DE102013102553A1

DE102013102553A1 - Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102013102553A1
Application number: DE102013102553.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mitra
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: US20160011426A1; US10025108B2; EP2972562A1; CN105143962B; JP2016512614A; JP6467353B2; CN105143962A; KR20150143436A; DE102013102553B4; WO2014139835A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung (100), umfassend – ein erstes Linsenarray (1) mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche (10), durch die die Laserstrahlung (100) in das erste Linsenarray (1) eintreten kann, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche (11), durch die die Laserstrahlung (100) aus dem ersten Linsenarray (1) heraustreten kann, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen (10, 11) eine Mehrzahl von Linsenmitteln (3) umfasst, die dazu geeignet sind, die Laserstrahlung (100) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (101, 102, 103) aufzuteilen, sowie – ein zweites Linsenarray (2), das im Strahlweg hinter dem ersten Linsenarray (1) angeordnet ist, mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche (20), durch die die Teilstrahlen (101, 102, 103) in das zweite Linsenarray (1) eintreten können, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche (21), durch die die Teilstrahlen (101, 102, 103) aus dem zweiten Linsenarray (2) heraustreten können, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen (20, 21) eine Mehrzahl von Linsenmitteln (4) umfasst, die die Teilstrahlen (101, 102, 103) brechen können, wobei die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) so ausgebildet sind, dass sie die Laserstrahlung (100) derart in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (101, 102, 103) aufteilen und diese so formen können, dass die Teilstrahlen (101, 102, 103) die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) im Wesentlichen homogen ausleuchten können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, umfassend

– ein erstes Linsenarray mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche, durch die die Laserstrahlung in das erste Linsenarray eintreten kann, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche, durch die die Laserstrahlung aus dem ersten Linsenarray heraustreten kann, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen eine Mehrzahl von Linsenmitteln umfasst, die dazu geeignet sind, die Laserstrahlung in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, sowie ein zweites Linsenarray, das im Strahlweg hinter dem ersten Linsenarray angeordnet ist, mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche, durch die die Teilstrahlen in das zweite Linsenarray eintreten können, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche, durch die die Teilstrahlen aus dem zweiten Linsenarray heraustreten können, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen eine Mehrzahl von Linsenmitteln umfasst, die die Teilstrahlen brechen können.

Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint die mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist.
Vorrichtungen zur Homogenisierung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Sie dienen dem Zweck, in einer Arbeitsebene in zumindest einer Richtung eine möglichst homogene (gleichmäßige) Verteilung der Intensität der Laserstrahlung zu schaffen, wie sie für zahlreiche Anwendungszwecke, wie zum Beispiel für Anwendungen in der Materialbearbeitung, erforderlich ist.
Abbildende Vorrichtungen zur Homogenierung von Laserstrahlung sind zweistufig ausgeführt und umfassen ein erstes Linsenarray, welches eine erste Homogenisierungsstufe bildet, mit einer Mehrzahl von Linsenmitteln, insbesondere Zylinderlinsenmitteln, auf einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche und/oder einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche. Ferner umfassen derartige Vorrichtungen ein zweites Linsenarray, welches eine zweite Homogenisierungsstufe bildet und in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung hinter dem ersten Linsenarray angeordnet ist und auf einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche und/oder einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche eine Mehrzahl von Linsenmitteln, insbesondere Zylinderlinsenmitteln, aufweist. Darüber hinaus umfassen derartige Vorrichtungen zur Homogenisierung von Licht häufig eine Fourierlinse in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Linsenarray, die üblicherweise als sphärische Linse ausgebildet ist und in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Linsenarray angeordnet ist. Die Linsenmittel des ersten Linsenarrays sind dazu in der Lage, einen kollimierten Laserstrahl, der auf das erste Linsenarray trifft, in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufzuteilen. Das zweite Linsenarray ist in Kombination mit der Fourierlinse dazu in der Lage, die Teilstrahlen in der Arbeitsebene derart zu überlagern, dass dort zumindest in einer Richtung eine homogene (gleichmäßige) Intensitätsverteilung erhalten werden kann. Die Funktion der Fourierlinse kann in geeigneter Weise auch in das zweite Linsenarray integriert sein, so dass in einer Arbeitsebene eine homogene Intensitätsverteilung erhalten werden kann. Die Querschnittsprofile der Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays sind quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen sphärisch ausgebildet und können somit mathematisch sehr einfach durch einen einzigen Radius (Krümmungsradius) beschrieben werden. Ferner sind die Querschnittsprofile der Zylinderlinsenmittel des zweiten Linsenarrays quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen ebenfalls sphärisch ausgebildet.
