DE102020007923B3

DE102020007923B3 - Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen

Info

Publication number: DE102020007923B3
Application number: DE102020007923.7A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2041-01-01

Abstract

Die Aufgabe dieser vorliegenden Patentanmeldung ist es, optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen anzugeben.Die Kernidee dieser Patentanmeldung ist es, zur Aufteilung eines polarisierten Laserstrahls polarisationsändernde Elemente wie lambda/2-Verzögerungsplatten und doppelbrechende Prismen wiederholend zu verwenden. Eine Fokussierungslinse wird verwendet, um Multifokuspunkte zu generieren. Eine Konditionierungsoptik wird vorgeschaltet und eine Zoomoptik wird nachgeschaltet. Damit können die Größe der Fokuspunkte und die Abstände zwischen den Fokuspunkten gemäß einer Vorgabe eingestellt werden.

Description

Die Materialbearbeitung mit Kurz- und Ultrakurzpulslasern ist aus der präzisen und flexiblen Produktion nicht mehr weg zu denken. Eine hohe Produktivität erfordert hohe mittlere Leistung. Die mittlere Leistung ist das Produkt von Pulswiederholrate und Pulsenergie. Bei vielen Anwendungen wird der Laserstrahl mit einem Scanner über das Werkstück bewegt. Die limitierte Scangeschwindigkeit begrenzt die nutzbare Pulswiederholrate. Ein möglicher Lösungsansatz ist eine parallele Bearbeitung mithilfe von Multistrahlen. In diesem Fall wird ein Laserstrahl mit hoher Pulsenergie verwendet. Der Laserstrahl wird mittels einer geeigneten Optik in mehrere Strahlen aufgeteilt. Dadurch kann die Produktivität bei einer moderaten Pulswiederholrate gesteigert werden.
Es gibt verschiedene Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen. So können z. B. beschichtete Strahlteiler oder diffraktive optische Elemente (DOE) verwendet werden. Da für viele Anwendungen ein Teilungsverhältnis mit einer Toleranz von unter 2% erforderlich ist, ist es eine technische Herausforderung, solche Strahlteiler zu realisieren. Diffraktive optische Elemente werden am häufigsten verwendet, wo viele Strahlen benötigt werden. Ein Nachteil von DOEs ist die geringe Effizienz, die typischerweise zwischen 60% und 80% liegt. Dies vermindert die erzielbare Produktivität. Die Strahlaufteilung mittels DOE erfolgt durch die Modifikation der Phasenfront eines Laserstrahls. Eine reproduzierbare Strahlaufteilung erfordert folglich eine definierte und stabile Phasenfront. Bedauerlicherweise ist dies bei Lasern mit hoher mittlerer Leistung äußerst schwer zu gewährleisten.
Die Druckschrift DE 102 01 315 A1 beschreibt eine Anordnung zur Minderung des Speckle-Effektes bei Inspektion von Masken. Dabei werden doppelbrechende Elementen zur Minderung der Kohärenz verwendet. Die doppelbrechenden Elementen werden so ausgelegt, dass die darin entstandenen zeitlichen Verzögerungen unterschiedlicher Polarisationen die Kohärenzlänge des kohärenten Strahls übersteigert.
Die Druckschrift WO 2009/012913 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Erzeugung Multistrahlen vergleichbarer Stärke. Dabei wird ein liniear polarisierter Strahl verwendet. Durch Verwendung einer lambda/2-Verzögerungsplatte wird der Strahl in Querschnitt in zwei Teilstrahlen aufgeteilten. Die beiden Teilstrahlen weisen senkrecht zueinander stehende Polarisation auf. Durch ein nachgeschaltes Doppelbrechungselement werden die beiden Teilstrahl in Querschnitt zu einem Strahl gleichmäßiger Intensitätsverteilung überlagert. Durch Verwendung von Multispiegelelemente werden Multistrahlen generiert.
Die Druckschrift DE 10 2016 011 555 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Symmetrisierung von Intensitätsverteilung einer linear polarisierten Laserstrahls. Durch Verwendung einer lambda/2-Verzögerungsplatte wird der Strahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilten. Die beiden Teilstrahlen weisen senkrecht zueinander stehende Polarisation auf. Durch eine Optik wird der Querschnitt eines Teilstrahls 180° gespiegelt. Durch ein nachgeschaltes Doppelbrechungselement werden die beiden Teilstrahl in Querschnitt zu einem Strahl mit einer symmetrischen Intensitätsverteilung überlagert.
