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DE102009005844A1 - Arrangement for homogenizing optical jets, has phase element aligned in path of rays and converts laser radiation to distribution of intensity in such a manner that following optical element works as Fourier transformation - Google Patents

Arrangement for homogenizing optical jets, has phase element aligned in path of rays and converts laser radiation to distribution of intensity in such a manner that following optical element works as Fourier transformation Download PDF

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DE102009005844A1
DE102009005844A1 DE200910005844 DE102009005844A DE102009005844A1 DE 102009005844 A1 DE102009005844 A1 DE 102009005844A1 DE 200910005844 DE200910005844 DE 200910005844 DE 102009005844 A DE102009005844 A DE 102009005844A DE 102009005844 A1 DE102009005844 A1 DE 102009005844A1
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DE
Germany
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optical
arrangement according
intensity distribution
previous
phase element
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DE200910005844
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German (de)
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DE102009005844B4 (en
Inventor
Peter Dr. Triebel
Ullrich Krüger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Optical Systems GmbH
Original Assignee
SYSTEME GmbH
Jenoptik Optical Systems GmbH
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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Abstract

The arrangement has a phase element aligned in the path of rays and converts laser radiation to distribution of intensity in such a manner that following optical element works as Fourier transformation. The distribution of intensity is produced in the plan work. An independent claim is also included for a method for homogenizing optical jets.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von top-hat-förmigen Intensitätsverteilungen im und um den Fokusbereich einer optischen Abbildungseinrichtung, bestehend aus der optischen Abbildungseinrichtung und mindestens einem optischen Element als strahlformendes Element und damit der Homogenisierung optischer Strahlen. Die nachfolgende Abbildungseinrichtung verändert dabei das Intensitätsprofil der Gestalt, dass beispielhaft ein top-hat-Strahlprofil in und um den Fokusbereich der optischen Abbildungseinrichtung entsteht.The The invention relates to a method and an arrangement for the production of top-hat-shaped intensity distributions in the and around the focal region of an optical imaging device consisting of the optical imaging device and at least one optical Element as beam-shaping element and thus the homogenization optical rays. The following imaging device changed doing the intensity profile of the shape that exemplifies a top-hat beam profile in and around the focus area of the optical Imaging device is created.

Aufgabenstellungtask

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung von top-hat-förmigen oder ähnlichen nicht gauss-förmigen Intensitätsprofilen in und um den Fokusbereich einer optischen Abbildungseinrichtung bestehend aus optischen Elementen zur Strahlmanipulation und einem oder mehreren Elementen zur geeigneten Strahlprofilformung. Die Strahlprofilformung wird dabei derart ausgeführt und angeordnet das eine nachfolgende Abbildungseinrichtung im Fokus und in fokusnahen Bereichen eine top-hat förmige Intensitätsverteilung erzeugt. Die Strahlprofilformung kann dabei erfindungsgemäß durch eine freigeformte optische Fläche mit einer definierten optischen Dicke oder einem diffraktiven Bauelement realisiert werden. Ziel ist es thermische Schädigungen zu vermeiden.The The present invention describes a method and an arrangement for producing top-hat-shaped or similar non-Gaussian intensity profiles in and around the focal region of an optical imaging device consisting of optical elements for beam manipulation and one or more Elements for suitable beam profile shaping. The beam profile forming is thereby carried out and arranged the one subsequent Imaging device in focus and in focus areas top-hat shaped intensity distribution generated. The beam profile shaping can according to the invention by a free-form optical surface with a defined optical thickness or a diffractive device can be realized. aim it is to avoid thermal damage.

Stand der TechnikState of the art

In der Anmeldung DE 102 25 674 wird ein optisches System bestehend aus einem Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung beschrieben. Dabei wird ein erstes Linsenarray bestehend aus einer Mehrzahl von Linsen und ein zweites Linsenarray ebenfalls bestehend aus einer Mehrzahl von Linsen zu einer Homogenisierung der einfallenden Laserstrahlung verwendet. Die beiden Mikrolinsenarrays sind dabei derart aufeinander abstimmt, dass die Sub-Arrays so angeordnet sind, dass eine homogene Intensitätsverteilung mit einem top-hat Profil erzeugt wird.In the application DE 102 25 674 An optical system consisting of a lens system for homogenizing laser radiation is described. In this case, a first lens array consisting of a plurality of lenses and a second lens array likewise consisting of a plurality of lenses is used for homogenizing the incident laser radiation. The two microlens arrays are coordinated with one another in such a way that the sub-arrays are arranged in such a way that a homogeneous intensity distribution with a top-hat profile is generated.

