DE102007009318B4

DE102007009318B4 - Laseranordnung mit einem Laser zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahls

Info

Publication number: DE102007009318B4
Application number: DE200710009318
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Ferber; Thorsten Geuking
Original assignee: Coherent GmbH
Current assignee: Coherent GmbH
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: DE102007009318A1

Abstract

Laseranordnung mit einem Laser zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahls, der über eine hohe Energiedichte sowie einen durch den Laser vorgegebenen Strahlquerschnitt q₁ verfügt, und wenigstens einer den Laserstrahl beeinflussenden optischen Einheit,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser in Strahlrichtung des Laserstrahls ein den Laserstrahl reflektierendes optisches System nachgeordnet ist, das eine den Strahlquerschnitt des Laserstrahls aufweitende optische Wirkung besitzt, so dass der Laserstrahl das optische System mit einem Strahlquerschnitt q₂ verläßt, für den gilt:
q₂ > q₁, und
dass das optische System aus einem zylindrischen Konvexspiegel, an dessen gegenüber dem Laserstrahl geneigten Konvexseite der Laserstrahl reflektiert wird, und einer in Strahlrichtung dem zylindrischen Konvexspiegel nachgeordneten, konvexen Zylinderlinse besteht, die mit ihrer Konvexseite dem Konvexspiegel abgewandt angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung mit einem Laser zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahls, der über eine hohe Energiedichte sowie einen durch den Laser vorgegebenen Strahlquerschnitt q₁ verfügt, und wenigstens einer den Laserstrahl beeinflussenden optischen Einheit, durch die der Laserstrahl zur weiteren Applikation geführt wird.
Stand der Technik
Im Zusammenhang mit der Entwicklung von stets leistungsfähigeren Lasern, insbesondere von Hochleistungslasern zur Erzeugung ultravioletter Laserstrahlung, erwächst das Problem der optischen Strahlführung, zumal Laserstrahlen, insbesondere UV-Laserstrahlen mit Energiedichten von 150 mJ/cm² und mehr bei handelsüblichen, zumeist aus Quarzglas bestehenden optischen Elementen zur Strahlführung zu irreversiblen Materialschäden führen, wodurch sich die optischen Strahlführungseigenschaften merklich verschlechtern. So vermögen leistungsstarke UV-Laserstrahlen innerhalb der aus Quarzglas bestehenden optischen Elemente lokale Materialverdichtungen hervorzurufen, wodurch sich innerhalb der amorphen Glasstruktur Freiräume ausbilden, die in denen sich wiederum SiO₂ anreichert, wodurch sich Bereiche mit lokalen Brechungsindexvariationen bilden. Dies führt letztlich dazu, dass sich die optischen Abbildungseigenschaften des jeweiligen optischen Elementes ändern. Hinzukommt, dass UV-Absorptionen in Glasbereichen mit geringfügigen Verunreinigungen zu so genannten Farbzentrenbildungen führen, wodurch gleichfalls die Lebensdauer der optischen Elemente begrenzt wird.
Darüber hinaus vermag intensive UV-Laserstrahlung an den Oberflächen von beschichteten oder unbeschichteten optischen Elementen abgelagerte Schichten aus Staub, Ablagerungen aus organischen Dämpfen etc. regelrecht einzubrennen, so dass derartige Oberflächenkontaminationen nicht mehr entfernt und somit gereinigt werden können. Auch können hierdurch Oberflächenbeschichtungen, bspw. in Form von antiflektierenden Schichten beschädigt werden.
Bis dato werden zumeist die sich mit zunehmender Betriebsdauer eintretenden Materialdegradationen, wie vorstehend beschrieben, bei den handelsüblichen optischen Strahlführungskomponenten solange billigend in Kauf genommen, solange die Strahlperformance, d. h. Strahlform und -leistung, für die jeweilige Applikation, für die der Laser eingesetzt wird, als noch ausreichend beurteilt werden kann. Werden jedoch auch diese Grenzen überschritten, so gilt es die einzelnen, schadhaften optischen Komponenten durch neue zu ersetzen. Dies wirft neben einem Kostenaufwand auch den Betriebsausfall der Laseranordnung auf, bedingt durch zeitraubende Demontage, Montage und letztlich Justage-Arbeiten an den neu implementierten optischen Elementen.