Die Druckschrift WO 2018/178064 A1 beschreibt eine optische Anordnung zum Erhalten eines phasenverschobenen Shearogramms eines Targets für die Shearographie, umfassend den Schritt des Bestrahlens des Targets mit einem polarisierten kohärenten Lichtstrahl, wobei eine Phase von mindestens einer Polarisationskomponente des polarisierten Lichts elektronisch moduliert wird. Das vom Ziel reflektierte Licht passiert eine Optik mit polarisationsabhängiger Verzögerung.
Die Druckschrift DE 10 2006 050 155 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Strahls mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung. Dabei wird ein linear polarisierter Strahl mit einem Gauß‘schen Intensitätsprofil verwendet. Durch Verwendung einer lambda/2-Verzögerungsplatte wird der Strahl in Querschnitt in zwei Teilstrahlen aufgeteilten. Die beiden Teilstrahlen weisen senkrechtzueinander stehende Polarisation auf. Durch ein nachgeschaltes Doppelbrechungselement werden die beiden Teilstrahl in Querschnitt zu einem Strahl gleichmäßiger Intensitätsverteilung überlagert.
Die Aufgabe dieser vorliegenden Patentanmeldung ist es optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen anzugeben. Dabei sollen Probleme wie die Beschichtungstoleranz bei beschichteten Strahlteilern oder die geringe Effizienz und die hohe Anforderung an die Strahlqualität bei DOEs vermieden werden.
Die Kernidee dieser Patentanmeldung ist es, zur Aufteilung eines polarisierten Laserstrahls polarisationsändernde Elemente wie lambda/2-Verzögerungsplatten und doppelbrechende Prismen zu verwenden.
Im Folgenden werden beispielhafte Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen gemäß dieser Patentanmeldung erläutert.
zeigt die Funktionsweise der Aufteilung eines linear polarisierten Laserstrahls (11). Die lineare p-Polarisation des Laserstrahls wird durch den Pfeil symbolisiert. Dabei wird eine erste Verzögerungsplatte (71) im Strahlgang angeordnet. Vorzugsweise wird eine lambda/2-Verzögerungsplatte verwendet. Nach der Verzögerungsplatte (71) weist der Laser sowohl eine p- als auch eine s-polarisierte Komponente auf. Die s-polarisierte Komponente wird durch einen gefüllten Kreis dargestellt. Der Strahl mit p- und s-polarisierten Komponenten trifft ein erstes doppelbrechendes Prisma (81). Beispielsweise wird das doppelbrechende Prisma so ausgelegt, dass seine optische Achse in der xz-Ebene liegt. Dabei ist die z-Achse parallel zu der Ausbreitungsrichtung des Strahls. Für das doppelbrechende Prisma (81) entspricht die p-Polarisation der e-Polarisation und die s-Polarisation der o-Polarisation. Aufgrund der Doppelbrechung werden der e-polarisierte Teilstrahl (92) und der o-polarisierte Teilstrahl (91) unterschiedlich gebrochen. Die beiden Teilstrahlen (92) und (91) treten unter unterschiedlichen Winkeln aus dem Prisma aus. Damit wird der Strahl (11) in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation (91) und (92) aufgeteilt.
Ein doppelbrechendes Prisma kann aus alpha-BBO, YVO4, Einkristall-SiO2, etc. sein.
Das Aufteilungsverhältnis (Leistung/Energie des Teilstrahls (91) zur Leistung/Energie des Teilstrahls (92)) kann durch die Einstellung der optischen Achse der Verzögerungsplatte (71) in Relation zu der Polarisation des Eingangsstrahls (11) eingestellt werden.
Wie zeigt, wird unmittelbar hinter dem ersten Prisma (81) eine zweite Verzögerungsplatte (72) z. B. eine lambda/2-Verzögerungsplatte angeordnet. Hinter der zweiten Verzögerungsplatte (72) hat der Teilstrahl (91) sowohl eine p- als auch s-polarisierte Komponente. Gleiches gilt für den Teilstrahl (92). Ein zweites doppelbrechendes Prisma (82) wird verwendet, hinter dem der Teilstrahl (91) in zwei Teilstrahlen (911) und (912) mit unterschiedlichen Polarisationen aufgeteilt wird. Der Teilstrahl (92) wird ebenfalls in zwei Teilstrahlen (921) und (922) mit unterschiedlicher Polarisation aufgeteilt. Bei der in dargestellten Anordnung wird das zweite Prisma so angeordnet, dass wie bei dem ersten Prisma seine Hypotenuse in der xz-Ebene liegt. Dadurch liegen die vier Teilstrahlen (911), (912), (921) und (922) in der xz-Ebene.
Demgegenüber zeigt eine alternative Anordnung. Dabei wird das zweite Prisma (82) so angeordnet, dass seine Hypotenuse in der yz-Ebene liegt. Dadurch erfolgt die zweite Aufteilungsstufe in der yz-Ebene. Aus dem Teilstrahl (91) entstehen die Teilstrahlen (916) und (917) mit unterschiedlicher Polarisation. Aus dem Teilstrahl (92) entstehen die Teilstrahlen (926) und (927) mit unterschiedlicher Polarisation. Die vier Teilstrahlen (916), (917), (926) und (927) bilden eine viereckige Pyramide.