Die Anmeldung US2004/0061952 beschreibt ein optisches System das aus zwei optischen Elementen auch auf ein und demselben Trägermaterial vorzugsweise verschieden besteht. Mit der Anordnung wird vorzugsweise ein einfallender Gaussstrahl in eine homogene Verteilung in mindestens einer Ebene hinter der optischen Anordnung transformiert. Die mindestens zwei optischen Elemente auch auf einem Trägersubstrat sind dabei als asphärische zur optischen Achse ausgerichteten Flächen oder/und Elemente ausgestaltet. Dabei beschränkt sich die Wirkungsweise auf das Zusammenspiel der beiden optischen Elemente, verzugsweise asphärische Elemente. Die homogene Verteilung wird dabei als eine Fermi-Dirac, Super-Gauss und ähnliche Intensitätsverteilungen beschrieben. Die beiden optischen Elemente können dabei in einer Galilei- oder Kepleranordnung angeordnet sein. Die vorliegende Erfindung grenzt sich durch die Verwendung eines Elementes mit einer optischen Freiformfläche in einem speziellen Fall auch einer einzelnen Asphäre ab.The registration US2004 / 0061952 describes an optical system which preferably consists of two optical elements also on one and the same carrier material differently. With the arrangement, preferably an incident Gauss beam is transformed into a homogeneous distribution in at least one plane behind the optical arrangement. The at least two optical elements also on a carrier substrate are configured as aspherical surfaces and / or elements aligned with the optical axis. The effect is limited to the interaction of the two optical elements, preferably aspherical elements. The homogeneous distribution is described as a Fermi-Dirac, Super-Gauss and similar intensity distributions. The two optical elements can be arranged in a Galilei or Kepler arrangement. The present invention is distinguished by the use of an element with a free-form optical surface in a special case, even a single asphere.

Die Anmeldung WO2008/087008 beschreibt eine Vorrichtung zur Formung einer einfallenden Intensitätsverteilung in einer speziellen Ausführungsform eines Laserstrahles mittels zweier Linsenarrays. Dabei sind die Linsenarrays in ihrer Anordnung derart gewählt, dass eine homogenisierte Intensitätsverteilung entsteht. Dabei können die beiden Mikrolinsen-Arrays teleskopartig angeordnet sein. Weiterhin kann das zweite der nacheinander angeordneten Mikrolinsenarrays durch eine Feldlinse ersetzt werden. Die optische Anordnung kann weiterhin eine Blende zu weiteren Homogenisierung enthalten. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei lediglich die Strahlformung mittels Mikrolinsenarrays auf der Basis der Erzeugung von Zwischenfoki.The registration WO2008 / 087008 describes a device for shaping an incident intensity distribution in a specific embodiment of a laser beam by means of two lens arrays. The lens arrays are chosen in their arrangement such that a homogenized intensity distribution is formed. In this case, the two microlens arrays can be arranged telescopically. Furthermore, the second of the successively arranged microlens arrays can be replaced by a field lens. The optical assembly may further include an aperture for further homogenization. The present invention relates only to the beam shaping by means of microlens arrays based on the generation of Zwischenfoki.

