WO2024023071A1 - Optical assembly for converting an input laser beam into a linear output beam - Google Patents

Optical assembly for converting an input laser beam into a linear output beam Download PDF

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WO2024023071A1
WO2024023071A1 PCT/EP2023/070544 EP2023070544W WO2024023071A1 WO 2024023071 A1 WO2024023071 A1 WO 2024023071A1 EP 2023070544 W EP2023070544 W EP 2023070544W WO 2024023071 A1 WO2024023071 A1 WO 2024023071A1
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optics
optical arrangement
segmentation
sorting
output
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PCT/EP2023/070544
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Andreas Heimes
Torsten Beck
Christian LINGEL
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • G—PHYSICS
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    • G02B27/0966—Cylindrical lenses
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    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms

Definitions

  • the invention relates to an optical arrangement for converting an input laser beam into an output beam and a laser system comprising a laser light source and such an optical arrangement.
  • the laser systems in question serve to generate particularly high-intensity radiation with an intensity distribution that has a beam cross section that extends in particular in a line-like manner.
  • Such a laser system is described, for example, in DE 10 2018 115 126 B4.
  • the axis defined by the line-like extent is referred to as the “long axis” of the intensity distribution.
  • An axis perpendicular to the line-like extent and perpendicular to the direction of propagation is also referred to as the “short axis”.
  • a local coordinate system is assumed to describe the geometric relationships of the beam, with the long axis, the short axis and the direction of propagation defining an oriented, right-handed, Cartesian coordinate system.
  • the line-like beam profiles mentioned are used, for example, to process surfaces of glasses or semiconductors (e.g. tempering, annealing).
  • the line-like beam profile is scanned essentially perpendicular to the long axis over the surface to be processed.
  • the radiation can e.g.
  • Recrystallization processes surface melting, diffusion processes of foreign materials into the material to be treated or other phase transformations are triggered in the surface area.
  • processing processes come e.g. B. used in the production of TFT displays, in the doping of semiconductors, in the production of solar cells, but also in the production of aesthetically designed glass surfaces for building purposes.
  • multi-aperture systems are typically used, in which a division into subapertures and the optical function takes place in a single element (e.g. a microlens array).
  • This fixed link significantly limits the flexibility of such elements, as e.g. B. It is not possible to set the pitch, the numerical aperture and the optical function separately from each other.
  • Another problem with such systems is that the path length within the subapertures is often the same, which can lead to unwanted interference effects. It is also always desirable to further improve the homogenization of the beam profile.
  • the object of the invention is therefore to provide an optical arrangement that is improved compared to the prior art To provide an appropriate laser system that is particularly flexible and enables good homogenization.
  • an optical arrangement for converting an input laser beam into an output beam, which propagates along a direction of propagation and which, in a working plane, has a beam cross section that extends along a first direction and along a beam cross section that extends perpendicular to the first direction and to the direction of propagation in a second direction non-disappearing intensity.
  • the optical arrangement includes a forming optics through which a beam packet can be irradiated and which is designed to transform different beam segments of the beam packet into an intermediate beam with intermediate beam beam segments extending along the second direction.
  • the optical arrangement further comprises at least one segmentation and/or re-sorting optics, through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to segment and radiate the input laser beam into the beam packet with the different beam packet beam segments, and through which the intermediate beam can be irradiated , and wherein the segmentation and/or re-sorting optics are designed to convert the intermediate beam extended in the second direction into the output beam extended in the first direction by re-sorting the intermediate beam beam segments along the first direction and to radiate it onto the working plane.
  • the working plane can in particular be oriented perpendicular to the direction of propagation.
  • the first direction and the second direction can each be oriented perpendicular to the direction of propagation.
  • the output beam can in particular be a line-like output beam, which in the working plane has a line-like beam cross section with non-disappearing intensity that extends along the first direction and extends along the second direction.
  • the first direction can also be referred to as the longitudinal direction and the second direction can also be referred to as the width direction.
  • the intermediate beam can also be extended like a line, in particular extended like a line along the second direction.
  • an optical arrangement for converting an input laser beam into a line-like output beam which propagates along a propagation direction and which in a working plane has a line-like beam cross-section that extends along a line direction and extends perpendicular to the line direction and to the propagation direction in a width direction with non-disappearing intensity.
  • the optical arrangement includes a forming optics through which a beam packet can be irradiated and which is designed to transform different beam segments of the beam packet into an intermediate beam with intermediate beam beam segments that extends in a line-like manner along the width direction.
  • the optical arrangement further comprises at least one
  • Segmentation and/or re-sorting optics through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to transfer the input laser beam into the beam packet to segment and radiate with the different beam packet beam segments, and through which the line-like intermediate beam can be irradiated, and wherein the segmentation and/or re-sorting optics are designed to re-sort the intermediate beam, which is extended in a line-like manner in the width direction, by re-sorting the intermediate beam beam segments along the line direction convert a line-like output beam extending in the direction of the line and radiate it onto the working plane.
  • the optical arrangement can also be used or set up to generate a homogenization of an output beam regardless of its beam profile in the working plane.
  • the output beam does not have to be a line-like beam profile.
  • a square, rectangular or other beam profile of the output beam can be generated in the working plane.
  • the optical arrangement is therefore a device for converting an input laser beam into an output beam with a homogenized, in particular line-like, intensity profile.
  • the output beam spreads (on a spatial average) in a direction of propagation and has an intensity distribution which, in an optical working plane of the optical arrangement, has a beam cross section with a particularly line-like course along a direction, which in the present context is also called the line direction instead of the first direction can be designated. Since the beam can be deflected once or several times as it passes through the optical arrangement, depending on the design, the Line direction is to be understood in such a way that the beam cross section is elongated locally along the line direction.
  • the particularly elliptical input laser beam is segmented on the one hand by the at least one segmentation and/or re-sorting optics in the second direction along the aforementioned short axis and on the other hand by the at least one segmentation and/or re-sorting optics in the first direction along the re-sorted along the previously mentioned long axis, i.e. sorted back in particular into the elongated extension direction of the input laser beam.
  • the beam packet and the intermediate beam can each be homogenized in order to obtain an output beam homogenized in the second direction and the first direction.
  • one or more homogenization optics can be provided in the beam path from the input laser beam to the output beam, which can be provided in addition to the forming optics and the segmentation and / or re-sorting optics, or with regard to. their homogenizing properties can be integrated into the aforementioned optics, for example in the forming optics or be provided by the forming optics and/or, for example, in the focusing and/or collimating optics mentioned later.
  • Such a homogenization optics can therefore be designed to superimpose and mix different beam segments of the beam packet and/or the intermediate beam along the second direction and/or first direction, so that the intensity profile is homogenized with respect to the respective direction in which the beam cross section is, for example elongated.
  • the output beam can be homogenized along both the short and long axes.
  • the individual beam segments pass through the common forming optics, thereby providing the same overall effect as a microlens array.
  • the advantage of this separation of segmentation by the at least one segmentation and/or re-sorting optics and the optical effect by the forming optics lies in the possibility of separate manipulation.
  • the size of the beam packet beam segments (also pitch) can be varied continuously.
  • Beam segmentation offers a further advantage in the sense that the individual beam packet beam segments can be guided over path lengths of different lengths. This allows the coherence properties of the output beam to be influenced (particularly for single-mode homogenization).
  • the individual beam segments can be reshaped incoherently with respect to one another. Any periodic interference contrast, as with a lens array, can then be eliminated or at least reduced.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics is equipped with at least one input aperture, through which the input laser beam can be irradiated, and at least one output aperture.
  • the at least one output aperture extends in particular elongated along an output aperture longitudinal direction.
  • the dimension of the output aperture along the output aperture longitudinal direction is significantly larger than the dimension perpendicular to the output aperture longitudinal direction.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with respect to its segmentation properties, such that the input laser beam irradiated through the at least one input aperture is converted into a beam packet emerging through the at least one output aperture.
  • the beam packet comprises a large number of beam packet beam segments, which are distributed in particular over the preferably elongated output aperture and which preferably completely fill at least one output aperture.
  • a beam packet refers in particular to a light distribution which can be mathematically described by a vector field, with each point in space being locally assigned the Poynting vector of the associated electromagnetic field.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with regard to its segmentation properties, in particular to generate a beam packet from a largely coherent input laser beam which has reduced spatial coherence or is even essentially incoherent.
  • the properties of the output beam are also decisively influenced by the design of the at least one segmentation and/or re-sorting optics.
  • the optical processes in the at least one segmentation and/or re-sorting optics are complex and have a particular influence on the spatial coherence of the light distribution, which in turn is crucial for the formation of disruptive interference artifacts.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with respect to its segmentation properties, such that when an input laser beam with high spatial coherence is irradiated through the input aperture, the beam packet emerging from the output aperture has a significantly reduced spatial coherence, in particular is incoherent. This reduces or reduces interference effects during the subsequent homogenization and/or focusing in the beam path. completely avoided, which means that inhomogeneities in the intensity curve can be reduced.
  • the optical arrangement can comprise a transformation lens means downstream of the previously mentioned at least one homogenizing optics in the beam path.
  • the transformation lens means can be designed such that the mixed beam segments are superimposed and homogenized to form the intermediate beam and/or output beam.
  • a transformation lens agent can also contribute in particular to homogenization.
  • the working plane can run in a focus area of the transformation lens means. It is conceivable, for example, that beam segments from each region of the detected radiation are focused in different, preferably all, regions along the first direction.
  • the transformation lens means can in particular be designed to be formed by the at least one Homogenization optics to superimpose beam packet beam segments mixed through to the intermediate beam or output beam, so that the homogenized intensity distribution with the desired beam profile is established in the working plane.
  • the transformation lens means can preferably be designed or used as refractive Fourier optics. be designed as a (in particular non-imaging) Fourier lens. It is conceivable, for example, B. an embodiment as a Fresnel zone plate.
  • the optical arrangement preferably has collimating and/or focusing optics for collimating and/or focusing the output beam onto an output beam collimated and/or focused on the working plane.
