CN113748364A - 用于与激光射束一起使用的空间频率滤光器装置、具有这种空间频率滤光器装置的空间频率滤光器布置以及用于对激光射束进行空间频率滤光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于与激光射束(200)一起使用的空间频率滤光器装置(100),该空间频率滤光器装置具有中性区域(110)和偏转区域(120),该中性区域设置成透射或反射该激光射束(200),该偏转区域与该中性区域(110)径向邻接并且设置成使该激光射束(200)的射束分量(210)从该激光射束(200)的射束轴(A)偏转,其中,该偏转区域(120)具有恒定部分(123),在该恒定部分中,对于该恒定部分(123)中的每个位置,对该激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应与该位置距该中性区域(110)的距离无关,并且其中,该偏转区域(120)具有变化部分(125),在该变化部分中,对该激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应根据距该中性区域(110)的距离而变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于与激光射束一起使用的空间频率滤光器装置(Ortsfrequenzfiltereinrichtung)、一种用于激光射束的空间频率滤光器布置以及一种用于对激光射束进行空间频率滤光的方法。
背景技术
德国公开专利申请DE 10 2004 058 044 A1披露了一种用于对激光射束进行空间频率滤光的空间频率滤光器装置,该空间频率滤光器装置具有至少部分地对激光辐射透明的透射主体、和具有孔并且邻近透射主体布置或集成在透射主体中的元件,该元件具有衍射和/或折射偏转结构。借助这种衍射光阑,激光射束的不期望的光分量被有目的地衍射到明确定义的立体角,在那里它们可以被高效地吸收。例如,这种衍射光阑或孔径光阑可以在用于激光辐射的传输光纤的出口处提供对离开传输光纤的射束的限制并保护后方部件。这种光阑的衍射区域避免了边缘场与相应的光阑几何的相互作用、尤其是与由于生产原因并非最佳并且可能影响有用射束的传播性能的光阑边缘区域的相互作用。在没有衍射区域的孔径光阑的情况下,可能出现具有不理想传播方向的虚光源,对后方光学器件或待加工工件产生不利影响。
虽然这可以借助例如从DE 10 2004 058 044 A1获知的衍射光阑得以避免,但是将其用于对覆盖在主射束或有用射束(Nutzstrahl)上的不期望的射束分量进行滤光是困难的或根本不可能的。事实证明,这些不期望的射束分量与实际有用射束或主射束重叠越多,这就越困难。
发明内容
本发明基于的任务是提供一种空间频率滤光器装置、一种空间频率滤光器布置以及一种用于对激光射束进行空间频率滤光的方法,其中不会出现上述缺点。
该任务通过提供本发明的技术教导来实现,尤其是独立权利要求的技术教导以及从属权利要求和说明书中披露的实施方式的技术教导来实现。
该任务尤其通过提供一种用于与激光射束一起使用的空间频率滤光器装置来实现,所述空间频率滤光器装置具有中性区域,该中性区域设置用于透射或反射激光射束。空间频率滤光器装置具有径向邻接到中性区域上的偏转区域,该偏转区域设置用于使激光射束的射束分量从激光射束的射束轴偏转。偏转区域具有恒定部分(Konstantabschnitt),在该恒定部分中,对于恒定部分中的每个位置,对激光射束的射束分量的偏转效应与该位置距中性区域的距离无关。偏转区域还具有变化部分(Variationsabschnitt),在该变化部分中,对激光射束的射束分量的偏转效应根据距中性区域的距离而变化。借助偏转区域的恒定部分,能够将与主射束或有用射束充分分离的不期望的射束分量可靠且有效地偏转并因此滤光。另一方面,偏转区域的变化部分允许对非常靠近主射束或有用射束布置或与其重叠的不期望的射束分量进行尤其是逐渐滤光,而在此不会不利地影响或过度削减(beschneiden)主射束或有用射束。因此,在此提出的空间频率滤光器装置提供了用于对激光射束进行滤光、尤其是还用于移除覆盖在主射束或使用射束上的不期望的射束分量的改进的可能性。
中性区域尤其是空间频率滤光器装置的以下区域,在该区域中激光射束不受干扰地、也就是说尤其是激光射束的射束分量没有从射束轴偏转地透射或反射。因此,中性区域尤其设置用于不受干扰地透射或反射激光射束。
径向方向在此应理解为垂直于射束轴的方向。射束轴尤其是激光射束的传播轴。相应地,它尤其是指激光射束的传播方向或在激光射束的传播方向上延伸。射束轴尤其是与激光射束的坡印廷矢量重合的轴线。
