DE102017210241A1

DE102017210241A1 - Optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls

Info

Publication number: DE102017210241A1
Application number: DE102017210241.1A
Authority: DE
Inventors: Georg König; Oliver Pütsch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2037-06-21
Also published as: DE102017210241B4

Abstract

Eine optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls weist ein eingangsseitiges, ein ausgangsseitiges und wenigstens ein zwischenliegendes strahlformendes Element auf. Mit einer Verstelleinrichtung ist wenigstens eines der strahlformenden Elemente in seiner Lage oder seinen Eigenschaften zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand veränderbar. Die strahlformenden Elemente sind so ausgebildet und angeordnet, dass alleine durch Umschalten zwischen den beiden Zuständen das Intensitätsprofil eines eingekoppelten optischen Strahls nach einer Fokussierung in der Zielebene zwischen zwei Intensitätsprofilen umgeschaltet werden kann, die sich im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt unterscheiden.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, die ein eingangsseitiges, ein ausgangsseitiges und wenigstens ein zwischenliegendes strahlformendes Element aufweist, das auf einer optischen Achse der Anordnung zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen strahlformenden Element angeordnet ist. Derartige optische Anordnungen lassen sich bspw. zur Umformung eines Gauß-förmigen Intensitätsprofils in ein homogenes Intensitätsprofil einsetzen.
Das Intensitätsprofil I(x, y) eines Laserstrahls in der Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit einem Werkstoff besitzt die Eigenschaft, das Ergebnis eines laserbasierten Bearbeitungsverfahrens wesentlich zu beeinflussen. Das von einer Laserstrahlquelle emittierte, üblicherweise Gauß-förmige Intensitätsprofil wird bei vielen Anwendungen mit Hilfe von optischen Strahlformungselementen in prozessangepasste Intensitätsprofile transformiert, welche den spezifischen Anforderungen des Bearbeitungsverfahrens genügen. Von hoher Relevanz sind hierbei insbesondere homogene Intensitätsprofile bei radialsymmetrischen oder rechteckförmigen Strahlquerschnitten.
Bei der Realisierung von optischen Anordnungen zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls, im Folgenden auch als Strahlformungssysteme bezeichnet, lässt sich zwischen der Anwendung unterschiedlicher Methoden differenzieren. Bei der ersten Methode der Strahlintegration wird der Laserrohstrahl zunächst mittels Mehrfachreflexion oder Multiapertur-Optiken aufgeteilt. Durch anschließende Überlagerung der Teilstrahlen wird dann ein homogenes Intensitätsprofil erzeugt. Die zweite Methode der Phasentransformation basiert auf einer Umverteilung des Laserrohstrahlprofils. Die Modulation der Phasenfront, die hierzu erforderlich ist, lässt sich bspw. durch asphärische optische Komponenten erzielen. Eine dritte Methode arbeitet mit diffraktiven optischen Elementen.
Stand der Technik
Im industriellen Umfeld kommen derzeit vor allem statische Strahlformungssysteme zum Einsatz. Diese ermöglichen ausschließlich die Generierung von in Kontur und Intensitätsverlauf konstanter Intensitätsprofile. Im Rahmen der zunehmend geforderten Flexibilisierung der Produktionsumgebung besteht allerdings ein Bedarf an Strahlformungssystemen, welche durch die Generierung flexibler Intensitätsprofile in der Lage sind, auf variierende Prozessanforderungen reagieren zu können. Durch Anwendung der beiden oben beschriebenen Strahlformungsmethoden können solche Strahlformungssysteme bisher nur eingeschränkt realisiert werden, da die Intensitätsprofile nur in ihrer Kontur nicht jedoch im Intensitätsverlauf variiert werden können.