Alternativ bietet es sich an, die einzelnen zur Strahlführung und/oder -formung erforderlichen optischen Komponenten aus MgF₂, Saphirglas oder CaF₂ zu wählen, die für UV-Licht über bessere Transmissionseigenschaften verfügen, jedoch sind diese Materialien verglichen zu handelsüblichen Quarzglas ungleich kostspieliger und verfügen überdies über doppelbrechende Eigenschaften.
In der US 2004/0179807 A1 ist ein Strahlhomogenisierer beschrieben, der zu Zwecken der Strahlhomogenisierung ein Licht leitendes Element aufweist, das über zwei innenliegende, reflektierende Oberflächen verfügt, längs der der geführte Lichtstrahl mehrfach reflektiert und somit homogenisiert wird.
Die DE 10 2005 034 890 A1 beschreibt ein optisches System zur optischen Wellenfrontkorrektur von Laserstrahlen. So weisen UV-Laser, allen voran Excimer-Lasersysteme, betriebsbedingte thermische Driften auf, wodurch das Wellenfrontprofil zeitlichen Änderungen unterliegt, die es zu korrigieren bzw. auszugleichen gilt. Bislang sind hierzu technisch aufwendige und somit teure Verfahren bekannt, die es durch weniger aufwendige und kostengünstigere Maßnahmen zu ersetzen gilt. Als Lösung hierzu wird angegeben, längs des Strahlenganges ein optisches System einzubringen, das über einen Ein- und Ausgang für den Strahl verfügt und wenigstens ein optisches refraktives Element aufweist, mit einer nicht-planaren Oberfläche, durch die der Strahl hindurchtritt. Die auch als optische Wellenfront-Korrekturfläche bezeichnete nicht-planare Oberfläche weist eine Temperaturabhängigkeit im Oberflächenkrümmungsverhaltens auf, nämlich genau derart, so dass systembedingte Wellenfrontfehler entsprechend kompensiert werden.
Darstellung der Erfindung
Es besteht daher die Aufgabe eine Laseranordnung mit einem Laser zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahls, vorzugsweise eines UV-Laserstrahls, der über eine hohe Energiedichte sowie einen durch den Laser vorgegebenen Strahlquerschnitt q₁ verfügt, sowie mit wenigstens einer den Laserstrahl beeinflussenden optischen Einheit, derart weiterzubilden, dass die durch leistungsstarke Laserstrahlen, vorzugsweise durch UV-Laserstrahlen, in handelsüblichen optischen Elementen, die vorzugsweise zur Strahlführung eingesetzt werden, induzierten Materialdegradationen vollständig vermieden werden sollen. An der kostengünstigen Verwendung von aus Quarzglas oder ähnlich handelsüblichen Materialien für die den Laserstrahl beeinflussenden optischen Einheiten soll jedoch festgehalten werden. Die zu treffenden Maßnahmen sollen überdies einfach und kostengünstig realisierbar und auch bei bereits bestehenden Laseranordnungen nachträglich implementierbar sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Ausgehend von einem an sich bekannten Hochleistungslasersystem, mit dem es vorzugsweise möglich ist einen Laserstrahl zu generieren, dessen Lichtleistung und Energiedichte in Bereichen liegen, bei denen optische, zumeist aus Quarzglas bestehende Komponenten zur Laserstrahlführung bzw. -beeinflussung durch Wechselwirkung mit dem Laserstrahl die eingangs erläuterten, irreversiblen Materialschädigungen bereits nach kürzester Be- oder Durchstrahlungsdauer erhalten, wird lösungsgemäß vorgeschlagen, den leistungsstarken Laserstrahl unmittelbar nach Austritt aus dem Laser hinsichtlich seines durch den Laser vorgegebenen originären Laserquerschnittes q₁ so weit zu vergrößern, dass die dem aufgeweiteten Laserstrahl zuordenbaren Energiedichte unterhalb jener kritischen Energiedichte bleibt, bei der sich die durch den Laserstrahl induzierten irreversiblen Schäden innerhalb der optischen Komponenten einstellen oder bzw. bei der sich zumindest signifikant kürzere Lebensdauern bei den bestrahlten optischen Elementen einstellen. Ziel ist es eine hinreichende Langzeitstabilität bei den eingesetzten optischen Elementen zu erhalten.
Lösungsgemäß zeichnet sich somit eine Laseranordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass dem Laser in Strahlrichtung des Laserstrahls nachfolgend ein den Laserstrahl reflektierendes optisches Element nachgeordnet ist, das eine den Strahlquerschnitt des Laserstrahls aufweitende optische Wirkung besitzt, so dass der Laserstrahl die wenigstens eine optische Einheit mit einem Strahlquerschnitt q₂ passiert bzw. verlässt, für den gilt, q₂ > q₁.
