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Die
Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen eines Lichtstrahls
zur Behandlung eines in einer Substratebene angeordneten Substrats,
wobei der Lichtstrahl in einer ersten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls eine Strahllänge und in einer zweiten
Dimension senkrecht zur ersten Dimension und zur Lichtausbreitungsrichtung
eine Strahlbreite aufweist, mit zumindest einer mischenden optischen
Anordnung, die den Lichtstrahl in zumindest einer der ersten und
zweiten Dimension in eine Mehrzahl von Lichtpfaden aufteilt, die
einander überlagert in die Substratebene einfallen.
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Ein
solches optisches System ist aus
WO 2007/141185 A2 bekannt.
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Ein
optisches System der eingangs genannten Art wird beispielsweise
zum Aufschmelzen von Materialien, insbesondere auf dem Gebiet der
lichtinduzierten Kristallisation von Silizium verwendet. Ein spezieller Anwendungsfall
ist die Flachbildschirmherstellung, bei der mit einer amorphen Siliziumschicht
versehene Substrate mit einem Lichtstrahl behandelt werden, um das
Silizium zu kristallisieren. Die verwendeten Substrate weisen dabei
relativ große Abmessungen auf, beispielsweise im Bereich
von über 30 cm × über 50 cm. Mit einem
optischen System der eingangs genannten Art wird entsprechend ein
Lichtstrahl erzeugt, der in einer ersten Dimension (die nachfolgend
mit X bezeichnet wird) eine Strahllänge aufweist, die etwa
der Breite des Substrats (beispielsweise etwa 30 cm) entspricht.
In der zur X-Dimension senkrechten Dimension (im Nachfolgenden mit
Y bezeichnet), die außerdem senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls verläuft (die nachfolgend mit Z bezeichnet
wird), ist der Lichtstrahl dünn.
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Der
so auf das Substrat applizierte Lichtstrahl weist ein großes
Verhältnis aus Strahllänge in der X-Dimension
und der Strahlbreite in der Y-Dimension auf, das je nach Strahllänge
größer als 5.000, sogar größer als
10.000 sein kann.
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Der
Lichtstrahl, der zur Behandlung des Substrats dient, muss dabei
der Anforderung genügen, dass die Intensitätsverteilung
des Lichtstrahls zumindest in der (langen) X-Dimension so homogen
wie möglich ist, möglichst aber auch in der kurzen
Y-Dimension.
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Das
aus dem o. g. Dokument
WO
2007/14185 A2 bekannte optische System weist eine mischende optische
Anordnung auf, die zwei Linsenarrays, wobei jedes Linsenarray eine
Mehrzahl von in der X-Dimension nebeneinander angeordneten Linsen,
beispielsweise Zylinderlinsen aufweist, und eine Kondensoroptik
aufweist. Allgemein dient eine mischende optische Anordnung dazu,
das Licht des Lichtstrahls in der Substratebene durch Mischung,
d. h. durch Aufteilung des Lichtstrahls in Teilstrahlen und deren Überlagerung
zu homogenisieren.
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Zur
Vereinfachung des Verständnisses wird nachfolgend der Fall
betrachtet, dass die mischende optische Anordnung lediglich eine
Homogenisierung des Lichtstrahls in der (langen) X-Dimension bewirkt.
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In 1 ist
das bekannte optische System weiter vereinfacht und mit dem allgemeinen
Bezugszeichen 1 versehen dargestellt.
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Das
optische System 1 weist eine optische mischende Anordnung 2 auf,
die hier zur Vereinfachung der Darstellung ein Linsenarray mit nur
drei Einzellinsen 2a, 2b, 2c und eine
Kondensoroptik 3 aufweist, deren Brennweite mit fc bezeichnet ist. Mit dem Bezugszeichen 4 ist
eine Substratebene dargestellt, in die die Kondensoroptik 3 fokussiert.
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Ein
einfallender Lichtstrahl 5, der sich in Ausbreitungsrichtung
Z ausbreitet, wird durch die mischende optische Anordnung 2 in
eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufgeteilt, wobei in dem vereinfachten
Beispiel, bei dem die mischende optische Anordnung 2 drei
Einzellinsen 2a, 2b, 2c aufweist, hier
der Lichtstrahl 5 in drei Teilstrahlen aufgeteilt wird,
die sich entsprechend entlang von drei Lichtpfaden 6a, 6b, 6c ausbreiten.
Der Abstand jeweils benachbarter Lichtpfade 6a, 6b, 6c ist
in 1 mit L bezeichnet. Die einzelnen Teilstrahlen
bzw. die Lichtpfade 6a, 6b, 6c werden
in der Substratebene 4 durch die Kondensoroptik 3 einander überlagert.
Zu einem Feldpunkt in der Substratebene 4 gelangt das Licht
somit auf drei Lichtpfaden 6a, 6b, 6c.
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Aufgrund
der Aufteilung des Lichtstrahls 5 in mehrere Lichtpfade 6a, 6b, 6c und
deren Überlagerung in der Substratebene 4 können
in der Substratebene 4 Intensitätskontraste entstehen,
die durch Interferenzen zwischen dem Licht aus den verschiedenen
Lichtpfaden 6a, 6b, 6c entstehen. In 1 ist
in dem rechten Teilbild die Intensität I gegen die Koordinate
x in der Substratebene 4 aufgetragen. Aufgrund von Interferenzerscheinungen
ist die Intensität I entsprechend nicht homogen.
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Bei
Interferenz je zwei gegeneinander geneigter Teilstrahlen entsteht
jeweils ein periodisches Interferenzmuster, die sich dann überlagern.
Für den hier gezeigten Fall eines Linsenarrays mit identischen
Abständen L benachbarter Linsen sind die auftretenden Interferenzperioden
Vielfache voneinander. Zwischen der Interferenzperiode p
n der Interferenz von Licht aus zwei Lichtpfaden
mit dem Abstand n·L, der Wellenlänge λ und der
Brennweite f
c der Kondensoroptik
3 besteht
der Zusammenhang:
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Im
Allgemeinen treten in der Substratebene 4 verschiedene
Interferenzperioden pn überlagert
auf, die zu verschiedenen vielfachen n L des Lichtpfadabstandes
L gehören.
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Es
sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf optische
Systeme beschränkt ist, deren zumindest eine mischende
optische Anordnung Lichtpfade erzeugt, die von Lichtpfad zu Lichtpfad
einen konstanten Lichtpfadabstand L aufweisen, sondern auch solche
umfasst, bei denen der Lichtpfadabstand L von Lichtpfad zu Lichtpfad
variieren kann. Im letzten Fall weist das Interferenzmuster dann
eine Vielzahl unterschiedlicher Interferenzperioden auf, die sich
zu einem unregelmäßigen Muster überlagern.
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Zur
Reduzierung von Interferenzkontrasten in der Substratebene
4 wird
in der
WO 2007/141185
A2 vorgeschlagen, den Lichtstrahl, bevor er auf die mischende
optische Anordnung einfällt, in mehrere Teilstrahlen aufzuteilen
und die einzelnen Teilstrahlen unter unterschiedlichen Einfallswinkeln
auf die mischende optische Anordnung einfallen zu lassen. Durch
die unterschiedlichen Einfallswinkel der einzelnen Teilstrahlen
auf die mischende optische Anordnung entstehen bei geeigneter Wahl
der Einfallswinkel in der Substratebene gegeneinander versetzte
Interferenzmuster, die in Summe zu einer in der X-Dimension konstanten
Intensität I führen, wenn die einzelnen Teilstrahlen
zueinander inkohärent sind.
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Die
Aufteilung des einfallenden Lichtstrahls in mehrere nicht parallele
Teilstrahlen wird bei dem bekannten optischen System durch Spiegel
erreicht, die in einem Pulsverlängerungsmodul angeordnet
sind.
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Ein
Nachteil des bekannten optischen Systems kann darin gesehen werden,
dass es schwierig ist, den Winkelversatz zwischen den einzelnen
Teilstrahlen so genau einzustellen, dass die durch die einzelnen
Teilstrahlen erzeugten Interferenzmuster um ein ungeradzahliges
Vielfaches der halben Interferenzperiode gegeneinander versetzt
sind, damit der Interferenzkontrast in der Substratebene verringert
bzw. eliminiert wird. Zudem erzeugt ein Pulsverlängerungsmodul
der bekannten Art im Allgemeinen eine Vielzahl immer schwächerer
Teilstrahlen mit immer größeren Einfallswinkeln,
was ebenfalls Schwierigkeiten bereiten kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Interferenzkontraste
in der Substratebene auf einfache Weise zumindest verringert werden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten optischen Systems
dadurch gelöst, dass zumindest eine die Kohärenz
beeinflussende optische Anordnung im Strahlengang des Lichtstrahls
vorhanden ist, die auf den Lichtstrahl so wirkt, dass der Kohärenzgrad
des Lichts für zumindest einen Lichtpfadabstand eines Lichtpfades
von zumindest einem anderen Lichtpfad zumindest verringert ist.
