WO2008125327A1

WO2008125327A1 - Verfahren und system zur reproduzierbaren positionierung eines zielobjektes in das wirkvolumen einer laserstrahlung

Info

Publication number: WO2008125327A1
Application number: PCT/EP2008/002956
Authority: WO
Inventors: Ralph Jung
Original assignee: Heinrich Heine Universitaet Duesseldof
Current assignee: Heinrich Heine Universitaet Duesseldof
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2009-10-16
Also published as: DE102007018140A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjekts in das Wirkvolumen einer ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung, die nach einer Umlenkoptik (1), die hoch reflektierend ist für die Wellenlänge der ersten Laserstrahlung (I) und durchlässig für wenigstens eine zweite Wellenlänge, insbesondere zweite Laserstrahlung (II), mittels einer Fokussieroptik (2) in das Wirkvolumen fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die gewünschte Position (P) eines zu positionierenden Zielobjektes (4) im Wirkvolumen (3) das Abbild eines Maskenelementes (5) durch die Umlenkoptik (1) hindurch mit einer zweiten insbesondere Laser-Strahlung projiziert wird und der Grad der Defokussierung des Abbildes auf dem zu positionierenden Zielobjekt (4) bestimmt, insbesondere minimiert wird.

Description

Verfahren und System zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjektes in das Wirkvolumen einer Laserstrahlung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjektes in das Wirkvolumen einer ersten Laserstrahlung, insbesondere einer gepulsten Laserstrahlung, die nach einer Umlenkoptik, die hoch reflektierend ist für die Wellenlänge der ersten Laserstrahlung und durchlässig für wenigstens eine zweite Laserstrahlung, mittels einer Fokussieroptik in das Wirkvolumen fokussierbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System mit denselben Merkmalen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.

Der Erfindung liegt zugrunde, dass es im Stand der Technik bekannt ist, mit Laserpulsen, insbesondere hochintensiven Laserpulsen mit Leistungen von Terawatt (10¹² Watt) oder mehr, Zielobjekte, die sogenannten Targets, zu beleuchten und so physikalisch gewünschte Prozesse hervorzurufen, die maßgeblich von der erreichten Lichtintensität im Fokus abhängen.

So ist es bekannt, dass beispielsweise ab Lichtintensitäten von 10¹⁸ Watt pro Quadratzentimeter die ablaufenden Prozesse stark nichtlinear werden, was zu einer Vielzahl neuartiger physikalischer Effekte führt. Beispiele sind die Beschleunigung von Elektronen auf mehrere 100 Millionen Elektronenvolt und die Beschleunigung von Protonen auf mehrere 10 Millionen Elektronenvolt auf einer Beschleunigungsstrecke von nur wenigen Mikrometern. Ebenso können zum Teil sehr stark gerichtete Teilchenstrahlen mit diesen Eigenschaften in extrem kurzer Zeit beispielsweise weniger als 10 Pikosekunden (10^"12 Sekunden) erzeugt werden, die z.B. für medizinische Anwendungen, wie in der Strahlentherapie von Krebs oder der Produktion kurzlebiger Radiopharmazeutika, von Interesse sind. Es lassen sich ebenso weiterhin mit Hilfe von Lasern ultrakurze kohärente Röntgenpulse erzeugen, die neben einer Anwendung in der Medizin beispielsweise auch in der Mikrochipproduktion, d.h. für lithografische Verfahren, von extrem großem Interesse sind.

Ganz wesentlich für die vorbeschriebenen oder auch andere gewünschte Effekte ist eine genaue Fokussierung des Laserstrahls bzw. des Laserpulses auf das Zielobjekt bzw. das Target. Hierbei wird üblicherweise die Bündelung des Strahls mit Spiegeloptiken von möglichst kurzer Brennweite statt mit Linsen vorgenommen, um die Intensität im Brennfleck auf dem Material des Zielobjektes, das zur Produktion von Teilchen oder Röntgenstrahlung verwendet werden soll, zu maximieren, sowie eine Verlängerung der Pulsdauer durch dispersive Effekte beim Durchgang durch das optische Material zu vermeiden.

Prinzipiell wird aufgrund der sehr starken Fokussierung der Bereich höchster Intensität nur in einem sehr kleinen Wirkvolumen erreicht, so dass für eine maximale Effizienz der Abstand zwischen der Fokussieroptik und der Oberfläche des Zielobjektes höchst genau, üblicherweise bis auf wenige Mikrometer genau eingestellt werden muss.

