DE102009005844B4 - Arrangement for converting gaussian laser radiation - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Umwandlung gaussförmiger Laserstrahlung mit einem Phasenelement und einem nachgeordnetem Fouriertransformator, der ein F-Theta-Objektiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gaussförmige Laserstrahlung durch das Phasenelement im Fernfeld des Phasenelementes in die Fouriertransformierte einer gewünschten Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fouriertransformators umgewandelt wird.Arrangement for converting gaussian laser radiation with a phase element and a downstream Fourier transformer, which is an F-theta objective, characterized in that the gaussian laser radiation is converted by the phase element in the far field of the phase element in the Fourier transform a desired intensity distribution in the image plane of the Fourier transformer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung gaussförmiger Laserstrahlung mit einem Phasenelement und einem nachgeordnetem Fouriertransformator, dass ein F-Theta-Objektiv ist..The invention relates to an arrangement for converting gaussian laser radiation with a phase element and a downstream Fourier transformer that is an F-theta objective.

Aufgabenstellungtask

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Umwandlung gaussförmiger Laserstrahlung mit einem Phasenelement und einem nachgeordnetem Fouriertransformator, der ein F-Theta-Objektiv ist, wobei die gaussförmige Laserstrahlung durch das Phasenelement im Fernfeld des Phasenelementes in die Fouriertransformierte einer gewünschten Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fouriertransformators umgewandelt wird.The present invention describes an arrangement for converting gaussian laser radiation with a phase element and a downstream Fourier transformer, which is an F-theta objective, wherein the gaussian laser radiation converted by the phase element in the far field of the phase element in the Fourier transform a desired intensity distribution in the image plane of the Fourier transformer becomes.

Ziel ist es thermische Schädigungen zu vermeiden.The aim is to avoid thermal damage.

Stand der TechnikState of the art

Aus der DE 101 21 747 A1 Phasenelement zur gleichzeitigen Zirkularisierung und Homogenisierung anisotroper Intensitätsverteilungen von gerichteter Strahlung bekannt.From the DE 101 21 747 A1 Phase element for the simultaneous circularization and homogenization of anisotropic intensity distributions of directed radiation known.

In der US 5864430 A wird eine Vorrichtung beschrieben, die ein Formelement umfasst, das eine Phasenfunktion auf ein Eingangsstrahl induziert.In the US 5864430 A For example, a device is described that includes a shape element that induces a phase function on an input beam.

Die US 2006/0209310 A1 beschreibt ein optisches System, um von einem Lichtstrahl eine Intensitätsverteilung auf einer Oberfläche zu erzeugen, wobei das optische System mindestens ein erstes optisches Element, das den einfallenden Strahl in eine Mehrzahl von Strahlen aufteilt, von denen einige zumindest teilweise überlappen, umfasst.The US 2006/0209310 A1 describes an optical system for generating an intensity distribution on a surface from a light beam, wherein the optical system comprises at least a first optical element which splits the incident beam into a plurality of beams, some of which at least partially overlap.

Weiterhin ist aus der US 2003/0102291 A1 eine Anordnung bekannt, bei der optische Strahlen auf ein Phasenelement gelenkt werden, was die Verteilung verändert und eine Mehrzahl von Strahlen erzeugt.Furthermore, from the US 2003/0102291 A1 An arrangement is known in which optical beams are directed onto a phase element which alters the distribution and produces a plurality of beams.

In der US 6016223 A wird ein System zur Verteilung beschrieben, die einen größeren Schärfebereich haben als eine GaussStrahl-Verteilung. Es erfolgt keine Homogenisierung. Ein Laserstrahl wird in mehrerte gleichartige Strahlen aufgesplittet, um zum Beispiel mehrere Löcher gleichzeitig zu bohren.In the US 6016223 A For example, a system for distribution is described which has a greater focus range than a Gaussian beam distribution. There is no homogenization. A laser beam is split into several similar rays, for example, to drill several holes simultaneously.