Ein aktuell verfolgter Ansatz zur Flexibilisierung besteht in einer mechanisch betätigten, optischen Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Strahlengängen. Im ersten Strahlengang erfolgt eine direkte Fokussierung des Gauß-förmigen Laserrohstrahls in die Wechselwirkungszone. Der zweite Strahlengang dient der Generierung eines homogenen Intensitätsprofils. Dabei wird der Laserstrahl in eine weitere Lichtleitfaser eingekoppelt. Durch das Ausbilden höherer Moden bildet sich am Faserende ein homogenisiertes Intensitätsprofil aus, welches anschließend in die Wechselwirkungszone abgebildet wird. Dieser zweite Strahlengang ist allerdings kostenintensiv und erfordert einen erhöhten Platzbedarf. Des Weiteren kann mit einer solchen Anordnung nur diskret zwischen zwei Intensitätsprofilen gewechselt werden.
Eine bekannte, auf Phasentransformation basierende Technik der Umformung des Intensitätsprofils nutzt asphärische optische Elemente, um die Intensität eines Gauß-förmigen Laserstrahls so umzuverteilen, dass entweder im Nahfeld oder im Fernfeld ein homogenes Intensitätsprofil entsteht. Ein Beispiel für ein derartiges System kann bspw. der Veröffentlichung von F. Dickey et al., „Laser beam shaping techniques", United States; abgerufen von http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/752659, entnommen werden. Ein Nachteil dieses Strahlformungssystems besteht allerdings darin, dass nicht zwischen unterschiedlichen Intensitätsprofilen gewechselt werden kann. Eine Möglichkeit hierzu würde im Austausch der strahlformenden Elemente bestehen. Diese Lösung würde jedoch wiederum dazu führen, dass lediglich zwischen diskreten Intensitätsprofilen umgeschaltet werden kann. Zudem würde der Strahlengang während des Austausches unterbrochen sein.
In A. Laskin et al., „Refractive beam shapers for optical systems of lasers", Proc. SPIE 9346, Components and Packaging for Laser Systems, 93460R (February 20, 2015), ist eine Möglichkeit zur Generierung unterschiedlicher Intensitätsprofile mit einem auf Phasentransformation basierenden Strahlformungssystem beschrieben, bei der der Strahldurchmesser des Eingangsstrahls variiert wird, um variierende Intensitätsprofile in der Wechselwirkungszone zu erzeugen. Die Kontur des Strahlquerschnitts lässt sich mit dieser Vorgehensweise allerdings nicht variieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls anzugeben, mit der die Generierung von mindestens zwei im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt unterschiedlichen Intensitätsprofilen aus einem Intensitätsprofil eines eingekoppelten optischen Strahls ohne einen Austausch optischer Komponenten oder eine Nutzung unterschiedlicher Strahlengänge ermöglicht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der optischen Anordnung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der optischen Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, umfasst ein eingangsseitiges, ein ausgangsseitiges und ein oder mehrere zwischenliegende strahlformende Elemente, die auf einer optischen Achse der Anordnung zwischen dem eingangsseitigen und dem ausgangsseitigen strahlformenden Element angeordnet sind. Die strahlformenden Elemente sind hierbei in der Regel durch optische Linsen und/oder Spiegel gebildet. Unter dem Intensitätsprofil ist das zweidimensionale Intensitätsprofil I(x, y) in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des optischen Strahls zu verstehen, auf die sich auch der Strahlquerschnitt bezieht. Die vorgeschlagene optische Anordnung weist eine Verstelleinrichtung auf, mit der wenigstens eines der strahlformenden Elemente, vorzugsweise wenigstens eines der zwischenliegenden strahlformenden Elemente, in seiner Lage oder seinen optischen Eigenschaften zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand veränderbar ist. In einer ersten Konfiguration der strahlformenden Elemente befindet sich das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element in dem ersten Zustand. In einer zweiten Konfiguration der strahlformenden Elemente befindet sich das mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element in dem zweiten Zustand. Die beiden Konfigurationen unterscheiden sich nur im Zustand des mit der Verstelleinrichtung veränderbaren strahlformenden Elementes. Die strahlformenden Elemente sind dabei so angeordnet und dimensioniert bzw. ausgebildet, dass sie in der ersten Konfiguration das Intensitätsprofil eines über das eingangsseitige strahlformende Element eingekoppelten optischen Strahls eines bestimmten Strahlquerschnitts so umformen, dass der optische Strahl nach einer Fokussierung in einer Zielebene hinter der optischen Anordnung ein im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt, insbesondere im Homogenitätsgrad, verändertes (zweites) Intensitätsprofil aufweist, und in der zweiten Konfiguration das Intensitätsprofil des eingekoppelten optischen Strahls nicht oder so umformen, dass der optische Strahl nach einer Fokussierung in der Zielebene ein im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt, insbesondere im Homogenitätsgrad, unverändertes oder verändertes drittes Intensitätsprofil aufweist, das sich im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt auch vom zweiten Intensitätsprofil unterscheidet. Der Homogenitätsgrad bezieht sich hierbei auf die Variation der Intensität über den Strahlquerschnitt, wobei der Homogenitätsgrad mit zunehmender Variation der Intensität über den Strahlquerschnitt abnimmt. Ein sog. Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil weist daher einen sehr hohen Homogenitätsgrad auf, während ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil einen geringeren Homogenitätsgrad hat.