Dies ist umso problematischer, da eingesetzte Fokussieroptiken bei diesen hochintensiven Pulsen durch Fokussierspiegel gebildet sein können, insbesondere parabolische Fokussierspiegel, die sehr hohe Massen von mehreren 10 Kilo aufweisen können, wohingegen die Zielobjekte in der Regel nur wenige Mikrometer große Anordnungen bilden, die beispielsweise aus Metall- oder Kunststofffolien bestehen.

Problematisch ist es dabei, dass eine Fehleinstellung des Abstandes zwischen diesen Objekten sich quadratisch in einem Verlust an Lichtintensität auswirkt.

Um diesem Problem vorzubeugen, ist es im Stand der Technik bekannt, dass permanente Leuchten des Verstärkermediums eines genutzten Lasers, die sogenannte verstärkte spontane Emission oder englisch Amplified Spontaneous Emission, ASE₁ auf der Oberfläche eines Zielobjektes zu fokussieren und mit Hilfe lichtstarker Teleskope zu beobachten. Es erfolgt sodann eine Anpassung des Abstandes zwischen der Fokussieroptik, also insbesondere eines parabolischen Hohlspiegels und dem Zielobjekt bis dass der Experimentator den Eindruck gewonnen hat, eine optimale Position angefahren zu haben. Dieses Verfahren wird für jeden einzelnen Laserpuls durchgeführt, der zur Erzeugung der vorgenannten Teilchen oder Röntgenstrahlen genutzt werden soll.

Ersichtlich ist es, dass das vorgenannte Verfahren höchst langwierig und ungenau ist, da es auf den persönlichen Eindruck des Experimentators abstellt und darüber hinaus nicht zerstörungsfrei abläuft, da bereits auf empfindlichen Zielobjekten die fokussierte spontane Emission des nicht gütegeschalteten Lasermediums eine derart hohe Intensität erreichen kann, dass ein empfindliches Zielobjekt, insbesondere Kunststoffe o. ä., selbst durch diese Strahlung bereits in Mitleidenschaft gezogen oder gar zerstört wird. Für Produktionsanwendungen mit hoher Ausbeute ist daher dieses bekannte Verfahren ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten gattungsgemäßen Art sowie ein System bereitzustellen, mit dem eine reproduzierbare Positionierung eines Zielobjektes erzielt werden kann, insbesondere um hohe Ausbeuten oder Wiederholraten und insbesondere eine Schuss zu Schuss-Reproduzierbarkeit zu erreichen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen die Fokussierung des Laserstrahls auf ein Zielobjekt schnell, genau, quantifizierbar und darüber hinaus auch in weiterer Abgrenzung zum bekannten Stand der Technik zerstörungsfrei bzw. ohne Einflussnahme auf das Zielobjekt durchführbar ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass an die gewünschte Position eines zu positionierenden Zielobjektes im Wirkvolumen der ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung das Abbild eines Maskenelementes durch die Umlenkoptik hindurch, insbesondere mit einer zweiten Laserstrahlung, projiziert wird und der Grad der Defokussierung des Abbildes des Maskenelementes auf dem zu positionierenden Zielobjekt bestimmt, insbesondere minimiert wird.

Wesentlicher Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass an diejenige Stelle innerhalb des Wirkvolumens eines fokussierten Laserstrahles, die für das durchzuführende Experiment als optimal empfunden wird, das Abbild eines Maskenelementes projiziert wird, so dass bei einem in der Fokusumgebung des Laserstrahles positionierten Zielobjekt dieses Zielobjekt als Projektionsfläche für das Abbild dient und somit anhand der Schärfe bzw. dem Grad der Defokussierung des Abbildes des Maskenelementes auf dem Zielobjekt bestimmbar ist, ob das Zielobjekt an der optimalen Stelle im Wirkvolumen positioniert ist oder ob es noch einer Verschiebung des Zielobjektes bzw. einer Änderung des Abstandes zwischen Fokussieroptik und Zielobjekt bedarf, um diese optimale Position einzustellen.