In der Anmeldung DE 102 25 674 A1 wird ein optisches System bestehend aus einem Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung beschrieben. Dabei wird ein erstes Linsenarray bestehend aus einer Mehrzahl von Linsen und ein zweites Linsenarray ebenfalls bestehend aus einer Mehrzahl von Linsen zu einer Homogenisierung der einfallenden Laserstrahlung verwendet. Die beiden Mikrolinsenarrays sind dabei derart aufeinander abstimmt, dass die Sub-Arrays so angeordnet sind, dass eine homogene Intensitätsverteilung mit einem top-hat Profil erzeugt wird.In the application DE 102 25 674 A1 An optical system consisting of a lens system for homogenizing laser radiation is described. In this case, a first lens array consisting of a plurality of lenses and a second lens array likewise consisting of a plurality of lenses is used for homogenizing the incident laser radiation. The two microlens arrays are coordinated with one another in such a way that the sub-arrays are arranged in such a way that a homogeneous intensity distribution with a top-hat profile is generated.

Die Anmeldung US 2004/0061952 A1 beschreibt ein optisches System das aus zwei optischen Elementen auch auf ein und demselben Trägermaterial vorzugsweise verschieden besteht. Mit der Anordnung wird vorzugsweise ein einfallender Gaussstrahl in eine homogene Verteilung in mindestens einer Ebene hinter der optischen Anordnung transformiert. Die mindestens zwei optischen Elemente auch auf einem Trägersubstrat sind dabei als asphärische zur optischen Achse ausgerichteten Flächen oder / und Elemente ausgestaltet. Dabei beschränkt sich die Wirkungsweise auf das Zusammenspiel der beiden optischen Elemente, verzugsweise asphärische Elemente. Die homogene Verteilung wird dabei als eine Fermi-Dirac, Super-Gauss und ähnliche Intensitätsverteilungen beschrieben. Die beiden optischen Elemente können dabei in einer Galilei- oder Kepleranordnung angeordnet sein. Die vorliegende Erfindung grenzt sich durch die Verwendung eines Elementes mit einer optischen Freiformfläche in einem speziellen Fall auch einer einzelnen Asphäre ab.The registration US 2004/0061952 A1 describes an optical system which preferably consists of two optical elements also on one and the same carrier material differently. With the arrangement, preferably an incident Gauss beam is transformed into a homogeneous distribution in at least one plane behind the optical arrangement. The at least two optical elements also on a carrier substrate are configured as aspherical surfaces and / or elements aligned with the optical axis. The effect is limited to the interaction of the two optical elements, preferably aspherical elements. The homogeneous distribution is described as a Fermi-Dirac, Super-Gauss and similar intensity distributions. The two optical elements can be arranged in a Galilei or Kepler arrangement. The present invention is distinguished by the use of an element with a free-form optical surface in a special case, even a single asphere.

Die Anmeldung WO2008/087008 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Formung einer einfallenden Intensitätsverteilung in einer speziellen Ausführungsform eines Laserstrahles mittels zweier Linsenarrays. Dabei sind die Linsenarrays in ihrer Anordnung derart gewählt, dass eine homogenisierte Intensitätsverteilung entsteht. Dabei können die beiden Mikrolinsen-Arrays teleskopartig angeordnet sein. Weiterhin kann das zweite der nacheinander angeordneten Mikrolinsenarrays durch eine Feldlinse ersetzt werden. Die optische Anordnung kann weiterhin eine Blende zu weiteren Homogenisierung enthalten. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei lediglich die Strahlformung mittels Mikrolinsenarrays auf der Basis der Erzeugung von Zwischenfoki.The registration WO2008 / 087008 A1 describes a device for shaping an incident intensity distribution in a specific embodiment of a laser beam by means of two lens arrays. The lens arrays are chosen in their arrangement such that a homogenized intensity distribution is formed. In this case, the two microlens arrays can be arranged telescopically. Furthermore, the second of the successively arranged microlens arrays can be replaced by a field lens. The optical assembly may further include an aperture for further homogenization. The present invention relates only to the beam shaping by means of microlens arrays based on the generation of Zwischenfoki.

