DE102016015785A1 - Variable astigmatic beam adaptation device and frequency conversion unit - Google Patents

Variable astigmatic beam adaptation device and frequency conversion unit Download PDF

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Abstract

Eine Strahladaptionsvorrichtung (21) zum kontinuierlich variablen Anpassen einer sich entlang einer Strahlachse (25) der Strahladaptionsvorrichtung (21) ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung hinsichtlich Strahlparametern wie lateraler Ausdehnung und Divergenz umfasst ein optisches Eingangselement (39) mit einer ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) zur Aufnahme der elektromagnetischen Strahlung, die mindestens eine bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbare erste Linse (L1) bereitstellt, wobei die erste Linse (L1) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann, und einer Divergenzanpassungslinseneinheit (31) mit einer zweiten Linse (L2) zur Einstellung der Divergenz, wobei der Abstand (d12) zwischen der zweiten Linse (L2) und der ersten Linse (L1) der ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist. Die Strahladaptionsvorrichtung (21) weist ferner ein optisches Ausgangselement mit einer zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29) mit mindestens einer bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbaren dritten Linse (L3) auf, wobei die dritte Linse (L3) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann und der Abstand (d23) zwischen der zweiten Linse (L2) der Divergenzanpassungslinseneinheit (31) und der dritten Linse (L3) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist.A beam adaptation device (21) for continuously variable adaptation of an electromagnetic radiation propagating along a beam axis (25) of the beam adaptation device (21) with respect to beam parameters such as lateral expansion and divergence comprises an input optical element (39) with a first astigmatism lens unit (27) for recording electromagnetic radiation providing at least one first lens (L1) tiltable with respect to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, the first lens (L1) being tiltable in an arbitrary direction by an adjustable angle, and a divergence adjusting lens unit (31 ) with a second lens (L2) for adjusting the divergence, wherein the distance (d12) between the second lens (L2) and the first lens (L1) of the first astigmatism lens unit (27) along the beam axis (25) is adjustable. The beam-adapting device (21) further comprises an output optical element having a second astigmatic lens unit (29) with at least one third lens (L3) tiltable relative to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, the third lens (L3) being in any one of Direction can be tilted by an adjustable angle and the distance (d23) between the second lens (L2) of the Divergenzanpassungslinseneinheit (31) and the third lens (L3) along the beam axis (25) is adjustable.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strahladapter, insbesondere zum kontinuierlich variablen Anpassen eines Laserstrahls hinsichtlich Strahlparametern wie lateraler Ausdehnung und Divergenz, speziell zur Beeinflussung von Astigmatismus und nicht rotationssymmetrischen Strahlquerschnitten. Ferner betrifft die Erfindung eine Frequenzkonversionseinheit und ein Verfahren zur Frequenzkonversion.The present invention relates to a beam adapter, in particular for the continuously variable adaptation of a laser beam with respect to beam parameters such as lateral extent and divergence, especially for influencing astigmatism and non-rotationally symmetrical beam cross sections. Furthermore, the invention relates to a frequency conversion unit and a method for frequency conversion.

In komplexen optischen Systemen können Laserstrahlen unterschiedliche Eingangsparameter aufweisen, die an enge Ausgangsspezifikationen anzupassen sind. Spezifische Eingangsparameter eines in ein optisches System einzukoppelnden Laserstrahls ergeben sich beispielsweise aus den Charakteristika der individuellen Strahlquellen bzw. der Strahlquellen in Kombination mit Strahlführungen oder weiteren im Strahl platzierten Optiken. Diese unterscheiden sich beispielsweise von Lasertyp zu Lasertyp, von Baureihe zu Baureihe, von Anlage (Installation) zu Anlage. Sie können sich aber, da komplexe optische System (wie Strahlquellen oder Strahlführungen) beispielsweise selten toleranzfrei identisch aufgebaut oder betrieben werden können, auch zwischen einzelnen als gleichartig geplanten Einheiten einer Baureihe, also z.B. aus nicht gänzlich identischen oder nicht perfekten Strahlquellen- bzw. Strahlführungsindividuen ergeben. Spezifische Ausgangsparameter können sich aufgrund spezieller optischer Anforderungen und zu bewirkendem optischen Prozess des den Laserstrahl aufnehmenden optischen Systems ergeben. Analog zu den Eingangsparametern können die erforderlichen Ausgangsparameter unterschiedlich sein und individuell variieren. Allerdings sind diese durch die Anwendung bzw. Folgeoptik häufig sehr eng toleriert, um exakt wiederholbare präzise Laseranwendungen /-prozesse zu ermöglichen.In complex optical systems, laser beams may have different input parameters that must be matched to tight output specifications. Specific input parameters of a laser beam to be coupled into an optical system result, for example, from the characteristics of the individual beam sources or the beam sources in combination with beam guides or further optics placed in the beam. These differ, for example, from laser type to laser type, from series to series, from system (installation) to system. However, since complex optical systems (such as beam sources or beam guides) can rarely be constructed or operated in an identical manner without tolerances, they can also be arranged between individual units of a series planned in the same way, e.g. result from not completely identical or not perfect Strahlquellen- or Strahlführungsindividuen. Specific output parameters may result due to special optical requirements and the optical process of the laser beam receiving optical system. Analogous to the input parameters, the required output parameters can be different and vary individually. However, these are often tightly tolerated by the application or follow-on optics to allow for precisely repeatable, accurate laser applications / processes.

Hierin wird von lateraler Strahlabmessung und Divergenz eines Strahls gesprochen. Es sind dabei im Wesentlichen die 2. Momente der Feld- bzw. Intensitätsverteilungen gemeint, wie sie in den Normen ISO 13694 , ISO 11145 und ISO 11146 definiert sind. Es können jedoch auch andere geeignete Definitionen verwendet werden.Herein is spoken of lateral beam dimension and divergence of a beam. It essentially means the second moments of the field or intensity distributions, as they are in the Standards ISO 13694 . ISO 11145 and ISO 11146 are defined. However, other suitable definitions may be used.

Häufig sind zwischen Strahlquelle, Strahlführung und Anwendungssystem insbesondere die laterale Ausdehnung eines Laserstrahls und seine Divergenz in mehreren Achsen unterschiedlich anzupassen. Für viele einen derartigen Strahl aufnehmende Systeme wird ein besonders rotationssymmetrischer Strahl benötigt, den die Strahlquellen oder die dem aufnehmenden System vorangehenden optischen Systeme mit der benötigten Genauigkeit nicht bereitstellen können. In einigen aufnehmenden Systemen ist jedoch auch eine genau definierte nicht rotationssymmetrische, z.B. elliptische und/oder astigmatische, Form des Laserstrahls Ziel der Anpassung. Allgemein zeigt US 2009/0257118 A1 eine Teleskopanordnung zur Strahlformung, die aufgrund der z.B. im Voraus gewählten Spiegel keine Variabilität hinsichtlich der Strahlanpassung aufweist.Frequently, in particular the lateral extent of a laser beam and its divergence in several axes must be adapted differently between the beam source, the beam guide and the application system. For many such beam-receiving systems, a particularly rotationally symmetric beam is needed which the beam sources or the optical systems preceding the receiving system can not provide with the required accuracy. In some receiving systems, however, a well-defined non-rotationally symmetrical, eg elliptical and / or astigmatic, shape of the laser beam is the target of the adaptation. General shows US 2009/0257118 A1 a telescopic arrangement for beam shaping, which has no variability in the beam adjustment due to the example, in the pre-selected mirror.

Bei der Erzeugung von z.B. ultravioletter (UV) Laserstrahlung durch nichtlineare Frequenzkonversion kann es in einer Frequenzkonversionseinheit zu unerwünschten Aberrationen in der Amplitude und Phase der UV-Laserstrahlung kommen. Derartige Aberrationen werden z.B. durch nachgeschaltete und zur Korrektur ausgelegte optische Systeme kompensiert, siehe z.B. US 2012/0120481 A1 und US 2004/0228372 A1 . Allerdings können Optikkomponenten derartiger optischer Korrektursysteme durch die UV-Laserstrahlung eine allmähliche, der Funktion des Gesamtsystems abträgliche Beeinflussung (z.B. eine lokale Zerstörung) der Oberfläche, insbesondere einer Oberflächenbeschichtung, erfahren.In the generation of, for example, ultraviolet (UV) laser radiation by nonlinear frequency conversion, unwanted aberrations in the amplitude and phase of the UV laser radiation may occur in a frequency conversion unit. Such aberrations are compensated, for example, by downstream optical systems designed for correction, see eg US 2012/0120481 A1 and US 2004/0228372 A1 , However, optical components of such optical correction systems can experience a gradual influence on the surface of the surface, in particular a surface coating, as a result of the UV laser radiation.

Ferner offenbart DE 10 2010 003591 A1 eine Anordnung zur Frequenzkonversion, bei der zur Kompensation einer Differenz der Ausbreitungsrichtungen in einem nichtlinearen Kristall ein Strahlversatz zweier Eingangsstrahlen durch einen relativ kleinen, zur Strahlachse versetzten und/oder verkippten Linsendurchtritt bewirkt wird. Da nur ein geringer Strahlversatz benötigt wird, wird dabei eine zu starke Elliptizität der einfallenden Laserstrahlen vermieden. US 8,422,119 B1 offenbart ferner eine Kombination aus einem nichtlinearen Kristall zur Frequenzkonversion und einer Zylinderlinse, die vor dem nichtlinearen Kristall zur Erzeugung einer speziellen Strahlform im nichtlinearen Kristall angeordnet ist.Further disclosed DE 10 2010 003591 A1 a frequency conversion arrangement in which, to compensate for a difference in the directions of propagation in a non-linear crystal, a beam offset of two input beams is effected by a relatively small lens passage offset and / or tilted to the beam axis. Since only a small beam offset is required, thereby an excessive ellipticity of the incident laser beams is avoided. US 8,422,119 B1 further discloses a combination of a frequency conversion nonlinear crystal and a cylindrical lens disposed in front of the nonlinear crystal for generating a special beam shape in the nonlinear crystal.

Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, einen variablen astigmatischen Strahladapter bereitzustellen. Einem weiteren Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ausgangsstrahl einer Frequenzkonversionseinheit, insbesondere eines UV-Ausgangsstrahls, mit einer rotationssymmetrischen Ausdehnung und/oder Divergenz bereitzustellen.It is an object of this disclosure to provide a variable astigmatic beam adapter. A further aspect of this disclosure is based on the object of providing the output beam of a frequency conversion unit, in particular of a UV output beam, with a rotationally symmetrical expansion and / or divergence.

Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Strahladaptionsvorrichtung nach Anspruch 1, einer Frequenzkonversionseinheit nach Anspruch 10, ein optisches System nach Anspruch 13 und durch ein Verfahren zur Frequenzkonversion nach Anspruch 15. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a beam-adapting device according to claim 1, a frequency conversion unit according to claim 10, an optical system according to claim 13 and a frequency conversion method according to claim 15. Further developments are given in the sub-claims.

In einem Aspekt umfasst eine Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Astigmatismus-Einstellung und/oder Einstellung der lateralen Ausdehnung einer sich entlang einer Strahlachse der Strahladaptionsvorrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung eine erste Astigmatismus-Linseneinheit zur Aufnahme der elektromagnetischen Strahlung, die mindestens eine bezüglich der Strahlachse zur Astigmatismus-Einstellung verkippbare erste Linse bereitstellt, eine Divergenzanpassungslinseneinheit mit einer zweiten Linse zur Einstellung der Divergenz, wobei der Abstand zwischen der zweiten Linse und der ersten Linse der ersten Astigmatismus-Linseneinheit entlang der Strahlachse einstellbar ist, und eine zweite Astigmatismus-Linseneinheit mit mindestens einer bezüglich der Strahlachse zur Astigmatismus-Einstellung verkippbaren dritten Linse. Dabei ist, insbesondere zur Einstellung der Größe der elektromagnetischen Strahlung auf der dritten Linse, der Abstand zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit entlang der Strahlachse einstellbar.In one aspect, a beam-adapting device for variable astigmatism adjustment and / or adjustment of the lateral extent of a along a beam axis of the Beam radiation device propagating electromagnetic radiation, a first astigmatic lens unit for receiving the electromagnetic radiation, which provides at least one with respect to the beam axis for astigmatism tiltable first lens, a Divergenzadpassungslinseneinheit with a second lens for adjusting the divergence, wherein the distance between the second lens and the first lens of the first astigmatism lens unit is adjustable along the beam axis, and a second astigmatism lens unit having at least one with respect to the beam axis for astigmatism setting tiltable third lens. In this case, in particular for adjusting the size of the electromagnetic radiation on the third lens, the distance between the second lens and the third lens of the second astigmatism lens unit is adjustable along the beam axis.

In einem weiteren Aspekt weist eine Frequenzkonversionseinheit eine Strahlvorkompensationsvorrichtung mit einer wie zuvor beschriebenen Strahladaptionsvorrichtung zum Formen der von einer Strahlquelle bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung in einen Ausgangsstrahl mit vorbestimmten Strahlparametern und eine Einrichtung zur Frequenzkonversion mit einem Frequenzkonversionskristall zur Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahls mit dem Ausgangsstrahl auf. Die Einrichtung zur Frequenzkonversion ist dazu ausgebildet, den frequenzkonvertierten Strahl mit einer bezüglich des Ausgangsstrahls asymmetrischen Strahlverformung hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz zu erzeugen.In a further aspect, a frequency conversion unit comprises a beam precompensation device with a beam adaptation device as described above for shaping the electromagnetic radiation provided by a beam source into an output beam having predetermined beam parameters and a frequency conversion device with a frequency conversion crystal for generating a frequency-converted beam with the output beam. The frequency conversion device is designed to generate the frequency-converted beam with respect to the output beam asymmetric beam deformation in terms of beam shape and / or divergence.

In einem weiteren Aspekt weist ein optisches System eine Mehrzahl von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System beeinflussenden optischen Komponenten und eine wie zuvor beschriebene Strahladaptionsvorrichtung zur Kompensation von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System auf. Dabei wird die Kompensation insbesondere nach einem Einstellen und/oder Austauschen einer der optischen Komponenten und/oder zur Einstellung von bestimmten Parametern eines mit dem optischen System erzeugten Strahls vorgenommen.In another aspect, an optical system has a plurality of beamforming and / or divergence optical components influencing the optical system and a beam-adapting device as described above for compensating for beamforming and / or divergence in the optical system. The compensation is carried out in particular after setting and / or replacing one of the optical components and / or for setting specific parameters of a beam generated by the optical system.

In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zur Frequenzkonversion die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung, Anpassen der elektromagnetischen Strahlung mit einer wie zuvor beschriebenen Strahladaptionsvorrichtung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz zur Formung eines Ausgangsstrahls für eine Frequenzkonversion in einem Frequenzkonversionskristall und Erzeugen eines frequenzkonvertierten Strahls im Frequenzkonversionskristall. Die Anpassung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz des Ausgangsstrahls erfolgt derart, dass gewünschte Strahlparameter des frequenzkonvertierten Strahls vorliegen.In a further aspect, a frequency conversion method comprises the steps of providing electromagnetic radiation propagating along a propagation direction, adjusting the beam radiation and divergence of the electromagnetic radiation with a beam adaptation device as described above to form an output beam for frequency conversion in a frequency conversion crystal and generating a frequency-converted beam in the frequency conversion crystal. The adjustment in terms of beam size and divergence of the output beam is such that desired beam parameters of the frequency-converted beam are present.