  • the collimating and/or focusing optics can be, for example, a cylindrical lens, a spherical lens, an acylinder, an asphere, a prism, a DOE, another re-sorting optics or the like, or it can include at least one of the aforementioned.
  • the forming optics have a cylindrical lens, a telescope and/or a beam transformer.
  • a telescope can provide a continuously tunable numerical aperture.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics may comprise: a segmentation optics through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to segment and radiate the input laser beam into the beam packet with the different beam packet beam segments, and a Re-sorting optics, through which the, in particular line-like,
  • Intermediate beam can be irradiated and which is designed to convert the intermediate beam, which is extended in the second direction, in particular in a line-like manner, by rearranging the intermediate beam beam segments along the first direction, in particular in the line direction, into the output beam which extends in the first direction, in particular in a line-like manner, and to which to radiate from the working plane.
  • two separate optics namely a segmentation optic and a re-sorting optic, are provided in the optical arrangement, which are designed as described above.
  • the re-sorting optics are arranged in the beam path in particular behind the segmentation optics and the forming optics.
  • the segmentation optics and the re-sorting optics can be optics of the same type, so that the differences between them essentially relate to the different segmentation or. Re-sorting the laser beam in the beam path refers to what they are designed for.
  • the optical arrangement can include a common segmentation and re-sorting optics.
  • the segmentation and re-sorting properties can be linked in a single optic.
  • the optical arrangement can be used for this purpose
  • reflection element for reflecting the line-like intermediate beam onto the segmentation and re-sorting optics.
  • a reflection element can be, for example, a mirror.
  • the mirror can be arranged in the beam path behind the segmentation and re-sorting optics and the forming optics.
  • the mirror can be used for a 180 ° deflection of the intermediate beam back to the im Segmentation and re-sorting optics arranged in front of the beam path can be arranged.
  • the reflection element can also be a suitably configured polarization element, for example a retardation plate, in particular an X/4 plate.
  • the X/4 plate can be used to separate the incoming beam from the reflected beam. This works by using the X/4 plate with different polarizations.
  • an X/4 plate in front of the reflection element converts the degree of polarization into circular polarization, which is rotated under reflection and is converted via the This makes a polarization beam splitter suitable, for example, for separating the respective beams.
  • the advantage of providing a single segmentation and re-sorting optic is the cost savings, since a second optic does not have to be provided.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics can in particular be a monolithic beam transformer.
  • the monolithic beam transformer can have correspondingly different input and output apertures, e.g. B. an input aperture for the input laser beam, an input aperture for the intermediate beam, an output aperture for the beam packet and an output aperture for the output beam.
  • input and output apertures e.g. B. an input aperture for the input laser beam, an input aperture for the intermediate beam, an output aperture for the beam packet and an output aperture for the output beam.
  • both can be monolithic beam transformers, for example.
  • different types of optics are used for the Segmentation optics and re-sorting optics are used, as described in more detail below by way of example.
  • the monolithic beam transformer can be formed from a plate-like, transparent material and have a front side of the plate and a back side of the plate running essentially parallel thereto, with an area of the front side of the plate providing an input aperture and an area of the back side of the plate providing an output aperture.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed so that the beam packet beam segments cover different path lengths in the segmentation optics, and/or that the intermediate beam beam segments have different path lengths in the at least one segmentation and/or or put back the sorting optics. As explained previously, this can influence the coherence properties of the output beam.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optics can also be advantageous to design the at least one segmentation and/or the re-sorting optics as a plate stack.
  • the use of a mirror package consisting of several mirrors with multiple reflections can also be advantageous for at least one segmentation and/or re-sorting optics.
  • the at least one segmentation and/or re-sorting optic is a mirror package made up of several sharp-edged mirrors with simple reflection.
  • the laser system is set up to generate radiation with an intensity distribution which has a homogenized, in particular line-shaped, intensity profile in the beam cross section.
  • the laser system comprises: a laser light source for emitting laser beams, and the optical arrangement according to the invention, wherein the optical arrangement is arranged such that the input laser beam can be irradiated through the at least one segmentation and/or re-sorting optics.
  • the laser light source can be particularly suitable or designed for multi-mode operation.
  • the laser radiation from the laser light source can in principle be irradiated directly into the optical arrangement.
  • the laser system also includes preform optics, by means of which the laser radiation is reshaped before it enters the optical arrangement.
  • the preform optics can be designed, for example, as collimation optics.
  • the preform optics can appear anamorphic, so that the input laser beam has an elliptical beam cross section.
  • Figure 1 sketch to explain the beam path in a laser system for generating line-shaped intensity distributions
  • FIG 2 a sketch to explain the effect of the optical arrangement of the laser system from Figure 1;
  • Figure 3a is a simplified sketch of the optical
  • Figure 3b shows a modification of the optical arrangement
  • FIG. 2a in a simplified sketch.
  • the laser system 10 includes at least one laser light source 14 for emitting laser radiation 16.
  • the laser light source 14 is preferably designed as a multi-mode laser.
  • the laser radiation 16 feeds an input laser beam 20, optionally via a preform optics 18.
  • the preform optics 18 can, for example, have a collimating effect and/or transform the laser radiation into an input laser beam 20 with an elliptical beam cross section. It is conceivable, for example, that the laser radiation is first converted into the input laser beam 20 by means of deflection mirrors 32 (see FIG. 2a) and/or at least one lens means 34 (see FIG. 2a).
  • the laser system 10 further comprises an optical arrangement 30, by means of which the input laser beam 20 is converted into the line-like output beam 44.
  • Fig. 2a shows a Cartesian coordinate system (x, y, z).
  • the input laser beam 20 propagates along the z-direction or Direction of propagation z.
  • the axis defined by the line-like extent of the output beam 44 runs along a long axis in the direction shown in FIG. 2a shown y-direction or Line direction y.
  • An axis perpendicular to the line direction y and perpendicular to the propagation direction z is called a short axis along a shown x-direction.
  • the optical arrangement 30 comprises several optical assemblies, which are arranged downstream of one another in the beam path from the input laser beam 20 to the output beam 44.
  • Fig. 1 is shown in simplified form, the input laser beam 20 is first guided through the input aperture 21 of a segmentation optics 22, which segments the input laser beam 20 into a beam packet 40 with different beam segments 41, as shown in FIG. 2b shows.
  • the beam packet 40 occurs at a point shown in FIG. 2a not visible output aperture on the side of the segmentation optics 22 opposite the input aperture 21.
  • the beam packet 40 with the beam segments 41 is then transformed into a linearly extended intermediate beam 42 and emitted by means of a forming optics 24 located downstream in the beam path of the segmentation optics 22.
  • a forming optics 24 located downstream in the beam path of the segmentation optics 22.
  • intermediate beam beam segments 43 of the intermediate beam 42 are sorted in the second direction x - here also referred to as the width direction x (or along the short axis) - (the width in the "width direction" refers to the beam width of the output beam 44).
  • the forming optics 24 includes, for example, the cylindrical lens 25 shown, but can alternatively or additionally also have further optical elements (not shown), such as further lenses, a telescope and/or a beam transformer.
  • the forming optics 24 can also be homogenizing effective and if necessary. also additional
  • the intermediate beam 42 finally passes through a re-sorting optics 26 downstream of the forming optics 24.
  • the segmentation optics 22 and the re-sorting optics 26 each include a monolithic beam transformer 50.
  • the re-sorting optics 26 sorts the intermediate beam beam segments 43 of the intermediate beam 42 sorted in the width direction x back into the y direction, also referred to herein as the line direction y (or along the long axis), as shown in FIG. 2d shows (the line in the “line direction” refers to the beam line or longitudinal extent of the output beam 44).
  • collimation and/or focusing optics 28 connected downstream in the beam path of the re-sorting optics 26 are optionally provided here.
  • the collimating and/or focusing optics 28 collimate and/or focus the output beam 44 onto an output beam 46 collimated and/or focused on the working plane 48.
  • Fig. 3a shows the optical arrangement 30 of FIG. 2a in an alternative and simplified ski z ze.
  • the two reflective surfaces and limited input and output apertures (not explicitly designated) of the segmentation optics 22 and the re-sorting optics 26 can be seen particularly well here, whereby these can each be designed, for example, as a monolithic glass or as two mirrors.
  • Fig. 3b shows an alternative to the optical arrangement 30 of FIG. 3a, in which only one common segmentation and re-sorting optics 22 is provided, which in turn takes over both the segmentation of the input laser beam 20 and the re-sorting of the intermediate beam beam segments 43 along the line direction y.
  • Fig. 3b shows an example of a reflection element 60 designed as a mirror 60 in the beam path behind the forming optics 24, here in the form of a cylindrical lens 25, which segments the intermediate beam 43 emitted from the forming optics 24 back onto the segmentation and re-sorting optics 22.
  • Different input apertures for the input laser beam 20 and for the intermediate beam 42 as well as different output apertures for the beam packet 40 and the output beam 44 can be provided in the segmentation and re-sorting optics 22, which is designed here, for example, in the form of a single monolithic beam transformer 50.
  • the output beam 44 can of course subsequently be collimated and/or focused by the previously mentioned and not shown here collimating and/or focusing optics 28 (see FIG. 2a).
  • the advantage of providing a single segmentation and re-sorting optics 22 is the high cost savings that can be achieved, since two optics do not have to be provided.

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Abstract

The invention relates to an optical assembly (30) for converting an input laser beam (20) into an output beam (44), which propagates along a propagation direction (z) and which, in a working plane (48), has a beam cross-section with non-vanishing intensity that is extended along a first direction (y) and extends along a second direction (x) perpendicular to the first direction (y) and to the propagation direction (z). The invention also relates to a laser system (10) for generating radiation with an intensity distribution (L) that has a homogenised intensity profile in the beam cross-section.

Description

Titel : Optische Anordnung zur Umwandlung einesTitle: Optical arrangement for converting a
Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahls Input laser beam into a line-like output beam
Beschreibung Description
Die Erfindung betri f ft eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen Ausgangsstrahl sowie ein Lasersystem umfassend eine Laserlichtquelle und eine solche optische Anordnung . The invention relates to an optical arrangement for converting an input laser beam into an output beam and a laser system comprising a laser light source and such an optical arrangement.
