen die durch die Verschiebung des Strahlfokus 71 geänderten Einzelheiten. Eine Änderung der Strahlfokus-Position um Az = zs - zs’ bewirkt eine Änderung des Abstandes der Strahlflecke 92, 93 um Aa = a’ - a.
Figur 5 zeigt ähnlich wie Figur 3 schematisch die Intensitätsverteilung mit den Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 für eine Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß den Figuren 1a, 1 b oder 4, die ausgerüstet ist mit einer Modulationseinrichtung 20 wie in Figur 2 dargestellt. Figur 5 veranschaulicht zusätzlich die Änderung des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71. Die apostrophierten Bezugszeichen in der Figur kennzeichnen die durch die axiale Verschiebung des Strahlfokus geänderten Einzelheiten. Die Strahlflecke 92, 93 weisen in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 beispielsweise auf den Abstand a’. In der zweiten lateralen Richtung 37 weisen die Strahlflecke 92, 93 aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 den Abstand w zueinander auf, welcher sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 nicht ändert. Der Abstand w ist unabhängig von der axialen Position des Strahlfokus 71 . Die Positionen der Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40 laufen also bei einer Variation der axialen Strahlfokus-Position auf zwei durch den Abstand w voneinander getrennten Bahnen. Somit ist die Zuordnung der Strahlflecke immer eindeutig und sowohl die Größe einer Änderung wie auch die Richtung der Änderung ist eindeutig bestimmbar.
In Figur 6 sind die geometrischen Größen und Beziehungen dargestellt, die den funktionalen Zusammenhang des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 92, und 93 zur axialen Position des Strahlfokus 71 beeinflussen, das heißt, es sind die Elemente dargestellt, die zur Bestimmung der Fokusposition wesentlich sind. Die Bezugszeichen 10 und 52 sind in Klammem gesetzt, da nicht alle Elemente der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt sind. Ansonsten entspricht die hier gezeigte Strahlanalysevorrichtung 10 der in Figur 1a gezeigten Vorrichtung, wobei die Modulationseinrichtung 20 in Strahlrichtung vor der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist. In der Abbildung sind folgende Größen mit den nachfolgend definierten Formelzeichen dargestellt: a ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 92 und 93 auf dem Detektor 40; a’ ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung zwischen den Strahlflecken 92’ und 93’ auf dem Detektor 40 bei geänderter Strahlfokus-Position; k ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19, wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33 die erste laterale Richtung 31 definiert; zs ist der Abstand zwischen der axialen Position des Strahlfokus 71 und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19; zs’ ist der Abstand zwischen der axialen Position eines verschobenen Strahlfokus 7T und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19;
Az ist die Änderung der axialen Strahlfokus-Position, Az = zs - zs’ ; zo ist der Abstand vom Strahlfokus zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 für den Fall, dass die Bildebene des Strahlfokus bei der Abbildung mit der Abbildungseinrichtung 50 gerade mit der Sensor-Ebene 39 des Detektors 40 zusammenfällt; s ist der Abstand zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 und der Sensor-Ebene 39 des Detektors 40; e ist der Abstand von der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 zur Position der Abbildungseinrichtung 50, genauer ausgedrückt, zur Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50.
In Figur 7 sind ebenso wie in Figur 6 die geometrischen Größen und Beziehungen dargestellt, die den funktionalen Zusammenhang des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 92, und 93 zur axialen Position des Strahlfokus 71 bestimmen. Im Unterschied zur Figur 6 ist hier die Modulationseinrichtung 20 in Strahlrichtung hinter der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet. Für diesen Fall wird ein anderes Formelzeichen definiert: d ist der Abstand von der Position der Abbildungseinrichtung 50, genauer ausgedrückt, von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50, zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19.
Figur 8 zeigt eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich der Strahlanalysevorrichtung 10 von Figur 1a, mit den folgenden Unterschieden: die Modulationseinrichtung 20 ist in Strahlrichtung hinter der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet; insbesondere ist der Abstand d von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50 zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 gleich der Brennweite f, wobei f die Brennweite der Abbildungseinrichtung 50 ist. Mit anderen Worten, die Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 ist am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet. Bei dieser Anordnung verhält sich die Änderung des Abstandes Aa = a’ - a , also die Änderung der Positions- Differenz zwischen den Strahlflecken 92, 93 in der ersten lateralen Richtung 31 , exakt proportional zur Änderung der axialen Strahlfokus-Position Az. Die Berechnungsformel für diesen Fall lautet:
Az = Aa f2 / ( s k ) Mit diesem einfachen linearen Zusammenhang vereinfacht sich die Kalibration der Vorrichtung und es kann eine besonders hohe Genauigkeit der Fokuslagen- Bestimmung erreicht werden.
Weiterhin zeigt die Figur 8 eine andere Ausführungsvariante der Strahlseparatoreinrichtung 52 im Unterschied zur Strahlanalysevorrichtung 10 von Figur 1a. Die hier beispielhaft dargestellte Variante der Strahlseparatoreinrichtung 52 umfasst zwei Planplatten als Teilstrahlablenkelemente 53, 54. Die Planplatten 53, 54 sind in Strahlrichtung fluchtend vor oder, in diesem Fall, hinter den jeweiligen Teilaperturen 32, 33 angeordnet und um einen Winkel entgegengesetzt zueinander geneigt, so dass die beiden Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37 gegeneinander versetzt werden. Planplatten sind üblicherweise kostengünstiger als Keilplatten; zudem kann der Abstand w zwischen den Strahlflecken 92, 93 in der zweiten lateralen Richtung 37 durch den Neigungswinkel der Planplatten eingestellt werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen der Beschreibung von Figur 1a.
Figur 9 zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich wie Figur 1a, bei der die Abbildungseinrichtung 50 und die Strahlseparatoreinrichtung 52 in einer gemeinsamen Anordnung verwirklicht sind. Dazu ist die in der Abbildungseinrichtung 50 enthaltene Linse 51 in zwei Hälften geteilt und die zwei Linsenhälften sind gegeneinander verschoben in einer Richtung senkrecht zu der durch den Abstand k definierten ersten lateralen Richtung 31. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen der Beschreibung von Figur 1a.
In Figur 10 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt. Die Strahlanalysevorrichtung 10 ist hier zusätzlich mit einer Strahlfaltungseinrichtung 60 ausgestattet und entspricht ansonsten der Figur 1a. Die Strahlfaltungseinrichtung 60 umfasst einen Strahlteiler 61 und einen Spiegel 64. In diesem Beispiel ist die Strahlfaltungseinrichtung 60 hinter der Strahlformungseinrichtung 12 angeordnet. Mittels des Strahlteilers 61 , der beispielsweise ein Strahlteilerwürfel sein kann, wird ein Strahlungsanteil des geformten Probenstrahls 79 umgelenkt. Der umgelenkte Strahlungsanteil trifft auf den Spiegel 64 und wird von diesem zurück in den Strahlteiler 61 reflektiert. Durch die Rückreflexion mit dem Spiegel 64 wird der Strahl gefaltet, es wird dadurch ein erster gefalteter Strahlweg gebildet. Nach dem erneuten Passieren des Strahlteilers 61 trifft der geformte Probenstrahl 79 auf den Detektor 40. Der in der Abbildung um den Detektor 40 herum eingekreiste Bereich ist im unteren Teil der Abbildung als vergrößertes Detail dargestellt, wobei die Detailabbildung unten eine Darstellung in der x-z-Ebene ist, also die Ebene senkrecht zur Zeichenebene des oberen Teils der Figur zeigt.
Aufgrund der Umlenkung des geformten Probenstrahls 79 durch die Strahlfaltungseinrichtung 60 ändert sich die Richtung der lokalen optischen Achse 11. Somit zeigt die erste laterale Richtung 31 im Bereich des Detektors 40 bei globaler Betrachtung in diesem Fall nicht in die gleiche Richtung wie die durch den Abstand k definierte erste laterale Richtung 31 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19. Die erste laterale Richtung 31 ist stets in Bezug zu den lokalen Koordinaten des Probenstrahls 70, 79 zu verstehen. Die lokalen Koordinaten des Probenstrahls 70, 79 orientieren sich immer an der lokalen optischen Achse 11 . Die lokale optische Achse 11 bildet stets die z-Achse der lokalen Koordinaten. Somit ist die erste laterale Richtung 31 immer senkrecht, also lateral, zur lokalen optischen Achse 11 bzw. zur lokalen z-Achse ausgerichtet. Das gleiche gilt sinngemäß für die zweite laterale Richtung 37, auch die zweite laterale Richtung 37 ist stets in Bezug zu den lokalen Koordinaten des Probenstrahls 70, 79 zu verstehen. Sowohl die erste laterale Richtung 31 wie auch die zweite laterale Richtung 37 sind demnach stets senkrecht zur lokalen optischen Achse ausgerichtet, und die zweite laterale Richtung 37 ist stets quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet. Die lokale optische Achse und lokale z-Achse können durch Reflexion, beispielsweise am Spiegel 64, sogar genau umdrehen. Die erste laterale Richtung 31 und die zweite laterale Richtung 37 ändern sich dabei entsprechend.
Die erste laterale Richtung 31 ist ursächlich definiert durch die gedachte Verbindung der Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33, also durch den Abstand k, und ergibt sich bei einer Strahlumlenkung korrespondierend zur Änderung der lokalen optischen Achse 11 .
Die Strahlfaltungseinrichtung 60 ermöglicht eine kompakte, platzsparende Gestaltung der Strahlanalysevorrichtung 10. Alle sonstigen in Figur 10 dargestellten Elemente entsprechen der Beschreibung von Figur 1a.
Figur 11a zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich wie in Figur 1a und wie Figur 10 mit einer zusätzlichen Strahlfaltungseinrichtung 60. Die Strahlfaltungseinrichtung 60 umfasst hier einen Strahlteiler 61 und zwei Spiegel 56, 57. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlfaltungseinrichtung 60 hinter der Modulationseinrichtung 20 angeordnet. Mittels des Strahlteilers 61 werden Strahlungsanteile der herausgelösten Teilstrahlen 72, 73 umgelenkt. Von den umgelenkten Strahlungsanteilen trifft jeweils ein Teilstrahl 72, 73 auf jeweils einen der Spiegel 56, 57. Die beiden Spiegel 56, 57 reflektieren die Teilstrahlen 72, 73 zurück in den Strahlteiler 61 . Durch die Rückreflexion mit den Spiegeln 56, 57 wird ein erster gefalteter Strahlweg gebildet. Die beiden Spiegel 56, 57 sind um einen kleinen Winkel gegeneinander geneigt und bilden auf diese Weise gleichzeitig die Strahlseparatoreinrichtung 52 aus. Dazu ist die Differenz der Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel 56, 57 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ausgerichtet. Die Winkeldifferenz zwischen den Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel 56, 57 kann beispielsweise in einem Betragsbereich von 0,01 ° bis 3° liegen. Nach dem erneuten Passieren des Strahlteilers 61 werden die beiden abgelenkten Teilstrahlen 72, 73 als geformter Probenstrahl 79 auf den Detektor 40 gerichtet. Spiegel sind üblicherweise kostengünstiger als Keilplatten; zudem kann der Abstand w zwischen den Strahlflecken 92, 93 in der zweiten lateralen Richtung 37 durch den Neigungswinkel der Spiegel 56, 57 eingestellt werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1a und Figur 10.
Figur 11 b zeigt die gleiche Strahlanalysevorrichtung 10 wie Figur 11 a. Figur 11 b zeigt beispielhaft, dass der Strahlteiler 61 der Strahlfaltungseinrichtung 60 nicht nur als Strahlteilerwürfel ausgebildet sein kann, sondern auch als Strahlteilerspiegel oder Strahlteilerplatte. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1 a, Figur 10 und Figur 11 a.
Figur 12 zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich wie Figur 11a. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Figur 11a ist die Modulationseinrichtung 20 hier nicht vor der Strahlfaltungseinrichtung 60 angeordnet, sondern innerhalb der Strahlfaltungseinrichtung 60 im gefalteten Strahlweg in annähernd der gleichen Ebene wie die Spiegel 56, 57. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1 a , Figur 10 und Figur 11 a.
Figur 13 zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich wie Figur 12. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel von Figur 12 ist die im gefalteten Strahlweg angeordnete Modulationseinrichtung 20 hier gleichzeitig als Strahlseparatoreinrichtung 52 ausgeführt. Die Modulationseinrichtung 20 ist hierbei durch die Spiegel 56, 57 ausgebildet. Die Spiegel 56, 57 bilden zugleich die Strahlseparatoreinrichtung 52 aus und sind gleichzeitig Bestandteil der Strahlfaltungseinrichtung 60. Die Ränder der Spiegel 56 und 57 formen hierbei die Teilaperturen 32, 33. Die Herauslösung der Teilstrahlen 72, 73 erfolgt in dieser Ausführungsvariante also durch die Reflexion der Strahlung innerhalb der Teilaperturen 32, 33 bzw. der Spiegel 56, 57, während die Strahlung außerhalb der Teilaperturen 32, 33 nicht reflektiert wird und so nicht zur Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 beiträgt. Wie bei der Ausführungsvariante von Figur 11a ist die Differenz der Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel 56, 57 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ausgerichtet zur Ausbildung des Abstandes w der Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40 in der zweiten lateralen Richtung 37. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1a, Figur 10 und Figur 11a.