Die Anmeldung US2005/0094288 beschreibt den Einsatz einer asphärischen optischen Fläche einzeln oder in Verbindung mit einer konvexen oder konkaven optischen Fläche zur Homogenisierung eines Gauss-Strahles in eine top-hat förmige Intensitätsverteilung. Dabei befinden sich die beiden optischen Flächen sphärischer oder asphärischer Ausbildung auf ein und demselben Trägersubstrat. Weiterhin beschreibt die Erfindungsmeldung die Ausbildung eines top-hat-förmigen Intensitätsprofils in einer Ebene oder einem Bereich hinter dem beschriebenen Element. Weiterhin kann das resultierende Intensitätsprofil ebenfalls als Super-Gauss ausgebildet sein. Die vorliegende Erfindung grenzt sich derart ab, dass ebenfalls ein und dasselbe Trägersubstrat mit zwei beliebigen optischen Flächen verwendet wird, jedoch erzeugen die Flächen auf dem Trägersubstrat eine Besselförmige Intensitätsverteilung danach. Durch den Einsatz eines zweiten optischen Elementes oder einer Gruppe von optischen Elementen welche erfindungsgemäß die Eigenschaft der Fouriertransformation aufweisen, wird eine top-hat förmige oder beliebig anders darstellbare Intensitätsverteilung erzeugt.The registration US2005 / 0094288 describes the use of an aspherical optical surface individually or in conjunction with a convex or concave optical surface for homogenizing a Gaussian beam in a top-hat-shaped intensity distribution. In this case, the two optical surfaces of spherical or aspherical design are located on one and the same carrier substrate. Furthermore, the invention disclosure describes the formation of a top-hat-shaped intensity profile in a plane or an area behind the described element. Furthermore, the resulting intensity profile can also be designed as a super Gauss. The present invention is different in that one and the same carrier substrate is also used with any two optical surfaces, but the areas on the carrier substrate produce a Bessel intensity distribution thereafter. By using a second optical element or a group of optical elements having the property of the Fourier transform according to the invention, a top hat-shaped or any other representable intensity distribution is generated.

Die Anmeldung DE10 2004 011 190 beschreibt einen optischen Strahlformer bestehend aus mindestens einem optischen Strahl formungselement. Das optische Strahlformungselement hat dabei die erfindungsgemäße Aufgabe einen Besselstrahl oder einen Pseudo-Besselstrahl zu erzeugen. Die Anwendung des optischen Strahlformers beschränkt sich dabei auf die Verwendung von ultrakurzen Laserimpulsen. Weiterhin erfolgt die Auskopplung des Laserstrahles durch ein in der Anmeldung beschriebenes Auskoppelelement. Die vorliegende Erfindung erzeugt eine Besselverteilung ohne ein nachfolgendes Auskoppelelement und ist ebenfalls unabhängig von der einfallenden Strahlung. Die erfindungsgemäße Aufgabe ist dabei mittels eines nachfolgenden Fourierelementes eine top-hat-förmige oder beliebige Intensitätsverteilung im Fokus zu erzeugen.The registration DE10 2004 011 190 describes an optical beam shaper consisting of at least one optical beam shaping element. The optical beam-shaping element has the task according to the invention of generating a Bessel beam or a pseudo-Bessel beam. The application of the optical beam former is limited to the use of ultrashort laser pulses. Furthermore, the decoupling of the La serstrahles by a described in the application decoupling element. The present invention produces a Bessel distribution without a subsequent outcoupling element and is also independent of the incident radiation. The object according to the invention is to produce a top-hat-shaped or arbitrary intensity distribution in the focus by means of a subsequent Fourier element.

Beschreibungdescription

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein optisches System zur Erzeugung von zunächst Bessel-förmigen Intensitätsverteilungen erzeugt durch eine optische Fläche auf einem einzigen Trägersubstrat. Diese Besselförmige Intensitätsverteilung kann dann durch geeignet gewählte Spiegel oder andere Strahlrichtungsmanipulierende optische Elemente abgelenkt werden. Eine Richtungsablenkung kann dabei auch durch eine Anordnung von mehreren richtungsablenkenden optischen Elementen durchgeführt werden.The The present invention describes an optical system for production from initially Bessel-shaped intensity distributions generated by an optical surface on a single carrier substrate. This Bessel-shaped intensity distribution can then by suitably chosen mirrors or other beam direction manipulators be deflected optical elements. A directional deflection can thereby also by an arrangement of several directional optical Elements are performed.