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Die
Erfindung beruht auf dem Konzept, den lateralen Kohärenzgrad
des in das optische System, das zumindest eine mischende optische
Anordnung aufweist, die den einfallenden Lichtstrahl in Richtung
quer zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls in mehrere Lichtpfade
aufteilt, einfallenden Lichts zumindest für einen Lichtpfadabstand
zu verringern, vorzugsweise auf den Wert Null zu minimieren. Mit
anderen Worten zielt die Erfindung darauf ab, die laterale Kohärenz
so weit zu reduzieren, dass Licht aus verschiedenen Lichtpfaden weniger
oder gar nicht mehr interferenzfähig ist.
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Hierzu
werden nachfolgend bevorzugte Maßnahmen beschrieben, mit
denen auf einfache Weise und ohne erhöhten Justageaufwand
der Kohärenzgrad des Lichts für zumindest einen
Lichtpfadabstand eines Lichtpfades von zumindest einem anderen Lichtpfad
zumindest verringert werden kann.
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Eine
Maßnahme besteht darin, ein Verhältnis aus lateraler
Kohärenzlänge des Lichtstrahls in Richtung quer
zu den Lichtpfaden und dem Lichtpfadabstand zumindest zweier benachbarter
Lichtpfade zu verringern und vorzugsweise kleiner als 2, weiter
vorzugsweise kleiner als 1, einzustellen.
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Wenn
die laterale Kohärenzlänge des Lichtstrahls in
Richtung quer zu den Lichtpfaden kleiner ist als der Lichtpfadabstand
zweier benachbarter Lichtpfade, dann können Teilstrahlen
aus diesen beiden Lichtpfaden fast nicht miteinander interferieren,
d. h. Interferenzerscheinungen in der Substratebene können
dabei fast vollständig vermieden werden. Bei vorgegebener
natürlicher lateraler Kohärenzlänge des
verwendeten Lichts, beispielsweise Licht eines Excimer-Lasers, kann
dies bedingen, den Lichtpfadabstand zu vergrößern,
d. h. die zumindest eine mischende optische Anordnung bei vorgegebener
Erstreckung des Lichtstrahls quer zur Ausbreitungsrichtung mit weniger
mischenden optischen Elementen auszugestalten, was jedoch die Homogenisierungswirkung
der mischenden optischen Anordnung verringern würde.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Maßnahme ist vorgesehen, dass
die zumindest eine die Kohärenz beeinflussende optische
Anordnung eine Strahlteileranordnung aufweist, die den Lichtstrahl
in Richtung quer zu den Lichtpfaden in eine Mehrzahl von seitlich
versetzten Teilstrahlen aufteilt, deren Laufwegunterschiede relativ
zueinander größer als die zeitliche Kohärenzlänge
des Lichts der Teilstrahlen sind.
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Bei
dieser Maßnahme werden die durch die Strahlteileranordnung
erzeugten mehreren seitlich gegeneinander versetzten Teilstrahlen
durch Laufwegunterschiede, die größer sind als
die zeitliche Kohärenzlänge des Lichts, voneinander
entkoppelt. Bei gleichbleibender lateraler Kohärenzlänge
vervielfacht diese Anordnung die Strahlbreite, und dadurch kann
das Verhältnis von lateraler Kohärenzlänge
zu den Lichtpfadabständen entsprechend reduziert werden.
Als Strahlteileranordnungen können halbdurchlässige
Spiegel, Prismen (unter Verwendung von innerer Totalreflexion),
Versatzplatten oder dergleichen verwendet werden. Im Unterschied
zu dem bekannten optischen System können die Teilstrahlen
parallel zueinander sein.
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Eine
weitere bevorzugte Maßnahme sieht vor, dass die zumindest
eine die Kohärenz beeinflussende optische Anordnung eine
Kohärenzwandlereinheit aufweist, die eine Strahlteileranordnung,
die den Lichtstrahl in einer der beiden Dimensionen in eine Mehrzahl
von Teilstrahlen aufteilt, und eine Strahlumsortieranordnung aufweist,
die die Teilstrahlen in Richtung der anderen Dimension nebeneinander
anordnet.
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Eine
solche Kohärenzwandleranordnung, die in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, ist in dem Dokument
DE 10 2006 018 504 A1 beschrieben.
Eine solche Kohärenzwandleranordnung bewirkt in der X-Dimension
des Lichtstrahls eine Erhöhung der Divergenz und eine entsprechende
Verringerung des Kohärenzgrades und der lateralen Kohärenzlänge
des Lichts im Verhältnis zur Strahlbreite.
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In
einer weiter bevorzugten Ausgestaltung weist die zumindest eine
die Kohärenz beeinflussende optische Anordnung zumindest
ein optisches Element auf, dessen Lichteintrittsfläche
und Lichtaustrittsfläche plan und unter einem Winkel zueinander
geneigt sind, wobei das zumindest eine optische Element doppelbrechend
ist.
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Die
Verwendung von doppelbrechenden Keilen ist an sich aus dem Dokument
US 5,253,110 für
das Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage für
die Mikrolithografie bekannt. In der vorliegenden Erfindung werden
jedoch solche doppelbrechenden optischen Elemente, beispielsweise
Keile, vorzugsweise in Kombination mit der vorstehend genannten
Maßnahme verwendet, dass das Verhältnis von lateraler
Kohärenzlänge und dem Lichtpfadabstand zweier
benachbarter Lichtpfade so eingestellt wird, dass dieses Verhältnis
zumindest kleiner als 2 ist. Mit den doppelbrechenden optischen
Elementen kann nämlich eine Interferenzordnung (und ihre ungeradzahligen
Vielfachen), insbesondere die erste Interferenzordnung, gezielt
unterdrückt werden, wodurch das Verhältnis aus
lateraler Kohärenzlänge und Lichtpfadabstand doppelt
so groß gewählt werden kann wie ohne solche doppelbrechenden
optischen Elemente, was umgekehrt bedeutet, dass bei gleichen Interferenzverhältnissen
die Anzahl von Lichtpfaden der zumindest einen mischenden optischen Anordnung
doppelt so groß gewählt werden kann, was die Homogenisierungswirkung
der zumindest einen mischenden optischen Anordnung verbessert.
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Verbessert
werden kann die interferenzunterdrückende Wirkung des zumindest
einen doppelbrechenden optischen Elements dadurch, dass der Winkel
zwischen der Lichteintrittsfläche und der Lichtaustrittsfläche des
optischen Elements so gewählt ist, dass der durch das optische
Element eingeführte Phasenunterschied zwischen dem ordentlichen
und dem außerordentlichen Teilstrahl für den zumindest
einen Lichtpfadabstand ein ungeradzahliges Vielfaches der halben
Wellenlänge des Lichtes beträgt.
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Hierdurch
werden die durch den ordentlichen und den außerordentlichen
Teilstrahl erzeugten Interferenzmuster um eine halbe Wellenlänge
gegeneinander versetzt, so dass die Summe der beiden Interferenzmuster
ein in der entsprechenden Dimension des Lichtstrahls konstantes
Intensitätsprofil ergibt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Kombination aus der vorstehend genannten zumindest
einen Strahlteileranordnung, dem zumindest einen doppelbrechenden
Element und der vorstehend genannten Maßnahme der Einstellung
des Verhältnisses aus lateraler Kohärenzlänge
und Lichtpfadabstand von kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als
1. Ebenso kann zusätzlich der vorstehend genannte zumindest
eine Kohärenzwandler mit diesen Maßnahmen kombiniert
werden.
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Die
Kombination dieser Maßnahmen führt zu einer noch
wirksameren Verringerung des Kohärenzgrades bzw. Minimierung
der Kohärenzfunktion zur Vermeidung von Interferenzkontrasten
in der Substratebene.
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Das
zumindest eine doppelbrechende optische Element ist in Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls vorzugsweise hinter der zumindest einen mischenden
optischen Anordnung angeordnet.
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Eine
weitere bevorzugte Maßnahme sieht vor, dass statt einer
mischenden Anordnung mehrere hintereinandergeschaltete mischende
optische Anordnungen vorhanden sind.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass die räumliche Periode des Interferenzmusters
in der Substratebene verkleinert und die Verwendung eines doppelbrechenden
Elements erleichtert wird.