Figur 14 zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich wie Figur 11a mit einer Strahlfaltungseinrichtung 60, die einen Strahlteiler 61 und zwei Spiegel 56, 57 umfasst, wobei die Spiegel 56, 57 gleichzeitig die Strahlseparatoreinrichtung 52 ausbilden. Im hier gezeigten Beispiel wird die Strahlfaltungseinrichtung 60 weiterhin genutzt, um zusätzlich einen zweiten gefalteten Strahlweg zum Detektor 40 auszubilden. Dazu wird ein zweiter vom Strahlteiler 61 ausgehender Strahlungsanteil der Teilstrahlen 72, 73 mittels eines weiteren Paares von Spiegeln 58, 59, die eine zweite Strahlseparatoreinrichtung 55 ausbilden, zurück reflektiert und die Strahlungsanteile der Teilstrahlen 72, 73 von beiden gefalteten Strahlwegen werden mit dem selben Strahlteiler 61 wieder auf eine gemeinsame Propagationsstrecke zum Detektor 40 überlagert. Die Teilstrahlen 72, 73 können somit jeweils zwei Strahlflecke ausbilden, also ein erstes Paar Strahlflecke 92, 93 über den ersten gefalteten Strahlweg, und ein zweites Paar Strahlflecke 92, 93 über den zweiten gefalteten Strahlweg, so dass insgesamt maximal 4 Strahlflecke auf dem Detektor 40 entstehen können. Die über den ersten gefalteten Strahlweg abgebildeten Strahlflecke 92, 93 weisen einen Abstand ai in der ersten lateralen Richtung auf und die über den zweiten gefalteten Strahlweg abgebildeten Strahlflecke 92, 93 weisen einen Abstand a2 in der ersten lateralen Richtung auf. Mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 im ersten gefalteten Strahlweg wird in der zweiten lateralen Richtung 37 ein Abstand wi ausgebildet zwischen den über den ersten gefalteten Strahlweg abgebildeten Strahlflecken 92, 93. Entsprechend wird mittels der zweiten Strahlseparatoreinrichtung 55 im zweiten gefalteten Strahlweg in der zweiten lateralen Richtung 37 ein Abstand W2 ausgebildet zwischen den über den zweiten gefalteten Strahlweg abgebildeten Strahlflecken 92, 93. Die Länge der beiden gefalteten Strahlwege kann unterschiedlich gewählt sein. Die Wahl unterschiedlicher Strahlweg-Längen kann vorteilhaft genutzt werden, um den Erfassungsbereich der Strahlanalysevorrichtung 10 hinsichtlich der Änderung der Position des Strahlfokus 71 zu erhöhen, und/oder um die Strahlanalysevorrichtung 10 für Probenstrahlen 70 mit unterschiedlichen Strahldivergenzen bei verschiedenen Strahlfokus-Positionen bzw. Abständen zs zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 nutzen zu können. Alle sonstigen in Figur 14 dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1 a, Figur 10 und Figur 11 a.
Figur 15a ist eine schematische, beispielhafte Darstellung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 bei einer Strahlanalysevorrichtung 10 mit zwei gefalteten Strahlwegen gemäß Figur 14. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 setzt sich zusammen aus zwei Paaren von Strahlflecken 92, 93. Ein erstes Paar Strahlflecke 92, 93 weist in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand ai zueinander auf. Der Abstand ai ist in der gezeigten Verteilung der Strahlflecke Null und ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71. Aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 weist das erste Paar Strahlflecke 92, 93 in der zweiten lateralen Richtung 37 den Abstand wi zueinander auf. Der Abstand wi ändert sich nicht bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 . Ein zweites Paar Strahlflecke 92, 93 weist in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a2 zueinander auf und hat aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der zweiten Strahlseparatoreinrichtung 55 in der zweiten lateralen Richtung 37 den Abstand W2 zueinander. Der Abstand W2 ändert sich nicht bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 .
Figur 15b zeigt die gleiche beispielhafte Darstellung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 bei einer Strahlanalysevorrichtung 10 mit zwei gefalteten Strahlwegen gemäß Figur 14, wie die Figur 15a. Figur 15b veranschaulicht zusätzlich die Änderung der Abstände ai und a2 zwischen den Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 für beide Strahlfleck-Paare. Die apostrophierten Bezugszeichen in der Figur kennzeichnen die durch die axiale Verschiebung des Strahlfokus geänderten Einzelheiten. Das erste Paar Strahlflecke 92, 93 weist in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand ai zueinander auf. Der Abstand ai ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 beispielsweise auf den Abstand ai’. In der zweiten lateralen Richtung 37 hat das erste Paar Strahlflecke 92, 93 den Abstand wi zueinander, welcher sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 nicht ändert. Das zweite Paar Strahlflecke 92, 93 weist in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a2 zueinander auf und ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 beispielsweise auf den Abstand a2’. In der zweiten lateralen Richtung 37 hat das zweite Paar Strahlflecke 92, 93 den Abstand W2 zueinander, welcher sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 nicht ändert. Die Positionen beider Paare von Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 laufen also bei einer Variation der axialen Strahlfokus-Position auf vier verschiedenen Bahnen. Somit ist die Zuordnung der Strahlflecke immer eindeutig und sowohl die Größe einer Änderung wie auch die Richtung der Änderung ist eindeutig bestimmbar.
Figur 16a zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10, die im Wesentlichen genauso aufgebaut ist wie die Strahlanalysevorrichtung in Figur 14. Die in Figur 16a dargestellte Ausführungsvariante umfasst zusätzlich eine Shuttereinrichtung 69. Mittels der Shuttereinrichtung 69 kann wahlweise einer der beiden gefalteten Strahlwege optisch gesperrt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist im zweiten gefalteten Strahlweg ein Umlenkspiegel 68 angeordnet, so dass die beiden gefalteten Strahlwege teilweise parallel verlaufen. Die Shuttereinrichtung 69 kann dann besonders einfach als ein linear verschiebbarer oder als ein über eine Achse verschwenkbarer Shutter realisiert werden. Auf diese Weise kann gesteuert werden, über welchen Strahlweg die Teilstrahlen 72, 73 auf den Detektor 40 abgebildet werden. Dies kann vorteilhaft sein für eine sichere Identifikation des jeweiligen Strahlweg-Paares 92, 93 auf dem Detektor 40. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 1 a, Figur 10, Figur 11 a und Figur 14.
Die Figuren 16b bis 16d zeigen weitere Ausführungsvarianten der Strahlanalysevorrichtung 10 aus Figur 16a mit unterschiedlichen Ausführungsmöglichkeiten zur Abspaltung bzw. zur Auskopplung des Probenstrahls 70 aus einem Energiestrahl 77.
So zeigt Figur 16b eine Strahlanalysevorrichtung 10, bei welcher der Probenstrahl 70 mittels einer Auskopplungseinrichtung 14 aus einem Energiestrahl 77 ausgekoppelt wird. Die Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst dazu die Auskopplungseinrichtung 14 mit einem Strahlauskoppler 15, der in diesem Beispiel mit einer Strahlteilerplatte realisiert ist, an deren Grenzfläche ein Bruchteil der Intensität des Energiestrahls 77 als Probenstrahl 70 reflektiert wird. Die Planplatte kann zum Zweck der Anpassung des Reflexionsgrades beschichtet sein, beispielsweise mit einer Reflexions-mindernden Schicht. Eine geringe Restreflexion üblicher Antireflex-Beschichtungen im Bereich von etwa 0,05% bis etwa 1% kann ausreichend sein zur Bereitstellung des Probenstrahls 70. Die Auskopplungseinrichtung 14 dient damit zugleich zur Abschwächung der Strahlungsintensität des Probenstrahls 70. Der Energiestrahl 77 hat einen Energiestrahl-Fokus 76. Da der Probenstrahl 70 aus dem Energiestrahl 77 ausgekoppelt ist, ohne dessen geometrische Eigenschaften und Strahlparameter zu verändern, ist der Energiestrahl-Fokus 76 gleichzeitig der Strahlfokus 71 des Probenstrahls 70. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 14 und Figur 16a.
Die in der Figur 16c dargestellte Strahlanalysevorrichtung 10 unterscheidet sich von der in Figur 16b gezeigten Vorrichtung durch eine zusätzliche Strahlabsorbereinrichtung 44, die gleichzeitig zur Messung der Strahlleistung eingerichtet ist. Dazu ist der Energiestrahl 77 nach Passieren der Auskopplungseinrichtung 14 mit dem Strahlauskoppler 15 auf die Absorber- und Leistungsmesseinrichtung 44 gerichtet. In der gezeigten Ausführungsform ist die Auswertungseinrichtung 45 mit der Absorber- und Leistungsmesseinrichtung 44 verbunden. Die von der Absorber- und Leistungsmesseinrichtung 44 erzeugten Messwerte können von der Auswertungseinrichtung 45 registriert und/oder verarbeitet werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen der vorhergehenden Figuren, insbesondere von Figur 16a.
Figur 16d zeigt eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10, die weitgehend der Ausführungsform von Figur 16c entspricht. In dem hier gezeigten Beispiel umfasst die Auskopplungseinrichtung 14 den Strahlauskoppler 15 und einen zweiten Strahlauskoppler 16, der dem Strahlauskoppler 15 nachgeordnet ist. Die Auskopplungseinrichtung 14 erzielt auf diese Weise eine besonders hohe Strahlabschwächung für den Probenstrahl 70. Beispielsweise kann die Intensität des Probenstrahls 70 durch die zweistufige Auskopplung in einem Bereich von 0,002% bis 0,2% der Intensität des Energiestrahls 77 liegen. Mittels der zwei hintereinandergeschalteten Strahlauskoppler 15, 16 kann deshalb auch die Fokuslage von Energiestrahlen 77 mit besonders hoher Leistung bestimmt werden. Solche Energiestrahlen können beispielsweise von Hochleistungslasern erzeugt werden und Leistungen von mehreren Kilowatt aufweisen. Außerdem kann die zweite Auskopplung mit einer Reflexion in einer zur ersten Reflexion um 90° gedrehten Ebene erfolgen, so dass Polarisations-abhängige Reflexionsgrad-Unterschiede kompensiert werden können. Die den zweiten Strahlauskoppler 16 passierende Rest-Strahlung kann von einer weiteren Absorbereinrichtung 43 aufgefangen werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen der vorhergehenden Figuren, insbesondere von Figur 16a.
In Figur 17 ist eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, die eine Strahlformungseinrichtung 12, eine Strahlfaltungseinrichtung 60, einen Detektor 40, und eine Auswertungseinrichtung 45 umfasst. Die Strahlformungseinrichtung 12, die Strahlfaltungseinrichtung 60, der Detektor 40 und die Auswertungseinrichtung 45 sind bevorzugt gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet. Die Strahlformungseinrichtung 12 umfasst die Abbildungseinrichtung 50 mit der wenigstens einen optischen Linse 51 , die Modulationseinrichtung 20, und die Strahlseparatoreinrichtung 52 mit den Spiegeln 56, 57. Die Strahlfaltungseinrichtung 60 umfasst den Strahlteiler 61 , den Spiegel 64 und die Spiegel 56, 57, wobei letztere zugleich Bestandteil der Strahlseparatoreinrichtung 52 sind. Die Strahlfaltungseinrichtung 60 ist in Strahlrichtung hinter der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet. Der Strahlteiler 61 teilt den Probenstrahl 70 in zwei Strahlungsanteile auf. Der erste der beiden Strahlungsanteile durchläuft die Modulationseinrichtung 20 und die Strahlseparatoreinrichtung 52, die in eng beieinander liegenden Ebenen angeordnet sind. Mittels der Modulationseinrichtung 20 werden in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 mit den beiden Teilaperturen 32, 33 die wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 herausgelöst. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33 haben zueinander einen Abstand k in der ersten lateralen Richtung 31. Anschließend werden die beiden Teilstrahlen 72, 73 mittels der Spiegel 56, 57 der Strahlfaltungseinrichtung 60 bzw. der Strahlseparatoreinrichtung 52 in den Strahlteiler 61 zurück reflektiert, wodurch der erste gefaltete Strahlweg gebildet wird. Die beiden Spiegel 56, 57 sind um einen kleinen Winkel gegeneinander geneigt und bilden auf diese Weise gleichzeitig die Strahlseparatoreinrichtung 52 aus. Dazu ist die Differenz der Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel 56, 57 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ausgerichtet, die quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet ist. Der zweite der beiden Strahlungsanteile trifft nach Passieren des Strahlteilers 61 auf den Spiegel 64 und wird von diesem in den Strahlteiler 61 zurück reflektiert, wodurch der zweite gefaltete Strahlweg ausgebildet wird. Im zweiten gefalteten Strahlweg erfolgt keine Modulation der Intensitätsverteilung des Probenstrahls 70, so dass im zweiten Strahlweg ein unmodulierter Strahl 78 ausgebildet ist. Im Strahlteiler 61 werden die beiden Strahlungsanteile aus den beiden gefalteten Strahlwegen überlagert und entlang einer gemeinsamen Propagationsstrecke mit einer lokalen optischen Achse 11 auf den Detektor 40 abgebildet. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 beinhaltet somit drei Strahlflecke 92, 93 und 98. Die beiden Strahlflecke 92, 93 sind in der bereits zuvor erläuterten Weise durch die Abbildung der zwei Teilstrahlen 72, 73 ausgebildet, die von der Modulationseinrichtung 20 und der Strahlseparatoreinrichtung 52 im ersten gefalteten Strahlweg geformt sind. Die Strahlflecke 92, 93 weisen auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71. Anhand des Abstandes a oder einer Änderung des Abstandes a ermittelt die Auswertungseinrichtung 45 die axiale Fokuslage oder die Änderung der axialen Fokuslage des Strahlfokus 71. Aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 weisen die Strahlflecke 92, 93 in der zweiten lateralen Richtung 37 den Abstand w zueinander auf. Der Abstand w ändert sich nicht bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 . Ein dritter Strahlfleck 98 ist auf dem Detektor 40 ausgebildet durch die Abbildung des über den zweiten gefalteten Strahlweg propagierenden, unmodulierten Strahls 78. Der Strahlfleck 98 des unmodulierten Strahls repräsentiert somit die ursprüngliche Intensitätsverteilung des Probenstrahls 70 oder des Energiestrahls 77, aus dem der Probenstrahl 70 ausgekoppelt sein kann. Insbesondere kann der Strahlfleck 98 auch ein Bild des Strahlfokus 71 sein. Anhand des Abbildungsmaßstabes der Abbildung durch die Abbildungseinrichtung 50 kann deshalb auch die Intensitätsverteilung und/oder der Durchmesser des Strahlfokus 71 von der Auswertungseinrichtung 45 ermittelt werden.
Figur 18 zeigt eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10, die weitgehend der Ausführungsform von Figur 17 entspricht. In dem hier gezeigten Beispiel wird der unmodulierte Strahl 78, der den Strahlfleck 98 auf dem Detektor 40 ausbildet, vergrößert auf den Detektor 40 abgebildet. Dazu ist im zweiten gefalteten Strahlweg zwischen dem Strahlteiler 61 und dem Spiegel 64 eine weitere Abbildungseinrichtung 63 mit wenigstens einer optischen Linse angeordnet. Insbesondere kann die Abbildungseinrichtung 63 eine Konkavlinse enthalten. Zum Ausgleich der veränderten Bildlage durch die Abbildungseinrichtung 63 kann der zweite gefaltete Strahlweg eine andere Strahlweglänge aufweisen als der erste gefaltete Strahlweg. Aufgrund der vergrößerten Abbildung des unmodulierten Strahls 78 kann aus dem Strahlfleck 98 eine Intensitätsverteilung und/oder ein Strahldurchmesser mit höherer Auflösung und Genauigkeit bestimmt werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen der vorhergehenden Figuren, insbesondere von Figur 17.