Die betrof fenen Lasersysteme dienen der Erzeugung einer insbesondere hochintensiven Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, die einen insbesondere linienartig erstreckten Strahlquerschnitt aufweist . Ein solches Lasersystem wird beispielsweise in DE 10 2018 115 126 B4 beschrieben . The laser systems in question serve to generate particularly high-intensity radiation with an intensity distribution that has a beam cross section that extends in particular in a line-like manner. Such a laser system is described, for example, in DE 10 2018 115 126 B4.
Im Folgenden wird die durch die linienartige Ausdehnung definierte Achse als „lange Achse" der Intensitätsverteilung bezeichnet . Eine Achse senkrecht zur linienartigen Ausdehnung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung wird auch als „kurze Achse" bezeichnet . Für die Beschreibung der geometrischen Verhältnisse des Strahls wird j eweils ein lokales Koordinatensystem angenommen, wobei die lange Achse , die kurze Achse und die Ausbreitungsrichtung ein orientiertes , rechtshändiges , kartesisches Koordinatensystem definieren . Die genannten linienartigen Strahlprofile werden beispielsweise eingesetzt , um Oberflächen von Gläsern oder Halbleitern zu bearbeiten ( z . B . Tempering, Annealing) . Hierbei wird das linienartige Strahlprofil im Wesentlichen senkrecht zur langen Achse über die zu bearbeitende Oberfläche gescannt . Durch die Strahlung können z . B . Umkristallisationsprozesse , oberflächliche Schmel zungen, Di f fusionsprozesse von Fremdmaterialien in das zu behandelnde Material oder sonstige Phasenumwandlungen im Bereich der Oberfläche ausgelöst werden . Derartige Bearbeitungsprozesse kommen z . B . bei der Herstellung von TFT-Displays , bei der Dotierung von Halbleitern, bei der Herstellung von Solarzellen, aber auch zur Herstellung ästhetisch ausgestalteter Glasoberflächen für Bauzwecke zum Einsatz . In the following, the axis defined by the line-like extent is referred to as the “long axis” of the intensity distribution. An axis perpendicular to the line-like extent and perpendicular to the direction of propagation is also referred to as the “short axis”. A local coordinate system is assumed to describe the geometric relationships of the beam, with the long axis, the short axis and the direction of propagation defining an oriented, right-handed, Cartesian coordinate system. The line-like beam profiles mentioned are used, for example, to process surfaces of glasses or semiconductors (e.g. tempering, annealing). Here, the line-like beam profile is scanned essentially perpendicular to the long axis over the surface to be processed. The radiation can e.g. B. Recrystallization processes, surface melting, diffusion processes of foreign materials into the material to be treated or other phase transformations are triggered in the surface area. Such processing processes come e.g. B. used in the production of TFT displays, in the doping of semiconductors, in the production of solar cells, but also in the production of aesthetically designed glass surfaces for building purposes.
Für die Erzeugung des linienartigen Strahlprofils oder von Strahlprofilen mit anderer Geometrie werden typischerweise Multiapertur-Systeme eingesetzt , bei denen eine Aufteilung in Subaperturen und die optische Funktion in einem einzigen Element (bspw . einem Mikrolinsen-Array ) stattfindet . Diese fixe Verknüpfung schränkt die Flexibilität solcher Elemente deutlich ein, da es z . B . nicht möglich ist , den Pitch, die numerische Apertur und die optische Funktion getrennt voneinander einzustellen . Ein weiteres Problem solcher Systeme ist die oftmals gleiche Weglänge innerhalb der Subaperturen, welche zu ungewollten Interferenzef fekten führen kann . Auch ist es stets gewünscht , die Homogenisierung des Strahlprofils noch weiter zu verbessern . To generate the line-like beam profile or beam profiles with a different geometry, multi-aperture systems are typically used, in which a division into subapertures and the optical function takes place in a single element (e.g. a microlens array). This fixed link significantly limits the flexibility of such elements, as e.g. B. It is not possible to set the pitch, the numerical aperture and the optical function separately from each other. Another problem with such systems is that the path length within the subapertures is often the same, which can lead to unwanted interference effects. It is also always desirable to further improve the homogenization of the beam profile.
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte optische Anordnung für ein entsprechende Lasersystem bereitzustellen, die insbesondere flexibel ist und eine gute Homogenisierung ermöglicht . The object of the invention is therefore to provide an optical arrangement that is improved compared to the prior art To provide an appropriate laser system that is particularly flexible and enables good homogenization.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung gemäß Anspruch 1 . Vorgeschlagen wird demnach eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen Ausgangsstrahl , welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen entlang einer ersten Richtung ausgedehnten und entlang einer senkrecht zu der ersten Richtung und zu der Ausbreitungsrichtung in einer zweiten Richtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist . Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik, durch welche ein Strahlpaket einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , unterschiedliche Strahlsegmente des Strahlpakets in einen entlang der zweiten Richtung ausgedehnten Zwischenstrahl mit Zwischenstrahl-Strahlsegmenten umzuformen . Die optische Anordnung umfasst ferner zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten zu segmentieren und aus zustrahlen, und durch welche der Zwischenstrahl einstrahlbar ist , und wobei die Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist , den in der zweiten Richtung ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der ersten Richtung in den in der ersten Richtung erstreckten Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene aus zustrahlen . Die Arbeitsebene kann insbesondere senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein . Insbesondere können die erste Richtung und die zweite Richtung j eweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein . The task is solved by an optical arrangement according to claim 1. What is therefore proposed is an optical arrangement for converting an input laser beam into an output beam, which propagates along a direction of propagation and which, in a working plane, has a beam cross section that extends along a first direction and along a beam cross section that extends perpendicular to the first direction and to the direction of propagation in a second direction non-disappearing intensity. The optical arrangement includes a forming optics through which a beam packet can be irradiated and which is designed to transform different beam segments of the beam packet into an intermediate beam with intermediate beam beam segments extending along the second direction. The optical arrangement further comprises at least one segmentation and/or re-sorting optics, through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to segment and radiate the input laser beam into the beam packet with the different beam packet beam segments, and through which the intermediate beam can be irradiated , and wherein the segmentation and/or re-sorting optics are designed to convert the intermediate beam extended in the second direction into the output beam extended in the first direction by re-sorting the intermediate beam beam segments along the first direction and to radiate it onto the working plane. The working plane can in particular be oriented perpendicular to the direction of propagation. In particular, the first direction and the second direction can each be oriented perpendicular to the direction of propagation.
Der Ausgangsstrahl kann insbesondere ein linienartiger Ausgangsstrahl sein, welcher in der Arbeitsebene einen linienartigen, entlang der ersten Richtung ausgedehnten und entlang der zweiten Richtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist . Bei einem derartigen linienartigen Ausgangsstrahl kann die erste Richtung auch als Längsrichtung und die zweite Richtung auch als Breitenrichtung bezeichnet werden . Auch der Zwischenstrahl kann linienartig ausgedehnt sein, insbesondere entlang der zweiten Richtung linienartig ausgedehnt sein . Insbesondere wird demnach eine optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl vorgeschlagen, welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene einen linienartigen, entlang einer Linienrichtung ausgedehnten und entlang einer senkrecht zu der Linienrichtung und zu der Ausbreitungsrichtung in einer Breitenrichtung erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist . Die optische Anordnung umfasst eine Umformoptik, durch welche ein Strahlpaket einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , unterschiedliche Strahlsegmente des Strahlpakets in einen entlang der Breitenrichtung linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl mit Zwischenstrahl-Strahlsegmenten umzuformen . Die optische Anordnung umfasst ferner zumindest eineThe output beam can in particular be a line-like output beam, which in the working plane has a line-like beam cross section with non-disappearing intensity that extends along the first direction and extends along the second direction. In the case of such a line-like output beam, the first direction can also be referred to as the longitudinal direction and the second direction can also be referred to as the width direction. The intermediate beam can also be extended like a line, in particular extended like a line along the second direction. In particular, an optical arrangement for converting an input laser beam into a line-like output beam is proposed, which propagates along a propagation direction and which in a working plane has a line-like beam cross-section that extends along a line direction and extends perpendicular to the line direction and to the propagation direction in a width direction with non-disappearing intensity. The optical arrangement includes a forming optics through which a beam packet can be irradiated and which is designed to transform different beam segments of the beam packet into an intermediate beam with intermediate beam beam segments that extends in a line-like manner along the width direction. The optical arrangement further comprises at least one
Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten zu segmentieren und auszustrahlen, und durch welche der linienartige Zwischenstrahl einstrahlbar ist , und wobei die Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist , den in Breitenrichtung linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der Linienrichtung in den in Linienrichtung erstreckten linienartigen Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene aus zustrahlen . Segmentation and/or re-sorting optics, through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to transfer the input laser beam into the beam packet to segment and radiate with the different beam packet beam segments, and through which the line-like intermediate beam can be irradiated, and wherein the segmentation and/or re-sorting optics are designed to re-sort the intermediate beam, which is extended in a line-like manner in the width direction, by re-sorting the intermediate beam beam segments along the line direction convert a line-like output beam extending in the direction of the line and radiate it onto the working plane.
Allerdings kann die optische Anordnung auch dazu genutzt werden oder eingerichtet sein, eine Homogenisierung eines Ausgangsstrahls unabhängig von seinem Strahlprofil in der Arbeitsebene zu erzeugen . Mit anderen Worten muss es sich um kein linienartiges Strahlprofil beim Ausgangsstrahl handeln . Alternativ kann beispielsweise auch ein quadratisches , rechteckiges oder sonstiges Strahlprofil des Ausgangsstrahls in der Arbeitsebene erzeugt werden . However, the optical arrangement can also be used or set up to generate a homogenization of an output beam regardless of its beam profile in the working plane. In other words, the output beam does not have to be a line-like beam profile. Alternatively, for example, a square, rectangular or other beam profile of the output beam can be generated in the working plane.