Diese richtungsablenkenden optischen Elemente können auch ausführungsbedingt ein optischer Scanner sein. Dieser optische Scanner besteht dabei in den meisten Anwendungsfällen aus mindestens zwei optischen Elementen zur Strahlablenkung. Die optische Strahlablenkung wird dabei derart durchgeführt, dass zwei bewegte Strahlablenkungselemente (meist Spiegel) derart bewegt werden, dass die gewünschte Strahlablenkung in 2D oder 3D realisiert wird. Nach der Strahlablenkung können weitere beliebige optische Elemente folgen, die den Strahl weder in seiner optischen Phasenfunktion noch in seiner Intensitätsverteilung beeinflussen. Die gewünschte Intensitätsverteilung wird dann durch ein nachfolgendes Fourieroptisches Element erzeugt. Meist ist ein optisches Element mit dieser Eigenschaft ein Phasenelement, d. h. in einem konkreten Ausführungsbeispiel eine Linse oder ein System von Linsen, anderen Phasenelementen oder einer Kombination aus den vorhergehenden. In der Bildebene des optischen Systems entsteht dann die gewünschte Intensitätsverteilung. Diese wird in einem konkreten Ausführungsbeispiel als eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in der Bildebene der optischen Abbildungseinrichtung, z. B. einem Objektiv, erzeugt. Eine solches Verfahren zur Erzeugung einer z. B. top-hat förmigen Intensitätsverteilung kann in einigen Prozessen der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden. Besonders bei Prozessen in denen der Wärmeeintrag bei dem Laserabtrag für Energien kleiner als die eigentliche Ablationschwelle eine Rolle spielt haben top-hat-förmige Intensitätsverteilungen einen geringeren Wärmeeintrag. Bei einem Gauss-förmigen Intensitätsprofil wird ein endlicher Anteil der Energie unterhalb der Laserschwelle in das Material eingetragen. Diese Energie führt bei Lasern mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden oder auch längeren Pulsen zu einer thermischen Schädigung der Randbereiche der zu strukturierenden Form. Eine solche thermische Schädigung wird dabei auch Heat-Affected-Zone (HAZ) genannt.These Directional deflecting optical elements may also be subject to design to be an optical scanner. This optical scanner exists in most cases, at least two optical ones Elements for beam deflection. The optical beam deflection is thereby performed such that two moving beam deflecting elements (usually mirror) are moved so that the desired Beam deflection in 2D or 3D is realized. After the beam deflection can follow any other optical elements that the beam neither in its optical phase function nor in its intensity distribution influence. The desired intensity distribution is then generated by a subsequent Fourier optical element. Most of time is an optical element with this property a phase element, d. H. in a concrete embodiment, a lens or a system of lenses, other phase elements or a combination from the previous ones. In the image plane of the optical system arises then the desired intensity distribution. These is in a specific embodiment as a top hat-shaped Intensity distribution in the image plane of the optical imaging device, z. As a lens generated. Such a method of production a z. B. top hat-shaped intensity distribution can be used in some processes of laser material processing. Especially in processes where the heat input in the Laser ablation for energies smaller than the actual ablation threshold play a role have top-hat-shaped intensity distributions a lower heat input. In a Gauss-shaped Intensity profile becomes a finite fraction of energy entered below the laser threshold in the material. This energy leads to lasers with pulse durations in the range of picoseconds or longer pulses to thermal damage the edge regions of the form to be structured. Such a thermal Damage is also called heat-affected zone (HAZ).

Erfindungsgemäß ist bei einem top-hat förmigen Intensitätsprofil mit einer hinreichend kleinen Abweichung vom idealen top-hat Profil ein sehr großer Anstieg der Flanke als Merkmal vorhanden. Diese große Anstieg der Flanke der top-hat förmigen Intensitätsverteilung löst in ausgewählten Prozessen der Lasermaterialbearbeitung die Aufgabe, dass außerhalb der gewünschten Strukturierungsgrenzen keine Schädigung des Materiales auftritt. Verglichen mit einem Gauss-Profil, einem Super-Gauss-Profil oder einer Bessel-förmigen Intensitätsver teilung ist der Anteil der Energie in den Ausläufen der Top-Hat-Verteilung sehr klein. Das vorgestellte Verfahren ermöglicht dabei auch eine gezielte Beeinflussung der Intensitätsverteilung in den Ausläufen der gewünschten Intensitätsverteilung. Durch ein angepasstes optisches Design lassen sich die Energie-Anteile somit gezielt steuern und für einen Prozess der Randbearbeitung nutzen.According to the invention with a top-hat shaped intensity profile a sufficiently small deviation from the ideal top-hat profile a very large increase in the flank is present as a feature. This big rise in the flank of the top has shaped Intensity distribution triggers in selected Processes of laser material processing the task that outside the desired structuring limits no damage of the material occurs. Compared with a Gauss profile, one Super Gauss profile or a Bessel-shaped intensity distribution is the share of energy in the outlets of the top hat distribution tiny. The presented method makes it possible also a specific influence on the intensity distribution in the outlets of the desired intensity distribution. By an adapted optical design, the energy components can be thus targeted control and for a process of edge processing use.