So kann ein Zielobjekt zunächst (grob) innerhalb des Wirkvolumens positioniert und dann in seiner Position optimiert werden, was aufgrund der Bestimmung des Grades der Defokussierung und der üblicherweise sehr kurzen Brennweiten der Fokussieroptiken in hochgenauem Maße erfolgen kann. Hierbei kann es vorgesehen sein, das Abbild des Maskenobjektes durch eine entsprechende Beobachtungsoptik zu beobachten, um so den Grad der Defokussierung festzustellen, was sowohl manuell als auch besonders bevorzugt automatisiert vorgenommen werden kann.

Es ist dabei ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Projektion des Abbildes des Maskenelementes auf das Zielobjekt, welches während der Justage als Projektionsfläche dient, durch die Umlenkoptik hindurch vorgenommen wird, die einen einfallenden Laserstrahl bzw. Laserpuls auf die vorgenannte Fokussieroptik richtet. So bleibt durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. mit einem erfindungsgemäßen System die Justage des Strahlenganges zur Fokussierung der ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung vollständig unangetastet, so dass sich demnach kein weiterer Einfluss durch die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Experimentaufbau bemerkbar macht.

Um die Projektion durch die Umlenkoptik hindurch stattfinden zu lassen, ist es dabei wie eingangs erwähnt vorgesehen, dass diese Umlenkoptik für die im Experiment verwendete erste, insbesondere gepulste Laserstrahlung hoch reflektierend ist, hingegen durchlässig für eine zweite Wellenlänge, die für die Abbildung des Maskenelementes verwendet wird, insbesondere für eine zweite Laserstrahlung mit einer abweichenden Laserwellenlänge.

Dementsprechend können für solche Umlenkoptiken beispielsweise dichroitische Spiegel eingesetzt werden, die entsprechende dielektrische Beschichtungen aufweisen. Weiterhin sind bei heutigen Hochleistungslasern, die in der Regel Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittieren, die eingesetzten Spiegel hoch reflektierend für diese Wellenlänge, hingegen in der Regel transitiv für den sichtbaren Wellenlängenbereich, so dass hier das vorgeschlagene Verfahren bzw. System keine Anpassung bzw. Änderung schon bestehender Optiken erfordert.

Bei dem vorgenannten Verfahren bzw. System kann es somit vorgesehen sein, dass zur Vermeidung eines jeglichen Eingriffs in den Strahlengang der zu fokussierenden ersten Laserstrahlung die Fokussieroptik für die erste Laserstrahlung einen Teil der Abbildungsoptik für das Maskenelement bildet. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die Abbildungsoptik für das Maskenelement durch zwei fokussierende Optiken erfolgt, wobei eine der Optiken für die Abbildung im Strahlengang vor der Umlenkoptik der ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung angeordnet ist und die zweite fokussierende Optik durch die Fokussieroptik der ersten Laserstrahlung gebildet wird, so dass in diesem Sinne die Abbildungsoptik für die Maskenelementabbildung um die Umlenkoptik im Strahlengang der ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung herum angeordnet ist. In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das auf dem zu positionierenden Zielobjekt, also der temporären Projektionsfläche erzeugte Abbild des Maskenelementes wiederum abgebildet wird, nämlich hier entgegen der ursprünglichen Abbildungsrichtung durch die Umlenkoptik hindurch in eine zweite Bildebene, so dass es erfindungsgemäß vorgesehen sein kann, bei dieser Ausführung den Grad der Defokussierung nicht direkt auf dem Zielobjekt, sondern in der zweiten Bildebene zu bestimmen und insbesondere zu minimieren. So kann insbesondere durch die weitere Abbildung auch eine Vergrößerung des auf dem Zielobjekt befindlichen Abbildes des Maskenelementes vorgenommen werden, um so noch eine weitere vereinfachte Justierung zu erzielen. Auch kann hierdurch eine Automatisierung des Verfahrens erleichtert werden, da die Möglichkeit besteht, in der zweiten Bildebene einen Detektor, insbesondere eine Kamera zu positionieren und so eine apparativ gestützte Untersuchung des Grades der Defokussierung zu ermöglichen.

Da auch bei dieser zweiten Abbildung diese Abbildung wiederum, jedoch hier in rückwärtiger Richtung durch die Umlenkoptik für die erste Laserstrahlung erfolgt, bleibt auch für diese Abbildungsmaßnahme der Strahlengang der ersten Laserstrahlung vollständig unangetastet. Auch hier wird in bevorzugter Weise die Fokussieroptik für die erste Laserstrahlung als Teil der Abbildungsoptik für diese zweite Abbildung eingesetzt, insbesondere als eine von zwei fokussierenden Optiken.