Ein Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Homogenierung von Laserstrahlung besteht darin, dass die Energiedichte (oder Intensität) der Teilstrahlen auf den einzelnen Linsenmitteln des zweiten Linsenarrays so hoch sein kann, dass die Zerstörschwelle einer dort optional aufgebrachten Antireflexionsbeschichtung überschritten wird, so dass es zu Beschädigungen dieser Antireflexionsbeschichtung kommen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf einfache Weise die Energiedichte der auf die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays treffenden Teilstrahlen verringern kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung zeichnet sich dadurch aus, dass die Linsenmittel des ersten Linsenarrays so ausgebildet sind, dass sie die Laserstrahlung derart in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufteilen und diese so formen können, dass die Teilstrahlen die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays im Wesentlichen homogen ausleuchten können. Dieser Lösungsansatz nutzt aus, dass das erste Linsenarray der zweistufigen (und damit abbildenden) Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung im Wesentlichen dazu dient, die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays nicht zu überstrahlen und so einer erhöhten Intensität auszusetzen. Die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays, an denen die Teilstrahlen gebrochen werden, sind dabei vorwiegend für die Homogenität der Laserstrahlung in der Arbeitsebene entscheidend. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass die Energiedichte (oder Intensität) der Teilstrahlen auf den einzelnen Linsenmitteln des zweiten Linsenarrays derart verringert werden kann, dass die Zerstörschwelle der dort optional aufgebrachten Antireflexionsbeschichtung stets unterschritten wird, so dass Beschädigungen dieser Antireflexionsbeschichtung wirksam vermieden werden können. Ferner können Alterungseffekte, die bei der Beaufschlagung der Antireflexionsbeschichtung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten Spektralbereich auftreten können, in besonders vorteilhafter Weise verringert werden. Nach dem Hindurchtritt durch das zweite Linsenarray wird eine homogene Winkelverteilung der Teilstrahlen erhalten, die im optischen Fernfeld in einer hinreichend weit vom zweiten Linsenarray entfernten Arbeitsebene zu einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass zumindest einige der Linsenmittel des ersten Linsenarrays asphärisch oder azylindrisch ausgebildet sind. Durch diese Maßnahme können die gemäß Anspruch 1 vorgesehenen Beleuchtungsbedingungen für das zweite Linsenarray in überraschend einfacher Weise realisiert werden. Es ist besonders bevorzugt, dass alle Linsenmittel des ersten Linsenarrays asphärisch oder azylindrisch ausgebildet sind. Dadurch kann die Herstellung des ersten Linsenarrays in besonders einfacher Weise erfolgen, da sämtliche Linsenmittel des ersten Linsenarrays (vorzugsweise identische) asphärische beziehungsweise azylindrische Querschnittsprofile aufweisen. Demgegenüber weisen die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays vorzugsweise ein sphärisches Querschnittsprofil auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Linsenmittel des ersten Linsenarrays eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ = f₂ ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass die Linsenmittel des ersten Linsenarrays eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ > f₂ ist.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Linsenmittel des ersten Linsenarrays eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ < f₂ ist.
Es hat sich gezeigt, dass unterschiedliche Brennweiten f₁, f₂ des ersten und zweiten Linsenarrays in vorteilhafter Weise die homogene Ausleuchtung der Linsenmittel des zweiten Linsenarrays verbessern können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform können das erste Linsenarray und das zweite Linsenarray in einem Abstand d zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand d so gewählt ist, dass d = f₂ ist. Dies stimmt genau genommen nur dann, wenn die Linsenscheitel der Linsenmittel des ersten Linsenarrays genau zu den Linsenscheiteln der ihnen zugeordneten Linsenmittel des zweiten Linsenarrays zeigen. Anderenfalls müsste der Abstand d noch durch T/n (T: Linsendicke, n: Brechungsindex) korrigiert werden. Dieses Längenmaß muss jeweils von d = f₂ abgezogen werden, wenn eines der Linsenmittel des ersten Linsenarrays mit seinem Scheitel von dem ihm zugeordneten Linsenmittel des zweiten Linsenarrays wegzeigt.