Die vorgeschlagene Anordnung umfasst kein eingangsseitiges teleskopisches System zur reinen Strahlaufweitung. Das eingangsseitige strahlformende Element bildet somit auch keinen Bestandteil eines derartigen teleskopischen Systems. Es ist jedoch möglich, ein derartiges teleskopisches System zur Strahlaufweitung vor der vorgeschlagenen optischen Anordnung einzusetzen, um den Strahldurchmesser des optischen Strahls für den Eintritt in die vorgeschlagene optische Anordnung geeignet anzupassen.
Alleine durch den Wechsel zwischen den beiden Zuständen des wenigstens einen mit der Verstelleinrichtung veränderbaren strahlformenden Elements kann daher zwischen zwei unterschiedlichen Intensitätsprofilen in der Zielebene, bspw. der Wechselwirkungszone eines Laserstrahls mit dem Werkstück bei der Laserbearbeitung, umgeschaltet werden, ohne hierfür zusätzliche Strahlwege oder einen Austausch optischer Elemente in Kauf nehmen zu müssen. Die Anordnung ermöglicht die Generierung von Intensitätsprofilen mit einem variablen Grad an Homogenität. Vorzugsweise ist die Verstelleinrichtung dabei so ausgebildet, dass sich auch Zwischenzustände (zwischen dem ersten und zweiten Zustand) des in seiner Lage oder seinen optischen Eigenschaften veränderbaren strahlformenden Element einstellen lassen, so dass auch eine kontinuierliche Änderung des Intensitätsprofils in der Zielebene ermöglicht wird.
Mit der vorgeschlagenen Anordnung kann bei entsprechender Ausgestaltung bspw. ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil eines eingekoppelten Laserstrahls wahlweise in ein homogenes Intensitätsprofil als auch wiederum in ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil in der Zielebene überführt werden. Bei der Überführung in ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil bleiben der Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt und damit auch der Homogenitätsgrad unverändert, der Strahlquerschnitt und die Kontur können jedoch verändert werden. Gegenüber bisherigen Systemen erfolgt der Wechsel zwischen diesen beiden Intensitätsprofilen nicht diskret durch den Austausch von optischen Komponenten oder die Nutzung mehrerer Strahlengänge, sondern kontinuierlich durch die Rekonfiguration des Strahlenganges. Dies wird durch die Umorientierung bzw. Lageänderung oder Veränderung der optischen Eigenschaften einer oder mehrerer der strahlführenden optischen Elemente im Strahlengang erzielt. Die zeitliche Dynamik zur Änderung der Strahlformungseigenschaften wird durch diese Lageänderung bzw. Veränderung der optischen Eigenschaften vorgegeben.