效应(Wirkung)在变化部分中变化尤其是意味着偏转效率、尤其是相位调制的强度在变化部分中根据位置而变化。另一方面,偏转方向或偏转角优选地即使在变化部分中也是恒定的。
对于恒定部分中的每个位置对激光射束的射束分量的偏转效应与该位置距中性区域的距离无关意味着:在恒定部分中存在与位置无关的恒定偏转效应。因此,在恒定部分中,尤其不仅偏转角或偏转方向、而且偏转的力度或强度与位置无关,因此是恒定的。
偏转效应在变化部分中根据距中性区域的距离而变化尤其意味着变化部分的距中性区域处于相等距离的位置具有相等的偏转效应,尤其是相等的偏转力度。另一方面,距中性区域处于不同距离的位置优选地具有不同的偏转效应,尤其是不同的偏转力度。
变化部分中的位置距中性区域的距离优选地是垂直于变化部分与中性区域之间的假想或真实分界线测量的。在此,该距离尤其根据假想或真实分界线或中性区域的形状或几何形状来测量。例如,如果中性区域是圆形状的,则优选地相对于圆形中性区域径向地测量距离。另一方面,如果中性区域例如是矩形形状的,则优选地分别垂直于中性区域的边界边缘测量距离。
中性区域可以尤其构造为圆形、椭圆形或卵形、或矩形,或者构造为具有任何其他几何形状。它优选地适配于待滤光的激光射束的截面几何形状。偏转区域的形状优选地对应于中性区域的形状。这尤其不仅适用于恒定部分而且适用于变化部分。
根据一种优选构型,变化部分被布置在一方面中性区域与另一方面恒定部分之间。以有利的方式,因此在从中性区域到恒定部分中存在偏转效应的转变,尤其是从中性区域中的0%偏转效应到恒定部分中的100%偏转效应的转变,优选地连续的转变或稳定的(stetig)转变,尤其是线性的转变或高斯形的转变、尤其是以半高斯函数的形式转变。尤其以这种方式能够滤除覆盖在主射束或有用射束上的不期望的射束分量,并且在此不会过度损害或削减主射束或有用射束。
根据一种优选的构型,偏转区域与屏蔽区域(Ausblendbereich)邻接,激光射束在屏蔽区域中被吸收。以这种方式,可以屏蔽待滤光射束之外的射束分量。
根据本发明的一种扩展方案设置,中性区域居中布置并且在外侧尤其是径向外侧被偏转区域包围。在此,变化部分径向地布置在中性区域和恒定部分之间。中性区域相应地尤其是中央的中性区域,偏转区域在径向外侧邻接到该中央的中性区域,该偏转区域优选地具有作为外恒定部分的恒定部分和作为内变化部分的变化部分。相应地,在径向方向上看,首先是中性区域,然后是变化部分,最后是恒定部分,从径向内侧到径向外侧彼此跟随。这代表了空间频率滤光器装置的一种特别简单的构型。
可替代地,可能的是,中性区域布置在径向外侧,并且偏转区域在径向内侧邻接到该中性区域,其中,在此变化部分也布置在中性区域和恒定部分之间。在这种情况下,恒定部分尤其是是中央的恒定部分,变化部分径向外侧邻接到该中央的恒定部分,而中性区域进而在径向更外侧邻接到变化部分。这种几乎与上述构型相反的构型也代表了用于对激光射束进行滤光的非常适合的可能性。
根据本发明的一种扩展方案设置,在变化部分中,对激光射束的射束分量的偏转效应随着距中性区域的距离的增加而增加。这(正如已经指出的)尤其有利,因为它允许以特别合适的方式对覆盖在主射束或有用射束上的不期望的射束分量进行滤光,并且不会过度损害主射束或有用射束本身,其中尤其避免或至少减少不期望的效应(比如边缘处的衍射)。同样如前所述,在变化部分中,偏转效应从中性区域到恒定部分增加,优选地从中性区域的边界处或过渡区域中的0%增加到恒定部分的边界处或过渡区域中的100%。在此,0%的值对应于中性区域中存在的偏转效应,即优选地没有偏转效应,而100%的值对应于恒定部分中存在的偏转效应。特别优选地,在变化部分中,偏转效应随着距中性区域的距离的增加而连续地或稳定地增加,最特别优选地线性增加。
根据本发明的一种扩展方案设置,偏转区域具有相位影响结构。优选地,在偏转区域中不影响激光辐射的幅度。在一种优选的构型中,偏转区域因此仅作用于激光辐射的相位。相位影响结构优选地在恒定部分中是恒定的,而在变化部分中它在至少一种特性上位置相关地、尤其是根据距中性区域的距离而变化。合适的相位影响结构由例如Farn,M.W.的《Binary gratings with increased efficiency》,光学应用(Appl.Opt).31(22),4453-4458(1992);Ngcobo,S.等人的《A digital laser for on-demand laser modes》,自然通讯(Nat.Commun).4:2289doi:10.1038/ncomms3289(2013);Eckstein W.等人的《Comparison of different simulation methods for effective medium computergenerated holograms》,光学快报(Opt.Express)21(10),12424-12433(2013)披露。