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Eine
weitere Maßnahme zur Verringerung des Kohärenzgrades
sieht vor, dass die zumindest eine die Kohärenz beeinflussende
optische Anordnung zumindest einen akusto-optischen Modulator (AOM)
aufweist.
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Ein
akusto-optischer Modulator (AOM) weist ein optisches Element auf,
in dem beispielsweise durch ein an einem Ende des optischen Elements
angeordnetes Piezoelement Schallwellen erzeugt werden. Die Ausbreitungsrichtung
der Schallwelle verläuft dabei senkrecht zum einfallenden
Lichtstrahl. Durch die Schallwelle wird in dem AOM eine räumliche
Modulation des Brechungsindex erzeugt, die sich mit der Geschwindigkeit
der Schallwelle bewegt. Das durch den AOM tretende Licht erfährt
dadurch eine von der Position und der Zeit abhängige Phasenverschiebung δ,
die in Bruchteilen der Wellenlänge angegeben die Form hat: (x, t) = asin[2π(x/Λ – fst)] a hängt dabei von der Schallamplitude
und der Erstreckung des Schallfeldes in Richtung der optischen Achse ab. Λ ist
die Wellenlänge der Schallwelle, und fs ist
die Frequenz der Schallwelle. Bei durch das Material des AOM festgelegter
Schallgeschwindigkeit lässt sich die Wellenlänge Λ durch
die Anregungsfrequenz fs der Schallwelle
durch das anregende Element, bspw. Piezoelement, variieren.
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Durch
die zeitabhängige Phasenverschiebung kommt es zu einer
Dekorrelation des Lichts von unterschiedlichen Orten, wodurch die
laterale Kohärenz reduziert wird. Die Reduzierung des Kohärenzgrades
und damit die Reduzierung des Interferenzkontrastes für
einen Lichtpfadabstand L hängt von der Amplitude a und der
Wellenlänge Λ des AOM und vom Lichtpfadabstand
L ab.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der vorstehend genannten Maßnahme
sind die akustische Wellenlänge Λ und die akustische
Amplitude a des AOM so eingestellt, dass die Bedingung J0[|2asin(πL/Λ)|] << 1 für den zumindest einen
Lichtpfadabstand erfüllt ist, wobei J0 die
Sesselfunktion 0-ter Ordnung ist.
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Mit
Ausnahme des Falls, dass die akustische Wellenlänge Λ gleich
dem Lichtpfadabstand L ist, lässt sich die vorstehend genannte
Bedingung durch geeignete Schallamplituden a stets erfüllen.
Aufgrund der Periodizität des Arguments der Sesselfunktion
gilt die Bedingung auch für Werte L + mΛ und wegen
der Symmetrie auch für die Werte (Λ – L)
+ mΛ, wobei m eine ganze Zahl ist.
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Damit
wird bereits durch einen AOM die laterale Kohärenz für
eine Vielzahl von Lichtpfadabständen deutlich reduziert.
Auch für dazwischen liegende Lichtpfadabstände
ist der AOM nicht ohne Wirkung, auch wenn nicht das gleiche Ausmaß der
Verringerung erreicht wird.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn mehrere AOM vorhanden sind, bei denen die
akustische Wellenlänge und/oder die akustische Amplitude
von AOM zu AOM unterschiedlich eingestellt sind, um den Kohärenzgrad
für mehrere Lichtpfadabstände zumindest zu verringern.
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Alternativ
kann zugunsten einer Verringerung der Anzahl an vorzusehenden optischen
Baugruppen vorgesehen sein, dass nur ein AOM vorhanden ist, bei
dem gleichzeitig mehrere unterschiedliche akustische Wellenlängen
mit möglicherweise unterschiedlichen akustischen Amplituden
erzeugt werden, um den Kohärenzgrad für mehrere
Lichtpfadabstände zumindest zu verringern.
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In
einer werter bevorzugten Ausgestaltung ist im Fall, dass der Lichtstrahl
gepulst ist, vorgesehen, dass im Strahlengang zusätzlich
zu dem zumindest einen AOM zumindest ein Pulsverlängerungsmodul
angeordnet ist.
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Wie
bereits oben erläutert, bewirkt der AOM aufgrund der dynamischen
Phasenunterschiede eine Dekorrelation des Lichts an verschiedenen
Orten. Diese Dekorrelation ist nur dann vollständig, wenn über
möglichst viele Schallperioden mit gleichmäßiger
Intensität gemittelt werden kann, wie es insbesondere für
einen Laser im Dauerstrichbetrieb der Fall ist. Für einen
Kurzpulslaser hingegen, wie einen Excimer-Laser, bei dem die Pulsdauer
von beispielsweise 20 ns im Bereich typischer AOM-Frequenzen von
beispielsweise 20–100 MHz liegt (Periodendauer 10–50
ns), ist diese Bedingung nicht erfüllt und es treten verbleibende
Interferenzkontraste in der Substratebene auf. Durch die vorstehend
genannte Maßnahme, im Strahlengang des Lichtstrahls zumindest
ein Pulsverlängerungsmodul anzuordnen, wird nun in Kombination
mit dem AOM dieser vorstehend genannte Nachteil vermieden. Durch
das Pulsverlängerungsmodul werden die einzelnen Lichtpulse des
Lichtstrahls verlängert. Dies geschieht beispielsweise
dadurch, dass der in das Pulsverlängerungsmodul einfallende
Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, der eine der
beiden Teilstrahlen die Verzögerungsleitung des Pulsverlängerungsmoduls
durchläuft und an den anderen Teilstrahl, der die Verzögerungsleitung
nicht durchlaufen hat, angereiht wird. Dadurch entsteht ein längerer
Puls, dessen Einhüllende noch mit der Pulsdauer des Eingangspulses
moduliert ist.
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Es
versteht sich, dass eine Mehrzahl von Pulsverlängerungsmodulen
vorgesehen sein kann, um die Lichtpulse noch weiter zu verlängern,
wenn dies für die Reduzierung von Interferenzkontrasten
in der Substratebene nützlich ist.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn die akustische Schallfrequenz des
AOM auf die verlängerten Pulse so abgestimmt ist, dass
ein Interferenzkontrast in der Bildebene weniger als 10%, vorzugsweise
weniger als 5%, weiter vorzugsweise weniger als 1% beträgt.
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Hierbei
wird vorteilhafterweise berücksichtigt, dass es auch bei
einer Pulsverlängerung akustische Frequenzbereiche des
AOM gibt, die zu einem erhöhten Interferenzkontrast in
der Substratebene Anlass geben. Diese akustischen Frequenzbereiche
korrespondieren zur Umlaufdauer der Pulse im Pulsverlängerungsmodul,
das periodische Intensitätsmodulationen erzeugt, die nach
Möglichkeit nicht mit der Schallfrequenz zusammenfallen
sollen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorstehend genannten
Maßnahme ist die Schallfrequenz fs des
AOM ungleich der Umlauffrequenz der Pulse in dem zumindest einen
Pulsverlängerungsmodul und ungleich den ganzzahligen Vielfachen
der Umlauffrequenz.
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„Ungleich” bedeutet
hier, dass die Schallfrequenz des AOM so hinreichend verschieden
von der Umlauffrequenz in dem einen oder in den mehreren Pulsverlängerungsmodulen
ist (und entsprechend auch hinreichend verschieden von den ganzzahligen
Vielfachen dieser Umlauffrequenz bzw. Umlauffrequenzen), dass Restkontraste
in der Substratebene, die sich durch ein Zusammenfallen der Schallfrequenz
mit der Umlauffrequenz ergibt, möglichst vermieden werden.
Vorzugsweise unterscheidet sich die Schallfrequenz des AOM von den
Umlauffrequenzen und ihren ganzzahligen Vielfachen um jeweils mehr
als 10%.
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Durch
die vorstehende Maßnahme der Abstimmung der akustischen
Schallfrequenz wird erreicht, dass bei der Kombination des AOM mit
dem Pulsverlängerungsmodul in der Substratebene Interferenzkontraste
so weit wie möglich reduziert sind.