Das den Laserstrahl in seinem Strahlquerschnitt aufweitende optische Element verfügt in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform über die Eigenschaft, den zumeist als Parallellichtstrahlenbündel aus dem Laser austretenden Laserstrahl ausschließlich hinsichtlich seines Strahlquerschnittes aufzuweiten, jedoch in der Strahlform unverändert zu belassen, d. h. auch nach Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem optischen Element verbleibt der Laserstrahl als parallel verlaufendes Lichtbündel. Das optische Element ist gleichsam aller weiteren optischen Komponenten, die längs des Strahlenganges vorgesehen werden können, aus Quarzkristall oder einem vergleichbar für die UV-Strahlung transparenten handelsüblichen Material gefertigt, so dass auch Vorsorge dafür zu treffen ist, dass das optische Element selbst keinen durch den leistungsstarken Lichtstrahl induzierten Schaden erleidet.
Zur Reduzierung der Energiedichte des Laserstrahls durch kontrollierte Strahlaufweitung wird lösungsgemäß die Reflexion des aus dem Laser austretenden hochenergetischen Laserstrahls an einer sphärisch oder zylindrisch gekrümmten Oberfläche genutzt, wodurch der Laserstrahl eine sphärisch oder zylindrisch divergente Strahlaufweitung erfährt. Im Falle der Verwendung eines sphärischen Konvexspiegels eignen sich im Strahlengang diesem nachgeordnet, zwei konvexe Zylinderlinsen zur Überführung des Laserstrahls in einen über einen vergrößerten Strahlquerschnitt verfügenden Parallelstrahlengang. Wird hingegen der aus dem Laser austretende hochenergetische Laserstrahl an der Oberfläche eines zylindrischen Konvexspiegels aufgeweitet, so dient im weiteren Strahlengang eine konvexe Zylinderlinse mit geeigneter Orientierung ihrer Zylinderachse zur Überführung des zylindrisch divergent aufgeweiteten Lichtstrahls in ein mit vergrößerten Strahldurchmesser aufweisenden Parallelstrahlenlichtbündel, das geeigneten Applikationen zugeführt werden kann, und dies mit optischen handelsüblichen Komponenten, die keinerlei Schäden durch die Wechselwirkung mit dem aufgeweiteten Laserstrahl erfahren.
Denkbar und durchaus auch realisierbar ist auch die Verwendung einer planparallelen, für den Laserstrahl transparenten Platte, bspw. in Form einer Quarzglasplatte, die mit großer Neigung in den Laserstrahlengang eingebracht ist, so dass der Laserstrahl die Glasplatte streifend durchsetzt. Durch den streifenden Lichteinfall auf die Glasplatte wird auch in diesem Fall die beleuchtete Fläche im Bereich der Glasplatte vergrößert und zugleich die Energiedichte innerhalb des weiteren Verlaufes des Lichtstrahls deutlich verringert. Vorzugsweise könnte die Quarzglasplatte als Ein- oder Austrittsfenster, bspw. in Art eines Schutzfensters, in einem Optiksystems dienen.
Vorzugsweise ist das den Laserstrahl aufweitende optische Element bzw. das den Laserstrahl aufweitende optische System, jeweils bestehend aus mehreren optischen Komponenten, unmittelbar dem Laser im Strahlengang nachfolgend anzuordnen. Jedoch können auch spezielle optische Komponenten, wie beispielsweise aus CaF₂ gefertigte Strahleintrittsfenster, zwischen dem Laser und dem den Laserstrahl aufweitenden optischen Element vorgesehen werden, zumal derartige Kristalle für UV-Strahlung einen hohen Transmissionsgrad aufweisen.
