DE3738480A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen der intensitaet eines uv-laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils eines UV-Laserstrahles sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens. Da­ rüberhinaus betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines gepulsten UV-Lasers, bei dem das erfindungsgemäße Meßverfahren eingesetzt wird.

Laserstrahlung im ultravioletten Bereich (UV-Laserstrahlung) hat eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der indu­ striellen Werkstoffbearbeitung, Medizin und Forschung gefunden. Als Strahlquelle kommen insbesondere Excimerlaser in Betracht, die je nach Art der verwendeten Edelgas-Halogenide im Vakuum-UV bis zum nahen UV emittieren können.

Aufbau, Funktion und Steuerung von Excimerlasern sind dem Fach­ mann bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben zu wer­ den.

Bei der Beurteilung der mit dem Laserstrahl erzielten Bearbei­ tungsergebnisse, bei der Steuerung der Bearbeitungsqualität sowie anderen Anwendungen des Laserstrahles ist es erforder­ lich, die wesentlichen Strahlparameter und insbesondere dessen Intensität und möglichst auch das Intensitätsprofil, d. h. die Verteilung der Intensität über den Querschnitt des Strahles, zu kennen. Bei vielen Anwendungen ist es überdies wünschenswert, den Laser so zu steuern, daß der Laserstrahl von Puls zu Puls eine gleichbleibende Intensität aufweist oder seine Intensität gemäß einer vorgegebenen Funktion ändert. Die Mittel, mit denen die Intensität des Laserstrahles beeinflußbar sind, sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann bei einem Excimerlaser die Intensität des Strahles durch Änderung der Entladespannung gesteuert werden. Auch kann die Intensität durch Änderung der optischen Parameter beeinflußt werden.

Zur Messung der Intensität von Laserstrahlen wird üblicherweise aus dem Laserstrahl ein geringer Anteil mittels eines teilre­ flektierenden Spiegels ausgekoppelt und vermessen. Es genügt häufig nicht, den freilaufenden Laserstrahl zu vermessen, da bei vielen Bearbeitungsvorgängen der Laserstrahl eine Rück­ koppelung vom bearbeiteten Werkstück auf den Laser selbst be­ wirkt. Vielmehr ist die Untersuchung der Intensität oder des Intensitätsprofils direkt in der für die Materialbearbeitung vorgesehenen Anordnung durchzuführen.

In der Zeitschrift "Laser und Optoelektronik", Nr. 3/1985, S. 278 bis 281 werden verschiedene Verfahren zur ortsaufge­ lösten Laserstrahl-Diagnostik beschrieben, die mit hochre­ flektierenden, durch den Laserstrahl rotierenden Elementen, wie Nadeln, Speichen etc., arbeiten.

In der DE-PS 24 31 396 wird ein Verfahren zur Steuerung der In­ tensität eines Laserstrahles beschrieben, bei dem der Zeeman- Effekt ausgenutzt und entsprechend der momentan gemessen Strahlintensität der Absorptionskoeffizient eines paramagneti­ schen Gases mit Hilfe eines Magnetfeldes eingestellt wird.

Auch opto-akustische Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung von Lasern sind bekannt (US-PS 43 44 172).

Bei UV-Laserstrahlung, also insbesondere Excimerlaserstrahlung, tritt das besondere Problem auf, daß UV-Strahlung wesentlich schwieriger "handhabbar" ist als Strahlung im sichtbaren oder IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Zum Beispiel kann UV-Strahlung nicht ohne weiteres über längere Strecken verlust­ frei transportiert werden (zum Beispiel kann Strahlung mit Wel­ lenlängen von 193 nm und 248 nm, also die ArF- bzw. KrF-Emis­ sionen des Excimerlasers, kaum mittels Quarzfasern übertragen werden). Deshalb muß sich bei herkömmlichen Anordnungen zum Messen der Intensität von UV-Strahlung der Energiedetektor in unmittelbarer Nähe des Ortes befinden, an dem der für die Messung benutzte Anteil aus dem Laserstrahl ausgekoppelt wird. Wird für die Auskoppelung eine schräggestellte Quarzscheibe verwendet, so erfordert dies selbst schon einige Zentimeter Weglänge, wodurch die Länge des Lasers durch die Meßvorrichtung erheblich vergrößert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und leicht handhabbaren Mitteln die Intensität und/oder das Intensitätsprofil eines UV-Laserstrahles zu messen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im UV-Laserstrahl ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper angeordnet wird, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluoreszierenden Stoff dotiert ist, und daß die Intensität bzw. das Intensitätsprofil der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung gemessen wird.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren läßt sich auch zum Steuern der Ausgangsleistung eines gepulsten UV-Lasers, insbesondere eines Excimerlasers verwenden. Dabei wird:

• - im UV-Laserstrahl ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper positioniert, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absor­ bierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluoreszie­ renden Stoff dotiert ist,
• - die Intensität der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung gemessen und ein ihr entsprechendes Signal abgeleitet,
• - das abgeleitete Signal mit einem der gewünschten Aus­ gangsleistung des Lasers entsprechenden Signal verglichen, und
• - gemäß dem Vergleichsergebnis ein die Ausgangsleistung des Laser beinflussender Parameter eingestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils eines gepulsten UV-Laserstrah­ les zeichnet sich aus durch einen im UV-Laserstrahl angeordne­ ten Körper, der für die UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluo­ reszierenden Stoff dotiert ist, sowie einen Detektor für die langwelligere Fluoreszenzstrahlung.

Nach einem Grundgedanken der Erfindung wird also im UV-Laser­ strahl ein für diesen transparenter Körper positioniert, der langwelliger fluoreszierende Stoffe enthält, so daß ein gerin­ ger Anteil der UV-Laserstrahlung in Abhängigkeit von dessen In­ tensität bzw. Intensitätsverteilung in langwelligeres und damit leichter übertrag- und meßbares Licht umgesetzt wird, dessen Intensität bzw. Intensitätsprofil gemessen wird.

Da die langwelligere Fluoreszenzstrahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt, kann sie mit herkömm­ lichen Mitteln in einfacher Weise, z. B. über einen Lichtleiter aus Kunststoff, zu einem Detektor überführt werden, der prak­ tisch an beliebiger Stelle angeordnet werden kann. Für die In­ tensitätsmessung im sichtbaren Spektralbereich stehen empfind­ liche Detektoren zur Verfügung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Auskoppeln eines geringen Anteils des UV-Laserstrahls ein mit Cer dotierter Quarzkörper im UV-Laserstrahl positioniert wird.

Zur Erhöhung der Ausbeute an Fluoreszenzstrahlung kann der Kör­ per an zumindest einem Teil seiner Wände mit einer die Fluores­ zenzstrahlung nach innen reflektierenden Schicht versehen sein, so daß die Strahlung zum Lichtleiter bzw. Detektor gebündelt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl zur Messung der Gesamt-Intensität des Laserstrahls als auch zum Messen der örtlichen Intensitätsverteilung innerhalb eines Laserpulses, also dem Leistungs- oder Energiefluß pro Flächeneinheit. Zur Messung der Intensitätsverteilung des UV-Laserstrahles wird der für diese Strahlung im wesentlichen transparente Körper homogen mit dem langwelliger fluoreszierenden Stoff dotiert, so daß die Fluoreszenzstrahlung ein getreues Abbild der UV-Strahlung lie­ fert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen der Intensität eines gepulsten UV-Laserstrah­ les, und

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen der Intensitätsverteilung eines gepulsten UV-Laser­ strahles.

In den Figuren ist ein als solcher bekannter Excimerlaser mit dem Bezugszeichen 10 versehen. Der Excimerlaser gibt einen La­ serstrahl 12, 12′ im ultravioletten Bereich des elektromagne­ tischen Spektrums ab.

An beliebiger Stelle im Laserstrahl 12 oder auch im Laser selbst wird ein Körper 14 angeordnet, der für die UV-Laserstrah­ lung im wesentlichen durchlässig ist, aber eine Dotierung D aus einem Stoff aufweist, der einen geringen Anteil, z. B. 1%, der UV-Laserstrahlung absorbiert und langwelliger im sichtbaren Bereich des Spektrums fluoresziert. Beim dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist der Körper 14 aus Quarz und die Dotierung im wesentlich aus Cer, wodurch eine wesentlich höhere Lebensdauer der Meßvorrichtung als mit fluoreszierenden organischen Stoffen erzielt wird.

Der Körper 14 ist zur Erhöhung der Ausbeute an langwelliger Fluoreszenzstrahlung mit einer Schicht 14′ versehen, welche die Fluoreszenzstrahlung F nach innen in Richtung auf einen Licht­ leiter 16 reflektiert. Die Gewinnung hinreichender Intensitäten langwelliger Fluoreszenzstrahlung stellt bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren aber kein Problem dar.