Die Anmeldung US 2005/0094288 A1 beschreibt den Einsatz einer asphärischen optischen Fläche einzeln oder in Verbindung mit einer konvexen oder konkaven optischen Fläche zur Homogenisierung eines Gauss-Strahles in eine top-hat förmige Intensitätsverteilung. Dabei befinden sich die beiden optischen Flächen sphärischer oder asphärischer Ausbildung auf ein und demselben Trägersubstrat. Weiterhin beschreibt die Erfindungsmeldung die Ausbildung eines top-hat-förmigen Intensitätsprofils in einer Ebene oder einem Bereich hinter dem beschriebenen Element. Weiterhin kann das resultierende Intensitätsprofil ebenfalls als Super-Gauss ausgebildet sein. Die vorliegende Erfindung grenzt sich derart ab, dass ebenfalls ein und dasselbe Trägersubstrat mit zwei beliebigen optischen Flächen verwendet wird, jedoch erzeugen die Flächen auf dem Trägersubstrat eine Besselförmige Intensitätsverteilung danach. Durch den Einsatz eines zweiten optischen Elementes oder einer Gruppe von optischen Elementen welche erfindungsgemäß die Eigenschaft der Fouriertransformation aufweisen, wird eine top-hat förmige oder beliebig anders darstellbare Intensitätsverteilung erzeugt.The registration US 2005/0094288 A1 describes the use of an aspherical optical surface individually or in conjunction with a convex or concave optical surface for homogenizing a Gaussian beam in a top-hat-shaped intensity distribution. In this case, the two optical surfaces of spherical or aspherical design are located on one and the same carrier substrate. Furthermore, the invention disclosure describes the formation of a top-hat-shaped intensity profile in a plane or an area behind the described element. Furthermore, the resulting intensity profile can also be designed as a super Gauss. The present invention is so different that also one and the same Carrier substrate is used with two arbitrary optical surfaces, but the surfaces on the carrier substrate produce a Bessel intensity distribution thereafter. By using a second optical element or a group of optical elements having the property of the Fourier transform according to the invention, a top hat-shaped or any other representable intensity distribution is generated.

Die Anmeldung DE 10 2004 011 190 A1 beschreibt einen optischen Strahlformer bestehend aus mindestens einem optischen Strahlformungselement. Das optische Strahlformungselement hat dabei die erfindungsgemäße Aufgabe einen Besselstrahl oder einen Pseudo-Besselstrahl zu erzeugen. Die Anwendung des optischen Strahlformers beschränkt sich dabei auf die Verwendung von ultrakurzen Laserimpulsen. Weiterhin erfolgt die Auskopplung des Laserstrahles durch ein in der Anmeldung beschriebenes Auskoppelelement.The registration DE 10 2004 011 190 A1 describes an optical beam shaper consisting of at least one optical beam shaping element. The optical beam-shaping element has the task according to the invention of generating a Bessel beam or a pseudo-Bessel beam. The application of the optical beam former is limited to the use of ultrashort laser pulses. Furthermore, the decoupling of the laser beam is effected by a decoupling element described in the application.

Die vorliegende Erfindung erzeugt eine Besselverteilung ohne ein nachfolgendes Auskoppelelement und ist ebenfalls unabhängig von der einfallenden Strahlung. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist dabei mittels eines nachfolgenden Fourierelementes eine top-hat-förmige oder beliebige Intensitätsverteilung im Fokus zu erzeugen.The present invention produces a Bessel distribution without a subsequent outcoupling element and is also independent of the incident radiation. The object according to the invention is to produce a top-hat-shaped or arbitrary intensity distribution in the focus by means of a subsequent Fourier element.

Beschreibungdescription

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Umwandlung gaussförmiger Laserstrahlung mit einem Phasenelement und einem nachgeordnetem Fouriertransformator, der ein F-Theta-Objektiv ist, wobei die gaussförmige Laserstrahlung durch das Phasenelement im Fernfeld des Phasenelementes in die Fouriertransformierte einer gewünschten Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fouriertransformators umgewandelt wird.The present invention describes an arrangement for converting gaussian laser radiation with a phase element and a downstream Fourier transformer, which is an F-theta objective, wherein the gaussian laser radiation converted by the phase element in the far field of the phase element in the Fourier transform a desired intensity distribution in the image plane of the Fourier transformer becomes.