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Auch
hier versteht sich wieder, dass die Maßnahme des Vorhandenseins
zumindest eines AOM und/oder eines Pulsverlängerungsmoduls
mit den oben genannten Maßnahmen (Einstellung des Verhältnisses
aus lateraler Kohärenzlänge und Lichtpfadabstand,
doppelbrechende optische Elemente, Kohärenzwandler, usw.)
kombiniert werden können, um Interferenzerscheinungen im
Lichtstrahl in der Substratebene so weit wie möglich zu
reduzieren oder ganz zu eliminieren.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in Bezug
auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
optisches System gemäß dem Stand der Technik zur
Erläuterung von Interferenzeffekten, die bei dem optischen
System auftreten;
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2 ein
Basisschema eines erfindungsgemäßen optischen
Systems;
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3a) und 3b) zwei
Balkendiagramme, die den Anteil verschiedener Interferenzordnungen
bei großer Kohärenzlänge (3a)) und kleiner Kohärenzlänge
(3b)) zeigen;
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4 ein
Ausführungsbeispiel einer Maßnahme zur Unterdrückung
von Interferenzeffekten in dem optischen System in 2 durch
Vorsehen eines doppelbrechenden Elements;
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5a) bis c) drei Balkendiagramme, die den
Einfluss des Verhältnisses aus lateraler Kohärenzlänge und
Lichtpfadabstand einer mischenden optischen Anordnung mit und ohne
doppelbrechendes optisches Element in 4 zeigen;
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6 eine
Abwandlung des Ausführungsbeispiels in 4;
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7 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Maßnahme zur
Verringerung von Interferenzeffekten des optischen Systems in 2;
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8 ein
noch weiteres Ausführungsbeispiel ähnlich zu 7 einer
Maßnahme zur Verringerung von Interferenzeffekten des optischen
Systems in 2;
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9 ein
weiteres Ausführungsbeispiel einer Maßnahme zur
Verringerung von Interferenzeffekten des optischen Systems in 2;
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10 ein
Diagramm, das drei Lichtpulsformen zeigt;
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11 ein
Diagramm, das die Abhängigkeit von Interferenzeffekten
in Abhängigkeit von der akustischen Frequenz eines akusto-optischen
Modulators gemäß 9 für
die Pulsformen in 10 veranschaulicht;
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12 einen
vergrößerten Ausschnitt des Diagramms in 11;
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13 ein
Beispiel einer Kohärenzfunktion des optischen Systems in 2,
wenn keine Maßnahmen zur Interferenzverringerung vorgesehen
sind;
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14 bis 21 verschiedene
Kohärenzfunktionen, wobei mit unterbrochenen Linien die
Kohärenzfunktion gemäß 13 und
mit durchgezogenen Linien die Kohärenzfunktionen dargestellt
sind, wie sie durch verschiedene Maßnahmen zur Interferenzverringerung
gegenüber der Kohärenzfunktion gemäß 13 beeinflusst
werden.
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In 2 ist
ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes optisches
System zum Erzeugen eines Lichtstrahls zur Behandlung eines Substrats
schematisch dargestellt.
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Das
System 10 wird insbesondere in einer Anlage zum flächigen
Aufschmelzen von Schichten auf Substraten mittels eines Lichtstrahls
verwendet. Spezieller wird das optische System 10 in einer
Anlage zur Kristallisation von Siliziumschichten aus amorphem Silizium
für die Flachbildschirmherstellung verwendet.
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Das
optische System 10 ist in einer solchen Anlage zum flächigen
Aufschmelzen von Schichten auf Substraten ein Bestandteil eines
optischen Gesamtsystems, das neben dem optischen System 10 noch
weitere nicht dargestellte optische Einheiten aufweist, beispielsweise
eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, Strahlaufweitungsoptiken
und dergleichen. Das optische System 10 gemäß 2 kann
in einem solchen optischen Gesamtsystem in Lichtausbreitungsrichtung
gesehen die letzte optisch wirksame Einheit vor dem Substrat sein,
wie hier dargestellt. Das System 10 ist entsprechend in
Lichtaufweitungsrichtung gesehen von einer gedachten Lichteintrittsebene 12 des
Lichteintritts in das optische System 10 bis zu einer Substratebene 14 gezeigt,
in der sich ein nicht dargestelltes Substrat befindet.
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Das
optische System 10 ist dazu ausgelegt, in der Substratebene 14 einen
Lichtstrahl zu erzeugen, der in einer ersten Dimension, die nachfolgend
als X-Dimension bezeichnet wird, eine Strahllänge Ls und in einer zweiten Dimension, die nachfolgend
als Y-Dimension bezeichnet wird, eine Strahlbreite aufweist, wobei die
Y-Dimension senkrecht zur Zeichenebene von 2 steht.
Die Strahllänge L ist dabei sehr viel größer
als die Strahlbreite. Die Strahllänge Ls beträgt
mehr als 100 mm, beispielsweise etwa 300 mm, und die Strahlbreite beträgt
weniger als 50 μm.
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In 2 ist
die Lichtausbreitungsrichtung, die sowohl senkrecht zur X-Dimension,
als auch senkrecht zur Y-Dimension verläuft, mit Z bezeichnet.
In 2, die das optische System 10 in der
XZ-Ebene zeigt, ist ferner ein Koordinatenkreuz 16 zur
Veranschaulichung eingezeichnet.
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Das
optische System 10 weist eine erste mischende optische
Anordnung 18 auf. Die mischende optische Anordnung 18 weist
ein optisches Element 20 auf. Das optische Element 20 teilt
den einfallenden Lichtstrahl in der X-Dimension in eine Mehrzahl
von nebeneinander angeordneten Lichtkanälen oder Lichtpfaden 24a–c
auf, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung
der Darstellung nur drei solcher Lichtpfade 24a–c
gezeigt sind.
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Das
optische Element 20 ist in Form eines Zylinderlinsenarrays
ausgebildet, wobei sich die jeweiligen Zylinderachsen der einzelnen
Zylinderlinsen in der Y-Dimension, also senkrecht zur Zeichenebene
in 2 erstrecken. Anstelle eines einzelnen Zylinderlinsenarrays
kann auch ein aus zwei Zylinderlinsenarrays aufgebauter Wabenkondensor
verwendet werden.
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In 2 sind
die einzelnen Linsen als bikonvexe Zylinderlinsen dargestellt, wobei
es sich versteht, dass die Linsen auch andere Formen, wie beispielsweise
plankonvex, aufweisen können.
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Die
Lichtpfade 24a–c des optischen Elements 20 teilen
den in das optische Element 20 einfallenden Lichtstrahl
in der X-Dimension in eine Mehrzahl von Teilfeldern auf, wobei in 2 drei
Teilfelder 28a, 28b und 28c beispielhaft
dargestellt sind.
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Die
erste optische Anordnung 18 weist außer dem Zylinderlinsenarray
noch eine zusätzliche Kondensoroptik 30 auf.
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Das
optische System 10 weist eine weitere mischende optische
Anordnung 36 auf, die der mischenden optischen Anordnung 18 vorgeschaltet
ist, und die ein diffraktives oder streuendes optisches Element 38 und
eine Kondensoroptik 40 aufweist, wobei die optische Anordnung 36 den
einfallenden Lichtstrahl bereits vorgemischt auf die mischende optische
Anordnung 18 richtet.
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Ferner
weist das optische System 10 eine optische Anordnung 46 auf,
die auf den Lichtstrahl nur in der Y-Dimension wirkt, um den Lichtstrahl
mit geringer Strahlbreite in der Substratebene 14 zu fokussieren.
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In
Bezug auf die mischende optische Anordnung 18 gilt, wie
bereits oben mit Bezug auf 1 erläutert wurde,
dass bei Aufteilung des auf die mischende optische Anordnung 18 einfallenden
Lichtstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen gemäß der
Lichtpfade 24a–c in der Substratebene 14 in
der X-Dimension Interferenzeffekte auftreten können, die
zu einem Interferenzkontrast im linienförmigen Lichtstrahl
in der Substratebene 14 führen.
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Nachfolgend
werden verschiedene Maßnahmen beschrieben, um solche Interferenzerscheinungen bzw.
Interferenzkontraste in der Substratebene 14 zumindest
zu verringern, wenn nicht sogar zu eliminieren.
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Die
Erfindung beruht auf dem Konzept, zumindest eine die Kohärenz
beeinflussende optische Anordnung im Strahlengang des Lichtstrahls
vorzusehen, die auf den Lichtstrahl so wirkt, dass der Kohärenzgrad des
Lichts für zumindest einen Lichtpfadabstand eines Lichtpfades
von zumindest einem anderen Lichtpfad zumindest verringert wird.
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Bevor
auf die verschiedenen Maßnahmen zur Interferenzkontrastverringerung
im Einzelnen eingegangen wird, werden nachfolgend die Begriffe ”laterale
Kohärenzlänge” und ”Kohärenzfunktion” erläutert.
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In 13 ist
der Verlauf einer typischen Kohärenzfunktion dargestellt.