Auch die in Figur 19a dargestellte Ausführungsvariante entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform von Figur 17. Insofern wird auch auf die Beschreibung von Figur 17 verwiesen. In der hier dargestellten Ausführungsvariante ist die Strahlweglänge im zweiten gefalteten Strahlweg variabel einstellbar. Dazu ist der Spiegel 64 axial verschiebbar angeordnet, beispielsweise mittels einer Linearführung, und mit einer Positioniereinrichtung 66 gekoppelt. Mittels der Positioniereinrichtung 66 kann der Spiegel 64 an unterschiedliche axiale Positionen (64, 64’) verschoben werden. Die Positioniereinrichtung 66 kann beispielsweise einen Tauchspulenantrieb beinhalten, wodurch sehr schnelle Verstellungen, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, realisiert werden können. Die Auswertungseinrichtung 45 kann zur Steuerung der Positioniereinrichtung 66 eingerichtet sein. Die Auswertungseinrichtung 45 kann auch zum Datenaustausch mit der Positioniereinrichtung 66 eingerichtet sein, beispielsweise um Informationen zur Spiegel-Position oder Verstellweg-Änderung auszutauschen. So können mehrere, vorzugsweise mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 10, Spiegel-Positionen nacheinander eingestellt werden und die jeweilige Intensitätsverteilung des Strahlflecks 98 auf dem Detektor 40 registriert werden. Aus diesen Daten können verschiedene Strahlparameter des Probenstrahls 70 ermittelt werden, beispielweise der Fokusdurchmesser, die Strahldivergenz, und/oder das Strahlparameterprodukt. Die hier dargestellte Strahlanalysevorrichtung 10 ist somit in der Lage, zum einen die axiale Strahlfokus-Position quasi in Echtzeit zu ermitteln, und zum anderen fast in Echtzeit, zumindest in sehr kurzer Zeit, die Strahlkaustik des Probenstrahls 70 oder des Energiestrahls 77 zu vermessen. Es ist damit auch eine zum Standard ISO 11146 konforme Strahlvermessung in sehr kurzer Zeit möglich, beispielsweise in weniger als einer Sekunde.
Die Figuren 19b und 19c zeigen weitere Ausführungsvananten der Strahlanalysevorrichtung 10 aus Figur 19a mit unterschiedlichen Ausführungsmöglichkeiten zur Abspaltung bzw. zur Auskopplung des Probenstrahls 70 aus einem Energiestrahl 77.
So zeigt Figur 19b eine Strahlanalysevorrichtung 10, bei welcher der Probenstrahl 70 mittels einer Auskopplungseinrichtung 14 aus einem Energiestrahl 77 ausgekoppelt wird. Die Strahlanalysevorrichtung 10 entspricht der in Figur 19a dargestellten Vorrichtung, und umfasst zusätzlich die Auskopplungseinrichtung 14 mit einer Strahlteilerplatte als Strahlauskoppler 15. An einer Grenzfläche des Strahlauskopplers 15 wird ein Bruchteil der Intensität des Energiestrahls 77 als Probenstrahl 70 reflektiert. Die Auskopplungseinrichtung 14 dient damit zugleich zur Abschwächung der Strahlungsintensität des Probenstrahls 70. Der Energiestrahl 77 hat einen Energiestrahl-Fokus 76. Da der Probenstrahl 70 aus dem Energiestrahl 77 ausgekoppelt ist, ohne dessen geometrische Eigenschaften und Strahlparameter zu verändern, ist der Energiestrahl-Fokus 76 gleichzeitig der Strahlfokus 71 des Probenstrahls 70. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 17 und 19a.
Die in der Figur 19c dargestellte Strahlanalysevorrichtung 10 unterscheidet sich von der in Figur 19b gezeigten Vorrichtung durch eine zusätzliche Strahlabsorbereinrichtung 44, die gleichzeitig zur Messung der Strahlleistung eingerichtet ist. Dazu ist der Energiestrahl 77 auf die Absorber- und Leistungsmesseinrichtung 44 gerichtet, nachdem der Energiestrahl 77 die Auskopplungseinrichtung 14 mit dem Strahlauskoppler 15 passiert hat. Die von der Absorber- und Leistungsmesseinrichtung 44 erzeugten Messwerte können von der Auswertungseinrichtung 45 registriert und/oder verarbeitet werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen der vorhergehenden Figuren.
Die Figuren 19d bis 19f zeigen die gleiche Strahlanalysevorrichtung 10 wie die Figur 19a. In den Figuren ist die Verwendung der Strahlanalysevorrichtung 10 aus Figur 19a an einer Laserbearbeitungsoptik 100 dargestellt. Dabei sind in den Figuren 19d bis 19f verschiedene Möglichkeiten gezeigt, den Probenstrahl 70 aus einem in der Laserbearbeitungsoptik 100 geführten Laserstrahl 77 auszukoppeln.
So zeigt Figur 19d die Auskopplung eines Bruchteils des Laserstrahls 77 mittels eines Strahlauskopplers 15 einer in der Laserbearbeitungsoptik 100 integrierten Auskopplungseinrichtung 14. Die Laserbearbeitungsoptik 100 umfasst außerdem typischerweise einen Kollimator 113, eine Fokussierung 116 und ein Schutzglas 120. Der Strahlauskoppler 15 kann beispielsweise eine dielektrisch AR- (Antireflex-) beschichtete, schräggestellte Planplatte sein, bei der die Restreflexion der AR-Schicht ausgenutzt wird. Typischerweise reflektiert eine dielektrische Antireflex-Schicht einen Bruchteil der Strahlungsintensität, der im Bereich von etwa 0,05% bis 1 % liegen kann. Im Beispiel von Figur 19d wird damit ein Bruchteil des vom Kollimator 113 kollimierten Laserstrahls 77 ausgekoppelt. Der Quellpunkt für den ausgekoppelten Probenstrahl 70, der den Strahlfokus 71 bildet, ist hierbei beispielsweise das Ende einer Lichtleitfaser 110. Diese Anordnung ist beispielsweise geeignet, um bei einem verstellbaren Kollimator 113 mittels der Strahlanalysevorrichtung 10 die tatsächliche Position bzw. eine Änderung der tatsächlichen oder der virtuellen Position des Strahl-Austrittspunktes, beispielsweise das Ende einer Lichtleitfaser 110, bestimmen zu können. Aus dieser Position kann dann wiederum die Position des Energiestrahl-Fokus 76, in welche die Laserbearbeitungsoptik 100 den Energiestrahl bzw. Laserstrahl 77 fokussiert, berechnet werden. Auch eine Änderung der Fokuslage bei Auftreten einer thermischen Linse im Kollimator 113, beispielsweise infolge einer Verschmutzung des Kollimators 113, kann so online, d.h. während der Laserbearbeitung, bevorzugt in Echtzeit, ermittelt werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen der Beschreibung von Figur 19a.
Im Beispiel von Figur 19e ist der Strahlauskoppler 15 so angeordnet, dass ein Bruchteil eines Strahlungsanteils ausgekoppelt wird, der vom Schutzglas 120 der Laserbearbeitungsoptik 100 zurückreflektiert wird. Der Strahlfokus 71 im zurückreflektierten Strahlungsanteils ist ein Spiegelbild des Laserstrahlfokus 76, so dass sich alle Änderungen in der Position des Laserstrahlfokus 76 auch auf die Position des Strahlfokus 71 auswirken, der von der Strahlanalysevomchtung 10 bestimmt wird. Um die Reflexionen unterscheiden zu können, die von den beiden Grenzflächen (Vorder- und Rückseite) des Schutzglases 120 reflektiert werden, kann das Schutzglas 120 beispielsweise leicht angewinkelt angeordnet sein. Es kann zu diesem Zweck auch alternativ eine Keilplatte als Schutzglas 120 verwendet werden. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 19a und 19d.
Figur 19f zeigt ebenfalls die gleiche Strahlanalysevorrichtung 10 wie aus Figur 19a. Die Strahlanalysevorrichtung 10 ist hier ähnlich wie in Figur 19e mit einer Laserbearbeitungsoptik 100 gekoppelt und empfängt einen von der Auskopplungseinrichtung 14 ausgekoppelten Probenstrahl 70, der am Schutzglas 120 als Bruchteil der Intensität des Laserstrahls 77 zurückreflektiert wird. Der Strahlauskoppler 15 der in der Laserbearbeitungsoptik 100 integrierten Auskopplungseinrichtung 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein hochreflektierender Spiegel, beispielsweise eine Planplatte mit einer hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung, welcher eigentlich in der Hauptsache zur Umlenkung des Laserstrahls 77 in der Laserbearbeitungsoptik 77 eingerichtet ist. Dabei wird ausgenutzt, dass ein hochreflektierend (HR-) beschichteter Spiegel eine Rest-Transmission aufweist, die im Bereich von 0,05% bis 1 % liegen kann. Dieser transmittierte Strahlungsanteil bildet hier den ausgekoppelten Probenstrahl 70. Alle sonstigen dargestellten Elemente entsprechen den Beschreibungen von Figur 19a und 19d.
In Figur 20 ist eine Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, die auf der Ausführungsform von Figur 14 aufbaut. Die Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst eine Strahlfaltungseinrichtung 60 zur Ausbildung von zwei gefalteten Strahlwegen und eine Modulationseinrichtung 20, die vor der Strahlfaltungseinrichtung 60 angeordnet ist. Zusätzlich umfasst die Strahlanalysevorrichtung 10 hier einen zweiten Strahlteiler 62, eine weitere Abbildungseinrichtung 63, und einen zweiten Detektor 42. Der zweite Strahlteiler ist zwischen der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 und der Modulationseinrichtung 20 angeordnet. Mittels des zweiten Strahlteilers 62 wird aus dem Probenstrahl 70 ein Strahlungsanteil ausgekoppelt zur Bildung eines unmodulierten Strahls 78, der auf den zweiten Detektor 42 gerichtet und abgebildet wird. Die weitere Abbildungseinrichtung 63 ist in Strahlrichtung vor dem zweiten Detektor 42 angeordnet und dient in Verbindung mit der Abbildungseinrichtung 50 zur vergrößerten Abbildung des unmodulierten Strahls 78 auf den zweiten Detektor 42. Der durch die Abbildung des unmodulierten Strahls 78 auf dem zweiten Detektor 42 ausgebildete Strahlfleck 98 kann somit ein vergrößertes Bild des Strahlfokus 71 sein oder eine vergrößerte Strahlquerschnittsebene des Probenstrahls 70 aus einem Bereich der Strahlkaustik nahe dem Strahlfokus 71. Die vom zweiten Detektor 42 registrierte Intensitätsverteilung kann von der Auswertungseinrichtung 45 ausgewertet werden. Auf diese Weise wird mit den Signalen des Detektor 40 die Fokuslage bestimmt und mit den Signalen vom zweiten Detektor 42 eine Intensitätsverteilung, ein Strahlprofil, und/oder ein Strahldurchmesser vom Strahlfokus 71 oder von einer Querschnittsebene nahe dem Strahlfokus 71 bestimmt. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante gegenüber den Ausführungsvarianten von Figur 17 oder Figur 18 besteht darin, dass für die Intensitätsverteilung des unmodulierten Strahls 78 die gesamte Sensorfläche des Detektors 42 zur Verfügung steht, während bei den Ausführungsformen von Figur 17 oder 18 ein Teil der Sensorfläche für die Strahlflecke 92, 93 benötigt wird.
In Figur 21 ist eine weitere Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, die auf der Ausführungsform von Figur 14 aufbaut. Die Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst eine Strahlfaltungseinrichtung 60 zur Ausbildung von zwei gefalteten Strahlwegen und eine Modulationseinrichtung 20, die vor der Strahlfaltungseinrichtung 60 angeordnet ist. Zusätzlich umfasst die Strahlanalysevorrichtung 10 hier einen zweiten Strahlteiler 62, einen Spiegel 64, eine Positioniereinrichtung 66, und einen zweiten Detektor 42. Der zweite Strahlteiler ist zwischen der Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 und der Modulationseinrichtung 20 angeordnet. Mittels des zweiten Strahlteilers 62 wird aus dem Probenstrahl 70 ein Strahlungsanteil ausgekoppelt zur Bildung eines unmodulierten Strahls 78. Der vom zweiten Strahlteiler 62 ausgekoppelte Strahlungsanteil, also der unmodulierte Strahl 78, wird auf den Spiegel 64 gerichtet, von dem Spiegel 64 zurückreflektiert, und nachfolgend auf den zweiten Detektor 42 gerichtet und abgebildet zur Ausbildung eines Strahlflecks 98 auf dem zweiten Detektor 42. Die Länge des Propagationsweges des unmodulierten Strahls 78 ist variabel einstellbar. Dazu ist der Spiegel 64 axial verschiebbar angeordnet, beispielsweise mittels einer Linearführung, und mit der Positioniereinrichtung 66 gekoppelt. Mittels der Positioniereinrichtung 66 kann der Spiegel 64 an unterschiedliche axiale Positionen (64, 64’) verschoben werden. Die Positioniereinrichtung 66 kann beispielsweise einen Tauchspulenantrieb beinhalten, wodurch sehr schnelle Verstellungen, beispielsweise im Bereich von Millisekunden, realisiert werden können. Die Auswertungseinrichtung 45 kann weiterhin zur Steuerung der Positioniereinrichtung 66 eingerichtet sein. Die Auswertungseinrichtung 45 kann auch zum Datenaustausch mit der Positioniereinrichtung 66 eingerichtet sein, beispielsweise um Informationen zur Spiegel-Position oder Verstellweg-Änderung auszutauschen. So können mehrere, vorzugsweise mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 10, unterschiedliche Spiegel-Positionen nacheinander eingestellt werden und die jeweilige Intensitätsverteilung des Strahlflecks 98 auf dem zweiten Detektor 42 registriert werden. Aus diesen Daten können verschiedene Strahlparameter des Probenstrahls 70 ermittelt werden, beispielsweise der Fokusdurchmesser, die Strahldivergenz, und/oder das Strahlparameterprodukt. Die hier dargestellte Strahlanalysevorrichtung 10 ist somit in der Lage, zum einen die axiale Strahlfokus- Position quasi in Echtzeit zu ermitteln, und zum anderen fast in Echtzeit, zumindest in sehr kurzer Zeit, die Strahlkaustik des Probenstrahls 70 oder des Energiestrahls 77 zu vermessen. Es ist damit auch eine zum Standard ISO 11146 konforme Strahlvermessung in sehr kurzer Zeit möglich, beispielsweise in weniger als einer Sekunde. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante gegenüber der in Figur 19a gezeigten Vorrichtung besteht darin, dass für die Intensitätsverteilung des unmodulierten Strahls 78 die gesamte Sensorfläche des zweiten Detektors 42 zur Verfügung steht, während bei der Ausführungsform von Figur 19a ein Teil der Sensorfläche für die Strahlflecke 92, 93 benötigt wird.