Das dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel zugrunde liegende Wirkprinzip hinsichtlich einer gezielten Strahlaufweitung eines über eine hohe Energiedichte beispielsweise von wenigstens von 150 mJ/cm² verfügenden Laserstrahls, vorzugsweise UV-Laserstrahls, zum Zwecke der Reduzierung der Energiedichte unterhalb einer kritischen Energiedichte, die bei handelsüblichen, zumeist aus Quarzglas bestehenden optischen Elementen durch die Wechselwirkung mit Laserlicht zu irreversiblen Schäden führen würde, stellt eine kostengünstige Maßnahme dar, die zudem mit handelsüblichen optischen Komponenten, gleichsam auch aus Quarzglas bestehend, realisiert werden kann. Somit müssen keine Kosten für aufwendige UV-transparente oder UV-Licht reflektierende Materialien eingesetzt werden. Anhand der nachstehenden Ausführungsbeispiele soll die technische Realisierbarkeit näher illustriert werden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a–d Laseranordnung mit nachgeschalteter Konvexspiegelanordnung sowie
2 Laseranordnung mit Strahlaufweitung und einem nachfolgenden Strahlführungssystem.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In sämtlichen in den 1 und 2 gezeigten Laseranordnungen sei angenommen, dass ein Laser 1 ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge zwischen 200 nm und 400 nm, vorzugsweise 248 nm zu emittieren vermag und dies mit einer Energiedichte von wenigstens 150 mJ/cm². In einem konkreten Anwendungsfall vermag der Laser 1 UV-Laserlichtpulse mit einer Pulsenergie von 1 J und einer Strahlgröße von 36 × 16 mm² mit der Leistung von 300 Watt zu erzeugen. Ein derartiger hochenergetischer, aus dem Laser 1 austretender Laserstrahl L1 kann für eine Vielzahl von aus Quarzglas hergestellten, handelsüblichen optischen Elemente zur weiteren Strahlführung bereits nach kurzer Wechselwirkungszeit in den jeweiligen optischen Elementen zu irreversiblen Schäden führen. Zur Vermeidung diesbezüglicher Schäden sind in den 1 und 2 optische Strahlaufweitungssysteme gezeigt, die die Strahlaufweitung im Wege der Reflexion des Lichtstrahls L1 an einem im Strahlengang des Lichtstrahls L1 dem Laser unmittelbar nachgeordneten optischen Elementes ermöglichen. So stellen die
1a und b eine Seitenansicht sowie eine Ansicht in Strahlrichtung des Strahls L1 eine Strahlaufweitungsanordnung in Art eines Spiegelteleskops dar. Der Laserstrahl L1 trifft auf die Oberfläche eines zylindrischen Konvexspiegels 6, die zudem gegenüber dem Laserstrahl L1 um 45° geneigt ist. Durch die 45°-Neigung wird die Energiedichte des Laserstrahls L1 bereits auf der Spiegeloberfläche um den Faktor √2 herabgesetzt, wodurch der Spiegel selbst keinen Schaden erleidet. Im Strahlengang des zylindrischen Konvexspiegels 6 nachgeordnet ist eine konvexe Zylinderlinse 7 vorgesehen, die vom divergent aufgeweiteten Strahlengang durchsetzt wird und den Lichtstrahl in einen Parallelstrahlengang L2 mit vergrößertem Strahlquerschnitt q₂ überführt. Alternativ zur Verwendung eines zylindrischen Konvexspiegels 6 gemäß dem Ausführungsbeispiel in den 1a und b ist es gleichsam möglich, einen sphärisch konvexen Hohlspiegel 8 zur Strahlaufweitung gemäß der 1c und d zu verwenden, die gleichsam eine Seitendarstellung sowie die Blickrichtung in Strahlrichtung des Laserstrahls L1 darstellen. Zur Überführung des divergent aufgeweiteten Laserstrahls durch Reflexion an der Oberfläche des sphärisch gekrümmten Konvexspiegels 8 in einen Parallelstrahlengang L2 dienen zwei mit ihrer Zylinderachse orthogonal zueinander orientierte Zylinderlinsen 9, 10, die vom Laserstrahl durchsetzt werden.
In 2 ist ein Beispiel für ein vollständiges Strahlführungssystem für einen aus einem Hochleistungs-UV-Laser 1 austretenden Lichtstrahls L1 dargestellt. Es sei angenommen, dass der Laser 1 UV-Licht mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Lichtleistung von 300 Watt im Pulsbetrieb zu erzeugen vermag, wobei die Pulsenergie 1 J beträgt mit einer Strahlquerschnittsgröße von 5,76 cm². Der Laserstrahl L1 trifft zunächst auf eine Strahlaufweitungsoptik 14. Der aufgeweitete Strahlengang L2 durchläuft eine Vielzahl einzelner optischer Komponenten, so beispielsweise eine Strahlhomogenisierungseinheit 15, durch die die Strahlintensitätsverteilung längs des Strahlquerschnittes homogenisiert wird. Im Anschluß daran erfolgt eine Umlenkung des aufgeweiteten und homogenisierten Laserstrahls L3 zum Durchtritt durch eine Feldlinsenmaskenanordnung 16. Die Strukturen der Maske werden auf eine Substratoberfläche S mittels einer Projektionslinse 17 abgebildet. An der Substratoberfläche S wird beispielsweise eine lokale Materialabtragung unter Maßgabe eines durch die Maske vorgegebenen Musters vorgenommen.