Diese Intensitätsverteilung kann dann durch geeignet gewählte Spiegel oder andere Strahlrichtungsmanipulierende optische Elemente abgelenkt werden. Eine Richtungsablenkung kann dabei auch durch eine Anordnung von mehreren richtungsablenkenden optischen Elementen durchgeführt werden.This intensity distribution can then be deflected by suitably chosen mirrors or other beam direction manipulating optical elements. A directional deflection can also be carried out by an arrangement of a plurality of directionally deflecting optical elements.

Diese richtungsablenkenden optischen Elemente können auch ausführungsbedingt ein optischer Scanner sein. Dieser optische Scanner besteht dabei in den meisten Anwendungsfällen aus mindestens zwei optischen Elementen zur Strahlablenkung. Die optische Strahlablenkung wird dabei derart durchgeführt, dass zwei bewegte Strahlablenkungselemente (meist Spiegel) derart bewegt werden, dass die gewünschte Strahlablenkung in 2D oder 3D realisiert wird. Nach der Strahlablenkung können weitere beliebige optische Elemente folgen, die den Strahl weder in seiner optischen Phasenfunktion noch in seiner Intensitätsverteilung beeinflussen. Die gewünschte Intensitätsverteilung wird dann durch ein nachfolgendes Fourieroptisches Element erzeugt. Meist ist ein optisches Element mit dieser Eigenschaft ein Phasenelement, d.h. in einem konkreten Ausführungsbeispiel eine Linse oder ein System von Linsen, anderen Phasenelementen oder einer Kombination aus den vorhergehenden. In der Bildebene des optischen Systems entsteht dann die gewünschte Intensitätsverteilung. Diese wird in einem konkreten Ausführungsbeispiel als eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in der Bildebene der optischen Abbildungseinrichtung, z. B. einem Objektiv, erzeugt.These directional deflecting optical elements may also be an optical scanner by design. This optical scanner consists in most cases of at least two optical elements for beam deflection. The optical beam deflection is performed in such a way that two moving beam deflecting elements (usually mirrors) are moved in such a way that the desired beam deflection is realized in 2D or 3D. After the beam deflection, it is possible for any other optical elements to follow which do not influence the beam in terms of its optical phase function or its intensity distribution. The desired intensity distribution is then generated by a subsequent Fourier optical element. Most often, an optical element having this property is a phase element, i. in a specific embodiment, a lens or system of lenses, other phase elements or a combination of the foregoing. The desired intensity distribution then arises in the image plane of the optical system. This is in a concrete embodiment as a top hat-shaped intensity distribution in the image plane of the optical imaging device, for. As a lens generated.

Eine solches Verfahren zur Erzeugung einer z.B. top-hat förmigen Intensitätsverteilung kann in einigen Prozessen der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden. Besonders bei Prozessen in denen der Wärmeeintrag bei dem Laserabtrag für Energien kleiner als die eigentliche Ablationschwelle eine Rolle spielt haben top-hat-förmige Intensitätsverteilungen einen geringeren Wärmeeintrag. Bei einem Gauss-förmigen Intensitätsprofil wird ein endlicher Anteil der Energie unterhalb der Laserschwelle in das Material eingetragen. Diese Energie führt bei Lasern mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden oder auch längeren Pulsen zu einer thermischen Schädigung der Randbereiche der zu strukturierenden Form. Eine solche thermische Schädigung wird dabei auch Heat-Affected-Zone (HAZ) genannt.Such a method of generating e.g. top-hat shaped intensity distribution can be used in some processes of laser material processing. Particularly in processes in which the heat input plays a role in the laser ablation for energies smaller than the actual ablation threshold have top-hat-shaped intensity distributions a lower heat input. In a Gaussian intensity profile, a finite fraction of the energy below the lasing threshold is introduced into the material. In the case of lasers with pulse durations in the range of picoseconds or else longer pulses, this energy leads to thermal damage to the edge regions of the form to be structured. Such thermal damage is also called heat-affected zone (HAZ).