Die optische Anordnung ist damit eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahles in einen Ausgangsstrahl mit einem homogenisierten, insbesondere linienartigem, Intensitätsprofil . Insofern breitet sich der Ausgangsstrahl ( im räumlichen Mittel ) in eine Ausbreitungsrichtung aus und weist eine Intensitätsverteilung auf , welche in einer optischen Arbeitsebene der optischen Anordnung einen Strahlquerschnitt mit einem insbesondere linienartigem Verlauf entlang einer Richtung aufweist , welche im vorliegenden Zusammenhang auch als Linienrichtung anstelle der ersten Richtung bezeichnet werden kann . Da der Strahl beim Durchlaufen der optischen Anordnung j e nach Ausgestaltung einmal oder mehrfach umgelenkt werden kann, ist die Linienrichtung derart zu verstehen, dass der Strahlquerschnitt lokal entlang der Linienrichtung in die Länge gezogen ist . The optical arrangement is therefore a device for converting an input laser beam into an output beam with a homogenized, in particular line-like, intensity profile. In this respect, the output beam spreads (on a spatial average) in a direction of propagation and has an intensity distribution which, in an optical working plane of the optical arrangement, has a beam cross section with a particularly line-like course along a direction, which in the present context is also called the line direction instead of the first direction can be designated. Since the beam can be deflected once or several times as it passes through the optical arrangement, depending on the design, the Line direction is to be understood in such a way that the beam cross section is elongated locally along the line direction.
Durch die optische Anordnung wird damit der insbesondere elliptische Eingangslaserstrahl einerseits durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik in der zweiten Richtung entlang der zuvor erwähnten kurzen Achse segmentiert und andererseits durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik in der ersten Richtung entlang der zuvor erwähnten langen Achse umsortiert , also insbesondere in die längliche Erstreckungsrichtung des Eingangslaserstrahls zurücksortiert . Dabei können das Strahlpaket und der Zwischenstrahl j eweils homogenisiert werden, um einen in der zweiten Richtung und der ersten Richtung homogenisierten Ausgangsstrahl zu erhalten . Hierzu können eine oder mehrere Homogenisierungsoptiken im Strahlengang vom Eingangslaserstrahl zum Ausgangsstrahl vorgesehen sein, die zusätzlich zu der Umformoptik und den Segmentierungs- und/oder Umsortieroptiken vorgesehen sein können, oder aber bzgl . ihrer homogenisierenden Eigenschaften in den vorgenannten Optiken integriert sein können, beispielsweise in der Umformoptik bzw . von der Umformoptik bereitgestellt werden und/oder beispielsweise in der später erwähnte Fokussierungs- und/oder Kollimierungsoptik . So eine Homogenisierungsoptik kann also dazu ausgebildet sein, verschiedene Strahlsegmente des Strahlpakets und/oder des Zwischenstrahls entlang der zweiten Richtung und/oder ersten Richtung zu überlagern und zu durchmischen, sodass der Intensitätsverlauf bezüglich der j eweiligen Richtung homogenisiert ist , in welcher sich der Strahlquerschnitt beispielsweise länglich erstreckt . Dies erlaubt eine Homogenisierung des Ausgangsstrahls entlang der kurzen wie auch der langen Achse . Bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung durchlaufen die einzelnen Strahlsegmente die gemeinsame Umformoptik und damit wird in Summe die gleiche Wirkung wie bei einem Mikrolinsenarray bereitgestellt . Der Vorteil bei dieser Trennung von Segmentierung durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik und optischer Wirkung durch die Umformoptik liegt in der Möglichkeit der getrennten Manipulation . Beispielsweise kann die Größe der Strahlpaket- Strahlsegmente ( auch Pitch) kontinuierlich variiert werden . Einen weiteren Vorteil bietet die Strahlsegmentierung in dem Sinne , dass die einzelnen Strahlpaket-Strahlsegmente auf unterschiedlich langen Weglängen geführt werden können . Damit können die Kohärenzeigenschaften des Ausgangsstrahls beeinflusst werden ( insbesondere für eine Single-Mode- Homogenisierung) . Insbesondere können die einzelnen Strahlsegmente zueinander inkohärent umgeformt werden . Ein etwaiger periodischer Interferenzkontrast , wie bei einem Linsenarray, kann dann ausbleiben oder zumindest reduziert werden . As a result of the optical arrangement, the particularly elliptical input laser beam is segmented on the one hand by the at least one segmentation and/or re-sorting optics in the second direction along the aforementioned short axis and on the other hand by the at least one segmentation and/or re-sorting optics in the first direction along the re-sorted along the previously mentioned long axis, i.e. sorted back in particular into the elongated extension direction of the input laser beam. The beam packet and the intermediate beam can each be homogenized in order to obtain an output beam homogenized in the second direction and the first direction. For this purpose, one or more homogenization optics can be provided in the beam path from the input laser beam to the output beam, which can be provided in addition to the forming optics and the segmentation and / or re-sorting optics, or with regard to. their homogenizing properties can be integrated into the aforementioned optics, for example in the forming optics or be provided by the forming optics and/or, for example, in the focusing and/or collimating optics mentioned later. Such a homogenization optics can therefore be designed to superimpose and mix different beam segments of the beam packet and/or the intermediate beam along the second direction and/or first direction, so that the intensity profile is homogenized with respect to the respective direction in which the beam cross section is, for example elongated. This allows the output beam to be homogenized along both the short and long axes. In the proposed optical arrangement, the individual beam segments pass through the common forming optics, thereby providing the same overall effect as a microlens array. The advantage of this separation of segmentation by the at least one segmentation and/or re-sorting optics and the optical effect by the forming optics lies in the possibility of separate manipulation. For example, the size of the beam packet beam segments (also pitch) can be varied continuously. Beam segmentation offers a further advantage in the sense that the individual beam packet beam segments can be guided over path lengths of different lengths. This allows the coherence properties of the output beam to be influenced (particularly for single-mode homogenization). In particular, the individual beam segments can be reshaped incoherently with respect to one another. Any periodic interference contrast, as with a lens array, can then be eliminated or at least reduced.
Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist mit zumindest einer Eingangsapertur, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist , und zumindest einer Ausgangsapertur ausgestattet . Die zumindest eine Ausgangsapertur erstreckt sich insbesondere länglich entlang einer Ausgangsapertur-Längsrichtung . Insbesondere ist die Abmessung der Ausgangsapertur entlang der Ausgangsapertur- Längsrichtung erheblich größer als die Abmessung senkrecht zur Ausgangsapertur-Längsrichtung . Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften derart ausgebildet , dass der durch die zumindest eine Eingangsapertur eingestrahlte Eingangslaserstrahl in ein durch die zumindest eine Ausgangsapertur austretendes Strahlpaket umgewandelt wird . Insbesondere bildet das Strahlpaket in einer theoretischen Betrachtungsebene nach der zumindest einen Ausgangsapertur insgesamt bereits eine längliche Intensitätsverteilung, insbesondere bereits mit im Wesentlichen linienförmigen Charakter . Das Strahlpaket umfasst eine Viel zahl von Strahlpaket-Strahlsegmenten, die sich insbesondere über die vorzugsweise längliche Ausgangsapertur verteilen und die zumindest eine Ausgangsapertur vorzugsweise vollständig aus füllen . The at least one segmentation and/or re-sorting optics is equipped with at least one input aperture, through which the input laser beam can be irradiated, and at least one output aperture. The at least one output aperture extends in particular elongated along an output aperture longitudinal direction. In particular, the dimension of the output aperture along the output aperture longitudinal direction is significantly larger than the dimension perpendicular to the output aperture longitudinal direction. The at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with respect to its segmentation properties, such that the input laser beam irradiated through the at least one input aperture is converted into a beam packet emerging through the at least one output aperture. In particular, the beam package in a theoretical viewing plane after the at least one output aperture already forms an elongated intensity distribution overall, in particular already with a substantially linear character. The beam packet comprises a large number of beam packet beam segments, which are distributed in particular over the preferably elongated output aperture and which preferably completely fill at least one output aperture.
Ein Strahlpaket bezeichnet im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Lichtverteilung, welche mathematisch durch ein Vektorfeld beschrieben werden kann, wobei j edem Raumpunkt lokal der Poynting-Vektor des zugehörigen elektromagnetischen Feldes zugeordnet ist . In the present context, a beam packet refers in particular to a light distribution which can be mathematically described by a vector field, with each point in space being locally assigned the Poynting vector of the associated electromagnetic field.
Die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ist zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften insbesondere dazu ausgebildet , aus einem weitgehend kohärenten Eingangslaserstrahl ein Strahlpaket zu erzeugen, welches eine reduzierte räumliche Kohärenz aufweist oder sogar im Wesentlichen inkohärent ist . The at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with regard to its segmentation properties, in particular to generate a beam packet from a largely coherent input laser beam which has reduced spatial coherence or is even essentially incoherent.
Die Eigenschaften des Ausgangsstrahls werden auch entscheidend durch die Ausgestaltung der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik beeinflusst . Die optischen Vorgänge in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik sind komplex und haben insbesondere auch Einfluss auf die räumliche Kohärenz der Lichtverteilung, was wiederum entscheidend für die Ausbildung störender Interferenzartefakte ist . The properties of the output beam are also decisively influenced by the design of the at least one segmentation and/or re-sorting optics. The optical processes in the at least one segmentation and/or re-sorting optics are complex and have a particular influence on the spatial coherence of the light distribution, which in turn is crucial for the formation of disruptive interference artifacts.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik zumindest in Bezug auf ihre Segmentierungseigenschaften derart ausgebildet , dass bei Einstrahlung eines Eingangslaserstrahls mit hoher räumlicher Kohärenz durch die Eingangsapertur das aus der Ausgangsapertur austretende Strahlpaket eine erheblich reduzierte räumliche Kohärenz aufweist , insbesondere inkohärent ist . Dadurch werden Interferenzef fekte bei der im Strahlengang nachfolgenden Homogenisierung und/oder Fokussierung reduziert bzw . gänzlich vermieden, wodurch Inhomogenitäten im Intensitätsverlauf reduziert werden können . Preferably, the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed, at least with respect to its segmentation properties, such that when an input laser beam with high spatial coherence is irradiated through the input aperture, the beam packet emerging from the output aperture has a significantly reduced spatial coherence, in particular is incoherent. This reduces or reduces interference effects during the subsequent homogenization and/or focusing in the beam path. completely avoided, which means that inhomogeneities in the intensity curve can be reduced.