Vorzugsweise können die Linsenmittel des ersten Linsenarrays und/oder des zweiten Linsenarrays als Mikrolinsenmittel ausgebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung ein Fourierlinsenmittel umfasst, das so ausgebildet ist und im Strahlweg derart hinter dem zweiten Linsenarray angeordnet ist, dass es die von den Linsenmitteln des zweiten Linsenarrays gebrochenen Teilstrahlen in einer Arbeitsebene überlagern kann. Dadurch kann in einer Arbeitsebene im optischen Nahfeld in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Linsenarray eine homogene Intensitätsverteilung erhalten werden.
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das zweite Linsenarray so ausgebildet ist, dass es die von seinen Linsenmitteln gebrochenen Teilstrahlen in einer Arbeitsebene überlagern kann. Bei dieser Variante ist die Fourierlinsenfunktion in vorteilhafter Weise in das zweite Linsenarray integriert.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass

– die Linsenmittel des ersten Linsenarrays als Zylinderlinsenmittel ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander in einer ersten Richtung erstrecken und die dazu geeignet sind, die Laserstrahlung in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, und/oder
– die Linsenmittel des zweiten Linsenarrays als Zylinderlinsenmittel ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander in der ersten Richtung erstrecken und die Teilstrahlen brechen können. Dadurch kann in der Arbeitsebene eine besonders hohe Strahlqualität erhalten werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zumindest einige der Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays, vorzugsweise alle Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays, quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen betrachtet ein asphärisches Querschnittsprofil aufweisen.
Es besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays (vorzugsweise aller Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays) symmetrisch zu einer sich orthogonal zu der Zylinderachse des jeweiligen Zylinderlinsenmittels erstreckenden Symmetrieebene sind. Es kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel des ersten Linsenarrays asymmetrisch ausgebildet sind.
Mit Hilfe der hier vorgestellten Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung, bei der die Querschnittsprofile der Linsenmittel des ersten Linsenarrays asphärisch oder azylindrisch ausgeführt sind, kann eine Reduktion der auf das zweite Linsenarray einwirkenden Maximalintensität auf etwa 50% der ursprünglichen Maximalintensität erreicht werden. Dadurch können insbesondere Beschädigungen der Antireflexionsbeschichtung wirksam verhindert werden. Ferner können Alterungseffekte, die bei der Beaufschlagung der Antireflexionsbeschichtung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten Spektralbereich auftreten können, wirksam minimiert werden.
Die Verwendung der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung kann sich unter Umständen auf die Homogenität und/oder die Flankensteilheit der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene auswirken. Je nach Anwendung kann dies durchaus tolerierbar sein. Gegebenenfalls kann eine Korrektur durch eine geeignete Anpassung des zweiten Linsenarrays vorgenommen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematisch stark vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung zur Homogenisierung von Licht, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
2 eine schematische Darstellung eines asphärischen Querschnittsprofils eines Zylinderlinsenmittels eines ersten Linsenarrays der Vorrichtung gemäß 1.
Unter Bezugnahme auf 1 soll nachfolgend eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung 100 näher erläutert werden, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Zur Vereinfachung der weiteren Erläuterungen wurde in 1 ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, welches die y-Richtung und die dazu orthogonale z-Richtung definiert, welche vorliegend die Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung 100 ist. Die x-Richtung des kartesischen Koordinatensystems erstreckt sich folgerichtig in die Zeichenebene hinein.
Die Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung 100 ist zweistufig ausgeführt und weist ein erstes Linsenarray 1 mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche 10, die vorliegend plan ausgeführt ist, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 11 auf, die eine Mehrzahl in y-Richtung nebeneinander angeordneter Zylinderlinsenmittel 3 aufweist, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander in x-Richtung (und damit in die Zeichenebene) erstrecken. Das erste Linsenarray 1 ist somit plankonvex ausgebildet. Die erste optisch funktionale Grenzfläche 10 des ersten Linsenarrays 1 kann eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen, um während des Gebrauchs Reflexionsverluste zu vermeiden und die Transmission der Laserstrahlung 100 durch das erste Linsenarray 1 zu verbessern. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die zweite optisch funktionale Grenzfläche 11 des ersten Linsenarrays 1 eine Antireflexionsbeschichtung aufweist.