Erfindungsgemäß ist bei einem top-hat förmigen Intensitätsprofil mit einer hinreichend kleinen Abweichung vom idealen top-hat Profil ein sehr großer Anstieg der Flanke als Merkmal vorhanden. Diese große Anstieg der Flanke der top-hat förmigen Intensitätsverteilung löst in ausgewählten Prozessen der Lasermaterialbearbeitung die Aufgabe, dass außerhalb der gewünschten Strukturierungsgrenzen keine Schädigung des Materiales auftritt. Verglichen mit einem Gauss-Profil, einem Super-Gauss-Profil oder einer Bessel-förmigen Intensitätsverteilung ist der Anteil der Energie in den Ausläufen der Top-Hat-Verteilung sehr klein. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht dabei auch eine gezielte Beeinflussung der Intensitätsverteilung in den Ausläufen der gewünschten Intensitätsverteilung. Durch ein angepasstes optisches Design lassen sich die Energie-Anteile somit gezielt steuern und für einen Prozess der Randbearbeitung nutzen.According to the invention, in the case of a top hat-shaped intensity profile with a sufficiently small deviation from the ideal top hat profile, there is a very large increase in the flank as a feature. This large increase in the flank of the top-hat-shaped intensity distribution triggers the task in selected processes of laser material processing that no damage to the material occurs outside the desired structuring boundaries. Compared to a Gauss profile, a Super Gauss profile or a Bessel intensity distribution, the share of energy in the outlets of the top hat distribution is very small. The presented method also allows a targeted influencing of the intensity distribution in the outlets of the desired intensity distribution. By means of an adapted optical design, the energy components can thus be selectively controlled and used for a process of edge processing.

Neben der Erzeugung einer top-hat-förmigen Intensitätsverteilung lassen sich z.B. Doughnut-förmige oder andere Intensitätsverteilungen realisieren.In addition to the generation of a top hat-shaped intensity distribution, e.g. Donut-shaped or other intensity distributions realize.

Die folgenden Beschreibungen der Abbildungen erläutern ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.The following descriptions of the drawings illustrate a preferred embodiment of the present application.

In ist eine einfallende gauss-förmige Intensitätsverteilung dargestellt. Ein nachfolgendes optisches Element besteht dabei aus einem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat ist dabei derart gestaltet, dass es für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100nm und 11µm transparent ist. In an incident Gaussian intensity distribution is shown. A subsequent optical element consists of a carrier substrate. The carrier substrate is designed such that it is transparent to electromagnetic radiation in a wavelength range of 100 nm and 11 μm.

Das Trägersubstrat ist dabei derart ausgeführt, dass mindestens eine der beiden optischen Grenzflächen oder beide eine sphärische oder asphärische Flächendefinition haben. Das Merkmal dieser Fläche oder Flächen ist dabei, dass im Fernfeld des beschriebenen Elementes die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fourierelementes entsteht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung wird dabei im Fernfeld des beschriebenen Elementes eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt. Diese Intensitätsverteilung wird durch mindestens asphärische Fläche erzeugt.The carrier substrate is designed such that at least one of the two optical interfaces or both have a spherical or aspherical surface definition. The feature of this surface or surfaces is that the Fourier transform of the intensity distribution in the image plane of the Fourier element arises in the far field of the described element. In a preferred exemplary embodiment of the present application, a quiver-shaped intensity distribution is thereby generated in the far field of the described element. This intensity distribution is generated by at least aspherical surface.

In ist eine einfallende gauss-förmige Intensitätsverteilung dargestellt. Ein nachfolgendes optisches Element besteht dabei aus einem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat ist dabei derart gestaltet, dass es für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100nm und 11µm transparent ist.In an incident Gaussian intensity distribution is shown. A subsequent optical element consists of a carrier substrate. The carrier substrate is designed such that it is transparent to electromagnetic radiation in a wavelength range of 100 nm and 11 μm.

