DE102006050155A1

DE102006050155A1 - Anordnungen zur Formung von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE102006050155A1
Application number: DE200610050155
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-21
Filing date: 2006-10-21
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-22
Also published as: DE102006050155B4

Abstract

In dieser Patentanmeldung werden optische Anordnungen zur Formung von Strahlen angegeben, bei denen mindestens eine Verzögerungsplatte zur Aufteilung des Strahls mit unterschiedlichen Polarisationen verwendet wird. Die Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisationen werden räumlich überlagert.

Description

Stand der Technik
Laser gewinnen immer mehr Bedeutung in Materialbearbeitung. Es gibt verschiedene Laser, z. B. Gaslaser, Halbleiterlaser, Faserlaser, Festkörperlaser und Excimer Laser. In meisten Fällen haben die Laser rotationssymmetrische Verstärkungsvolumen, so dass die meisten Laserstrahlen einen runden Strahlquerschnitt aufweisen. Für flächige Bearbeitung, wie Abtragen und Markierung ist aufgrund des runden Strahlquerschnitts ineffektiv für Flächenfüllung. Um flächige Bearbeitung zu ermöglich ist oft hohe prozentige Überlappung der Bearbeitungszonen erforderlich.
Darüber hinaus ist das Intensitätsprofil von Strahlen hoher Qualität gaußförmig. Aufgrund der Intensitätsschwellen unterschiedlicher Prozesse. In diesem Fall trägt die Energie/Leistung unterhalb der Schwellenintensität für die Prozesse nicht bei und stellt als Verlust dar.
Optimaler Strahlquerschnitt im Bezug auf Flächenfüllung ist rechteckig bzw. quadratisch. Optimale Intensitätsverteilung im Bezug auf effektive Nutzung von Laserenergie/-leistung ist eine Top-Hat-Verteilung. Zur Generierung von Top-Hat Intensitätsverteilung gibt es unterschiedliche optische Anordnungen.
Zu einem wird oft Integrator wie Leichtwellenleiter mit einem runden oder rechteckigen Querschnitt verwendet. Zu anderen wird zur Homogenisierung der Intensität Mikrolinsenarray verwendet. Ein Nachteil der Anordnungen ist die starke Verlust der Strahlqualität nach der Strahlformung.
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Anordnungen, mit den die Intensitätsverteilung homogenisiert werden kann, ohne die Strahlqualität deutlich reduziert wird. Im Folgenden werden die optischen Anordnungen gemäß dieser Erfindung am Beispiel eines eindimensionalen Gaußschen Strahls erläutert.
1 zeigt die Intensitätsverteilung eines Gaußschen Strahls. Es wird vorausgesetzt, dass der Gaußsche Strahl linear polarisiert ist. Wie in 2 und 3 dargestellt ist, wird in den Strahlgang eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) verwendet. Die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) wird so angeordnet, dass etwa die Hälfte des Strahls die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchläuft. Das heißt, dass die Hälfte des Strahlquerschnitts durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) gedeckt wird (vgl. 2). Hinter der lambda/2-Verzörgerungsplatte wird der Strahl in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation unterteilt. Die Polarisation des durch die lambda/2-Verzörgerungsplatte durchgelaufenen Teilstrahls wird um 90° gedreht, während die Polarisation des anderen Teilstrahls unverändert bleibt. Dies wird mit den Symbolen Kreis mit einem Punkt und einem Pfeil gedeutet (vgl. 1 und 2).
Zur Aufteilung des Strahls kann auch zwei lambda/4-Verzögerungplatten verwendet werden. Dabei werden die zwei lambda/4-Verzögerungsplatten so angeordnet, dass die jeweils etwa die Hälfte des Strahls abdeckt und einer der Teilstrahlen links und der andere rechts zirkular polarisiert ist.
Andere Anordnungen von Verzögerungsplatten können zur Erzeugung von Teilstrahlen, die unterschiedliche Polarisationen haben, verwendet werden.
Um die beiden Teilstrahlen räumlich zwecks Homogenisierung zu überlagern, wird ein Prisma (21) verwendet (vgl. 3). Das Prisma bricht einen der beiden Teilstrahlen so, dass die beiden Teilstrahlen sich räumlich schneiden. Die Kurven in 4a und 5a zeigen die Intensitätsverteilungen der beiden Teilstrahlen jeweils an axialen Positionen 101 und 102. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander stehende Polarisationen haben, entspricht die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen, wie die 4b für die axiale Position 101 und 5b für die axiale Position 102 zeigen. An der axialen Position überlagern zu einem Gesamtstrahl mit einer in wesentlich homogene Intensitätsverteilung (Top-Hat-Intensitätsverteilung) (vgl. 5b). Andere Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls kann an unterschiedlichen Positionen eingestellt werden kann. Die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls kann mit einer geeigneten Optik in die Bedarf/Bearbeitungszone abgebildet werden.
Eine Variation der Ausführung mit einem Prisma bildet eine Anordnung, wo zwei Prismen verwendet werden, die jeweils ein Teilstrahl zugeordnet werden.
Bei den beiden oben genannten Anordnungen wird die Strahlqualität durch die Prismen reduziert. Dies kann vermieden werden, indem doppelbrechende Prismen verwendet wird. 6 zeigt eine beispielhafte Ausführung derartiger Anordnung. Dabei wird ebenfalls eine lambda/2-Verzörgerungsplatte (7) zur Aufteilung des Strahls in zwei Teilstrahlen mit senkrecht zu einander stehender Polarisation verwendet. Die beiden Teilstrahlen laufen durch das doppelbrechende Prisma (26). Aufgrund der unterschiedlichen Polarisation werden die beiden Teilstrahlen durch das doppelbrechende Prisma unterschiedlich gebrochen, so dass die beiden Teilstrahlen sich räumlich scheiden und deren Intensität überlagern. Eine parallele Überlagerung der Intensität von beiden Teilstrahlen kann erreicht, indem ein zweites doppelbrechendes Prisma (26) an der Stelle angeordnet, wo die beiden Teilstrahlen im wesentlich sich gegenseitig decken. Im diesem Fall hat der überlagerte Strahl die höchste Strahlqualität, die bei Multimode-Strahl mit einem Faktor 2 besser ist als die des Ausgangsstrahls.