In Strahlausbreitungsrichtung (z-Richtung) ist hinter dem ersten Linsenarray 1 ein zweites Linsenarray 2 angeordnet, das eine erste optisch funktionale Grenzfläche 20, die vorliegend ebenfalls plan ausgeführt ist und eine Lichteintrittsfläche bildet, und eine zweite optisch funktionale Grenzfläche 21, die eine Lichtaustrittsfläche bildet und eine Mehrzahl in y-Richtung nebeneinander angeordneter Zylinderlinsenmittel 4 umfasst, aufweist. Die Zylinderachsen der Zylinderlinsenmittel 4 erstrecken sich wiederum parallel zueinander in x-Richtung und damit in die Zeichenebene hinein. Das zweite Linsenarray 21 ist somit ebenfalls plankonvex ausgebildet. Die erste optisch funktionale Grenzfläche 20 des zweiten Linsenarrays 2 kann vorzugsweise eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen, um Reflexionsverluste zu verringern und dadurch die Transmission der Laserstrahlung 100 durch das zweite Linsenarray 2 zu verbessern. Es ist auch möglich, dass die zweite optisch funktionale Grenzfläche 21 des ersten Linsenarrays 2 eine Antireflexionsbeschichtung aufweist.
Die Zylinderlinsenmittel 3, 4 des ersten Linsenarrays 1 und des zweiten Linsenarrays 2 sind vorliegend als Mikrozylinderlinsenmittel auf einem Substrat ausgebildet. Die beiden Linsenarrays 1, 2 sind also mit anderen Worten monolithisch ausgebildet.
Die Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung 100 umfasst ferner ein sphärisch ausgebildetes Fourierlinsenmittel 5, das im Strahlweg hinter dem zweiten Linsenarray 2 angeordnet ist.
Die Laserstrahlung 100, die von einer hier nicht explizit dargestellten Laserlichtquelle emittiert wird und mit Hilfe mindestens eines Kollimatormittels kollimiert wird, trifft zunächst auf das erste Linsenarray 1. Die kollimierte Laserstrahlung 100, die zum Beispiel ein Intensitätsprofil in Form eines Gauß-Profils aufweisen kann, tritt an der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 10 in das erste Linsenarray 1 ein und wird nach der Transmission an der Lichtaustrittsfläche 11 von den Zylinderlinsenmitteln 2 in eine der Anzahl der Zylinderlinsenmittel 2 entsprechende Anzahl von Teilstrahlen 101, 102, 103 aufgespalten. Um vorliegend die Darstellung nicht zu verkomplizieren und übersichtlicher zu gestalten, sind in 1 in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem ersten Linsenarray 1 ganz bewusst lediglich drei Teilstrahlen 101, 102, 103 eingezeichnet.
Im weiteren Strahlweg treten die Teilstrahlen 101, 102, 103 durch die erste optisch funktionale Grenzfläche 20 in das zweite Linsenarray 2 ein, durchqueren dieses und werden an der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 21 von den dort ausgebildeten Zylinderlinsenmitteln 4 ein weiteres Mal gebrochen. Das im Strahlweg hinter dem zweiten Linsenarray 2 angeordnete Fourierlinsenmittel 5 ist dazu in der Lage, die Teilstrahlen 101, 102, 103 in der Arbeitsebene 6, die die Brennebene des Fourierlinsenmittels 5 ist, derart zu überlagern, dass dort zumindest in einer Richtung eine homogene (gleichmäßige) Intensitätsverteilung erhalten werden kann.