In einer Weiterbildung kann es vorgesehen sein, das Maskenelement in einem Winkel gekippt zur optischen Achse der zweiten Laserstrahlung anzuordnen, insbesondere also in einem Winkel ungleich 90 Grad, insbesondere um eine scharfe Abbildung des Maskenelements auf ein zur optischen Achse des ersten Laserstrahls verkippten Targets zu ermöglichen. Damit kann eine Anforderung, bestimmte (z.B. ebene oder flächenhafte) Targets unter einem Winkel anders als senkrecht (90 Grad) zur Einfallsrichtung des ersten Laserstrahls in das Wirkvolumen zu platzieren, berücksichtigt werden, insbesonders um Rückreflexe des ersten Laserstrahls vom Targetsubstrat in den ersten und/oder zweiten Laser zu vermeiden. Hierdurch wird bei der ersten und der erfolgten zweiten Abbildung eine jeweils ebenso verkippte Bildebene erzeugt, so dass es bei dieser Ausführung vorgesehen sein kann, die Bildebene eines Detektors, insbesondere einer Kamera in demselben Winkel gekippt zur optischen Achse anzuordnen, um eine scharfe Abbildung über die gesamte Bildebene zu erhalten. Durch diese Anordnung kann insbesondere außer der Position der Grad der Verkippung des Targetsubstrats relativ zur optischen Achse der ersten Laserstrahlung überprüft oder vermessen werden.

Ebenfalls können komplizierter geformte, nicht flächenhafte Maskenelemente Verwendung finden, die in vorteilhafter weise der räumlichen Struktur oder Anordnung des Targetsubstrats im Wirkvolumen Rechnung tragen.

Erfindungsgemäß kann es dabei vorgesehen sein, zur Beurteilung des Grades der Defokussierung, den Kontrast der Abbildung entweder auf dem als Projektionsfläche dienenden Zielobjekt oder bevorzugterweise in der zweiten Bildebene und somit anhand des Detektorsignals, insbesondere anhand eines Kamerabildes zu beurteilen.

So wird erst dann, wenn der Kontrast maximiert wurde, das Zielobjekt seine optimale Position im Wirkvolumen, insbesondere Fokus des ersten Laserstrahles erreicht haben. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass aus dem Detektorsignal, insbesondere somit aus dem Kamerabild eine Kontrastfunktion gebildet und ausgewertet wird, insbesondere anhand des Gradienten der Kontrastfunktion. So kann bei einer Verschiebung des Zielobjektes und einer somit erfolgenden Fokussierung oder Defokussierung je nach Verschiebungsrichtung ein eindeutiges Maximum im Betrag des Gradient festgestellt werden, wobei es beispielsweise vorgesehen sein kann, das Zielobjekt dort zu positionieren, wo exakt das Maximum erreicht wird. Anhand dieser Überlegung besteht somit die Möglichkeit, ein elektronisches Regelsystem aufzubauen, welches die vorgenannten Detektorsignale und insbesondere gebildeten Gradienten auswertet und somit eine automatische Positionierungsvorrichtung zur Änderung des Abstandes zwischen Fokussierobjekt und Zielobjekt ansteuert. So kann beispielsweise automatisch auch durch einen Iterationsprozess die optimale Position des Zielobjektes im Wirkvolumen gefunden werden, insbesondere unter Berücksichtigung der Modulationstransferfunktion des gesamten Abbildungssystems.

Für die Realisierung der ersten Abbildung des Maskenelementes auf dem Zielobjekt und somit auch für die gegebenenfalls eingesetzte zweite Abbildung in einer zweiten Bildebene kann es vorgesehen sein, das Maskenelement mit einer zweiten Laserstrahlung zu beleuchten und dabei das Durchlicht des Maskenelementes mittels eines Strahlteilers umzulenken und so die Maske durch die Umlenkoptik der ersten Laserstrahlung hindurch an die gewünschte Position im Wirkvolumen abzubilden, wobei wie eingangs erwähnt, die Abbildungsoptik aus zwei fokussierenden Optiken und hier insbesondere der Fokussierungsoptik der ersten Laserstrahlung als eine dieser beiden Optiken auszubilden.

