WO2008125327A1 - Method and system for the reproducible positioning of a target object in the effective volume of a laser beam - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for the reproducible positioning of a target object in the effective volume of a first laser radiation, in particular pulsed laser radiation, which is highly reflective for the wavelength of the first laser radiation and transmissive for at least a second laser radiation by means of a focusing optics in the Effective volume is focusable.
- the invention further relates to a system having the same features, in particular for carrying out the method.
- the invention is based on the fact that it is known in the art with laser pulses, in particular high-intensity laser pulses with powers of terawatts (10 12 watts) or more, to illuminate target objects, the so-called targets, and thus to produce physically desired processes, which are largely dependent on depend on the achieved light intensity in the focus.
- very strong particle beams with these properties can be generated in an extremely short time, for example, less than 10 picoseconds (10 "12 seconds), which are of interest for medical applications such as cancer radiotherapy or the production of short-lived radiopharmaceuticals . It is also possible with the aid of lasers to produce ultrashort coherent X-ray pulses, which are extremely interesting in addition to their use in medicine, for example in microchip production, ie for lithographic processes.
- beam focusing is usually carried out with mirror optics of the shortest possible focal length, rather than with lenses, in order to maximize the intensity in the focal spot on the material of the target object which is to be used for the production of particles or X-radiation, as well as an extension of the pulse duration by dispersive Avoid effects when passing through the optical material.
- the area of highest intensity is achieved only in a very small effective volume, so that for maximum efficiency the distance between the focusing optics and the surface of the target object must be set very precisely, usually to within a few micrometers.
- focusing optics in these high-intensity pulses can be formed by focusing mirror, parabolic focusing mirror in particular, which may have very high masses of several 10 kilos, whereas the target objects usually form only a few microns large arrangements, such as metal - or plastic films.
- the object of the invention is to provide a method of the aforementioned generic type and a system with which a reproducible positioning of a target object can be achieved, in particular to achieve high yields or repetition rates and in particular a shot to shot reproducibility. It is a further object of the invention to provide a method and an apparatus with which the focusing of the laser beam on a target object quickly, accurately, quantifiable and beyond even in further delimitation from the prior art destructive or without influence on the target object feasible is.
- the object is achieved according to the invention in that to the desired position of a target object to be positioned in the effective volume of the first, in particular pulsed laser radiation, the image of a mask element by the deflection optics is projected, in particular with a second laser radiation, and the degree of defocusing of the image of the mask element on the target object to be positioned is determined, in particular minimized.
- An essential core idea of the invention can be seen in the fact that the image of a mask element is projected onto the point within the effective volume of a focused laser beam, which is perceived as optimal for the experiment to be performed, so that this target object is located at a target object positioned in the focus environment of the laser beam serves as a projection surface for the image and thus on the basis of the sharpness or the degree of defocusing of the image of the mask element on the target object can be determined whether the target object is positioned at the optimum position in the effective volume or if there is still a shift of the target object or a change the distance between the focusing optics and the target object is needed to set this optimal position.
- a target object can first be positioned (roughly) within the effective volume and then optimized in its position, which can be done to a highly accurate degree due to the determination of the degree of defocusing and the usually very short focal lengths of the focusing optics. It may be provided to observe the image of the mask object by a corresponding observation optics, so as to determine the degree of defocusing, which can be done both manually and more preferably automated.
- the projection of the image of the mask element onto the target object which serves as a projection surface during the adjustment, is performed through the deflection optics which direct an incident laser beam or laser pulse onto the aforementioned focusing optics.
- this deflection optics is highly reflective for the first, in particular pulsed, laser radiation used in the experiment, whereas it is transparent for a second wavelength, which is used for imaging the mask element is, in particular for a second laser radiation with a different laser wavelength.
- dichroic mirrors can be used which have corresponding dielectric coatings.
- the mirrors used highly reflective for this wavelength usually transitive for the visible wavelength range, so that here the proposed method or system no adjustment or change already existing optics required.
- the focusing optics for the first laser radiation form part of the imaging optics for the mask element.
- the imaging optics for the mask element is effected by two focusing optics, wherein one of the optics for imaging in the beam path in front of the deflection optics of the first, in particular pulsed laser radiation is arranged and the second focusing optics formed by the focusing optics of the first laser radiation is, so that in this sense, the imaging optics for the mask element image around the deflection optics in the beam path of the first, in particular pulsed laser radiation is arranged around.