Die vorgeschlagene optische Anordnung stellt durch die Möglichkeit der Generierung von Intensitätsprofilen mit einem variablen Grad an Homogenität einen signifikanten Mehrwert an Funktionalität bereit. Gegenüber anderen Konzepten bestehen die Vorteile darüber hinaus in der Verwendung einer reduzierten Anzahl von optischen Komponenten sowie in einem kompakteren Aufbau, da auf den Austausch optischer Komponenten oder der Verwendung mehrerer Strahlengänge verzichtet wird.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Verstelleinrichtung als Translationseinrichtung ausgebildet, mit der das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element relativ zu den anderen strahlformenden Elementen translatorisch zwischen einer ersten und einer zweiten Position als erstem und zweitem Zustand auf der optischen Achse bewegbar ist. Die Änderung der Strahlformungseigenschaften erfolgt in dieser Ausgestaltung durch die Translation eines oder mehrerer strahlformender optischer Elemente der Anordnung. Vorzugsweise wird nur eines der zwischenliegenden strahlformenden Elemente, vorzugsweise eine optische Linse, zur Änderung des Intensitätsprofils genutzt. Bei der Translationseinrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen Linearversteller mit einem Servo-, Schritt- oder Piezomotor als Antrieb.
Die strahlformenden Elemente sind bei der vorgeschlagenen optischen Anordnung vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet, dass sie in der ersten Konfiguration ein inhomogenes, insbesondere Gauß-förmiges, Intensitätsprofil des eingekoppelten optischen Strahls so umformen, dass der optische Strahl in der Zielebene als zweites Intensitätsprofil ein homogenes Intensitätsprofil aufweist. Hierdurch lässt sich also beispielsweise die bereits angeführte Umwandlung eines Gauß-förmigen in ein Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil realisieren. Die zweite Konfiguration ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass der Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt und damit auch der Homogenitätsgrad des Intensitätsprofils des eingekoppelten Strahls in dieser Konfiguration nicht verändert werden, so dass ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil des Eingangsstrahls wieder in ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil in der Zielebene überführt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden als strahlformende Elemente der optischen Anordnung sphärische optische Elemente, insbesondere sphärische Linsen und/oder sphärische Spiegel, eingesetzt. Durch die Wahl derartiger sphärischer optischer Elemente sind keine Sonderanfertigungen für die optische Anordnung erforderlich, so dass sich diese auch kostengünstig realisieren lässt. Optische Elemente mit einer planen Grenzfläche wie beispielsweise plan-konvexe oder plankonkave Linsen werden hierbei auch als sphärische optische Elemente bezeichnet.
In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung sind die strahlformenden Elemente so ausgebildet und angeordnet, dass sie in der ersten Konfiguration ein inhomogenes, insbesondere Gauß-förmiges, Intensitätsprofil des eingekoppelten optischen Strahls mit rundem Strahlquerschnitt so umformen, dass der optische Strahl in der Zielebene als zweites Intensitätsprofil ein homogenes Intensitätsprofil mit linienförmiger Kontur bzw. linienförmigem Strahlquerschnitt aufweist. Unter einer linienförmigen Kontur wird insbesondere eine elliptische Kontur mit hohem Seitenverhältnis, bspw. von > 20:1, verstanden. Als strahlformende Elemente werden hierzu vorzugsweise Zylinderlinsen und/oder zylindrische Spiegel eingesetzt.
Die vorgeschlagene Anordnung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen anhand der bevorzugten Ausgestaltung mit einer Translationseinrichtung als Verstelleinrichtung nochmals näher erläutert. Die optische Anordnung ist jedoch nicht auf eine derartige Ausgestaltung beschränkt. So kann das mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element bspw. auch eine elastische Linse mit veränderbarer Brechkraft sein. Die Verstelleinrichtung ist dann so ausgebildet, dass sie die Brechkraft der elastischen Linse zwischen einer ersten Brechkraft und einer zweiten Brechkraft als erstem und zweitem Zustand ändern kann. Derartige elastische Linsen lassen sich jedoch in der Regel nur in Verbindung mit geringeren optischen Leistungsdichten einsetzen. In gleicher Weise lässt sich auch ein Spiegel mit veränderbarer Brennweite einsetzen.