Die Figuren 22 bis 24 zeigen Ausführungsformen einer Strahlanalysevorrichtung 10, die zusätzlich eine Fernfeld-Analyseeinrichtung umfassen. Diese Fernfeld- Analyseeinrichtung kann mit allen zuvor beschriebenen Strahlanalysevorrichtungen 10 kombiniert werden. Die Fernfeld-Analyseeinrichtung umfasst einen zweiten Strahlteiler 62, eine weitere Abbildungseinrichtung 67, und einen zweiten Detektor 42. Der zweite Strahlteiler 62 ist in Strahlrichtung hinter der wenigstens einen Linse 51 der Abbildungseinrichtung 50 und vor der Modulationseinrichtung 20 angeordnet. Mittels des zweiten Strahlteilers 62 wird aus dem Probenstrahl 70 ein Strahlungsanteil ausgekoppelt zur Bildung eines unmodulierten Strahls 78, der auf den zweiten Detektor 42 geführt wird zur Ausbildung einer Strahlintensitätsverteilung 99 auf dem zweiten Detektor 42. Zwischen dem zweiten Strahlteiler 62 und dem zweiten Detektor 42 ist die weitere Abbildungseinrichtung 67 angeordnet, die wenigstens eine optische Linse enthält oder ein mehrlinsiges Objektiv sein kann. Die weitere Abbildungseinrichtung 67 bildet zusammen mit der Abbildungseinrichtung 50 und der darin enthaltenen Linse 51 ein kombiniertes Linsensystem. Dieses kombinierte Linsensystem weist eine kombinierte Brennweite und eine bildseitige Brennebene des kombinierten Linsensystems auf. Der zweite Detektor 42 ist genau in der bildseitigen Brennebene des kombinierten Linsensystems angeordnet. Das kombinierte Linsensystem bildet somit für den zweiten Detektor 42 ein sogenanntes Fourier-Objektiv, weil die auf dem zweiten Detektor 42 entstehende Intensitätsverteilung 99 des unmodulierten Strahls 78 eine Fouriertransformation der Intensitätsverteilung des Probenstrahls 70 darstellt. Die Intensitätsverteilung 99 auf dem zweiten Detektor 42 ist daher die sogenannte Fernfeld- Intensitätsverteilung, und zwar unabhängig von der axialen Position des Strahlfokus 71. Aus dieser Intensitätsverteilung 99 kann deshalb insbesondere ein Divergenzwinkel des Probenstrahls 70 bestimmt werden.
In Figur 22 ist eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, bei der die gerade erläuterte Fernfeld-Analyseeinrichtung in eine Strahlanalysevorrichtung 10 integriert ist, die ansonsten der in Figur 14 gezeigten Vorrichtung entspricht. Für die Erläuterung der sonstigen Elemente der Figur 22 wird daher auf die Beschreibung von Figur 14 verwiesen.
In Figur 23 ist eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, bei der die gerade erläuterte Fernfeld-Analyseeinrichtung in eine Strahlanalysevorrichtung 10 integriert ist, die ansonsten der in Figur 17 gezeigten Vorrichtung entspricht. Für die Erläuterung der sonstigen Elemente der Figur 23 wird daher auf die Beschreibung von Figur 17 verwiesen. Die Ausführungsvariante von Figur 23 ermöglicht die Ermittlung vieler Informationen über den Probenstrahl 70 bzw. über den Energiestrahl 77: Aus den Signalen des Detektors 40 kann die axiale Fokuslage bestimmt werden sowie die Intensitätsverteilung im Strahlfokus oder im Nahfeld des Strahlfokus, und aus den Signalen des zweiten Detektors 42 können die Fernfeld-Eigenschaften ermittelt werden. Zusammen stehen damit umfangreiche geometrische Strahl-Informationen zur Verfügung, die praktisch in Echtzeit ermittelt werden können und beispielsweise zur Steuerung eines Laserbearbeitungsprozesses verwendet werden können.
Figur 24 zeigt eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10, bei der die gerade erläuterte Fernfeld-Analyseeinrichtung in eine Strahlanalysevorrichtung 10 integriert ist, die ansonsten der in Figur 19a gezeigten Vorrichtung entspricht. Für die Erläuterung der sonstigen Elemente der Figur 24 wird daher auf die Beschreibung von Figur 19a verwiesen. Die Ausführungsvariante von Figur 24 ermöglicht die Ermittlung der axialen Fokuslage, einer Nahfeld-Intensitätsverteilung sowie der Fernfeld- Intensitätsverteilung nahezu in Echtzeit, sowie eine vollständige, auch ISO 11146 konforme Strahlvermessung in sehr kurzer Zeit.
In Figur 25 ist eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, die eine Strahlformungseinrichtung 12 zur Herauslösung von insgesamt vier Teilstrahlen 72, 73, 74, 75 aufweist. Zu diesem Zweck hat die Modulationseinrichtung 20 vier voneinander abgegrenzte Durchlasszonen 21 , 22, 23, 24, welche vier Teilaperturen 32, 33, 34, 35 definieren. Die Teilaperturen 32, 33, 34, 35 sind in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer lateralen Achse angeordnet. Dabei ist durch die Verbindungslinie der Mittelpunkte zweier Teilaperturen, beispielsweise von den Teilaperturen 32 und 33 mit dem Abstand ki2 zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen, die erste laterale Richtung 31 definiert. Erfindungsgemäß wird mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 mindestens einer der Teilstrahlen 72, 73, die durch die Teilaperturen 32, 33 herausgelöst werden, in der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt oder versetzt. In diesem Ausführungsbeispiel werden beide Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37 entgegengesetzt zueinander abgelenkt. Dazu ist jeder Teilapertur 32, 33 jeweils ein Teilstrahlablenkelement 53, 54 zugeordnet. Die weiteren Teilaperturen 34, 35, die durch die Durchlasszonen 23 und 24 definiert sind, sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Abstand k34 zueinander ebenfalls entlang der ersten lateralen Richtung 31 angeordnet. Die Durchlasszonen 23, 24 sind hier weiter außen angeordnet als die Durchlasszonen 21 , 22, so dass bei den mittels der Teilaperturen 34, 35 herausgelösten Teilstrahlen 74, 75 bei einer Änderung der Strahlfokus-Position 71 eine größere Winkeländerung auftritt, als bei den Teilstrahlen 72, 73 aus den näher an der optischen Achse 11 liegenden Teilaperturen 32, 33. Dadurch ist die Änderung der Position der Strahlflecke 94, 95, die von den Teilstrahlen 74, 75 auf dem Detektor 40 erzeugt werden, größer als die Änderung der Position der Strahlflecke 92, 93 von den Teilstrahlen 72 und 73. Der Vorteil der Verwendung von zwei Paaren von Teilaperturen mit unterschiedlich großen Abständen ki2, k34 liegt darin, dass einerseits mit dem weiter außen liegenden Teilapertur-Paar eine größere Empfindlichkeit und Genauigkeit bei der Bestimmung der axialen Position des Strahlfokus 71 erzielt wird, und andererseits auch bei einem Probenstrahl 70 oder Energiestrahl 77 mit einer kleineren Strahl-Apertur, bei welcher die weiter außen liegenden Durchlasszonen 23, 24 nicht oder nicht ausreichend beleuchtet würden, noch das weiter innen liegende Durchlasszonen-Paar 21 , 22 vom Probenstrahl beleuchtet wird und eine zuverlässige Messung ermöglicht. Das bedeutet, dass bei Verwendung einer Modulationseinrichtung 20 mit mehr als zwei Teilaperturen mit unterschiedlichen Abständen zueinander sowohl der nutzbare Apertur-Bereich des Energiestrahls 77 als auch die Genauigkeit der Messung vergrößert wird. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Teilstrahlen 74, 75, die von den zusätzlichen Teilaperturen 34, 35 herausgelöst werden, ebenfalls in der zweiten lateralen Richtung 37 entgegengesetzt zueinander abgelenkt. Dazu ist der Teilapertur 34 ein Teilstrahlablenkelement 54b und der Teilapertur 35 ein Teilstrahlablenkelement 54c zugeordnet. Auf dem Detektor 40 haben die von den Teilstrahlen 72, 73 erzeugten Strahlflecke 92, 93 in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand ai2 zueinander. Dieser Abstand ai2 hängt von der axialen Position des Strahlfokus 71 ab und kann, wie in der Figur 25 dargestellt, beispielsweise auch Null sein. Die von den Teilstrahlen 74, 75 erzeugten Strahlflecke 94, 95 haben auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand a34 zueinander. Der Abstand a34 hängt ebenfalls von der axialen Position des Strahlfokus 71 ab und kann beispielsweise auch Null sein. Im unteren Teil der Figur 25, die eine Projektion der Vorrichtung auf die zweite laterale Richtung 37 zeigt, die quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet ist und die zum Beispiel die x-Achse sein kann, ist die Wirkungsweise der Strahlseparatoreinrichtung 52 zu erkennen. Mittels der Teilstrahlablenkelemente 53, 54, 54b, 54c werden die Teilstrahlen 72, 73, 74, 75 in Richtung der zweiten lateralen Richtung 37 um jeweils unterschiedliche Beträge abgelenkt. Somit sind die Strahlflecke 92, 93, 94, 95 auf dem Detektor 40 räumlich voneinander getrennt, so dass deren Positionen auf dem Detektor 40 eindeutig bestimmt werden können. Die von den Teilaperturen 32, 33 erzeugten Strahlflecke 92, 93 haben auf dem Detektor 40 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 einen Abstand W12 zueinander, und die von den Teilaperturen 34, 35 erzeugten Strahlflecke 94, 95 haben entlang der zweiten lateralen Richtung 37 einen Abstand W34 zueinander auf dem Detektor 40. Die Abstände in der zweiten lateralen Richtung hängen ab von der individuellen Ablenkung durch die Teilstrahlablenkelemente 53, 54, 54b, 54c, sowie von der axialen Position des Detektors 40, also beispielsweise vom Abstand s zwischen der Modulationseinrichtung 20 und dem Detektor 40. Das bedeutet, dass die Abstände W12 und W34 im Wesentlichen nicht von der axialen Position des Strahlfokus 71 abhängen, und somit die Strahlflecke 92, 93, 94, 95 auf dem Detektor 40 bei beliebiger axialer Position des Strahlfokus 71 stets separiert bleiben. Die Abstände ai2 und 334 in der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 92, 93 sowie 94, 95 sind jedoch eine Funktion der axialen Position des Strahlfokus 71 , so dass aus beiden Abständen ai2 und a34 die axiale Position des Strahlfokus 71 bestimmbar ist. Erfindungsgemäß gibt es zwei Teilstrahlen, nämlich den ersten und den zweiten Teilstrahl, von denen wenigstens einer in der zweiten lateralen Richtung 37 versetzt ist. Im Ausführungsbeispiel von Figur 25 bilden die Teilstrahlen 72, 73 den ersten und den zweiten Teilstrahl. Es könnten gleichwohl auch die Teilstrahlen 74, 75 als erfindungsgemäße erster und zweiter Teilstrahl aufgefasst werden, denn in diesem Ausführungsbeispiel wird auch von den Teilstrahlen 74, 75 wenigstens ein Teilstrahl in der zweiten lateralen Richtung 37 versetzt. Die sonstigen Elemente der in Figur 25 gezeigten Strahlanalysevomchtung 10 entsprechen der in Figur 1a gezeigten Ausführungsform. Für die Erläuterung der sonstigen Elemente der Figur 25 wird daher auf die Beschreibung von Figur 1a verwiesen.
Figur 26a zeigt in einer Sicht auf die lateralen Achsen 31 und 37 eine Modulationseinrichtung 20 zur Herauslösung von vier Teilstrahlen 72, 73, 74, 75 für eine Strahlanalysevomchtung 10 wie in Figur 25 dargestellt. Die lateralen Achsen 31 und 37 können beispielsweise die lokalen x- und y-Achsen sein. Zur Verdeutlichung der Funktionsweise ist in dieser Figur außerdem die Strahlseparatoreinrichtung 52 mit den Teilstrahlablenkelementen 53, 54, 54b, 54c, mittels der die Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73, 74, 75 erfolgt, überlagert zur Modulationseinrichtung 20 dargestellt. Die Modulationseinrichtung 20 weist in diesem Beispiel vier Teilaperturen 32, 33, 34, 35 auf, die durch die vier voneinander abgegrenzten Durchlasszonen 21 , 22, 23, 24 definiert sind und entlang der ersten lateralen Achse 31 angeordnet sind. Die Mittelpunkte der inneren Teilaperturen 32, 33 haben einen Abstand ki2 zueinander, und die Mittelpunkte der äußeren Teilaperturen 34, 35 haben einen Abstand k34 zueinander. Die Durchlasszonen 21 , 22, 23, 24 und damit die Teilaperturen 32, 33, 34, 35 haben definierte Abmessungen bi , b2, bs, b4, wobei die Abmessungen die Breite oder bei runden Durchlasszonen der Durchmesser derjeweiligen Durchlasszone sind. Die Abmessungen bi , b2, bs, b4 der Durchlasszonen können gleich groß oder unterschiedlich groß sein. Da die Intensität im Strahlprofil von Laserstrahlen oftmals radial nach außen hin abnimmt, kann es zweckmäßig sein, die Abmessungen der äußeren Durchlasszonen, hier 23 und 24, größer zu wählen, als die Abmessungen der inneren Durchlasszonen, hier 21 und 22. Es kann zweckmäßig sein, die Abmessungen von Durchlasszonen, die sich in gleichem radialen Abstand zur optischen Achse befinden, paarweise gleich zu wählen.
Figur 26b zeigt schematisch die Intensitätsverteilung mit den Strahlflecken 92, 93, 94, 95 auf dem Detektor 40 für eine Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß Figur 25, die ausgerüstet ist mit einer Modulationseinrichtung 20 wie in Figur 26a dargestellt. In der Figur ist auch die Änderung des Abstandes ai2 zwischen den Strahlflecken 92, 93 und die Änderung des Abstandes a34 zwischen den Strahlflecken 94, 95 bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 veranschaulicht. Die apostrophierten Bezugszeichen in der Figur kennzeichnen die durch die axiale Verschiebung des Strahlfokus geänderten Einzelheiten. Die Strahlflecke 92, 93 weisen in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand ai2 zueinander auf. Der Abstand ai2 ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 beispielsweise auf den Abstand ai2. In der zweiten lateralen Richtung 37 weisen die Strahlflecke 92, 93 aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 den Abstand W12 zueinander auf, welcher sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 nicht ändert. Entsprechend weisen die Strahlflecke 94, 95 in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a34 zueinander auf. Der Abstand a34 ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 auf den Abstand a34. In der zweiten lateralen Richtung 37 weisen die Strahlflecke 94, 95 aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 74, 75 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 den Abstand W34 zueinander auf, welcher sich bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 nicht ändert. Die Abstände W12 und W34 sind also unabhängig von der axialen Position des Strahlfokus 71. Bei einer Variation der axialen Strahlfokus-Position laufen die Positionen der Strahlflecke 92, 93, 94, 95 auf dem Detektor 40 demzufolge auf vier voneinander getrennten Bahnen. Somit ist die Zuordnung der Strahlflecke immer eindeutig und sowohl die Größe einer Änderung wie auch die Richtung der Änderung ist eindeutig bestimmbar.