- the image of the mask element generated on the target object to be positioned is again imaged, namely here opposite the original imaging direction through the deflection optics into a second image plane, so that it is according to the invention may be provided, in this embodiment, not to determine the degree of defocusing directly on the target object, but in the second image plane and in particular to minimize.
- an enlargement of the image of the mask element located on the target object can also be made so as to achieve a further simplified adjustment. This also makes it easier to automate the method since it is possible to position a detector, in particular a camera, in the second image plane and thus to enable an apparatus-supported examination of the degree of defocusing.
- the beam path of the first laser radiation remains completely untouched even for this imaging measure.
- the focusing optics for the first laser radiation is preferably used as part of the imaging optics for this second image, in particular as one of two focusing optics.
- it can be provided to tilt the mask element at an angle to the optical axis of the second laser radiation, ie in particular at an angle not equal to 90 degrees, in particular to allow a sharp image of the mask element on a tilted to the optical axis of the first laser beam targets ,
- certain (eg planar or planar) targets at an angle other than perpendicular (90 degrees) to the direction of incidence of the first laser beam into the effective volume can be taken into account, in particular around back reflections of the first laser beam from the target substrate into the first and / or second laser.
- a respective tilted image plane is generated, so that it may be provided in this embodiment, the image plane of a detector, in particular a camera tilted at the same angle to the optical axis to order a sharp picture on the to preserve the entire picture plane.
- the image plane of a detector in particular a camera tilted at the same angle to the optical axis to order a sharp picture on the to preserve the entire picture plane.
- the target object have reached its optimum position in the effective volume, in particular focus of the first laser beam.
- a contrast function is formed and evaluated from the detector signal, in particular thus from the camera image, in particular based on the gradient of the contrast function.
- a clear maximum in the amount of the gradient can be determined, for example, it may be provided to position the target object where exactly the maximum is reached.
- an electronic control system which evaluates the aforementioned detector signals and, in particular, formed gradients and thus drives an automatic positioning device for changing the distance between the focusing object and the target object.
- the optimal position of the target object in the effective volume can also be automatically found by an iteration process, in particular taking into account the modulation transfer function of the entire imaging system.
- the first image of the mask element on the target object may be provided to illuminate the mask element with a second laser radiation and thereby redirect the transmitted light of the mask element by means of a beam splitter and so Mask as shown by the deflection optics of the first laser radiation to the desired position in the effective volume, where as mentioned above, the imaging optics of two focusing optics and in particular the focusing optics of the first laser radiation form as one of these two optics.
- the second image which may be provided according to the invention, into the second image plane for this further imaging to take place in transmission through this beam splitter. This ensures that the image in the second image plane is not returned to the mask itself, but the second image plane is separated from the object plane of the mask element.
- the mask element is illuminated by means of collimated laser radiation, possibly after a previous widening by a telescope, since this makes it possible to obtain an afocal image of the mask element on the target object, ie it avoids that used to illuminate the mask element Laser beam is also focused on the target, so that in this way the known from the prior art problems influencing or destroying the target object by focused Justagestrahlung is completely avoided.
- the two focusing optics of the imaging optics with the mask element and the image of the mask element in the effective volume forms a 4F optics configuration, in particular in the mask element and the image of the mask element in the effective volume are in mutually conjugate planes.
- the two focusing optics of the imaging optics together with the image of the mask element in the effective volume and the image of the mask image in the second image plane, thus thus with the detector, which can be arranged in the second image plane, Forms a 4F optical configuration, in particular in which the image of the mask object in the effective volume and the detector are in mutually conjugate planes.
- a positioning of the mask image in the effective volume at a desired position, ie in particular the optimal position of the focus of first laser radiation can be achieved by a shift of the mask, whereby the object plane of the mask changes in the imaging system and thus the image plane is shifted in the effective volume.
- a possible detector such as a camera in the second image plane
- it may be additionally provided behind the beam splitter mentioned above within the two imaging systems and the beam path in front of the deflection optics for the first laser beam to arrange an autocorrelation optics, with the mask image can be imaged directly into the second image plane, so that the optimal distance of the detector to the beam splitter and thus the optimal position in the second image plane can be adjusted by such a correlation optics first. Again, this can be done fully automatically according to the invention.