7a zeigt eine optische Anordnung gemäß vorliegender Patentanmeldung. Dabei werden die beiden Teilsstrahlen unterschiedlicher Polarisation durch den ersten Polarisator (27) aufgespaltet. Der Teilstrahl Strahl mit s-Polarisation (81) wird durch die beiden Umlenkspiegel (28 und 28) und den zwei Polarisator (27 und 27) mit den Teilstrahl (82) im wesentlich parallel zur einander überlagert wird.
Ein Alternativ zu der in 7a dargestellten Ausführung zeigt die 7b, wo ein Polarisator (23) mit zwei polarisierende Grenzflächen (91 und 92) aufweisen. Dabei wird der s-polarisierte Teilstrahl (81) durch die polarisierende Grenzfläche (92) zuerst nach unten reflektiert. Die polarisierende Grenzfläche (91) reflektiert den Teilstrahl (81) und lenkt ihn wieder in die Richtung des Teilstrahls (82). Danach bereiten die beiden Teilstrahl in wesentlich parallel zu einander.
8 zeigt eine Ausführung, wo ein Strahlversetzer (61) verwendet wird. Hinter der lambda/2-Verzögerungsplatte entsteht aus dem linear polarisierten Eingangstrahl zwei Teilstrahlen (81, 82) mit senkrecht zu einander stehender Polarisation. Die beiden Teilstrahlen laufen durch den Strahlversetzer (61). Hinter dem Strahlversetzer werden die beiden Teilstrahlen räumlich überlagert mit gleicher oder in wesentlicher gleicher Ausbreitungsrichtung. Wie die räumliche Überlappung aussehen sollte, kann einfach durch die Länge des Strahlversetzers entlang der Ausbreitungsrichtung bestimmt werden. Da die beiden Teilstrahlen senkrecht zu einander stehende Polarisation haben, entspricht die Intensität des gesamten Ausgangsstrahl (36, 37, 78) der Summe der Intensitäten der beiden Teilstrahlen (vlg. 5b). Damit wird die Interferenz und damit verbundene stark Intensitätsmodulation unterbunden.
Beim Beam-Displacer handelt es sich um ein doppelbrechendes Medium, bei der Eintritt in das Medium und Austritt aus dem Medium die Strahlen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich gebrochen wird (vgl. 9). Bei dem Beispiel in 9 fällt ein Strahl, der sowohl s- als auch p-polarisierte Komponente entählt, senkrecht in den Beam-Displacer ein. Der Beam-Displacer ist so konfiguriert, daß beim Eintreten die s-polarisierte Komponente sich ungebrochen wird, während die p-polarisierte Komponente nach oben gebrochen wird. Beim Austreten wird die s-Komponente wie beim Eintreten nicht gebrochen, während die p-polarisierte Komponente nach unten gebrochen wird. Durch Brechung beim Eintreten und Austreten entsteht ein laleraler Versatz zwischen die beiden Komponenten. Beim Beam-Displacer mit parallelen Eintritts- und Austrittsfläche breiten sich dei beiden Strahlen unterschiedlicher Polarisationen nach dem Durchgang mit einem lateralen Versatz parallel aus. Unter den doppelbrechenden Medien sind zu nennen: YVO₄, BBO, Quartz, LiNbO3.
Statt Verzögerungsplatte zur Veränderung der Polarisation kann auch ein Rotator aus Quartz, Faraday-Rotator aus TGG oder YIG, oder ein Rotator aus Reflektionsflächen etc. sein. Es hat die Eigenschaft, daß im Element Strahlen unterschiedlicher Polarisation sich unterschiedlich schnell ausbreiten, so daß nach einem Durchgang durch das Element die Phasen unterschiedlicher Polarisation ungleiche Verzögerung erfahren und so relative Beziehung zwischen den unterschiedlichen Polarisationskomponenten und der Polarisationszustand geändert wird. Z. B. bei einer lambda/4-Verzögerungsplatte wird ein linearer polarisierter Strahl zu einem zirkular oder elliptisch polarisierten Strahl. Bei einer lambda/2-Verzörgerungsplatte dreht sich die Polarisation um einen Winkel, der doppelt so groß wie der Winkel zwischen der Eingangspolarisation und der optischen Achse der Platte. Die Verzögerungsplatte kann aus Quartz, YVO₄, BBO etc bestehen. Ein Rotator ist gekennzeicht, daß die Polarisation sich in Abhängigkeit der Ausbreitungsweg im Rotator dreht.
Für viele Anwendung wird frequenzkonvertierte Laserstrahl benötigt. Die Frequenzkonversion wird mittel nichtlineare Kristall realisiert. Bei Phasenanpassung Typ II steht die Polarisation der frequenzkonvertierte Strahl unter 45° zur Polarisation des Eingangsstrahls. Wird der überlagerte Ausgangsstrahl (36, 37, 78) in einem nichtlinearen Kristall der Phasenanpassung II in Frequenz konvertiert, so hat der frequenzkonvertierte Strahl aus dem nichtlinearen Kristall lineare Polarisation. Diesem Strahl kann eine der oben beschriebene optische Anordnung zur weiteren Erhöhung der Intensitätshomogenität oder zur Formung der Intensitätsverteilung in anderer Ebene nachgeschaltet. So kann ein zwei dimensionale Gaußsche Strahl in einen Strahl umgeformt wird, der in beiden Ebene quasi Top-Hat-Strahlprofil hat.
Der ursprüngliche Strahl vor den optischen Anordnungen gemäß vorliegender Patentanmeldung kann durch eine quadratische oder rechteckige Blende aus einem Strahl mit einem beliebigen Querschnitt abgeleitet werden. Dies ist mit Leistungsverlust verbunden.
Verlustfrei kann ein Strahl mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt mit einem Slablaser, deren Verstärkungsvolumen einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben, generiert werden. Zur Erzeugung eines Strahls mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt wird ein Scheibenlaser so gebildet, dass das scheibenförmige Medium mit Pumpstrahl oder Pumpstrahlen so gepumpt wird, dass es einen quadratischen oder rechteckigen Verstärkungsbereich hat.
Für Erzeugung von Strahlen mit quadratischen oder rechteckigen Querschnitt wird das Kern von Faserlaser quadratisch oder rechteckig ausgebildet.

