DE102008033358B4

DE102008033358B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Umverteilung des Strahlparameter-Produktes eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102008033358B4
Application number: DE102008033358.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwenger Ludwig; Dr. Windpassinger Roman
Original assignee: Coherent GmbH
Current assignee: Coherent GmbH
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: DE102008033358A1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem vorgebbaren Strahlparameterprodukt, kurz SPP2, mit einer Laserstrahlquelle, aus der ein Laserstrahl mit einem ersten SPP1 austritt, der mittel oder unmittelbar wenigstens eine optischen Einheit durchläuft unter Segmentierung des Laserstrahls in N Segmente und unter Ausbildung des Laserstrahls mit dem vorgebbaren SPP2, wobei gilt: 1. SPP1 ≤ SPP2, 2. SPP1x ≠· SPP2x, 3. SPP1y ≠ SPP2y und SPP1x und SPP1y sowie SPP2x und SPP2y jeweils zueinander orthogonale Komponenten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine optische Einheit mindestens einen ersten Satz von wenigstens N – 1 quaderförmigen flachen Platten (P1, P2, ..., PN–1, ...) vorsieht, die zumindest einen Teil des Laserstrahls unter Änderung räumlicher Relativlagen einzelner Teilstrahlen des Laserstrahls transmittiert, dass die einzelnen Platten exakt koplanar zueinander orientierte Ein- und Austrittsflächen aufweisen, dass die Platten koplanar zueinander orientierte Seitenflächen aufweisen, dass die Platten an diesen Seitenflächen aneinander angereiht sind, und dass wenigstens eine Platte um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse gedreht ist, so dass der eintretende Strahl an mindestens dieser Platte nicht senkrecht auf die Eintrittsfläche trifft, dass die Querschnitte der in den ersten Plattensatz eintretenden separierten Teilstrahlen oder der Strahlquerschnitt in seiner Längserstreckung des durch die Platten erst zu segmentierenden und separierenden Strahls in einer Ebene liegen, welche mit den Seitenflächen der Platten einen Winkel von 45° einschließt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umverteilung des Strahlparameter-Produktes eines Laserstrahls, im Folgenden kurz SPP genannt. Das Strahlparameterprodukt beschreibt die Fokussierbarkeit eines Lichtbündels, speziell eines Laserstrahls, und lässt sich mathematisch durch folgende Beziehung beschreiben: SPP = θw₀.
Hierbei beschreibt θ den Öffnungswinkel des Bündels im Fernfeld und w₀ den Strahlradius oder -durchmesser an der Stelle mit dem engsten Bündeldurchmesser. Es ist üblich, entweder das Produkt aus halbem Öffnungswinkel und Radius oder das Produkt aus vollem Winkel und Durchmesser anzugeben. Für den häufigen Fall eines sog. Gaußstrahls ergibt sich das SPP speziell zu SPP = θw₀ = M²·λ/π,
Darin sind θ der halbe Fernfeldwinkel, w₀ der Strahlradius an der Stelle des engsten Bündeldurchmessers, der sog. Strahltaille, λ die Wellenlänge und M² die sog. Beugungsmaßzahl. θ und w₀ bezeichnen die radiale Position, an der die Strahlintensität auf einen Anteil von 1/e² = 0.135 ihres axialen Maximalwertes abgefallen ist. M² ist eine dimensionslose Zahl größer oder gleich 1 und beschreibt das Abweichen eines realen Laserstrahls von einem idealen kohärenten Gaußstrahl, bestehend einer TEM₀₀-Mode.
Grundsätzlich gilt, je größer das SPP bzw. M², umso schlechter ist der Strahl zu fokussieren, d. h. umso größer ist der kleinste mögliche Fokusdurchmesser.
Zur Beschreibung der Strahlqualität eines allgemeinen Laserstrahls lässt sich das SPP zweckmäßigerweise in zwei Komponenten darstellen also z. B. als Produkt seiner orthogonalen Komponenten SPP = SPPx·SPPy, bei Gaußstrahlen speziell über das Produkt der SPP-proportionalen Beugungsmaßzahlen M² = Mx²·My². Excimer-Laser und Diodenlaser beispielsweise haben eine anisotrope Aufteilung mit SPPx > SPPy wobei y die sog. kurze und x die sog. lange Strahlquerschnittsachse beschreibt. Viele Festkörperlaser besitzen dagegen eine weitgehend isotrope Aufteilung SPPx = SPPy bzw. Mx² = My². Es existieren Problemstellungen, bei denen die räumliche Verteilung des SPP einer gegebenen Strahlungsquelle nicht der für einen bestimmten Anwendungszweck geeigneten Verteilung entspricht.