Neben der Erzeugung einer top-hat-förmigen Intensitätsverteilung lassen sich z. B. Doughnut-förmige oder andere Intensitätsverteilungen realisieren.Next the generation of a top-hat-shaped intensity distribution can be z. Donut-shaped or other intensity distributions realize.

Die folgenden Beschreibungen der Abbildungen erläutern ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung.The The following descriptions of the illustrations explain preferred embodiment of the present application.

In 1 ist eine einfallende gauss-förmige Intensitätsverteilung dargestellt. Ein nachfolgendes optisches Element besteht dabei aus einem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat ist dabei derart gestaltet, dass es für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm und 11 μm transparent ist.In 1 an incident Gaussian intensity distribution is shown. A subsequent optical element consists of a carrier substrate. The carrier substrate is designed such that it is transparent to electromagnetic radiation in a wavelength range of 100 nm and 11 microns.

Das Trägersubstrat ist dabei derart ausgeführt, dass mindestens eine der beiden optischen Grenzflächen oder beide eine sphärische oder asphärische Flächendefinition haben. Das Merkmal dieser Fläche oder Flächen ist dabei, dass im Fernfeld des beschriebenen Elementes die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fourierelementes entsteht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung wird dabei im Fernfeld des beschriebenen Elementes eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt. Diese Intensitätsverteilung wird durch mindestens asphärische Fläche erzeugt.The Carrier substrate is designed such that at least one of the two optical interfaces or both a spherical or aspherical surface definition to have. The feature of this surface or surfaces is that in the far field of the described element the Fourier transform the intensity distribution in the image plane of the Fourier element arises. In a preferred embodiment of the present application is doing in the far field of the described Elementes a quiver-shaped intensity distribution generated. This intensity distribution is determined by at least produced aspheric surface.

In 2 ist eine einfallende gauss-förmige Intensitätsverteilung dargestellt. Ein nachfolgendes optisches Element besteht dabei aus einem Trägersubstrat. Das Trägersubstrat ist dabei derart gestaltet, dass es für elektromag netische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm und 11 μm transparent ist.In 2 an incident Gaussian intensity distribution is shown. A subsequent optical element consists of a carrier substrate. The carrier substrate is designed such that it is suitable for electromagnetic radiation in egg In the wavelength range of 100 nm and 11 microns is transparent.

Das Trägersubstrat ist dabei derart ausgeführt, dass mindestens eine der beiden Grenzflächen oder beide eine diffraktive Wirkung auf die einfallende Elektromagnetische Welle haben. Das Merkmal dieser Fläche oder Flächen ist dabei, dass im Fernfeld des beschriebenen Elementes die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung in der Bildebene des Fourierelementes entsteht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung wird dabei im Fernfeld des beschriebenen Elementes eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt. Diese Intensitätsverteilung wird durch eine geeignete diffraktive Fläche erzeugt.The Carrier substrate is designed such that at least one of the two interfaces or both diffractive effect on the incident electromagnetic wave to have. The feature of this surface or surfaces is that in the far field of the described element the Fourier transform the intensity distribution in the image plane of the Fourier element arises. In a preferred embodiment of the present application is doing in the far field of the described Elementes a quiver-shaped intensity distribution generated. This intensity distribution is determined by a suitable generated diffractive surface.