In einigen Ausführungsformen sind die erste Astigmatismus-Linseneinheit, die Divergenzanpassungslinseneinheit und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit derart ausgebildet, dass sich durch die Verkippbarkeit der ersten Linse und/oder der dritten Linse und die Verschiebbarkeit der Divergenzanpassungslinseneinheit durch Verkippen und Verschieben der entsprechenden Linsen die Größe der elektromagnetischen Strahlung an der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung in jeweils zwei unabhängigen Richtungen strahlabwärts der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit einstellen lassen. Z.B. lassen sich die Richtungen (Hauptachsen) der Strahlausdehnung (an einer Referenzebene) unabhängig von den Richtungen (Hauptachsen) der Divergenz einstellen. Allgemein stehen die beiden Hauptachsen der Strahlausdehnung immer senkrecht aufeinander, genauso wie die beiden Hauptachsen der Divergenz.In some embodiments, the first astigmatism lens unit, the divergence adjusting lens unit, and / or the second astigmatism lens unit are configured such that the tiltability of the first lens and / or the third lens and the displaceability of the divergence adjusting lens unit by tilting and displacing the respective lenses Adjust the size of the electromagnetic radiation on the second astigmatism lens unit and the divergence of the electromagnetic radiation in each of two independent directions downstream of the second astigmatism lens unit. For example, The directions (principal axes) of the beam extension (at a reference plane) can be adjusted independently of the directions (principal axes) of the divergence. In general, the two major axes of beam expansion are always perpendicular to each other, as are the two major axes of divergence.

In einigen Ausführungsformen sind die erste Astigmatismus-Linseneinheit, die Divergenzanpassungslinseneinheit und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit derart ausgebildet, dass die Verkipp- und Verschiebbarkeit der ersten Linse und/oder der dritten Linse und die Verschiebbarkeit der Divergenzanpassungslinseneinheit es ermöglichen, die Größe und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung strahlabwärts des Strahladapters in voneinander unabhängigen Richtungen nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse frei einzustellen, d.h. die Hauptachsen der Strahlausdehnung (an einer Referenzebene) und die Hauptachsen der Divergenz können in ihrer Ausrichtung und Größe voneinander unabhängig gewählt werden.In some embodiments, the first astigmatism lens unit, the divergence adjusting lens unit, and / or the second astigmatism lens unit are configured such that the tilt and displaceability of the first lens and / or the third lens and the displaceability of the divergence adjusting lens unit allow the size and the Divergence of the electromagnetic radiation downstream of the beam adapter in independent directions not rotationally symmetric to the optical axis freely set, ie the major axes of the beam extent (at a reference plane) and the major axes of divergence can be chosen independently in their orientation and size.

In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine entlang der Strahlachse ausgebildete Justageschiene zur Positionierung der ersten Astigmatismus-Linseneinheit, der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit und/oder der Divergenzanpassungslinseneinheit entlang der Strahlachse auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Strahladaptionsvorrichtung ferner mindestens eine Drehhalterung zum Halten der ersten Linse oder der dritten Linse aufweisen, wobei die mindestens eine Drehhalterung mindestens eine Einstellvorrichtung zur Einstellung mindestens eines Kippwinkels der entsprechenden Linse um mindestens eine Kippachse aufweist. Insbesondere kann eine Kippachse orthogonal zur Strahlachse verlaufen.In some embodiments, the beam-adapting device further comprises an alignment track formed along the beam axis for positioning the first astigmatic lens unit, the second astigmatic lens unit, and / or the divergence-adjusting lens unit along the beam axis. Additionally or alternatively, the beam-adapting device may further comprise at least one rotary support for holding the first lens or the third lens, the at least one rotary support having at least one adjusting device for adjusting at least one tilt angle of the corresponding lens about at least one tilting axis. In particular, a tilt axis may be orthogonal to the beam axis.

In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Strahlanalyseeinheit auf, die eine erste Detektionseinheit zur Aufnahme eines Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung in einer Bildebene, und eine Analyselinse, die das Strahlprofil im Bereich der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit, insbesondere der dritten Linse als Objektebene, auf die Bildebene abbildet. Ferner kann die Strahlanalyseeinheit mindestens eine Fernfelddetektionseinheit zur Aufnahme eines Strahlprofils der elektromagnetischen Strahlung in einer Fernfeldebene nach der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit aufweisen. Die Strahlanalyseeinheit ist insbesondere zur Analyse eines Analyseanteils der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet.In some embodiments, the beam-adaptation device further comprises a beam analysis unit having a first detection unit for receiving a beam profile of the electromagnetic radiation in an image plane, and a Analytical lens that images the beam profile in the region of the second astigmatism lens unit, in particular the third lens as an object plane, on the image plane. Furthermore, the beam analysis unit can have at least one far field detection unit for recording a beam profile of the electromagnetic radiation in a far field plane after the second astigmatism lens unit. The beam analysis unit is designed in particular for analyzing an analysis portion of the electromagnetic radiation.

In einigen Ausführungsformen weist die Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Verkippung der ersten Linse und/oder der dritten Linse und/oder zur Ansteuerung mindestens eines der Abstände zwischen der Divergenzanpassungslinseneinheit und den Astigmatismus-Linseneinheiten auf. Die Ansteuerung kann insbesondere jeweils in Abhängigkeit von den mit der Strahlanalyseeinheit detektierten Strahlprofilen und insbesondere vorgegebenen Zielstrahlprofilen und/oder auf den Strahl zurückgehenden Messparametern erfolgen.In some embodiments, the beam-adapting device further comprises a control unit for controlling the tilt of the first lens and / or the third lens and / or for driving at least one of the distances between the divergence-adjusting lens unit and the astigmatism lens units. In particular, the control can be effected in each case as a function of the beam profiles detected by the beam analysis unit and in particular predetermined target beam profiles and / or measurement parameters originating from the beam.

Ein Vorteil der hierein beschriebenen Konzepte ist die Einfachheit des optischen Aufbaus, mit dem die Aufgabenstellung einer Strahlparametereinstellung gelöst werden kann. So kann die Strahladaptionsvorrichtung vorteilhafterweise mit wenigen einfach herzustellenden sphärischen Linsen aufgebaut werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der vergleichsweise großen Toleranz der Strahladaptionsvorrichtung gegen Dejustage und in der sehr flexiblen Einsetzbarkeit der Strahladaptionsvorrichtung. Da der Astigmatismus der gekippten Linsen langsam und kontinuierlich mit dem Kippwinkel zunimmt, kann ferner eine hohe Toleranz in den einzustellenden Winkeln vorliegen.An advantage of the concepts described herein is the simplicity of the optical design that can be used to solve the task of beam parameter adjustment. Thus, the beam-adapting device can advantageously be constructed with a few simple-to-produce spherical lenses. Another advantage lies in the comparatively large tolerance of the beam-adapting device against misalignment and in the very flexible applicability of the beam-adapting device. Further, since the astigmatism of the tilted lenses increases slowly and continuously with the tilt angle, there can be a high tolerance in the angles to be set.

Die hierein beschriebenen Konzepte können somit einen wichtigen Beitrag dazu liefern, um die Divergenz und den Strahldurchmesser speziell bei freistrahlgeführten Ultrakurzpuls (UKP)-Lasern enger spezifizieren zu können. Die relative Unempfindlichkeit bei der Verwendung von sphärischen Linsen gegenüber Dejustage im Vergleich zur Verwendung von Zylinderlinsen kann ferner insbesondere die Inbetriebnahme der Strahladaptionsvorrichtung durch den Benutzer z.B. auch nach einem längeren Transport vereinfachen.The concepts described herein can thus provide an important contribution to be able to specify the divergence and the beam diameter more narrowly, especially for free-jet guided ultrashort pulse (UKP) lasers. The relative insensitivity in the use of spherical lenses to misalignment as compared to the use of cylindrical lenses may further include, in particular, the start-up of the beam-adapting device by the user e.g. Simplify even after a long journey.

Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere die Strahlformung von Pump- und/oder Seed-Laserstrahlung für die Frequenzkonversion, insbesondere für die UV-Strahlungserzeugung, sowie allgemein die flexible Einstellung von Strahlparametern.The concepts described herein relate in particular to the beam shaping of pumped and / or seeded laser radiation for frequency conversion, in particular for UV radiation generation, and in general the flexible setting of beam parameters.

Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

  • 1A bis 1C eine beispielhafte schematische Darstellung eines variablen Strahlaufweiters zur Divergenzeinstellung,
  • 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Strahldurchtritts durch eine verkippte rotationssymmetrische Linse,
  • 3 eine beispielhafte Ausführungsform einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung,
  • 4 eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahlanalyseeinheit zur Analyse eines Ausgangsstrahls einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung,
  • 5 eine Skizze zur Verdeutlichung nicht-vorkompensierter Frequenzkonversionseffekte,
  • 6 eine beispielhafte Ausführungsform einer Frequenzkonversionseinheit mit einer variablen astigmatischen Strahladaptionsvorrichtung zur Vorkompensation der Strahlform,
  • 7 schematische beispielhafte horizontale und vertikale Schnittansichten einer Frequenzkonversionseinheit zur Verdeutlichung der Vorkompensation und
  • 8 eine beispielhafte Skizze eines optischen Systems mit einer Strahladaptionsvorrichtung.
Herein, concepts are disclosed that allow to at least partially improve aspects of the prior art. In particular, further features and their expediencies emerge from the following description of embodiments with reference to the figures. From the figures show:
  • 1A to 1C an exemplary schematic representation of a variable beam expander for Divergenzeinstellung,
  • 2 a schematic perspective view of a beam passage through a tilted rotationally symmetric lens,
  • 3 an exemplary embodiment of a variable astigmatic beam-adapting device,
  • 4 an exemplary embodiment of a beam analysis unit for analyzing an output beam of a variable astigmatic beam adaptation device,
  • 5 a sketch to illustrate non-precompensated frequency conversion effects,
  • 6 an exemplary embodiment of a frequency conversion unit with a variable astigmatic beam-adapting device for precompensation of the beam shape,
  • 7 schematic exemplary horizontal and vertical sectional views of a frequency conversion unit to illustrate the pre-compensation and
  • 8th an exemplary sketch of an optical system with a beam-adapting device.

Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein System für eine variable Strahlaufweitung und Strahlparameteranpassung aus mehreren entlang der Strahlachse bewegbaren Linsen (z.B. Sammellinse, Streulinse, Sammellinse) um Kippfreiheitsgrade und evtl. transversale Translationsfreiheitsgrade hinsichtlich einer oder mehrerer Linsen ergänzt werden kann. Dadurch können sowohl Größe als auch Divergenz des Strahls am Ausgang des Systems in unterschiedlichen (transversal zur Propagationsrichtung verlaufenden) Achsen frei beeinflusst werden.Aspects described herein are based, in part, upon the discovery that a variable beam expansion and beam parameter adjustment system of multiple lenses movable along the beam axis (e.g., condenser lens, diffuser lens, condenser lens) can be supplemented by tilt degrees of freedom and possibly translational translational degrees of freedom with respect to one or more lenses. As a result, both the size and the divergence of the beam at the output of the system can be freely influenced in different axes (running transversely to the propagation direction).

Wie eingangs erwähnt benötigen verschiedene Anwendungen von Lasersystemen beispielsweise in der Materialbearbeitung spezielle und teilweise eng tolerierte Strahlparameter. Diese können z.B. an einem speziellen optischen Element oder an einem zu bearbeitenden Werkstück bereitgestellt werden. Die Strahlparameter umfassen z.B. einen Fokusdurchmesser, eine Rundheit bzw. Elliptizität des Strahls im Fokus bzw. in der Nähe des Fokus sowie die axiale Lage des Fokus (in Propagationsrichtung der Laserstrahlung). Optische Elemente, die für spezielle Anwendungen entsprechende Strahlparameter erfordern können, umfassen z.B. DOEs und Frequenzkonversionskristalle. Auch der Transport des Laserlichtes zur Anwendung kann besondere Anforderungen an benötigte Eingangsstrahlparameter stellen (z.B. für Transportfasern oder Schneidoptiken von laserbasierten Werkzeugmaschinen).As mentioned above, different applications of laser systems, for example in material processing, require special and sometimes narrowly tolerated beam parameters. These can be provided, for example, on a special optical element or on a workpiece to be machined. The beam parameters include, for example, a focus diameter, a roundness or ellipticity of the beam in the focus or in the vicinity of the focus and the axial position of the focus (in the propagation direction of the laser radiation). Optical elements that may require corresponding beam parameters for specific applications include, for example, DOEs and Frequency conversion crystals. Also, the transport of the laser light for use can make special demands on required input beam parameters (eg for transport fibers or cutting optics of laser-based machine tools).

Jedoch entspricht eine Laserstahlquelle bzw. eine propagierte Laserstrahlung selten direkt genau den benötigten Anforderungen. Darüber hinaus haben Strahlquellen, auch wenn sie von gleicher Bauart sind, häufig etwas voneinander abweichende Strahlparameter. Z.B. können verwendete optische Elemente vom Ideal abweichen oder thermische oder andere physikalische Effekte den Strahl unterschiedlich deformieren. Entsprechend kann eine Nachjustage in Abhängigkeit von der eingesetzten Strahlquelle beispielsweise beim Austausch einer Strahlquelle notwendig werden. Die Diskrepanzen zwischen von der Strahlquelle bereitgestellter elektromagnetischer Strahlung und der für die Anwendung benötigten Parameter bestehen z.B. in einer Abweichung des Strahldurchmessers (an einer Referenzstelle) und der Strahldivergenz. Diese Abweichungen können rotationssymmetrisch sein. Es können aber auch in verschiedenen Achsen verschiedene Größen benötigt oder angepasst werden, d.h. es kann ein spezieller unrunder oder allgemein astigmatischer Strahl vorliegen oder benötigt werden.However, a laser steel source or a propagated laser radiation seldom corresponds exactly to the required requirements. In addition, beam sources, although of the same type, often have slightly different beam parameters. For example, For example, optical elements used may differ from the ideal or thermal or other physical effects may deform the beam differently. Accordingly, a readjustment depending on the beam source used, for example, when replacing a beam source may be necessary. The discrepancies between electromagnetic radiation provided by the beam source and the parameters required for the application are e.g. in a deviation of the beam diameter (at a reference point) and the beam divergence. These deviations can be rotationally symmetric. However, different sizes may also be required or adapted in different axes, i. There may be a special non-circular or generally astigmatic beam or may be needed.

Es wird angemerkt, dass Anforderungen von Prozessen zur Laserbearbeitung an den Laserstrahl hinsichtlich der Strahlparameter häufig so eng sind, dass an die Komponenten des Lasersystems oder der Strahlführung extreme Anforderungen gestellt werden. Beispielsweise wird Astigmatismus leicht und häufig durch Planumlenker verursacht, die herstellungs- oder halterungsbedingt doch eine kleine (aber nicht immer identische) Krümmung aufweisen. Für eine präzise Lasermaterialbearbeitung ist ein astigmatischer Strahl meist nicht tolerierbar.It is noted that requirements of processes for laser processing on the laser beam are often so narrow with regard to the beam parameters that extreme demands are placed on the components of the laser system or the beam guidance. For example, astigmatism is easily and often caused by Planumlenker, the manufacturing or support due but have a small (but not always identical) curvature. For precise laser material processing, an astigmatic beam is usually intolerable.

Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung erlaubt es, den Strahl einer Strahlquelle an die Anforderung der Anwendung oder des Transports zur Anwendung anzupassen. Dabei können Streuungen der Strahlparameter ausgeglichen werden, indem Größe und Divergenz des einfallenden Strahls in verschiedenen Achsen unterschiedlich verändert werden. Mit der hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtung ist die Veränderung in allen Freiheitsgraden kontinuierlich variabel möglich und auch kleine Abweichungen können stufenlos angepasst werden.The beam-adapting device disclosed herein allows the beam of a beam source to be adapted to the application or transport application requirements. In this case, scattering of the beam parameters can be compensated for by varying the size and divergence of the incident beam differently in different axes. With the beam-adapting device disclosed herein, the variation in all degrees of freedom is continuously variable, and even small deviations can be infinitely adjusted.

Erweitert um eine Strahlanalyseeinheit kann die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung ferner eine Charakterisierung des Ausgangsstrahls bzw. eine gezielte Anpassung des Ausgangsstrahls an erforderliche Strahlparameter ermöglichen.Extended to a beam analysis unit, the beam-adapting device disclosed herein can further enable characterization of the output beam or targeted adjustment of the output beam to required beam parameters.

Allgemein kombiniert die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung das Prinzip eines variablen Strahlaufweiters (Teleskops) aus mehreren Linsen mit dem der verkippten Linse. Durch Wahl der Linsen und deren Abstände kann die allgemeine (rotationssymmetrische) Beeinflussung der Strahlgröße und Divergenz gewählt werden. Durch Verkippung einzelner oder mehrerer Elemente um mehrere Achsen oder eine frei gewählte Achse kann ferner die Symmetrie gezielt gebrochen und die Größe des Strahls in einer Referenzebene und die Divergenz in frei wählbaren Achsen unterschiedlich beeinflusst werden. Ein allgemein einstellbarer Astigmatismus kann somit erzeugt oder ein vorliegender Astigmatismus kann entsprechend kompensiert werden.In general, the beam-adapting device disclosed herein combines the principle of a multi-lens variable beam expander (telescope) with that of the tilted lens. By selecting the lenses and their distances, the general (rotationally symmetric) influencing of the beam size and divergence can be selected. By tilting one or more elements about several axes or a freely selected axis, the symmetry can be deliberately refracted and the size of the beam in a reference plane and the divergence in freely selectable axes can be influenced differently. A generally adjustable astigmatism can thus be generated or a present astigmatism can be compensated accordingly.

Nachfolgend werden die für die Strahladaptionsvorrichtung grundlegenden Effekte der Divergenzanpassung (in Verbindung mit den 1A bis 1C) und der Astigmatismuserzeugung durch Verkippung von Linsen (in Verbindung mit 2) erläutert. Anschließend wird in Verbindung mit den 3 und 4 eine beispielhafte Implementierung und eine beispielhafte Strahlanalyseeinheit beschrieben. In Verbindung mit den 5 und 6 wird abschließend die Anwendung einer Strahladaptionsvorrichtung im Rahmen einer Frequenzkonversion und deren Integration in ein UV-Laserstrahlung erzeugendes System beschrieben.In the following, the effects of the divergence adjustment which are fundamental for the beam-adapting device (in conjunction with FIGS 1A to 1C ) and astigmatism production by tilting lenses (in conjunction with 2 ) explained. Subsequently, in conjunction with the 3 and 4 an exemplary implementation and exemplary beam analysis unit are described. In conjunction with the 5 and 6 Finally, the application of a beam-adapting device in the context of a frequency conversion and its integration into a UV laser generating system will be described.

1A zeigt einen klassischen variablen Strahlaufweiter 1 aus drei Linsen (oder Linseneinheiten): einer ersten Sammellinse L1, einer Streulinse L2 und einer zweiten Sammellinse L3. Der Strahlaufweiter 1 stellt einen beispielhaften Grundaufbau der hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtung dar. Die Funktion kann anschaulich wie folgt beschrieben werden. Die ersten beiden Linsen L1, L2 bilden in Abhängigkeit von ihren Brennweiten f1, f2 und ihrem Abstand d12 ein Element variabler Brennweite, mit welchem die Divergenz in einem Strahlabschnitt 3 hinter den beiden Linsen L1, L2 und vor der zweiten Sammellinse L3 verändert werden kann. Wie in 1A angedeutet ist, propagiert der Strahl zur im Abstand d23 von der zweiten Linse angeordneten dritten Linse L3 und ändert dabei seine Größe gemäß der eingestellten Divergenz. 1A shows a classic variable beam expander 1 of three lenses (or lens units): a first converging lens L1 , a dispersion lens L2 and a second condenser lens L3 , The beam expander 1 FIG. 12 illustrates an exemplary basic construction of the beam-adapting device disclosed herein. The function can be clearly described as follows. The first two lenses L1 . L2 form depending on their focal lengths f1 . f2 and their distance d12 a variable focal length element with which the divergence in a beam section 3 behind the two lenses L1 . L2 and in front of the second condenser lens L3 can be changed. As in 1A is hinted at propagating the beam to the distance d23 from the second lens arranged third lens L3 while changing its size according to the set divergence.

Die 1B und 1C zeigen, dass ein kleinerer Abstand d12' die Divergenz verstärkt bzw. ein größerer Abstand d12" die Divergenz reduziert (zumindest solange der Abstand d12 kleiner ist als der Abstand zwischen der Sammellinse L1 und dem durch die Sammellinse L1 erzeugten Fokus). Dadurch ändert sich auch die Größe des Strahls an der Sammellinse L3 (z.B. der Strahldurchmesser basierend auf dem FWHM des Intensitätsprofils), wobei durch ein Verschieben der Sammellinse L3 (also eine Änderung des Abstands d23) die aktuelle Größe des Strahls an der Sammellinse L3 ebenfalls veränderbar ist.The 1B and 1C show that a smaller distance d12 ' the divergence increases or a greater distance d12 " the divergence is reduced (at least as long as the distance d12 smaller than the distance between the condenser lens L1 and that through the condenser lens L1 generated focus). This also changes the size of the beam at the condenser lens L3 (Eg the beam diameter based on the FWHM of the intensity profile), wherein by moving the convergent lens L3 (ie a change in the distance d23 ) the current size of the beam at the converging lens L3 is also changeable.

Man erkennt, dass eine gewünschte (Soll-) Strahlgröße an der zweiten Sammellinse L3 dabei in einem weiten Bereich auf beliebig viele unterschiedliche Weisen erreicht werden kann, z.B. mit einer kleinen Divergenz und einem großen Abstand d23 (Propagationslänge) oder einer großen Divergenz und einem kleinen Abstand d23.It can be seen that a desired (desired) beam size at the second convergent lens L3 It can be achieved in a wide range in any number of different ways, eg with a small divergence and a large distance d23 (Propagation length) or a large divergence and a small distance d23 ,

Die zweite Sammellinse L3 ändert nun noch einmal die Divergenz des Strahls. Dabei hängt ihr Einfluss auf die Divergenz von der Brennweite der zweiten Sammellinse L3 und der Größe des Strahls 3 an der zweiten Sammellinse L3 ab. Je größer der Strahl an der zweiten Sammellinse L3 und je kleiner die Brennweite f3 ist, desto größer ist die bewirkte Divergenzänderung. Die Größe des Strahls wird durch eine einzelne Linse (hier durch die zweite Sammellinse L3) nicht beeinflusst.The second condensing lens L3 Now again change the divergence of the beam. Their influence on the divergence of the focal length of the second convergent lens depends L3 and the size of the beam 3 at the second condenser lens L3 from. The larger the beam at the second convergent lens L3 and the smaller the focal length f3, the greater the divergence change caused. The size of the beam is through a single lens (here by the second convergent lens L3 ) unaffected.

Da, wie oben ausgeführt, die (Soll-) Strahlgröße bei verschieden Divergenzen erreicht werden kann, ist es bei sinnvoller Wahl der Brennweite f3 möglich, den Strahl genau derart divergent auf die zweite Sammellinse L3 auftreffen zu lassen, dass durch die zweite Sammellinse L3 die gewünschte Ausgangsdivergenz als Ausgangsstrahlparameter erreicht wird. Für eine entsprechend kontinuierliche Einstellung der Ausgangsstrahlparameter sind in 1A beispielhaft die Einstellbarkeit des Abstandes d12 zwischen der ersten Sammellinse L1 und der Streulinse L2 durch einen die Verschiebbarkeit der Streulinse L2 anzeigenden Pfeil 5A und die Einstellbarkeit des Abstandes d23 der zweiten Sammellinse L3 zu Streulinse L2 durch einen die Verschiebbarkeit der Sammellinse L3 anzeigenden Pfeil 5B angedeutet.Since, as stated above, the (target) beam size can be achieved at different divergences, it is possible with a sensible choice of the focal length f3, the beam just so divergent to the second convergent lens L3 to be hit by the second condenser lens L3 the desired output divergence is achieved as the output beam parameter. For a correspondingly continuous adjustment of the output beam parameters are in 1A exemplified the adjustability of the distance d12 between the first condensing lens L1 and the dispersing lens L2 by a displaceability of the scattering lens L2 indicating arrow 5A and the adjustability of the distance d23 the second condenser lens L3 to scattering lens L2 by a displaceability of the condenser lens L3 indicating arrow 5B indicated.

Verwendet man im Strahlaufweiter 1 nur zentrierte rotationssymmetrische Linsen und setzt man einen entlang der gemeinsamen Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Linsen verlaufenden Strahlengang voraus, findet eine rotationssymmetrische Strahlformung statt.Used in the beam expander 1 only centered rotationally symmetric lenses and if one sets a along the common axis of symmetry of the rotationally symmetric lenses extending beam path ahead, takes place a rotationally symmetric beam shaping.

Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Astigmatismus-Einstellung einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung basiert auf einer Kombination eines derartigen Strahlaufweiters mit dem Aspekt der Astigmatismus-Erzeugung beim Strahldurchgang durch eine verkippte Linse. Es ergibt sich ein variabler Strahlaufweiter, der die Größe des Strahls und die Divergenz in unterschiedlichen transversalen Richtungen unabhängig voneinander ändern kann. Dabei müssen die Richtungen der Größenänderung und die der Divergenzänderung nicht miteinander übereinstimmen, d.h. es kann ein allgemeiner Astigmatismus erzeugt, kompensiert oder beliebig beeinflusst werden.The beam adaptation device for variable astigmatism adjustment of electromagnetic radiation propagating along a direction of propagation disclosed herein is based on a combination of such a beam expander with the aspect of astigmatism generation during beam passing through a tilted lens. The result is a variable Strahlaufweiter that can change the size of the beam and the divergence in different transverse directions independently. The directions of the change in size and that of the divergence change do not have to coincide with each other, i. general astigmatism can be generated, compensated or arbitrarily influenced.

2 verdeutlicht den Einfluss einer Verkippung einer rotationssymmetrischen Linse L bzgl. einer durch die Propagationsrichtung des Strahls vorgegebenen Strahlachse 7. Die Symmetrieachse 9 der Linse L, welche auch als optische Achse einer rotationssymmetrischen Linse bezeichnet wird, verläuft unter einem Winkel φ zur Strahlachse 7. In 2 erfolgt die Verkippung um eine Kippachse 11, die senkrecht zur und durch die Strahlachse 7 verläuft. 2 illustrates the influence of a tilting of a rotationally symmetrical lens L with respect to a beam axis predetermined by the propagation direction of the beam 7 , The symmetry axis 9 the lens L, which is also referred to as the optical axis of a rotationally symmetrical lens, extends at an angle φ to the beam axis 7 , In 2 the tilting takes place about a tilting axis 11 perpendicular to and through the beam axis 7 runs.

Für einen einfallenden Strahl 13A hängt die Brennweite der Linse L nun von der Orientierung der betrachteten Ebene ab, da die Krümmung der Linse nun nicht mehr rotationssymmetrisch zur Strahlachse 7 ist. In der Meridionalebene 17A, in der die Strahlachse 7 wie auch die Symmetrieachse 9 der Linse verlaufen und auf der die Kippachse 11 senkrecht steht, kommt es zu einer Verkürzung der Brennweite (Brennweite fm in 2) im Vergleich zur Brennweite in der Sagittalebene 17 B (Brennweite fs in 2), welche ebenfalls die Strahlachse 7 enthält aber zur Meridionalebene 17A senkrecht steht und welche damit auch die Kippachse 15 enthält. Es kommt zu einem Astigmatismus im auslaufenden Strahl 13B.For an incident beam 13A the focal length of the lens L now depends on the orientation of the considered plane, since the curvature of the lens is no longer rotationally symmetric to the beam axis 7 is. In the meridional plane 17A in which the beam axis 7 as well as the symmetry axis 9 the lens run and on the tilt axis 11 is vertical, there is a shortening of the focal length (focal length fm in 2 ) compared to the focal length in the sagittal plane 17 B (Focal length fs in 2 ), which also the beam axis 7 contains however to the Meridionalebene 17A is vertical and which thus also the tilt axis 15 contains. There is an astigmatism in the outgoing beam 13B ,

Im Unterschied zu (gerade im Strahl feststehenden) Zylinderoptiken oder anderen nicht rotationssymmetrischen, feststehenden Optiken kann die astigmatische Wirkung verkippbarer rotationssymmetrischer Optiken kontinuierlich eingestellt werden, beispielsweise ausgehend von einem Nullpunkt (keine Verkippung, identische Brennweiten in allen die Strahlachse 7 enthaltenden Ebenen, d.h. keine astigmatische Wirkung).In contrast to cylinder optics (which are stationary in the beam) or other non-rotationally symmetrical fixed optics, the astigmatic effect of tiltable rotationally symmetrical optics can be set continuously, for example starting from a zero point (no tilting, identical focal lengths in all the beam axes) 7 containing levels, ie no astigmatic effect).

Mit zunehmendem Kippwinkel kann es neben dem Astigmatismus noch zu weiteren Abbildungsfehlern höherer Ordnung, wie Koma, kommen, jedoch können diese Effekte (insbesondere bei Optiken mit kleinen numerischen Aperturen) zumindest teilweise vernachlässigt werden.As the tilt angle increases, astigmatism can lead to further aberrations of a higher order, such as coma, but these effects can be neglected (at least in the case of optics with small numerical apertures).

3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahladaptionsvorrichtung 21, die auf dem klassischen variablen Strahlaufweiter 1 basiert. Auf einer Justageschiene 23 mit einem Schienenpaar, das sich entlang einer Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 (gegeben durch die bevorzugte Propagationsrichtung eines eingekoppelten Laserstrahls) erstreckt, sind eine erste Sammellinseneinheit 27, eine zweiten Sammellinseneinheit 29 und eine zwischen diesen angeordnete Streulinseneinheit 31 angeordnet. Mindestens zwei der drei Einheiten weisen einen in die Justageschiene 23 eingreifenden Schlitten 33 auf. Die Sammellinseneinheiten 27, 29 sind Beispiele für Astigmatismus-Linseneinheiten, die es erlauben, lokal eine wie in 2 erläuterte Astigmatismus-Einstellung vorzunehmen und damit im nachfolgenden optischen System einen Astigmatismus und eine nicht rotationssymmetrische laterale Ausdehnung eines Strahls zu beeinflussen. Ferner ist die Streulinseneinheit 31 ein Beispiel für eine Divergenzanpassungslinseneinheit, die es erlaubt, eine Divergenz-Einstellung vorzunehmen und damit die Divergenz lokal symmetrisch beieinflusst und damit im nachfolgenden optischen System im Wesentlichen nur Einfluss auf die mittlere laterale Ausdehnung und die mittlere Divergenz hat. 3 shows an exemplary embodiment of a beam-adapting device 21 that on the classic variable beam expander 1 based. On an adjustment rail 23 with a pair of rails extending along a beam axis 25 the beam adaptation device 21 (given by the preferred propagation direction of a coupled-in laser beam) are a first collection lens unit 27 , a second collection lens unit 29 and a scatter lens unit disposed therebetween 31 arranged. At least two of the three units point into the alignment rail 23 engaging sled 33 on. The collection lens units 27 . 29 are examples of astigmatism lens units that allow one such locally in 2 explained astigmatism adjustment and thus in the subsequent optical system to influence an astigmatism and a non-rotationally symmetric lateral extent of a beam. Further, the scatter lens unit 31 an example of a divergence adjustment lens unit, which makes it possible to perform a divergence adjustment and thus the divergence locally symmetrical influence and thus in the subsequent optical system has essentially only influence on the average lateral extent and the average divergence.