Claims

Optische Anordnung zur Formung von Strahlen dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit aus mindestens einer Verzögerungsplatte verwendet wird und dass durch eine Einheit von Verzögerungsplatten der zu formende Strahl mindestens in zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisationen aufgeteilt wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit von Verzögerungsplatten aus einer lambda/2-Verzögerungsplatte (7) besteht und der zu formende Strahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilstrahlen etwa gleiche Leistung/Energie haben.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass durch Verwendung von mindestens einem Prisma (21) ein Teilstrahl so gebrochen, dass die beiden Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation sich in der Ausbreitungsrichtung schneiden und gemäß Intensität überlagern.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass Prisma oder Prismen aus doppelbrechendem Material wie YVO4 und alpha-BBO (26) verwendet wird/werden.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl nichtdoppelbrechende als auch doppelbrechende Prismen verwendet werden.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlen (81 und 82) mit einem Polarisationsstrahlteiler (27) separiert werden, und ein Teilstrahl (81) mit zwei Umlenkspiegel (28 und 28) reflektiert wird und die beiden Teilstrahlen mit einem weiteren Polarisator (27) in wesentlich koaxial überlagert werden.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik (23) mit zwei polarisierenden Grenzflächen (91 und 92) verwendet wird und ein der Teilstrahlen (81) nach zweimal Reflektionen jeweils durch die Grenzflächen (91 und 92) mit dem anderen Teilstrahl (82) überlagert wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlversetzter (61) verwendet wird und nach dem Strahlversetzter (61) die beiden senkrecht zu einander polarisierten Teilstrahlen überlagert werden.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden überlagerten Teilstahlen die gleiche Ausbreitungsrichtung haben.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des überlagerten Strahls (31, 37, 36, 78) mit einem nichtlinearen Kristall unter Phasenanpassung Typ II verdoppelt wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach dem Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass dem frequenzverdoppelten Strahl eine optische Anordnung zur weiteren Formung nachgeschaltet wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zu formende Strahl mit einem Slablaser erzeugt wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zu formende Strahl mit einem Scheibenlaser, dessen Verstärkungsschichte einen quadratischen oder recheckigen Querschnitt hat, generiert wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zu formende Strahl mit einem Faserlaser erzeugt wird, dessen Kern einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt hat.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung des geformten Strahls mit einer Optikanordnung in die Bedarf-/Bearbeitungszone abgebildet wird.
Optische Anordnung zur Formung von Strahlen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Polarsaitionsänderung ein Rotator z. B. Quartz-Rotator oder Faraday-Rotator verwendet wird