Durch die Verwendung eines Strahlteilers zur Umlenkung des die Maske durchleuchtenden Lichtes kann dabei bewirkt werden, dass bei der gegebenenfalls erfindungsgemäß vorgesehenen zweiten Abbildung in die zweite Bildebene diese weitere Abbildung in Transmission durch diesen Strahlteiler erfolgen kann. So wird erreicht, dass die Abbildung in die zweite Bildebene nicht auf die Maske selbst zurückerfolgt, sondern die zweite Bildebene von der Objektebene des Maskenelementes getrennt wird.

Hierbei wird es als besonders vorteilhaft empfunden, wenn das Maskenelement mittels kollimierter Laserstrahlung, gegebenenfalls nach einer vorherigen Aufweitung durch ein Teleskop, beleuchtet wird, da so die Möglichkeit besteht, eine afokale Abbildung des Maskenelementes auf dem Zielobjekt zu erzielen, d.h., es wird vermieden, dass der zur Beleuchtung des Maskenelements verwendete Laserstrahl ebenfalls auf das Target fokussiert wird, so dass hierdurch die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme eine Beeinflussung oder Zerstörung des Zielobjektes durch fokussierte Justagestrahlung vollständig vermieden wird.

So kann es demnach in bevorzugter Ausführung für die Durchführung des Verfahrens und Realisierung des Systems vorgesehen sein, dass die beiden fokussierenden Optiken der Abbildungsoptik mit dem Maskenelement und der Abbildung des Maskenelementes im Wirkvolumen eine 4F-Optik-Konfiguration ausbildet, insbesondere bei der das Maskenelement und das Bild des Maskenelementes im Wirkvolumen sich in zueinander konjugierten Ebenen befinden.

In gleicher weise kann es somit auch vorgesehen sein, dass die beiden fokussierenden Optiken der Abbildungsoptik zusammen mit der Abbildung des Maskenelementes im Wirkvolumen und der Abbildung des Maskenbilds in der zweiten Bildebene, somit also mit dem Detektor, der in der zweiten Bildebene angeordnet sein kann, eine 4F-Optikkonfiguration ausbildet, insbesondere in der das Bild des Maskenobjektes im Wirkvolumen und der Detektor sich in zu einander konjugierten Ebenen befinden.

Wie eingangs erwähnt, kann gerade durch die Realisierung der 4F- Optikkonfiguration für gegebenenfalls beide Abbildungen, zumindest jedoch für die erste Abbildung des Maskenelementes auf dem Zielobjekt, im Wirkvolumen eine afokale Abbildung durch das so gebildete telezentrische Abbildungssystem erreicht werden, bei der der zweite Laserstrahl sowohl an der Stelle der Maske als auch an der Stelle des Abbildes des Maskenelementes auf dem Zielobjekt aufgeweitet ist, also nicht fokussiert ist und somit jegliche Zerstörungs- oder Beeinflussungsrisiken eliminiert sind.

Für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. System ist es dabei weiterhin von Vorteil, dass eine Positionierung des Maskenbildes im Wirkvolumen an eine gewünschte Position, also insbesondere die optimale Position des Fokus der ersten Laserstrahlung durch eine Verschiebung der Maske erzielt werden kann, wodurch sich die Objektebene der Maske im Abbildungssystem ändert und somit auch die Bildebene im Wirkvolumen verschoben wird.

Bei einer weiteren Abbildung in die genannte zweite Bildebene, in der ein Detektor angeordnet sein kann, kann es sodann ergänzend vorgesehen sein, dass in gleicher Weise mit der Verschiebung der Maske auch der Detektorabstand geändert werden kann, was, da das Abbildungssystem für beide Abbildungen identisch sein kann, mit demselben Verschiebeweg erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine automatische Kopplung von zwei Verschiebeeinheiten sowohl des Maskenelementes als auch des Detektors erfolgen.

Für eine Grundjustage eines eventuellen Detektors, wie beispielsweise einer Kamera in der zweiten Bildebene, kann es dabei ergänzend vorgesehen sein, hinter dem eingangs genannten Strahlteiler innerhalb der beiden Abbildungssysteme und dem Strahlengang vor der Umlenkoptik für den ersten Laserstrahl eine Autokorrelationsoptik anzuordnen, mit der das Maskenbild direkt in die zweite Bildebene abbildbar ist, so dass durch eine solche Korrelationsoptik zunächst der optimale Abstand des Detektors zum Strahlteiler und somit die optimale Position in der zweiten Bildebene einjustiert werden kann. Auch dies kann erfindungsgemäß vollautomatisch erfolgen.