根据本发明的一种扩展方案设置,相位影响结构构造为衍射偏转结构。衍射偏转结构是周期性的,具有确定的、优选地恒定的调制周期,并且在恒定区域中具有恒定调制幅度,其中,调制周期和调制幅度决定通过衍射偏转结构对激光辐射的相位影响。调制幅度尤其决定相位影响的力度,这也被称为相位调制。在变化部分中,衍射偏转结构的调制幅度发生变化。
根据一种优选的构型,衍射偏转结构造成为几何光栅。在这种情况下,衍射偏转结构的调制幅度理解为是指衍射偏转结构的优选地沿着射束轴测量的几何高度或深度。调制幅度则是几何光栅的光栅高度。
调制周期尤其是衍射偏转结构的垂直于射束轴测量(也就是说沿径向方向测量)的周期长度。调制周期优选地不仅在恒定部分而且在变化部分中是恒定的,尤其是在恒定部分和变化部分中是相同的。
根据本发明的一种扩展方案设置,对激光射束的射束分量的偏转效应在变化部分根据距中性区域的距离的确定的函数而变化。以这种方式,可以有利地以明确限定的方式影响偏转效应,并因此整体影响空间频率滤光器装置的性能。如已经所述的,偏转效应的这种变化的优选构型是线性函数。然而,根据另一构型也可能的是,确定的函数是高斯函数。其他确定的函数也是可能的。
根据本发明的一种扩展方案设置,空间频率滤光器装置具有滤光器主体,在该滤光器主体上构造中性区域。偏转区域施加在滤光器主体上或引入该滤光器主体中。这代表了空间频率滤光器装置的尤其容易提供并且同时非常有效的构型。滤光器主体尤其是衬底,优选地具有构造成对于激光辐射透射或反射的材料。衍射偏转结构尤其优选地施加在滤光器主体上或引入滤光器主体中。偏转区域/衍射偏转结构尤其优选地通过滤光器主体、尤其是滤光器主体的材料的局部变化、尤其是结构化来产生。
根据本发明的一种扩展方案设置,中性区域具有中性宽度尺寸。中性宽度尺寸尤其是半宽度尺寸,也就是说说明半宽度或环宽度、尤其是半径的尺寸。
中性宽度尺寸优选地是待滤光的激光射束的射束宽度尺寸的至少5%至至多130%。
在这种情况下,待滤光的激光射束的射束宽度尺寸优选地同样是半宽度尺寸,尤其是半径。在高斯形激光射束的情况下,在此优选地从射束轴到激光辐射已经下降到射束轴上最大强度的1/e2的分数的位置来测量射束宽度尺寸。
根据一种优选的构型,中性宽度尺寸优选地是射束宽度尺寸的至少20%至至多60%。该值范围已被证明对于对与主射束或有用射束重叠的不期望的射束分量进行滤光是尤其有利的。
根据另一优选构型,中性宽度尺寸优选地是射束宽度尺寸的至少60%至至多100%。该值范围已被证明对于对与主射束或有用射束不重叠或仅轻微程度地重叠的不期望的射束分量进行滤光是尤其有利的。
替代地或附加地,变化部分优选地具有变化宽度尺寸。变化宽度尺寸同样尤其是半宽度尺寸或环宽度,尤其是半径。变化宽度尺寸优选地是中性宽度尺寸的至少10%至至多150%。
根据一种优选的构型,变化宽度尺寸是中性宽度尺寸的至少10%至至多40%,优选地30%。这已被证明对于对与主射束或有用射束仅轻微重叠或不重叠的不期望的射束分量进行滤光是尤其有利的。
根据另一优选构型,变化宽度尺寸是中性宽度尺寸的至少40%至至多150%,优选地100%。这种构型已被证明对于对与主射束或有用射束重叠的不期望的射束分量进行滤光是尤其有利的。
根据本发明的一种扩展方案设置,空间频率滤光器装置构造为透射光阑、透镜、保护玻璃、光纤端盖(Faserendkappe)或反射镜。这些代表了空间频率滤光器装置的一种特别合适的构型。
根据本发明的一种扩展方案设置,衍射偏转结构如此构造,使得不产生零衍射阶,也就是说不产生零阶的衍射。因此,不期望的射束分量尽可能完全地从射束轴偏转。
衍射偏转结构优选如此构造,使得它仅产生第一衍射阶,也就是说仅产生一阶的衍射。因此,不期望的射束分量被偏转到明确限定的空间角,在那里它们可以以容易和准确的方式被滤除。
根据一种优选的构型,衍射偏转结构具有闪耀光栅或构造为闪耀光栅。这代表了既简单又实用的衍射偏转结构的构型。
根据本发明的一种扩展方案设置,衍射偏转结构被蚀刻到滤光器主体中。以这种方式,可以非常容易且高准确性地产生衍射偏转结构。
替代地,衍射偏转结构优选地作为体积修改(Volumenmodifikation)、尤其是作为体积光栅引入滤光器主体中。以这种方式,可以高准确性地在滤光器主体的体积,尤其是衬底的体积中产生修改,其中,最终得到具有不同折射率的区域,这些区域起衍射作用。
该任务还通过提供一种用于激光射束的空间频率滤光器布置来实现,该空间频率滤光器布置具有根据本发明的空间频率滤光器装置或根据上述实施例之一的空间频率滤光器装置。此外,空间频率滤光器布置具有恒定滤光装置。借助恒定滤光装置,被空间频率滤光器装置偏转的不期望的射束分量可以被滤除,特别优选地被屏蔽,尤其是被吸收。结合空间频率滤光器布置尤其得出已经结合空间频率滤光器装置阐述的优点。