Die optische Anordnung kann ein der zuvor erwähnten zumindest einen Homogenisierungsoptik im Strahlengang nachgeschaltetes Trans formationslinsenmittel umfassen . Das Trans formationslinsenmittel kann derart ausgebildet sein, dass die durchmischten Strahlsegmente zu dem Zwischenstrahl und/oder Ausgangsstrahl überlagert und homogenisiert werden . Insofern kann ein solches Trans formationslinsenmittel insbesondere auch zur Homogenisierung beitragen . Hierzu kann beispielsweise die Arbeitsebene in einem Fokusbereich des Trans formationslinsenmittels verlaufen . Denkbar ist beispielsweise , dass von j edem Bereich der erfassten Strahlung Strahlsegmente in verschiedene , vorzugsweise sämtliche , Bereiche entlang der ersten Richtung fokussiert werden . Das Trans formationslinsenmittel kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, die von der zumindest einen Homogenisierungsoptik durchmischten Strahlpaket-Strahlsegmente zu dem Zwischenstrahl oder Ausgangsstrahl zu überlagern, so dass sich in der Arbeitsebene die homogenisierte Intensitätsverteilung mit dem gewünschten Strahlprofil einstellt . Zu diesem Zweck kann das Trans formationslinsenmittel vorzugsweise als refraktive Fourieroptik ausgebildet bzw . als ( insbesondere nicht abbildendend wirkende ) Fourierlinse ausgebildet sein . Denkbar ist z . B . eine Ausgestaltung als Fresnel-Zonenplatte . The optical arrangement can comprise a transformation lens means downstream of the previously mentioned at least one homogenizing optics in the beam path. The transformation lens means can be designed such that the mixed beam segments are superimposed and homogenized to form the intermediate beam and/or output beam. In this respect, such a transformation lens agent can also contribute in particular to homogenization. For this purpose, for example, the working plane can run in a focus area of the transformation lens means. It is conceivable, for example, that beam segments from each region of the detected radiation are focused in different, preferably all, regions along the first direction. The transformation lens means can in particular be designed to be formed by the at least one Homogenization optics to superimpose beam packet beam segments mixed through to the intermediate beam or output beam, so that the homogenized intensity distribution with the desired beam profile is established in the working plane. For this purpose, the transformation lens means can preferably be designed or used as refractive Fourier optics. be designed as a (in particular non-imaging) Fourier lens. It is conceivable, for example, B. an embodiment as a Fresnel zone plate.
Vorzugsweise weist die optische Anordnung eine Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik zum Kollimieren und/oder Fokussieren des Ausgangsstrahls auf einen auf der Arbeitsebene kollimierten und/oder fokussierten Ausgangsstrahl auf . Bei der Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik kann es sich beispielsweise um eine Zylinderlinse , eine sphärische Linse , einen Azylinder, eine Asphäre , ein Prisma, ein DOE , eine weitere Umsortieroptik oder dergleichen handeln oder sie kann zumindest eine der Vorgenannten umfassen . The optical arrangement preferably has collimating and/or focusing optics for collimating and/or focusing the output beam onto an output beam collimated and/or focused on the working plane. The collimating and/or focusing optics can be, for example, a cylindrical lens, a spherical lens, an acylinder, an asphere, a prism, a DOE, another re-sorting optics or the like, or it can include at least one of the aforementioned.
Auch ist bevorzugt , wenn die Umformoptik eine Zylinderlinse , ein Teleskop und/oder einen Strahltrans formator aufweist . Beispielsweise kann durch ein Teleskop insgesamt eine kontinuierlich durchstimmbare numerische Apertur vorgehalten werden . It is also preferred if the forming optics have a cylindrical lens, a telescope and/or a beam transformer. For example, a telescope can provide a continuously tunable numerical aperture.
Es ist möglich, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik umfasst : eine Segmentierungsoptik, durch welche der Eingangslaserstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , den Eingangslaserstrahl in das Strahlpaket mit den unterschiedlichen Strahlpaket- Strahlsegmenten zu segmentieren und aus zustrahlen, und eine Umsortieroptik, durch welche der, insbesondere linienartige ,It is possible for the at least one segmentation and/or re-sorting optics to comprise: a segmentation optics through which the input laser beam can be irradiated and which is designed to segment and radiate the input laser beam into the beam packet with the different beam packet beam segments, and a Re-sorting optics, through which the, in particular line-like,
Zwischenstrahl einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist , den in der zweiten Richtung, insbesondere linienartig, ausgedehnten Zwischenstrahl durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente entlang der ersten Richtung, insbesondere Linienrichtung, in den in der ersten Richtung erstreckten, insbesondere linienartigen, Ausgangsstrahl umzuwandeln und auf die Arbeitsebene aus zustrahlen . Mit anderen Worten sind zwei voneinander separate Optiken, nämlich eine Segmentierungsoptik und eine Umsortieroptik in der optischen Anordnung vorgesehen, welche wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind . Dabei ist die Umsortieroptik im Strahlengang insbesondere hinter der Segmentierungsoptik und der Umformoptik angeordnet . Dabei können die Segmentierungsoptik und die Umsortieroptik eine Optik gleichen Typs sein, sodass sich die Unterschiede zwischen diesen im Wesentlichen auf das voneinander unterschiedliche Segmentieren bzw . Umsortieren des Laserstrahls im Strahlengang bezieht , wozu diese entsprechend ausgebildet sind . Intermediate beam can be irradiated and which is designed to convert the intermediate beam, which is extended in the second direction, in particular in a line-like manner, by rearranging the intermediate beam beam segments along the first direction, in particular in the line direction, into the output beam which extends in the first direction, in particular in a line-like manner, and to which to radiate from the working plane. In other words, two separate optics, namely a segmentation optic and a re-sorting optic, are provided in the optical arrangement, which are designed as described above. The re-sorting optics are arranged in the beam path in particular behind the segmentation optics and the forming optics. The segmentation optics and the re-sorting optics can be optics of the same type, so that the differences between them essentially relate to the different segmentation or. Re-sorting the laser beam in the beam path refers to what they are designed for.
Alternativ ist aber auch möglich, dass die optische Anordnung eine gemeinsame Segmentierungs- und Umsortieroptik umfasst . In diesem Falle können die Segmentierungs- und Umsortiereigenschaften in einer einzigen Optik verknüpft werden . Dazu kann die optische Anordnung ein Alternatively, it is also possible for the optical arrangement to include a common segmentation and re-sorting optics. In this case, the segmentation and re-sorting properties can be linked in a single optic. The optical arrangement can be used for this purpose
Ref lektionselement zum Reflektieren des linienartigen Zwischenstrahls auf die Segmentierungs- und Umsortieroptik umfassen . Bei einem solchen Ref lektionselement kann es sich beispielsweise um einen Spiegel handeln . Der Spiegel kann im Strahlengang hinter der Segmentierungs- und Umsortieroptik und der Umformoptik angeordnet sein . Insbesondere kann der Spiegel für eine 180 ° -Umlenkung des Zwischenstrahls zurück auf die im Strahlengang davor angeordnete Segmentierungs- und Umsortieroptik angeordnet sein . Im weiteren Sinne kann es sich bei dem Ref lektionselement auch um ein geeignet eingerichtetes Polarisationselement handeln, beispielsweise um eine Verzögerungsplatte , insbesondere ein X/ 4-Plättchen . Durch das X/ 4-Plättchen kann der eingehende Strahl von dem reflektierten Strahl getrennt werden . Das funktioniert durch Einsatz des X/ 4-Plättchens über unterschiedliche Polarisationen . Ein X/ 4- Plättchen vor dem Ref lektionselement wandelt bei linear eingestrahlter Polarisation den Polarisationsgrad in zirkulare Polarisation, welche unter Reflektion gedreht wird und über das X/ 4-Plättchen in eine zum Eingangslaserstrahl gedrehte lineare Polarisation umgewandelt wird . Damit eignet sich beispielsweise ein Polarisationsstrahlteiler zum Trennen der j eweiligen Strahlen . Vorteil des Vorsehens einer einzigen Segmentierungs- und Umsortieroptik ist die Kostenersparnis , da keine zweite Optik vorgesehen werden muss . Include reflection element for reflecting the line-like intermediate beam onto the segmentation and re-sorting optics. Such a reflection element can be, for example, a mirror. The mirror can be arranged in the beam path behind the segmentation and re-sorting optics and the forming optics. In particular, the mirror can be used for a 180 ° deflection of the intermediate beam back to the im Segmentation and re-sorting optics arranged in front of the beam path can be arranged. In a broader sense, the reflection element can also be a suitably configured polarization element, for example a retardation plate, in particular an X/4 plate. The X/4 plate can be used to separate the incoming beam from the reflected beam. This works by using the X/4 plate with different polarizations. With linearly irradiated polarization, an X/4 plate in front of the reflection element converts the degree of polarization into circular polarization, which is rotated under reflection and is converted via the This makes a polarization beam splitter suitable, for example, for separating the respective beams. The advantage of providing a single segmentation and re-sorting optic is the cost savings, since a second optic does not have to be provided.