Auf der Abszisse ist der Abstand L in beliebigen Einheiten aufgetragen.
Als Einheit kann beispielsweise der Lichtpfadabstand einzelner der
Lichtpfade 24a–c der mischenden optischen Anordnung 18 in 2 untereinander
gewählt werden. Ein Abstand von L = 2 bedeutet dann den
Abstand eines Lichtpfades von dem übernächsten
Lichtpfad zu einer Seite des betrachteten Lichtpfades.
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Auf
der Ordinate ist der Kohärenzgrad angegeben, der Werte
zwischen 0 und 1 (0% und 100%) annehmen kann. Der Wert 1 bedeutet
vollständige Kohärenz, und der Wert 0 bedeutet
vollständige Inkohärenz.
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Ohne
Beschränkung der Allgemeinheit wird hier die laterale Kohärenz
in der X-Dimension betrachtet, wobei im Fall, dass das mischende
optische System 18 auch eine Mischung in der Y-Dimension
vornimmt oder eine entsprechende mischende optische Anordnung zusätzlich
zur Anordnung 18 vorgesehen ist, Gleiches gilt.
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Die
beispielhafte Kohärenzfunktion gemäß 13 hat
ein etwa Gauss-förmiges Profil. Alle nachfolgenden Ausführungen
sind gleichermaßen auf andere, insbesondere nicht Gauss-förmige,
nicht monoton fallende oder auch auf solche Kohärenzfunktionen übertragbar,
die bereits Minima oder Nullstellen aufweisen.
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Unter
Kohärenzlänge wird der Abstand L verstanden, bei
dem der Kohärenzgrad K auf einen vorbestimmten Wert abfällt.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in der vorliegenden
Beschreibung als Kohärenzlänge der Abstand L betrachtet,
bei dem der Kohärenzgrad K auf einen Wert von 10% (0,1)
abgefallen ist. In 13 ist dies bei einem Abstand
L = 3 der Fall.
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Die
nachfolgend zu beschreibenden Maßnahmen zielen darauf ab,
die laterale Kohärenzlänge zu verringern.
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Eine
erste Maßnahme besteht darin, das Verhältnis aus
lateraler Kohärenzlänge des Lichtstrahls und dem
Lichtpfadabstand (Abstand L) so einzustellen, dass das Verhältnis
kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1 ist.
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Wird
das Verhältnis aus lateraler Kohärenzlänge
des Lichtstrahls in Richtung quer zu den Lichtpfaden 24a–c
und dem Lichtpfadabstand L zweier benachbarter Lichtpfade kleiner
als 1 eingestellt, so können Interferenzerscheinungen beinahe
vollständig vermieden werden. In diesem Fall können
nämlich benachbarte der Lichtpfade 24a–c
nicht oder allenfalls in geringem Ausmaß miteinander interferieren.
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In 3a) ist der Beitrag, den die verschiedenen
Interferenzperioden Pn zum gesamten Interferenzkontrast
liefern, in Abhängigkeit der Lichtpfade n, für
den Fall einer großen Kohärenzlänge dargestellt,
während in 3b) der Beitrag
der verschiedenen Interferenzperioden Pn für
den Fall einer kleinen Kohärenzlänge dargestellt
ist. Durch Verkleinerung der lateralen Kohärenzlänge
lässt sich somit der Anteil der Interferenzen weitgehend
reduzieren.
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In 4 ist
eine die Kohärenz beeinflussende optische Anordnung 50 dargestellt.
Die optische Anordnung 50 weist hier ein doppelbrechendes
optisches Element 52 auf, dessen Lichteintrittsfläche 50 und Lichtaustrittsfläche 56 plan
und unter einem Winkel zueinander geneigt sind.
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Das
doppelbrechende optische Element 52 teilt den in die Lichteintrittsfläche 54 einfallenden
Lichtstrahl in einen ordentlichen und einen außerordentlichen
Lichtstrahl auf, wobei der ordentliche Lichtstrahl hier mit durchgezogenen
und der außerordentliche Lichtstrahl mit unterbrochenen
Linien dargestellt ist. Der Winkel zwischen der Lichteintrittsfläche 54 und
der Lichtaustrittsfläche 56 wird nun so gewählt,
dass der durch das optische Element 52 eingeführte
Phasenunterschied zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Teilstrahl
für zumindest einen Lichtpfadabstand ein ungeradzahliges
Vielfaches der halben Wellenlänge des Lichts des Lichtstrahls
beträgt. Auf diese Weise werden die Interferenzstreifen,
die von dem ordentlichen Teilstrahl erzeugt werden, und die Interferenzstreifen,
die von dem außerordentlichen Teilstrahl erzeugt werden, um
eine halbe Interferenzperiode gegeneinander versetzt, so dass sich
die Intensitäten der Lichtstrahlen in der X-Dimension in
der Substratebene 14 aufgrund ihrer Inkohärenz
zueinander zu einer homogenen Intensitätsverteilung I addieren.
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Hierbei
ist es bevorzugt, die räumliche Orientierung des Kristalls
des doppelbrechenden Elements 52 so zu wählen,
dass die Intensitäten des ordentlichen und außerordentlichen
Strahls möglichst gleich sind, damit die gegeneinander
versetzten Interferenzmuster sich gerade aufheben. Dies ist dann
erfüllt, wenn die Kristallachsen in der XY-Ebene unter
einem Winkel von 45° zur Polarisationsebene des Lichts
stehen.
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5a) zeigt ein Balkendiagramm, dass die
Anteile Pn der verschiedenen Interferenzordnungen
n für den Fall zeigt, dass die laterale Kohärenzlänge
kleiner oder gleich dem Lichtpfadabstand benachbarter Lichtpfade 24' der
mischenden optischen Anordnung 18 ist. Interferenzerscheinungen
werden durch die Wahl einer solchen kleinen lateralen Kohärenzlänge
gut unterdrückt. 5b) zeigt
den Fall, dass die laterale Kohärenzlänge nur
kleiner oder gleich dem Zweifachen des Lichtpfadabstandes benachbarter
Lichtpfade ist. In diesem Fall ist der Beitrag der ersten Interferenzordnung
P1 noch groß, und erst der Beitrag
von P2 und aller weiteren Interferenzordnungen
Pn mit n > 2
sind unterdrückt. 5c) zeigt
nun den Fall, dass die laterale Kohärenzlänge
kleiner oder gleich des Zweifachen des Lichtpfadabstandes benachbarter
Lichtpfade ist, wobei zusätzlich das doppelbrechende optische
Element 52 im Strahlengang vorhanden ist. Mit unterbrochenen
Linien in 5c) ist der Beitrag von
P1 gemäß 5b) dargestellt,
und mit durchgezogenen Linien ist der Beitrag von P1 bei
Verwendung des doppelbrechenden optischen Elements 52 gezeigt.
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Es
ergibt sich aus 5c), dass durch Verwendung
zumindest einen doppelbrechenden optischen Elements 52 mit
nicht planparallelen Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen
eine Interferenzordnung (und ihre ungeraden Vielfachen), insbesondere
die erste (P1) gezielt unterdrückt
werden können. Dies ermöglicht es, die laterale
Kohärenzlänge im Verhältnis zum Lichtpfadabstand
oder umgekehrt die Zahl der Lichtpfade größer wählen
zu können wie ohne solche doppelbrechenden optischen Elemente.
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In 6 ist
ein gegenüber 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem eine die Kohärenz beeinflussende optische
Anordnung 50' ein doppelbrechendes optisches Element 52 mit
nicht planparalleler Lichteintrittsfläche 54' und
Lichtaustrittsfläche 56' aufweist. Im Unterschied
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind
zwei mischende optische Anordnungen 18'' und 36'' ähnlich
zu 2 vorhanden.
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Die
Verwendung einer Mehrzahl mischender optischer Anordnungen hat den
Vorteil, dass der Lichtpfadabstand L insbesondere bei dem in Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls zweiten mischenden optischen Element 20'' größer
gewählt werden kann, wodurch die Interferenzperioden in
der Substratebene 14'' entsprechend kleiner werden und
ebenso der Winkel zwischen der Lichteintrittsfläche 54' und
der Lichtaustrittsfläche 56' des doppelbrechenden
optischen Elements 52' kleiner gewählt werden
kann. Trotz größerem Lichtpfadabstand L wird durch
die mehrstufige Mischung eine höhere Mischungswirkung erreicht,
und die Interferenzmuster des ordentlichen und außerordentlichen
Teilstrahls werden in der Substratebene 14'' weniger gegeneinander
versetzt, außerdem werden chromatische Fehler reduziert
und die Anforderungen an die Justagegenauigkeiten des optischen
Systems herabgesetzt.