Stand der Technik
Die Notwendigkeit der Laserstrahlformung ergibt sich z. B. im Zusammenhang mit Anwendungen zur Oberflächenbearbeitung, bei denen der Strahl eines Lasers mit Hilfe eines optischen Systems geformt und letztlich definiert auf eine Oberfläche abgebildet wird.
Eine Anwendung von aktuellem Interesse findet sich beispielsweise im Bereich der Herstellung von TFT- und OLED-Displays, derzeit insbesondere bei der Herstellung kleiner hochauflösender Displays. Dort besteht typischerweise einer der Prozeßschritte in der Kristallisation der für die Aufnahme der Schalttransistoren vorgesehenen, wenige 10 nm dicken Schichten amorphen Siliziums auf den Glassubstraten des Displays. Eine solche Siliziumschicht wird durch die Laserstrahlung lokal aufgeschmolzen, und erstarrt bei der folgenden Abkühlung in einer polykristallinen Struktur. Dabei sind sowohl Masken abbildende Verfahren anzutreffen, wie auch Verfahren, bei denen eine lange und schmale Fokuslinie über die Oberfläche geführt wird. Repräsentativ für einen diesbezüglichen Stand der Technik sei auf die US 2005/0035103 A1 verwiesen, in der eine beachtliche Zusammenstellung über das so genannte ELA-Verfahren (Excimer Laser Annealing) zu entnehmen ist, bei dem ein Excimer-Laserstrahl einer optischen Strahlformung derart unterzogen wird, dass letztlich die aufzuschmelzende Siliziumschicht mit einem linienförmigen Lichtstrahl mit einer Linienlängen derzeit von bis zu ca. 500 mm und mit einer typischen Linienbreite im Bereich von mehreren 100 μm, bis hinunter zu wenigen Mikrometern beaufschlagt wird. Die typischerweise im Einsatz befindlichen Excimer-Laser vermögen Licht mit Wellenlängen von 157 nm, 193 nm, 248 nm, 308 nm, 351 nm zu emittieren. Vermehrt finden aber auch diodengepumpte Festkörperlaser, so genannte DPSS-Laser (diode pumped solid state), z. B. Yb:YAG, Nd:YAG mit Wellenlängen im Sichtbaren (515, 532 nm) Einsatz.
Weitere mögliche konkrete Anwendungen für optische Systeme zur Oberflächenbearbeitung, bei denen die nachfolgend besprochenen Verfahren Anwendung finden könnten, sind beispielsweise die Aktivierung bzw. das Annealing von Dotierungsatomen in Oberflächenschichten (”Dotierungsaktivierung”), die Ablation von Oberflächenstrukturen, oder das ”Bohren” sehr kleiner Löcher, z. B. in Folien für Tintenstrahldrucker.
Allgemein spielen die die Eigenschaften der Strahlungsquelle und ihre geschickte Nutzung und Beeinflussung auf Grund der wachsenden Anforderungen an die Qualität der Kristallisation, die Prozessgeschwindigkeit und damit die optische Abbildung eine immer größere Rolle.
Insbesondere für die Erzeugung sehr schmaler Linien, wie vorstehend in Verbindung mit der Herstellung von TFT-Displays erläutert, begrenzt das SPP der Strahlungsquelle die im Prozeß praktisch erzielbare Linienbreite. Um beispielsweise eine für den sog. SLS-Prozeß (SLS: Sequential Lateral Solidification) oder ähnliche Prozesse erforderliche wirksame Linienbreite von ca. 5 μm bei prozeßtauglicher Tiefenschärfe zu erzielen, benötigt man in der sog. kurzen Achse, also senkrecht zur Linienlängserstreckung, ein SPP von M² = 3 ... 8. In der Richtung der Linienachse dagegen, der sog. langen Achse, ist ein möglichst hohes SPP erwünscht, um störende Interferenzen und Speckle zu vermeiden.