Die Dimensionierung der optischen Anordnung zur Bildung der beiden Konfigurationen kann mit kommerziell erhältlicher Simulationssoftware erfolgen, die eine Optimierung eines optischen Systems entsprechend einer vorgebbaren Zielfunktion durchführt. Die Zielfunktion muss hierzu lediglich entsprechend den Anforderungen gewählt und die Randbedingungen müssen entsprechend angegeben werden. Als Randbedingungen können bspw. die Wellenlänge der optischen Strahlung, der Eingangsstrahldurchmesser, das Material, die Anzahl und die Art der eingesetzten optischen bzw. strahlformenden Elemente festgelegt werden. Im vorliegenden Fall wird eine Simulationssoftware zur Simulation eines aktiven optischen Systems mit mehreren Konfigurationen eingesetzt. So bietet bspw. die Software Zemax OpticStudio® einen Multi-Konfigurations-Editor an, mit dem eine derartige Simulation ermöglicht wird. Für die vorliegende Anordnung werden dann die Abstände zwischen den strahlformenden Elementen und die Radien dieser Elemente als Variablen definiert. Eine Optimierung dieses Systems durch die Simulationssoftware mit der gewählten Zielfunktion, in die die gewünschten Feldzuordnungen (z. B. Gauß zu Top-Hat und Gauß zu Gauß) implementiert werden, liefert dann die gewünschte Dimensionierung und Anordnung der strahlformenden Elemente.
Mit der vorgeschlagenen optischen Anordnung können unter Ausnutzung eines gemeinsamen Strahlengangs und gemeinsamer optischer Komponenten die Strahlformungseigenschaften derart variiert werden, dass ein fokussierter, im Intensitätsprofil Gauß-förmiger Laserstrahl eines bestimmten Strahlquerschnitts, für den die optische Anordnung dimensioniert wurde, wahlweise sein Gauß-förmiges Intensitätsprofil beibehält oder in ein homogenes Intensitätsprofil umgeformt wird. Dazwischen kann kontinuierlich zwischen einer Vielzahl von Intensitätsprofilen variiert werden. Von besonderem Nutzen ist dies bei der Formung von elliptischen Intensitätsprofilen.
Figurenliste
Die vorgeschlagene optische Anordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein erstes Beispiel für die Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung in stark schematisierter Darstellung;
2 ein zweites Beispiel für die Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung in stark schematisierter Darstellung;
3 ein Beispiel für die Strahlquerschnitte in der Apertur der Fokussiereinheiten bei unterschiedlichen Strahlformungsmethoden; und
4 ein Beispiel für eine konkrete Ausgestaltung der vorgeschlagenen optischen Anordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Die vorgeschlagene optische Anordnung wird nachfolgend in einer Ausgestaltung näher erläutert, bei der die Umschaltung zwischen den Intensitätsprofilen in der Zielebene durch Translation eines strahlformenden Elementes der Anordnung zwischen zwei unterschiedlichen Positionen auf der optischen Achse der Anordnung erfolgt. Die Figuren zeigen hierbei eine Realisierung der Anordnung aus mehreren optischen Linsen, von denen eine Linse durch eine Translationseinrichtung zwischen den beiden Positionen bewegt bzw. verschoben werden kann.
In einem ersten Beispiel, das in der 1 schematisch dargestellt ist, sind die einzelnen Linsen der optischen Anordnung 1 so angeordnet und ausgebildet, dass in einer ersten Konfiguration der optischen Anordnung 1 ein Laserstrahl 2 eines Lasers 3 mit einem gauß-förmigen Intensitätsprofil durch die optische Anordnung 1 einer Phasentransformation unterzogen wird, durch die er nach der Fokussierung mit einer Fokussieroptik 10 in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene 4 ein Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil 5 aufweist. Diese erste Konfiguration und das entsprechende Top-Hat-förmige Intensitätsprofil 5 sind im unteren Teil der 1 dargestellt. Die optische Anordnung 1 umfasst dabei in diesem Beispiel ein erstes Linsensystem 6 aus mehreren Linsen, ein zweites Linsensystem 7 aus mehreren Linsen sowie eine zwischenliegende Linse 8, die durch eine nicht dargestellte Translationseinrichtung zwischen zwei Positionen entlang der optischen Achse der Anordnung 1 verschiebbar ist. Diese Verschiebung wird durch den Doppelpfeil zwischen der Konfiguration der unteren Teilabbildung und der Konfiguration der oberen Teilabbildung in 1 dargestellt.