Die erste Sammellinseneinheit 27 ist an einem Ende der Justageschiene 23 angeordnet und weist mindestens eine erste Sammellinse L1 auf, die bzgl. einer sich zur Strahlachse 25 orthogonal erstreckenden Ebene verkippbar gehalten ist. D.h., eine optische Achse (nicht explizit eingezeichnet) der Sammellinse L1 kann bzgl. der Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 gekippt werden. Hierzu erkennt man in 3 eine erste Drehhalterung 35, die um eine erste Kippachse 35A, die senkrecht zu einer durch das Schienenpaar aufgespannten Ebene (hier die x-z-Ebene) steht, drehbar am Schlitten 33 bereitgestellt ist. Dabei verläuft die Kippachse 35A der Drehhalterung 35 insbesondere durch die Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 (solange keine Translation quer zur Strahlachse 25 vorgenommen wird).The first collection lens unit 27 is at one end of the alignment rail 23 arranged and has at least a first converging lens L1 on, with respect to a to the beam axis 25 orthogonally extending plane is kept tilted. That is, an optical axis (not explicitly drawn) of the converging lens L1 can with respect to the beam axis 25 the beam adaptation device 21 be tilted. This can be seen in 3 a first swivel mount 35 around a first tilt axis 35A , which is perpendicular to a plane spanned by the pair of rails (here the xz plane), rotatably mounted on the carriage 33 is provided. The tilting axis runs here 35A the swivel mount 35 in particular by the beam axis 25 the beam adaptation device 21 (as long as no translation transverse to the beam axis 25 is made).

Ferner erkennt man eine an der ersten Drehhalterung 35 angebrachte zweite Drehhalterung 37 zur Aufnahme der Sammellinse L1 und zum Positionieren derselben in der Strahlachse 25. Die zweite Drehhalterung 37 stellt eine zweite Kippachse 37A bereit, die senkrecht zur ersten Kippachse 35A und insbesondere durch die Strahlachse 25 der Strahladaptionsvorrichtung 21 verläuft (solange keine Translation quer zur Strahlachse 25 vorgenommen wird). Zur Verdeutlichung ist die Lage der zweiten Kippachse 37A aufgrund der vorgenommenen Verkippung um die erste Kippachse 35A um einen Winkel φ1 im Koordinatensystem angedeutet.Furthermore, one recognizes one on the first swivel mount 35 attached second swivel mount 37 for receiving the condenser lens L1 and positioning them in the beam axis 25 , The second swivel mount 37 represents a second tilt axis 37A ready, perpendicular to the first tilt axis 35A and in particular by the beam axis 25 the beam adaptation device 21 runs (as long as no translation transverse to the beam axis 25 is made). For clarity, the location of the second tilt axis 37A due to the tilting about the first tilt axis 35A indicated by an angle φ1 in the coordinate system.

Überdies kann die erste Sammellinseneinheit 27 eine oder mehrere Translationseinheiten (nicht gezeigt) zur Verschiebung der Sammellinse L1 transversal zur Strahlachse 25 aufweisen, die damit zur Kompensation evtueller Ablenkungen der Strahlpropagationsrichtung weg von der Strahlachse 25 dienen. In der beispielhaften Ausführungsform der 3 ist der Schlitten 33 der ersten Sammellinseneinheit 27 z.B. ortsfest mit der Justageschiene 23 verschraubt.Moreover, the first collection lens unit 27 one or more translation units (not shown) for displacing the condenser lens L1 transversal to the beam axis 25 thus compensating for possible deflections of the beam propagation direction away from the beam axis 25 serve. In the exemplary embodiment of the 3 is the sled 33 the first collection lens unit 27 eg stationary with the alignment rail 23 screwed.

Im Ergebnis erlauben es die erste Drehhalterung 35 und die zweite Drehhalterung 37, die Sammellinse L1 in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel φ verkippt zur Strahlachse 25 auszurichten.As a result, allow the first swivel mount 35 and the second swivel mount 37 , the condenser lens L1 in any direction by an adjustable angle φ tilted to the beam axis 25 align.

Am anderen Ende der Justageschiene 23 ist die zweite Sammellinseneinheit 29 angeordnet, wobei die zweite Sammellinse L3 analog zur Ausführung der ersten Sammellinseneinheit 27 um zwei Achsen kippbar gehalten wird. Man erkennt ferner, dass die Lage der zweiten Sammellinseneinheit 29 über den zugehörigen Schlitten entlang des Schienenpaares, d.h. der Strahlachse 25, verschoben und lokal fixiert werden kann.At the other end of the alignment rail 23 is the second collection lens unit 29 arranged, wherein the second convergent lens L3 analogous to the execution of the first collection lens unit 27 held tiltable about two axes. It can also be seen that the position of the second collecting lens unit 29 over the associated carriage along the rail pair, ie the beam axis 25 , moved and fixed locally.

Die Streulinseneinheit 31 umfasst ebenfalls einen entlang des Schienenpaares verschiebbaren Schlitten 33, der eine Halterung 38 trägt, die die z.B. kurzbrennweitige Streulinse L2 symmetrisch zur Strahlachse 25 positioniert.The scatter lens unit 31 also includes a slidable along the pair of rails slide 33 holding a holder 38 carries, for example, the short focal length lens L2 symmetrical to the beam axis 25 positioned.

Die Sammellinse L1 der ersten Sammellinseneinheit 27 und die Streulinse L2 der Streulinseneinheit 31 wirken als optisches Eingangselement 39 der Strahladaptionsvorrichtung 21 und die Sammellinse L3 der zweiten Sammellinseneinheit 29 stellt das optische Ausgangselement der Strahladaptionsvorrichtung 21 dar.The condenser lens L1 the first collection lens unit 27 and the dispersion lens L2 the scatter lens unit 31 act as optical input element 39 the beam adaptation device 21 and the condenser lens L3 the second collection lens unit 29 represents the optical output element of the beam-adapting device 21 represents.

Auch wenn die vorausgehend beschriebene Ausführungsform hinsichtlich einer Aufweitung des Strahls ausgelegt ist, erkennt der Fachmann, dass Ausführungsformen der hierin offenbarten Konzepte auch eine Reduktion einer Strahlabmessung oder einer Divergenz bewirken können sowie auch optische Systeme umfassen können, die eine oder mehrere Charakteristika des Strahls unverändert lassen.Although the embodiment described above is designed to expand the beam, those skilled in the art will recognize that embodiments of the concepts disclosed herein may also reduce beam size or divergence as well as include optical systems that leave one or more characteristics of the beam unchanged ,

Der Fachmann wird erkennen, dass auch andere Ausführungen von variablen Strahlaufweitern mit mehr als drei Linsen eine benötigte Strahlanpassung bereitstellen können. Dabei können alle Linsen oder ein Teil der Linsen (beispielsweise, wenn nicht die volle Justagefreiheit benötigt wird, nur eine einzige Linse) verkippbar gehalten werden.Those skilled in the art will recognize that other embodiments of variable beam expander having more than three lenses can provide required beam matching. In this case, all lenses or a part of the lenses (for example, if not the full adjustment freedom is needed, only a single lens) can be kept tilted.

Im Unterschied zu einem System zur festen Aufweitung basierend z.B. auf zwei Linsen kann ferner ein System mit drei oder mehr Linsen in der hierin offenbarten (oder in einer ähnlichen) Konfiguration einen bezüglich der Ausgangsstrahleigenschaften benötigten Toleranzbereich bereitstellen, um eine Bandbreite an aufzunehmenden Eingangsstrahleigenschaften abzudecken und die volle Freiheit bei der kontinuierlich variablen Anpassung bereitzustellen.Unlike a system for fixed expansion based e.g. Furthermore, on two lenses, a system having three or more lenses in the (disclosed or similar) configuration disclosed herein may provide a tolerance range required with respect to the output beam characteristics to cover a bandwidth of input beam characteristics to be accommodated and provide full freedom in continuously variable matching.

Nachfolgend wird die Wirkung der Strahladaptionsvorrichtung 21 anhand eines runden, anastigmatisch kollimierten Eingangsstrahls beschrieben, welchem beispielsweise eine Unrundheit und ein Astigmatismus aufgeprägt werden. Das Funktionsprinzip kann jedoch auch für unrunde, astigmatische (konvergente oder divergente) Eingangsstrahlen umgesetzt werden, bei welchen die Rundheit und der Astigmatismus verändert werden, beispielsweise die Divergenz auf ein dem Stahl entsprechendes Minimum reduziert wird, und der Strahl beispielsweise in einen runden anastigmatischen Strahl umgewandelt wird.The following is the effect of the beam-adapting device 21 described on the basis of a round, anastigmatic collimated input beam, which, for example, an ovality and astigmatism are impressed. However, the principle of operation can also be implemented for non-circular, astigmatic (convergent or divergent) input beams in which the roundness and the Astigmatism be changed, for example, the divergence is reduced to a minimum corresponding to the steel, and the beam is converted, for example, into a round anastigmatic beam.

Die Form von in der Strahladaptionsvorrichtung 21 verwendeten Linsen kann sphärisch oder möglicherweise teilweise oder durchgehend asphärisch sein. Dabei können die Linsen einseitig plan oder beidseitig gekrümmt sein. Ferner sind gleichsinnige oder gegensinnige Oberflächenkrümmungen möglich, wobei die spezielle Form einer Linse den Effekt des gewünschten Astigmatismus und der unerwünschten Aberrationen höherer Ordnung bei Verkippung beeinflussen kann.The shape of in the beam-adapting device 21 used lenses may be spherical or possibly partially or continuously aspheric. The lenses may be flat on one side or curved on both sides. Further, co-directional or opposing surface curvatures are possible, and the particular shape of a lens may affect the effect of the desired astigmatism and unwanted higher-order aberrations upon tilting.

Bei einer vorliegenden Verkippung der Sammellinse L1 ist die Linsenkombination L1, L2 allgemein auf eine astigmatisch divergierende Wirkung eingestellt. Die mittlere Divergenz kann durch den Abstand der Linsen L1 und L2 zueinander frei eingestellt werden. Die astigmatische Differenz kann durch den effektiven, sich aus den beiden Kippwinkeln bezüglich der Kippachsen 35A, 37A ergebenden, Kippwinkel φ eingestellt werden. Die Ausrichtung der nun minimalen Divergenz in der Meridionalebene und der maximalen Divergenz in der Sagittalebene können durch den Azimuthwinkel der dem effektiven Kippwinkel zugeordneten Kippachse (in der x-y-Ebene) gewählt werden. Wird nur eine Verkippung vorgenommen, z.B. um die Kippachse 35A oder die Kippachse 37A, entspricht diese Kippachse der effektiven Kippachse und die Meridional- und Sagittalebenen werden durch diese Kippachse definiert. Die Verkippung kann beispielsweise auch mit entsprechenden Drehhalterungen erzeugt werden, mit welchen die Kippachse in der x-y-Ebene um die Strahlachse rotiert werden kann.In the case of a present tilting of the condenser lens L1 is the lens combination L1 . L2 generally adjusted to an astigmatic divergent effect. The mean divergence can be determined by the distance of the lenses L1 and L2 be set freely to each other. The astigmatic difference can be determined by the effective, out of the two tilt angles with respect to the tilt axes 35A . 37A resulting, tilt angle φ can be adjusted. The orientation of the now minimal divergence in the meridional plane and the maximum divergence in the sagittal plane can be selected by the azimuth angle of the tilt axis associated with the effective tilt angle (in the xy plane). If only a tilting made, for example, the tilt axis 35A or the tilt axis 37A , this tilt axis corresponds to the effective tilt axis and the meridional and sagittal planes are defined by this tilt axis. The tilting can also be generated, for example, with corresponding rotary holders with which the tilting axis can be rotated in the xy plane about the beam axis.

Zusammenfassend weitet sich bei einer vorliegenden Verkippung der Strahl nach der Linsenkombination L1, L2, d.h. dem optischen Eingangselement 39, entsprechend der eingestellten nicht rotationssymmetrischen Divergenz auf und bekommt ein elliptisches Profil.In summary, when the tilt is present, the beam expands after the lens combination L1 . L2 ie the optical input element 39 , according to the set non-rotationally symmetric divergence and gets an elliptical profile.

Die Sammellinse L3 wird nun ebenfalls um eine effektive, in der x-y-Ebene liegende Kippachse um einen Winkel gekippt. Die laterale Ausdehnung des Strahls am Ort der Sammellinse L3 wird von der Sammellinse L3 nicht beeinflusst. Die astigmatische Wirkung der Sammellinse L3 beschreibt sich wie die der Sammellinse L1, jedoch mit eigenen Meridional- und Sagittalebenen. Die Kombination aus dem durch das optische Eingangselement 39 erzeugten Astigmatismus des Strahls mit dem durch die Sammellinse L3 erzeugten Astigmatismus erlaubt es, einen allgemeinen Astigmatismus des Ausgangsstrahls zu erzeugen, der in einem in weiten Bereichen frei parametrisierbar ist.The condenser lens L3 is now also tilted by an effective, lying in the xy-plane tilt axis by an angle. The lateral extent of the beam at the location of the converging lens L3 is from the condenser lens L3 unaffected. The astigmatic effect of the condensing lens L3 describes itself like that of the condenser lens L1 , but with its own meridional and sagittal planes. The combination of the through the optical input element 39 created astigmatism of the beam with that through the condenser lens L3 generated astigmatism makes it possible to generate a general astigmatism of the output beam, which is freely parametrisierbar in a wide range.

Beispielsweise kann die Sammellinse L3 so gekippt werden, dass die durch die Linsen L1 und L2 verursachte richtungsabhängig unterschiedliche Divergenz wieder kompensiert wird und ein Strahl mit nicht rotationssymmetrischer lateraler Ausdehnung und gleicher Divergenz in allen Richtungen oder z.B. mit richtungsabhängig minimal möglicher Divergenz erzeugt wird.For example, the condenser lens L3 be so tilted that through the lenses L1 and L2 caused direction-dependent different divergence is compensated again and a beam is generated with non-rotationally symmetric lateral expansion and equal divergence in all directions or eg with direction-dependent minimally possible divergence.

Da eine reale (dicke) Linse durch eine Verkippung immer auch einen Strahlversatz verursacht, kann, wie zuvor angesprochen, die Verkippbarkeit einer Linse durch eine Verschiebbarkeit der Linse senkrecht zur Strahlachse 25 des Systems ergänzt werden.As a real (thick) lens always causes a beam offset by tilting, as mentioned above, the tiltability of a lens by a displacement of the lens perpendicular to the beam axis 25 be supplemented by the system.