Das Trägersubstrat ist dabei derart ausgeführt, dass mindestens eine der beiden Grenzflächen oder beide eine diffraktive Wirkung auf die einfallende Elektromagnetische Welle haben. Das Merkmal dieser Fläche oder Flächen ist dabei, dass im Fernfeld des beschriebenen Elementes die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fourierelementes entsteht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung wird dabei im Fernfeld des beschriebenen Elementes eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt. Diese Intensitätsverteilung wird durch eine geeignete diffraktive Fläche erzeugt.The carrier substrate is designed such that at least one of the two interfaces or both have a diffractive effect on the incident electromagnetic wave. The feature of this surface or surfaces is that the Fourier transform of the intensity distribution in the image plane of the Fourier element arises in the far field of the described element. In a preferred exemplary embodiment of the present application, a quiver-shaped intensity distribution is thereby generated in the far field of the described element. This intensity distribution is generated by a suitable diffractive surface.

In ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bestehend aus den Anordnungen und deren Eigenschaften aus oder und einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei erzeugen die in oder beschrieben Anordnungen ebenfalls in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine besselförmige Intensitätsverteilung. Diese Intensitätsverteilung wird im Fernfeld hinter dem in oder erfindungsgemäßen Phasenelement erzeugt. Eine nachfolgende Fouriertransformationseinheit erzeugt im weiteren Verlauf der Propagation des bessel-förmigen Intensitätsprofiles in der Bildebene dieser Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung. Top-Hat förmig ist dabei derart definiert, dass eine durch die technische Ausführung bedingte Abweichung vom gewünschten Strahlprofil keine erfindungsgemäßen Einschränkungen hervorruft. Die Fouriertransformationseinheit kann dabei als eine ein- oder zweiflächige sphärische Linse oder eine als eine ein- oder zweiflächige asphärische Linse ausgeführt sein. Eine Kombination aus sphärischen oder asphärischen Flächen ist in einem erfindungsgemäßen Beispiel möglich und bei einigen Anwendungen auch notwendig. Die Fouriertransformationseinheit kann dabei auch eine oder mehrere diffraktive Flächen enthalten. Ein Ausführung als optisches System bestehend aus mehren Elementen mit beliebigen Flächen, sowohl plan, sphärisch, asphärisch, diffraktiv oder eine Anordnung von verschiedenen Elementen auf einer Fläche ist dabei erfindungsgemäß möglich.In is a preferred embodiment of the invention shown, consisting of the arrangements and their properties or and a further inventive arrangement. The generate in or In a preferred embodiment, arrangements also described a bosonal intensity distribution. This intensity distribution is in the far field behind the in or produced phase element according to the invention. A subsequent Fourier transformation unit generates a top-hat-shaped intensity distribution in the course of the propagation of the bessel-shaped intensity profile in the image plane of this unit. Top hat-shaped is defined in such a way that a conditional by the technical design deviation from the desired beam profile causes no restrictions according to the invention. The Fourier transformation unit can be embodied as a mono- or dihedral spherical lens or as a mono- or dihedral aspherical lens. A combination of spherical or aspherical surfaces is possible in an example according to the invention and also necessary in some applications. The Fourier transformation unit can also contain one or more diffractive surfaces. An embodiment as an optical system consisting of several elements with arbitrary surfaces, both planar, spherical, aspherical, diffractive or an arrangement of different elements on a surface is possible according to the invention.

In ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bestehend aus den Anordnungen und deren Eigenschaften aus , , und einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist den bisher dargestellten Beispielen um eine Strahlablenkungseinheit in mindestens einer Raumrichtung ergänzt. Eine Ablenkung der einfallenden Strahlung ist mit den bisher vorgestellten Eigenschaften der Erfindung auch in 2 oder 3 Raumrichtungen technisch realisierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht dabei die Richtungsablenkung, z.B. Strahlablenkung durch jedes geeignete optische Element oder System wie z.B. Spiegel usw., aus einer Galvanoscannereinheit mit mindestens einer veränderlichen Ablenkrichtung. Die Richtungsablenkung erfolgt dabei in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen der Anordnung zur Erzeugung der bessel-förmigen Intensitätsverteilung und dem Fourierelement. Dabei ist das Fourierelement derart ausgeführt, dass durch die vorgeschaltete Richtungsablenkung in der Bildebene des Fourierelementes eine definierte Fläche abgebildet wird. Die Fläche ist dabei durch die optischen Eigenschaften des Fourierelementes und den Winkel der Richtungsablenkung definiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solches Fourierelement ein F-Theta Scanobjektiv sein. Eine weitere Ausführung für die Scannereinheit ist die Verwendung von akusto-optischen Modulator/en.In is a preferred embodiment consisting of the arrangements and their properties . . and a further arrangement according to the invention shown. This preferred exemplary embodiment is supplemented by the examples presented so far by a beam deflection unit in at least one spatial direction. A deflection of the incident radiation is technically feasible with the properties of the invention presented so far in 2 or 3 spatial directions. In a preferred embodiment, the directional deflection, eg, beam deflection by any suitable optical element or system, such as mirrors, etc., consists of a galvanoscanner unit with at least one variable deflection direction. The directional deflection takes place in a preferred embodiment between the arrangement for generating the bessel-shaped intensity distribution and the Fourier element. In this case, the Fourier element is designed such that a defined area is imaged by the upstream directional deflection in the image plane of the Fourier element. The area is defined by the optical properties of the Fourier element and the angle of the directional deflection. In a preferred embodiment, such a Fourier element may be an F-theta scan objective. Another embodiment for the scanner unit is the use of acousto-optic modulator (s).

In ist eine Anordnung zur Aufweitung der einfallenden Strahlung dargestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Strahlaufweitungseinrichtung der in beschriebenen Anordnung vorgeschaltet. Die Strahlaufweitungseinrichtung besteht dabei aus optischen Elementen vorzugsweise Linsen mit sphärischen oder asphärischen Flächen die nach dem Kepler- oder Galilei-Prinzip angeordnet sind. Eine Strahlaufweiterung kann auch zusätzliche oder bei gleicher Wirkung auch diffraktive Flächen enthalten. Die Strahlaufweiterung kann auch an beliebiger Position des weiteren Strahlenganges sich befinden.In an arrangement for expanding the incident radiation is shown. In a preferred embodiment, the beam expander is the in upstream arrangement described. The beam expander consists of optical elements, preferably lenses with spherical or aspherical surfaces which are arranged according to the Kepler or Galilei principle. A beam expansion can also contain additional or, for the same effect, diffractive surfaces. The beam extension can also be located at any position of the further beam path.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Homogenisieren von optischen Strahlen, z.B. Laserstrahlen, mit einem Phasenelement (vgl. , ) das so im Strahlengang ausgerichtet ist, dass die Laserstrahlung in eine derart gestaltete Intensitätsverteilung umgewandelt wird, dass ein nachfolgendes optisches Element, dass als Fouriertransformator (vgl. ) wirkt, die gewünschte Intensitätsverteilung in der Bildebene erzeugt. Dabei ist das Phasenelement (vgl. , ) derart gestaltet das es mindestens eine sphärische oder asphärische Grenzfläche aufweist und im Fernfeld die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung im Bildfeld enthält. Eine nachfolgende optische Einheit zur Fouriertransformation ist dabei derart gestaltetet, dass dabei ein oder mehrere optische Elemente mit sphärischen, asphärischen, diffraktiven oder arrayförmig angeordneten Flächen aufweist.The invention relates to an arrangement and a method for homogenizing optical beams, for example laser beams, with a phase element (cf. . ) which is aligned in the beam path in such a way that the laser radiation is converted into an intensity distribution designed in such a way that a subsequent optical element that acts as a Fourier transformer (cf. ), generates the desired intensity distribution in the image plane. In this case, the phase element (see. . ) designed in such a way that it has at least one spherical or aspherical interface and in the far field contains the Fourier transform of the intensity distribution in the image field. A subsequent optical unit for Fourier transformation is designed in such a way that it has one or more optical elements with spherical, aspherical, diffractive or arrayed surfaces.

Die Anordnung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (vgl. , ) eine asphärische Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist.The arrangement is characterized in that the phase element (see. . ) has an aspherical surface on a carrier substrate.