Das Produkt der SPP-Komponenten, SPPx·SPPy, verringert sich beim Durchgang durch ein optisches System nicht, sondern bleibt gleich oder erhöht sich. Dies gilt bei herkömmlichen optischen Systemen gleichermaßen für die einzelnen Komponenten des SPP selbst. Ohne höhere Verluste, bspw. durch Beschnitt des Strahlquerschnitts, lässt sich das SPP bzw. eine ihrer Komponenten nicht verringern.
Viele Lasertypen, z. B. DPSS-Laser, weisen ein relativ isotropes SPP auf und erlauben die Erfüllung der Anforderungen höchstens in einer der beiden Achsen des Querschnitts. Aus diesem Grund erfolgen derzeit Entwicklungen von Hochleistungslasern mit dem Ziel eines stark anisotropen SPPs.
Im Hinblick auf einen Laserstrahl formende optische Vorrichtungen sind zum Stand der Technik Druckschriften bekannt, aus denen unter Verwendung von Zylinderlinsenarrayanordnungen die Zusammenführung einer Vielzahl von Einzelstrahlen zu einem Gesamtlaserstrahl hervorgeht. Derartige Maßnahmen werden typischerweise bei Verwendung von Diodenlaserbarren getroffen, die eine Vielzahl von parallel nebeneinander verlaufenden Einzellaserstrahlen jeweils mit anisotroper Strahldivergenz emittieren, die es zu Zwecken einer bestimmten Strahlverwendung zu einem einheitlichen, zumeist niederdivergenten Einzelstrahl zu vereinheitlichen gilt. Beispielsweise sei hierzu auf folgende Druckschriften verwiesen: EP 1 006 382 B1 , DE 10 2004 034 253 A1 , EP 1 075 719 B1 , DE 198 19 333 A1 , US 2007/0024979 A1 .
Aus DE 103 31 442 A1 (D1) ist eine Anordnung zur Transformation eines optischen Strahlungsfeldes bekannt, bei der das in z-Richtung propagierende Strahlungsfeld zunächst mit einer Transformationsoptik in mindestens zwei Teilstrahlungsfelder in y-Richtung segmentiert wird, die dann mit der Transformationsoptik in x-Richtung und y-Richtung verschoben und in y-Richtung zu einer Linie zusammengefügt werden. Als Transformationsoptik dienen Spiegel bzw. Dove-Prismen.
Die DE 10 2006 018 504 A1 (D2) offenbart eine Anordnung zum Erhöhen der Asymmetrie des Strahlparameterproduktes. Dabei werden Teilstrahlbündel durch zwei Versetzungseinrichtungen in x- bzw. y-Richtung versetzt. Als Versetzungseinrichtungen sind Prismenelemente, Planplattenelemente, Linsenelemente oder Spiegelelemente offenbart.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem bedarfsgerechten SPP anzugeben, wobei die hierfür zu treffenden Maßnahmen einerseits bezogen auf die seitens einer Laserstrahlquelle emittierten Lichtleistung möglichst verlustfrei und andererseits ohne großen finanziellen und apparativen Aufwand zu realisieren sein sollen.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem vorgebbaren Strahlparameterprodukt, kurz SPP₂, weist eine Laserstrahlquelle auf, aus der ein Laserstrahl mit einem ersten SPP₁ mit SPP₁ = SPP_1x·SPP_1y austritt, der mittel oder unmittelbar mit wenigstens einer optischen Abbildungseinheit wechselwirkt unter Segmentierung des Laserstrahls in N Segmente und unter Ausbildung des Laserstrahls mit dem vorgebbaren SPP₂, mit SPP₂ = SPP_2x·SPP_2y, wobei gilt:

1. SPP₁ ≤ SPP₂,
2. SPP_1x ≠· SPP_2x,
3. SPP_1y ≠ SPP_2y und

SPP_1x und SPP_1y bzw. SPP_2x und SPP_2y jeweils zueinander orthogonale Komponenten sind. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens eine optische Einheit mindestens einen ersten Satz von wenigstens N – 1 quaderförmigen flachen Platten (P₁, P₂, ..., P_N–1, ...) vorsieht, die zumindest einen Teil des Laserstrahls unter Änderung räumlicher Relativlagen einzelner Teilstrahlen des Laserstrahls transmittiert, dass die einzelnen Platten exakt koplanar zueinander orientierte Ein- und Austrittsflächen aufweisen, dass die Platten koplanar zueinander orientierte Seitenflächen aufweisen, dass die Platten an diesen Seitenflächen aneinander angereiht sind, und dass wenigstens eine Platte um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse gedreht ist, so dass der eintretende Strahl an mindestens dieser Platte nicht senkrecht auf die Eintrittsfläche trifft, dass die Querschnitte der in den ersten Plattensatz eintretenden separierten Teilstrahlen oder der Strahlquerschnitt in seiner Längserstreckung des durch die Platten erst zu segmentierenden und separierenden Strahls in einer Ebene liegen, welche mit den Seitenflächen der Platten einen Winkel von 45° einschließt.