In den Figuren 27a bis 30a sind weitere Ausführungsbeispiele für Modulationseinrichtungen 20 und Strahlseparatoreinrichtungen 52 für erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtungen 10 schematisch dargestellt. Die Figuren 27b bis 30b zeigen die Intensitätsverteilungen auf dem Detektor 40 für die in der jeweils vorangestellten Figur dargestellten Kombination von Modulationseinrichtung 20 und Strahlseparatoreinrichtung 52. Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass mittels zweier Durchlasszonen 21 , 22 zwei Teilstrahlen, nämlich der erste Teilstrahl 72 und der zweite Teilstrahl 73, herausgelöst werden, und von diesen zwei Teilstrahlen 72, 73 wenigstens ein Teilstrahl in der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt wird, die quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet ist, wobei die erste laterale Richtung 31 durch die Verbindungslinie bzw. durch den Abstand ki2 der Mittelpunkte der beiden Teilaperturen 32, 33 definiert ist. Die Teilaperturen 32, 33 sind dabei durch die Durchlasszonen 21 , 22 ausgebildet. Davon unberührt kann die Modulationseinrichtung 20 weitere Durchlasszonen 23, 24 aufweisen, wodurch weitere Teilstrahlen 74, 75 herausgelöst werden. Die durch die weiteren Durchlasszonen 23, 24 ausgebildeten weiteren Teilaperturen 34, 35 können in der gleichen Richtung angeordnet sein, also in der ersten lateralen Richtung 31 , wie die Teilaperturen 32, 33 für die zwei Teilstrahlen 72, 73. Die weiteren Teilaperturen 34, 35 können aber auch in einer abweichenden Richtung angeordnet sein. Es kann vorgesehen sein, alle Teilstrahlen 72, 73, 74, 75 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 voneinander zu separieren. Es ist auch vorgesehen, lediglich den ersten und den zweiten Teilstrahl 72, 73 voneinander zu separieren.
Beispielsweise zeigt Figur 27a die gleiche Modulationseinrichtung 20 wie Figur 26a, wobei aber die Strahlseparatoreinrichtung 52 in Figur 27a nur den durch die Teilapertur 32 herausgelösten ersten Teilstrahl 72 und den durch die Teilapertur 33 herausgelösten zweiten Teilstrahl 73 in der zweiten lateralen Richtung 37 ablenkt, während die durch die weiteren Teilaperturen 34, 35 herausgelösten weiteren Teilstrahlen 74, 75 nicht abgelenkt werden. Der Vorteil ist ein etwas einfacherer Aufbau der Strahlseparatoreinrichtung 52.
Figur 27b zeigt die Intensitätsverteilung mit den Strahlflecken 92, 93, 94, 95 auf dem Detektor 40 für eine Strahlanalysevorrichtung 10, die mit einer Strahlseparatoreinrichtung 52 wie in Figur 27a ausgerüstet ist. Die Strahlflecke 92, 93 von dem ersten und dem zweiten Teilstrahl 72, 73 weisen in der zweiten lateralen Richtung 37 einen Abstand W12 zueinander auf und laufen folglich bei einer Änderung der axialen Fokuslage des Strahlfokus 71 auf zwei durch den Abstand W12 voneinander getrennten Bahnen. Die weiteren Strahlflecke 94, 95 von den weiteren Teilstrahlen 74, 75 sind in der zweiten lateralen Richtung 37 nicht voneinander separiert und laufen folglich bei einer Änderung der axialen Fokuslage des Strahlfokus 71 auf derselben Bahn. Die in Figur 28a gezeigte Modulationseinrichtung 20 ist ähnlich zur Modulationseinrichtung von Figur 27a aufgebaut, jedoch sind hier die weiteren Teilaperturen 34, 35, die durch die weiteren Durchlasszonen 23, 24 ausgebildet sind, in einer anderen lateralen Richtung angeordnet als der ersten lateralen Richtung 31 , welche durch die Teilaperturen 32, 33 definiert ist. Folglich ist die Bahn bzw. die Spur, auf der die Strahlflecke 94, 95 auf dem Detektor 40 laufen, ebenfalls in einer anderen Richtung orientiert, als die Bahnen der Strahlflecke 92, 93, wie dies in Figur 28b veranschaulicht ist.
Die Figuren 29a und 29b zeigen ein mögliches Beispiel für eine Modulationseinrichtung 20 zur Herauslösung von drei Teilstrahlen mittels dreier Teilaperturen 32, 33, 34, welche jeweils unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Dies ermöglicht, ähnlich wie in der Beschreibung zu Figur 25 erläutert, ebenfalls eine erhöhte Genauigkeit bei der Bestimmung der Strahlfokus-Position und einen vergrößerten Funktionsbereich für Strahlen mit unterschiedlichen Strahl-Divergenzen.
Schließlich zeigen die Figuren 30a und 30b eine Modulationseinrichtung 20 zur Herauslösung von vier Teilstrahlen mittels vier Teilaperturen 32, 33, 34, 35 ähnlich der in Figur 28a dargestellten Modulationseinrichtung. Im Unterschied zur Figur 28a ist die Strahlseparatoreinrichtung 52 in Figur 30a eingerichtet zur Ablenkung aller vier Teilstrahlen, wobei die beiden Teilstrahl-Paare, herausgelöst einerseits durch die Teilaperturen 32 und 33 und andererseits durch die Teilaperturen 34 und 35, jeweils in unterschiedliche laterale Richtungen abgelenkt werden. Folglich laufen beide Strahlfleck-Paare 92, 93 sowie 94, 95 auf dem Detektor 40 auf voneinander getrennten Bahnen, aber das weitere Strahlfleck-Paar 94, 95 in einer anderen lateralen Orientierung als das Strahlfleck-Paar 92, 93 von dem ersten und dem zweiten Teilstrahl 72, 73. Dies ist in Figur 30b veranschaulicht.
Die gezeigten Modulationseinrichtungen 20 und Strahlseparatoreinrichtungen 52 sind beispielhaft zu verstehen. Die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10 ist nicht beschränkt auf die gezeigten Ausführungsformen und nicht beschränkt auf die gezeigten Modulationseinrichtungen und Strahlseparatoreinrichtungen. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung sieht eine Strahlanalysevorrichtung 10 zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus 71 vor. Dabei ist der Strahlfokus 71 ein Fokus 76 eines Energiestrahls 77 aus elektromagnetischer Strahlung oder ein Fokus eines aus dem Energiestrahl 77 ausgekoppelten Probenstrahls 70. Die Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst eine Strahlformungseinrichtung 12, einen Detektor 40, und eine Auswertungseinrichtung 45.
Die Strahlformungseinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, aus dem Energiestrahl 77 oder aus dem aus dem Energiestrahl 77 ausgekoppelten Probenstrahl 70 in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 herauszulösen. Dabei ist der Querschnitt jedes Teilstrahls 72, 73 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 durch jeweils eine Teilapertur 32, 33 definiert. Mit anderen Worten ist die Strahlformungseinrichtung 12 dazu eingerichtet, in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 die mindestens zwei Teilaperturen 32, 33 zum Herauslösen von jeweils einem Teilstrahl 72, 73 auszubilden. Die Teilaperturen 32, 33 sind voneinander abgegrenzt, das heißt, die Ränder der Teilaperturen 72, 73 berühren sich nicht. Die lateralen Positionen der Teilaperturen 32, 33 sind durch ihren jeweiligen Mittelpunkt definiert, wobei der Begriff „lateral“ sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse 11 bezieht. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 32, 33 weisen einen Abstand k zueinander auf. Weiterhin ist durch den Abstand k der Teilaperturen 32, 33 eine erste laterale Richtung 31 definiert. Mit anderen Worten, eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der beiden Teilaperturen 32, 33 legt die erste laterale Richtung 31 fest. Die erste laterale Richtung 31 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 steht. Da die lokale optische Achse 11 in einem Strahlengang immer mit einer z-Achse eines lokalen Koordinatensystems identifiziert wird, liegt die erste laterale Richtung 31 somit in einer x-y-Ebene.
Die Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung ist beispielsweise als Modulationseinrichtung 20 verwirklicht, die dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei Durchlasszonen 21 , 22 und wenigstens eine Sperrzone 25 auszubilden. Dabei bildet jeweils eine der Durchlasszonen 21 , 22 eine der beiden Teilaperturen 32, 33 aus. Die Durchlasszonen 21 , 22 sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchlässigkeit für die Strahlung innerhalb der Durchlasszonen 21 , 22 wesentlich größer ist als im Bereich der Sperrzone 25. Der Begriff Durchlässigkeit ist dabei hinsichtlich der beabsichtigten Propagationsrichtung der auf diese Weise herausgelösten Teilstrahlen 72, 73 zu verstehen. Insbesondere ist ein Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 21 , 22 wenigstens doppelt so hoch wie ein Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone 25. Bevorzugt ist der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone wenigstens 10-mal kleiner als der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 21 , 22. Besonders bevorzugt ist der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone wenigstens 100-mal kleiner als die Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 21 , 22.
Die Teilaperturen 32, 33 haben in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 entlang der ersten lateralen Richtung 31 eine Breite b. Die Breite b der Teilaperturen 32, 33 ist höchstens gleich der Hälfte des Abstandes k zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33. Daraus folgt, dass zwischen den Teilaperturen 32, 33 ein Bereich liegt, beispielsweise eine Sperrzone 25, der mindestens so breit ist wie die Breite b der Teilaperturen 32, 33. Mit anderen Worten, der Abstand k zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33 beträgt mindestens das Doppelte der Breite b der Teilaperturen 32, 33.
Die Strahlformungseinrichtung 12 ist weiterhin eingerichtet, zur Formung einer Intensitätsverteilung 83 auf dem Detektor 40 mit mindestens zwei Strahlflecken 92, 93 und zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck 92, 93 aus jedem der zwei Teilstrahlen 72, 73, die wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 auf den Detektor 40 abzubilden und mindestens einen der wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 in einer zweiten lateralen Richtung 37 abzulenken und/oder zu versetzen. Jeder der zwei Teilstrahlen 72, 73 bildet wenigstens einen zugehörigen Strahlfleck 92, 93 auf dem Detektor 40 aus. Durch das Ablenken und/oder Versetzen wenigstens eines der Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37 wird zwischen den Positionen der zwei Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ein Abstand w ausgebildet. Bevorzugt sind die Positionen der zwei Strahlflecke 92, 93 definiert durch die Mittelpunkte und/oder durch die Schwerpunkte der Intensitätsverteilungen der Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40. Dabei ist die zweite laterale Richtung 37 quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet. Die zweite laterale Richtung 37 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 steht. Somit liegt die zweite laterale Richtung 37 ebenso wie die erste laterale Richtung 31 in einer Ebene senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 , also in einer x-y- Ebene. Die zweite laterale Richtung 37 ist beispielsweise in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet. Die zweite laterale Richtung kann insbesondere (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zur ersten lateralen Richtung ausgerichtet sein.
Indem die Strahlformungseinrichtung 12 den ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37 ablenkt und/oder versetzt und/oder beide Teilstrahlen 72, 73 in unterschiedliche Richtungen mit einer Richtungsdifferenz in einer Ausrichtung entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ablenkt und/oder versetzt, sind der Strahlfleck 92 des ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck 93 des zweiten der wenigstens zwei Teilstrahlen (am Detektor 40 und somit) in der Intensitätsverteilung entlang der zweiten lateralen Richtung 37 um den Abstand w gegeneinander versetzt, der quer zu dem Abstand a dieser Strahlflecken 92, 93 (am Detektor 40 und somit) in der Intensitätsverteilung entlang der ersten lateralen Richtung 31 ist und wobei der Abstand a allein durch den Abstand k in der ersten lateralen Richtung 31 hervorgerufen wird.
Mit anderen Worten sind der Strahlfleck 92, der durch dem ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen am Detektor 40 und in der Intensitätsverteilung hervorgerufen wird, und der Strahlfleck 93, der von dem zweiten der wenigstens zwei Teilstrahlen am Detektor und in der Intensitätsverteilung hervorgerufen wird, in der Intensitätsverteilung neben dem Abstand a entlang der ersten lateralen Richtung 31 zusätzlich um den Versatz w entlang der zweiten lateralen Richtung 37 versetzt.
Der Detektor 40 umfasst einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zweidimensional auflösenden Sensor, welcher zur Umwandlung der auf den Detektor 40 auftreffenden Intensitätsverteilung 83 in elektrische Signale eingerichtet ist. Der Detektor 40 kann eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera oder eine vergleichbare Einrichtung sein. Der lichtstrahlungsempfindliche und räumlich zwei-dimensional auflösende Sensor ist typischerweise ein pixel-basierter Halbleitersensor. Der Detektor 40 ist entlang einer Propagationsstrecke für die Teilstrahlen 72, 73 in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 angeordnet.
Die Auswertungseinrichtung 45 ist eingerichtet zur Verarbeitung der elektrischen Signale des Detektors 40, welche die Intensitätsverteilung 83 auf dem Detektor 40 repräsentieren. Die Auswertungseinrichtung 45 ist eingerichtet zur Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung 31 zwischen Positionen der beiden Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40, genauer gesagt, zur Bestimmung einer Positions-Differenz der beiden Strahlflecke 92, 93 in der ersten lateralen Richtung 31 , wobei die Positions-Differenz der beiden Strahlflecke 92, 93 in der ersten lateralen Richtung 31 der Abstand a ist. Bevorzugt ist dabei die Position des jeweiligen Strahlflecks 92, 93 definiert durch den Mittelpunkt und/oder durch den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des jeweiligen Strahlflecks 92, 93 auf dem Detektor 40.
Die Auswertungseinrichtung 45 ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung einer axialen Position des Strahlfokus 71 basierend auf dem Abstand a und/oder zur Bestimmung einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 basierend auf einer Änderung des Abstandes a.
Die Auswertungseinrichtung 45 kann beispielsweise als ein auf einem Computer ablaufendes Software-Programm verwirklicht sein.