恒定滤光装置在此理解为是指一种装置,该装置仅一方面具有中性区域并且另一方面具有邻接到中性区域上的屏蔽区域。在此可能的是,中性区域构造为中央的中性区域,该中央的中性区域在径向外侧被屏蔽区域包围。然而,相反布置也是可能的:其中中性区域在径向外侧包围中央屏蔽区域。在此,中性区域尽可能不受干扰地、优选地完全不受干扰地透射或反射激光辐射,而屏蔽区域优选地既不透射也不反射激光辐射,优选地吸收激光辐射。因此,恒定滤光装置尤其不具有偏转区域,尤其既不具有恒定部分也不具有变化部分。
恒定滤光装置优选地构造为光阑,尤其是孔径光阑。
根据一种优选的构型,在激光射束的射束传播方向上看,恒定滤光装置布置在空间频率滤光器装置的后方。
恒定滤光装置尤其优选地与空间频率滤光器装置间隔开布置,优选地间隔开确定的传播距离。由空间频率滤光器装置的偏转区域偏转的射束分量然后有利地通过恒定滤光装置屏蔽,因为与期望的主射束或有用射束相比,它们以增大的发散角传播,使得在确定的传播距离之后与主射束或有用射束在空间上充分分离,因此可以通过恒定滤光装置消除,尤其是被吸收。
空间频率滤光器布置以这种方式尤其设计用于对激光射束进行幅度滤光。
根据本发明的一种扩展方案设置,空间频率滤光器布置具有第一会聚透镜,第一会聚透镜在激光射束的射束传播方向上布置在空间频率滤光器装置的后方。借助于会聚透镜,可以以有利的方式影响通过空间频率滤光器装置滤光的激光辐射。优选地,在激光射束的射束传播方向上看,第一会聚透镜布置在恒定滤光装置的前方。以这种方式,激光辐射可以借助第一会聚透镜尤其是成像到恒定滤光装置上,以便实现特别有效的滤光。
可替代地,可能的是,恒定滤光装置可以集成在第一会聚透镜中,或者第一会聚透镜构造为恒定滤光装置。第一会聚透镜尤其可以在径向外部的区域中构造为不透明的,或者在其透镜效应方面受到限制;或者透镜效应在径向外部区域无效;或者第一会聚透镜布置在壳体中,其中,壳体形成屏蔽区域。第一会聚透镜也可以被经冷却的吸收器包围,或者布置在经冷却的吸收器上,经冷却的吸收器提供屏蔽区域。
根据本发明的一种扩展方案设置,作为第一会聚透镜的替代或补充,空间频率滤光器装置具有第二会聚透镜,第二会聚透镜在激光射束的射束传播方向上布置在空间频率滤光器装置的前方。此第二会聚透镜可以有利地在空间频率滤光器装置前方扩宽激光射束。如果激光射束具有非常小的射束直径,这证明是尤其有利的,如此使得(在没有第二会聚透镜的情况下)空间频率滤光器装置将需要非常小的结构尺寸。如果在这种情况下扩宽激光射束,则空间频率滤光器装置可以具有对应更大的结构,因此可以更容易地并且以更低的成本制造。因此,如果激光辐射在空间频率滤光器装置之前从纤维束离开或耦合出来,并且因此具有特别小的射束直径,则设置第二会聚透镜是尤其有利的。通常,可以借助第二会聚透镜使射束宽度尺寸与空间频率滤光器装置的外径匹配,尤其是使其变小或变大。如果射束直径大于空间频率滤光器装置的外径,这也证明是有利的。
可替代地或附加地,空间频率滤光器装置优选地具有第三会聚透镜,第三会聚透镜在激光射束的射束传播方向上布置在恒定滤光装置的后方。这可以(单独地,或与第一会聚透镜和/或第二会聚透镜组合)用于在空间频率滤光器布置的用于后方元件或待加工工件的出口处影响激光射束、尤其是使其成型。激光射束尤其可以通过第三会聚透镜准直。
根据一种特别优选的构型,空间频率滤光器布置具有所谓的4f布置,其中4f代表四个焦点长度在这种结构的情况下,尤其是以下元件以所说明的顺序在射束传播方向上彼此前后地布置:空间频率滤光器装置、第一会聚透镜、恒定滤光装置和第三会聚透镜。在此,一方面恒定滤光装置和另一方面空间频率滤光器装置优选地分别布置在第一会聚透镜的焦点处,其中优选地,恒定滤光装置附加地布置在第三会聚透镜的焦点处。借助这种布置,激光辐射可以被特别好地滤光并且优选地同时被准直。
可能的是,在这种4f布置中,第二会聚透镜在射束传播方向上布置在空间频率滤光器装置的前方。然而,也可能的是,空间频率滤光器布置在这种优选构型中不具有第二会聚透镜。
该任务最终还通过提供一种用于对激光射束进行空间频率滤光的方法来实现,其中,激光射束辐射穿过空间频率滤光器装置的中性区域,或者其中,激光射束被空间频率滤光器装置的中性区域反射。在径向邻接到中性区域上的偏转区域中,激光射束的射束分量从激光射束的射束轴偏转。在偏转区域的恒定部分中,射束分量以与距中性区域的距离无关的恒定偏转效应偏转。在偏转区域的(尤其是布置在中性区域和恒定部分之间的)变化部分中,射束分量根据距中性区域的距离的以变化的偏转效应偏转。特别优选地,在变化部分中,射束分量根据距中性区域的距离以随着距中性区域的距离的增加而增加的偏转效应偏转。
结合该方法尤其得出已经结合空间频率滤光器装置和空间频率滤光器布置所阐述的优点。