Bevorzugt ist, dass im Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle und der wenigstens einen optischen Einheit eine optische Separierungseinheit angeordnet ist, die den aus der Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahl in N Parallel-Teilstrahlen aufteilt. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die optische Separierungseinheit in Form einer der nachfolgenden optischen Anordnungen ausgebildet ist:

– zwei längs des Strahlenganges beabstandete Zylinderlinsenarrays,
– mindestens ein Array aus Prismen,
– mindestens ein Array aus Spiegeln,
– mindestens ein DOE oder mindestens ein Array aus DOEs.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind bei mindestens N – 1 Platten die Abstände zwischen den jeweiligen Ein- und Austrittsflächen gleich groß und je zwei der mindestens N – 1 Platten sind um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse relativ zueinander gedreht, so dass die Ebenen ihrer Ein- bzw. Austrittsflächen je zueinander einen vorgegebenen Winkel größer als Null einschließen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen je zwei der mindestens N – 1 Platten einen unterschiedlichen Abstand zwischen Ein- und Austrittsfläche aufweisen, und die Ein- bzw. Austrittsflächen liegen jeweils zweier Platten koplanar zueinander. Dabei besteht besonders bevorzugt ein Satz von mindestens N – 1 Platten aus zwei gleichartigen Sätzen von etwa N/2 Platten, und diese beiden Sätze von ungefähr N/2 Platten sind relativ zueinander um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse gedreht.
Mit dem Begriff „Laserstrahl”, insbesondere hinsichtlich des umgeformten Strahls, soll neben einem einzigen Strahl mit einem zusammenhängenden Strahlquerschnitt auch ein Bündel von Teilstrahlen gemeint sein, das aus einem einzigen Laserstrahl hervorgegangen ist und funktional bezogen auf die spezifische Anwendung einem einzigen Strahl entspricht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das lösungsgemäß eingesetzte Prinzip der optischen Umverteilung des Strahlparameter-Produktes eines Ausgangslaserstrahls, der aus einer Laserstrahlquelle emittiert wird, soll anhand von in den Figuren näher zu erläuternden Ausführungsbeispielen beschrieben werden, die jedoch durch ihre konkrete Realisierungsform den allgemeinen Lösungsgedanken nicht einschränken sollen.
Besteht der Wunsch nach einem Laserstrahl mit einer möglichst anisotropen Strahlverteilung, d. h. einem Laserstrahl mit einem möglichst kleinen Wert für My² in einer Achse und einem möglichst großen Wert Mx² in der dazu senkrechten Koordinatenrichtung, und stehen hierzu lediglich Strahlungsquellen zur Verfügung, die jedoch sämtlich keine entsprechende anisotrope Strahlverteilung zu generieren in der Lage sind, so besteht eine Lösung des Problems in einer Umverteilung des SPP, d. h. einer Verringerung des SPP in einer Achse bei gleichzeitiger Erhöhung in der zweiten Achse vermittels einer Transformation mit einfachen optischen Funktionselementen, d. h. Linsen, diffraktive optische Elemente, kurz DOEs, gekrümmte und plane Spiegel oder Prismen.
Grundlage des Verfahrens ist die Tatsache, dass das Strahlparameter-Produkt SPP bei verlustfreier Strahlausbreitung zwar eine Erhaltungsgröße ist, bzw. sich zumindest nicht verringern lässt, dass seine Komponenten SPPx, SPPy jedoch verändert werden können gemäß SPPx·SPPy = SPP = const, oder größer werdend.