Selbstverständlich kann auf die Nutzung von Freiheitsgraden im System verzichtet werden, wenn nur eine teilweise Beeinflussung des Strahls angestrebt wird. Insbesondere ist die Kippung nur einer Linse deutlich einfacher zu justieren als die mehrerer Linsen.Of course, the use of degrees of freedom in the system can be dispensed with, if only a partial influence of the beam is desired. In particular, the tilt of only one lens is much easier to adjust than that of several lenses.

In einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste Sammellinse L1 und die zweite Sammellinse L3 jeweils eine Plankonvexlinse und die Streulinse ist eine Bikonkavlinse. Die Streulinse L2 hat, wie im Beispiel der 3, beispielsweise keine Freiheitsgrade zur Kippung. Die transversalen Lagen entlang der Strahlachse 25 (z-Positionen) der Streulinse L2 und der zweiten Sammellinse L3 können sich beispielsweise über eine Schwalbenschwanzführung fein einstellen lassen.In an exemplary embodiment, the first converging lens L1 and the second condenser lens L3 in each case a plano-convex lens and the scattering lens is a biconcave lens. The scattering lens L2 has, as in the example of 3 , For example, no degrees of freedom for tilting. The transverse layers along the beam axis 25 (z positions) of the scattering lens L2 and the second condenser lens L3 can be fine tuned, for example via a dovetail guide.

Neben der explizit erläuterten Ausführungsform mit je einer Sammellinse am Eingang und am Ausgang und einer dazwischen angeordneten Streulinse können die beiden ersten Linsen Streulinsen sein und nur die letzte Linse als Sammellinse ausgebildet werden. Ferner können je eine Streulinse am Eingang und am Ausgang und eine dazwischen angeordnete Sammellinse in der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden. Ferner können je eine Sammellinse am Eingang und am Ausgang und eine dazwischen angeordnete Streulinse in der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden.In addition to the explicitly explained embodiment, each with a converging lens at the entrance and at the exit and a scattering lens arranged therebetween, the two first lenses can be scattering lenses and only the last lens can be formed as a converging lens. Furthermore, a diverging lens at the entrance and at the exit and a collecting lens arranged in between can be used in the beam-adapting device. Furthermore, a converging lens at the entrance and at the exit and an interposed dispersing lens in the beam-adapting device can each be used.

Die Freiheitsgrade können sich allgemein bei Bedarf beispielsweise über Zahnstangen und Zahnradschlüssel, über Gewinde oder über Hebelwerkzeuge fein justieren lassen. Ferner können Freiheitsgrade nach der Justage in ihrer Lage individuell mit z.B. Fixierschrauben fixiert werden. Über Feingewindestifte einzustellende x-y-Translationen können z.B. alternativ über Gegenfedern präzise in Position gehalten werden.The degrees of freedom can generally be finely adjusted, for example, via toothed racks and gear wrench, via threads or lever tools. Furthermore, degrees of freedom after adjustment in their position can be adjusted individually with e.g. Fixing screws are fixed. Fine x-y translations to be set via fine-threaded pins may e.g. alternatively be held precisely in position via counter springs.

In einigen Ausführungsformen kann beispielsweise eine Kippachse pro (Sammel-)Linse vorgesehen werden, wobei die Ausrichtung der Kippachse um die Strahlachse 25 (z-Achse) rotierbar ist. Im Unterschied zu den Sammellinseneinheiten 27, 29 in 3 weist hierfür eine Sammellinseneinheit anstelle der ersten Drehhalterung z.B. eine Rotationsvorrichtung auf, die die Orientierung der Kippachse der zweiten Drehhalterung in der x-y-Ebene um die Strahlachse 25 frei wählbar macht. Es lassen sich somit benötigte Orientierungen einstellen, wobei der Kippwinkel der zweiten Drehhalterung der effektive Kippwinkel ist und die Kippachse gleich der effektiven Kippachse ist. Ferner können in einigen Ausführungsformen Linsen in Tubussystemen positioniert werden, wobei eine z-Position beispielsweise über einen Gewinde- oder Schneckengangversteller einstellbar sein kann. Wichtig für die verschiedenen Ausfiihrungsformen ist, dass man die Richtung der Symmetrieachse der zu verkippenden Linsen, d.h. die Richtung der optischen Achse 9 der Linse in 2, frei einstellen kann. Generell können zur Analyse des Strahls nach dem variabel astigmatischen Strahladapter verschiedenste Analyseverfahren eingesetzt werden, die Information zur Divergenz und Strahlgröße liefern. Bekannte Verfahren zur Strahldurchmesserbestimmung und Strahldivergenzbestimmung schließen insbesondere die in der ISO 11146 genannten Verfahren ein. Weiter ist auch der Einsatz von Wellenfrontsensoren wie z.B. eines Hartmann- oder Shack-Hartmann-Sensors möglich. Es können auch verschiede Verfahren miteinander kombiniert werden. Generell vorzuziehen sind Verfahren, die eine schnelle Charakterisierung der Strahleigenschaften an der Bezugsebene ermöglichen und so den Effekt der Justage des variablen astigmatischen Strahladapters unmittelbar in Echtzeit anzeigen. For example, in some embodiments, one tilt axis may be provided per (collection) lens, with the orientation of the tilt axis about the beam axis 25 (z-axis) is rotatable. In contrast to the collection lens units 27 . 29 in 3 has for this purpose a collection lens unit instead of the first rotary support, for example, a rotation device, which is the orientation of the tilt axis of the second rotation support in the xy plane about the beam axis 25 makes freely selectable. Thus, required orientations can be set, wherein the tilt angle of the second rotation mount is the effective tilt angle and the tilt axis is equal to the effective tilt axis. Further, in some embodiments, lenses may be positioned in tube systems, where a z-position may be adjustable, for example, via a screw or scroll advance. It is important for the different embodiments that the direction of the axis of symmetry of the lenses to be tilted, ie the direction of the optical axis 9 the lens in 2 , can set freely. In general, a variety of analysis methods can be used to analyze the beam after the variable-astigmatic beam adapter, which provide information on the divergence and beam size. Known methods for beam diameter determination and beam divergence determination include in particular the methods mentioned in ISO 11146. Furthermore, the use of wavefront sensors such as a Hartmann or Shack Hartmann sensor is possible. Different methods can be combined with each other. In general, preferred are methods that allow a quick characterization of the beam properties at the reference plane and thus display the effect of adjusting the variable astigmatic beam adapter immediately in real time.

Da jede weitere Optik in einem nachfolgenden optischen System sowohl die Größe als auch die Divergenz des Strahls beeinflussen kann, ist eine intuitive und einfache Justage des Systems in wenigen Schritten nicht immer möglich.Since any further optics in a subsequent optical system can affect both the size and the divergence of the beam, intuitive and simple adjustment of the system in a few steps is not always possible.

Die Strahlanalyse kann sich jedoch vereinfachend auf den Justageprozess auswirken, wenn sich die Bezugsebene der Analyse direkt auf der letzten Linse befindet. Wird der Strahl nämlich mit Bezug auf die Position auf der letzten Linse (beispielsweise der Sammellinse L3 der Strahladaptionsvorrichtung 21 der 3) charakterisiert, so hat diese letzte Linse keinen, bzw. nur einen sehr geringen Einfluss auf die Strahlgröße an ebendieser Bezugsebene, sondern nur bzw. vornehmlich einen Einfluss auf die Divergenz des Strahls. Die vorangehenden Justagefreiheitsgrade des Strahladapters, beispielsweise die der Linsenkombination 39, können näherungsweise genutzt werden, um die Ausgangsgröße des Strahls an der Bezugsebene einzustellen, ohne auf die Ausgangsdivergenz zu achten. Mit den Freiheitsgraden der letzten Linse kann dann die Ausgansdivergenz eingestellt werden, näherungsweise ohne die Größe zu beeinflussen. Soweit diese Aussagen nur näherungsweise gelten, kann ein schnell konvergierendes iteratives Verfahren zur Justage der Freiheitsgrade angewandt werden, welches anders als bei frei gewählten Bezugsebenen sicher und schnell konvergiert. Dies funktioniert auch dann, wenn sich die Bezugsebene nicht unmittelbar auf der letzten Linse, sondern in einem kleinen Abstand (im Vergleich zum Quotienten Strahldurchmesser und Divergenz) strahlabwärts befindet.However, beam analysis may simplify the adjustment process when the reference plane of the analysis is directly on the last lens. Namely, when the beam is moved with respect to the position on the last lens (for example, the condensing lens L3 the beam adaptation device 21 of the 3 ), this last lens has no, or only a very small influence on the beam size at this same reference plane, but only or primarily an influence on the divergence of the beam. The foregoing adjustment degrees of freedom of the beam adapter, for example, those of the lens combination 39 , can be used approximately to adjust the output of the beam at the reference plane without regard to the output divergence. With the degrees of freedom of the last lens then the Ausgansdivergenz can be adjusted, approximately without affecting the size. Insofar as these statements are only approximate, a fast converging iterative method for adjusting the degrees of freedom can be used, which, unlike freely selected reference planes, converges safely and quickly. This works even if the reference plane is not directly on the last lens, but at a small distance (compared to the quotient beam diameter and divergence) downstream.

Ist der Strahl an einer bevorzugten Bezugsebene nicht direkt für die Charakterisierung zugänglich, so kann ein geeignetes abbildendes Verfahren verwendet werden, um die Ebene an einem gewünschten Ort abzubilden. Es ist allgemein möglich, den Strahl an anderer Stelle ausreichend zu charakterisieren und die Eigenschaften an der bevorzugten Bezugsebene zu berechnen.If the beam at a preferred reference plane is not directly accessible for characterization, a suitable imaging method may be used to image the plane at a desired location. It is generally possible to characterize the beam elsewhere and to compute the characteristics at the preferred reference plane.

4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Strahlanalyseeinheit 41 zur Charakterisierung eines Ausgangsstrahls 21A der Strahladaptionsvorrichtung 21, welche insbesondere zur Justage der Strahladaptionsvorrichtung verwendet werden kann. 4 shows an exemplary embodiment of a beam analysis unit 41 for characterizing an output beam 21A the beam adaptation device 21 , which can be used in particular for adjusting the beam-adapting device.

Ein Teil 43 des Ausgangsstrahls 21A (beispielsweise Lecklicht durch einen als Abschwächer fungierenden Umlenkspiegel 45) wird für die Strahlanalyse genutzt und durch eine Analyselinse AL gelenkt. Nach der Analyselinse AL wird der Teil 43 des Strahls z.B. mit Strahlteilern 44 weiter in Teilstrahlen aufgeteilt.A part 43 of the output beam 21A (For example, leakage through an acting as attenuator deflecting mirror 45 ) is used for the beam analysis and steered by an analysis lens AL. After the analysis AL the part becomes 43 of the beam, for example, with beam splitters 44 further divided into sub-beams.

Ein erster Teilstrahl 43A wird genutzt, um eine Abbildung eines Strahlprofils P1 am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 (beispielsweise basierend auf einer Objektebene O, die an der Stelle der zweiten Sammellinse L3 gewählt wird) auf eine Bildebene E der Kamera K1 durch die Analyselinse AL zu erzeugen. Das Bild des Strahlprofils P1 auf der Kamera K1 ist nur von der Größe des Ausgangsstrahls 21A am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 (z.B. an der zweiten Sammellinse L3) abhängig und nicht von der Divergenz. Die Wirkung der zweiten Sammellinse L3 auf die Divergenz wird so nicht detektiert. Damit können die ersten beiden Linsen L1, L2 der Strahladaptionsvorrichtung 21 genutzt werden, um die Strahlgröße beispielsweise mithilfe einer Darstellung des Strahlprofils P1 auf einem Strahlprofil-Monitor 47 einzustellen.A first partial beam 43A is used to obtain an image of a beam profile P1 at the output of the beam adaptation device 21 (For example, based on an object plane O at the location of the second condenser lens L3 is selected) on an image plane E of the camera K1 by the analysis lens AL to produce. The image of the beam profile P1 on the camera K1 is only of the size of the output beam 21A at the exit of the beam adaptation device 21 (eg at the second convergent lens L3 ) and not from the divergence. The effect of the second condenser lens L3 on the divergence is not detected. This allows the first two lenses L1 . L2 the beam adaptation device 21 For example, the beam size can be used by looking at the beam profile P1 on a beam profile monitor 47 adjust.

Ein weiterer Teilstrahl 43B wird genutzt, um ein Fernfeldbild des Ausgangsstrahls auf einer Kamera K2 zu erzeugen, d.h. die Kamera K2 befindet sich z.B. genau in der Brennebene der Analyselinse AL (aber nicht notwendigerweise im Fokus des Strahls). Das von der Kamera K2 aufgenommene Bild des Strahlprofils P2 ist nur von der Divergenz des Ausgangsstrahls 21A abhängig, nicht von der Größe des Ausgangsstrahls 21A an irgendeiner realen endlichen Position. Daher kann das Bild der Kamera K2 genutzt werden, um die Divergenz des Ausgangsstrahls 21A über die Position und/oder den Winkel der zweiten Sammellinse L3 einzustellen.Another partial beam 43B is used to produce a far-field image of the output beam on a camera K2, ie the camera K2 is located, for example, exactly in the focal plane of the analysis lens AL (but not necessarily in the focus of the Beam). That from the camera K2 taken picture of the beam profile P2 is only dependent on the divergence of the output beam 21A, not on the size of the output beam 21A at any real finite position. Therefore, the picture of the camera K2 be used to detect the divergence of the output beam 21A about the position and / or angle of the second condenser lens L3 adjust.

In einigen Parameterbereichen kann die zuvor beschriebene Methode nicht eindeutig sein, beispielsweise wenn der Ausgangsstrahl 21A vor der Analyselinse AL nicht kollimiert ist, denn allgemein kann der Ausgangsstrahl 21A nach der Strahladaptionsvorrichtung 21 konvergent oder divergent sein. In einigen Ausführungsformen der Analyseeinheit 41 kann ein weiterer Teilstrahl 43C mit einer weiteren Kamera K3 hinsichtlich einer geeigneten Position entlang der Propagationsrichtung vermessen werden, um eine eindeutige Charakterisierung des Strahls zu ermöglichen. Es können noch weitere Beobachtungspunkte im Strahl sinnvoll sein, um in der Praxis die Anfälligkeit des Verfahrens gegen Messfehler zu reduzieren. So können optional weitere Detektionseinheiten vor der Kamera K2, zwischen der Kamera K1 und der Kamera K2 oder hinter der Kamera K1 zur Aufnahme zusätzlicher Feldebenen vorgesehen werden.In some parameter ranges, the method described above may not be unique, for example, if the output beam 21A before the analysis lens AL is not collimated, because in general the output beam 21A after the beam adaptation device 21 be convergent or divergent. In some embodiments, the analysis unit 41 can be another partial beam 43C be measured with another camera K3 with respect to a suitable position along the propagation direction to allow a clear characterization of the beam. It may be useful to further observation points in the beam to reduce the susceptibility of the method to measurement errors in practice. So optionally further detection units in front of the camera K2 , between the camera K1 and the camera K2 or behind the camera K1 be provided for receiving additional field levels.

