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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit einem Laser, der einen eindimensionalen, linear polarisierten Gauß'schen Strahl mit einem rechteckigen Querschnitt erzeugt, und einer optischen Anordnung.
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In diesen Unterlagen werden optische Anordnungen zur Formung von Strahlen angegeben, bei denen mindestens eine Verzögerungsplatte zur Aufteilung des Strahls mit unterschiedlichen Polarisationen verwendet wird. Die Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisationen werden räumlich überlagert.
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Stand der Technik
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Laser gewinnen immer mehr Bedeutung in der Materialbearbeitung. Es gibt verschiedene Laser, z. B. Gaslaser, Halbleiterlaser, Faserlaser, Festkörperlaser und Excimer Laser. In den meisten Fällen haben die Laser rotationssymmetrische Verstärkungsvolumen, so dass die meisten Laserstrahlen einen runden Strahlquerschnitt aufweisen. Für eine flächige Bearbeitung, wie Abtragen und Markierung, sind diese aufgrund des runden Strahlquerschnitts ineffektiv für Flächenfüllung. Um eine flächige Bearbeitung zu ermöglich, ist oft eine hohe prozentuale Überlappung der Bearbeitungszonen erforderlich.
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Darüber hinaus ist das Intensitätsprofil von Strahlen hoher Qualität gaußförmig. Dies folgt aufgrund der Intensitätsschwellen unterschiedlicher Prozesse. In diesem Fall trägt die Energie/Leistung unterhalb der Schwellenintensität für die Prozesse nicht bei und stellt sich als Verlust dar.
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Ein optimaler Strahlquerschnitt in Bezug auf eine Flächenfüllung ist rechteckig bzw. quadratisch. Eine optimale Intensitätsverteilung in Bezug auf eine effektive Nutzung von Laserenergie/-leistung ist eine Top-Hat-Verteilung. Zur Generierung von Top-Hat-Intensitätsverteilungen gibt es unterschiedliche optische Anordnungen.
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Zum einen wird oft ein Integrator, wie ein Lichtwellenleiter mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt, verwendet. Zum anderen wird auch zur Homogenisierung der Intensität ein Mikrolinsenarray verwendet. Ein Nachteil der Anordnungen ist der starke Verlust der Strahlqualität nach der Strahlformung.
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Die
US 4 822 151 A beschreibt eine Anordnung mit einem Polarisationsrotator und einem polarisationsempfindlichen Strahlkombinierer, die in dem Strahlungsweg zwischen einem phasengekoppelten Laserdiodenarray und einer Kollimatorlinse angeordnet sind. Mit dieser Anordnung soll die Strahlqualität der Strahlen von den phasengekoppelten Diodenlaserarrays erhöht werden. Ein phasengekoppeltes Diodenlaserarray emittiert einen Strahl mit zwei getrennten Intensitätsmaxima (zwei räumlich getrennte Lobs), wobei mit den angegebenen optischen Anordnungen die beiden Intensitätsmaxima mittels Polarisation koaxial überlagert werden, um dadurch die Strahlqualität um einen Faktor N zu erhöhen. Gemäß der
2a und
2c wird die Intensitätsverteilung bei x = 0 bzw. θ = 0 geteilt und beide Gauß'schen Verteilungen werden überlagert. Das Ergebnis ist dann eine gaußähnliche Verteilung.
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Die
DE 699 10 326 T2 beschreibt optische Vorrichtungen und Verfahren zum Verstärken der Intensität von Multimode-Laserstrahlen und Drucker zum Drucken von Linsenrasterbildern mit Hilfe derartiger Laserstrahlen. Es werden Anordnungen eingesetzt, mit denen der Strahl räumlich in zwei Partitionen segmentiert wird und die beiden Partitionen mittels Polarisation überlagert werden. Folglich wird die Strahlqualität um einen Faktor 2 erhöht. Hieraus ergibt sich eine Anordnung, die keine Gauß-Verteilung zeigt, sondern eine Multimode-Verteilung.