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Während
das doppelbrechende optische Element 52 in 4 und
das doppelbrechende optische Element 52' in 6 jeweils
zwischen dem Zylinderlinsenarray 20' bzw. 22'' und
einer nachfolgenden Kondensoroptik 40' bzw. 40'' angeordnet
ist, können die doppelbrechenden optischen Elemente auch
an anderen Stellen im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet sein,
beispielsweise auch vor der jeweils mischenden optischen Anordnung 18' bzw. 18'' oder
auch vollständig hinter dieser, also hinter den Kondensoroptiken 40' und 40''.
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Des
Weiteren können in dem optischen System 10 in 2 zwei
oder mehr solcher doppelbrechender optischer Elemente 52 bzw. 52' verwendet
werden, wenn dies für die Reduzierung von Interferenzkontrasten in
der Substratebene 14 vorteilhaft ist.
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Eine
weitere Maßnahme zur Reduzierung von Interferenzkontrasten
in der Substratebene 14, die alternativ oder zusätzlich
zu den vorstehend beschriebenen Maßnahmen in dem optischen
System 10 in 2 vorgesehen sind, ist in 7 und 8 dargestellt.
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7 zeigt
eine die Kohärenz beeinflussende optische Anordnung 60,
die eine Strahlteileranordnung 62 aufweist. Die Strahlteileranordnung 62,
die beispielsweise einen teildurchlässigen Spiegel 64 aufweist,
teilt den Lichtstrahl in Richtung quer zu den Lichtpfaden 24 bzw. 26 (also
in der X-Dimension) in eine Mehrzahl von seitlich versetzten parallelen
Teilstrahlen 66, 68 auf, wobei der Laufwegunterschied
der Teilstrahlen 66 und 68 relativ zueinander
größer als die zeitliche Kohärenzlänge
des Lichts der Teilstrahlen 66, 68 ist. In dem
Ausführungsbeispiel gemäß 7 bewirkt
die Strahlteileranordnung 62 eine Aufteilung des Lichtstrahls
in zwei Teilstrahlen 66, 68. Der Teilstrahl 68 entsteht
durch Reflexion des einfallenden Lichtstrahls an dem teildurchlässigen
Spiegel 64 und Reflexion an einem vollständig
reflektierenden Spiegel 66. Die Teilstrahlen 66 und 68 sind durch
die optische Anordnung 60 in der X-Dimension seitlich nebeneinander
gesetzt. Das Aufteilen des einfallenden Lichtstrahls in mehrere
seitlich nebeneinander gesetzte Teilstrahlen 66, 68 bewirkt,
dass das Verhältnis von lateraler Kohärenzlänge
zum Strahldurchmesser des gesamten Strahls reduziert wird, und ebenso
wird das Verhältnis aus lateraler Kohärenzlänge
und Lichtpfadabstand verkleinert, bei gleicher Gesamtzahl der Lichtpfade.
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8 zeigt
eine gegenüber 7 abgewandelte die Kohärenz
beeinflussende optische Anordnung 60', bei der der einfallende
Lichtstrahl in drei Teilstrahlen 66', 68' und 70' aufgeteilt
wird, wodurch die laterale Kohärenzlänge im Verhältnis
zu den Lichtpfadabständen der Lichtpfade 24 noch
weiter verringert werden kann.
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Unter
Umständen ist es von Vorteil, einen durch die optische
Anordnung 60 bzw. 60' eingeführten seitlichen
Strahlversatz zu korrigieren, wie in mit einer
Anordnung 63 dargestellt ist.
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Die
optischen Anordnungen 60 bzw. 60' können
in dem optischen System 10 beispielsweise vor der Lichteintrittsebene 12 angeordnet
sein.
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Anstelle
von teildurchlässigen Spiegeln können solche Strahlteileranordnungen
auch Platten, Prismen (unter Verwendung von innerer Totalreflexion)
und/oder Strahlteilerschichten verwenden.
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Insbesondere
kann die optische Anordnung 60 bzw. 60' auch als
planparallele, gegen den Strahl geneigte Platte ausgebildet sein,
durch die der Teilstrahl 66 hindurchtritt, während
der Teilstrahl 68 im Inneren der Platte zweimal reflektiert
wird. Weitere Teilstrahlen können durch mehrfache Reflexion
erzeugt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die verschiedenen
Bereiche der Platte Beschichtungen mit unterschiedlicher, jeweils angepasster
Reflektivität aufweisen, so dass die Teilstrahlen die gleiche
Intensität aufweisen.
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Eine
weitere Maßnahme zur Reduzierung der lateralen Kohärenzlänge
besteht darin, eine die Kohärenz beeinflussende optische
Anordnung (nicht dargestellt) in dem Strahlengang des Lichtstrahls
anzuordnen, die eine Kohärenzwandleranordnung gemäß
DE 10 2006 018 504
A1 aufweist. Eine solche Kohärenzwandleranordnung
weist ebenfalls eine Strahlteileranordnung auf, die den einfallenden
Lichtstrahl in der X-Dimension in eine Mehrzahl von Teilstrahlen
aufteilt, und außerdem eine Strahlumsortieranordnung, die
die Teilstrahlen dann in Richtung der anderen Dimension nebeneinander
anordnet. Anschließend findet eine Komprimierung des Lichtstrahls
in der letzteren Dimension und eine Aufweitung in der ersteren Dimension
statt. Zur genaueren Beschreibung einer solchen Kohärenzwandleranordnung
wird auf das vorstehend genannte Dokument verwiesen, dessen Offenbarung
durch Bezugnahme in der vorliegenden Offenbarung inbegriffen ist.
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Mit
Bezug auf 9 werden weitere Maßnahmen
zur Verringerung von Interferenzkontrasten in der Substratebene 14 des
optischen Systems 10 in 2 beschrieben.
Die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen können
alternativ oder kumulativ zu den bereits vorstehend beschriebenen
Maßnahmen verwendet werden.
-
In 9 ist
eine die Kohärenz beeinflussende optische Anordnung 70 dargestellt,
die einen akusto-optischen Modulator (AOM) 72 aufweist.
Der AOM 72 weist ein optisches Element 74, bspw.
eine Platte, auf, in dem eine Schallwelle 76 erzeugt wird,
die sich quer zum einfallenden Lichtstrahl 78 in dem optischen
Element 74 ausbreitet, wie mit einem Pfeil 80 veranschaulicht
ist. Die Schallwelle 76 kann bspw. durch einen an einem Ende 82 angeordneten
Piezoaktuator (nicht dargestellt) erzeugt werden. Die sich durch
das optische Element 74 ausbreitende Schallwelle 76 bewirkt,
dass das optische Element 74 als Beugungs- bzw. Phasengitter
für den einfallenden Lichtstrahl 78 wirkt. Die
Schallwelle 76 kann bspw. eine akustische Frequenz fs im Ultraschallbereich von etwa 5 MHz bis
1 GHz aufweisen.
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Beim
Durchlaufen der Schallwelle 76 durch das optische Element 74 bewirkt
diese eine periodische Dichtemodulation und damit eine periodische
Brechzahlmodulation im optischen Element 74, die die Wirkung des
vorstehend genannten Beugungs- bzw. Phasengitters erzeugt. Das durch
den AOM 72 tretende Licht erfährt dadurch eine
von der Position und der Zeit abhängige Phasenverschiebung δ,
die in Bruchteilen der optischen Wellenlänge angegeben
die Form hat: δ(x, t) = asin[2π(x/Λ – fst)]. (2) a
hängt dabei von der Schallamplitude und der Erstreckung
des Schallfeldes in Richtung der optischen Achse ab. Λ bezeichnet
die Wellenlänge der Schallwelle, fs die
Frequenz der Schallwelle.
-
Durch
die zeitabhängige Phasenverschiebung kommt es zu einer
Dekorrelation des Lichts von unterschiedlichen Orten, wodurch die
laterale Kohärenz reduziert wird.
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Die
Reduzierung des Kohärenzgrades und damit die Reduzierung
des Interferenzkontrastes für einen Lichtpfadabstand L
hängt von der Amplitude a und der Wellenlänge Λ des
AOM 72 und vom Lichtpfadabstand L ab.
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Der
AOM 72 ist nun im Zusammenwirken mit der mischenden optischen
Anordnung 18 in 2, die den auf die mischende
optische Anordnung 18 einfallenden Lichtstrahl in eine
Mehrzahl von Teilfeldern 28a, 28b, 28c aufteilt,
die in der Substratebene 14 einander überlagert
sind, in Bezug auf die Lichtpfade 24 bzw. 26 so
ausgelegt, dass die laterale Kohärenz für den
Abstand dieser Lichtpfade verringert und Interferenzen entsprechend
reduziert werden.
