DE102008017947A1

DE102008017947A1 - Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts

Info

Publication number: DE102008017947A1
Application number: DE200810017947
Authority: DE
Inventors: Aleksei Mikhailov
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Limo GmbH
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts, umfassend mindestens ein Linsenarray (21, 22) mit einer Mehrzahl von Linsen (24, 25), eine in einer Fourieranordnung hinter dem mindestens einen Linsenarray (21, 22) angeordnete Linse (23), die aus den Linsenarrays (21, 22) austretende Teilstrahlen (26) in einem Arbeitsbereich (27) derart überlagern kann, dass sie unter Bildung von mehreren Beugungsordnungen interferieren, sowie Ablenkmittel, die das Laserlicht derart ablenken können, dass in dem Arbeitsbereich (27) zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt: N >= lambda/Deltalambda, wobei N die Nummer der Beugungsordnung, lambda die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Deltalambda die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Anordnung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21 sowie ein Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 24.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung des zu beeinflussenden Lichts meint die mittlere Ausbreitungsrichtung des Lichts, insbesondere wenn dieses keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mittenabstand (Pitch) meint den Abstand der Mitten der Linsen eines Arrays zueinander in der Richtung, in der die Linsen in dem Array nebeneinander angeordnet sind.
Aus der DE 101 39 355 A1 sind eine Vorrichtung, eine Anordnung und ein Verfahren der vorgenannten Art bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst zwei in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts hintereinander angeordnete Zylinderlinsenarrays, die das Laserlicht in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufspalten. Diese Teilstrahlen werden von einer in einer Fourieranordnung positionierten Linse in einer Arbeitsebene überlagert. Die Überlagerung der einzelnen Teilstrahlen in der Arbeitsebene kann zu Interferenzeffekten führen, die eine unerwünschte Strukturierung der Intensitätsverteilung in der Arbeitsebene verursachen können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung und einer Anordnung der eingangs genannten Art sowie die Angabe eines Verfahren der eingangs genannten Art, die eine homogenere Intensitätsverteilung bewirken können.
Dies wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Anordnung durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 21 sowie hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 24 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.
Anspruch 1 sieht vor, dass die Vorrichtung Ablenkmittel umfasst, die das Laserlicht vor, nach oder während des Hindurchtritts durch das mindestens eine Linsenarray derart ablenken können, dass in dem Arbeitsbereich zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:
wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist. Durch die Überlappung höherer Beugungsordnungen wird die Intensitätsverteilung in dem Arbeitsbereich homogener.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtung der nullten Beugungsordnung der Mehrzahl von Teilstrahlen nach der Ablenkung durch die Ablenkmittel mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray einen Winkel α einschließt, für den gilt:
wobei λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts, Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist. Durch eine Ablenkung um einen derartigen Winkel kann erreicht werden, dass in dem Arbeitsbereich überwiegend hohe Beugungsordnungen auftreffen, so dass die erzielte Intensitätsverteilung sehr homogen ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ablenkmittel eine Mehrzahl von Ablenkelementen umfassen, wobei dabei insbesondere die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder angeordnet sein können, dass jeweils eines der Ablenkelemente einen der Teilstrahlen ablenkt bevor die Teilstrahlen überlappen. Die Maßnahme trägt dazu bei, dass in den Arbeitsbereich lediglich die vorgenannten höheren Beugungsordnungen gelangen, nicht jedoch die niedrigeren Beugungsordnungen, die zu einer inhomogeneren Verteilung führen würden.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass die Ablenkelemente in das mindestens eine Linsenarray integriert sind. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kostengünstig gefertigt werden, wobei gleichzeitig die Anzahl der optisch funktionalen Flächen und damit die Verluste minimiert werden.
Beispielsweise können dabei die Ablenkelemente durch einen Versatz der Linsen des ersten Linsenarrays in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts gegenüber den Linsen des zweiten Linsenarrays realisiert werden.