- a target object such as metal or plastic foils in the focus of a laser pulse
- a target object such as metal or plastic foils
- a laser pulse for example a pico (10 12 ) or femto (10 15 ) Seconds of high energy laser pulses that can achieve more than 10 18 watts per square centimeter in the focus area.
- the focus may be outside the geometric focal length of the focusing concave mirror used, e.g. is arranged due to noticeable non-linear properties, since the mask image can be adjusted at any desired position and deviating from the geometric focus.
- the mask image can be placed in exactly this optimum position and used as an adjustment aid for future positioning of target objects, in particular in the context of an automated method.
- the single figure shows in this embodiment of the method according to the invention a first beam path I, which is deflected with respect to the representation from above via a deflecting mirror 1 by approximately 90 degrees to the right.
- the mirror 1 may be a dichroic mirror which is highly reflective for the wavelength of the laser used in the experiment and transmissive for an alignment laser beam.
- Justagelasers can also be used in general, any other. Also not incoherent light source.
- a focusing element 2 which is symbolically represented here and is usually formed in practice as a parabolic concave mirror follows.
- These concave mirrors can especially with ultrashort pulses in the femtosecond range be specially designed to avoid a temporal pulse extension by dispersion effects of the dielectric coatings.
- a focus 3 is generated by the focusing element 2 in particular a parabolic concave mirror in the beam path 1, around the center of which an effective volume is formed, in which a target object 4 must be accurately positioned to carry out an experiment.
- the image of a mask element 5 by an imaging optics, which is formed by a focusing optics 6, for example a first lens or a first concave mirror, and the focusing optics 2.
- the mask element 5 by means of a telescopically arranged in particular focusing elements 7 and 8, in particular lenses, with a laser beam of a second wavelength for which the deflection mirror 1 is transmissive.
- the laser beam is both expanded and collimated, so that between 4 masking element, focusing element 6, focusing element 2 and the image of the mask element 3 results in a 4F configuration and thus a telecentric afocal image, which means in that an image of the mask 5 is produced at the position P, while the collimation, ie the parallel beam path of the laser beam of the second wavelength is maintained and thereby no destructive increase in intensity of the laser beam of the second wavelength takes place on the target.
- the light emanating from the mask element 5 by a second beam path Il which is deflected by a beam splitter 9 and coincides after passing through the deflecting element 1 with the beam path I of the first laser beam.
- the light of the mask image backscattered by the target object passes through the beam splitter 9, so that the image does not fall back on itself and thus the second image can be used for evaluation by means of a detector.
- the focusing optics 6 and 2 are used as the imaging system, the focusing optics 2 coinciding with the focusing optics in the beam path 1 of the experimental laser beam.
- an inventive adjustment system can also be used later on an existing experimental arrangement without having to make an intervention in the arrangement.
- an autocorrelation optics 10 which is not shown here and which reflects back a portion of the light emanating from the mask element 5 which has passed through the beam splitter 9, that is to say by the reflection at the beam splitter 9 an immediate mapping of the mask element into the image plane B can take place.
- an optimal adjustment of the detector in the image plane B can first be carried out for carrying out the method according to the invention.
- Sources of error due to misadjustments of the detector within the image plane B, which would affect an unsatisfactory positioning of the target object, can thus be avoided be, because it is thus initially made sure that the adjustment aid system is optimally adjusted in itself.
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Abstract
Description
Verfahren und System zur reproduzierbaren Positionierung eines Zielobjektes in das Wirkvolumen einer Laserstrahlung Method and system for the reproducible positioning of a target object in the effective volume of a laser radiation
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.The invention relates to a method for the reproducible positioning of a target object in the effective volume of a first laser radiation, in particular pulsed laser radiation, which is highly reflective for the wavelength of the first laser radiation and transmissive for at least a second laser radiation by means of a focusing optics in the Effective volume is focusable. The invention further relates to a system having the same features, in particular for carrying out the method.
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.The invention is based on the fact that it is known in the art with laser pulses, in particular high-intensity laser pulses with powers of terawatts (10 12 watts) or more, to illuminate target objects, the so-called targets, and thus to produce physically desired processes, which are largely dependent on depend on the achieved light intensity in the focus.