In der in der oberen Teilabbildung der 1 dargestellten zweiten Konfiguration, für die die einzelnen Linsen der optischen Anordnung 1 angeordnet und ausgebildet sind, wird auf die Umverteilung von einem Gauß-förmigen zu einem Top-Hat-förmigen Intensitätsprofil verzichtet, so dass der Laserstrahl 2 mit dem gauß-förmigen Intensitätsprofi ohne eine Veränderung des Homogenitätsgrades seines Intensitätsprofils oder seiner Phase durch die optische Anordnung 1 propagiert. Auf diese Weise entsteht in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene 4 ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil 9, wie dies in der oberen Teilabbildung der 1 ebenfalls dargestellt ist. Das Gauß-förmige Intensitätsprofil ist dabei in 1 zur besseren Erkennbarkeit gegenüber dem Top-Hat-förmigen Intensitätsprofil vergrößert dargestellt.
Die optische Anordnung 1 kann kontinuierlich zwischen den beiden oben genannten Konfigurationen variiert werden, die sich lediglich in der Position der verschiebbaren Linse 8 unterscheiden. Auf diese Weise kann stufenlos zwischen einem runden Gauß-förmigen Intensitätsprofil und bspw. einem runden Top-Hat-förmigen Intensitätsprofil in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene 4 variiert werden.
2 zeigt ein weiteres Beispiel einer möglichen Realisierung der vorgeschlagenen optischen Anordnung. In dieser Ausgestaltung werden als strahlformende Elemente Zylinderlinsen in der optischen Anordnung 1 eingesetzt, so dass sowohl das erste Linsensystem 6, das zweite Linsensystem 7 als auch die mit der Translationseinrichtung verschiebbare Linse 8 aus Zylinderlinsen gebildet sind. Die Verwendung von Zylinderlinsen ermöglicht die Transformation eines rotationssymmetrischen, Gauß-förmigen Intensitätsprofils am Eingang der optischen Anordnung in ein elliptisches, homogenes Intensitätsprofil, d.h. ein homogenes Intensitätsprofil mit elliptischer Kontur, mit einem Seitenverhältnis von größer 30:1 in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene 4.
2 zeigt hierzu wiederum in der unteren Teilabbildung die (erste) Konfiguration zur Erzeugung des linienförmigen homogenen Intensitätsprofils 11 und in der oberen Teilabbildung die (zweite) Konfiguration, durch die das Gauß-förmige Intensitätsprofil in seiner Homogenität nicht verändert wird, so dass in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene 4 ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil 12 erhalten wird. Bei dieser Anordnung kann somit in der Bearbeitungsebene 4 alleine durch Translation der Linse 8 stufenlos zwischen einem runden, Gauß-förmigen Intensitätsprofil und einem homogenen Intensitätsprofil mit hohem Seitenverhältnis umgeschaltet bzw. variiert werden. Diese Ausgestaltung bietet weiterhin den Vorteil, dass damit Intensitätsprofile generiert werden können, die an den Rändern eine erhöhte Intensität aufweisen. Dies kann bei einigen Lasermaterialbearbeitungsprozessen von Vorteil sein.