Gemäß Anspruch 21 umfasst die Anordnung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts neben einer Laserlichtquelle eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Laserlichtquelle Laserlicht mit einer Beugungsmaßzahl M² größer 1, insbesondere größer 10 ausgeben kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass das Laserlicht der Laserlichtquelle eine spektrale Breite aufweist, für die gilt:
wobei Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist. Sowohl durch die Vergrößerung der Beugungsmaßzahl M² beziehungsweise die Erhöhung der Anzahl der transversalen Moden, als auch durch Vergrößerung der spektralen Breite des Laserlichts wird durch die Überlagerung in dem Arbeitsbereich eine homogenere Intensitätsverteilung erzielt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 24 sieht vor, dass die Mehrzahl von Teilstrahlen vor der Überlagerung in dem Arbeitsbereich derart abgelenkt werden, dass in dem Arbeitsbereich zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:
wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts gemäß dem Stand der Technik;
2 die gaußförmige Intensitätsverteilung eines monochromatischen Laserstrahls, der eine einzige transversale Mode aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
3 die Intensitätsverteilung des Laserstrahls gemäß 2 nach Hindurchtritt durch eine Vorrichtung gemäß 1 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
4 ein Detail der Intensitätsverteilung gemäß 3 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
5 die Überlagerung höherer Beugungsordnungen eines Laserstrahls mit einer spektralen Breite von Δλ = 0,25 nm (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
6 die Intensitätsverteilung eines monochromatischen Laserstrahls, der mehrere transversale Moden aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
7 die Intensitätsverteilung des Laserstrahls gemäß 6 nach Hindurchtritt durch eine Vorrichtung gemäß 1 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
8 die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls mit einer spektralen Breite von Δλ = 0,25 nm, der mehrere transversale Moden aufweist (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
9 die Überlagerung höherer Beugungsordnungen eines Laserstrahls gemäß 8 (Intensität in willkürlichen Einheiten gegen eine X-Koordinate in mm);
10 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts;
11 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts;
12 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts;
13 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts.
In einigen der Figuren ist zur besseren Übersichtlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.
Aus 1 ist eine Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht gemäß dem Stand der Technik ersichtlich. Diese Vorrichtung besteht aus zwei Linsenarrays 1, 2 und einer Linse 3, die in einer Fourieranordnung positioniert ist. Die Linsenarrays 1, 2 sind auf einem Substrat angeordnet und umfassen beispielsweise jeweils 14 in X-Richtung nebeneinander angeordnete Linsen 4, 5, die jeweils eine Brennweite f = 100 mm und einen Mittenabstand (Pitch) d = 2 mm aufweisen. Die Linsen 4, 5 können Zylinderlinsen oder sphärische Linsen sein. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 1 lediglich 6 der 14 Linsen 4, 5 dargestellt. Der Abstand der beiden Linsearrays in Z-Richtung entspricht der Brennweite f der Linsen 4, 5.
Auf die Vorrichtung soll in positiver Z-Richtung beziehungsweise von links in 1 ein monochromatischer Laserstrahl mit einem Gauß-Profil und mit einer Wellenlänge λ = 500 nm auftreffen. Der Strahlradius soll 2w = 16 mm sein. Die Intensitätsverteilung eines derartigen Laserstrahls am Eingang des Linsenarrays 1 ist in 2 dargestellt.
Durch die Linsenarrays 1, 2 wird der Laserstrahl in 14 zueinander kohärente Teilstrahlen 6 aufgeteilt, die von der Linse 3 in einem Arbeitsbereich 7 überlagert werden. Dazu weist die Linse 3 eine Brennweite F = 400 mm auf. Das zweite Linsenarray 2 ist in positiver Z-Richtung 400 mm von der Linse 3 entfernt und befindet sich somit in dessen vorderer Brennebene. Der Arbeitsbereich 7 ist in negativer Z-Richtung 400 mm von der Linse 3 entfernt und befindet sich somit in dessen hinterer Brennebene (siehe 1).