在一种优选构型中,在该方法的范畴中使用根据本发明的空间频率滤光器装置或根据上述实施例之一的空间频率滤光器装置。可替代地或附加地,在该方法的范畴中使用根据本发明的空间频率滤光器布置或根据上述实施例之一的空间频率滤光器布置。在此以特别的方式得到已经描述的优点。
根据本发明的一种扩展方案设置,偏转区域具有衍射偏转结构。在此,优选通过衍射偏转结构抑制零衍射阶。特别优选地,通过第一衍射偏转结构仅产生第一衍射阶。
根据本发明的一种扩展方案设置,在偏转区域中偏转的射束分量从激光射束的射束轴以离开的方式偏转了一个偏转角,该偏转角尤其是根据以下公式作为激光辐射的波长除以偏转区域的调制周期(尤其是衍射偏转结构的调制周期)的商的反正弦得出:
在此,θ是偏转角,λ是激光辐射的波长,g是偏转区域的调制周期。优选地,偏转角尤其是根据以下公式近似作为激光辐射的波长与调制周期的商得出:
例如,如果调制周期为10μm,则红外辐射的偏转角大约为5.7°。对于绿光,其大约是一半。
优选地,通过空间频率滤光器装置的偏转区域偏转的射束分量被与空间频率滤光器装置间隔开(优选地间隔开特定传播距离)布置的恒定滤光装置消除,尤其是吸收。
以这种方式,对激光射束执行尤其是幅度滤光。
附图说明
下面基于附图更详细地解释本发明,在附图中:
图1示出了根据现有技术的空间频率滤光器装置的示意性图示;
图2示出了根据本发明的空间频率滤光器装置的实施例的示意性图示;
图3示出了空间频率滤光器布置的第一实施例的示意性图示,以及
图4示出了空间频率滤光器布置的第二实施例的示意性图示。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的空间频率滤光器装置100的示意性图示。空间频率滤光器装置100设置用于与激光射束200一起使用,该激光射束在此例如从纤维或纤维束10耦合出。在此,激光射束200是发散激光射束。然而,同样也可以将这种空间频率滤光器装置100用于与准直的激光射束200一起使用。
空间频率滤光器装置100具有中性区域110,该中性区域在此设置用于透射激光射束200。然而,中性区域110也可以设置成反射激光射束200。
偏转区域120邻接到中性区域110上,该偏转区域设置成使激光射束200的射束分量210从激光射束200的射束轴A偏转。在此得出总偏转角β,总偏转角在此一方面包括由偏转区域120确定的偏转角θ,另一方面包括发散激光射束200的打开角α。如果激光射束200构造为准直激光射束,则通过偏转区域120仅偏转一个偏转角θ。通过偏转区域120偏转的射束分量210然后通过恒定滤光装置320屏蔽。这是可能的,因为与期望的主射束或有用射束相比,偏转的射束分量以增加的发散角传播,因此在一定的传播距离后与主射束或有用射束在空间上充分分离,因此可以通过恒定滤光装置320、尤其是通过常规的吸收元件来消除。
在从现有技术中已知的空间频率滤光器装置100的情况下,偏转区域120的偏转效应与位置无关,也就是说在偏转区域120中的任何地方都是恒定的。
图2示出了空间频率滤光器装置100的实施例的示意性图示。相同或功能上相同的元件在所有附图中具有相同的附图标记,因此在此范围内分别参考前述描述。空间频率滤光器装置100与根据图1的已知空间频率滤光器装置100的不同之处尤其在于,在此,偏转区域120除了恒定部分123之外还具有变化部分125,在该恒定部分中,对于恒定部分123中的每个位置,对激光射束200的射束分量210的偏转效应与该位置距中性区域110的距离无关,而在该变化部分中,对激光射束200的射束分量210的偏转效应根据距中性区域110的距离而变化。以这种方式,尤其还能够滤除靠近主射束或有用射束布置或与主射束或有用射束重叠的那些射束分量210,而在此不会不适当地损害或不利地影响主射束或有用射束。在此,偏转效应的变化尤其是涉及偏转效率,尤其是相位调制的强度。相比之下,偏转角优选地恒定地与位置无关,并且尤其是在恒定部分123和变化部分125中是相同的。
变化部分125尤其布置在中性区域110与恒定部分123之间。
在此处所示的实施例的情况下,中性区域110居中布置,其中,偏转区域120径向邻接到中性区域110上。在此,偏转区域120具有作为外恒定部分的恒定部分123和作为内变化部分的变化部分125,其中,变化部分125在径向内侧邻接到中性区域110上,其中,恒定部分123在径向外侧邻接到变化部分125上。优选地,各个区域/部分构造为圆形,变化部分125优选地以环的形式包围中央的中性区域110,并且其中恒定部分123又在径向外侧以环的形式包围变化部分125,使得变化部分125被布置为中性区域110(尤其构造为圆盘的形式)与环形恒定部分123(构造为外环)之间的环形区域。