In 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bestehend aus den Anordnungen und deren Eigenschaften aus 1 oder 2 und einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung. Dabei erzeugen die in 1 oder 2 beschrieben Anordnungen ebenfalls in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine besselförmige Intensitätsverteilung. Diese Intensitätsverteilung wird im Fernfeld hinter dem in 1 oder 2 erfindungsgemäßen Phasenelement erzeugt. Eine nachfolgende Fouriertransformationseinheit erzeugt im weiteren Verlauf der Propagation des bessel-förmigen Intensitätsprofiles in der Bildebene dieser Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung. Top-Hat förmig ist dabei derart definiert, dass eine durch die technische Ausführung bedingte Abweichung vom gewünschten Strahlprofil keine erfindungsgemäßen Einschränkungen hervorruft. Die Fouriertransformationseinheit kann dabei als eine ein- oder zweiflächige sphärische Linse oder eine als eine ein- oder zweiflächige asphärische Linse ausgeführt sein. Eine Kombination aus sphärischen oder asphärischen Flächen ist in einem erfindungsgemäßen Beispiel möglich und bei einigen Anwendungen auch notwendig.In 3 is a preferred embodiment of the invention shown, consisting of the arrangements and their properties 1 or 2 and a further inventive arrangement. The generate in 1 or 2 In a preferred embodiment, arrangements also described a bosonal intensity distribution. This intensity distribution is in the far field behind the in 1 or 2 produced phase element according to the invention. A subsequent Fourier transformation unit generates a top-hat-shaped intensity distribution in the course of the propagation of the bessel-shaped intensity profile in the image plane of this unit. Top hat-shaped is defined in such a way that a conditional by the technical design deviation from the desired beam profile causes no restrictions according to the invention. The Fourier transformation unit can be embodied as a mono- or dihedral spherical lens or as a mono- or dihedral aspherical lens. A combination of spherical or aspherical surfaces is possible in an example according to the invention and also necessary in some applications.

Die Fouriertransformationseinheit kann dabei auch eine oder mehrere diffraktive Flächen enthalten. Ein Ausführung als optisches System bestehend aus mehren Elementen mit beliebigen Flächen, sowohl plan, sphärisch, asphärisch, diffraktiv oder eine Anordnung von verschiedenen Elementen auf einer Fläche ist dabei erfindungsgemäß möglich.The Fourier transformation unit can also be one or more contain diffractive surfaces. An execution as an optical system consisting of several elements with arbitrary Surfaces, both plan, spherical, aspherical, diffractive or an arrangement of different elements on one Surface is possible according to the invention.

In 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel bestehend aus den Anordnungen und deren Eigenschaften aus 1, 2, 3 und einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ist den bisher dargestellten Beispielen um eine Strahlablenkungseinheit in mindestens einer Raumrichtung ergänzt. Eine Ablenkung der einfallenden Strahlung ist mit den bisher vorgestellten Eigenschaften der Erfindung auch in 2 oder 3 Raumrichtungen technisch realisierbar. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht dabei die Richtungsablenkung, z. B. Strahlablenkung durch jedes geeignete optische Element oder System wie z. B. Spiegel usw., aus einer Galvanoscannereinheit mit mindestens einer veränderlichen Ablenkrichtung. Die Richtungsablenkung erfolgt dabei in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen der Anordnung zur Erzeugung der bessel-förmigen Intensitätsverteilung und dem Fourierelement. Dabei ist das Fourierelement derart ausgeführt, dass durch die vorgeschaltete Richtungsablenkung in der Bildebene des Fourierelementes eine definierte Fläche abgebildet wird. Die Fläche ist dabei durch die optischen Eigenschaften des Fourierelementes und den Winkel der Richtungsablenkung definiert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solches Fourierelement ein F-Theta Scanobjektiv sein. Eine weitere Ausführung für die Scannereinheit ist die Verwendung von akusto-optischen Modulator/en.In 4 is a preferred embodiment consisting of the arrangements and their properties 1 . 2 . 3 and a further arrangement according to the invention shown. This preferred exemplary embodiment is supplemented by the examples presented so far by a beam deflection unit in at least one spatial direction. A deflection of the incident radiation is technically feasible with the properties of the invention presented so far in 2 or 3 spatial directions. In a preferred embodiment, the directional deflection, z. B. beam deflection by any suitable optical element or system such. As mirror, etc., from a Galvanoscannereinheit with at least one variable deflection. The directional deflection takes place in a preferred embodiment between the arrangement for generating the bessel-shaped intensity distribution and the Fourier element. In this case, the Fourier element is designed such that a defined area is imaged by the upstream directional deflection in the image plane of the Fourier element. The area is defined by the optical properties of the Fourier element and the angle of the directional deflection. In a preferred embodiment, such a Fourier element may be an F-theta scan objective. Another embodiment for the scanner unit is the use of acousto-optic modulator (s).

