DE3829728A1 - Verfahren und vorrichtung zum homogenisieren der intensitaetsverteilung im querschnit eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung im Quer­ schnitt eines Laserstrahls.

Laserstrahlen haben häufig keine gleichförmige Intensi­ tätsverteilung über ihren Querschnitt. Dies gilt für eine Vielzahl von Laserquellen. Zum Beispiel wird die Intensi­ tätsverteilung bei vielen Laserstrahlen durch eine zur Ausbreitungsrichtung des Strahls rotationssymmetrische Glockenkurve beschrieben. Bei den sogenannten instabilen Resonatoren weist die Intensität des Laserstrahls häufig ein Loch in der Mitte des Strahlquerschnittes auf. Sowohl bei gepulsten als auch bei kontinuierlichen Laserquellen treten häufig sogenannte Intensitätsspitzen ("hot spots") auf, also begrenzte Bereiche im Strahlquerschnitt, in denen der Laserstrahl eine wesentlich höhere Intensität hat als in den übrigen Bereichen. Die Intensitätsspitzen können an bestimmten Orten auftreten oder auch innerhalb des Strahlquerschnittes springen.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen von Laserstrahlen sind derart ungleichmäßige Verteilungen der Intensität des Strahles über dessen Querschnitt von Nachteil. Sollen zum Beispiel grössere Flächenstücke mit Laserstrahlen ausge­ leuchtet oder bearbeitet werden, so können ungleichmäßige Intensitätsverteilungen oder auch Intensitätsspitzen stö­ rend wirken.

Transversale Gasentladungslaser, wie zum Beispiel TEA- CO₂-Laser oder Excimer-Laser, weisen zwar keine störenden Intensitätsspitzen auf, müssen aber zur Ausleuchtung eines größeren Flächenstückes optisch manipuliert werden, wobei beträchtliche Intensitätseinbußen in Kauf zu nehmen sind.

Bekannte Verfahren zum Homogenisieren der Intensitätsver­ teilung in Laserstrahlen sind aufwendig und/oder nicht in allen Wellenlängenbereichen anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengün­ stiges, bei einer Vielzahl von Lasertypen und Wellenlängen anwendbares sowie wenig Justieraufwand erforderndes Ver­ fahren zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung von Laserstrahlen zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß der Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, die einander überlagert wer­ den.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß unterschiedliche Intensitäten der Teilstrahlen bei ihrer Überlagerung aus­ geglichen werden.

In zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgese­ hen, daß mindestens einer der Teilstrahlen aufgeweitet oder gebündelt wird, ehe er mindestens einem weiteren Teilstrahl überlagert wird. Dabei können die Teilstrahlen jeweils zumindest annähernd auf eine solche Fläche aufge­ weitet werden, die der auszuleuchtenden oder zu bearbei­ tenden Fläche entspricht.

Nach der erfindungsgemäßen Überlagerung können die Teil­ strahlen parallel ausgerichtet werden, so daß ein im Vergleich zum von der Laserquelle erzeugten Laserstrahl aufgeweiteter oder gebündelter Gesamtstrahl mit gleich­ mäßiger (homogener) Intensitätsverteilung entsteht.

Auch ist eine Fokussierung nach dem Überlagern möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls zeichnet sich durch mindestens ein optisches Element aus, das einen Teil des Laserstrahls erfaßt und diesen Teil in eine Richtung ablenkt, in der er sich mit mindestens einem weiteren Teilstrahl überlagert.

Die erfindungsgemäß vorgesehenen optischen Elemente kön­ nen, je nach ihrer Gestaltung und Anordnung, die einzelnen Teilstrahlen zunächst aufweiten oder bündeln und sie dann überlagern.

Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung sind in den Unteransprüchen 6 bis 10 beschrieben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Intensitätsprofile eines Excimer-Laserstrahls entlang zweier zueinander senkrecht stehender Achsen;

Fig. 2 eine optische Anordnung zum Homogenisieren eines Laserstrahls, der die in Fig. 1 gezeigten Intensitätsprofile aufweist,

Fig. 3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig. 2, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen optischen Anordnung.

In Fig. 1 zeigt die Kurve I in üblicher Darstellung das Intensitätsprofil eines Excimer-Laserstrahls, also die Abhängigkeit der Strahlintensität vom Abstand zur Mittel­ achse O des Strahls. Die Intensität kann z. B. in Energie pro Zeit- und Flächeneinheit gemessen werden.

Gemäß Fig. 1 hat der gezeigte Excimer-Laserstrahl in einer ersten Richtung über einen Bereich von ca. 20 mm eine weitgehend homogene Intensitätsverteilung entsprechend der Kurve I. In einer zur Richtung des Schnittes gemäß Kurve I senkrechten Richtung hat der Excimer-Laserstrahl aber eine etwa glockenförmige Intensitätsverteilung entsprechend der Kurve II, ist also inhomogen.