Wie in dargestellt ist, wird zur Fokussierung eine Optik (61) z. B. eine f/theta-Linse von einem Scanner verwendet. In der Fokusebene entstehen, wie in dargestellt, durch die vier Teilstrahlen (916), (917), (926) und (927) vier Fokuspunkte (966), (967), (976) und (977).
Die Aufteilung der Strahlen kann durch Verwendung von weiteren Verzögerungsplatten und doppelbrechenden Prismen fortgeführt werden. So zeigt eine Anordnung mit einer dritten Verzögerungsplatte (71) und einem dritten doppelbrechenden Prisma (83). Dabei wird das dritte doppelbrechende Prisma (83) so angeordnet, dass seine Hypotenuse in der xz-Ebene liegt. Dadurch werden die vier Teilstrahlen (916), (917), (926) und (927) zu 8 Teilstrahlen aufgeteilt. Wie in gezeigt ist, werden die 8 Teilstrahlen mit einer Optik fokussiert. Es entstehen 8 Fokuspunkte in der xy-Ebene.
Die Aufteilung der Strahlen erfolgt durch polarisationsabhängige Brechung an den Doppelbrechungsprismen. Die Teilstrahlen weisen unterschiedliche Ausbreitungen auf. Für eine definiertes Aufteilungsverhältnis ist es vorteilhaft, dünne Verzögerungsplatten geringer Ordnung zu verwenden.
Die Abstände zwischen den Fokuspunkten werden durch die Winkel der Doppelbrechungsprismen bestimmt. Für bestimmte Anwendungen ist es erforderlich, dass die Abstände zwischen den Fokuspunkten veränderbar bzw. einstellbar sind. Eine Möglichkeit dafür ist die Verwendung von Doppelbrechungsprismen, die unterschiedliche Winkel haben. Allerdings ist diese Lösung nur in der Lage, Fokuspunktmuster mit diskreten Abständen zu generieren. Um die Flexibilität der Strahlaufteilung zu erhöhen, kann eine Konditionierungsoptik vorgeschaltet werden. Ein Beispiel zeigt . Dabei wird eine Konditionierungsoptik (21) verwendet. Der Durchmesser oder/und die Divergenz des Eingangsstrahl (1) kann durch die Konditionierungsoptik (21) gemäß einer Vorgabe eingestellt werden. So hat der Strahl (11) einen einstellbaren Durchmesser oder/und eine einstellbare Divergenz. Durch Einstellung der Strahldurchmesser kann die Größe der Fokuspunkte der Teilstrahlen verändert werden (vgl. und ). Die Divergenz des Strahls (11) beeinflusst die axiale Position der Fokusebene der Teilstrahlen. So können über eine Änderung der Divergenz des Strahls (11) die Abstände zwischen den Fokuspunkten eingestellt werden (vergl. und ).
Allerdings ist der Einstellbereich der Abstände zwischen den Fokuspunkten durch die Divergenz des Strahls (11) sehr limitiert, da die Unterschiede zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Teilstrahlen typischerweise nur in mrad-Bereich liegen. Um den Einstellbereich der Abstände zwischen den Fokuspunkten zu vergrößern, kann gemäß dieser vorliegenden Patentanmeldung eine weitere Optik (23) zwischen der Aufteilungsoptik inkl. Verzögerungsplatten und Doppelbrechungsprismen verwendet werden. Dies ist in dargestellt. Eine einfache Ausführung der Optik (23) ist eine Zoomoptik. Mit der Zoomoptik können z. B. die Unterschiede der Ausbreitungsrichtungen der Teilstrahlen und damit die Abstände zwischen den Fokuspunkten gemäß einer Vorgabe eingestellt werden. Dies ist allerdings mit einer Veränderung der Durchmesser der Teilstrahlen und somit mit einer Änderung der Größen der Fokuspunkte verbunden (vergl. und ). Um die Abstände zwischen den Fokuspunkten bei einer konstanten Größe der Fokuspunkte zu ermöglichen, wird die Änderung der Durchmesser von Teilstrahlen aufgrund der Zoomoptik durch Einstellung der Konditionierungsoptik (21) rückgängig gemacht (vgl. und ).
Die Teilstrahlen sind s- oder p-polarisiert. Für polarisationssensitive Anwendung ist es vorteilhaft, zirkular polarisierte Strahlen zu verwenden. Dies wird realisiert, indem, wie in dargestellt, eine lambda/4-Verzögerungsplatte (76) verwendet wird.
Bei den Anordnungen sind die optischen Wege gebrochen. Dies führt zu einem komplizierten mechanischen Aufbau. Um dieses Problem zu umgehen, kann die Konditionierungsoptik so angeordnet werde, dass die gemittelte Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen parallel zum Eingangsstrahl (1) steht. Dies zeigt .
zeigt eine alternative Lösung. Dabei werden zwei Prismen (86) und (87) verwendet. Durch eine geeignete Auswahl und Anordnung der Prismen (86) und (87) ist es möglich, dass die gemittelte Ausbreitungsrichtung parallel zum Eingangsstrahl (1) ist.