In 1 sind zwei grundsätzliche Vorgehensweisen zur SPP-Umverteilung am Beispiel eines theoretischen Ausgangslaserstrahls 1 mit quadratischem Strahlquerschnitt mit isotroper Strahlverteilung, von M² = 3 × 3, gezeigt. Hier ist konkret Mx² = My² = 3 gewählt, was sich veranschaulichen lässt durch eine Aufteilung in 3 × 3 Kohärenzzellen, bzw. unabhängige kohärente Moden. Diese Darstellung ist wohlgemerkt rein theoretischer Natur und verallgemeinert und vereinfacht das Modell der kohärenten Modenzerlegung bei Gaußstrahlen mit dem Zweck der Veranschaulichung der grundsätzlichen Zusammenhänge. Eine Umverteilung läßt sich bewerkstelligen, indem man den Strahlquerschnitt mit 3 × 3 Moden in 3 Streifen á 1 × 3 Moden zerlegt, und diese anschließend in anderer Anordnung wieder zusammensetzt und so eine anisotrope Verteilung erzeugt. Im abgebildeten Fall ergibt sich die stärkste Umverteilung, Mx² = 9 und My² = 1, wenn man die drei Streifen an ihren schmalen Seiten dicht anreiht (siehe Fall a)).
Andere Anordnungen führen auf My² > 1, siehe Fall b, auf den weiter unten zurückgekommen wird.
Ein Verfahren zur Umverteilung des SPP besteht typischerweise aus folgenden Schritten:

1. Segmentierung des Ausgangsstrahlquerschnitts in N Segmente,
2. Separation der Segmente (optional),
3. Transformation der Segmente und
4. Zusammensetzen der transformierten Segmente zu einer topologisch neuen Struktur.

Eine Umverteilung ohne Segmentierung ist prinzipiell denkbar, erscheint technisch jedoch deutlich schwieriger und aufwendiger, als mit Segmentierung.
Zur Transformation der einzelnen Segmente stehen prinzipiell folgende drei optische Möglichkeiten offen, ggfs. auch noch weitere Kombinationen aus den drei Möglichkeiten:

– Lateraler Versatz, z. B. unter Verwendung von Prismen. Dieser Fall ist in der linken Darstellung in 1 im Fall a) gezeigt.
– Spiegelung, z. B. mittels gedrehter Zylinderlinsen sowie
– Drehung, äquivalent zu einer geradzahligen Folge von Spiegelungen,

Wie in Fall a) in 1 gezeigt, existiert für eine gegebene Segmentierung eine Anordnung der transformierten Segmente mit maximaler Anisotropie, d. h. maximalem SPP bzw. M² in einer lateralen Richtung (hier x-Richtung) und minimalem SPP bzw. M² in der komplementären Richtung (hier y-Richtung). Im dargestellten Beispiel der Segmentierung in Streifen erhält man eine solche Anordnung durch lineare Anreihung der transformierten Segmente an ihren Schmalseiten, also den zu den Schnittkanten senkrechten Kanten.
Fall b) gemäß 1 zeigt eine nichtminimale Anordnung der Segmente. Eine solche Anordnung kann in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft sein. Beispielsweise läßt sich über den Winkel α (siehe rechte Darstellung in Fall b)), den die transformierten Segmente mit ihrer gemeinsamen Verbindungsachse einschließen, die effektiven SPPe in Richtung der Verbindungsachse und senkrecht dazu variabel einstellen.
Im linken Fall b) ergeben sich dabei gegen (x, y) gekippte Achsen (X, Y). Diese Intensitätsverteilung läßt sich z. B. wieder homogenisieren und z. B. zur Maskenabbildung verwenden oder z. B. in eine schmale Fokuslinie umformen. Eine variable Einstellung des SPP ermöglicht z. B. bei der Erzeugung einer schmalen Linie auf einfache Weise zum einen, Variationen der Divergenz der Strahlungsquelle zu kompensieren, als auch, Breite oder Tiefenschärfe der Linie gezielt einzustellen.
Eine andere Nutzungsmöglichkeit besteht darin, die transformierten Segmente bzw. die entsprechenden Teilstrahlen sozusagen separat anzuwenden. So könnte man jeden der Teilstrahlen einem eigenen optischen System oder Teilsystem zuführen. Beispielsweise existieren Systeme zur Oberflächenbearbeitung, bei denen zur Durchsatzerhöhung die Strahlung eines Lasers gleichmäßig auf mehrere gleich aufgebaute und nebeneinander angeordnete Projektionssysteme aufgeteilt wird. Anstelle einer herkömmlichen Aufteilung könnte man so zugleich das SPP geeignet verändern.