Das vorgenannte Verfahren bzw. das in gleicher weise genutzte System kann hier somit erfindungsgemäß besonders vorteilhaft eingesetzt werden zur Positionierung eines Zielobjektes, wie beispielsweise Metall- oder Kunststofffolien im Fokus eines Laserpulses, beispielsweise eines Piko- (10 ¹²) oder Femto- (10 ¹⁵) Sekunden Laserpulses hoher Energie, der im Fokusbereich mehr als 10¹⁸ Watt pro Quadratzentimeter erzielen kann.

Da das Verfahren und das System bezüglich des Strahlenganges, der für die Umlenkung und Fokussierung des Laserpulses vorgesehen ist, vollständig nicht invasiv ist, ergeben sich keinerlei geänderte Experimentbedingungen und ein System zur Durchführung des Verfahrens kann somit vollständig extern ohne Beeinflussung des Experimentes an dieses angekoppelt werden.

Es ergeben sich insbesondere automatisch und insbesondere objektive Möglichkeiten zur Beurteilung einer optimalen Justageposition des Zielobjektes im Wirkvolumen. Hierbei kann auch berücksichtigt werden, dass der Fokus bei einem hochintensiven Laserpuls gegebenenfalls außerhalb der geometrischen Fokallänge des eingesetzten fokussierenden Hohlspiegels, z.B. aufgrund sich bemerkbar machender nicht linearer Eigenschaften angeordnet ist, da das Maskenabbild an jeder gewünschten Position auch abweichend vom geometrischen Fokus eingestellt werden kann.

So kann insbesondere nach einmaligen Auffinden der optimalen Position eines Zielobjektes (Target) innerhalb des Wirkvolumens das Maskenabbild in exakt diese optimale Position gelegt werden und als Justagehilfe für zukünftige Positionierungen von Zielobjekten, insbesondere im Rahmen eines automatisierten Verfahrens, herangezogen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figur erläutert.

Die einzige Figur zeigt bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens einen ersten Strahlengang I, der mit Bezug auf die Darstellung von oben kommend über einen Umlenkspiegel 1 um etwa 90 Grad nach rechts hin umgelenkt wird. Bei dem Spiegel 1 kann es sich um einen dichroitischen Spiegel handeln, der für die verwendete Wellenlänge des für das Experiment vorgesehenen Lasers hoch reflektierend ist und für einen Justagelaserstrahl transmittierend. Statt eines Justagelasers kann ganz allgemein auch jegliche andere ggfs. auch nicht kohärente Lichtquelle verwendet werden.

Im Strahlengang 1 , folgt nach dem Umlenkspiegel ein fokussierendes Element 2, welches hier symbolisch dargestellt ist und in der Praxis üblicherweise als parabolischer Hohlspiegel ausgebildet ist. Diese Hohlspiegel können insbesondere bei Ultrakurzpulsen im Femtosekundenbereich speziell ausgebildet sein, um eine zeitliche Pulsverlängerung durch Dispersionseffekte der dielektrischen Beschichtungen zu vermeiden.

Deutlich wird hier, dass durch das fokussierende Element 2 insbesondere einen parabolischen Hohlspiegel im Strahlengang 1 ein Fokus 3 erzeugt wird, um dessen Mitte ein Wirkvolumen gebildet ist, in welchem zur Durchführung eines Experimentes ein Zielobjekt 4 genauestens zu positionieren ist.

Um diese Position P zu markieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Abbild eines Maskenelementes 5 durch eine Abbildungsoptik, die durch eine fokussierende Optik 6, beispielsweise eine erste Linse oder auch einen ersten Hohlspiegel, und die Fokussierungsoptik 2 gebildet wird.

So ist es hier vorgesehen, das Maskenelement 5 durch einen durch zwei teleskopisch angeordnete insbesondere fokussierende Elemente 7 und 8, insbesondere Linsen, mit einem Laserstrahl einer zweiten Wellenlänge zu beleuchten, für die der Umlenkspiegel 1 transmittierend ist. Durch die fokussierenden Elemente 7 und 8 wird der Laserstrahl sowohl aufgeweitet als auch kollimiert, so dass sich zwischen Maskenelement 5, fokussierendem Element 6, fokussierendem Element 2 und der Abbildung des Maskenelementes 3 eine 4F- Konfiguration und somit eine telezentrische afokale Abbildung ergibt, was bedeutet, dass ein Bild der Maske 5 an der Position P entsteht, während die Kollimation, d.h. der parallele Strahlengang des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge erhalten bleibt und dadurch keine zerstörende Intensitätserhöhung des Laserstrahls der zweiten Wellenlänge auf dem Target erfolgt.