然而,也可能是相反的构型,其中偏转区域120的恒定部分123居中布置,然后在径向外侧被变化部分125直接邻接,进而在径向外侧被然后的外中性区域110邻接。
在变化部分125中,对激光射束200的射束分量210的偏转效应优选地随着距中性区域110的距离增加而增加。
优选地,在变化部分125中,对射束分量210的偏转效应根据距中性区域110的距离的确定的函数而变化,特别优选地根据高斯函数或根据线性函数而变化。
偏转区域123优选地具有相位影响结构126,该结构在恒定部分123中是恒定的并且在变化部分125中变化。特别优选地,空间频率滤光器装置110仅影响相位,但不影响激光射束200的强度或幅度。这具有的优点是,激光射束200在射束传播方向上空间频率滤光器装置100的后方最终具有与空间频率滤光器装置100的前方相同的强度分布(除了被滤光的、不期望的射束分量210之外)。
相位影响结构126优选地构造为衍射偏转结构127,其中,衍射偏转结构127具有调制周期g并且因此是周期性的,其中,在恒定部分123中,它具有恒定的调制幅度a。相反,在变化部分125中,衍射偏转结构127的调制幅度a变化。优选地,调制幅度a在变化部分125中根据距中性区域110的距离的确定的函数变化,尤其是根据高斯函数或根据线性函数而变化。
衍射偏转结构127可以尤其构造为几何光栅,或者由折射率的位置上的变化、尤其是空间上变化形成。
空间频率滤光器装置100优选地具有滤光器主体130,在滤光器主体上构造中性区域110。偏转区域120优选地施加在滤光器主体130上或引入滤光器主体130中。
图2中还示出中性区域110具有的中性宽度尺寸NB。在此,此处的中性宽度尺寸NB优选地是中性区域110的半径。
空间频率滤光器装置100优选地构造为透射光阑、透镜、保护玻璃、光纤端盖或反射镜。空间频率滤光器装置100尤其还可以集成在产生激光射束200的激光器的谐振器中、布置在谐振器下游、或者布置在处理光学单元前方或布置在处理光学单元中。然而同样可能的是,空间频率滤光器装置100构造为单独的元件。
衍射偏转结构127优选地如此构造,使得它不产生零阶衍射。衍射偏转结构127优选如此构造,使得它仅仅产生一阶衍射,尤其是不产生更高的衍射阶。根据一种优选的构型,衍射偏转结构127构造为闪耀光栅(Blazegitter)129,或者它具有闪耀光栅129。
根据一种优选的构型,衍射偏转结构127被蚀刻到滤光器主体130中或者作为体积修改、尤其是作为体积光栅引入滤光器主体130中。
图3示出了用于激光射束200的空间频率滤光器布置300的第一实施例的示意性图示,其中,空间频率滤光器布置300具有与在此披露的技术教导一致的空间频率滤光器装置100。在此,在空间频率滤光器装置100上示出:变化部分125具有变化宽度尺寸VB,该变化宽度尺寸优选地是环形的变化部分125的环宽度,环形的变化部分125以环的形式以环宽度包围中性区域110。
图3中还示意性地示出了激光射束200的射束宽度尺寸SB,该射束宽度尺寸同样构造为半宽度尺寸、在此是射束半径,其中,具体是射束宽度尺寸的两倍在图3中示出为激光射束200的直径。在此处示例性地示出为高斯形的激光射束200的情况下,射束宽度尺寸优选地在最大强度的1/e2的分数的情况下确定。
中性宽度尺寸NB优选地为射束宽度尺寸SB的至少5%至至多130%。变化部分125的变化宽度尺寸VB可替代地或附加地优选地为中性宽度尺寸NB的至少10%至至多150%。
图3示意性地示出了以下情况,其中不期望的射束分量210距射束轴A相当大距离并且同时距主射束或有用射束相当大距离,使得它们可以相当容易地被滤除。在这种情况下,中性宽度尺寸NB优选地为射束宽度尺寸SB的至少60%至至多100%。变化宽度尺寸VB优选地为中性宽度尺寸NB的至少10%至至多40%,优选地30%。
在此已经参考图4,其中(与那里示出的空间频率滤光器布置300的第二实施例的其他不同构型无关)示出了以下情况:其中不期望的射束分量210与主射束或有用射束重叠,并且因此相比根据图3中所示的情况布置得更靠近射束轴A。在这种情况下,更难以滤光不期望的射束分量。在这种情况下,中性宽度尺寸NB优选地选择为射束宽度尺寸SB的至少20%至至多60%。在这种情况下,变化宽度尺寸VB优选地为中性宽度尺寸NB的至少40%至至多150%,优选100%。
返回到图3,哪里示出的空间频率滤光器布置300在激光射束200的射束传播方向上在空间频率滤光器装置100的后方(尤其是与空间频率滤光器装置间隔开特定的传播距离)具有恒定滤光装置320。它还具有布置在空间频率滤光器装置100后方的第一会聚透镜310。此外,在此第一会聚透镜310布置在恒定滤光装置320的前方。可替代地,恒定滤光装置320也能够集成在第一会聚透镜310中或布置在第一会聚透镜310上。通过偏转区域120偏转的不期望的射束分量在它们行进经过(Durchlaufen)确定传播距离之后被恒定滤光装置320消除、尤其是吸收。以这种方式,尤其是实现了对激光射束200的幅度滤光。