Für Systeme mit Maskenabbildung ist es auch vorstellbar, die Gestaltung der Maske und die Anordnung der transformierten Teilstrahlen aufeinander abzustimmen. Zur Realisierung des gesamten Verfahrens kann es erforderlich oder zweckmäßig sein, den Strahlquerschnitt vor oder nach der Transformation lateral in einer oder zwei Richtungen zu strecken oder zu stauchen. Dies verändert die Topologie des Strahls und seiner Segmente nicht und damit auch nicht das SPP.
2 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau eines Systems zur Erzeugung einer langen schmalen Fokuslinie 3, beispielsweise zur Kristallisation von dünnen Siliziumschichten auf Glas im Wege des so genannten Annealing-Prozesses. Als Strahlungsquelle ist z. B. ein Nd:YAG-Laser denkbar. Wesentliche Komponenten eines solchen Systems sind außer dem Laser (nicht dargestellt) mindestens eine Komponente 5 zur Umverteilung des SPP, mindestens eine Komponente zur Strahl-Homogenisierung 10 und mindestens eine Komponente zur Fokussierung 6 des Strahls in eine Linie. Typischerweise besteht ein Homogenisierer 10 aus einem oder zwei Linsenarrays und einer Fourier-Linse. Zur Homogenisierung in nur einer lateralen Richtung verwendet man Zylinderlinsen. Es sind prinzipiell aber auch andere Realisierungen möglich, z. B. unter Verwendung von Spiegeln oder diffraktiven Elementen (DOEs). In dem in 2 dargestellten System wird der Laserstrahl zunächst in der langen Achse (LA, siehe obere Darstellung)) mit einem Zylinderlinsen-Teleskop 2 aufgeweitet, um anschließend in der langen Achse LA in Einzelstrahlen separiert zu werden. Eine zur Strahlseparation geeignete Anordnung 7 aus Zylinderlinsen-Arrays zeigt 3, auf die nachstehend eingegangen wird. In der der Strahlseparation nachfolgenden optischen Komponente wird die räumliche Kohärenz der Teilstrahlen zueinander reduziert bzw. eliminiert. Dies läßt sich z. B. durch Einbringung unterschiedlicher optischer Weglängen für die Teilstrahlen realisieren, etwa mit Hilfe einer Stufenplatte, also unterschiedlich dicker planparalleler Platten in Transmission, oder entsprechend einer Stufenspiegel-Anordnung. Ein Dekorrelator 8 ist besonders günstig an der beschriebenen Position in den Strahlengang einzubringen, da dort die Teilstrahlen separiert und kollimiert verlaufen, oder ggfs. der SPP-Transformation 5 nachfolgend oder ggfs. als deren integraler Teil. In der als SPP-Transformation bezeichneten Komponente 5 erfolgt die Umverteilung des SPP. Zur Erzielung einer möglichst schmalen Linie muß im konkreten Fall das SPP in der kurzen Achse (SA) hinreichend stark reduziert werden, während in der langen Achse (LA) eine Vergrößerung des SPP vorteilhaft ist. Die darauf folgende Komponente 4 vermittelt eine Glättung des Intensitätsprofils in der langen Achse zur Vorbereitung auf die LA-Homogenisierung 10. Anschließend wird der Strahl in der kurzen Achse mittels eines Zylinderlinsen-Teleskops 9 (skizziert mit drei Linsen) auf eine geeignete Höhe aufgeweitet. Im Wesentlichen dient dies zur Anpassung der numerischen Apertur (NA) der abschließenden Fokussierung, und damit der Einstellung der Linienbreite. Falls das Teleskop einen Zwischenfokus erzeugt (nicht dargestellt), läßt sich zusätzlich an diese Position eine Spaltblende stellen, mit der sich eine zusätzliche Formung des Linienprofils erzielen läßt. Das Teleskop kann auch an anderer Stelle in der optischen Kette stehen, z. B. direkt vor der abschließenden Fokussierung.
Auf Komponente 9 folgend wird der Strahl in der langen Achse homogenisiert 10 und gleichzeitig auf die gewünschte Linienlänge aufgeweitet. Ein Objektiv 6, in 2 dargestellt durch zwei Linsen, fokussiert den Strahl abschließend zu einer Linie.