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Die
DE 36 36 336 C2 beschreibt eine Halbleiterlaser-Vorrichtung mit einer Vielzahl von auf einem Substrat nebeneinander liegenden, phasengekoppelten Lichtemissionsbereichen, die ein Fernfeld mit zwei Lichtkeulen emittieren. Es wird eine Einrichtung eingesetzt, die aus dem emittierten Laserlicht ein Fernfeld mit einer einzigen Lichtkeule erzeugt, wozu diese Einrichtung ein Halbwellenplättchen sowie einen Polarisations-Strahlteiler, der den Laserstrahl nach dem Halbwellenplättchen mit der zweiten der beiden Lichtkeulen in einen einzigen Strahl verbindet, aufweist. Folglich werden beide Lichtkeulen so überlagert, dass sie eine einzige Lichtkeule ergeben.
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Die
DE 101 13 019 A1 beschreibt eine Strahlformungsvorrichtung, eine Anordnung zur Einkopplung eines Lichtstrahls in einer Lichtleitfaser sowie eine Strahldreheinheit für eine derartige Strahlformungsvorrichtung oder eine derartige Anordnung. Mit diesen Vorrichtungen wird die Strahlung aufgeteilt und durch Polarisation überlagert, um so die Strahlqualität, für die Einkopplung in Lichtwellenleiter kleiner Durchmesser, zu erhöhen.
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JP 10062714A Abstract beschreibt optische Anordnungen zur Veränderung der Fokusgröße, der Fokusgeometrie und des Propagationsverhaltens von Strahlen und befasst sich somit nicht mit der Homogenierung der Strahlintensitätsverteilung.
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Beschreibung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, optische Anordnungen zu schaffen, mit denen die Intensitätsverteilung homogenisiert werden kann, ohne dass die Strahlqualität deutlich reduziert wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder den Merkmalen des Anspruchs 2. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Im Folgenden werden die optischen Anordnungen gemäß dieser Erfindung am Beispiel eines eindimensionalen Gaußschen Strahls erläutert.
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zeigt die Intensitätsverteilung eines Gaußschen Strahls. Es wird vorausgesetzt, dass der Gaußsche Strahl linear polarisiert ist. Wie in und dargestellt ist, wird in dem Strahlgang eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) verwendet. Die lambda/2-Verzögerungsplatte (7) wird so angeordnet, dass etwa die Hälfte des Strahls die lambda/2-Verzögerungsplatte durchläuft. Das heißt, dass die Hälfte des Strahlquerschnitts durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) gedeckt wird (vgl. ). Hinter der lambda/2-Verzögerungsplatte wird der Strahl in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation unterteilt. Die Polarisation des durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte hindurchgelaufenen Teilstrahls wird um 90° gedreht, während die Polarisation des anderen Teilstrahls unverändert bleibt. Dies wird mit den Symbolen Kreis mit einem Punkt und einem Pfeil angedeutet (vgl. und ).
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Zur Aufteilung des Strahls können auch zwei lambda/4-Verzögerungsplatten verwendet werden. Dabei werden die zwei lambda/4-Verzögerungsplatten so angeordnet, dass jeweils etwa die Hälfte des Strahls abgedeckt ist und einer der Teilstrahlen links und der andere rechts zirkular polarisiert ist.
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Andere Anordnungen von Verzögerungsplatten können zur Erzeugung von Teilstrahlen, die unterschiedliche Polarisationen haben, verwendet werden.
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Um die beiden Teilstrahlen räumlich zwecks Homogenisierung zu überlagern, wird ein Prisma (21) verwendet (vgl. ). Das Prisma bricht einen der beiden Teilstrahlen so, dass sich die beiden Teilstrahlen räumlich schneiden. Die Kurven in und zeigen die Intensitätsverteilungen der beiden Teilstrahlen jeweils an axialen Positionen 101 und 102. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander stehende Polarisationen haben, entspricht die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen, wie die für die axiale Position 101 und für die axiale Position 102 zeigen. An der axialen Position überlagert zum einen der Gesamtstrahl mit einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung (Top-Hat-Intensitätsverteilung) (vgl. ). Eine andere Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls kann an unterschiedlichen Positionen eingestellt werden. Die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls kann mit einer geeigneten Optik in die Bedarf/Bearbeitungszone abgebildet werden.