Die Ausgestaltung der 2 begünstigt insbesondere die Generierung linienartiger Intensitätsprofile mit großen Seitenverhältnissen. Bei der Verwendung eines konventionellen, abbildenden Systems zur Formung der Linienverteilung muss das Seitenverhältnis durch ein anamorphes Teleskop bereits vor der Fokussierung eingestellt werden. Gemäß des inversproportionalen Zusammenhangs zwischen Spotgröße und Rohstrahldurchmesser des Laserstrahls wird die Fokussieroptik dabei nur zu einem kleinen Teil ausgeleuchtet. Dies resultiert in sehr hohen Leistungsdichten, die zur Zerstörung der optischen Oberflächen führen können. Da die hier vorgeschlagene optische Anordnung auf der Technik der Phasentransformation beruht, wird diese Problematik umgangen, da der Durchmesser des durch die Anordnung modulierten Laserstrahls vor der Fokussierung wesentlich geringer skaliert wird. Dies ist in 3 schematisch dargestellt, die im linken Teil den Strahlquerschnitt 13 eines herkömmlich geformten Laserstrahls und im rechten Teil den Strahlquerschnitt 15 eines mit Hilfe der vorgeschlagenen optischen Anordnung geformten Laserstrahls in der Aperturöffnung 14 der Fokussieroptik 10 zeigt. Dadurch sinkt bei gleicher Gesamtstrahlungsleistung die Leistungsdichte auf der Fokussieroptik 10.
Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft der vorgeschlagenen optischen Anordnung besteht darin, dass die nötigen Freiheitsgrade der strahlführenden und - formenden Oberflächen der strahlformenden optischen Elemente (basierend auf Transmission oder Reflexion) wahlweise auf wenige komplexe, asphärische Oberflächen oder auf mehreren Linsen und/oder Spiegel mit einfacher (sphärischer) Oberflächenform verteilt werden können. Letzteres ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Standardkomponenten.

4 zeigt schließlich noch ein Beispiel für einen Aufbau der einzelnen Linsengruppen der vorgeschlagenen optischen Anordnung zur Umschaltung zwischen einem Gauß-förmigen Intensitätsprofil bei rotationssymmetrischem Strahlquerschnitt und einem linienförmigen Top-Hat Intensitätsprofil in der Bearbeitungs- bzw. Zielebene (vgl. 2). Die optische Anordnung besteht hierbei aus acht plankonvexen bzw. plankonkaven Zylinderlinsen aus Quarzglas, von denen die Linsen 16, 17 und 18 das erste Linsensystem 6 und die Linsen 19, 20, 21 und 22 das zweite Linsensystem 7 bilden. Die Linse 8 ist mit einer nicht dargestellten Translationseinrichtung verschiebbar zwischen zwei Positionen ausgebildet. Die Verschiebung ist mit dem Doppelpfeil angedeutet. 4 zeigt auch den Strahlengang des eingekoppelten Laserstrahls 2 bis hinter die idealisiert dargestellte Fokussierlinse 10. Die Dimensionierung der einzelnen Linsen (Krümmungsradius der Grenzflächen, Zentrale Dicke) sowie der Abstand zur jeweils in Propagationsrichtung des optischen Strahls benachbarten Linse sind in der nachfolgenden Tabelle für diese Anordnung beispielhaft angegeben. Der Verschiebeweg der verschiebbaren Linse 8 zur Umschaltung zwischen den beiden Intensitätsprofilen beträgt in diesem Beispiel etwa 19 mm.