3 illustriert eine Anordnung zur Strahlseparation bestehend aus zwei Zylinderlinsenarrays A1, A2, bei denen je ein aufeinander folgendes Linsenpaar ein verkleinerndes Teleskop realisiert. Der Querschnitt des auf das erste Array A1 treffenden Strahls (in 3 durch einen rechteckigen Querschnitt 11 dargestellt) wird durch dieses in Streifen zerlegt und diese durch die Verkleinerung der horizontal wirkenden Teleskope in separate Streifen 12 separiert. Bei Einsatz von zwei Arrays A1, A2 mit je N Linsen treten so am zweiten Array A2 N voneinander getrennte Teilstrahlen aus.
Eine alternative Anordnung zur Strahlseparation mittels seitlich aneinandergereihter Prismen P1, P2, P3 zeigt 4. Die Eintrittsfläche EF eines jeden Prismas steht senkrecht zur Längsachse des Prismas, so dass achsparallel einfallendes Licht L ohne Brechung eintritt und durch das jeweilige Prisma läuft. Erst an der gegenüber der Eintrittsfläche EF gekippten Austrittsfläche AF wird der Strahl L gebrochen und umgelenkt. Die Projektion der Strahlquerschnittsfläche in die von Einfalls- und Ausfallsrichtung des Strahls aufgespannte Ebene besitzt beim Eintritt eine Breite D.
Die Projektion des austretenden Strahls besitzt dagegen eine Breite D' < D, wobei D' mit zunehmendem Ablenkwinkel kleiner wird, der Strahl also in der zugehörigen Dimension gestaucht wird. Abhängig vom gegenseitigen Versatz der Austrittsflächen AF in Bezug auf die Längsachse der Prismen P1, P2, P3 lässt sich eine Separation in Teilstrahlen T1, T2, T3 mit beliebigen lateralen Abständen erzielen, wie in 4 gezeigt (Vergleiche Variante a mit b oder c). Anstelle von Prismen lassen sich auch entsprechende Anordnungen von in Strahleinfallsrichtung gegeneinander versetzten Spiegeln oder DOEs (Diffraktive optische Elemente) verwenden.
Eine Variante der Vorrichtung ergibt sich, wenn man die Teilstrahlen T1, T2, T3 zunächst nur in einer Ebene umlenkt und versetzt, dies für jeden Teilstrahl T1, T2, T3 separat mit jeweils einem eigenen monolithischen Block realisiert, wie dies aus 5 zu entnehmen ist, die eine Anordnung aus drei quaderförmigen Glasplatten GP1, GP2, GP3 in Draufsicht (a), Seitenansicht (b) und Frontsicht (c), d. h. längs der Strahlachse zeigt. Die jeweils gegenüberliegenden Ein- und Austrittsflächen EF, AF einer jeden Glasplatte sind planparallel zueinander orientiert, so dass sich die Brechungswinkel an EF und AF gerade kompensieren und somit die Eintritts- und Austrittsstrahlen jeweils auf parallelen Geraden liegen. Der seitliche Versatz Δx₁, Δx₂, Δx₃ der Strahlen lässt sich, durch individuelle Verdrehung der Platten in der Ebene des Strahlversatzes realisieren oder durch unterschiedliche Plattendicken oder eine Kombination beider Maßnahmen.
Die beschriebene Anordnung erzeugt einen treppenartigen Strahlquerschnitt gemäß 5c. Zur Erzeugung einer seitlichen Anordnung der Querschnittsflächen sind grundsätzlich folgende zwei Vorgehensweisen denkbar:

1) Man kippt eine Anordnung gemäß dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel um 45° um die z-Achse für einen Strahlverlauf. 6a zeigt eine perspektivische Draufsicht auf drei Platten P2, P3, P4, die von den Teilstrahlen T1, T2, T3, T4 durchsetzt werden, 6b stellt eine diesbezügliche Draufsicht und 6c eine Seitenansicht in Strahlebene der Teilstrahlen dar, wobei die eingetragenen Rechtecke jeweils die Strahlquerschnitte der einzelnen Teilstrahlen T1, T2, T3, T4 darstellen.