Claims

Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl, bestehend aus einer ersten Verzögerungsplatte (71), einem ersten Doppelbrechungsprisma (81), wobei die Hypotenuse des ersten Doppelbrechungsprismas in der xz-Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweite Verzögerungsplatte (72) und ein zweites Doppelbrechungsprisma (82) verwendet werden, wobei sie unmittelbar hinter dem ersten Doppelbrechungsprisma angeordnet sind, wobei der Eingangsstrahl (11) in 4 Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei die Hypotenuse des zweiten Doppelbrechungsprismas in der yz-Ebene liegt, so dass die 4 Teilstrahlen (916), (926), (917) und (927) ein viereckige Pyramide bilden.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussierungsoptik (61) verwendet wird, wobei in der Fokusebene 4 Fokuspunkte (966), (967), (976) und (977) entstehen.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Verzögerungsplatte (73) und ein weiteres Doppelbrechungsprisma (83) verwendet werden, um den Eingangsstrahl (11) in 8 Teilstrahlen aufzuteilen.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konditionierungsoptik (21) vorgeschaltet wird, mit welcher der Durchmesser und/oder die Divergenz des Laserstrahl (11) eingestellt werden kann/können, so dass die Größe der Fokuspunkte und/oder die Abstände zwischen den Fokuspunkten gemäß einer Vorgabe variiert werden kann/können.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zoomoptik (23) nachgeschaltet wird, mit welcher der Durchmesser und/oder die Divergenz der Teilstrahlen eingestellt werden kann/können, so dass die Größe der Fokuspunkte und/oder die Abstände zwischen den Fokuspunkten gemäß einer Vorgabe variiert werden kann/können.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine lambda/4-Verzögerungsplatte (76) verwendet wird, um die lineare Polarisation der Teilstrahlen zur zirkularen Polarisation umzuwandeln.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungsoptik (21) so ausgelegt und angeordnet wird, dass die mittlere Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen parallel zu dem Eingangsstrahl (11) wird.
Optische Anordnungen zur Erzeugung von Multistrahlen aus einem polarisierten Laserstrahl nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Prismen (86) und (87) verwendet werden, wobei die Prismen (86) und (87) so ausgelegt und angeordnet werden, dass die mittlere Ausbreitungsrichtung der Teilstrahlen parallel zu dem Eingangsstrahl (11) wird.