Die Fluoreszenzstrahlung F wird gemäß Fig. 1 mit einem herkömm­ lichen Lichtleiter 16 zu einem Detektor 18 übertragen, welcher ein der Intensität der Fluoreszenzstrahlung F proportionales elektrisches Signal erzeugt, das in einem Verstärker 20 ver­ stärkt und an einen Vergleicher 22 abgegeben wird. Im Verglei­ cher 22 wird das der Intensität des UV-Laserstrahles 12 ent­ sprechende Signal des Verstärkers 20 mit einem Vergleichsignal aus einer Bezugssignalquelle 24 verglichen, welches der ge­ wünschten Intensität des UV-Laserstrahles 12 entspricht. Ent­ sprechend dem Vergleichsergebnis wird eine Steuerschaltung 26 für den Laser 10 angesteuert, welche in dem Fachmann bekannter Weise einen die Intenität des UV-Laserstrahles beeinflussenden Parameter des Laser 10, also z. B. dessen Entladungsspannung, ändert.

Mit der in Fig. 2 schematisch gezeichneten Vorrichtung kann die Intensitätsverteilung des UV-Laserstrahles 12 gemessen werden. Hierzu wird die im Körper 14 erzeugte Fluoreszenzstrahlung F auf eine Abbildungslinse 18 gerichtet, welche die Strahlung auf einen herkömmlichen Bildwandler 30 abbildet, so daß das Abbild dem Intensitätsprofil des UV-Laserstrahles entspricht.

Es versteht sich, daß die Beschichtung 14′ am Körper 14 nur dort aufgebracht ist, wo sie den Durchgang des UV-Laserstrahles 12 bzw. 12′ nicht stört. Es ist auch möglich, die reflektierende Schicht 14′ so auszubilden, daß sie ausschließlich die langwel­ ligere Fluoreszenzstrahlung reflektiert, nicht aber die UV-Strah­ lung.

Der Bildwandler 30 ist von herkömmlicher Art, also z. B. ein CCD- oder SIT-Wandler, und erzeugt mittels einer Auswerteschal­ tung 32 eine Darstellung des Intensitätsprofiles des UV-Laser­ strahles, welche mittels einer herkömmlichen Anzeige- oder Ausgabeeinrichtung, wie einem Bildschirm oder Drucker, dem Benutzer mitgeteilt wird.

Claims (8)

1. Verfahren zum Messen der Intensität und/oder des Intensi­ tätsprofiles eines UV-Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß im UV-Laserstrahl (12) ein für die UV-Laserstrahlung im we­ sentlichen durchlässiger Körper (14) angeordnet wird, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung absorbieren­ den und langwelliger als die UV-Strahlung fluoreszierenden Stoff (D) dotiert ist, und daß die Intensität bzw. das Intensi­ tätsprofil der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung (F) gemessen wird.

2. Verfahren zum Steuern der Ausgangsleistung eines gepulsten UV-Lasers, insbesondere eines Excimerlasers, dadurch gekennzeichnet,

• - daß im UV-Laserstrahl (12) ein für die UV-Laserstrahlung im wesentlichen durchlässiger Körper (14) positioniert wird, der mit einem einen geringen Anteil der UV-Laser­ strahlung absorbierenden und langwelliger als die UV- Strahlung fluoreszierenden Stoff (D) dotiert ist,
• - daß die Intensität der langwelligeren Fluoreszenzstrahlung (F) gemessen und ein ihr entsprechendes Signal abgeleitet wird,
• - daß das abgeleitete Signal mit einem der gewünschten Aus­ gangsleistung des Lasers entsprechenden Signal verglichen wird, und
• - daß gemäß dem Vergleichsergebnis ein die Ausgangsleistung des Laser beinflussender Parameter eingestellt wird.

3. Vorrichtung zum Messen der Intensität und/oder das Inten­ sitätsprofils eines UV-Laserstrahls, gekennzeichnet durch

• - einen im UV-Laserstrahl (12) angeordneten Körper (14), der für die UV-Strahlung im wesentlichen durchlässig ist und mit einem einen geringen Anteil der UV-Laserstrahlung ab­ sorbierenden und langwelliger als die UV-Strahlung fluo­ reszierenden Stoff (D) dotiert ist, und
• - einen Detektor (18) für die langwelligere Fluoreszenz­ strahlung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Körper (14) und dem Detektor (18) ein Licht­ leiter (16) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) aus Quarz besteht und mit Cer dotiert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) an zumindest einem Teil seiner Wände mit einer die Fluoreszenzstrahlung (F) nach innen reflektierenden Schicht (14′) versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (14) im wesentlichen keilförmig ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung (D) des Körpers (14) homogen ist und daß zur Messung des Intensitätsprofils des UV-Laserstrahls (12) die langwelligere Fluoreszenzstrahlung (F) auf einen eine örtliche Auflösung aufweisenden Bildwandler (30) gerichtet ist.