Hier ist es vorgesehen, dass von dem Maskenelement 5 ausgehende Licht durch einen zweiten Strahlengang Il abzubilden, der durch einen Strahlteiler 9 umgelenkt wird und nach Durchgang durch das Umlenkelement 1 mit dem Strahlengang I des ersten Laserstrahls zusammenfällt. Hierdurch ergibt sich durch den Strahlteiler 9 sowohl eine hervorragende Justage des Strahlengangs Il als auch die Möglichkeit, eine rückwärtige Abbildung des projizierten Maskenbildes von einem in das Wirkvolumen eingesetzte Zielobjekt 4 in eine zweite Bildebene B vorzunehmen, in der ein Detektor, beispielsweise eine Kamera positioniert sein kann.

Bei dieser zweiten Abbildung geht das von dem Zielobjekt rückgestreute Licht des Maskenbildes durch den Strahlteiler 9 hindurch, so dass die Abbildung nicht in sich selbst zurückfällt und somit die zweite Abbildung zur Auswertung anhand eines Detektors genutzt werden kann. Hier wird für die zweite Abbildung, ebenso wie für die erste Abbildung, als abbildendes System die fokussierenden Optiken 6 und 2 eingesetzt, wobei die fokussierende Optik 2 mit der fokussierenden Optik im Strahlengang 1 des Experimentierlaserstrahls übereinstimmt.

Deutlich wird hier, dass durch den Aufbau des Justagesystems keinerlei Eingriff in den Strahlengang des justierten Laserstrahls I vorgenommen wird.

So kann ein erfindungsgemäßes Justagesystem auch nachträglich an einer bestehenden experimentellen Anordnung verwendet werden, ohne einen Eingriff in die Anordnung vornehmen zu müssen. Weiterhin kann es hier vorgesehen sein, eine Autokorrelationsoptik 10 vorzusehen, die hier nicht dargestellt ist und die einen Teil des von dem Maskenelement 5 ausgehenden Lichtes, welches durch den Strahlteiler 9 hindurch gegangen ist, in sich zurückwirft, also dass durch die Reflektion am Strahlteiler 9 eine unmittelbare Abbildung des Maskenelementes in die Bildebene B erfolgen kann.

So kann durch diese Autokorrelationsoptik zunächst für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine optimale Justage des Detektors in der Bildebene B vorgenommen werden. Fehlerquellen durch Fehljustagen des Detektors innerhalb der Bildebene B, die sich auf eine nicht zufrieden stellende Positionierung des Zielobjektes auswirken würden, können somit vermieden werden, da somit zunächst sicher gestellt ist, dass das Justagehilfssystem in sich optimal justiert ist.