Die Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 sind so ausgebildet, dass sie die Laserstrahlung derart in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 101, 102, 103 aufteilen und diese so formen können, dass die Teilstrahlen 101, 102, 103 die Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 im Wesentlichen homogen ausleuchten können. Dadurch wird erreicht, dass die Energiedichte (oder Intensität) der Teilstrahlen 101, 102, 103 auf den einzelnen Zylinderlinsenmitteln 4 des zweiten Linsenarrays 2 derart verringert werden kann, dass die Zerstörschwelle der dort optional aufgebrachten Antireflexionsbeschichtung stets unterschritten werden kann, so dass Beschädigungen der Antireflexionsbeschichtung wirksam vermieden werden können. Um diese Beleuchtungsbedingungen für das zweite Linsenarray 2 in besonders einfacher Weise realisieren zu können, weisen die Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen betrachtet ein asphärisches Querschnittsprofil auf. Ein Querschnittsprofil eines in dieser Weise ausgebildeten Zylinderlinsenmittels 3 ist in 2 exemplarisch dargestellt. Die asphärische Form des Querschnittsprofils ist deutlich zu erkennen. Demgegenüber weisen die Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen betrachtet ein sphärisches Querschnittsprofil auf.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 symmetrisch zu einer sich orthogonal zu der Zylinderachse des jeweiligen Zylinderlinsenmittels 3 erstreckenden Symmetrieebene 7 sind. Diese Situation ist in 2 dargestellt. Vorzugsweise sind die Querschnittsprofile aller Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 symmetrisch zu einer Symmetrieebene 7. Es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 asymmetrisch ausgebildet sind.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 eine Brennweite f₁ und die Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 eine Brennweite f₂ auf, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ > f₂ ist. In einer alternativen Ausführungsform können die Brennweiten f₁, f₂ der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 und der Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 auch so gewählt sein, dass f₁ = f₂ ist. In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es ebenfalls möglich, dass die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ < f₂ ist. Es hat sich gezeigt, dass unterschiedliche Brennweiten f₁, f₂ in vorteilhafter Weise die Ausleuchtung der Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Arrays 2 verbessern können. Das erste Linsenarray 1 und das zweite Linsenarray 2 können vorzugsweise in einem Abstand d zueinander angeordnet sein, der so gewählt ist, dass d = f₂ ist. Dies stimmt genau genommen nur dann, wenn die Linsenscheitel der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 genau zu den Linsenscheiteln der ihnen zugeordneten Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 zeigen. Anderenfalls müsste der Abstand d noch durch T/n (T: Linsendicke, n: Brechungsindex) korrigiert werden. Dieses Längenmaß muss jeweils von d = f₂ abgezogen werden, wenn eines der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 mit seinem Scheitel von dem ihm zugeordneten Zylinderlinsenmittel 4 des zweiten Linsenarrays 2 wegzeigt.
Mit Hilfe der hier vorgestellten Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung 100, bei der die Querschnittsprofile der Zylinderlinsenmittel 3 des ersten Linsenarrays 1 asphärisch ausgeführt sind, kann eine Reduktion der auf das zweite Linsenarray 2 einwirkenden Maximalintensität auf etwa 50% der ursprünglichen Maximalintensität erreicht werden.
In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen nur die zweiten optisch funktionalen Grenzflächen 11, 21 des ersten und zweiten Linsenarrays 1, 2 eine Mehrzahl von Zylinderlinsenmitteln 3, 4 auf. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche 10 des ersten Linsenarrays 1 eine Anzahl nebeneinander angeordneter Zylinderlinsenmittel aufweist, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der Zylinderlinsenmittel 3 auf der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 11 erstrecken. Vorzugsweise weisen die Zylinderlinsenmittel auf der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 10 des ersten Linsenarrays 1 ebenfalls ein asphärisches Querschnittsprofil auf. Ferner besteht auch die Möglichkeit, dass die erste optisch funktionale Grenzfläche 20 des zweiten Linsenarrays 2 eine Anzahl nebeneinander angeordneter Zylinderlinsenmittel aufweist, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander und senkrecht zu den Zylinderachsen der Zylinderlinsenmittel 4 auf der zweiten optisch funktionalen Grenzfläche 21 erstrecken. Vorzugsweise weisen die Zylinderlinsenmittel auf der ersten optisch funktionalen Grenzfläche 20 des zweiten Linsenarrays 2 ebenfalls ein sphärisches Querschnittsprofil auf.