-
Insbesondere
ist die akustische Wellenlänge Λ und die akustische
Amplitude a des AOM 72 so einstellbar bzw. eingestellt,
dass die Bedingung J0[|2asin(πL/Λ)|] << 1 (3) für
zumindest einen Lichtpfadabstand L erfüllt ist, wobei J0 die Sesselfunktion 0-ter Ordnung ist.
-
Mit
der Definition x0 = |2asin(πL/Λ)|
liegen die Nullstellen der Sesselfunktion J0 bei
x0 = 2,40483, 5,52008, 8,65373, 11,7915,
...
-
Wenn
nicht gerade L = Λ gilt, so lässt sich die Bedingung
(3) durch geeignete Wahl der Amplitude a der Schallwelle
76 stets
erfüllen. Aufgrund der Periodizität des Sinus
gilt die Bedingung ebenfalls für Werte L + mΛ und
aufgrund der Symmetrie auch für (Λ – L)
+ mΛ. Besonders bevorzugt sind die Fälle, bei
denen die Bedingung (3) darüber hinaus für weitere
Lichtpfadabstände L erfüllt ist oder das Integral
zumindest ein Wert << 1 hat:
-
Spezialfälle
der Bedingung (3) werden später noch mit Bezug auf 17 und 18 beschrieben.
-
Möglich
sind bei gleicher Wirkung auch teilerfremde Vielfache des Verhältnisses
L/Λ und entsprechende größere Frequenzen
fs des AOM 72 sowie entsprechend
größere Amplituden, die zu weiteren Nullstellen X0 der Sesselfunktion J0 gehören.
Die Auslegung des AOM 72 ist jedoch nicht auf diese Fälle
beschränkt, vielmehr gibt es eine Vielzahl von Kombinationen
von Frequenzen fs und Amplituden a des AOM 72,
die eine oder mehrere Interferenzordnungen in der Substratebene 14 deutlich
reduzieren.
-
Um
hier ein Optimum zu finden, ist die akustische Wellenlänge Λ und/oder
die akustische Amplitude a des AOM 72 einstellbar, um die
o. g. Bedingung (3) so gut wie möglich zu erfüllen.
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Insbesondere
ist aber der gesamte Bereich nützlich, in dem die Bedingung asin(πL/Λ) > 0,75 (4)
für
einen bestimmten oder typischen Lichtpfadabstand L erfüllt
ist.
-
Wenn
die vorstehend genannte Bedingung erfüllt ist, ist die
Sesselfunktion J0 < 0,5.
-
Wieder
mit Bezug auf 9 wird nun ein weiterer Aspekt
des optischen Systems 10 für den Fall beschrieben,
dass der von einer nicht dargestellten Lichtquelle, beispielsweise
einem Laser, erzeugte Lichtstrahl 84 gepulst ist, d. h.
aus einer Abfolge einzelner Lichtpulse besteht. In 9 ist
ein solcher Lichtpuls 86 schematisch dargestellt.
-
Wie
bereits oben erläutert, bewirkt der AOM 72 aufgrund
der dynamischen Phasenunterschiede eine Dekorrelation des Lichts
an verschiedenen Orten. Diese Dekorrelation ist nur dann vollständig,
wenn über möglichst viele Schallperioden mit gleichmäßiger
Intensität gemittelt werden kann, wie es insbesondere für
einen Laser im Dauerstrichbetrieb der Fall ist. Für einen
Kurzpulslaser hingegen, wie einen Excimer-Laser, bei dem die Pulsdauer
von beispielsweise 20 ns im Bereich typischer AOM-Frequenzen von
beispielsweise 20–100 MHz liegt (Periodendauer 10–50
ns), ist diese Bedingung nicht erfüllt und es ergibt sich
somit ein verbleibender Interferenzkontrast in der Substratebene 14.
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Zur
Vermeidung solcher Interferenzkontraste in der Substratebene 14 ist
der AOM 72 gemäß 9 daher
mit einem Pulsverlängerungsmodul 88 kombiniert.
Das Pulsverlängerungsmodul 88 ist hier schematisch und
nur beispielhaft als Anordnung von vier Spiegeln 90, 92, 94, 96 dargestellt.
Jede andere Bauart des Pulsverlängerungsmoduls 88,
insbesondere solche, wie sie an sich bekannt sind, können
hier verwendet werden. Das Pulsverlängerungsmodul 88 weist
eingangsseitig einen Strahlteiler 98, beispielsweise einen
halbdurchlässigen Spiegel, auf, der den einfallenden Lichtstrahl 84 in
einen ersten (reflektierten) Teilstrahl 100 und einen (durchgelassenen)
zweiten Teilstrahl 102 aufteilt. Während der Teilstrahl 102 durch
das Pulsverlängerungsmodul 88 auf kurzem Weg hindurchtritt,
durchläuft der Teilstrahl 100 die durch die Spiegel 90, 92, 94, 96 gebildete Verzögerungsstrecke
und wird nach erneutem Auftreffen auf den Strahlteiler 98 aus
dem Pulsverzögerungsmodul 88 mit dem anderen Teilstrahl 102 ausgekoppelt.
Durch entsprechende Bemessung der durch die Spiegel 90, 92, 94, 96 definierten
Verzögerungsstrecke reiht sich der Lichtpuls, der die Verzögerungsstrecke
durchlaufen hat, unmittelbar an einen Lichtpuls an, der die Verzögerungsstrecke
nicht durchlaufen hat, wodurch ein Lichtpuls 104 entsteht,
der etwa doppelt so lang ist wie der Lichtpuls 86.
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In 10 ist
die Intensität I des Lichtpulses 104 gegen die
Zeit t aufgetragen. Gegenüber dem Lichtpuls 86 klingt
die Intensität des Pulses 104 langsamer ab. Außerdem
weist die Intensität des Lichtpulses 104 eine
Modulation mit einer charakteristischen Zeitskala auf, die der Umlaufdauer
des Pulses 100 im Pulsverlängerungsmodul 88 entspricht.
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Es
versteht sich, dass anstelle nur eines Pulsverlängerungsmoduls 88 eine
Mehrzahl von Pulsverlängerungsmodulen, die in Reihe geschaltet
sind, vorgesehen sein kann. In 10 ist
die Intensität eines Lichtpulses 106 dargestellt,
der aus dem ursprünglichen Lichtpuls 86 nach Durchgang
durch drei nacheinander angeordnete Pulsverlängerungsmodule
geformt worden ist. Auch hier zeigt sich in der Einhüllenden
der Intensität eine Modulation.
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Die
Kombination aus dem zumindest einen Pulsverlängerungsmodul 88 und
dem AOM 72 wird nun vorteilhafterweise dazu verwendet,
den durch Interferenzen verursachten Kontrast in der Substratebene 14 zu verringern.
Dazu wird die akustische Frequenz fs bzw.
deren ganzzahlige Vielfache n·fs auf
die verlängerten Pulse so abgestimmt, dass der durch Interferenzen
in der Bildebene verursachte Bildkontrast weniger als 10%, vorzugsweise
weniger als 5%, weiter vorzugsweise weniger als 1% beträgt.
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Um
den Effekt der Pulsverlängerung auf den Interferenzkontrast
in der Substratebene 14 zu veranschaulichen, ist in 11 ein
Diagramm gezeigt, in dem auf der Abszisse die akustische Frequenz
f, und auf der Ordinate der verbleibende Interferenzkontrast bei
Verwendung eines AOM für die drei Pulsformen 86, 104, 106 in 10 aufgetragen
ist.
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In 11 ist
mit einer Kurve 108 der Verlauf des Interferenzkontrastes
in der Substratebene 14 für die Pulsform des Pulses 86 in 10,
also für den ursprünglichen (kurzen) Lichtpuls 86 in
Abhängigkeit von der akustischen Frequenz fs,
dargestellt. Je höher die akustische Frequenz fs ist, desto kleiner wird das Verhältnis von
akustischer Periodendauer und Pulsdauer des Laserlichtes, und desto
kleiner ist der verbleibende Interferenzkontrast, da über
eine größere Zahl von Schallperioden gemittelt
werden kann. Die Kurve 110 zeigt die Abhängigkeit
des Interferenzkontrastes von der akustischen Frequenz fs für den Puls 104 (Durchgang
des Lichtstrahls durch ein Pulsverlängerungsmodul 88),
und die Kurve 112 zeigt die Abhängigkeit des Interferenzkontrastes
von der akustischen Frequenz fs für
den Puls 106 in 10, die
dem Durchgang des Lichtstrahls durch drei hintereinander angeordnete
Pulsverlängerungsmodule entspricht.