In einigen Ausführungsformen der Analyseeinheit 41 können alle oder ein Teil der zu analysierenden Strahlpositionen oder Bilder auf einen einzigen Kamerachip projiziert werden und/oder auf dem Strahlprofil-Monitor 47 gemeinsam dargestellt werden und/oder mit einer entsprechenden computerbasierten Analyse ausgewertet werden. Ferner kann anstelle der Strahlteilung nach der Analyselinse AL bereits der (abgeschwächte) Ausgangsstrahl 21A geteilt werden, um diese Teile mit mehreren angepassten Linsen oder mit anderen Messmitteln zu analysieren.In some embodiments, the analysis unit 41 For example, all or part of the beam positions or images to be analyzed may be projected onto a single camera chip and / or on the beam profile monitor 47 be presented together and / or evaluated with a corresponding computer-based analysis. Furthermore, instead of the beam splitting according to the analysis lens AL already the (attenuated) output beam 21A be shared to analyze these parts with multiple matched lenses or other means of measurement.

Ferner kann beispielsweise ein Shack-Hartmann Sensor am Strahlausgang, z.B. hinter der letzten Linse L3 verwendet werden, um sowohl Profil als auch Divergenz des Ausgangsstrahls 21A an dieser Stelle zu ermitteln. Auch dabei kann eine Abbildung einer Bezugsebene auf den Sensor erfolgen, wobei hier der Einsatz eine Relay-Optik (z.B. ein f-2f-f-System), welche von sich aus keine Wellenfrontkrümmung einfügt, sinnvoll sein kann.Furthermore, for example, a Shack-Hartmann sensor at the beam exit, eg behind the last lens L3 can be used to determine both profile and divergence of the output beam 21A at that location. Here, too, an image of a reference plane can be made on the sensor, in which case the use of relay optics (for example, an f-2f-f system), which does not introduce wavefront curvature on its own, may be expedient.

Mit Bezug zur Anwendung bei der Frequenzkonversion basieren die hierin beschriebene nAspekte des Weiteren zum Teil auf der Erkenntnis, dass, wenn einem Laserstrahl im z.B. infraroten Frequenzbereich der primären Strahlquelle vor der Frequenzkonversion (oder zwischen Frequenzkonversionsstufen im z.B. infraroten und sichtbaren Frequenzbereich) eine gegenläufige Phasen- und/oder Amplitudendeformation aufgeprägt wird, nach deren Überlagerung mit der im Frequenzkonverter hervorgerufenen Aberration ein verbessertes Strahlprofil des frequenzkonvertierten Strahls erzeugt werden kann.Further, with respect to the frequency conversion application, the aspects described herein are based, in part, on the recognition that when a laser beam is present in the e.g. an opposite phase and / or amplitude deformation is impressed on the frequency domain of the primary beam source before the frequency conversion (or between frequency conversion stages in the infrared and visible frequency ranges, for example), after which it can be superimposed with the aberration produced in the frequency converter to produce an improved beam profile of the frequency-converted beam.

Wie eingangs angesprochen kann es bei der Erzeugung von UV-Laserstrahlung durch nichtlineare Frequenzkonversion ausgehend von z.B. einem infraroten Laserstahl zu unerwünschten Aberrationen in der Amplitude und Phase der erzeugten UV-Laserstrahlung kommen. Derartige Aberrationen können beispielsweise durch den sogenannten Walk-off-Effekt, durch gegen den Strahl verkippte Facetten des nichtlinearen Kristalls bzw. der nichtlinearen Kristalle, allgemein durch Kristallfehler oder Oberflächenformfehler, wie sie beispielsweise durch die Anisotropie der Kristalle oder durch Herstellungsverfahren unerwünscht und nicht immer vollständig reproduzierbar erzeugt werden, oder durch andere, evtl. auch noch unbekannte Effekte oder durch diverse (prinzipielle oder fehlerhafte) Effekte in Hilfs- oder Folgeoptiken der Frequenzkonversion, wie z.B. in Optiken zur Trennung der Harmonischen, hervorgerufen werden.As mentioned above, in the generation of UV laser radiation by non-linear frequency conversion starting from e.g. an infrared laser beam to unwanted aberrations in the amplitude and phase of the generated UV laser radiation come. Such aberrations may be undesirable and not always complete, for example, by the so-called walk-off effect, by facet-tilted nonlinear crystal or nonlinear crystal facets, generally by crystal defects or surface shape defects, such as crystal anisotropy or manufacturing processes be generated reproducible, or by other, possibly even unknown effects or by various (principal or faulty) effects in auxiliary or subsequent optics of the frequency conversion, such as in optics for the separation of the harmonics, are caused.

Mit dem Ziel, derartige Aberrationen möglichst gering zu halten und dabei möglichst wenig bis keine (aufgrund der UV-Bestrahlung anfällige) Optiken zur nachträglichen Korrektur der Aberrationen vorsehen zu müssen, wird hierin vorgeschlagen, dem Laserstrahl vor der Frequenzkonversion eine geeignete, insbesondere einstellbare, räumliche Phasen- und Amplitudenanpassung aufzuprägen, die sich mit den Aberrationen im Konversionskristall und/oder von eventuellen unvermeidbaren Folgeoptiken so überlagert, dass sich am Ausgang des Gesamtsystems wieder (nahezu) die gewünschten Strahleigenschaften ergeben. Durch diese Vorkompensation kann so die Zahl der der UV-induzierten Zerstörung ausgesetzten Optiken klein gehalten werden.With the aim of keeping such aberrations as low as possible and having to provide as little as possible (due to UV irradiation vulnerable) optics for the subsequent correction of aberrations, it is proposed herein, the laser beam before the frequency conversion a suitable, in particular adjustable, spatial Imposing phase and amplitude adjustments, which are superimposed on the aberrations in the conversion crystal and / or on possible unavoidable subsequent optics in such a way that (almost) the desired beam properties result again at the output of the overall system. As a result of this precompensation, the number of optics exposed to the UV-induced destruction can thus be kept small.

Die hierein beschriebene Strahladaptionsvorrichtung kann dazu genutzt werden, einen oder mehrere Ausgangsstrahlen für die Frequenzkonversion bereitzustellen, die die aberrationshervorrufende Eigenschaft des Konversionskristalls beispielsweise bei der Erzeugung der dritten Harmonischen (THG) im UV kompensieren, oder auch bei der Erzeugung von UV-Strahlung durch die 2. oder 4. Harmonische (SHG, 4thHG), generell bei der Erzeugung höherer Harmonischer. Dabei bezieht sich die Vorkompensation mit der Strahladaptionsvorrichtung insbesondere auf eine nicht rotationssymmetrische Strahlform am Eintritt in den Konversionskristall, wie sie im Folgenden in Verbindung mit den 5 bis 7 erläutert wird.The beam-adapting device described herein may be used to provide one or more frequency-conversion output beams that compensate for the aberration-evoking nature of the conversion crystal, for example, in third-harmonic generation (THG) in the UV, or in the generation of UV radiation through FIG or 4th harmonic (SHG, 4thHG), generally in the creation of higher harmonics. In this case, the precompensation with the beam adaptation device relates in particular to a non-rotationally symmetrical beam shape at the entrance to the conversion crystal, as described below in connection with FIGS 5 to 7 is explained.

Neben der explizit angesprochenen UV-Strahlungserzeugung kann auch vor einer SHG oder einer anderen Frequenzkonversion mit Zielwellenlängen unter z.B. 550 nm die Strahladaptionsvorrichtung eingesetzt werden, denn auch in diesem Wellenlängenbereich kann es vorteilhaft sein, möglichst wenige Optiken in hoher Leistung zu verwenden. Z.B. lassen sich viele optische Materialien und Beschichtungen bei in diesem Wellenlängenbereich nicht mehr in einem Hochleistungslaserstrahl einsetzen, da sie beginnen zu absorbieren und thermische Linsen aufzubauen. Weiterhin können sich z.B. gasförmige Umgebungsluftkontaminationen bereits durch Licht im Bereich von 550 nm und weniger auf Optiken ablagern. So ist es vorteilhaft, die Anzahl der Optiken aus dem Bereich des kurzwelligen Lichts hinter einer Frequenzkonversion zu reduzieren. Dies kann beispielsweise durch die Strahlanpassung in der Strahladaptionsvorrichtung vor der Frequenzkonversion ermöglicht werden.In addition to the explicitly mentioned UV radiation generation, the beam adaptation device can also be used before an SHG or another frequency conversion with target wavelengths below, for example, 550 nm can be used, because even in this wavelength range, it may be advantageous to use as few optics in high power. For example, many optical materials and coatings in this wavelength range can no longer be used in a high power laser beam as they begin to absorb and build up thermal lenses. Furthermore, for example, gaseous ambient air contaminations can already be deposited on optics by light in the range of 550 nm and less. Thus, it is advantageous to reduce the number of optics from the range of short-wave light behind a frequency conversion. This can be made possible, for example, by the beam adaptation in the beam adaptation device before the frequency conversion.

Vorteile aus einer Vorkompensation von strahlabwärts aufgeprägten Aberrationen mit Hilfe der Strahladaptionsvorrichtung können sich auch für Laser mit größerer Wellenlänge, z.B. Infrarot (IR)-Laser, ergeben, wenn eine nachträgliche Kompensation oder Vermeidung der Aberration, z.B. aufgrund schlechter Zugänglichkeit, z.B. durch Verrohrung oder Kapselung an diesen Stellen, nicht oder nicht gut möglich ist.Advantages of precompensation of downstream aberrations with the aid of the beam-adapting device can also be obtained for longer wavelength lasers, e.g. Infrared (IR) lasers, when subsequent compensation or avoidance of aberration, e.g. due to poor accessibility, e.g. by piping or encapsulation at these points, not or not well possible.

In einem Konversionskristall kann beispielsweise der bereits erwähnte Walk-off-Effekt vorliegen, der dazu führt, dass eine der für den nichtlinearen Prozess benötigten Wellenlängen nicht genau in der gleichen Richtung propagiert wie die andere. Dadurch kann es zu einem unrunden frequenzkonvertierten Strahl kommen. 5 illustriert dies für den Aufbau einer Frequenzkonversionseinheit mit einem konventionellen Strahlaufweiter (siehe z.B. den Strahlaufweiter 1 aus 1), der einen Eingangslaserstrahl mit einem symmetrischen Strahlprofil 1A in ein entsprechend größeres symmetrisches Strahlprofil 1A' überführt. Durch die Frequenzkonversion wird in einer Anordnung von einem oder mehreren nichtlinearen Kristallen 55 z.B. UV-Strahlung in einem Bereich erzeugt, der in Richtung 61 beispielsweise durch den Walk-off verlängert ist und entsprechend ein nicht rotationssymmetrisches, unrundes Strahlprofil 1A" aufweist. Beispiele für Frequenzkonversionskristalle umfassen z.B. Beta-Bariumborat (beta-BaB2O4, BBO), Lithiumtriborat (LiB3O5, LBO), Cäsium-Lithiumborate (CsLiB6O10, CLBO) , Kaliumdihydrogenphosphat (KH2PO4, KDP).In a conversion crystal, for example, the already mentioned walk-off effect can be present, which leads to one of the wavelengths required for the non-linear process not propagating exactly in the same direction as the other. This can lead to a non-round frequency-converted beam. 5 illustrates this for the construction of a frequency conversion unit with a conventional beam expander (see, for example, the beam expander 1 out 1 ), which has an input laser beam with a symmetrical beam profile 1A in a correspondingly larger symmetrical beam profile 1A ' transferred. The frequency conversion is done in an array of one or more nonlinear crystals 55 eg UV radiation generated in a region in the direction 61 for example, is extended by the walk-off and accordingly a non-rotationally symmetric, non-circular beam profile 1A " having. Examples of frequency conversion crystals include, for example, beta-barium borate (beta-BaB 2 O 4 , BBO), lithium triborate (LiB 3 O 5 , LBO), cesium lithium borate (CsLiB 6 O 10 , CLBO), potassium dihydrogen phosphate (KH 2 PO 4 , KDP). ,

Bei der Verwendung einer Strahladaptionsvorrichtung 21 zur variablen Astigmatismus-Einstellung kann diese Unrundheit durch eine entsprechend gegenläufige Unrundheit im oder nahe am Kristall des der Frequenzkonversion zugrunde liegenden Strahls (z.B. des Ausgangsstrahls der Strahladaptionsvorrichtung) kompensiert werden.When using a beam adaptation device 21 For variable astigmatism adjustment, this out-of-roundness can be compensated by a correspondingly opposite runout in or close to the crystal of the beam underlying the frequency conversion (for example, the output beam of the beam adaptation device).

6 zeigt eine Frequenzkonversionseinheit 51 mit einer Strahlvorkompensationsvorrichtung 53 und einer Anordnung 54 von einem oder mehreren Konversionskristallen 55. 6 zeigt zusätzlich drei Strahlprofile, wie sie sich auf der Strahlachse ausbilden. 6 shows a frequency conversion unit 51 with a beam precompensation device 53 and an arrangement 54 of one or more conversion crystals 55 , 6 additionally shows three beam profiles, as they form on the beam axis.

Die Frequenzkonversion geht von einer Strahlquelle 52 aus. Diese ist beispielsweise ein Yb:YAG-, Yb:Glass-, Nd:YAG-, Nd:YVO-, Nd:Glass- oder Nd:YLF-Laser oder ein anderer Festkörper oder Faserlaser mit z.B. den laseraktiven Ionen Ytterbium oder Neodym in einem Hostmaterial. Die Strahlquelle 52 kann ferner ein Festkörper- oder Faserlaser mit anderen laseraktiven Materialien oder anderen Hostmaterialien oder ein Diodenlaser oder ein Gaslaser sein. Allgemein kann die Strahlquelle 52 eine Laserstrahlquelle sein, die eine elektromagnetische Strahlung 52A, d.h. Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von z.B. 500 nm bis z.B. 1600 nm, insbesondere von 800 nm bis 1100 nm, weiter insbesondere die Wellenlängen von 1030 nm, 1047 nm, 1051 nm, 1064 nm, 1070 nm, und/oder 1080 nm, emittiert und als Eingangsstrahlung für die Strahlvorkompensationsvorrichtung 53, insbesondere für deren Strahladaptionsvorrichtung 21 zur variablen Astigmatismus-Einstellung, bereitstellt. 6 zeigt wieder ein beispielhaftes symmetrisches Strahlprofil 1A dieser primären Strahlung.The frequency conversion is from a beam source 52 out. This is for example a Yb: YAG, Yb: Glass, Nd: YAG, Nd: YVO, Nd: Glass or Nd: YLF laser or another solid or fiber laser with eg the laser-active ions ytterbium or neodymium in one host material. The beam source 52 may also be a solid state or fiber laser with other laser active materials or other host materials or a diode laser or a gas laser. Generally, the beam source 52 a laser beam source, which is an electromagnetic radiation 52A , ie laser radiation in the wavelength range of eg 500 nm to eg 1600 nm, in particular from 800 nm to 1100 nm, more particularly the wavelengths of 1030 nm, 1047 nm, 1051 nm, 1064 nm, 1070 nm, and / or 1080 nm, emitted and as input radiation for the beam precompensation device 53 , in particular for the beam-adapting device thereof 21 for variable astigmatism adjustment. 6 again shows an exemplary symmetrical beam profile 1A this primary radiation.

Die Strahladaptionsvorrichtung 21 ist derart eingestellt, dass ein Ausgangsstrahl 53A der Strahlvorkompensationsvorrichtung 53 vorbestimmte Strahlparameter aufweist, die im oder nahe an einem der Frequenzkonversionskristalle 55 zu einer einseitig vergrößerten Strahlform führen. Ein entsprechend unrundes (z.B. elliptisches) Strahlprofil 53' ist in 6 beispielhaft am Ausgang der Strahladaptionsvorrichtung 21 angedeutet.The beam adaptation device 21 is set such that an output beam 53A the beam precompensation device 53 having predetermined beam parameters in or close to one of the frequency conversion crystals 55 lead to a one-sided enlarged beam shape. A corresponding non-round (eg elliptical) beam profile 53 ' is in 6 by way of example at the outlet of the beam-adapting device 21 indicated.