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Eine Variation der Ausführung mit einem Prisma bildet eine Anordnung, wo zwei Prismen verwendet werden, die jeweils einem Teilstrahl zugeordnet werden.
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Bei den beiden oben genannten Anordnungen wird die Strahlqualität durch die Prismen reduziert. Dies kann vermieden werden, indem doppelbrechende Prismen verwendet werden. zeigt eine beispielhafte Ausführung einer derartigen Anordnung. Dabei wird ebenfalls eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) zur Aufteilung des Strahls in zwei Teilstrahlen mit senkrecht zueinander stehender Polarisation verwendet. Die beiden Teilstrahlen laufen durch das doppelbrechende Prisma (26). Aufgrund der unterschiedlichen Polarisation werden die beiden Teilstrahlen durch das doppelbrechende Prisma unterschiedlich gebrochen, so dass sich die beiden Teilstrahlen räumlich schneiden und deren Intensität überlagern. Eine parallele Überlagerung der Intensität von beiden Teilstrahlen kann erreicht werden, indem ein zweites doppelbrechendes Prisma (26) an der Stelle angeordnet wird, wo sich die beiden Teilstrahlen im Wesentlichen gegenseitig decken. In diesem Fall hat der überlagerte Strahl die höchste Strahlqualität, die bei einem Multimode-Strahl um einen Faktor 2 besser ist als die des Ausgangsstrahls.
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zeigt eine weitere optische Anordnung. Bei dieser Anordnung werden die beiden Teilsstrahlen unterschiedlicher Polarisation durch den ersten Polarisator (27) aufgespaltet. Der Teilstrahl mit s-Polarisation (81) wird durch die beiden Umlenkspiegel (28 und 28) und die zwei Polarisatoren (27 und 27) mit dem Teilstrahl (82) im Wesentlichen parallel zueinander überlagert.
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Eine Alternative zu der in dargestellten Ausführung zeigt die , wo ein Polarisator (23) zwei polarisierende Grenzflächen (91 und 92) aufweist. Dabei wird der s-polarisierte Teilstrahl (81) durch die polarisierende Grenzfläche (92) zuerst nach unten reflektiert. Die polarisierende Grenzfläche (91) reflektiert den Teilstrahl (81) und lenkt ihn wieder in die Richtung des Teilstrahls (82). Danach breiten sich die beiden Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zu einander aus.
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zeigt eine Ausführung, bei der ein Strahlversetzer (61) verwendet wird. Hinter der lambda/2-Verzögerungsplatte entstehen aus dem linear polarisierten Eingangsstrahl zwei Teilstrahlen (81, 82) mit senkrecht zueinander stehender Polarisation. Die beiden Teilstrahlen laufen durch den Strahlversetzer (61). Hinter dem Strahlversetzer werden die beiden Teilstrahlen räumlich überlagert, und zwar mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Ausbreitungsrichtung. Wie die räumliche Überlappung aussehen sollte, kann einfach durch die Länge des Strahlversetzers entlang der Ausbreitungsrichtung bestimmt werden. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander stehende Polarisationen haben, entspricht die Intensität des gesamten Ausgangsstrahl (36, 37, 78) der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen (vgl. ). Damit werden die Interferenz und eine damit verbundene, starke Intensitätsmodulation unterbunden.