Um eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Positionen der Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40 zu erreichen, ist es günstig, wenn die Breite b der Teilaperturen 32, 33 klein ist gegenüber ihrem Abstand k. Dann sind die Strahlflecke 92, 93 auf dem Detektor 40 über einen weiten Bereich der axialen Position des Strahlfokus 71 relativ klein und ein möglicher Einfluss einer Intensitätsverteilung innerhalb der Strahlflecke 92, 93 auf die Bestimmung der Position der Strahlflecke 92, 93 ist gering oder ganz vernachlässigbar. Andererseits sollten die Teilaperturen nicht zu klein sein, da sonst die Strahlflecke 92, 93 durch Beugung verbreitert werden können und Beugungsstrukturen außerhalb der Strahlflecke 92, 93 entstehen können. Bevorzugt beträgt der Abstand k daher mindestens das 2,5-fache und höchstens das 25-fache der Breite b der Teilaperturen 32, 33. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand k mindestens das 3-fache und höchstens das 12-fache der Breite b der Teilaperturen 32, 33. Überaus bevorzugt beträgt der Abstand k mindestens das 4-fache und höchstens das 7-fache der Breite b der Teilaperturen 32, 33. Bevorzugt haben die Teilaperturen 32, 33 eine einfache geometrische Form, beispielsweise kreisförmig oder elliptisch. Die Teilaperturen 32, 33 können aber auch eine quadratische, rechteckige, rautenförmige, sechseckige, achteckige, trapezförmige, oder ähnliche Form aufweisen. Bei Teilaperturen 32, 33 mit einer kreisrunden Form entspricht die Breite b dem Durchmesser der Teilaperturen 32, 33.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Strahlformungseinrichtung 12 auch zur Herauslösung von mehr als zwei Teilstrahlen eingerichtet sein. Dazu können in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 mehr als zwei, beispielsweise 3 oder 4, voneinander abgegrenzte Teilaperturen angeordnet sein. Die mehreren Teilaperturen können alle entlang der ersten lateralen Richtung 31 verteilt sein. Es ist auch möglich, dass die zu den zwei Teilaperturen 32, 33 zusätzlichen Teilaperturen in einer anderen lateralen Richtung als die zwei Teilaperturen 32, 33 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Strahlseparatoreinrichtung 52 zur Ablenkung und/oder Versetzung des ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37.
In einer Weiterbildung ist die Strahlseparatoreinrichtung 52 ferner zur Ablenkung und/oder Versetzung beider Teilstrahlen 72, 73 in unterschiedliche Richtungen eingerichtet, wobei die Differenz der Ablenkrichtungen entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ausgerichtet ist.
Die Strahlformungseinrichtung 12 der Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst eine Modulationseinrichtung 20, eine Abbildungseinrichtung 50 mit wenigstens einer optischen Linse 51 , und eine Strahlseparatoreinrichtung 52. Diese drei Einrichtungen 20, 50, 52 können als separate Einrichtungen realisiert sein. Es können aber auch zwei der drei Einrichtungen oder auch alle drei Einrichtungen 20, 50, 52 als eine einheitliche Einrichtung verwirklicht sein. Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung 20 als eine Doppellochblende ausgeführt sein. Die Abbildungseinrichtung 50 kann beispielsweise als einzelne Sammellinse 51 ausgeführt sein. Es ist aber beispielsweise ebenso möglich, die Modulationseinrichtung 20 als eine Maskierung, z.B. mittels einer teilweisen Schwärzung, direkt auf oder in der optischen Linse 51 vorzusehen. In diesem letztgenannten Beispiel sind die Modulationseinrichtung 20 und die Abbildungseinrichtung 50 als eine einheitliche Einrichtung verwirklicht. Um dieses Beispiel fortzuführen, könnte die optische Linse 51 auch als asphärische Freiform-Linse ausgeführt sein, bei der die Linsenflächen innerhalb der Teilaperturen 32, 33 eine zusätzliche Verkippung aufweisen zur Ablenkung der Teilstrahlen 72, 73 in der zweiten lateralen Richtung 37. In einem derartigen Ausführungsbeispiel für die Strahlformungseinrichtung 12 sind dann alle Einrichtungen 20, 50, 52 in einer einheitlichen Einrichtung verwirklicht.
Bei einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus 71 ändert sich der Abstand a zwischen den Strahlflecken 92, 93 auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31 . Das heißt, dass der Abstand a in einer funktionalen Beziehung zur z-Position des Strahlfokus 71 steht. Diese funktionale Beziehung wird durch folgende geometrische Größen beeinflusst und/oder definiert: a ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 92 und 93 auf dem Detektor 40; a’ ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung zwischen den Strahlflecken 92’ und 93’ auf dem Detektor 40 bei geänderter Strahlfokus-Position;
Aa ist die Änderung der Positions-Differenzen der Strahlflecke 32, 33 in der ersten lateralen Richtung 31 , Aa = a’ - a ; k ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19, wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 32, 33 die erste laterale Richtung 31 definiert; zs ist der Abstand zwischen der axialen Position des Strahlfokus 71 und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19; zs’ ist der Abstand zwischen der axialen Position eines verschobenen Strahlfokus 7T und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19;
Az ist die Änderung der axialen Strahlfokus-Position, Az = zs - zs’ ; s ist der Abstand zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 und der Sensor-Ebene 39 des Detektors 40; e ist der Abstand von der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 zur Position der Abbildungseinrichtung 50, genauer ausgedrückt, zur Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50, wenn die Modulationseinrichtung 20 mit der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 vor der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist. d ist der Abstand von der Position der Abbildungseinrichtung 50, genauer ausgedrückt, von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50, zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19, wenn die Modulationseinrichtung 20 mit der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 hinter der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist.
In der Praxis ist die Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 als Bezugspunkt für den Abstand der Strahlfokus-Position 71 meistens nicht von wesentlichem Interesse. Praktischer ist es, wenn der Bezugspunkt beliebig gewählt oder kalibriert werden kann. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft eine funktionale Beziehung anzugeben, welche direkt die Änderung der Fokusposition beschreibt. Aus der Anwendung der Strahlensätze und der bekannten Abbildungsgleichungen erhält man folgende funktionale Beziehung für die Strahlanalysevorrichtung 10:
Az = Aa Ci / ( C2 + Aa C3 )
Bei den Formelzeichen ci, C2, C3 handelt es sich um Koeffizienten, die zur vereinfachten Darstellung der Formel eingeführt sind.
Für den Fall, dass die Modulationseinrichtung 20 vor der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist (vgl. Figur 6), lauten die Koeffizienten ci, C2, C3 :
C1 = Zs2 c2 = k { s [ 1 - ( e / f ) ] + ( e2 / f ) }
C3 = Zs
Für den Fall, dass die Modulationseinrichtung 20 hinter der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist (vgl. Figur 7), lauten die Koeffizienten ci , C2, C3 : ci = [ zs ( f - d ) + d2 ]2
C2 = f2 k s c3 = ( f - d ) [ Zs ( f - d ) + d2 ]
Die Koeffizienten ci , C2, C3 können ermittelt werden, indem mindestens 3 verschiedene bekannte axiale Positionen des Strahlfokus 71 eingestellt werden und die entsprechende Änderung Aa des Abstandes a bestimmt wird. Die auf diese Weise ermittelten Koeffizienten können als Kalibrierdaten in der Auswertungseinrichtung 45 hinterlegt sein, womit dann die Fokuslagen-Änderung Az für beliebige Abstands- Änderungen Aa von der Auswertungseinrichtung 45 berechnet werden kann.
Alternativ oder ergänzend können die Koeffizienten anhand der oben angegebenen Formeln aus den geometrischen Abständen der Anordnung direkt berechnet sein und in der Auswertungseinrichtung 45 hinterlegt sein.
Dabei ist zu beachten, dass es sich bei allen axialen Abständen, also bei zs, d, e, s, um die Strecken entlang der optischen Achse 11 handelt. Bei einer Strahlumlenkung setzen sich die Abstände zs, d, e, s folglich gegebenenfalls stückweise aus den jeweiligen Strecken entlang den lokalen optischen Achsen 11 zusammen. Ebenso ist zu beachten, dass bei einer teilweisen Führung der Strahlen durch optisches Material, wie beispielsweise bei der Führung durch einen Strahlteilerwürfel, die entsprechenden Teilstrecken um einen von der Brechzahl des optischen Materials abhängigen Faktor zu korrigieren sind.
Bei der Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 mit der Modulationseinrichtung 20 hinter der Abbildungseinrichtung 50, das heißt, in Strahlrichtung hinter der zumindest einen optischen Linse 51 , gibt es einen besonders interessanten Spezialfall, bei dem der Abstand d von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50 zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 gleich der Brennweite f der Abbildungseinrichtung 50 ist. Mit anderen Worten, die Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 ist am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet. Für eine solche Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 ergeben sich die Koeffizienten der funktionalen Beziehung zu:
Ci = f4
C2 = f2 k s
C3 = 0 Damit ergibt sich eine besonders einfache funktionale Beziehung mit der Besonderheit, dass die Änderung Aa des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 92, 93 exakt proportional zur Änderung Az der axialen Strahlfokus-Position ist:
Az = Aa f2 / ( k s )
Mit diesem linearen Zusammenhang wird die Kalibration der Vorrichtung vereinfacht und es wird eine hohe Genauigkeit der Fokuslagen-Bestimmung erreicht.
Es ist insbesondere vorteilhaft bei einer derartigen Anordnung, dass die absolute z- Position des Strahlfokus (zs) dabei nicht zur Berechnung einer Fokuslagen-Änderung Az benötigt wird.
Dieses Merkmal bzw. diese Anordnung lässt sich vorteilhaft in Ausführungsformen realisieren, bei denen ohnehin ein Abstand zwischen der Abbildungseinrichtung 50 und der Modulationseinrichtung 20 vorgesehen ist, beispielsweise wenn die Modulationseinrichtung 20 im gefalteten Strahlweg angeordnet ist (vgl. beispielsweise die Figuren 12 und 13). Dieser Aspekt der Erfindung kann daher weiterhin vorteilhaft kombiniert werden in Ausführungsformen, bei denen zwei gefaltete Strahlwege realisiert sind und in einem der gefalteten Strahlwege keine Modulationseinrichtung vorhanden ist, so dass gleichzeitig das originale Strahlprofil des Probenstrahls 70 registriert und bestimmt werden kann (vgl. Figuren 17 und 18). In der weiteren Kombination mit einem axial verstellbaren Spiegel 64 im Strahlweg des unmodulierten Strahls 78 ist auch die Aufnahme einer gesamten Strahlkaustik und damit die Bestimmung aller geometrischen Strahlparameter möglich (vgl. Figuren 19a bis 19f).
Die erste laterale Richtung 31 kann lokal definiert sein. Sie ist jeweils (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zu der lokalen optischen Achse 11 . Insbesondere kann sie als diejenige Richtung in einer Ebene senkrecht zu der lokalen optischen Achse 11 definiert sein, entlang welcher die wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 in dieser Ebene nur aufgrund des Abstands k der Teilaperturen 32, 33 einen Abstand zueinander aufweisen.
Die zweite laterale Richtung 37 kann lokal definiert sein. Sie ist jeweils (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zur optischen Achse 11 und quer zu der (lokalen) ersten lateralen Richtung 31. Die zweite laterale Richtung 37 kann global betrachtet einmal oder mehrere Male geändert werden, beispielsweise durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung. Der Probenstrahl 70 kann mit dem Energiestrahl 77 identisch sein, insbesondere wenn der Probenstrahl 70 nicht durch Auskopplung aus einem Energiestrahl gebildet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine der mindestens zwei Teilaperturen 32, 33 schaltbar.
Besonders bevorzugt sind die mindestens zwei Teilaperturen 32, 33 schaltbar. Die Strahlformungseinrichtung 12 kann zum Beispiel eine LCD-Blendeneinrichtung zur Ausbildung einer oder mehrerer schaltbarer Teilaperturen 32, 33 ausbilden. In diesem Fall kann eine Ebene der LCD-Blendeneinrichtung die Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 definieren.
Bevorzugt sind eine oder mehrere der mindestens zwei Teilaperturen 32, 33 der Strahlformungseinrichtung 12 unveränderlich. Eine solche Teilapertur 32, 33 kann beispielsweise durch eine feste Blendenöffnung und/oder eine (räumlich begrenzte) Reflexionsfläche eines Spiegels ausgebildet sein und auf diese Weise eine Durchlasszone 21 , 22 der Modulationseinrichtung 20 ausbilden. Das erlaubt eine einfache, robuste, zuverlässige und kostengünstige Implementierung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine oder mehrere der mindestens zwei Teilaperturen 32, 33 der Strahlformungseinrichtung 12 veränderlich. Eine veränderliche Teilapertur 32, 33 kann beispielsweise durch mehrere Pixel einer LCD- Blendeneinrichtung und/oder eine Blendenöffnung mit mechanisch verstellbarer Größe realisiert sein. Eine veränderliche Teilapertur 32, 33 kann eine Anpassung an aktuelle Messbedingungen (beispielsweise Lichtintensität, Lichtverteilung in dem zu messenden Lichtstrahl, Wellenlänge(n), etc.) erlauben.
Eine Strahlrichtung kann lokal definiert sein. Die Strahlrichtung kann sich global gesehen ändern, beispielsweise durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung. Die lokale Strahlrichtung kann beispielsweise durch eine Richtung eines lokalen Poynting- Vektors des Probenstrahls 70 definiert sein.
In Ausbreitungsrichtung der Strahlung nach der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 kann eine lokale Strahlrichtung eines Teilstrahls 72, 73 durch eine Richtung eines lokalen Poynting-Vektors des jeweiligen Teilstrahls 72, 73 definiert sein. In Ausbreitungsrichtung der Strahlung nach der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 kann eine lokale (Gesamt-) Strahlrichtung durch eine Mittelung der lokalen Poynting- Vektoren der wenigstens zwei Teilstrahlen 72, 73 definiert sein. Die Beträge der Poynting-Vektoren dieser Teilstrahlen können vor der Mittelung normiert werden. Alternativ kann die lokale (Gesamt-) Strahlrichtung durch den Poynting-Vektor eines fiktiven Verlaufs des Probenstrahls ohne Herauslösung der Teilstrahlen definiert sein.
Die lokale optische Achse 11 kann beispielsweise durch die beabsichtigte lokale Gesamt-Strahlrichtung im Betrieb definiert sein.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Messprinzip der Strahlanalysevorrichtung auf der Bestimmung von Positionen von voneinander abgegrenzten Strahlflecken auf dem Detektor basiert. Die Positions-Bestimmung eines Strahlflecks kann beispielsweise mittels Berechnung des Schwerpunktes der zugehörigen Intensitätsverteilung erfolgen, also dem 1. Moment einer Intensitätsverteilung. Die Bestimmung von Positionen und deren Abstand zueinander ist weitgehend unabhängig beispielsweise von der Höhe eines konstanten Signal-Untergrundes, welcher durch Streulicht und/oder Sensor- Rauschen verursacht sein kann. Dadurch ist das Messprinzip weniger fehleranfällig als andere Verfahren, die beispielsweise auf der Bestimmung eines Strahldurchmessers, also des 2. Moments einer Intensitätsverteilung, und dessen Änderung beruhen, denn die Bestimmung eines 2. Moments ist relativ empfindlich gegenüber Änderungen in der Höhe des Untergrundes.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bestimmung der axialen Position des Strahlfokus nicht durch Schwankungen der Strahlqualität der Laserstrahlung bzw. des Probenstrahls beeinflusst wird.