Gemäß einer alternativen, hier nicht explizit gezeigten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass das zweite Linsenarray 2 so ausgebildet ist, dass es die von seinen Linsenmitteln 4 gebrochenen Teilstrahlen 101, 102, 103 in einer Arbeitsebene 6 überlagern kann. Das Fourierlinsenmittel 5 in Strahlausbreitungsrichtung hinter dem zweiten Linsenarray 2 kann bei dieser Variante entfallen, da die oben erläuterte Funktion des Fourierlinsenmittels 5 in das zweite Linsenarray 2 integriert ist.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung 100 gänzlich ohne Fourierlinsenmittel 5 auszuführen und die Fourierlinsenfunktion auch nicht in das zweite Linsenarray 2 zu integrieren. Nach dem Hindurchtritt der Laserstrahlung 100 durch das zweite Linsenarray 2 wird eine homogene Winkelverteilung der Teilstrahlen 101, 102, 103 erreicht, die im Fernfeld in einer hinreichend weit vom zweiten Linsenarray 2 entfernten Arbeitsebene ebenfalls zu einer im Wesentlichen homogenen Intensitätsverteilung führt.

Claims

Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung (100), umfassend – ein erstes Linsenarray (1) mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche (10), durch die die Laserstrahlung (100) in das erste Linsenarray (1) eintreten kann, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche (11), durch die die Laserstrahlung (100) aus dem ersten Linsenarray (1) heraustreten kann, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen (10, 11) eine Mehrzahl von Linsenmitteln (3) umfasst, die dazu geeignet sind, die Laserstrahlung (100) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (101, 102, 103) aufzuteilen, sowie – ein zweites Linsenarray (2), das im Strahlweg hinter dem ersten Linsenarray (1) angeordnet ist, mit einer ersten optisch funktionalen Grenzfläche (20), durch die die Teilstrahlen (101 102, 103) in das zweite Linsenarray (2) eintreten können, und mit einer zweiten optisch funktionalen Grenzfläche (21), durch die die Teilstrahlen (101, 102, 103) aus dem zweiten Linsenarray (2) heraustreten können, wobei zumindest eine der beiden optisch funktionalen Grenzflächen (20, 21) eine Mehrzahl von Linsenmitteln (4) umfasst, die die Teilstrahlen (101, 102, 103) brechen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) so ausgebildet sind, dass sie die Laserstrahlung (100) derart in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (101, 102, 103) aufteilen und diese so formen können, dass die Teilstrahlen (101, 102, 103) die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) im Wesentlichen homogen ausleuchten können.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) asphärisch oder azylindrisch ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) asphärisch oder azylindrisch ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ = f₂ ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ > f₂ ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) eine Brennweite f₁ und die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) eine Brennweite f₂ aufweisen, wobei die Brennweiten f₁, f₂ so gewählt sind, dass f₁ < f₂ ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Linsenarray (1) und das zweite Linsenarray (2) in einem Abstand d zueinander angeordnet sind, wobei der Abstand d so gewählt ist, dass d = f₂ ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenmittel (3, 4) des ersten Linsenarrays (1) und/oder des zweiten Linsenarrays (2) als Mikrolinsenmittel ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Fourierlinsenmittel (5) umfasst, das so ausgebildet ist und im Strahlweg derart hinter dem zweiten Linsenarray (2) angeordnet ist, dass es die von den Linsenmitteln (4) des zweiten Linsenarrays (2) gebrochenen Teilstrahlen (101, 102, 103) in einer Arbeitsebene (6) überlagern kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsenarray (2) so ausgebildet ist, dass es die von seinen Linsenmitteln (4) gebrochenen Teilstrahlen (101, 102, 103) in einer Arbeitsebene (6) überlagern kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Linsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) als Zylinderlinsenmittel (3) ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander in einer ersten Richtung erstrecken und die dazu geeignet sind, die Laserstrahlung (100) in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (101, 102, 103) aufzuteilen, und/oder – die Linsenmittel (4) des zweiten Linsenarrays (2) als Zylinderlinsenmittel (4) ausgebildet sind, deren Zylinderachsen sich parallel zueinander in der ersten Richtung erstrecken und die Teilstrahlen (101, 102, 103) brechen können.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Zylinderlinsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1), vorzugsweise alle Zylinderlinsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1), quer zu ihren jeweiligen Zylinderachsen betrachtet ein asphärisches Querschnittsprofil aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) symmetrisch zu einer sich orthogonal zu der Zylinderachse des jeweiligen Zylinderlinsenmittels (3) erstreckenden Symmetrieebene (7) sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsprofile zumindest einiger der Zylinderlinsenmittel (3) des ersten Linsenarrays (1) asymmetrisch ausgebildet sind.