DE10345177B3

DE10345177B3 - Linsensystem zum Homogenisieren von Laserpulsen

Info

Publication number: DE10345177B3
Application number: DE10345177A
Authority: DE
Inventors: Berthold Dr. Dipl.-Phys. Burghardt
Original assignee: Innovavent GmbH
Current assignee: Innovavent GmbH
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-09-30

Abstract

Ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserpulsen (12) weist ein erstes Linsenarray aus einer Mehrzahl von Linsen (16), welches die einfallende Strahlung in mehrere Teilstrahlen auftrennt, und eine Abbildungsoptik (26) auf, welche im Strahlengang der Laserstrahlung so angeordnet ist, dass sie die vom Linsenarray kommenden Teilstrahlen zumindest teilweise homogenisiert auf ein Beleuchtungsfeld (28) abbildet. Die Teilstrahlen durchlaufen dabei unterschiedliche Weglängen in den optischen Elementen des Linsensystems. Daher erreichen die Teilstrahlen das Beleuchtungsfeld (28) zeitlich versetzt, sodass keine störende Interferenz der Teilstrahlen im Beleuchtungsfeld (28) auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserpulsen.
Von einem Laser emittierte Strahlung weist häufig eine inhomogene Intensitätsverteilung auf. Insbesondere zeigen viele Laser eine sogenannte Gauß-Verteilung der Intensität im Strahl (siehe 4). Für viele Anwendungen ist jedoch eine homogene Intensitätsverteilung im Strahl vorteilhaft, wie z.B. eine sogenannte Top-Hat-Verteilung (siehe 5). Dazu werden Homogenisierer verwendet, die einen Laserstrahl in mehrere Teilstrahlen aufteilen und diese anschließend überlagern, um eine möglichst homogene Ausleuchtung eines Gebietes zu erreichen.
Unter einer homogenen Intensitätsverteilung versteht man eine Intensitätsverteilung, bei der die Strahlungsintensität an allen zum gewünschten Einsatz kommenden Stellen des Strahls im Wesentlichen gleich ist. Strahlung steht hier umfassend für elektromagnetische Strahlung.

Die DE 42 20 705 A1 beschreibt die Grundform eines Linsenarrayhomogenisierers (wie schematisch in 1 dargestellt). Dort wird die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls in derjenigen Achse, in der sie ein Gaußprofil hat, homogenisiert (räumlich ausgeglichen). Ein erstes Linsenarray mit Linsen senkrecht zur Strahlungsachse teilt die einfallende Strahlung in mehrere Teilstrahlen auf. Ein "Array" ist eine strukturierte Reihung einer Mehrzahl von Linsen. Der Einfachheit halber sind nur drei Linsen in 1 dargestellt. Die Teilstrahlen werden anschließend von einer Sammellinse oder einem zweiten Linsenarray und einer Sammellinse auf einer Bildfläche überlagert, und man erhält eine im Wesentlichen homogene Ausleuchtung der Bildebene. Der Grad der Homogenisierung ist in der Regel umso höher, je mehr Teilstrahlen verwendet werden. In der Praxis hat sich eine Zerlegung in 5-20 Teilstrahlen bewährt.

Die DE 196 32 460 C1 zeigt eine Weiterentwicklung einer derartigen Vorrichtung zum Homogenisieren von Laserstrahlung. Die dort beschriebene Vorrichtung erzeugt meh rere Beleuchtungsfelder mit jeweils homogener Intensitätsverteilung, wobei eine Linsenreihe mehrere unterschiedliche Gruppen von azentrischen Linsensegmenten umfasst. Siehe hierzu auch US 5,796,521 .

Der in DE 100 49 557 A1 beschriebene Homogenisieren ist mit Invertierungslinsen so ausgestattet, dass ein Intensitätsprofil der Laserstrahlung auf einer Strahlseite eine höhere Intensität als in anderen Bereichen des Strahls hat.

Die vorstehend genannten Homogenisierer gemäß dem Stand der Technik werden nachfolgend als bekannt vorausgesetzt. Das Grundprinzip eines solchen Homogenisierers und der Strahlengang sind in 1 gezeigt.

In den aus dem Stand der Technik bekannten Homogenisierern durchlaufen die Teilstrahlen im Wesentlichen gleiche Weglängen. Kleine Weglängenunterschiede treten nur zwischen den äußeren und den mittleren Strahlen auf und sind in der Regel nur Bruchteile von mm groß. Daher kommt es bei der Überlagerung der Teilstrahlen zu Interferenzen, die das Intensitätsprofil modulieren. Man erhält so eine Top-Hat-Intensitätsverteilung mit Interferenz-Modulation (siehe 6).