根据如图3所示的第一实施例的空间频率滤光器布置300还具有第二会聚透镜330,第二会聚透镜在激光射束200的射束传播方向上布置在空间频率滤光器装置100的前方。尤其证明有利的是:激光射束200具有非常小的射束宽度尺寸SB,尤其是从光纤束10耦合出,其中,然后激光射束可以被第二会聚透镜330扩宽,使得空间频率滤光器装置100可以比在激光射束200没有被扩宽的情况具有更大的结构尺寸,尤其是更大的调制周期g和/或更大的调制幅度a。通常,借助第二会聚透镜330可以使射束宽度尺寸SB与空间频率滤光器装置100的外径匹配、尤其是使其变小或变大。如果射束宽度尺寸SB大于空间频率滤光器装置100的外径,这也证明是有利的。
在此处所示的第一实施例的情况下,空间频率滤光器布置300还具有第三会聚透镜340,第三会聚透镜在激光射束200的射束传播方向上布置在恒定滤光装置320的后方。此透镜可以尤其有利地用于使经滤光的激光射束准直。这在空间频率滤光器布置300的后方得到经滤光和准直的激光射束220。在此示意性地示出,这种经滤光和准直的激光射束220不再具有不期望的射束分量210。
在图3和图4中,激光射束200分别从左到右传播通过空间频率滤光器布置300。
图4示出了空间频率滤光器布置300的第二实施例的示意性图示。在此,此处所示的第二实施例不具有第二会聚透镜330。然而,在该第二实施例的情况下使用这种第二会聚透镜330也是可能的。
优选地,空间频率滤光器装置100根据所谓的4f布置构造,其中,空间频率滤光器装置100以及恒定滤光装置320分别布置在第一会聚透镜310两侧的焦点位置处,其中,此外恒定滤光装置320优选地布置在第三会聚透镜340的焦点处。
在根据图3的第一实施例的情况下,空间频率滤光器装置100附加地布置在第二会聚透镜330的焦点处。然而,不一定必须如此,而是在焦点之外的布置也是可能的,尤其是为了使射束宽度尺寸SB匹配于空间频率滤光器装置100的外径。
根据一种优选的构型,各个会聚透镜310、330、340的焦点(Foki)相同地构造,但是也可以被选择成成对地不同,或者彼此全部不同。
激光射束200优选被滤光,其方式是:激光射束200辐射穿过空间频率滤光器装置100的中性区域110,或者激光射束200被中性区域110反射。在此,不期望的射束分量210在径向邻接到中性区域110上的偏转区域120中从射束轴A偏转,其中,射束分量210在恒定部分123中以与距中性区域110的距离无关的恒定偏转效应偏转,其中,射束分量210在变化部分125中根据距中性区域110的距离以变化的偏转效应(尤其是随着距中性区域110的距离增加而增加的偏转效应)偏转。
偏转区域120的偏转角θ优选地尤其是根据上面说明的公式(1)作为一方面激光射束200的辐射入波长λ与另一方面偏转区域120的调制周期g的商的反正弦而得出。近似地,偏转角θ优选地尤其是根据上面指定的公式(2)作为辐射入波长λ除以调制周期g的商而得出。
在射束轴A所垂直的平面中,中性区域110优选地几何地如此成型,使得其至少对应于激光射束200的理想射束几何形状,尤其是对于圆柱形对称的激光射束200构造为圆形。然而,它也可以尤其是对于矩形激光射束截面构造为矩形、或尤其是对于椭圆形激光射束截面构造为椭圆形。偏转区域120、尤其是不仅恒定部分123而且变化部分125两者优选地像中性区域110一样成型,并且尤其是作为相应构造的***区域在径向外侧包围中性区域。
Claims (15)
1.一种用于与激光射束(200)一起使用的空间频率滤光器装置(100),具有
-中性区域(110),所述中性区域设置用于透射或反射所述激光射束(200),
-径向邻接到所述中性区域(110)上的偏转区域(120),所述偏转区域设置用于使所述激光射束(200)的射束分量(210)从所述激光射束(200)的射束轴(A)偏转,其中,
-所述偏转区域(120)具有恒定部分(123),在所述恒定部分中,对于所述恒定部分(123)中的每个位置,对所述激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应与所述位置距所述中性区域(110)的距离无关,并且其中,
-所述偏转区域(120)具有变化部分(125),在所述变化部分中,对所述激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应根据距所述中性区域(110)的距离而变化。