Fig. 2 zeigt eine optische Anordnung, mit welcher ein Laserstrahl mit einem inhomogenen Intensitätsprofil gemäß Fig. 1 vollständig homogenisiert werden kann.

Im Laserstrahl 10 sind mehrere optische Elemente 14 in Form von parallel angeordneten Zylinderlinsen so angeord­ net, daß sie einen Teilstrahl 12 des gesamten Laserstrahls 10 erfassen und abbilden.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Anordnung gemäß Fig. 2 in Richtung des Pfeiles A. Die parallel angeordneten opti­ schen Elemente 14 können positive oder negative Brennweite aufweisen.

Bei dem in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat jedes der optischen Elemente 14 eine positive Brennweite; ihr Brennpunkt 14′ liegt also außerhalb der Zylinderman­ telfläche. Optische Elemente 14 in Form langgestreckter Zylinderlinsen mit positiver Brennweite lassen sich z.B. preiswert und wenig aufwendig durch Abmantelung von Quarzfaserkernen herstellen.

Die derart gebildeten optischen Elemente 14 sind gemäß Fig. 2 und 3 lückenlos in einer Reihe angeordnet. Ihre Achsen 14′′ sind parallel zu einer Koordinatenachse 18 (siehe Fig. 1 und 3) ausgerichtet, in welcher der Laser­ strahl 10 bereits eine weitgehend homogene Intensitäts­ verteilung aufweist. In Richtung einer zur Koordinaten­ achse 18 normalen Koordinatenachse 20 hat der Laserstrahl 10 seine größte Inhomogenität. Gemäß Fig. 2 und 3 stehen die Achsen 14′′ der optischen Elemente 14 wie auch die Koordinatenachsen 18 und 20 senkrecht zur Ausbreitungs­ richtung 22 des Laserstrahls 10, der homogenisiert werden soll.

Wie der Fig. 2 unmittelbar zu entnehmen ist, werden die einzelnen Teilstrahlen 12, welche durch die Empfangsflä­ chen der optischen Elemente 14 definiert sind, auf die Eingangsfläche eines weiteren optischen Elements 16 in Form einer Zylinder-Sammellinse abgebildet, deren Achse parallel zu den Achsen 14′′ der optischen Elemente 14 ange­ ordnet ist. Das Abbild 12′ des in Fig. 2 zuoberst gezeich­ neten Teilstrahls 12 ist auf der Eingangsfläche der Sam­ mellinse 16 eingezeichnet. Wie dargestellt, überlappen sich die einzelnen Teilstrahlen 12 weitgehend, so daß vor­ handene Intensitätsunterschiede zwischen den Teilstrahlen durch die Überlagerung ausgeglichen werden.

Enthält der zu homogenisierende Laserstrahl 10 Intensi­ tätsspitzen, so sind die Abmessungen der optischen Ele­ mente 14 so gewählt, daß sie jeweils einen Teil-Quer­ schnitt erfassen, welcher der Abmessung einer Intensi­ tätsspitze etwa entspricht, so daß die Intensitätsspitze gleichmäßig auf die Eingangsfläche der Sammellinse 16 abgebildet wird.

Es ist auch möglich, mehrere Reihungen von optischen Ele­ menten 14 in Form von Zylinderlinsen gemäß Fig. 2 hinter­ einander anzuordnen, um den Effekt der Homogenisierung zu erhöhen.

Soll mit dem Laserstrahl 10 eine Fläche bearbeitet werden, so wird zweckmäßigerweise direkt hinter der Sammellinse 16 eine Arbeitsmaske positioniert.

Soll ein Laserstrahl homogenisiert werden, der (im Unter­ schied zum Strahlprofil gemäß Fig. 1) in zwei zueinander senkrechten Richtungen eine inhomogene Intensitätsvertei­ lung aufweist, so können zwei Anordnungen aus optischen Elementen 14 in Form von Zylinderlinsen gemäß Fig. 2 hin­ tereinander gekreuzt angeordnet werden, d.h. die Achsen der ersten Reihe von Zylinderlinsen stehen senkrecht auf denen der zweiten Reihe von Zylinderlinsen. In diesem Falle wird statt der Zylinder-Sammellinse 16 eine sphä­ rische Sammellinse eingesetzt. Mit einer solchen Anordnung können insbesondere Laserstrahlen homogenisiert werden, die ein zentrales Loch oder eine in bezug auf die Ausbrei­ tungsrichtung 22 glockenförmige Intensitätsverteilung auf­ weisen.