Da die Kohärenz bei Lasern sehr groß ist, führen die durch die Überlagerung vieler Teilstrahlen erzeugten Interferenzen zu einer starken Modulation des gewünschten Top-Hat-Profils. Eine solche durch Interferenz modulierte Intensitätsverteilung ist für viele Anwendungen, wie z. B. die Materialbearbeitung, nicht brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls so zu homogenisieren, dass eine im Wesentlichen interferenzfreie homogene Intensitätsverteilung erzeugt wird.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Linsensystem zum Homogenisieren von Laserpulsen mit zumindest einem ersten Linsenarray aus einer Mehrzahl von Linsen, welche die einfallende Strahlung in mehrere Teilstrahlen auftrennen, und einer Abbildungsoptik, die im Strahlengang der Laserpulse hinter dem ersten Linsenarray so angeordnet ist, dass die vom Linsenarray kommenden Teilstrahlen zumindest teilweise so auf ein Beleuchtungsfeld abgebildet werden, dass eine homogene Ausleuchtung des Beleuchtungsfeldes entsteht, dadurch gelöst, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt im Beleuchtungsfeld auftreffen.

Spaltet man einen Laserpuls in mehrere Teilstrahlen auf, können die oben erwähnten Interferenzstrukturen nur dann entstehen, wenn die Teilstrahlen zur gleichen Zeit am selben Ort auftreffen. Wenn man dafür sorgt, dass in einem Homogenisierer, z.B. einem Linsenarrayhomogenisierer, die einzelnen Teilstrahlen nacheinander am Ort der Nutzung des Laserlichts ankommen, tritt keine Interferenzmodulationen auf.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt ungefähr 300000 km/s. Daher besitzt ein Lichtpuls mit einer zeitlichen Dauer von z.B. 10 ps im Vakuum eine räumliche Länge von etwa 3 mm. In diesem Fall müssen die Teilstrahlen also Wege durchlaufen, die sich um mindestens 3 mm voneinander unterscheiden.

Da sich die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (wie z.B. Glas) je nach Brechungsindex des Mediums entsprechend der Formel c_Medium = C_Vakuum/n_Medium verringert, wobei c_Medium die Lichtgeschwindigkeit im Medium, c_Vakuum die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und n_Medium der Brechungsindex des Mediums (z.B. Glas) ist, legt ein Teilstrahl in einem optisch dichteren Medium in einer bestimmten Zeitspanne einen kürzeren Weg zurück als ein Teilstrahl in einem optisch dünneren Medium.

Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, in den Homogenisierer optische Elemente einzubauen, die eine zeitliche Verzögerung zwischen den Teilstrahlen erzeugen. Dies kann z.B. mit unterschiedlich langen Wegstrecken in einem geeigneten Glas realisiert werden.

Die Erfindung wird bevorzugt eingesetzt bei Laserpulsen, deren Länge im Pikosekundenbereich liegt. In Betracht kommen also insbesondere Pulslängen von 1 – 100 Pi kosekunden (ps) oder auch Pulslängen, die etwas kürzer oder etwas länger als der genannte Bereich sind.

Treffen die Teilstrahlen erfindungsgemäß nacheinander im Beleuchtungsfeld auf, vergrößert sich die effektive Dauer der Laserbestrahlung. Hat z.B. der Laserstrahl eine Pulsdauer von 10 ps und werden 3 Arraylinsen verwendet, so ist die effektive Dauer der Laserbestrahlung 30 ps. Um die zeitliche Verlängerung der Laserbestrahlung gering zu halten, wird man also mit möglichst wenig Arraylinsen auszukommen versuchen. Allerdings stellt die Verlängerung der Laserbestrahlungsdauer von 10 auf 30 ps für die meisten Anwendungen keine Einschränkung dar.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind in den Strahlengang zwischen erstem Linsenarray und einer Sammellinse als Abbildungsoptik optische Elemente unterschiedlicher Dicke aus einem optisch dichteren Material in den Strahlengang eingesetzt. Dadurch werden die Teilstrahlen entsprechend der Dicke des durchlaufenen optischen Elements zeitlich verzögert. Die zeitlich Verzögerung ist so gewählt, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt im Beleuchtungsfeld auftreffen und daher nicht miteinander interferieren können.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Linsen des ersten Linsenarrays unterschiedliche Dicken in Strahlrichtung aufweisen. Dadurch werden die Teilstrahlen entsprechend der Dicke der durchlaufenen Linse unterschiedlich zeitlich verzögert. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird dabei die zeitliche Verzögerung so gewählt, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt im Beleuchtungsfeld auftreffen und daher nicht miteinander interferieren können.