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.Thus, it is known that, for example, from light intensities of 10 18 watts per square centimeter, the running processes are highly nonlinear, resulting in a variety of novel physical effects. Examples are the acceleration of electrons to several 100 million electron volts and the acceleration of protons to several 10 million electron volts on an acceleration distance of only a few microns. Similarly, very strong particle beams with these properties can be generated in an extremely short time, for example, less than 10 picoseconds (10 "12 seconds), which are of interest for medical applications such as cancer radiotherapy or the production of short-lived radiopharmaceuticals , It is also possible with the aid of lasers to produce ultrashort coherent X-ray pulses, which are extremely interesting in addition to their use in medicine, for example in microchip production, ie for lithographic processes.
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.Quite essential for the above-described or other desired effects is a precise focusing of the laser beam or of the laser pulse on the target object or the target. In this case, beam focusing is usually carried out with mirror optics of the shortest possible focal length, rather than with lenses, in order to maximize the intensity in the focal spot on the material of the target object which is to be used for the production of particles or X-radiation, as well as an extension of the pulse duration by dispersive Avoid effects when passing through the optical material.
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.In principle, due to the very strong focus, the area of highest intensity is achieved only in a very small effective volume, so that for maximum efficiency the distance between the focusing optics and the surface of the target object must be set very precisely, usually to within a few micrometers.
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.This is all the more problematic since used focusing optics in these high-intensity pulses can be formed by focusing mirror, parabolic focusing mirror in particular, which may have very high masses of several 10 kilos, whereas the target objects usually form only a few microns large arrangements, such as metal - or plastic films.
Problematisch ist es dabei, dass eine Fehleinstellung des Abstandes zwischen diesen Objekten sich quadratisch in einem Verlust an Lichtintensität auswirkt.It is problematic here that a misadjustment of the distance between these objects acts quadratically in a loss of light intensity.
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.To prevent this problem, it is known in the art that permanent illumination of the amplifier medium of a used laser, the so-called enhanced spontaneous emission or English Amplified Spontaneous Emission to focus ASE 1 on the surface of a target object and to observe it with the aid of high-intensity telescopes. There then takes place an adjustment of the distance between the focusing optics, ie in particular a parabolic concave mirror and the target object until the experimenter has gained the impression of having approached an optimal position. This method is carried out for each individual laser pulse to be used to generate the aforementioned particles or X-rays.
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.It is evident that the aforementioned method is extremely tedious and inaccurate, since it is geared to the personal impression of the experimenter and moreover does not proceed without destruction, since even on sensitive target objects the focused spontaneous emission of the non-Q-switched laser medium can reach such a high intensity, that a sensitive target object, in particular plastics o. Ä., Even by this radiation already affected or even destroyed. For high yield production applications, therefore, this known method is unsuitable.
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.The object of the invention is to provide a method of the aforementioned generic type and a system with which a reproducible positioning of a target object can be achieved, in particular to achieve high yields or repetition rates and in particular a shot to shot reproducibility. It is a further object of the invention to provide a method and an apparatus with which the focusing of the laser beam on a target object quickly, accurately, quantifiable and beyond even in further delimitation from the prior art destructive or without influence on the target object feasible is.
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.The object is achieved according to the invention in that to the desired position of a target object to be positioned in the effective volume of the first, in particular pulsed laser radiation, the image of a mask element by the deflection optics is projected, in particular with a second laser radiation, and the degree of defocusing of the image of the mask element on the target object to be positioned is determined, in particular minimized.
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.An essential core idea of the invention can be seen in the fact that the image of a mask element is projected onto the point within the effective volume of a focused laser beam, which is perceived as optimal for the experiment to be performed, so that this target object is located at a target object positioned in the focus environment of the laser beam serves as a projection surface for the image and thus on the basis of the sharpness or the degree of defocusing of the image of the mask element on the target object can be determined whether the target object is positioned at the optimum position in the effective volume or if there is still a shift of the target object or a change the distance between the focusing optics and the target object is needed to set this optimal position.
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.Thus, a target object can first be positioned (roughly) within the effective volume and then optimized in its position, which can be done to a highly accurate degree due to the determination of the degree of defocusing and the usually very short focal lengths of the focusing optics. It may be provided to observe the image of the mask object by a corresponding observation optics, so as to determine the degree of defocusing, which can be done both manually and more preferably automated.
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.It is thereby a particular advantage of the method according to the invention that the projection of the image of the mask element onto the target object, which serves as a projection surface during the adjustment, is performed through the deflection optics which direct an incident laser beam or laser pulse onto the aforementioned focusing optics. Thus, by the method according to the invention or with a system according to the invention the adjustment of the Beam path for focusing the first, in particular pulsed laser radiation completely untouched, so that therefore makes no further impact by carrying out the method according to the invention in experiment setup noticeable.