Die Anordnung ist kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass das Phasenelement (vgl. , ) zwei asphärische Flächen auf einem Trägersubstrat aufweist, wobei eine der Flächen auch als sphärische Fläche ausgeführt sein kann.The arrangement may also be characterized in that the phase element (see. . ) has two aspherical surfaces on a carrier substrate, wherein one of the surfaces can also be embodied as a spherical surface.

Die Anordnung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass das Phasenelement (vgl. , Abb.) mindestens eine diffraktive Fläche (z.B. ) auf einem Trägersubstrat aufweist.The arrangement can furthermore be characterized in that the phase element (cf. , Fig.) At least one diffractive surface (eg ) on a carrier substrate.

Die Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt und eine als Fouriertransformator wirkende zweite optische Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in und oder um die Bildebene des Fouriertransformators erzeugt. Die top-hat-förmige Intensitätsverteilung ist ein Ausdruck dessen, dass thermische Schädigungen vermieden werden, was u.a. das Ziel der vorliegenden Erfindung ist. Die Anordnung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass an einem beliebigen Ort im Strahlengang eine Richtungsablenkung in mindestens einer Achse erfolgt.According to the invention, the arrangement is characterized in that the phase element generates a magnified intensity distribution and a second optical unit acting as Fourier transformer generates a top hat-shaped intensity distribution in and / or around the image plane of the Fourier transformer. The top hat-shaped intensity distribution is an expression of avoiding thermal damage, which can be attributed to e.g. the object of the present invention is. The arrangement may be characterized in that at any location in the beam path, a directional deflection takes place in at least one axis.

Die Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fouriertransformator als ein F-Theta-Objektiv oder einem Objektiv nahe der F-Theta Anordnung ausgeführt ist.The assembly of any one of the preceding claims, wherein the Fourier transformer is implemented as an F-theta objective or a lens near the F-theta arrangement.

Die Anordnung nach einem der vorhergehenden Ausführungen ist dadurch gekennzeichnet, dass beliebige elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 11µm und 100nm benutzt werden kann.The arrangement according to one of the preceding embodiments is characterized in that any electromagnetic radiation in a wavelength range between 11μm and 100nm can be used.

Die Erfindung beinhaltet auch ein entsprechendes Verfahren nach der erfindungsgemäßen Anordnung.The invention also includes a corresponding method according to the inventive arrangement.

Claims (10)

Anordnung zur Umwandlung gaussförmiger Laserstrahlung mit einem Phasenelement und einem nachgeordnetem Fouriertransformator, der ein F-Theta-Objektiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gaussförmige Laserstrahlung durch das Phasenelement im Fernfeld des Phasenelementes in die Fouriertransformierte einer gewünschten Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fouriertransformators umgewandelt wird.Arrangement for converting gaussian laser radiation with a phase element and a downstream Fourier transformer, which is an F-theta objective, characterized in that the gaussian laser radiation is converted by the phase element in the far field of the phase element in the Fourier transform a desired intensity distribution in the image plane of the Fourier transformer. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement derart gestaltet ist, dass es mindestens eine sphärische oder asphärische Grenzfläche aufweist.Arrangement according to Claim 1 , characterized in that the phase element is designed such that it has at least one spherical or aspherical interface. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine asphärische Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist .Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element has an aspherical surface on a carrier substrate. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement zwei asphärische Flächen auf einem Trägersubstrat aufweist.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element has two aspherical surfaces on a carrier substrate. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine asphärische Fläche und eine sphärische Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist..Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element has an aspherical surface and a spherical surface on a carrier substrate. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement mindestens eine diffraktive Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element has at least one diffractive surface on a carrier substrate. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement so angeordnet ist, das es eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element is arranged so that it generates a quiver-shaped intensity distribution. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement und eine als Fouriertransformator wirkende zweite optische Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in und/oder um die Bildebene des Fouriertransformators erzeugt.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the phase element and acting as a Fourier transformer second optical unit generates a top hat-shaped intensity distribution in and / or around the image plane of the Fourier transformer. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem beliebigen Ort im Strahlengang eine Richtungsablenkung in mindestens einer Achse erfolgt. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that at any location in the beam path directional deflection takes place in at least one axis. Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 11 µm und 100 nm liegt.Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the laser radiation is in a wavelength range between 11 microns and 100 nm.
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