Bei der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik kann es sich dabei insbesondere um einen monolithischen Strahltrans formator handeln . Bei der Verwendung einer gemeinsamen Segmentierungs- und Umsortieroptik kann der monolithische Strahltrans formator entsprechend unterschiedliche Eingangs- und Ausgangsaperturen aufweisen, so z . B . eine Eingangsapertur für den Eingangslaserstrahl , eine Eingangsapertur für den Zwischenstrahl , eine Ausgangsapertur für das Strahlpaket und eine Ausgangsapertur für den Ausgangsstrahl . Bei voneinander separaten Segmentierungsoptik und Umsortieroptik können beispielsweise beides monolithische Strahltrans formatoren sein . Alternativ ist aber auch möglich, dass unterschiedliche Arten von Optiken für die Segmentierungsoptik und die Umsortieroptik verwendet werden, wie sie nachstehend beispielhaft näher bezeichnet werden . The at least one segmentation and/or re-sorting optics can in particular be a monolithic beam transformer. When using a common segmentation and re-sorting optics, the monolithic beam transformer can have correspondingly different input and output apertures, e.g. B. an input aperture for the input laser beam, an input aperture for the intermediate beam, an output aperture for the beam packet and an output aperture for the output beam. With separate segmentation optics and re-sorting optics, both can be monolithic beam transformers, for example. Alternatively, it is also possible that different types of optics are used for the Segmentation optics and re-sorting optics are used, as described in more detail below by way of example.
Der monolithische Strahltrans formator kann dabei aus einem plattenartigen, transparenten Material gebildet sein und eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel hierzu verlaufende Plattenrückseite aufweisen, wobei ein Bereich der Plattenvorderseite eine Eingangsapertur bereitstellt und ein Bereich der Plattenrückseite eine Ausgangsapertur bereitstellt . The monolithic beam transformer can be formed from a plate-like, transparent material and have a front side of the plate and a back side of the plate running essentially parallel thereto, with an area of the front side of the plate providing an input aperture and an area of the back side of the plate providing an output aperture.
Bevorzugt kann auch sein, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik dazu ausgebildet ist , dass die Strahlpaket-Strahlsegmente unterschiedliche Weglängen in der Segmentierungsoptik zurücklegen, und/oder, dass die Zwischenstrahl-Strahlsegmente unterschiedliche Weglängen in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik zurücklegen . Wie zuvor erläutert können dadurch die Kohärenzeigenschaften des Ausgangsstrahls beeinflusst werden . It can also be preferred that the at least one segmentation and/or re-sorting optics is designed so that the beam packet beam segments cover different path lengths in the segmentation optics, and/or that the intermediate beam beam segments have different path lengths in the at least one segmentation and/or or put back the sorting optics. As explained previously, this can influence the coherence properties of the output beam.
Als Alternative zur oben erwähnten Aus führung der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik als monolithischer Strahltrans formator kann es auch vorteilhaft sein, die zumindest eine Segmentierungs- und/oder die Umsortieroptik als Plattenstapel aus zuführen . In gewissen Einsatz fällen kann auch der Einsatz eines Spiegelpakets aus mehreren Spiegeln mit Mehrf achref lektion für die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik vorteilhaft sein . Alternativ kann schließlich vorgesehen sein, dass die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik ein Spiegelpaket aus mehreren scharfkantigen Spiegeln mit einfacher Reflektion ist . Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Lasersystem nach Anspruch 12 . Das Lasersystem ist zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung, welche im Strahlenquerschnitt ein homogenisiertes , insbesondere linienförmiges , Intensitätsprofil aufweist , eingerichtet . Das Lasersystem umfasst : eine Laserlichtquelle zur Abgabe von Laserstrahlen, und die erfindungsgemäße optische Anordnung, wobei die optische Anordnung derart angeordnet ist , dass der Eingangslaserstrahl durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik einstrahlbar ist . As an alternative to the above-mentioned embodiment of the at least one segmentation and/or re-sorting optics as a monolithic beam transformer, it can also be advantageous to design the at least one segmentation and/or the re-sorting optics as a plate stack. In certain applications, the use of a mirror package consisting of several mirrors with multiple reflections can also be advantageous for at least one segmentation and/or re-sorting optics. Alternatively, it can finally be provided that the at least one segmentation and/or re-sorting optic is a mirror package made up of several sharp-edged mirrors with simple reflection. The task mentioned at the beginning is further solved by a laser system according to claim 12. The laser system is set up to generate radiation with an intensity distribution which has a homogenized, in particular line-shaped, intensity profile in the beam cross section. The laser system comprises: a laser light source for emitting laser beams, and the optical arrangement according to the invention, wherein the optical arrangement is arranged such that the input laser beam can be irradiated through the at least one segmentation and/or re-sorting optics.
Die Laserlichtquelle kann insbesondere für den Multi-Moden- Betrieb geeignet oder dazu ausgelegt sein . Die Laserstrahlung der Laserlichtquelle kann grundsätzlich direkt in die optische Anordnung eingestrahlt werden . Denkbar ist j edoch auch, dass das Lasersystem ferner eine Vorformoptik umfasst , mittels derer die Laserstrahlung vor Eintritt in die optische Anordnung umgeformt wird . Die Vorformoptik kann beispielsweise als Kollimierungsoptik ausgebildet sein . Beispielsweise kann die Vorformoptik anamorphotisch wirken, sodass der Eingangslaserstrahl einen elliptischen Strahlquerschnitt aufweist . The laser light source can be particularly suitable or designed for multi-mode operation. The laser radiation from the laser light source can in principle be irradiated directly into the optical arrangement. However, it is also conceivable that the laser system also includes preform optics, by means of which the laser radiation is reshaped before it enters the optical arrangement. The preform optics can be designed, for example, as collimation optics. For example, the preform optics can appear anamorphic, so that the input laser beam has an elliptical beam cross section.
Dabei gelten Merkmale , die hierin in Bezug auf die optische Anordnung beschrieben sind, gleichsam in Bezug auf das Lasersystem und umgekehrt . Features that are described herein in relation to the optical arrangement also apply in relation to the laser system and vice versa.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Aus führungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden . Es zeigen: Further details and advantageous refinements of the invention can be found in the following description, based on which exemplary embodiments of the invention are described and explained in more detail. Show it:
Figur 1 Skizze zur Erläuterung des Strahlengangs in einem Lasersystem zur Erzeugung linienförmiger Intensitätsverteilungen; Figure 1 sketch to explain the beam path in a laser system for generating line-shaped intensity distributions;
Figur 2a Skizze zur Erläuterung der Wirkung der optischen Anordnung des Lasersystems von Fig. 1; Figure 2a sketch to explain the effect of the optical arrangement of the laser system from Figure 1;
Figuren 2b-2d Skizzen zur Erläuterung der Strahlveränderung durch die optische Anordnung; Figures 2b-2d sketches explaining the beam change caused by the optical arrangement;
Figur 3a eine vereinfachte Skizze der optischenFigure 3a is a simplified sketch of the optical
Anordnung der Fig. 2a; Arrangement of Fig. 2a;
Figur 3b eine Abwandlung der optischen Anordnung derFigure 3b shows a modification of the optical arrangement
Fig. 2a in einer vereinfachten Skizze. Fig. 2a in a simplified sketch.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. In the following description and in the figures, the same reference numbers are used for identical or corresponding features.
Figur 1 zeigt in skizzierter Darstellung ein Lasersystem 10 zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls 44, welcher in einer Arbeitsebene 48 (siehe Fig. 2a) einen vorliegend beispielhaften linienartigen, entlang einer ersten Richtung bzw. Linienrichtung (y-Richtung, siehe Fig. 2) ausgedehnten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Alternativ sind auch andere Strahlprofile des Ausgangsstrahls 44 auf der Arbeitsebene 48, wie beispielsweise quadratisch oder rechteckig möglich. Allein der Anschaulichkeit und Einfachheit halber beschränkt sich die nachstehende Beschreibung jedoch rein beispielhaft auf ein linienartiges Strahlprofil des Ausgangsstrahls 44. Das Lasersystem 10 umfasst mindestens eine Laserlichtquelle 14 zur Abgabe von Laserstrahlung 16 . Die Laserlichtquelle 14 ist vorzugsweise als Multi-Moden-Laser ausgebildet . Die Laserstrahlung 16 speist , optional über eine Vorformoptik 18 , einen Eingangslaserstrahl 20 . Die Vorformoptik 18 kann beispielsweise kollimierend wirken und/oder die Laserstrahlung in einen Eingangslaserstrahl 20 mit elliptischem Strahlquerschnitt umformen . Denkbar ist beispielsweise , dass die Laserstrahlung zunächst mittels Umlenkspiegeln 32 ( siehe Fig . 2a ) und/oder zumindest ein Linsenmittel 34 ( siehe Fig . 2a ) in den Eingangslaserstrahl 20 umgeformt wird . 1 shows a sketched representation of a laser system 10 for generating an output beam 44, which in a working plane 48 (see FIG. 2a) has a line-like beam cross section, which is exemplary in this case, and is extended along a first direction or line direction (y direction, see FIG. 2). with non-disappearing intensity. Alternatively, other beam profiles of the output beam 44 on the working plane 48, such as square or rectangular, are also possible. However, for the sake of clarity and simplicity, the following description is limited purely by way of example to a line-like beam profile of the output beam 44. The laser system 10 includes at least one laser light source 14 for emitting laser radiation 16. The laser light source 14 is preferably designed as a multi-mode laser. The laser radiation 16 feeds an input laser beam 20, optionally via a preform optics 18. The preform optics 18 can, for example, have a collimating effect and/or transform the laser radiation into an input laser beam 20 with an elliptical beam cross section. It is conceivable, for example, that the laser radiation is first converted into the input laser beam 20 by means of deflection mirrors 32 (see FIG. 2a) and/or at least one lens means 34 (see FIG. 2a).
Das Lasersystem 10 umfasst ferner eine optische Anordnung 30 , mittels welcher der Eingangslaserstrahl 20 in den linienartigen Ausgangsstrahl 44 umgewandelt wird . The laser system 10 further comprises an optical arrangement 30, by means of which the input laser beam 20 is converted into the line-like output beam 44.
Zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse ist in der Fig . 2a ein kartesisches Koordinatensystem (x, y, z ) dargestellt . In dem dargestellten Beispiel breitet sich der Eingangslaserstrahl 20 entlang der z-Richtung bzw . Ausbreitungsrichtung z aus . Die durch die linienartige Ausdehnung des Ausgangsstrahls 44 definierte Achse verläuft entlang einer langen Achse in der in Fig . 2a gezeigten y- Richtung bzw . Linienrichtung y . Eine Achse senkrecht zur Linienrichtung y und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung z wird als kurze Achse entlang einer gezeigten x-Richtung bezeichnet . To explain the geometric relationships, see Fig. 2a shows a Cartesian coordinate system (x, y, z). In the example shown, the input laser beam 20 propagates along the z-direction or Direction of propagation z. The axis defined by the line-like extent of the output beam 44 runs along a long axis in the direction shown in FIG. 2a shown y-direction or Line direction y. An axis perpendicular to the line direction y and perpendicular to the propagation direction z is called a short axis along a shown x-direction.
Für die Bearbeitung großer Flächen kann es erwünscht sein, ein sehr langgestrecktes , linienartiges Intensitätsprofil zu erzielen . Insofern ist es denkbar, mehrere Lasersysteme der genannten Art 10 , 10 ' vorzusehen, wie es in der Fig . 1 gezeigt ist , und derart anzuordnen, dass sich die Intensitätsverteilungen zu einer langgestreckten Linie ergänzen . When processing large areas, it may be desirable to achieve a very elongated, line-like intensity profile. In this respect, it is conceivable to provide several laser systems of the type 10, 10 'mentioned, as shown in FIG. 1 shown is, and to be arranged in such a way that the intensity distributions complement each other to form an elongated line.
Die optische Anordnung 30 umfasst mehrere optische Baugruppen, welche im Strahlengang vom Eingangslaserstrahl 20 zum Ausgangsstrahl 44 einander nachgelagert sind . Wie in Fig . 1 vereinfacht dargestellt ist , wird der Eingangslaserstrahl 20 zunächst durch die Eingangsapertur 21 einer Segmentierungsoptik 22 geleitet , welche den Eingangslaserstrahl 20 in ein Strahlpaket 40 mit unterschiedlichen Strahlsegmenten 41 segmentiert , wie Fig . 2b zeigt . Das Strahlpaket 40 tritt an einer in Fig . 2a nicht sichtbaren Ausgangsapertur auf der der Eingangsapertur 21 gegenüberliegenden Seite der Segmentierungsoptik 22 aus . The optical arrangement 30 comprises several optical assemblies, which are arranged downstream of one another in the beam path from the input laser beam 20 to the output beam 44. As in Fig. 1 is shown in simplified form, the input laser beam 20 is first guided through the input aperture 21 of a segmentation optics 22, which segments the input laser beam 20 into a beam packet 40 with different beam segments 41, as shown in FIG. 2b shows. The beam packet 40 occurs at a point shown in FIG. 2a not visible output aperture on the side of the segmentation optics 22 opposite the input aperture 21.
Das Strahlpaket 40 mit den Strahlsegmenten 41 wird im Anschluss mittels einer im Strahlengang der Segmentierungsoptik 22 nachgelagerten Umformoptik 24 in einen linienartig ausgedehnten Zwischenstrahl 42 umgeformt und ausgestrahlt . Wie Fig . 2b erkennen lässt , werden dabei Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 des Zwischenstrahls 42 in der zweiten Richtung x - hier auch als Breitenrichtung x bezeichneten x-Richtung (bzw . entlang der kurzen Achse ) - sortiert ( die Breite in "Breitenrichtung" bezieht sich auf die Strahlbreite des Ausgangsstrahls 44 ) . Die Umformoptik 24 umfasst hierzu beispielhaft die gezeigte Zylinderlinse 25 , kann alternativ oder zusätzlich aber auch weitere , nicht gezeigte optische Elemente , wie beispielsweise weitere Linsen, ein Teleskop und/oder einen Strahltrans formator aufweisen . Insbesondere kann die Umformoptik 24 auch homogenisierend wirkend und hierzu ggf . auch zusätzlicheThe beam packet 40 with the beam segments 41 is then transformed into a linearly extended intermediate beam 42 and emitted by means of a forming optics 24 located downstream in the beam path of the segmentation optics 22. As Fig. 2b can be seen, intermediate beam beam segments 43 of the intermediate beam 42 are sorted in the second direction x - here also referred to as the width direction x (or along the short axis) - (the width in the "width direction" refers to the beam width of the output beam 44). For this purpose, the forming optics 24 includes, for example, the cylindrical lens 25 shown, but can alternatively or additionally also have further optical elements (not shown), such as further lenses, a telescope and/or a beam transformer. In particular, the forming optics 24 can also be homogenizing effective and if necessary. also additional
Homogenisierungsmittel aufweisen . Have homogenizing agents.
Der Zwischenstrahl 42 passiert schließlich eine der Umformoptik 24 nachgelagerte Umsortieroptik 26 . Die Segmentierungsoptik 22 und die Umsortieroptik 26 umfassen dabei j eweils einen monolithischen Strahlentrans formator 50 . Die Umsortieroptik 26 sortiert die in der Breitenrichtung x sortierten Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 des Zwischenstrahls 42 zurück in die hierin auch als Linienrichtung y bezeichnete y-Richtung (bzw . entlang der langen Achse ) , wie die Fig . 2d zeigt ( die Linie in "Linienrichtung" bezieht sich dabei auf die Strahllinie bzw . Längserstreckung des Ausgangsstrahls 44 ) . The intermediate beam 42 finally passes through a re-sorting optics 26 downstream of the forming optics 24. The segmentation optics 22 and the re-sorting optics 26 each include a monolithic beam transformer 50. The re-sorting optics 26 sorts the intermediate beam beam segments 43 of the intermediate beam 42 sorted in the width direction x back into the y direction, also referred to herein as the line direction y (or along the long axis), as shown in FIG. 2d shows (the line in the “line direction” refers to the beam line or longitudinal extent of the output beam 44).
Schließlich ist hier optional eine im Strahlengang der Umsortieroptik 26 nachgeschaltete Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 vorgesehen . Durch die Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 erfolgt ein Kollimieren und/oder Fokussieren des Ausgangsstrahls 44 auf einen auf der Arbeitsebene 48 kollimierten und/oder fokussierten Ausgangsstrahl 46 . Finally, collimation and/or focusing optics 28 connected downstream in the beam path of the re-sorting optics 26 are optionally provided here. The collimating and/or focusing optics 28 collimate and/or focus the output beam 44 onto an output beam 46 collimated and/or focused on the working plane 48.
Fig . 3a zeigt die optische Anordnung 30 der Fig . 2a in einer alternativen und vereinfachten Ski z ze . Besonders gut sind hier die beiden spiegelnden Oberflächen und begrenzten Eingangsund Ausgangsaperturen (nicht expli zit bezeichnet ) der Segmentierungsoptik 22 und der Umsortieroptik 26 zu erkennen, wobei diese beispielsweise j eweils als ein monolithisches Glas oder als zwei Spiegel ausgeführt sein können . Fig . 3b zeigt demgegenüber eine Alternative zur optischen Anordnung 30 der Fig . 3a, in der nur eine gemeinsame Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 vorgesehen ist , die ihrerseits sowohl das Segmentieren des Eingangslaserstrahls 20 als auch das Umsortieren der Zwischenstrahl-Strahlsegmente 43 entlang der Linienrichtung y übernimmt . Fig. 3a shows the optical arrangement 30 of FIG. 2a in an alternative and simplified ski z ze. The two reflective surfaces and limited input and output apertures (not explicitly designated) of the segmentation optics 22 and the re-sorting optics 26 can be seen particularly well here, whereby these can each be designed, for example, as a monolithic glass or as two mirrors. Fig. 3b, in contrast, shows an alternative to the optical arrangement 30 of FIG. 3a, in which only one common segmentation and re-sorting optics 22 is provided, which in turn takes over both the segmentation of the input laser beam 20 and the re-sorting of the intermediate beam beam segments 43 along the line direction y.
Hierzu ist in Fig . 3b ein beispielhaft als Spiegel 60 ausgeführtes Ref lektionselement 60 im Strahlengang hinter der Umformoptik 24 , vorliegend in Form einer Zylinderlinse 25 , gezeigt , welcher den aus der Umformoptik 24 ausgestrahlten Zwischenstrahl 43 zurück auf die Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 segmentiert . Dabei können j eweils unterschiedliche Eingangsaperturen für den Eingangslaserstrahl 20 und für den Zwischenstrahl 42 sowie unterschiedliche Ausgangsaperturen für das Strahlpaket 40 und den Ausgangsstrahl 44 in der hier beispielhaft in Form eines einzigen monolithischen Strahltrans formators 50 ausgebildeten Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 vorgesehen sein . Der Ausgangsstrahl 44 kann im Nachgang selbstverständlich noch durch die zuvor erwähnte und hier nicht gezeigte Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik 28 ( siehe Fig . 2a ) kollimiert und/oder fokussiert werden . Vorteil des Vorsehens einer einzigen Segmentierungs- und Umsortieroptik 22 ist die erzielbare hohe Kostenersparnis , da nicht zwei Optiken vorgehalten werden müssen . This is shown in Fig. 3b shows an example of a reflection element 60 designed as a mirror 60 in the beam path behind the forming optics 24, here in the form of a cylindrical lens 25, which segments the intermediate beam 43 emitted from the forming optics 24 back onto the segmentation and re-sorting optics 22. Different input apertures for the input laser beam 20 and for the intermediate beam 42 as well as different output apertures for the beam packet 40 and the output beam 44 can be provided in the segmentation and re-sorting optics 22, which is designed here, for example, in the form of a single monolithic beam transformer 50. The output beam 44 can of course subsequently be collimated and/or focused by the previously mentioned and not shown here collimating and/or focusing optics 28 (see FIG. 2a). The advantage of providing a single segmentation and re-sorting optics 22 is the high cost savings that can be achieved, since two optics do not have to be provided.