-
Wie
aus 11 hervorgeht, wird durch die Verlängerung
der Pulsdauer der Lichtpulse durch eine entsprechende Anzahl von
Pulsverlängerungsmodulen der Interferenzkontrast in der
Substratebene 14 im Wesentlichen über einen großen
Bereich akustischer Frequenzen fs reduziert.
Somit bewirkt bereits eine Verlängerung der Pulsdauern
des gepulsten Lichtstrahls eine Verringerung der Interferenzkontraste
und somit eine Verbesserung der Homogenität des Lichtstrahls
in der Substratebene 14.
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Wie 12 zeigt,
die eine Feindarstellung des Diagramms in 11 in
Bezug auf die Streckung der Ordinate ist, gibt es jedoch auch im
Fall des dreifach verlängerten Lichtpulses gemäß der
Kurve 112 Frequenzbereiche, in denen der Interferenzkontrast
immer noch deutlich höher ist als in den übrigen
akustischen Frequenzbereichen fs. Im vorliegenden
Fall befindet sich ein solcher erhöhter Interferenzkontrast
bspw. im Bereich fs ≈ 40 MHz. Die
Frequenzbereiche fs, in denen der Interferenzkontrast
noch erhöht ist, entsprechen den Umlauffrequenzen (Kehrwerten
der Umlaufdauern) in den jeweiligen Pulsverlängerungsmodulen.
Daneben treten weitere Maxima bei den Vielfachen dieser Umlauffrequenzen
auf.
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Die
Wahl der akustischen Frequenz fs muss daher
so erfolgen, dass die Frequenzbereiche mit minimalem Interferenzkontrast
getroffen werden. Die akustische Frequenz fs der
Schallwelle 76 ist am AOM 72 entsprechend einzustellen.
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Insbesondere
muss die akustische Frequenz fs so gewählt
werden, dass sie von den Umlauffrequenzen der Pulsverzögerungsmodule
sowie deren ganzzahligen Vielfachen verschieden ist, wie aus 12 hervorgeht.
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Mit
Bezug auf 14 bis 21 wird
ausgehend von der beispielhaften Kohärenzfunktion in 13 der
Einfluss der oben beschriebenen verschiedenen Maßnahmen
auf die laterale Kohärenzlänge des Lichts relativ
zum Abstand der Lichtpfade 24 bzw. 26 beschrieben.
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14 zeigt
den Verlauf der Kohärenzfunktion (mit durchgezogener Linie)
im Fall der Maßnahme, dass im Strahlengang eine Strahlteileranordnung
vorhanden ist, wie sie in 7 beispielhaft
dargestellt ist. Die Strahlaufteilung in zwei Teilstrahlen (Teilstrahlen 66, 68 in 7)
bewirkt eine Reduzierung der Kohärenzlänge bei
gleichem Strahlquerschnitt um einen Faktor 2, wie aus 14 hervorgeht.
Der 10-%-Wert des Kohärenzgrades K ist demnach bereits
bei einem Abstand L von 1,5 erreicht.
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15 zeigt
die Wirkung von doppelbrechenden Elementen auf die Kohärenzfunktion.
Es wurde hier zumindest ein doppelbrechendes keilförmiges
Element verwendet, dessen Winkel zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche
so gewählt wurde, dass der Kohärenzgrad zwischen
zwei benachbarten Lichtpfaden, die Kohärenzfunktion also
für L = 1 null ist. Wie aus 15 hervorgeht,
ergeben sich weitere Nullstellen der Kohärenzfunktion bei
L = 3, L = 5.
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16 zeigt
die Wirkung einer Kombination aus doppelbrechenden keilförmigen
Elementen, deren Wirkung auf den Abstand L = 1 angepasst sind, und
einer Strahlaufteilung in zwei Teilstrahlen (vgl. 7)
auf die Kohärenzfunktion. Beträgt der Lichtpfadabstand
benachbarter Lichtpfade L = 1, so geht aus 20 hervor, dass
Interferenzen zwischen den einzelnen Lichtpfaden nahezu vollständig
unterdrückt sind. Sogar die Kohärenz von Licht
eines Lichtpfades mit Licht eines unmittelbar benachbarten Lichtpfads
ist auf unter 10% reduziert.
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17 zeigt
die Wirkung des akusto-optischen Modulators 72 mit einer
Amplitude a der Schallwelle 76 von a = 1,20241 und einer
Schallwellenlänge Λ von Λ = 2 (in den
Einheiten der Abszisse in 17).
-
Es
ergeben sich Nullstellen der Kohärenzfunktion bei der halben
Schallwellenlänge Λ (L = 1) und ungeraden Vielfachen
davon (L = 3, 5).
-
18 zeigt
die Wirkung des akusto-optischen Modulators 72 mit einer
Amplitude der Schallwelle 76 von a = 1,38843 und einer
Schallwellenlänge Λ = 3.
-
In
diesem Fall ergeben sich Nullstellen der Kohärenzfunktion
bei Vielfachen von Λ/3, d. h. bei L = 1, L = 2, L = 4.
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19 zeigt
die Wirkung des akusto-optischen Modulators mit den gleichen Parametern
wie in 18, jedoch in Kombination mit
einer Strahlteileranordnung, die den einfallenden Lichtstrahl in
zwei Teilstrahlen gemäß 7 aufteilt.
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In
diesem Fall werden durch diese Kombination von interferenzunterdrückenden
Maßnahmen Interferenzeffekte zwischen benachbarten Lichtpfaden
der mischenden optischen Anordnung beinahe vollständig
eliminiert.
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20 zeigt
die Kohärenzfunktion für den Fall, dass der akusto-optische
Modulator 72 mit zwei verschiedenen Schallwellenlängen Λ bzw.
zwei verschiedenen Schallfrequenzen fs betrieben
wird, wobei die Schallwellenlängen Λ aus den Beispielen
der 17 und 18 verwendet
wurden.
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Diese
Wirkung entspricht einer Hintereinanderschaltung von zwei akusto-optischen
Modulatoren mit den Parametern gemäß 17 und 18.
Anstelle der Verwendung zweier oder mehrerer akusto-optischer Modulatoren,
die mit verschiedenen Frequenzen und/oder Schallamplituden betrieben
werden, kann auch ein einziger akustooptischer Modulator verwendet
werden, der mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden angeregt
wird.
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Gemäß 20 ergeben
sich Nullstellen der Kohärenzfunktion bei L = 1, 2, 3,
4, 5 und im Bereich zwischen den Nullstellen ist der Kohärenzgrad
K ebenfalls unter 10% verringert.
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21 zeigt
die Kohärenzfunktion für den Fall der Verwendung
des akusto-optischen Modulators mit den Parametern gemäß 18 in
Kombination mit doppelbrechenden Elementen, deren Wirkung auf die
Kohärenzfunktion derjenigen von 15 entspricht.
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In
diesem Fall ergibt sich eine Nullstelle bei L = 1, die vom akusto-optischen
Modulator und von den doppelbrechenden Elementen herrührt.
Für den Fall, dass die interferenzreduzierende Wirkung
des AOM 72 oder der doppelbrechenden Elemente 52 bzw. 52' jeweils
für sich nicht optimal ist, ergänzen sich diese
beiden Maßnahmen bei L = 1 somit vorteilhafterweise, um
den Kohärenzgrad auf 0 zu drücken.
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Weitere
Nullstellen der Kohärenzfunktion in 21 existieren
bei L = 2, die vom AOM herrührt, bei L = 3, die von den
doppelbrechenden Elementen herrührt und bei L = 4, die
vom AOM herrührt, usw.
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Die
Kohärenzfunktionen gemäß 14 bis 21 sind
nur beispielhaft zu verstehen. Es sind weitere Kohärenzfunktionen
als diejenige in 13 denkbar, die also nicht Gauss-förmig
sind. Je nach den Erfordernissen können die vorstehend
beschriebenen Maßnahmen zur Interferenzverringerung auch
so ausgelegt sein, dass sie entsprechend andere Wirkungen auf die
Kohärenzfunktion haben, beispielsweise können
die Nullstellen der Kohärenzfunktion im Unterschied zu
den gezeigten Beispielen der 14 bis 21 auch
nicht äquidistant verteilt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/141185
A2 [0002, 0015]
- - WO 2007/14185 A2 [0006]
- - DE 102006018504 A1 [0027, 0112]
- - US 5253110 [0029]