Bezüglich sämtlicher Ausführungen ist festzustellen, dass die in Verbindung mit einer Ausführung genannten technischen Merkmale nicht nur bei der spezifischen Ausführung eingesetzt werden können, sondern auch bei den jeweils anderen Ausführungen. Sämtliche offenbarten technischen Merkmale dieser Erfindungsbeschreibung sind als erfindungswesentlich einzustufen und beliebig miteinander kombinierbar oder in Alleinstellung einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjekts in das Wirkvolumen einer ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung, die nach einer Umlenkoptik, die hoch reflektierend ist für die Wellenlänge der ersten Laserstrahlung und durchlässig für wenigstens eine zweite Wellenlänge, insbesondere zweite Laserstrahlung, mittels einer Fokussieroptik in das Wirkvolumen fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die gewünschte Position (P) eines zu positionierenden Zielobjektes (4) im Wirkvolumen (3) das Abbild eines Maskenelementes (5) durch die Umlenkoptik (1) hindurch mit einer zweiten insbesondere Laser-Strahlung projiziert wird und der Grad der Defokussierung des Abbildes auf dem zu positionierenden Zielobjekt (4) bestimmt, insbesondere minimiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das auf dem zu positionierenden Zielobjekt (4) erzeugte Abbild des Maskenelements (5) durch die Umlenkoptik (1) hindurch abgebildet wird in eine zweite Bildebene (B) in welcher der Grad der Defokussierung bestimmt, insbesondere minimiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (2) für die erste Laserstrahlung einen Teil der Abbildungsoptik (6,2) für das Maskenelement (5) bildet, insbesondere derart, dass die Abbildungsoptik (6,2) um die Umlenkoptik (1) herum angeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maskenelement (5) mit einer zweiten Laserstrahlung, insbesondere nach einer Aufweitung (7) und Kollimation (8), beleuchtet wird und das Durchlicht des Maskenelements (5) mittels eines Strahlteilers (9) umgelenkt und das Maskenelement (5) durch die Umlenkoptik (1) der ersten Laserstrahlung hindurch an die gewünschte Position (P) im Wirkvolumen (3) abgebildet wird mit einer Abbildungsoptik (6,2) aus zwei fokussierenden Optiken (6,2), die um die Umlenkoptik (1) angeordnet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des Maskenabbilds aus dem Wirkvolumen (3) heraus in die zweite Bildebene (B) durch den Strahlteiler (1) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die zweite Bildebene (B) ein Detektor, insbesondere eine Kamera positioniert wird, insbesondere deren Abstand zum Strahlteiler (9) dem Abstand des Maskenelements (5) zum Strahlteiler (1) entspricht.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kippung der ersten Bildebene an der gewünschten Postion (P) im Wirkvolumen der ersten Laserstrahlung (3) durch eine Kippung des Maskenelements (5) herbei geführt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Bildebene (B), insbesondere eine darin angeordnete Kamera ebenfalls um denselben Winkel zur optischen Achse gekippt wird, um eine über eine Fläche scharfe Abbildung der ersten Bildebene an der gewünschten Position (P) in die zweite Bildebene (B) zu erreichen.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Positionierung eines Zielobjektes (4) im Wirkvolumen (3) oder der Fokussierungsoptik (2) erfolgt durch Auswertung des Detektorsignals und davon abhängige Ansteuerung einer Positionierungsmechanik.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Detektorsignal der Gradient einer Kontrastfunktion gebildet und ausgewertet wird.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass automatisch die Position (P) des Zielobjekts (4) im Wirkvolumen (3) iteriert wird, insbesondere unter Berücksichtigung der Modulations-Transferfunktion des Abbildungssystems (6,2).

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden fokussierenden Optiken (6,2) der Abbildungsoptik (6,2) zusammen mit dem Maskenelement (5) und der Abbildung des Maskenelements (5) im Wirkvolumen (3) eine 4f-Optik- Konfiguration bilden.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden fokussierenden Optiken (6,2) der Abbildungsoptik (6,2) zusammen mit der Abbildung des Maskenelements (5) im Wirkvolumen (3) und der Abbildung des Maskenbilds (5) in der zweiten Bildebene (B) eine 4f-Optik-Konfiguration bilden.

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionierung des Maskenbildes im Wirkvolumen (3) an eine gewünschte Position (P) erfolgt durch eine Verschiebung der Maske (5), insbesondere mit einer Änderung des Detektorabstandes.

15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem Strahlteiler (9) eine Autokorrelationsoptik angeordnet ist, mittels der das Maskenbild direkt in die zweite Bildebene (B) abbildbar ist, insbesondere für eine automatische Kalibrierung des Detektors.

16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es genutzt wird zur Positionierung eines Zielobjektes (4) im Fokus (3) eine Laserpulses mit einer Leistung vom mehr als ein, insbesondere mehr als hundert Tera-Watt.

17. System zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjekts in das Wirkvolumen einer ersten, insbesondere gepulsten Laserstrahlung, die nach einer Umlenkoptik, die hoch reflektierend ist für die Wellenlänge der ersten Laserstrahlung und durchlässig für wenigstens eine zweite Laserstrahlung, mittels einer Fokussieroptik in das Wirkvolumen fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an die gewünschte Position (P) eines zu positionierenden Zielobjektes (4) im Wirkvolumen (3) das Abbild eines Maskenelementes (5) durch die Umlenkoptik (1) hindurch mit einer zweiten Laserstrahlung projizierbar ist und der Grad der Defokussierung des Abbildes auf dem zu positionierenden Zielobjekt (4) bestimmbar, insbesondere zur automatischen Positionierung des Zielobjekts (4) minimierbar ist.