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.In order to allow the projection to take place through the deflection optics, it is provided, as mentioned at the outset, that this deflection optics is highly reflective for the first, in particular pulsed, laser radiation used in the experiment, whereas it is transparent for a second wavelength, which is used for imaging the mask element is, in particular for a second laser radiation with a different laser wavelength.
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.Accordingly, for such deflection optics, for example, dichroic mirrors can be used which have corresponding dielectric coatings. Furthermore, in today's high-power lasers, which generally emit radiation in the infrared wavelength range, the mirrors used highly reflective for this wavelength, however, usually transitive for the visible wavelength range, so that here the proposed method or system no adjustment or change already existing optics required.
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.In the case of the abovementioned method or system, it can thus be provided that in order to avoid any intervention in the beam path of the first laser radiation to be focused, the focusing optics for the first laser radiation form part of the imaging optics for the mask element. This can be done, for example, such that the imaging optics for the mask element is effected by two focusing optics, wherein one of the optics for imaging in the beam path in front of the deflection optics of the first, in particular pulsed laser radiation is arranged and the second focusing optics formed by the focusing optics of the first laser radiation is, so that in this sense, the imaging optics for the mask element image around the deflection optics in the beam path of the first, in particular pulsed laser radiation is arranged around. In a further embodiment of the invention, it may be provided that the image of the mask element generated on the target object to be positioned, ie the temporary projection surface, is again imaged, namely here opposite the original imaging direction through the deflection optics into a second image plane, so that it is according to the invention may be provided, in this embodiment, not to determine the degree of defocusing directly on the target object, but in the second image plane and in particular to minimize. Thus, in particular by the further imaging, an enlargement of the image of the mask element located on the target object can also be made so as to achieve a further simplified adjustment. This also makes it easier to automate the method since it is possible to position a detector, in particular a camera, in the second image plane and thus to enable an apparatus-supported examination of the degree of defocusing.
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.Since, in this second image as well, this image is again, but here in the rearward direction, by the deflection optics for the first laser radiation, the beam path of the first laser radiation remains completely untouched even for this imaging measure. Again, the focusing optics for the first laser radiation is preferably used as part of the imaging optics for this second image, in particular as one of two focusing optics.
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.In one development, it can be provided to tilt the mask element at an angle to the optical axis of the second laser radiation, ie in particular at an angle not equal to 90 degrees, in particular to allow a sharp image of the mask element on a tilted to the optical axis of the first laser beam targets , Thus, a requirement to place certain (eg planar or planar) targets at an angle other than perpendicular (90 degrees) to the direction of incidence of the first laser beam into the effective volume can be taken into account, in particular around back reflections of the first laser beam from the target substrate into the first and / or second laser. As a result, in the first and the second image respectively, a respective tilted image plane is generated, so that it may be provided in this embodiment, the image plane of a detector, in particular a camera tilted at the same angle to the optical axis to order a sharp picture on the to preserve the entire picture plane. As a result of this arrangement, it is possible, in particular, to check or measure the degree of tilting of the target substrate relative to the optical axis of the first laser radiation in addition to the position.
Ebenfalls können komplizierter geformte, nicht flächenhafte Maskenelemente Verwendung finden, die in vorteilhafter weise der räumlichen Struktur oder Anordnung des Targetsubstrats im Wirkvolumen Rechnung tragen.Likewise, it is possible to use more complicated, non-planar mask elements which advantageously take into account the spatial structure or arrangement of the target substrate in the effective volume.
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.According to the invention, it may be provided for assessing the degree of defocusing to judge the contrast of the image either on the target object serving as a projection surface or preferably in the second image plane and thus on the basis of the detector signal, in particular on the basis of a camera image.
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.Thus, only when the contrast has been maximized, the target object have reached its optimum position in the effective volume, in particular focus of the first laser beam. For this purpose, it may be provided that a contrast function is formed and evaluated from the detector signal, in particular thus from the camera image, in particular based on the gradient of the contrast function. Thus, with a displacement of the target object and thus taking place focusing or defocusing depending on the direction of displacement a clear maximum in the amount of the gradient can be determined, for example, it may be provided to position the target object where exactly the maximum is reached. On the basis of this consideration, it is therefore possible to construct an electronic control system which evaluates the aforementioned detector signals and, in particular, formed gradients and thus drives an automatic positioning device for changing the distance between the focusing object and the target object. Thus, for example, the optimal position of the target object in the effective volume can also be automatically found by an iteration process, in particular taking into account the modulation transfer function of the entire imaging system.