Erfindungsgemäß verhindert die Erfindung Interferenz der Teilstrahlen im Beleuchtungsfeld bei Laserpulsen mit kurzen Pulsdauern, oder allgemein bei elektromagnetischer Strahlung mit kurzen Kohärenzlängen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Abbildungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines Linsenarrayhomogenisierers nach dem Stand der Technik;

2 eine schematische Ansicht eines Linsenarrayhomogenisierers, wobei gestaffelt optische Elemente unterschiedlicher Dicken aus einem optisch dichteren Material in den Strahlengang eingesetzt sind;

3 eine schematische Ansicht eines Linsenarrayhomogenisierers, wobei die ersten Linsen für jeden Teilstrahl gestaffelt unterschiedliche Längen in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Laserstrahls aufweisen;

4 eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung (Strahlungsintensität als Funktion des räumlichen Abstands von der Strahlachse) eines Laserstrahls;

5 eine Intensitätsverteilung (Strahlungsintensität als Funktion des räumlichen Abstands von der Strahlachse) eines Laserstrahls in Form eines Top-Hat-Profils; und

6 eine Intensitätsverteilung (Strahlungsintensität als Funktion des räumlichen Abstands von der Strahlachse) eines Laserstrahls in Form eines Top-Hat-Profil mit Interferenz-Modulation.

Die in 2, 3 gezeigten optischen Vorrichtungen (10) sollen zur homogenen Beleuchtung eines Beleuchtungsfelds (28) dienen. Erläutert wird dies anhand eines Lichtstrahls (12), der bei den dargestellten Ausführungsbeispielen von links einfällt.
2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Linsenarrayhomogenisierers (10). Ein gepulster Laserstrahl (12) fällt von links auf ein Linsenarray aus mehreren Linsen (16). Der Einfachheit halber sind hier nur drei Linsen dargestellt. Der Laserstrahl (10) wird in Teilstrahlen aufgeteilt. Die Teilstrahlen durchlaufen optische Elemente (24) aus einem optisch dichteren Material, z.B. Glas. Dabei legen die Teilstrahlen unter schiedliche Weglängen in den optische Elementen (20, 22, 24) zurück. Nach dem Austritt der Teilstrahlen aus den optischen Elementen treffen die Teilstrahlen auf eine Sammellinse (26) oder alternativ auf ein weiteres Linsenarray und eine Sammellinse (nicht dargestellt). Die Sammellinse überlagert die Teilstrahlen im Beleuchtungsfeld (28) und erzeugt dort eine homogene Intensitätsverteilung. Da die Teilstrahlen des Laserpulses nacheinander im Beleuchtungsfeld (28) eintreffen, treten keine störenden Interferenzen in der Intensitätsverteilung im Beleuchtungsfeld (28) auf. Der Begriff „Homogenisierung" bedeutet hier, dass das Beleuchtungsfeld (28) gleichmäßig ausgeleuchtet ist und Beleuchtungsschwankungen weitgehend ausgeglichen sind, wobei die einzelnen Teilstrahlen nacheinander eintreffen und daher die Intensität nicht zu einem Zeitpunkt, sondern als Summe der Intensitäten über eine Zeitspann vom Eintreffen des ersten Teilstrahls bis zum Eintreffen des letzten Teilstrahls betrachtet wird.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei wird die Funktion des Linsenarrays mit der Funktion der optisch Elemente (20, 22, 24) aus 2 vereint. Die Arraylinsen sind unterschiedlich dick, wodurch der gleiche Effekt hervorgerufen wird wie im ersten Ausführungsbeispiel nach 2.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich abwandeln. So können z.B. statt der gezeigten drei Linsen (16) bzw. (17, 18, 19) des ersten Linsenarrays nur zwei oder eine Vielzahl von Linsen verwendet werden. Denkbar ist auch, die Sammellinse (26) durch eine Kombination aus einem zweiten Linsenarray und einer Sammellinse zu ersetzen.

Claims

Linsensystem zum Homogenisieren von Laserpulsen (12) mit einem ersten Linsenarray aus einer Mehrzahl von Linsen (16), welches die einfallende Strahlung in mehrere Teilstrahlen auftrennt, und einer Abbildungsoptik (26), die im Strahlengang der Laserstrahlung so angeordnet ist, dass sie die vom Linsenarray kommenden Teilstrahlen zumindest teilweise homogenisiert auf ein Beleuchtungsfeld (28) abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen zeitlich versetzt im Beleuchtungsfeld auftreffen.
Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass optische Elemente (24) unterschiedlicher Dicke gestaffelt im Strahlengang angeordnet sind, so dass die Teilstrahlen unterschiedliche Weglängen in diesen optischen Elementen zurücklegen.
Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen des ersten Linsenarrays (17, 18, 19) unterschiedliche Dicken in Strahlrichtung aufweisen, so dass die Teilstrahlen unterschiedliche Weglängen in den Linsen des ersten Linsenarrays zurücklegen.