In 5 ist eine Anordnung zur Aufweitung der einfallenden Strahlung dargestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Strahlaufweitungseinrichtung der inIn 5 an arrangement for expanding the incident radiation is shown. In a preferred embodiment, the beam expander is the in

1 beschriebenen Anordnung vorgeschaltet. Die Strahlaufweitungseinrichtung besteht dabei aus optischen Elementen vorzugsweise Linsen mit sphärischen oder asphärischen Flächen die nach dem Kegler- oder Galilei-Prinzip angeordnet sind. Eine Strahlaufweiterung kann auch zusätzliche oder bei gleicher Wirkung auch diffraktive Flächen enthalten. Die Strahlaufweiterung kann auch an beliebiger Position des weiteren Strahlenganges sich befinden. 1 upstream arrangement described. The beam expander consists of optical elements, preferably lenses with spherical or aspherical surfaces which are arranged according to the Kegler or Galilei principle. A beam expansion can also contain additional or, for the same effect, diffractive surfaces. The beam extension can also be located at any position of the further beam path.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Homogenisieren von optischen Strahlen, z. B. Laserstrahlen, mit einem Phasenelement (vgl. 1, 2) das so im Strahlengang ausgerichtet ist, dass die Laserstrahlung in eine derart gestaltete Intensitätsverteilung umgewandelt wird, dass ein nachfolgendes optisches Element, dass als Fouriertransformator (vgl. 3) wirkt, die gewünschte Intensitätsverteilung in der Bildebene erzeugt. Dabei ist das Phasenelement (vgl. 1, 2) derart gestaltet das es mindestens eine sphärische oder asphärische Grenzfläche aufweist und im Fernfeld die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung im Bildfeld enthält. Eine nachfolgende optische Einheit zur Fouriertransformation ist dabei derart gestaltetet, dass dabei ein oder mehrere optische Elemente mit sphärischen, asphärischen, diffraktiven oder arrayförmig angeordneten Flächen aufweist.The invention relates to an arrangement and a method for homogenizing optical beams, z. As laser beams, with a phase element (see. 1 . 2 ) which is aligned in the beam path in such a way that the laser radiation is converted into an intensity distribution designed in such a way that a subsequent optical element that acts as a Fourier transformer (cf. 3 ), generates the desired intensity distribution in the image plane. In this case, the phase element (see. 1 . 2 ) designed in such a way that it has at least one spherical or aspherical interface and in the far field contains the Fourier transform of the intensity distribution in the image field. A subsequent optical unit for Fourier transformation is designed in such a way that it has one or more optical elements with spherical, aspherical, diffractive or arrayed surfaces.

Die Anordnung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (vgl. 1, 2) eine asphärische Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist.The arrangement is characterized in that the phase element (see. 1 . 2 ) has an aspherical surface on a carrier substrate.

Die Anordnung ist kann auch dadurch gekennzeichnet sein, dass das Phasenelement (vgl. 1, 2) zwei asphärische Flächen auf einem Trägersubstrat aufweist, wobei eine der Flächen auch als sphärische Fläche ausgeführt sein kann.The arrangement can also be characterized ge be characterized in that the phase element (see. 1 . 2 ) has two aspherical surfaces on a carrier substrate, wherein one of the surfaces can also be embodied as a spherical surface.

Die Anordnung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass das Phasenelement (vgl. 1, Abb.) mindestens eine diffraktive Fläche (z. B. 2) auf einem Trägersubstrat aufweist.The arrangement can furthermore be characterized in that the phase element (cf. 1 , Fig.) At least one diffractive surface (eg. 2 ) on a carrier substrate.

Die Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt und eine als Fouriertransformator wirkende zweite optische Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in und oder um die Bildebene des Fouriertransformators erzeugt. Die top-hat-förmige Intensitätsverteilung ist ein Ausdruck dessen, dass thermische Schädigungen vermieden werden, was u. a. das Ziel der vorliegenden Erfindung ist. Die Anordnung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass an einem beliebigen Ort im Strahlengang eine Richtungsablenkung in mindestens einer Achse erfolgt.The Arrangement is characterized according to the invention by that the phase element has a quiver-shaped intensity distribution generated and acting as a Fourier transformer second optical Unit has a top-hat-shaped intensity distribution generated in and / or around the image plane of the Fourier transformer. The top hat-shaped intensity distribution is one Expression of that avoided thermal damage become what u. a. the object of the present invention is. The order may be characterized in that at any place in the Beam path a directional deflection takes place in at least one axis.