Linse	Krümmungsradius	Dicke	Abstand

16	- 69,0 mm	3,3 mm	10,0 mm
	∞
17	- 23,0 mm	1,7 mm	14,6 mm
	∞
18	∞	5,0 mm	56,2 mm
	- 46,0 mm
8	∞	5,0 mm	31,3 mm
	- 46,0 mm
19	+ 46,0 mm	5,0 mm	0 mm
	∞
20	∞	5,0 mm	15,6 mm
	- 115,0 mm
21	- 23,0 mm	1,7 mm	40,1 mm
	∞
22	∞	1,7 mm
	+ 23,0 mm

Bezugszeichenliste

1: optische Anordnung
2: Laserstrahl
3: Laser
4: Bearbeitungs- bzw. Zielebene
5: Top-Hat-förmiges Intensitätsprofil
6: erstes Linsensystem
7: zweites Linsensystem
8: verschiebbare Linse
9: Gauß-förmiges Intensitätsprofil
10: Fokussieroptik
11: linienförmiges Intensitätsprofil
12: Gauß-förmiges Intensitätsprofil
13: Strahlquerschnitt
14: Aperturöffnung der Fokussieroptik
15: Strahlquerschnitt
16-22: Linsen der optischen Anordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

F. Dickey et al., „Laser beam shaping techniques“, United States; abgerufen von http://www.osti.gov/scitech/servlets/purl/752659 [0006]
A. Laskin et al., „Refractive beam shapers for optical systems of lasers“, Proc. SPIE 9346, Components and Packaging for Laser Systems, 93460R (February 20, 2015) [0007]

Claims

Optische Anordnung zur Umformung des Intensitätsprofils eines optischen Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, die ein eingangsseitiges (16), ein ausgangsseitiges (22) und wenigstens ein zwischenliegendes strahlformendes Element (8, 17-21) aufweist, das auf einer optischen Achse der Anordnung (1) zwischen dem eingangsseitigen (16) und dem ausgangsseitigen strahlformenden Element (22) angeordnet ist, wobei das eingangsseitige strahlformende Element (16) keinen Bestandteil eines teleskopischen Systems zur reinen Strahlaufweitung des optischen Strahls bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) eine Verstelleinrichtung aufweist, mit der wenigstens eines der strahlformenden Elemente (8) in seiner Lage oder seinen optischen Eigenschaften zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand veränderbar ist, und die strahlformenden Elemente (8, 16-22) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie in einer ersten Konfiguration, in der sich das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) in dem ersten Zustand befindet, ein Intensitätsprofil eines über das eingangsseitige strahlformende Element (16) eingekoppelten optischen Strahls (2) so umformen, dass der optische Strahl (2) nach einer Fokussierung in einer Zielebene (4) hinter der optischen Anordnung (1) ein im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt verändertes zweites Intensitätsprofil aufweist, und in einer zweiten Konfiguration, in der sich das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) im zweiten Zustand befindet, das Intensitätsprofil des über das eingangsseitige strahlformende Element (16) eingekoppelten optischen Strahls (2) nicht oder so umformen, dass der optische Strahl (2) nach einer Fokussierung in der Zielebene (4) hinter der optischen Anordnung (1) ein im Intensitätsverlauf über den Strahlquerschnitt unverändertes oder verändertes drittes Intensitätsprofil aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung eine Translationseinrichtung ist, mit der das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) relativ zu den anderen strahlformenden Elementen (16-22) translatorisch zwischen einer ersten und einer zweiten Position als erstem und zweitem Zustand auf der optischen Achse bewegbar ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) eine elastische Linse mit veränderbarer Brechkraft ist, wobei die Verstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Brechkraft der elastischen Linse zwischen einer ersten Brechkraft und einer zweiten Brechkraft als erstem und zweitem Zustand ändern kann.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) ein Spiegel mit veränderbarer Brennweite ist, wobei die Verstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie die Brennweite des Spiegels zwischen einer ersten Brennweite und einer zweiten Brennweite als erstem und zweitem Zustand ändern kann.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Positionen um eine Distanz von ≤ 20 mm auseinander liegen.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine zwischenliegende strahlformende Element das mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) bildet.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformenden Elemente (8, 16-22) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie in der ersten Konfiguration ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil des über das eingangsseitige strahlformende Element (16) eingekoppelten optischen Strahls (2) so umformen, dass der optische Strahl (2) in der Zielebene (4) als zweites Intensitätsprofil ein homogenes Intensitätsprofil aufweist.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformenden Elemente (8, 16-22) sphärische optische Elemente sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformenden Elemente (8, 16-22) so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie in der ersten Konfiguration ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil des über das eingangsseitige strahlformende Element (16) eingekoppelten optischen Strahls (2) so umformen, dass der optische Strahl (2) in der Zielebene (4) als zweites Intensitätsprofil ein homogenes Intensitätsprofil mit linienförmiger Kontur aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlformenden Elemente (8, 16-22) Zylinderlinsen und/oder zylindrische Spiegel sind.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur eines der strahlformenden Elemente das mit der Verstelleinrichtung veränderbare strahlformende Element (8) bildet.