2.根据权利要求1所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述中性区域(110)居中布置,并且在外侧被所述偏转区域(120)包围,所述变化部分(125)布置在所述中性区域(110)与所述恒定部分(123)之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,在所述变化部分(125)中,对所述激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应随着距所述中性区域(110)的距离的增加而增加。
4.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述偏转区域(120)具有相位影响结构(126)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述相位影响结构(126)构造为衍射偏转结构(127),其中,所述衍射偏转结构(127)是周期性的并且在所述恒定部分(123)中具有恒定调制幅度(a),其中,所述衍射偏转结构(127)的调制幅度(a)在所述变化部分(125)中变化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,对所述激光射束(200)的射束分量(210)的偏转效应根据距所述中性区域(110)的距离的确定的函数而变化,优选地根据高斯函数或根据线性函数而变化。
7.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述空间频率滤光器装置(100)具有滤光器主体(130),在所述滤光器主体上构造所述中性区域(110),其中,所述偏转区域(120)施加在所述滤光器主体(130)或引入所述滤光器主体(130)中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述中性区域(110)具有中性宽度尺寸(NB),其中,
a)所述中性宽度尺寸(NB)是待滤光的激光射束(200)的射束宽度尺寸(SB)的至少5%至至多130%,优选地20%至至多60%,优选地至少60%至至多100%,并且/或者
b)所述变化部分(125)的变化宽度尺寸(VB)是所述中性宽度尺寸(NB)的至少10%至至多150%,优选地至少10%至至多40%,优选地30%,优选地至少40%至至多150%,优选地100%。
9.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述空间频率滤光器装置(100)构造为透射光阑、透镜、保护玻璃、光纤端盖或反射镜。
10.根据前述权利要求中任一项所述的空间频率滤光器装置(100),其特征在于,所述衍射偏转结构(127)被蚀刻到所述滤光器主体(130)中,或者作为体积修改引入所述滤光器主体(130)中。
11.一种用于激光射束(200)的空间频率滤光器布置(300),所述空间频率滤光器布置具有根据权利要求1至10中任一项所述的空间频率滤光器装置(100)并且具有恒定滤光装置(320)。
12.根据权利要求11所述的空间频率滤光器布置(300),其特征在于第一会聚透镜(310),所述第一会聚透镜在所述激光射束(200)的射束传播方向上布置在所述空间频率滤光器装置(100)的后方。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的空间频率滤光器布置(300),其特征在于第二会聚透镜(330),所述第二会聚透镜在所述激光射束(200)的射束传播方向上布置在所述空间频率滤光器装置(100)的前方。
14.一种用于激光射束(200)的空间频率滤光的方法,其中,
a)所述激光射束(200)辐射穿过空间频率滤光器装置(100)的中性区域(110),或者
b)所述激光射束(200)被所述空间频率滤光器装置(100)的中性区域(110)反射;其中,
-所述激光射束(200)的射束分量(210)在径向邻接到所述中性区域(110)上的偏转区域(120)中从所述激光射束(200)的射束轴(A)偏转,其中,
-在所述偏转区域(120)的恒定部分(123)中,所述射束分量(210)以与距所述中性区域(110)的距离无关的恒定偏转效应偏转,并且其中,
-在所述偏转区域(120)的变化部分(125)中,所述射束分量(210)根据距所述中性区域(110)的距离以变化的偏转效应偏转。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述偏转区域(120)具有衍射偏转结构(127),其中,通过所述衍射偏转结构(127)抑制零衍射阶。
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