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Bei dem Beam-Displacer 61 (siehe ) handelt es sich um ein doppelbrechendes Medium, bei dem die Strahlen unterschiedlicher Polarisation bei dem Eintritt in das Medium und bei dem Austritt aus dem Medium unterschiedlich gebrochen werden. Bei dem Beispiel fällt ein Strahl, der sowohl s- als auch p-polarisierte Komponenten enthält, senkrecht in den Beam-Displacer 61 ein. Der Beam-Displacer ist so konfiguriert, dass beim Eintreten die s-polarisierte Komponente ungebrochen hindurch läuft, während die p-polarisierte Komponente nach oben gebrochen wird. Beim Austreten wird die s-Komponente wie beim Eintreten nicht gebrochen, während die p-polarisierte Komponente nach unten gebrochen wird. Durch Brechung beim Eintreten und Austreten entsteht ein lateraler Versatz zwischen den beiden Komponenten. Beim Beam-Displacer 61 mit paralleler Eintritts- und Austrittsfläche breiten sich die beiden Strahlen unterschiedlicher Polarisationen nach dem Durchgang mit einem lateralen Versatz parallel aus. Unter den doppelbrechenden Medien sind zu nennen:
YVO4, BBO, Quarz, LiNbO3.
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Statt einer Verzögerungsplatte zur Veränderung der Polarisation können auch ein Rotator aus Quarz, ein Faraday-Rotator aus TGG oder YIG, oder ein Rotator aus Reflexionsflächen, usw., eingesetzt werden. Er hat die Eigenschaft, dass sich im Element Strahlen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich schnell ausbreiten, so dass nach einem Durchgang durch das Element die Phasen unterschiedlicher Polarisation eine ungleiche Verzögerung erfahren und so die relative Beziehung zwischen den unterschiedlichen Polarisationskomponenten und dem Polarisationszustand geändert wird. Z. B. wird bei einer lambda/4-Verzögerungsplatte ein linear polarisierter Strahl zu einem zirkular oder elliptisch polarisierten Strahl. Bei einer lambda/2-Verzögerungsplatte dreht sich die Polarisation um einen Winkel, der doppelt so groß wie der Winkel zwischen der Eingangspolarisation und der optischen Achse der Platte ist.
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Die Verzögerungsplatte kann aus Quarz, YVO4, BBO, usw. bestehen.
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Ein Rotator ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Polarisation in Abhängigkeit des Ausbreitungswegs im Rotator dreht.
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Für viele Anwendungen wird ein frequenzkonvertierter Laserstrahl benötigt. Die Frequenzkonversion wird mittel nichtlinearem Kristall realisiert. Bei Phasenanpassung Typ II steht die Polarisation des frequenzkonvertierten Strahls unter 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls. Wird der überlagerte Ausgangsstrahl (36, 37, 78) in einem nichtlinearen Kristall der Phasenanpassung II in der Frequenz konvertiert, so zeigt der frequenzkonvertierte Strahl aus dem nichtlinearen Kristall eine lineare Polarisation. Diesem Strahl kann eine der oben beschriebenen optischen Anordnungen zur weiteren Erhöhung der Intensitätshomogenität oder zur Formung der Intensitätsverteilung in einer anderen Ebene nachgeschaltet werden. So kann ein zweidimensionaler Gaußscher Strahl in einen Strahl umgeformt werden, der in beiden Ebenen quasi ein Top-Hat-Strahlprofil hat.
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Der ursprüngliche Strahl vor den optischen Anordnungen, wie sie beschrieben sind, kann durch eine quadratische oder rechteckige Blende aus einem Stahl mit einem beliebigen Querschnitt abgeleitet werden. Dies ist mit Leistungsverlust verbunden.
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Verlustfrei kann ein Strahl mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit einem Slablaser, die Verstärkungsvolumen mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben, generiert werden. Zur Erzeugung eines Strahls mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt wird ein Scheibenlaser so ausgebildet, dass das scheibenförmige Medium mit Pumpstrahl oder Pumpstrahlen so gepumpt wird, dass es einen quadratischen oder rechteckigen Verstärkungsbereich hat.
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Für die Erzeugung von Strahlen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt wird der Kern von Faserlaser quadratisch oder rechteckig ausgebildet.