Gemäß Fig. 4 sind als optische Elemente 14 zwei Prismen derart angeordnet, daß sie an zwei gegenüberliegenden Rän­ dern eines von einem Excimer erzeugten Laserstrahls 10 je einen Teilstrahl 12 erfassen und diese beiden Teilstrahlen 12 zueinander hin ablenken. Jeder dieser beiden Teilstrah­ len 12 wird dabei gebündelt. Ein weiterer Teilstrahl 24, der im dargestellten Beispiel breiter ist als jeder der beiden Teilstrahlen 12, geht von den optischen Elementen 14 unbeeinflußt zwischen diesen hindurch. Die angestrebte homogene Intensitätsverteilung ergibt sich in einer Ebene 30, in der sich die Abbilder 12′ der beiden abgelenkten Teilstrahlen 12 mit dem von den optischen Elementen 14 unbeeinflußten Teilstrahl 24 überlagern.

Der Unterschied der Anordnung gemäß Fig. 4 zu der in Fig. 2 und 3 dargestellten Anordnung mit Zylinderlinsen besteht darin, daß durch Verkleinerung oder Vergrößerung des spit­ zen Winkels α zwischen Eintrittsfläche 26 und Austritts­ fläche 28 die aufgeprägte Divergenz beeinflußt werden kann. Das hat Auswirkungen auf die Abbildbarkeit der Ebene 30 bester Homogenität: je kleiner der Winkel α, desto besser die Abbildbarkeit, desto länger ist aber auch die Gesamtanordnung, wenn die Eintrittsfläche 26 normal zur Ausbreitungsrichtung 22 des Laserstrahls 10 angeordnet ist, wie in Fig. 4 dargestellt.

Wenn hingegen die Eintrittsfläche 26 mit der Ausbreitungs­ richtung 22 einen Winkel β <90° einschließt, kann α=0 sein; das oder jedes optische Element 14 kann also bei­ spielsweise auch ein Rechteckprisma sein. Der bzw. jeder Teilstrahl 12, der durch ein solches optische Element 14 hindurchgeht, wird weder aufgeweitet noch gebündelt.

Das beschriebene Verfahren und die optischen Anordnungen zum Homogenisieren von Laserstrahlen haben den Vorteil, daß sie in allen Wellenlängenbereichen vom UV bis zum IR eingesetzt werden können. Es können Materialien verwendet werden, bei denen nur geringe Intensitätsverluste auftre­ ten. Auch können die optischen Elemente zum Homogenisieren des Strahles an die zu beleuchtende oder zu bearbeitende Fläche angepaßt werden, d. h. die optischen Elemente wer­ den so ausgestaltet, daß das von ihnen erzeugte Überlage­ rungsbild der Teilstrahlen der gewünschten Fläche ent­ spricht. So können auch quadratische Flächen mit wenig Aufwand erzeugt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laserstrahls (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Laser­ strahl (10) in mehrere Teilstrahlen (12, 24) aufgeteilt wird, die einander überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Teilstrahlen (12) aufgeweitet oder gebündelt wird, ehe er mindestens einem weiteren Teilstrahl (12, 24) überlagert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teil­ strahlen (12, 24) nach ihrer Überlagerung parallel aus­ gerichtet werden.

4. Optische Anordnung zum Homogenisieren der Intensitäts­ verteilung im Querschnitt eines Laserstrahls 10, gekennzeichnet durch mindestens ein opti­ sches Element (14), das einen Teil des Laserstrahls (10) erfaßt und diesen Teil in eine Richtung ablenkt, in der er sich mit mindestens einem weiteren Teilstrahl (12, 24) überlagert.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element (14) den von ihm erfaßten Teilstrahl (12) aufweitet.

6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Elemente (14, 16) eine Reihe von nebeneinander angeordne­ ten Linsen (14) vorgesehen sind, welche die Teilstrahlen (12) aufweiten und einander überlagern, sowie eine die aufgeweiteten und überlagerten Teilstrahlen parallel ausrichtende Sammellinse (16).

7. Optische Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 zum Homogenisieren eines Laserstrahls (10) mit örtlich begrenzten Intensitätsspitzen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element (14) einen Teil des Querschnittes des Laserstrahls (10) erfaßt, der dem Querschnitt einer Intensitätsspitze zumindest annähernd entspricht.

8. Optische Anordnung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung eines Laser­ strahls (10), der in einer zu seiner Ausbreitungsrichtung (22) senkrechten ersten Achse (18) eine bereits homogene, in einer zur ersten Achse senkrechten zweiten Achse (20) aber eine inhomogene Verteilung aufweist, wie zum Beispiel ein Excimer-Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihe von Zylinderlinsen (14) mit ihren Längsachsen (14′′) paral­ lel zur ersten Achse (18) nebeneinander im Laserstrahl (10) angeordnet sind.

9. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element (14) den von ihm erfaßten und abge­ lenkten Teilstrahl (12) bündelt.

10. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element (14) ein Prisma ist.