Die Bestimmung von Änderungen der axialen Position des Strahlfokus ist quasi in Echtzeit möglich, das heißt, die Bestimmung benötigt nur einen Bruchteil der typischen Zeitkonstante von Fokuslagenänderungen, die durch den thermischen Fokus-Shift bedingt sind. Die Erfindung ist daher auch in der Lage, während eines Laserbearbeitungsprozesses Signale für eine Regelung der Lasermaterialbearbeitung zur Verfügung zu stellen.
Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise weitergebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Zahlreiche Ausgestaltungen und Ausführungsmöglichkeiten sind in den Figuren dargestellt und in den Figurenbeschreibungen erläutert, wobei die Erfindung nicht beschränkt ist auf die gezeigten Ausführungsformen. Es können auch verschiedene in den Figuren gezeigte Merkmale oder Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Als Energiestrahl im Sinne dieser Offenbarung gilt bevorzugt ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 pm bis 10 pm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 pm bis 3 pm, und insbesondere im Bereich von 0,3 pm bis 1 ,5 pm.
Als Laserstrahlung im Sinne dieser Offenbarung gilt bevorzugt elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,3 pm bis 1 ,5 pm und mit einer Leistung von wenigstens 1 mW, besonders bevorzugt mit einer Leistung von wenigstens 100 W.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
10 Strahlanalysevorrichtung
11 Optische Achse, lokale optische Achse
12 Strahlformungseinrichtung
14 Auskopplungseinrichtung
15 Strahlauskoppler
16 Zweiter Strahlauskoppler
19 Ebene der Herauslösung der Teilstrahlen
20 Modulationseinrichtung
21 , 22 Durchlasszonen
23, 24 Weitere Durchlasszonen
25 Sperrzone
31 Erste laterale Richtung
32, 33 Teilaperturen
34, 35 Weitere Teilaperturen
37 Zweite laterale Richtung
39 Sensor-Ebene
40 Detektor
42 Zweiter Detektor
43 Absorbereinrichtung
44 Absorber- und/oder Leistungsmesseinrichtung
45 Auswertungseinrichtung
49 Position der Abbildungseinrichtung, Hauptebene der Abbildungseinrichtung
50 Abbildungseinrichtung
51 Optische Linse
52 Strahlseparatoreinrichtung
53, 54 Teilstrahlablenkelemente, z.B. Keilplatten, Prismen oder Planplatten
54b, 54c Weitere Teilstrahlablenkelemente, z.B. Keilplatten, Prismen oder Planplatten
55 Zweite Strahlseparatoreinrichtung
56, 57 Teilstrahlablenkelemente, z.B. Spiegel
58, 59 Teilstrahlablenkelemente, z.B. Spiegel
60 Strahlfaltungseinrichtung Strahlteiler
Zweiter Strahlteiler
Weitere Abbildungseinrichtung
Spiegel
Positioniereinrichtung
Weitere Abbildungseinrichtung
Umlenkspiegel
Shuttereinrichtung
Probenstrahl
Strahlfokus , 73 Teilstrahlen , 75 Weitere Teilstrahlen
Energiestrahl-Fokus
Energiestrahl
Unmodulierter Strahl
Geformter Probenstrahl
Intensitätsverteilung
Intensitätsverteilung vor der Modulationseinrichtung
Intensitätsverteilung hinter der Modulationseinrichtung
Intensitätsverteilung auf dem Detektor , 93 Strahlflecke , 95 Weitere Strahlflecke
Strahlfleck des unmodulierten Strahls
Fernfeld-Intensitätsverteilung 0 Bearbeitungsoptik 0 Lichtleitfaser-Ende 3 Kollimator 6 Fokussierung 0 Schutzglas

Claims

68 Patentansprüche:
1 . Strahlanalysevorrichtung (10) zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus (71 ), wobei der Strahlfokus (71 ) ein Fokus (76) eines Energiestrahls (77) aus elektromagnetischer Strahlung oder ein Fokus eines aus dem Energiestrahl (77) ausgekoppelten Probenstrahls (70) ist, umfassend eine Strahl- formungseinrichtung (12), einen Detektor (40), und eine Auswertungseinrichtung (45); wobei die Strahlformungseinrichtung (12)
- eingerichtet ist, aus dem Energiestrahl (77) oder aus dem aus dem Energiestrahl (77) ausgekoppelten Probenstrahl (70) in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) zwei Teilstrahlen (72, 73) herauszulösen, wobei die zwei Teilstrahlen (72, 73) ein erster Teilstrahl (72) und ein zweiter Teilstrahl (73) sind, wobei Querschnitte der zwei Teilstrahlen (72, 73) in der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) durch jeweils eine Teilapertur (32, 33) definiert sind, wobei die Teilaperturen (32, 33) voneinander abgegrenzt sind und Mittelpunkte der Teilaperturen (32, 33) einen Abstand k zueinander aufweisen, wobei durch den Abstand k der Teilaperturen (32, 33) eine erste laterale Richtung (31 ) definiert ist, wobei der Begriff „lateral“ sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse (11 ) bezieht,
- eingerichtet ist, zur Formung einer Intensitätsverteilung (83) auf dem Detektor (40) mit Strahlflecken (92, 93) und zur Bildung von wenigstens einem Strahlfleck (92) aus dem ersten Teilstrahl (72) und wenigstens einem Strahlfleck (93) aus dem zweiten Teilstrahl (73), die zwei Teilstrahlen (72, 73) auf den Detektor (40) abzubilden und mindestens einen der zwei Teilstrahlen (72, 73) in einer zweiten lateralen Richtung (37) abzulenken und/oder zu versetzen zur Ausbildung eines Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40), wobei die zweite laterale Richtung (37) quer zur ersten lateralen Richtung (31 ) ausgerichtet ist
F 69 und wobei die zwei Strahlflecke (92, 93) der wenigstens eine Strahlfleck (92) des ersten Teilstrahls (72) und der wenigstens eine Strahlfleck (93) des zweiten Teilstrahls (73) sind; wobei der Detektor (40)
- einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor umfasst, welcher zur Umwandlung der auf den Detektor (40) auftreffenden Intensitätsverteilung (83) in elektrische Signale eingerichtet ist, und
- entlang einer Propagationsstrecke für die zwei Teilstrahlen (72, 73) in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist; und wobei die Auswertungseinrichtung (45)
- eingerichtet ist zur Verarbeitung der elektrischen Signale des Detektors (40), die die Intensitätsverteilung (83) auf dem Detektor (40) repräsentieren,
- eingerichtet ist zur Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung (31 ) zwischen Positionen der zwei Strahlflecke (92, 93) auf dem Detektor (40), und
- eingerichtet ist zur Bestimmung einer axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a und/oder zur Bestimmung einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf einer Änderung des Abstandes a.
2. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 1 , wobei die erste laterale Richtung (31 ) und die lokale optische Achse (11 ) zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) und dem Detektor (40) durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung geändert werden.
3. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eingerichtet ist, die zwei Teilstrahlen (72, 73) relativ zueinander abzulenken und/oder zu versetzen, wobei eine
F 70
Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen (72, 73) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40).
4. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Auskopplungseinrichtung (14), wobei die Auskopplungseinrichtung (14) einen Strahlauskoppler (15) zur Auskopplung des Probenstrahls (70) aus dem Energiestrahl (77) umfasst.
5. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der Strahlauskopp- ler (15) eine Strahlteilereinrichtung ist, die zur Auskopplung eines Strahlungsanteils im Bereich von 0,01 % bis 5% des Energiestrahls (77) als Probenstrahl (70) durch Reflexion und/oder Transmission eingerichtet ist.
6. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eine Abbildungseinrichtung (50) mit wenigstens einer optischen Linse (51 ) zur Abbildung der zwei Teilstrahlen (72, 73) auf den Detektor (40) umfasst.
7. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung (50) angeordnet ist.
8. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Auswertungseinrichtung (45) dazu eingerichtet ist, die axiale Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke (92, 93), und/oder die Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke (92, 93), mittels einer linearen Berechnungsvorschrift zu bestimmen.
F 71
9. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (45) dazu eingerichtet ist, die axiale Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke (92, 93), und/oder die Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke (92, 93), mittels einer zumindest abschnittsweise linearen Berechnungsvorschrift zu bestimmen.
10. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Strahlfaltungseinrichtung (60), die einen Strahlteiler (61 ) und wenigstens einen Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) beinhaltet und die im Strahlenverlauf vor dem Detektor (40) angeordnet ist, wobei der wenigstens eine Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) angeordnet ist zur Reflexion eines den Strahlteiler (61 ) verlassenden Strahlungsanteils zurück in den Strahlteiler (61 ), auf diese Weise einen ersten gefalteten Strahlweg bildend, und wobei die Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) der Strahlformungseinrichtung (12) im Strahlenverlauf vor der Strahl- faltungseinrichtung (60) oder im ersten gefalteten Strahlweg angeordnet ist.
11 . Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei die Strahlfaltungseinrichtung (60) zusätzlich wenigstens einen zweiten Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) beinhaltet, wobei der zweite Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) angeordnet ist zur Reflexion eines weiteren den Strahlteiler (61 ) verlassenden Strahlungsanteils zurück in den Strahlteiler (61 ), auf diese Weise einen zweiten gefalteten Strahlweg bildend.
12. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 11 , wobei die Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) der Strahlformungseinrichtung (12) in dem ersten gefalteten Strahlweg angeordnet ist, wobei in dem zweiten gefalteten Strahlweg keine Teilstrahlherauslösung angeordnet ist zur Führung eines Strahlungsanteils des Probenstrahls (70) oder des Energiestrahls (77) als unmodulierten Strahl (78) auf
F 72 den Detektor (40), und wobei die Auswertungseinrichtung (45) dazu eingerichtet ist, aus einer Intensitätsverteilung eines Strahlflecks (98) des unmodulierten Strahls (78) auf dem Detektor (40) einen Strahldurchmesser und/oder ein Strahlprofil zu bestimmen.
13. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei in dem zweiten gefalteten Strahlweg der Spiegel (64) axial verschiebbar angeordnet ist und die Position des Spiegels (64) mittels einer Positioniereinrichtung (66) einstellbar ist.
14. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eine Strahlseparatoreinrichtung (52) mit wenigstens einem Teilstrahlablenkelement (53, 54, 56, 57, 58, 59) umfasst zur Ablenkung und/oder Versetzung des mindestens einen der zwei Teilstrahlen (72, 73) in der zweiten lateralen Richtung (37) zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40).
15. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens zwei Teilstrahlablenkelemente (53, 54, 56, 57, 58, 59) umfasst zur Ablenkung und/oder Versetzung der zwei Teilstrahlen (72, 73) relativ zueinander, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen (72, 73) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40).
16. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens eine Keilplatte (53, 54) als Teilstrahlablenkelement beinhaltet, die in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen (32, 33) angeordnet ist, und die zur Ablenkung desjenigen von dieser
F 73
Teilapertur (32, 33) herausgelösten der zwei Teilstrahlen (72, 73) um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° eingerichtet ist.
17. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens eine verkippte Planplatte (53, 54) oder ein Prisma als Teilstrahlablenkelement beinhaltet, die/das in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einem der Teilaperturen (32, 33) angeordnet ist, und die/das zur Versetzung desjenigen von dieser Teilapertur (32, 33) herausgelösten der zwei Teilstrahlen (72, 73) um einen Betrag im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm eingerichtet ist.
18. Strahlanalysevorrichtung (10) nach den Ansprüchen 10 und 14 oder 15, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) innerhalb des ersten gefalteten Strahlwegs angeordnet ist und als Teilstrahlablenkelemente wenigstens zwei Spiegel (56, 57, 58, 59) beinhaltet,
- die in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter jeweils einer der Teilaperturen (32, 33) angeordnet sind, oder deren Umfang selbst die Teilaperturen (32, 33) bilden, und
- die zur Rückreflexion eines jeweiligen der zwei Teilstrahlen (72, 73) eingerichtet sind, wobei eine Winkeldifferenz zwischen den Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel (56, 57, 58, 59) in einem Betragsbereich von 0,01 ° bis 3° liegt, und wobei die Differenz zwischen den Normalenrichtungen auf den Spiegelflächen der Spiegel (56, 57, 58, 59) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist.
19. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (45) weiterhin eingerichtet ist zur Bestimmung einer lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83) mit den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40) und eingerichtet ist zur Berechnung
F einer lateralen Position des Strahlfokus (71 ) des Probenstrahls (70) aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83) und/oder zur Berechnung einer Änderung der lateralen Position des Strahlfokus (71 ) des Probenstrahls (70) aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83).
20. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 19, zusätzlich enthaltend einen Strahlteiler (62) zur Aufteilung des Probenstrahls (70), eine weitere Abbildungseinrichtung (63) mit wenigstens einer optischen Linse, sowie einen zweiten Detektor (42),
- wobei der Strahlteiler (62) im Strahlenverlauf vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) der Strahlformungseinrichtung (12) angeordnet ist,
- wobei der Strahlteiler (62) zwischen der optischen Linse (51 ) der Abbildungseinrichtung (50) und der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist, und
- wobei die weitere Abbildungseinrichtung (63) zwischen dem Strahlteiler (62) und dem zweiten Detektor (42) angeordnet ist zur Abbildung eines vergrößerten Strahlflecks (98) oder eines vergrößerten Bildes des Strahlfokus (71 ) auf den zweiten Detektor (42).
21. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 20, wobei die Auswertungseinrichtung (45) zur Verarbeitung der vom zweiten Detektor (42) erzeugten elektrischen Signale eingerichtet ist, und wobei die Auswertungseinrichtung (45) zur Bestimmung eines Strahldurchmessers und/oder eines Fokusdurchmessers aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor (42) eingerichtet ist.
22. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 19, zusätzlich enthaltend einen Strahlteiler (62) zur Aufteilung des Probenstrahls (70), eine weitere Abbildungseinrichtung (67) mit wenigstens einer optischen Linse, sowie einen zweiten Detektor (42),
F - wobei der Strahlteiler (62) im Strahlenverlauf vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) der Strahlformungseinrichtung (12) angeordnet ist,
- wobei der Strahlteiler (62) zwischen der optischen Linse (51 ) der Abbildungseinrichtung (50) und der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist,
- wobei die weitere Abbildungseinrichtung (67) zwischen dem Strahlteiler (62) und dem zweiten Detektor (42) angeordnet ist,
- wobei die Abbildungseinrichtung (50) und die weitere Abbildungseinrichtung (67) zusammen ein kombiniertes Linsensystem bilden, welches eine bildseitige Brennebene aufweist, und
- wobei der zweite Detektor (42) in der bildseitigen Brennebene des kombinierten Linsensystems angeordnet ist.
23. Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 22, wobei die Auswertungseinrichtung (45) zur Verarbeitung der vom zweiten Detektor (42) erzeugten elektrischen Signale eingerichtet ist, und wobei die Auswertungseinrichtung (45) zur Bestimmung eines Divergenzwinkels aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor (42) eingerichtet ist.
24. Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) dazu eingerichtet ist, dass die Positionen der zwei Strahlflecke (92, 93) auf dem Detektor (40) bei einer Variation der axialen Position des Strahlfokus (71 ) auf zwei durch den Abstand w voneinander getrennten Bahnen laufen.
25. System umfassend eine Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Bearbeitungsoptik (100) zur Führung und zur Fokussierung des Energiestrahls (77), wobei die Bearbeitungsoptik (100) eine Auskopplungseinrichtung (14) zur Auskopplung des Probenstrahls (70) aus dem Energiestrahl (77) umfasst, und wobei die Strahlanalysevorrichtung (10) zum
F Empfang des ausgekoppelten Probenstrahls (70) mit der Bearbeitungsoptik (100) verbindbar ist.
26. Verfahren zur Bestimmung einer axialen Position eines Strahlfokus (71 ), wobei der Strahlfokus (71 ) ein Fokus (76) eines Energiestrahls (77) aus elektromagnetischer Strahlung oder ein Fokus eines aus dem Energiestrahl (77) ausgekoppelten Probenstrahls (70) ist, umfassend die folgenden Schritte:
- Herauslösen von zwei Teilstrahlen (72, 73) aus dem Energiestrahl (77) oder aus dem aus dem Energiestrahl (77) ausgekoppelten Probenstrahl (70) in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung (19), wobei die zwei Teilstrahlen (72, 73) ein erster Teilstrahl (72) und ein zweiter Teilstrahl (73) sind, wobei Querschnitte der zwei Teilstrahlen (72, 73) in der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) durch jeweils eine Teilapertur (32, 33) definiert werden, wobei die Teilaperturen (32, 33) voneinander abgegrenzt sind und Mittelpunkte der Teilaperturen (32, 33) einen Abstand k zueinander aufweisen, wobei durch den Abstand k der Teilaperturen (32, 33) eine erste laterale Richtung (31 ) definiert ist, wobei der Begriff „lateral“ sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse (11 ) bezieht,
- Führen der zwei Teilstrahlen (72, 73) auf einen Detektor (40), der entlang einer Propagationsstrecke für die zwei Teilstrahlen (72, 73) in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist, umfassend:
- Abbilden der zwei Teilstrahlen (72, 73) auf den Detektor (40) zur Bildung von wenigstens einem Strahlfleck (92) aus dem ersten Teilstrahl (72) und wenigstens einem Strahlfleck (93) aus dem zweiten Teilstrahl (73) zur Formung einer Intensitätsverteilung (83) auf dem Detektor (40), welche zwei Strahlflecke (92, 93) umfasst, wobei die zwei Strahlflecke (92, 93) der wenigstens eine Strahlfleck (92) des ersten Teilstrahls (72) und der wenigstens eine Strahlfleck (93) des zweiten Teilstrahls (73) sind, 77
- Ablenken und/oder Versetzen von mindestens einem der zwei Teilstrahlen (72, 73) in einer zweiten lateralen Richtung (37) und dadurch Ausbilden eines Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40), wobei die zweite laterale Richtung (37) quer zur ersten lateralen Richtung (31 ) ausgerichtet ist,
- Umwandeln der auf den Detektor (40) auftreffenden Intensitätsverteilung (83) in elektrische Signale mittels eines lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensors des Detektors (40),
- Verarbeiten der elektrischen Signale des Detektors (40), die die Intensitätsverteilung (83) auf dem Detektor (40) repräsentieren,
- Bestimmen eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung (31 ) zwischen Positionen der zwei Strahlflecke (92, 93),
- Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a oder Bestimmen einer Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf einer Änderung des Abstandes a.
27. Verfahren nach Anspruch 26, umfassend:
- Ablenken und/oder Versetzen der zwei Teilstrahlen (72, 73) relativ zueinander, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der zwei Teilstrahlen (72, 73) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist, und dadurch Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40).
28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, umfassend ein Auskoppeln des Probenstrahls (70) aus dem Energiestrahl (77).
F 78
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei durch Reflexion und/oder Transmission ein Strahlungsanteil im Bereich von 0,01 % bis 5% des Energiestrahls (77) als Probenstrahl (70) ausgekoppelt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-29, wobei das Abbilden der zwei Teilstrahlen (72, 73) auf den Detektor (40) mittels einer Abbildungseinrichtung (50) mit wenigstens einer optischen Linse (51 ) erfolgt.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei das Herauslösen der zwei Teilstrahlen (72, 73) am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung (50) erfolgt.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , wobei das Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke (92, 93), oder der Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke (92, 93), mittels einer linearen Berechnungsvorschrift erfolgt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-32, wobei das Bestimmen der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf dem Abstand a der zwei Strahlflecke (92, 93), oder der Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) basierend auf der Änderung des Abstandes a der zwei Strahlflecke (92, 93), mittels einer zumindest abschnittsweise linearen Berechnungsvorschrift erfolgt.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-33, wobei mittels einer Strahlfaltungseinrichtung (60), die einen Strahlteiler (61 ) und wenigstens einen Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) beinhaltet und die im Strahlenverlauf vor dem Detektor (40) angeordnet ist, durch Reflexion eines den Strahlteiler (61 ) verlassenden Strahlungsanteils an dem wenigstens einen Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) zurück in den Strahlteiler (61 ) ein erster gefalteter Strahlweg gebildet wird, und wobei das
F Herauslösen der zwei Teilstrahlen (72, 73) im Strahlenverlauf vor der Strahlfaltungseinrichtung (60) oder im ersten gefalteten Strahlweg erfolgt.
35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei mittels der Strahlfaltungseinrichtung (60), die zusätzlich wenigstens einen zweiten Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) beinhaltet, durch Reflexion eines weiteren den Strahlteiler (61 ) verlassenden Strahlungsanteils an dem zweiten Spiegel (64, 56, 57, 58, 59) zurück in den Strahlteiler (61 ) ein zweiter gefalteter Strahlweg gebildet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Herauslösen der zwei Teilstrahlen (72, 73) in dem ersten gefalteten Strahlweg stattfindet, wobei in dem zweiten gefalteten Strahlweg kein Herauslösen von Teilstrahlen erfolgt und ein Strahlungsanteil als unmodulierter Strahl (78) auf den Detektor (40) geführt wird, und wobei aus einer Intensitätsverteilung eines Strahlflecks (98) des unmodulierten Strahls (78) auf dem Detektor (40) ein Strahldurchmesser und/oder ein Strahlprofil bestimmt wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei mittels einer Positioniereinrichtung (66) die axiale Position des Spiegels (64) in dem zweiten Strahlweg variiert wird und bei wenigstens drei unterschiedlichen Positionen des Spiegels (64) jeweils eine Intensitätsverteilung des Strahlflecks (98) des unmodulierten Strahls (78) auf dem Detektor (40) registriert wird, und wobei aus den registrierten Intensitätsverteilungen wenigstens ein Strahlparameter des Probenstrahls (70) bestimmt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-37, umfassend das Bestimmen einer lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83) mit den zwei Strahlflecken (92, 93) auf dem Detektor (40) und das Berechnen einer lateralen Position des Strahlfokus (71 ) des Probenstrahls (70) aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83) oder das Berechnen einer Änderung der
F 80 lateralen Position des Strahlfokus (71 ) des Probenstrahls (70) aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (83).
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 30-38, umfassend die folgenden Schritte:
- Aufteilen des Probenstrahls mittels eines Strahlteilers (62), der im Strahlenverlauf hinter der optischen Linse (51 ) der Abbildungseinrichtung (50) und vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist,
- Abbilden eines abgeteilten Probenstrahls auf einen zweiten Detektor (42) mittels einer weiteren Abbildungseinrichtung (63) mit wenigstens einer optischen Linse, die zwischen dem Strahlteiler (62) und dem zweiten Detektor (42) angeordnet ist, zur Formung eines vergrößerten Strahlflecks (98) oder eines vergrößerten Bildes des Strahlfokus (71 ) auf dem zweiten Detektor (42), und
- Bestimmen eines Strahldurchmessers oder eines Fokusdurchmessers aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor (42).
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 30-38, umfassend die folgenden Schritte:
- Aufteilen des Probenstrahls mittels eines Strahlteilers (62), der im Strahlenverlauf hinter der optischen Linse (51 ) der Abbildungseinrichtung (50) und vor der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist,
- Führen eines abgeteilten Probenstrahls auf einen zweiten Detektor (42) mittels einer weiteren Abbildungseinrichtung (67) mit wenigstens einer optischen Linse, die zwischen dem Strahlteiler (62) und dem zweiten Detektor (42) angeordnet ist, zur Formung einer Fernfeld-Strahlverteilung (99) auf dem zweiten Detektor (42), wobei die Abbildungseinrichtung (50) und die weitere Abbildungseinrichtung (67) zusammen ein kombiniertes Linsensystem bilden, welches eine bildseitige Brennebene aufweist, und wobei der zweite Detektor (42)
F 81 in der bildseitigen Brennebene des kombinierten Linsensystems angeordnet ist, und
- Bestimmen eines Fernfeld-Strahldurchmessers oder eines Divergenzwinkels aus einer Intensitätsverteilung auf dem zweiten Detektor (42).
41 . Verfahren nach einem der Ansprüche 26-40, wobei der Energiestrahl (77) durch eine Bearbeitungsoptik (100) fokussiert wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41 , wobei die bestimmte axiale Position des Strahlfokus (71 ) oder die bestimmte Änderung der axialen Position des Strahlfokus (71 ) zur Steuerung eines Laserbearbeitungsprozesses verwendet wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-42, wobei die Positionen der zwei Strahlflecke (92, 93) auf dem Detektor (40) bei einer Variation der axialen Position des Strahlfokus (71 ) auf zwei durch den Abstand w voneinander getrennten Bahnen laufen.
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Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0248479A1 (de) 1986-06-04 1987-12-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Optische Messanordnung des Abstands zwischen einer Oberfläche und einer Bezugsebene
DE10142206A1 (de) 2001-08-25 2003-03-13 Fraunhofer Ges Forschung Messanordnung und Verfahren zur Bestimmung der Tiefe von in Substratoberflächen ausgebildeten Bohrungen oder nutenförmigen Einschnitten
US6548797B1 (en) * 2000-10-20 2003-04-15 Nikon Corporation Apparatus and method for measuring a wavefront using a screen with apertures adjacent to a multi-lens array
US20080100829A1 (en) * 2006-10-31 2008-05-01 Mitutoyo Corporation Surface height and focus sensor
WO2012041351A1 (de) 2010-09-30 2012-04-05 Wavelight Gmbh Vorrichtung und verfahren für die bearbeitung von material mit fokussierter elektromagnetischer strahlung
DE102011007176A1 (de) 2011-04-12 2012-10-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls und Verfahren zum Überwachen einer Laserbearbeitung
DE102013210078A1 (de) 2013-05-29 2014-12-04 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition eines Hochenergiestrahls sowie Computerprogrammprodukt
EP2886239A1 (de) 2013-12-23 2015-06-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Regelung der Bearbeitungsbahn bei einem Laser-Fügeprozess
DE102013227031A1 (de) 2013-12-20 2015-06-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls und zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung
WO2015185152A1 (de) 2014-06-06 2015-12-10 Trumpf Lasersystems For Semiconductor Manufacturing Gmbh Vorrichtung und verfahren zur überwachung eines laserstrahls
DE102017131147A1 (de) * 2017-12-22 2019-06-27 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Strahlführungsoptik in einem Laserbearbeitungskopf bei der Lasermaterialbearbeitung
DE102018105364A1 (de) 2018-03-08 2019-09-12 Precitec Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem, Laserbearbeitungssystem mit derselben und Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem
DE102019004337A1 (de) 2019-06-21 2020-12-24 Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung System zur Fokuslagen-Kontrolle

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0248479A1 (de) 1986-06-04 1987-12-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Optische Messanordnung des Abstands zwischen einer Oberfläche und einer Bezugsebene
US6548797B1 (en) * 2000-10-20 2003-04-15 Nikon Corporation Apparatus and method for measuring a wavefront using a screen with apertures adjacent to a multi-lens array
DE10142206A1 (de) 2001-08-25 2003-03-13 Fraunhofer Ges Forschung Messanordnung und Verfahren zur Bestimmung der Tiefe von in Substratoberflächen ausgebildeten Bohrungen oder nutenförmigen Einschnitten
US20080100829A1 (en) * 2006-10-31 2008-05-01 Mitutoyo Corporation Surface height and focus sensor
WO2012041351A1 (de) 2010-09-30 2012-04-05 Wavelight Gmbh Vorrichtung und verfahren für die bearbeitung von material mit fokussierter elektromagnetischer strahlung
DE102011007176A1 (de) 2011-04-12 2012-10-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls und Verfahren zum Überwachen einer Laserbearbeitung
DE102013210078A1 (de) 2013-05-29 2014-12-04 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Fokusposition eines Hochenergiestrahls sowie Computerprogrammprodukt
DE102013227031A1 (de) 2013-12-20 2015-06-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung und Verfahren zum Analysieren eines auf ein Substrat auftreffenden Lichtstrahls und zum Korrigieren einer Brennweitenverschiebung
EP2886239A1 (de) 2013-12-23 2015-06-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Regelung der Bearbeitungsbahn bei einem Laser-Fügeprozess
WO2015185152A1 (de) 2014-06-06 2015-12-10 Trumpf Lasersystems For Semiconductor Manufacturing Gmbh Vorrichtung und verfahren zur überwachung eines laserstrahls
DE102017131147A1 (de) * 2017-12-22 2019-06-27 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Strahlführungsoptik in einem Laserbearbeitungskopf bei der Lasermaterialbearbeitung
DE102018105364A1 (de) 2018-03-08 2019-09-12 Precitec Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem, Laserbearbeitungssystem mit derselben und Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem
DE102019004337A1 (de) 2019-06-21 2020-12-24 Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung System zur Fokuslagen-Kontrolle

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