Claims

Patentansprüche Optische Anordnung (30) zur Umwandlung eines Eingangslaserstrahls (20) in einen Ausgangsstrahl (44) , welcher sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet und welcher in einer Arbeitsebene (48) einen entlang einer ersten Richtung (y) ausgedehnten und entlang einer senkrecht zu der ersten Richtung (y) und zu der Ausbreitungsrichtung (z) zweiten Richtung (x) erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist, die optische Anordnung (30) umfassend: Claims Optical arrangement (30) for converting an input laser beam (20) into an output beam (44), which propagates along a propagation direction (z) and which in a working plane (48) has an extended along a first direction (y) and along a perpendicular has a beam cross section with non-vanishing intensity extending to the first direction (y) and to the propagation direction (z) and the second direction (x), the optical arrangement (30) comprising:
- eine Umformoptik (24) , durch welche ein Strahlpaket (40) einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, unterschiedliche Strahlsegmente (41) des Strahlpakets (40) in einen entlang der zweiten Richtung (x) ausgedehnten Zwischenstrahl (42) mit Zwischenstrahl- Strahlsegmenten (43) umzuformen, und - A forming optics (24), through which a beam packet (40) can be irradiated and which is designed to transform different beam segments (41) of the beam packet (40) into an intermediate beam (42) with intermediate beam beam segments extending along the second direction (x). (43) to transform, and
- zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) , durch welche der Eingangslaserstrahl (20) einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl (20) in das Strahlpaket (40) mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten (41) zu segmentieren und auszustrahlen, und durch welche der Zwischenstrahl (42) einstrahlbar ist, und welche dazu ausgebildet ist, den in der zweiten Richtung (x) ausgedehnten Zwischenstrahl (42) durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente (43) entlang der ersten Richtung (y) in den in der ersten Richtung (y) erstreckten Ausgangsstrahl (44) umzuwandeln und auf die Arbeitsebene (48) auszustrahlen. Optische Anordnung (30) nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsstrahl (44) ein linienartiger Ausgangsstrahl (44) ist, welcher in der Arbeitsebene (48) einen linienartigen, entlang der ersten Richtung (y) ausgedehnten und entlang der zweiten Richtung (x) erstreckten Strahlquerschnitt mit nichtverschwindender Intensität aufweist. Optische Anordnung (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Anordnung (30) eine Kollimierungs- und/oder Fokussierungsoptik (28) zum Kollimieren und/oder Fokussieren des Ausgangsstrahls (44) auf einen auf der Arbeitsebene (48) kollimierten und/oder fokussierten Ausgangsstrahl (46) aufweist . Optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Umformoptik (24) eine Zylinderlinse- at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26), through which the input laser beam (20) can be irradiated and which is designed to transfer the input laser beam (20) into the beam packet (40) with the different beam packet beam segments (41) to segment and radiate, and through which the intermediate beam (42) can be irradiated, and which is designed to distribute the intermediate beam (42) extended in the second direction (x) by rearranging the intermediate beam beam segments (43) along the first direction (y ) into the output beam (44) extending in the first direction (y) and radiate it onto the working plane (48). Optical arrangement (30) according to claim 1, wherein the output beam (44) is a line-like output beam (44) which extends in the working plane (48) in a line-like manner, extending along the first direction (y) and along the second direction (x). Beam cross section with non-disappearing intensity. Optical arrangement (30) according to claim 1 or 2, wherein the optical arrangement (30) has collimating and/or focusing optics (28) for collimating and/or focusing the output beam (44) onto a collimated and/or on the working plane (48). or focused output beam (46). Optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the forming optics (24) is a cylindrical lens
(25) , ein Teleskop und/oder einen Strahltransformator aufweist . Optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) umfasst: (25), a telescope and / or a beam transformer. Optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26) comprises:
- eine Segmentierungsoptik (22) , durch welche der Eingangslaserstrahl (20) einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den Eingangslaserstrahl (20) in das Strahlpaket (40) mit den unterschiedlichen Strahlpaket-Strahlsegmenten (41) zu segmentieren und auszustrahlen, und - a segmentation optics (22), through which the input laser beam (20) can be irradiated and which is designed to segment and radiate the input laser beam (20) into the beam packet (40) with the different beam packet beam segments (41), and
- eine Umsortieroptik (26) , durch welche der Zwischenstrahl (42) einstrahlbar ist und welche dazu ausgebildet ist, den in der zweiten Richtung (x) ausgedehnten Zwischenstrahl (42) durch Umsortierung der Zwischenstrahl-Strahlsegmente (43) entlang der ersten- a re-sorting optics (26), through which the intermediate beam (42) can be irradiated and which is designed to sort the intermediate beam (42) extended in the second direction (x) by re-sorting the Intermediate beam beam segments (43) along the first
Richtung (y) in den in der ersten Richtung (y) erstreckten Ausgangsstrahl (44) umzuwandeln und auf die Arbeitsebene (48) auszustrahlen. Optische Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optische Anordnung (30) eine gemeinsame Segmentierungs- und Umsortieroptik (22) umfasst. Optische Anordnung (30) nach Anspruch 6, wobei die optische Anordnung (30) ein Ref lektionselement (60) zum Reflektieren des Zwischenstrahls (42) auf die Segmentierungs- und Umsortieroptik (22) umfasst. Optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Segmentierungs- und/oder die Umsortieroptik (26) ein monolithischer Strahltransformator (50) ist. Optische Anordnung (30) nach Anspruch 8, wobei der monolithische Strahltransformator (50) aus einem plattenartigen, transparenten Material gebildet ist und eine Plattenvorderseite und eine im Wesentlichen parallel hierzu verlaufende Plattenrückseite aufweist, wobei ein Bereich der Plattenvorderseite eine Eingangsapertur (21) bereitstellt und ein Bereich der Plattenrückseite eine Ausgangsapertur bereitstellt . . Optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) dazu ausgebildet ist, dass die Strahlpaket-Strahlsegmente (41) unterschiedliche Weglängen in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) zurücklegen, und/oder, dass die Zwischenstrahl-Strahlsegmente (43) unterschiedlicheDirection (y) into the output beam (44) extending in the first direction (y) and radiate it onto the working plane (48). Optical arrangement (30) according to one of claims 1 to 4, wherein the optical arrangement (30) comprises common segmentation and re-sorting optics (22). Optical arrangement (30) according to claim 6, wherein the optical arrangement (30) comprises a reflection element (60) for reflecting the intermediate beam (42) onto the segmentation and re-sorting optics (22). Optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the at least one segmentation and/or re-sorting optics (26) is a monolithic beam transformer (50). Optical arrangement (30) according to claim 8, wherein the monolithic beam transformer (50) is formed from a plate-like, transparent material and has a plate front side and a plate back side running substantially parallel thereto, a region of the plate front side providing an input aperture (21) and a The area on the back of the plate provides an output aperture. . Optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26) is designed so that the beam packet beam segments (41) have different path lengths in the at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26) and/or that the Intermediate beam beam segments (43) different
Weglängen in der zumindest einen Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) zurücklegen. Cover path lengths in the at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26).
11. Optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) ein Plattenstapel, ein Spiegelpaket aus mehreren Spiegeln mit Mehrt achref lektion und/oder ein Spiegelpaket aus mehreren scharfkantigen Spiegeln mit einfacher Reflektion ist. 11. Optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the at least one segmentation and / or re-sorting optics (22, 26) includes a plate stack, a mirror package made up of several mirrors with multiple ach reflection and / or a mirror package made up of several sharp-edged mirrors simple reflection.
12. Lasersystem (10) zur Erzeugung von Strahlung mit einer Intensitätsverteilung (L) , welche im Strahlenquerschnitt ein homogenisiertes Intensitätsprofil aufweist, umfassend: 12. Laser system (10) for generating radiation with an intensity distribution (L) which has a homogenized intensity profile in the beam cross section, comprising:
- eine Laserlichtquelle (14) zur Abgabe von Laserstrahlen (16) , und - a laser light source (14) for emitting laser beams (16), and
- eine optische Anordnung (30) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die optische Anordnung (30) derart angeordnet ist, dass der Eingangslaserstrahl (20) durch die zumindest eine Segmentierungs- und/oder Umsortieroptik (22, 26) einstrahlbar ist. - an optical arrangement (30) according to one of the preceding claims, wherein the optical arrangement (30) is arranged such that the input laser beam (20) can be irradiated through the at least one segmentation and/or re-sorting optics (22, 26).
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10331442A1 (en) * 2003-07-10 2005-02-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Arrangement for transforming an optical radiation field
DE102008033358A1 (en) * 2007-07-19 2009-02-26 Coherent Gmbh Production of laser beam for surface processing, comprises emitting the laser beam with first beam parameter product from laser beam source and then deforming into laser beam with predeterminable beam parameter product via optical unit
US20170176758A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Nlight, Inc. Reverse interleaving for laser line generators
DE102018115126A1 (en) * 2018-06-22 2019-12-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optical arrangement for converting an input laser steel into a line-like output beam and laser system with such an optical arrangement

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006018504A1 (en) 2006-04-21 2007-10-25 Carl Zeiss Laser Optics Gmbh Arrangement for producing sharp-edged illumination line, comprises arrangement for transformation of incident radiation beam that comprises beam-splitting device and reclassification device
KR20200033387A (en) 2018-09-20 2020-03-30 삼성전자주식회사 Optical rearrangement device, system including the same and method of providing the same
DE102020108648A1 (en) 2020-03-30 2021-09-30 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optical arrangement and laser system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10331442A1 (en) * 2003-07-10 2005-02-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Arrangement for transforming an optical radiation field
DE102008033358A1 (en) * 2007-07-19 2009-02-26 Coherent Gmbh Production of laser beam for surface processing, comprises emitting the laser beam with first beam parameter product from laser beam source and then deforming into laser beam with predeterminable beam parameter product via optical unit
US20170176758A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Nlight, Inc. Reverse interleaving for laser line generators
DE102018115126A1 (en) * 2018-06-22 2019-12-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optical arrangement for converting an input laser steel into a line-like output beam and laser system with such an optical arrangement
DE102018115126B4 (en) 2018-06-22 2020-02-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optical arrangement for converting an input laser steel into a line-like output beam and laser system with such an optical arrangement

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