Die Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fouriertransformator als ein F-Theta-Objektiv oder einem Objektiv nahe der F-Theta Anordnung ausgeführt ist.The Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the Fourier transformer as an F-theta lens or a lens is executed near the F-theta arrangement.

Die Anordnung nach einem der vorhergehenden Ausführungen ist dadurch gekennzeichnet, dass beliebige elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 11 μm und 100 nm benutzt werden kann.The Arrangement according to one of the preceding embodiments characterized in that any electromagnetic radiation in a wavelength range between 11 microns and 100 nm can be used.

Die Erfindung beinhaltet auch ein entsprechendes Verfahren nach der erfindungsgemäßen Anordnung.The The invention also includes a corresponding method according to inventive arrangement.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (12)

Verfahren und Anordnung zum Homogenisieren von optischen Strahlen mit einem Phasenelement, dass so im Strahlengang ausgerichtet ist, dass die Laserstrahlung in eine derart gestaltete Intensitätsverteilung umgewandelt wird, dass ein nachfolgendes optisches Element, dass als Fouriertransformator wirkt, eine solche Intensitätsverteilung in der Bildebene erzeugt, dass thermische Schädigungen vermieden werden.Method and arrangement for homogenizing optical rays with a phase element that is so in the beam path is aligned, that the laser radiation in such a designed Intensity distribution is converted to a subsequent one optical element that acts as a Fourier transformer, such Intensity distribution in the image plane generates that thermal Damage should be avoided. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenelement derart gestaltet ist, dass es mindestens eine sphärische oder asphärische Grenzfläche aufweist und im Fernfeld die Fouriertransformierte der Intensitätsverteilung im Bildfeld enthält.Method and arrangement according to claim 1, characterized characterized in that a phase element is designed such that it is at least a spherical or aspherical Has interface and in the far field the Fourier transform contains the intensity distribution in the image field. Verfahren und Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Einheit zur Fouriertransformation dabei derart gestaltetet und angeordnet bzw. verwendet wird/ist, wobei ein oder mehrere optische/n Elemente mit sphärischen, asphärischen, diffraktiven oder arrayförmig angeordneten Flächen ausgestattet sind.Method and arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that an optical unit for Fourier transformation thereby designed / arranged or used / is, wherein one or more optical elements with spherical, aspherical, diffractive or arrayed arranged Surfaces are equipped. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine asphärische Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist bzw. ein solches wirkendes Phasenelement verwendet wird.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Phase element an aspherical surface on a Has carrier substrate or such acting phase element is used. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement zwei asphärische Flächen auf einem Trägersubstrat aufweist bzw. verwendet wird.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Phase element two aspherical surfaces on one Carrier substrate has or is used. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der asphärischen Flächen auch als sphärische Fläche ausgeführt sein kann bzw. verwendet wird.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that a the aspheric surfaces also as spherical Surface can be executed or used. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement mindestens eine diffraktive Fläche auf einem Trägersubstrat aufweist.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Phase element at least one diffractive surface on a Carrier substrate has. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine besselförmige Intensitätsverteilung erzeugt bzw. entsprechend angeordnet ist.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Phase element a quiver-shaped intensity distribution generated or arranged accordingly. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement eine als Fouriertransformator wirkende zweite optische Einheit eine top-hat-förmige Intensitätsverteilung in und oder um die Bildebene des Fouriertransformators erzeugt und entsprechend angeordnet ist.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Phase element acting as a Fourier transformer second optical Unit has a top-hat-shaped intensity distribution generated in and or around the image plane of the Fourier transformer and accordingly is arranged. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem beliebigen Ort im Strahlengang eine Richtungablenkung in mindestens einer Achse erfolgt.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that on a any place in the beam path, a directional deflection in at least an axis takes place. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fouriertransformator als ein F-Theta-Objektiv oder einem Objektiv nahe der F-Theta Anordnung ausgeführt ist bzw. verwendet wird.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the Fourier transformer as an F-theta lens or a lens is executed near the F-theta arrangement or is used. Verfahren und Anordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beliebige elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 11 μm und 100 nm liegt bzw. eine solche verwendet wird.Method and arrangement according to at least one of previous claims, characterized in that the any electromagnetic radiation in a wavelength range between 11 .mu.m and 100 nm or such is used.
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