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.For the realization of the first image of the mask element on the target object and thus also for the optionally used second image in a second image plane, it may be provided to illuminate the mask element with a second laser radiation and thereby redirect the transmitted light of the mask element by means of a beam splitter and so Mask as shown by the deflection optics of the first laser radiation to the desired position in the effective volume, where as mentioned above, the imaging optics of two focusing optics and in particular the focusing optics of the first laser radiation form as one of these two optics.
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.By using a beam splitter for deflecting the light passing through the mask, it is possible in the case of the second image, which may be provided according to the invention, into the second image plane for this further imaging to take place in transmission through this beam splitter. This ensures that the image in the second image plane is not returned to the mask itself, but the second image plane is separated from the object plane of the mask element.
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.In this case, it is found to be particularly advantageous if the mask element is illuminated by means of collimated laser radiation, possibly after a previous widening by a telescope, since this makes it possible to obtain an afocal image of the mask element on the target object, ie it avoids that used to illuminate the mask element Laser beam is also focused on the target, so that in this way the known from the prior art problems influencing or destroying the target object by focused Justagestrahlung is completely avoided.
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.Thus, it may be provided in a preferred embodiment for the implementation of the method and implementation of the system that the two focusing optics of the imaging optics with the mask element and the image of the mask element in the effective volume forms a 4F optics configuration, in particular in the mask element and the image of the mask element in the effective volume are in mutually conjugate planes.
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.In the same way, it can therefore also be provided that the two focusing optics of the imaging optics together with the image of the mask element in the effective volume and the image of the mask image in the second image plane, thus thus with the detector, which can be arranged in the second image plane, Forms a 4F optical configuration, in particular in which the image of the mask object in the effective volume and the detector are in mutually conjugate planes.
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.As mentioned above, it is precisely through the realization of the 4F optical configuration for possibly both images, but at least for the first image of the mask element on the target object, that afocal imaging can be achieved in the effective volume by the telecentric imaging system thus formed, in which the second laser beam both at the location of the mask as well as at the location of the image of the mask element on the target object is expanded, that is not focused and thus any destructive or influencing risks are eliminated.
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.For the method or system according to the invention, it is furthermore advantageous that a positioning of the mask image in the effective volume at a desired position, ie in particular the optimal position of the focus of first laser radiation can be achieved by a shift of the mask, whereby the object plane of the mask changes in the imaging system and thus the image plane is shifted in the effective volume.
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.In a further mapping into said second image plane, in which a detector can be arranged, it may then be additionally provided that in the same way with the displacement of the mask and the detector spacing can be changed, which, since the imaging system for both images identical can be done with the same displacement. This can be done for example by an automatic coupling of two displacement units of both the mask element and the detector.
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.For a basic adjustment of a possible detector, such as a camera in the second image plane, it may be additionally provided behind the beam splitter mentioned above within the two imaging systems and the beam path in front of the deflection optics for the first laser beam to arrange an autocorrelation optics, with the mask image can be imaged directly into the second image plane, so that the optimal distance of the detector to the beam splitter and thus the optimal position in the second image plane can be adjusted by such a correlation optics first. Again, this can be done fully automatically according to the invention.
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.The aforementioned method or system used in the same way can thus be used particularly advantageously according to the invention for positioning a target object, such as metal or plastic foils in the focus of a laser pulse, for example a pico (10 12 ) or femto (10 15 ) Seconds of high energy laser pulses that can achieve more than 10 18 watts per square centimeter in the focus area.
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.Since the method and the system with respect to the beam path, which is intended for the deflection and focusing of the laser pulse, is completely non-invasive, there are no changed experimental conditions and a System for carrying out the method can thus be completely externally coupled to this without influencing the experiment.
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.In particular, there are automatically and in particular objective possibilities for assessing an optimal adjustment position of the target object in the effective volume. In this case, it can also be taken into account that, in the case of a high-intensity laser pulse, the focus may be outside the geometric focal length of the focusing concave mirror used, e.g. is arranged due to noticeable non-linear properties, since the mask image can be adjusted at any desired position and deviating from the geometric focus.