2) Die zweite Vorgehensweise sieht vor, einen gegenüber dem in 5 dargestellten Prismensatz (P2, P3, P3) um 90° um die z-Achse gedrehten zweiten Prismensatz (Q2, Q3, Q4) vorzusehen, der die Teilstrahlen in der (y, z)-Ebene versetzt. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 7 dargestellt. Gleichsam zeigt 7a eine perspektivische Draufsicht auf beide Prismensätze P2, P3, P4 und Q2, Q3, Q4, die von den Teilstrahlen T1, T2, T3, T4 durchsetzt werden, 7b und c stellen jeweils eine diesbezügliche Drauf- und Seitenansicht dar. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Teilstrahlen unterschiedliche optische Wege zurücklegen, wodurch sich ihre wechselseitige Kohärenz der Teilstrahlen reduzieren bzw. eliminieren lässt. Nachteilig ist allerdings, dass sich bei einer eventuellen nachfolgenden Fokussierung des Bündels der Teilstrahlen für jeden Teilstrahl prinzipiell ein anderer Abstand des Fokus hinter einer fokussierenden Linse ergibt. Dieser Effekt ist vernachlässigbar, sofern die SPP-Transformation innerhalb des Rayleigh-Bereiches, also im Bereich der Strahltaille des Laserstrahles, stattfindet.

Ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel zur vorstehend erläuterten zweiten Vorgehensweise weist den vorstehenden Nachteil nicht auf, da in diesem Falle die optischen Wege aller Teilstrahlen gleich lang sind. Allerdings entfällt dadurch auch die dekorrelierende Wirkung des in 7 gezeigten Ausführungsbeispiels.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem vorgebbaren Strahlparameterprodukt, kurz SPP₂, mit einer Laserstrahlquelle, aus der ein Laserstrahl mit einem ersten SPP₁ austritt, der mittel oder unmittelbar wenigstens eine optischen Einheit durchläuft unter Segmentierung des Laserstrahls in N Segmente und unter Ausbildung des Laserstrahls mit dem vorgebbaren SPP₂, wobei gilt: 1. SPP₁ ≤ SPP₂, 2. SPP_1x ≠· SPP_2x, 3. SPP_1y ≠ SPP_2y und SPP_1x und SPP_1y sowie SPP_2x und SPP_2y jeweils zueinander orthogonale Komponenten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine optische Einheit mindestens einen ersten Satz von wenigstens N – 1 quaderförmigen flachen Platten (P₁, P₂, ..., P_N–1, ...) vorsieht, die zumindest einen Teil des Laserstrahls unter Änderung räumlicher Relativlagen einzelner Teilstrahlen des Laserstrahls transmittiert, dass die einzelnen Platten exakt koplanar zueinander orientierte Ein- und Austrittsflächen aufweisen, dass die Platten koplanar zueinander orientierte Seitenflächen aufweisen, dass die Platten an diesen Seitenflächen aneinander angereiht sind, und dass wenigstens eine Platte um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse gedreht ist, so dass der eintretende Strahl an mindestens dieser Platte nicht senkrecht auf die Eintrittsfläche trifft, dass die Querschnitte der in den ersten Plattensatz eintretenden separierten Teilstrahlen oder der Strahlquerschnitt in seiner Längserstreckung des durch die Platten erst zu segmentierenden und separierenden Strahls in einer Ebene liegen, welche mit den Seitenflächen der Platten einen Winkel von 45° einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen der Laserstrahlquelle und der wenigstens einen optischen Einheit eine optische Separierungseinheit angeordnet ist, die den aus der Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahl in N Parallel-Teilstrahlen aufteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Separierungseinheit in Form einer der nachfolgenden optischen Anordnungen ausgebildet ist: – zwei längs des Strahlenganges beabstandete Zylinderlinsenarrays, – mindestens ein Array aus Prismen, – mindestens ein Array aus Spiegeln, – mindestens ein DOE oder mindestens ein Array aus DOEs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens N – 1 Platten die Abstände zwischen den jeweiligen Ein- und Austrittsflächen gleich groß sind, und dass je zwei der mindestens N – 1 Platten um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse relativ zueinander gedreht sind, so dass die Ebenen ihrer Ein- bzw. Austrittsflächen je zueinander einen vorgegebenen Winkel größer als Null einschließen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass je zwei der mindestens N – 1 Platten einen unterschiedlichen Abstand zwischen Ein- und Austrittsfläche aufweisen, und dass die Ein- bzw. Austrittsflächen jeweils zweier Platten koplanar zueinander liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satz von mindestens N – 1 Platten aus zwei gleichartigen Sätzen von etwa N/2 Platten besteht, und dass diese beiden Sätze von ungefähr N/2 Platten relativ zueinander um eine zu ihren Seitenflächen orthogonale Achse gedreht sind.