7 verdeutlicht eine beispielhafte Einstellung der Strahladaptionsvorrichtung 21 in zwei orthogonalen Ebenen, der x-z-(horizontalen) Ebene und der y-z-(vertikalen) Ebene sowie eine beispielhafte Orientierung eines Konversionskristalls 55, die zu einem Walk-Off in der x-z-Ebene in „-x“-Richtung für die dem Walk-off unterliegende Wellenlänge führt. 7 illustrates an exemplary adjustment of the beam-adapting device 21 in two orthogonal planes, the xz (horizontal) plane and the yz (vertical) plane, and an exemplary orientation of a conversion crystal 55 which results in an x-axis walk-off in the "-x" direction for the walk-off wavelength.

In 7 ist der Strahlengang der unbeeinflussten Wellenlänge im Konversionskristall 55 mit einem durchgezogenen Linienpaar 57A und der Strahlengang der beeinflussten Wellenlänge mit einem gestrichelten Linienpaar 57B eingezeichnet. Letzterer läuft in der horizontalen Ebene unter einem Walk-off-Winkel zur Strahlachse 25. In der y-z-Richtung liegt kein Walk-off-Effekt vor und die Strahlengänge (gestrichelten-durchgezogenen Linienpaare 57A, 57B) verlaufen entsprechend in der y-z-Ebene parallel.In 7 is the beam path of the unaffected wavelength in the conversion crystal 55 with a solid line pair 57A and the beam path of the affected wavelength with a dashed line pair 57B located. The latter runs in the horizontal plane at a walk-off angle to the beam axis 25 , In the yz direction there is no walk-off effect and the beam paths (dashed-solid line pairs 57A . 57B ) run parallel in the yz plane accordingly.

Ohne entsprechende Strahladaptionsvorrichtung kann dies, wie in 5 verdeutlicht, zu einer Verbreiterung der erzeugten UV-Strahlung in der horizontalen Ebene führen. Dies ist in 7 durch unterschiedlich lange, die Strahldurchmesser andeutende, gepunktete Pfeile 59A, 59B verdeutlicht (siehe hierzu auch die mit einer punktierten und einer durchgezogenen Linie verdeutlichte frequenzkonvertierte Strahlung in 5). Without a corresponding beam-adapting device this can, as in 5 clarifies, leading to a broadening of the generated UV radiation in the horizontal plane. This is in 7 by differently long, the beam diameter suggestive, dotted arrows 59A . 59B clarified (see also the illustrated with a dotted and a solid line frequency - converted radiation in 5 ).

Wie in 7 ferner gezeigt wird, passt die Strahladaptionsvorrichtung 21 jedoch die Strahlparameter des Ausgangsstrahls 53A derart an, dass bei im Wesentlichen z.B. gleicher Divergenz der Ausgangsstrahl 53A in y-Richtung größer ist als in x-Richtung. Die Anpassung der Strahlgröße kann einen zumindest teilweisen Ausgleich der unterschiedlichen Strahldurchmesser in den beiden Richtungen der erzeugten UV-Strahlung 54A bewirken. Dies ist in 7 durch gleichlange, die Strahldurchmesser in den Ebenden andeutende, durchgezogene Pfeile 60 und in 6 durch ein rundes Strahlprofil 54' nach der Frequenzkonversionseinheit 51 verdeutlicht.As in 7 is further shown, fits the beam-adapting device 21 however, the beam parameters of the output beam 53A such that at essentially, for example, the same divergence, the output beam 53A is greater in the y-direction than in the x-direction. The adjustment of the beam size can at least partially compensate for the different beam diameters in the two directions of the generated UV radiation 54A cause. This is in 7 by the same length, the beam diameters in the lintings suggestive, solid arrows 60 and in 6 through a round beam profile 54 ' after the frequency conversion unit 51 clarified.

Mit anderen Worten legt das hierin vorgeschlagene Verfahren zur Frequenzkonversion den Ausgangsstrahl 53A mit einem variablen astigmatischen Strahladapter in horizontaler Richtung (d.h. in der Walk-off-Richtung) kleiner aus als in vertikaler Richtung, so dass der Walk-off-Effekt vorkompensiert wird. Man erhält dann nach der Konversion einen im Wesentlichen runden frequenzkonvertierten Strahl 54A.In other words, the frequency conversion method proposed herein provides the output beam 53A with a variable astigmatic beam adapter in the horizontal direction (ie in the walk-off direction) smaller than in the vertical direction, so that the walk-off effect is precompensated. After conversion, a substantially round frequency-converted beam is then obtained 54A ,

Für die Vorkompensation kann, wie beispielhaft in 7 gezeigt wird, die erste Sammellinse L1 um die vertikale Achse und die zweite Sammellinse L3 um die horizontale Achse verkippt sein. Die Abstände der Linsen L1, L2 und L3 wurden ferner so anpasst, dass ein Ausgangsstrahl 53A mit der gewünschten Divergenz in den entsprechenden Ebenen geformt wird.For the precompensation can, as exemplified in 7 is shown, the first converging lens L1 around the vertical axis and the second convergent lens L3 be tilted about the horizontal axis. The distances of the lenses L1 . L2 and L3 were further adapted so that an output beam 53A is formed with the desired divergence in the corresponding planes.

Walk-Off ist bei gegebener Kristallorientierung und Länge immer gleich, so dass man zu seiner Kompensation entsprechende, den Strahl nicht einstellbar formende, Festoptiken wählen könnte. Die Verwendung eines variablen astigmatischen Strahladapters hat aber den Vorteil, dass, wenn sich die tatsächliche Quelle und Stärke des Astigmatismus und der Unrundheit aufgrund der Überlagerung weiterer verschiedener Aberrationsursachen (siehe oben) oder - quellen (inklusive einer eventuell nicht vorhersagbar astigmatischen unrunden Quelle 52 A) nicht exakt voraussagen lässt, im jeweiligen Frequenzkonversionsmechanismus eine Feinjustage der Vorkompensation durchgeführt werden kann.Walk-off is always the same for given crystal orientation and length, so that one could choose for its compensation corresponding, the beam not adjustable shaping, fixed optics. However, the use of a variable astigmatic beam adapter has the advantage that when the actual source and magnitude of astigmatism and out-of-roundness are due to the superposition of other causes of aberration (see above) or sources (including a possibly unpredictable astigmatic non-circular source 52 A) can not predict exactly, in the respective frequency conversion mechanism a fine adjustment of the precompensation can be performed.

Beispielsweise können sich Imperfektionen der Konversionskristalle oder der nachfolgenden Optiken auf die benötigte Vorkompensation auswirken. So kann beispielsweise die optische Oberfläche der Kristalle durch die Politur einen leichten Zylinder aufweisen oder es liegt eine sich auswirkende Anisotropie des Kristalls/der Kristalle vor. Gerade aufgrund der Vielzahl von Parametern (bekannt und unbekannt) ist hier der Einsatz einer Strahladaptionsvorrichtung zur variablen Strahlformung besonders nützlich, da so die Strahlparameter leicht von Lasersystem zu Lasersystem auf die speziellen Verhältnisse anpassbar sind.For example, imperfections of the conversion crystals or the subsequent optics can affect the required precompensation. Thus, for example, the optical surface of the crystals may have a slight cylinder through the polish, or there may be an effecting anisotropy of the crystal (s). Precisely because of the large number of parameters (known and unknown), the use of a beam-adapting device for variable beam shaping is particularly useful here, since in this way the beam parameters can be easily adapted from laser system to laser system to the specific conditions.

Dies wäre insbesondere mit einer Zylinderlinse oder einer einzelnen verkippten Linse nicht möglich. Selbst zwei verkippte Linsen können eine noch zu geringe Flexibilität bieten, da dann zwar der Unterschied der beiden Achsen variabel einstellbar sein kann, jedoch die mittlere Vergrößerung des Strahls nicht. Überdies ändert sich die mittlere Vergrößerung im Vergleich zum Aufbau mit gerade in den Strahl gestellten Linsen.This would not be possible in particular with a cylindrical lens or a single tilted lens. Even two tilted lenses can still provide too little flexibility, because then although the difference of the two axes can be variably adjustable, but not the average magnification of the beam. Moreover, the average magnification changes compared to the structure with lenses just placed in the beam.

Neben der beispielhaft in 6 gezeigten Anordnung einer Strahlvorkompensationsvorrichtung vor der Anordnung von Konversionskristallen kann ergänzend oder alternativ eine weitere Strahlvorkompensationsvorrichtung vor einem oder vor mehreren speziellen oder vor jedem einzelnen Konversionskristall bereitgestellt werden.In addition to the example in 6 In addition, or alternatively, another beam precompensation device may be provided before one or more special or before each individual conversion crystal, as shown in the arrangement of a beam precompensation device shown before the arrangement of conversion crystals.

Das ausgeführte Beispiel des Einsatzes einer Strahladaptionsvorrichtung bei der Frequenzkonversion zeigt, dass Strahladaptionsvorrichtungen allgemein in optischen Systemen immer dann eingesetzt werden können, wenn aus unterschiedlichsten Gründen (z.B. Austausch von Komponenten mit nicht identischen Eigenschaften, schlechte Zugangsmöglichkeiten z.B. aufgrund von geschlossenen/verrohrten Systemen, Betriebsparameter-abhängige Beeinflussung von Strahlparametern etc.) eine hohe Flexibilität hinsichtlich einer kontinuierlich variablen Anpassung des Laserstrahls benötigt wird.The illustrated example of the use of a beam adaptation device in frequency conversion shows that beam adaptation devices can generally be used in optical systems whenever, for various reasons (eg, replacement of components with non-identical properties, poor accessibility, eg due to closed / cased systems, operating parameters). dependent influencing of beam parameters, etc.) a high flexibility with regard to a continuously variable adaptation of the laser beam is required.

Die hierin offenbarte Strahladaptionsvorrichtung erlaubt es mit einfachen Mitteln, für eine Vielzahl von Eingangsparametern den jeweils gewünschten Ausgangsparameter eines Laserstrahls bereitzustellen. Entsprechend können optische Einflüsse verschiedenster Komponenten in optischen Systemen flexibel mit den hierin offenbarten Strahladaptionsvorrichtungen kompensiert werden.The beam-adaptation device disclosed herein makes it possible with simple means to provide the respective desired output parameter of a laser beam for a large number of input parameters. Accordingly, optical effects of various components in optical systems can be flexibly compensated with the beam-adapting devices disclosed herein.

D.h., dass das Konzept der Vorkompensation allgemein auch auf nicht UV-Systeme übertragen werden kann, wenn z.B. die nachträgliche Korrektur aus anderen Gründen (z.B. Zugänglichkeit) nicht oder nur schwer möglich ist.That is, the concept of pre-compensation can generally also be applied to non-UV systems, e.g. the subsequent correction for other reasons (such as accessibility) is difficult or impossible.

8 zeigt allgemein eine Strahladaptionsvorrichtung 71, die in einem optischen System 73 z.B. zur Kompensation von Unterschieden von austauschbaren optischen Komponenten 75 (Laserquellen, Linsen, Spiegel, Lasermedien, Pumpquellen) bzw. zur Einstellung von bestimmten anwendungsspezifischen Ausgangstrahlparametern verwendet wird. Beispielsweise erlaubt eine Steuerungseinheit 77 die Einstellung von Abstandsparametern und/oder Winkelparametern bzgl. der Linsen der Strahladaptionsvorrichtung 71. 8th generally shows a beam-adapting device 71 in an optical system 73 eg to compensate for differences of interchangeable optical components 75 (Laser sources, lenses, mirrors, laser media, pump sources) or to set certain application-specific output beam parameters is used. For example, a control unit allows 77 the adjustment of distance parameters and / or angle parameters with respect to the lenses of the beam-adapting device 71 ,

Mit Blick auf die allgemeine Einsetzbarkeit der Strahladaptionsvorrichtung erstreckt sich der Wellenlängenbereich auch auf bzgl. der oben angegebenen beispielhaften Wellenlängen kürzere und längere Wellenlängen. So können beispielsweise ZnSe-Linsen auch für CO2-Laser eine Ausführung der Strahladaptionsvorrichtung im entsprechenden Wellenlängenbereich des CO2-Lasers ermöglichen.In view of the general applicability of the beam-adapting device, the wavelength range also extends with respect to the exemplary wavelengths given above shorter and longer wavelengths. For example, ZnSe lenses can also be used for CO2 lasers to enable the beam-adapting device to be designed in the corresponding wavelength range of the CO2 laser.

Beispielsweise kann die Strahladaptionsvorrichtung bei Bearbeitungsoptiken für Strahlwerkezeuge eingesetzt werden, die reproduzierbar einen runden Spot definierter Größe in definierter Lage nach der Bearbeitungsoptik erzeugen sollen. Derartige Bearbeitungsoptiken benötigen einen anastigmatischen und runden Eingangsstrahl definierter Größe und Divergenz, der mit der Strahladaptionsvorrichtung bereitgestellt werden kann. Ferner können z.B. diffraktive optische Elemente (DOE) von Eingangsstrahlen mit reproduzierbar einstellbaren, genau definierten und engtolerierten Strahlparametern profitieren.For example, the beam-adapting device can be used in processing optics for jet-tooling, which are intended to reproducibly produce a round spot of defined size in a defined position after the processing optics. Such processing optics require an anastigmatic and circular input beam of defined size and divergence that can be provided with the beam-adapting device. Furthermore, e.g. diffractive optical elements (DOE) of input beams with reproducibly adjustable, precisely defined and narrow tolerance beam parameters profit.

Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly pointed out that all features disclosed in the description and / or the claims are considered separate and independent of each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the feature combinations in the embodiments and / or the claims should. It is explicitly stated that all range indications or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of the original disclosure as well as for the purpose of restricting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • ISO 11145 [0003]ISO 11145 [0003]
  • ISO 11146 [0003]ISO 11146 [0003]

Claims (18)

Strahladaptionsvorrichtung (21) zum kontinuierlich variablen Anpassen einer sich entlang einer Strahlachse (25) der Strahladaptionsvorrichtung (21) ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung hinsichtlich Strahlparametern wie lateraler Ausdehnung und Divergenz, insbesondere zur Beeinflussung von Astigmatismus und nicht rotationssymmetrischen Strahlquerschnitten, mit einem optischen Eingangselement (39) mit einer ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) zur Aufnahme der elektromagnetischen Strahlung, die mindestens eine bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbare erste Linse (L1) bereitstellt, wobei die erste Linse (L1) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann, und einer Divergenzanpassungslinseneinheit (31) mit einer zweiten Linse (L2) zur Einstellung der Divergenz, wobei der Abstand (d12) zwischen der zweiten Linse (L2) und der ersten Linse (L1) der ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist, und einem optischen Ausgangselement mit einer zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29) mit mindestens einer bezüglich der Strahlachse (25) zur Astigmatismus-Einstellung verkippbaren dritten Linse (L3), wobei die dritte Linse (L3) in einer beliebigen Richtung um einen einstellbaren Winkel verkippbar ausgerichtet werden kann und der Abstand (d23) zwischen der zweiten Linse (L2) der Divergenzanpassungslinseneinheit (31) und der dritten Linse (L3) entlang der Strahlachse (25) einstellbar ist.A beam adaptation device (21) for continuously variable adaptation of an electromagnetic radiation propagating along a beam axis (25) of the beam adaptation device (21) with respect to beam parameters such as lateral expansion and divergence, in particular for influencing astigmatism and non-rotationally symmetric beam cross sections, with an optical input element (39) a first astigmatism lens unit (27) for receiving the electromagnetic radiation which provides at least one first lens (L1) tiltable with respect to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, wherein the first lens (L1) is in an arbitrary direction at an adjustable angle tiltable can be aligned, and a divergence adjusting lens unit (31) having a second lens (L2) for adjusting the divergence, wherein the distance (d12) between the second lens (L2) and the first lens (L1) of the first astigmatism lens unit (27) along the beam axis (25 ) is adjustable, and an optical output element with a second astigmatism lens unit (29) having at least one third lens (L3) which can be tilted relative to the beam axis (25) for astigmatism adjustment, wherein the third lens (L3) can be tilted in an arbitrary direction by an adjustable angle and the distance (d23) is adjustable between the second lens (L2) of the divergence adjusting lens unit (31) and the third lens (L3) along the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) is a, in particular rotationally symmetrical, converging lens and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetric, dispersing lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) is a, in particular rotationally symmetric, scattering lens and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetrical, converging lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach Anspruch 1, wobei die erste Linse (L1) und/oder die zweite Linse (L2) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Streulinse ist und/oder die dritte Linse (L3) eine, insbesondere rotationssymmetrische, Sammellinse ist.Beam adaptation device (21) according to Claim 1 , wherein the first lens (L1) and / or the second lens (L2) is a, in particular rotationally symmetric, scattering lens and / or the third lens (L3) is a, in particular rotationally symmetrical, collecting lens. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Linse (L1), die zweite Linse (L2) und/oder die dritte Linse (L3) rotationssymmetrische Linsen sind und/oder wobei die erste Linse (L1) und/oder die dritte Linse (L3) mindestens in einer Richtung orthogonal zur Strahlachse (25) verschiebbar sind.A beam-adapting device (21) according to any one of the preceding claims, wherein the first lens (L1), the second lens (L2) and / or the third lens (L3) are rotationally symmetric lenses and / or wherein the first lens (L1) and / or the third lens (L3) are displaceable in at least one direction orthogonal to the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Astigmatismus-Linseneinheit (27), die Divergenzanpassungslinseneinheit (31) und/oder die zweite Astigmatismus-Linseneinheit (29) derart ausgebildet sind, dass sich durch die Verkippbarkeit der ersten Linse (L1) und/oder der dritten Linse (L3) und durch die Verschiebbarkeit der zweiten Linse (L2) und/oder der dritten Linse (L3) durch Verkippen und Verschieben der entsprechenden Linsen die Größe der elektromagnetischen Strahlung an einer Bezugsebene nach der Strahladaptionsvorrichtung (21) und die Divergenz der elektromagnetischen Strahlung in jeweils zwei unabhängigen Richtungen einstellen lassen.A beam-adapting device (21) according to any one of the preceding claims, wherein the first astigmatic lens unit (27), the divergence-adjusting lens unit (31) and / or the second astigmatic lens unit (29) are formed such that the tiltability of the first lens (L1 ) and / or the third lens (L3) and by the displaceability of the second lens (L2) and / or the third lens (L3) by tilting and shifting the corresponding lenses, the magnitude of the electromagnetic radiation at a reference plane after the beam-adapting device (21) and adjust the divergence of the electromagnetic radiation in two independent directions. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer entlang der Strahlachse (25) ausgebildeten Justageschiene (23) zur Positionierung der ersten Astigmatismus-Linseneinheit (27), der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29) und/oder der Divergenzanpassungslinseneinheit (31) entlang der Strahlachse (25) und/oder mit mindestens einer Drehhalterung (35, 37) zum Halten der ersten Linse (L1) oder der dritten Linse (L3), wobei die mindestens eine Drehhalterung (35, 37) mindestens eine Einstellvorrichtung zur Einstellung mindestens eines Kippwinkels (φ, φ1) der Linse (L1, L3) um mindestens eine Kippachse (35A, 37A) aufweist, und insbesondere eine Kippachse (35A, 37A) orthogonal zur Strahlachse (25) verläuft.A beam-adapting device (21) according to any one of the preceding claims, further comprising an alignment rail (23) formed along the beam axis (25) for positioning the first astigmatism lens unit (27), the second astigmatism lens unit (29) and / or the divergence adjustment lens unit (31) along the beam axis (25) and / or with at least one rotary support (35, 37) for holding the first lens (L1) or the third lens (L3), wherein the at least one rotary support (35, 37) at least one adjusting device for adjusting at least one tilt angle (φ, φ1) of the lens (L1, L3) around at least one tilting axis (35A, 37A), and in particular a tilting axis (35A, 37A) is orthogonal to the beam axis (25). Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Strahlanalyseeinheit (41) umfassend eine erste Detektionseinheit (K1) zur Aufnahme eines Strahlprofils (P1) der elektromagnetischen Strahlung in einer Bildebene (E), eine Analyselinse (AL), die das Strahlprofil (P1) im Bereich der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29), insbesondere der dritten Linse (L3) als Objektebene (O), auf die Bildebene (E) abbildet, und mindestens eine Fernfelddetektionseinheit (K2) zur Aufnahme eines Strahlprofils (P2) der elektromagnetischen Strahlung im Fernfeld nach der zweiten Astigmatismus-Linseneinheit (29), wobei insbesondere die Strahlanalyseeinheit (41) zur Analyse eines Analyseanteils (43) der elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist.A radiation adaptation device (21) according to any one of the preceding claims, further comprising a beam analysis unit (41) a first detection unit (K1) for receiving a beam profile (P1) of the electromagnetic radiation in an image plane (E), an analysis lens (AL), which images the beam profile (P1) in the region of the second astigmatic lens unit (29), in particular the third lens (L3) as an object plane (O), on the image plane (E), and at least one far field detection unit (K2) for receiving a beam profile (P2) of the electromagnetic radiation in the far field after the second astigmatism lens unit (29), wherein in particular the beam analysis unit (41) is designed to analyze an analysis portion (43) of the electromagnetic radiation. Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Steuerungseinheit (77) zur Ansteuerung der Verkippung der ersten Linse (L1) und/oder der dritten Linse (L3) und/oder zur Ansteuerung mindestens eines der Abstände (d12, d23) zwischen den Linsen (L1, L2, L3), insbesondere jeweils in Abhängigkeit von den mit der Strahlanalyseeinheit (41) detektierten Strahlprofilen (P1, P2, P3, ...) und insbesondere vorgegebenen Zielstrahlprofilen und/oder auf den Strahl zurückgehenden Messparametern.Beam adaptation device (21) according to one of the preceding claims, further comprising a control unit (77) for controlling the tilting of the first lens (L1) and / or the third lens (L3) and / or for driving at least one of the distances (d12, d23) between the lenses (L1, L2, L3), in particular in each case as a function of the beam profiles (P1, P2, P3,...) Detected with the beam analysis unit (41) and in particular predetermined target beam profiles and / or measuring parameters originating from the beam. Frequenzkonversionseinheit (51) mit einer Strahlvorkompensationsvorrichtung (53) mit einer Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Formen der von einer Strahlquelle (52) bereitgestellten elektromagnetischen Strahlung (52A) in einen Ausgangsstrahl (53A) mit vorbestimmten Strahlparametern und einer Einrichtung zur Frequenzkonversion mit mindestens einem Frequenzkonversionskristall (55) zur Erzeugung eines frequenzkonvertierten Strahls (54A) mit dem Ausgangsstrahl (53A), wobei die Einrichtung zur Frequenzkonversion derart ausgebildet ist, dass der frequenzkonvertierte Strahl (54A) bezüglich Strahlform und/oder Divergenz des Ausgangsstrahls (53A) nicht rotationssymmetrisch verformt erzeugt wird.A frequency conversion unit (51) having a beam precompensation device (53) with a beam adaptation device (21) according to any one of Claims 1 to 10 for shaping the electromagnetic radiation (52A) provided by a beam source (52) into an output beam (53A) having predetermined beam parameters and a device for frequency conversion with at least one frequency conversion crystal (55) for generating a frequency-converted beam (54A) with the output beam (53A) , wherein the means for frequency conversion is designed such that the frequency-converted beam (54A) is generated with respect to the beam shape and / or divergence of the output beam (53A) is not rotationally symmetrical deformed. Frequenzkonversionseinheit (51) nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zur Frequenzkonversion dazu ausgebildet ist, den frequenzkonvertierten Strahl (54A) durch einen eine nicht rotationssymmetrische Strahlform bewirkenden Frequenzkonversionsmechanismus zu erzeugen, und/oder die vorbestimmten Strahlparameter hinsichtlich einer nicht rotationssymmetrischen Verformung des Strahls und insbesondere zur Ausbildung einer asymmetrischen Strahlform (53') des Ausgangsstrahls (53A) im Frequenzkonversionskristall (55) vorbestimmt sind und/oder die Einrichtung zur Frequenzkonversion die Asymmetrie im frequenzkonvertierten Strahl (54) hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz zumindest teilweise kompensiert und/oder die Einrichtung zur Frequenzkonversion einen Frequenzkonversionsmechanismus umfasst, der für entsprechend vorbestimmte Strahlparameter des Ausgangsstrahls (53A) einen hinsichtlich Strahlform und/oder Divergenz im Wesentlichen rotationssymmetrischen, frequenzkonvertierten Strahl (54) erzeugt.Frequency conversion unit (51) after Claim 10 wherein the means for frequency conversion is adapted to generate the frequency-converted beam (54A) by a non-rotationally symmetric beam shape causing frequency conversion mechanism, and / or the predetermined beam parameters with respect to a non-rotationally symmetric deformation of the beam and in particular to form an asymmetrical beam shape (53 '; ) of the output beam (53A) are predetermined in the frequency conversion crystal (55) and / or the means for frequency conversion at least partially compensates for the asymmetry in the frequency - converted beam (54) in terms of beam shape and / or divergence and / or the frequency conversion device comprises a frequency conversion mechanism suitable for according to predetermined beam parameters of the output beam (53A) generates a respect to beam shape and / or divergence substantially rotationally symmetrical, frequency-converted beam (54). Frequenzkonversionseinheit (51) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Frequenzkonversionskristall (55) durch eine bei der Frequenzkonversion vorliegende Walk-off-Richtung (61) bezüglich der Propagationsrichtung des Ausgangsstrahls (53A) charakterisiert ist, der Frequenzkonversionsmechanismus zu einer in Walk-off-Richtung (61) vergrößerten Strahlform des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt und die Strahlvorkompensationsvorrichtung (53) derartige vorbestimmte Strahlparameter des Ausgangsstrahls (53A) bereitstellt, dass die Strahlform des Ausgangsstrahls (53A) im oder nahe am Frequenzkonversionskristall senkrecht zur Walk-off-Richtung und zur Propagationsrichtung größer ist als in der Walk-off-Richtung.Frequency conversion unit (51) after Claim 10 or 11 wherein the frequency conversion crystal (55) is characterized by a walk-off direction (61) in frequency conversion with respect to the propagation direction of the output beam (53A), the frequency conversion mechanism to a walk-off (61) enlarged beam shape of the frequency-converted beam (54A) and the beam precompensating device (53) provides such predetermined beam parameters of the output beam (53A) that the beam shape of the output beam (53A) is greater in or near the frequency conversion crystal perpendicular to the walk-off direction and propagation direction than in the off-direction. Optisches System (73) mit einer Mehrzahl von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System (73) beeinflussenden optischen Komponenten (75) und einer Strahladaptionsvorrichtung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Kompensation von Strahlform und/oder Divergenz im optischen System (73), insbesondere nach einem Einstellen und/oder Austauschen einer der optischen Komponenten (75) und/oder zur Einstellung von bestimmten Parametern eines mit dem optischen System (73) erzeugten Strahls.Optical system (73) having optical components (75) influencing a plurality of beam shape and / or divergence in the optical system (73) and a beam adaptation device (71) according to any one of Claims 1 to 9 for compensating beam shape and / or divergence in the optical system (73), in particular after setting and / or exchanging one of the optical components (75) and / or for setting specific parameters of a beam generated by the optical system (73). Optisches System (73) nach Anspruch 13, ferner mit einer Steuerungseinheit (77) zur Einstellung eines Abstandsparameters und/oder eines Winkelparameters bzgl. Linsen (L1, L2, L3) der Strahladaptionsvorrichtung (71).Optical system (73) according to Claim 13 further comprising a control unit (77) for setting a distance parameter and / or an angle parameter with respect to lenses (L1, L2, L3) of the beam-adapting device (71). Verfahren zur Frequenzkonversion mit den Schritten Bereitstellen einer sich entlang einer Propagationsrichtung ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung (52A), Anpassen der elektromagnetischen Strahlung (52A) mit einer Strahladaptionsvorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz zur Formung eines Ausgangsstrahls (53A) für eine Frequenzkonversion in mindestens einem Frequenzkonversionskristall (55) und Erzeugen eines frequenzkonvertierten Strahls (54A) im Frequenzkonversionskristall (55), wobei die Anpassung hinsichtlich Strahlgröße und Divergenz des Ausgangsstrahls (53A) zu gewünschten Strahlparametern des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt.A frequency conversion method comprising the steps of providing an electromagnetic radiation (52A) propagating along a propagation direction, adjusting the electromagnetic radiation (52A) with a beam adapting device (21) according to any one of Claims 1 to 9 beam size and divergence for shaping an output beam (53A) for frequency conversion in at least one frequency conversion crystal (55) and generating a frequency converted beam (54A) in the frequency conversion crystal (55), wherein the adjustment in beam size and divergence of the output beam (53A) to desired beam parameters of the frequency-converted beam (54A). Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Anpassung zu einer im Wesentlichen Rotationssymmetrie des frequenzkonvertierten Strahls (54A) führt.Method according to Claim 15 wherein the matching results in a substantially rotational symmetry of the frequency-converted beam (54A). Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die elektromagnetische Strahlung (52A) Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von ca. 500 nm bis ca. 1600 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich von ca. 800 nm bis ca. 1100 nm, ist und der frequenzkonvertierte Strahl (54A) im Wellenlängenbereich von ca. 250 nm bis ca. 600 nm liegt, und insbesondere harmonische Strahlung zweiter, dritter oder höherer Ordnung der elektromagnetischen Strahlung (52A) ist.Method according to Claim 15 or 16 wherein the electromagnetic radiation (52A) is laser radiation in the wavelength range of about 500 nm to about 1600 nm, in particular in the wavelength range of about 800 nm to about 1100 nm, and the frequency-converted beam (54A) in the wavelength range of about 250 nm to about 600 nm, and in particular harmonic radiation of the second, third or higher order of the electromagnetic radiation (52A) is. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Frequenzkonversion durch eine bei der Frequenzkonversion vorliegende Walk-off-Richtung (61) bezüglich der Propagationsrichtung des Ausgangsstrahls (53A) charakterisiert ist und die Anpassung des Ausgangsstrahls bewirkt, dass die Strahlform des Ausgangsstrahls (53A) im oder nahe am Frequenzkonversionskristall senkrecht zur Walk-off-Richtung und zur Propagationsrichtung größer ist als in der Walk-off-Richtung.Method according to one of Claims 15 to 17 . wherein the frequency conversion is characterized by a walk-off direction (61) in the frequency conversion with respect to the propagation direction of the output beam (53A) and the adjustment of the output beam causes the beam shape of the output beam (53A) to be perpendicular to the walk in or near the frequency conversion crystal -off direction and propagation direction is greater than in the walk-off direction.
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