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.Thus, in particular after a single finding of the optimal position of a target object (target) within the effective volume, the mask image can be placed in exactly this optimum position and used as an adjustment aid for future positioning of target objects, in particular in the context of an automated method.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Figur erläutert.An embodiment of the invention is explained in the following figure.
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.The single figure shows in this embodiment of the method according to the invention a first beam path I, which is deflected with respect to the representation from above via a deflecting mirror 1 by approximately 90 degrees to the right. The mirror 1 may be a dichroic mirror which is highly reflective for the wavelength of the laser used in the experiment and transmissive for an alignment laser beam. Instead of a Justagelasers can also be used in general, any other. Also not incoherent light source.
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.In the beam path 1, following the deflecting mirror, a focusing element 2, which is symbolically represented here and is usually formed in practice as a parabolic concave mirror follows. These concave mirrors can especially with ultrashort pulses in the femtosecond range be specially designed to avoid a temporal pulse extension by dispersion effects of the dielectric coatings.
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.It is clear here that a focus 3 is generated by the focusing element 2 in particular a parabolic concave mirror in the beam path 1, around the center of which an effective volume is formed, in which a target object 4 must be accurately positioned to carry out an experiment.
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.In order to mark this position P, it is provided according to the invention, the image of a mask element 5 by an imaging optics, which is formed by a focusing optics 6, for example a first lens or a first concave mirror, and the focusing optics 2.
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.Thus, it is provided here to illuminate the mask element 5 by means of a telescopically arranged in particular focusing elements 7 and 8, in particular lenses, with a laser beam of a second wavelength for which the deflection mirror 1 is transmissive. By the focusing elements 7 and 8, the laser beam is both expanded and collimated, so that between 4 masking element, focusing element 6, focusing element 2 and the image of the mask element 3 results in a 4F configuration and thus a telecentric afocal image, which means in that an image of the mask 5 is produced at the position P, while the collimation, ie the parallel beam path of the laser beam of the second wavelength is maintained and thereby no destructive increase in intensity of the laser beam of the second wavelength takes place on the target.
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.Here, it is provided that the light emanating from the mask element 5 by a second beam path Il, which is deflected by a beam splitter 9 and coincides after passing through the deflecting element 1 with the beam path I of the first laser beam. This results in the beam splitter 9 both an excellent adjustment of the beam path Il and the ability to make a backward image of the projected mask image of an inserted into the effective volume target 4 in a second image plane B, in which a detector, such as a camera to be positioned can.
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.In this second illustration, the light of the mask image backscattered by the target object passes through the beam splitter 9, so that the image does not fall back on itself and thus the second image can be used for evaluation by means of a detector. Here, for the second image, as well as for the first image, the focusing optics 6 and 2 are used as the imaging system, the focusing optics 2 coinciding with the focusing optics in the beam path 1 of the experimental laser beam.
Deutlich wird hier, dass durch den Aufbau des Justagesystems keinerlei Eingriff in den Strahlengang des justierten Laserstrahls I vorgenommen wird.It is clear here that no interference is made in the beam path of the adjusted laser beam I by the construction of the adjustment system.
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.Thus, an inventive adjustment system can also be used later on an existing experimental arrangement without having to make an intervention in the arrangement. Furthermore, it may be provided here to provide an autocorrelation optics 10, which is not shown here and which reflects back a portion of the light emanating from the mask element 5 which has passed through the beam splitter 9, that is to say by the reflection at the beam splitter 9 an immediate mapping of the mask element into the image plane B can take place.
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.Thus, by means of this autocorrelation optics, an optimal adjustment of the detector in the image plane B can first be carried out for carrying out the method according to the invention. Sources of error due to misadjustments of the detector within the image plane B, which would affect an unsatisfactory positioning of the target object, can thus be avoided be, because it is thus initially made sure that the adjustment aid system is optimally adjusted in itself.
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. With regard to all embodiments, it should be noted that the technical features mentioned in connection with one embodiment can be used not only in the specific embodiment, but also in the other embodiments. All disclosed technical features of this invention description are to be classified as essential to the invention and arbitrarily combined or used alone.
Claims
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- 2007-04-16 DE DE102007018140A patent/DE102007018140A1/en not_active Withdrawn
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2008
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