Mit Hilfe der lösungsgemäßen Maßnahme ist es möglich, Laserlicht von Hochleistungslasern vorzugsweise im UV-Bereich schadlos durch an sich bekannte, handelsübliche optische Strahlführungselemente zu leiten, ohne dabei einen wesentlichen Kostenmehraufwand tragen zu müssen. Die lösungsgemäße Idee der gezielten Strahlaufweitung zur Herabsetzung der Energiedichte kann ohne weiteres bei bereits bestehenden optischen Systemen nachträglich implementiert werden.

1: Laser
6: Hohlspiegel
7: konvexe Zylinderlinse
8: sphärischer Konvexspiegel
9, 10: konvexe Zylinderlinsen
14: Strahlaufweitungsanordnung
15: Strahlhomogenisierer
16: Feldlinsenmaskenanordnung
17: Projektionslinse
L1: hochenergetischer Laserstrahl
L2: aufgeweiteter Laserstrahl
L3: Aufgeweiteter und homogenisierter Laserstrahl
S: Substratoberfläche

Claims

Laseranordnung mit einem Laser zur Erzeugung eines hochenergetischen Laserstrahls, der über eine hohe Energiedichte sowie einen durch den Laser vorgegebenen Strahlquerschnitt q₁ verfügt, und wenigstens einer den Laserstrahl beeinflussenden optischen Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser in Strahlrichtung des Laserstrahls ein den Laserstrahl reflektierendes optisches System nachgeordnet ist, das eine den Strahlquerschnitt des Laserstrahls aufweitende optische Wirkung besitzt, so dass der Laserstrahl das optische System mit einem Strahlquerschnitt q₂ verläßt, für den gilt: q₂ > q₁, und dass das optische System aus einem zylindrischen Konvexspiegel, an dessen gegenüber dem Laserstrahl geneigten Konvexseite der Laserstrahl reflektiert wird, und einer in Strahlrichtung dem zylindrischen Konvexspiegel nachgeordneten, konvexen Zylinderlinse besteht, die mit ihrer Konvexseite dem Konvexspiegel abgewandt angeordnet ist.
Laseranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser in Strahlrichtung des Laserstrahls ein den Laserstrahl reflektierendes optisches System nachgeordnet ist, das eine den Strahlquerschnitt des Laserstrahls aufweitende optische Wirkung besitzt, so dass der Laserstrahl das optische System mit einem Strahlquerschnitt q₂ verläßt, für den gilt: q₂ > q₁, dass das optische System aus einem sphärischen Konvexspiegel, an dessen gegenüber dem Laserstrahl geneigten Konvexseite der Laserstrahl reflektiert wird, und zwei in Strahlrichtung dem sphärischen Konvexspiegel nachgeordneten, konvexen Zylinderlinsen besteht, die jeweils senkrecht zueinander orientierte Zylinderachsen aufweisen und jeweils mit ihren Konvexseiten dem Konvexspiegel abgewandt angeordnet sind.
Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvexseite des Konvexspiegels gegenüber dem Laserstrahl um 45° geneigt ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser in Strahlrichtung des Laserstrahls ein den Laserstrahl transmittierendes optisches Element unmittelbar nachgeordnet ist, und dass das transmittierende optische Element ein planes Ein- oder Austrittsfensterelement für das optische System ist, dessen Fensterfläche schräg gegenüber der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls geneigt ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine den Laserstrahl beeinflussende optische Einheit dem optischen System in Strahlrichtung nachgeordnet ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine den Strahlquerschnitt des Laserstrahls aufweitende Wirkung derart besitzt, dass die dem aufgeweiteten Laserstrahl zuordenbare Energiedichte kleiner ist als eine kritische Energiedichte, die bei der wenigstens einen optischen Einheit zu irreversiblen Schäden führt.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein UV-Laser ist, der Licht einer Wellenlänge λ emittiert mit 150 nm < λ < 400 nm.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein gepulst betriebener Laser ist.
Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl Pulsenergien von bis zu 3 J aufweist und der durch den Laser vorgegebene Strahlquerschnitt q₁ bis zu 2000 mm² beträgt.
Laseranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl eine Strahlleistung von bis zu 900 W aufweist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System wenigstens ein optisches Element aus einem handelsüblichen Quarzglas enthält.