In 3 ist die Intensitätsverteilung des Laserlichts im Fernfeld beziehungsweise in dem Arbeitsbereich 7 dargestellt. 4 zeigt die Mitte der Intensitätsverteilung. Das Feld ist aufgrund der Kohärenz der Teilstrahlen in mehrere Beugungsordnungen 8_–1 , 8₀ , 8₁ geteilt. Die X-Koordinate des Maximums mit der Beugungsordnung N kann wie folgt ausgerechnet werden:
Damit finden sich mit F = 400 mm, d = 2 mm und λ = 500 nm bei X = –0,1 mm die minus erste Beugungsordnung 8_–1 und bei X = 0,1 mm die erste Beugungsordnung 8₁ (siehe 4).
Unter Berücksichtigung dieser Gleichung wird weiterhin ein Abschnitt der Fernfeldverteilung im Bereich höherer Beugungsordnungen (N >> 1) betrachtet. Dabei wird angenommen, dass die spektrale Breite des Laserstrahles Δλ = 0,25 nm ist. Wie aus der obigen Gleichung folgt, beginnen die Beugungsmaxima mit der Steigerung der Ordnung N auseinanderzulaufen, und das Profil jedes Maximums wiederholt immer mehr das Profil des Spektrums der Laserstrahlung. In 5 sind die Beugungsordnungen Nr. 999 (8₉₉₉ ), 1000 (8₁₀₀₀ ) und 1001 (8₁₀₀₁ ) entsprechend der gemachten Annahmen dargestellt.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, das Linsenarray 1, 2 in der Vorrichtung so anordnen, dass dieses nur die höheren Beugungsordnungen erzeugt, was zur Überlappung des Beugungsbildes führen muss. Infolgedessen nimmt die Homogenität des Beleuchtungsfeldes zu. Wie aus der obigen Gleichung folgt, wird dieser Effekt beachtlich ab ungefähr N = λ/Δλ.
Zur Verdeutlichung der Effektivität der Erfindung, soll der nachfolgende Vergleich für die oben beschriebene Anordnung durchgeführt werden:
Es wird angenommen, dass das auf das Linsenarray 1 auftreffende Laserlicht die orthogonalen zu Eins genormten Hermite-Gauß-Moden mit den Indizes von 0 bis 19 aufweist. Der Strahlradius ist hier 2w = 5 mm. Das Feld im Eingang des Linsenarrays 1 ist in 6 dargestellt.
Falls das Laserlicht monochromatisch ist, ergibt sich im Fernfeld beziehungsweise im Arbeitsbereich 7 eine Intensitätsverteilung wie in 7 abgebildet. Die Oszillationen in dieser Fernfeldverteilung betragen PTV = 14%. Falls das Laserlicht die inhomogen verbreiterte spektrale Breite Δλ = 0,25 nm aufweist, wird die Fernfeldverteilung bei einem Übergang von der nullten Beugungsordnung (N = 0) zur zweitausendsten Beugungsordnung (N = 2000) deutlich homogener (PTV = 3%). Der Übergang von der nullten zur zweitausendsten Beugungsordnung erfolgt bei einer Ablenkung der nullten Ordnung des Laserlichts beziehungsweise bei einer Drehung der Richtdiagramms der Linsenarrays 1, 2 um einen Winkel von α ≥ 30°. Dies deshalb, weil der Ablenkwinkel α, die Nummer N der Beugungsordnung (beispielsweise 2000), die Wellenlänge λ (beispielsweise 500 nm) und der Mittenabstand d (beispielsweise 2 mm) der Linsen 4, 5 der Linsenarrays 1, 2 über folgende Formel miteinander verknüpft sind:
Der Ausdruck Richtdiagramm der Linsenarrays wird synonym zum Ausdruck Richtcharakteristik des Linsenarrays gebraucht und beschreibt die Abstrahlcharakteristik des aus dem zweiten Linsenarray 2 austretenden Laserlichts. Es gibt mehrere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Aufgabe der Verschiebung des Richtdiagramms des Linsenarrays 1, 2 beziehungsweise der Ablenkung der nullten Beugungsordnung des Laserlichts erfüllen. Beispiele solcher Vorrichtungen sind in den 10 bis 13 abgebildet.
Die Vorrichtung gemäß 10 umfasst neben einem ersten Linsenarray 11 mit Linsen 14, einem zweiten Linsenarray 12 mit Linsen 15 und einer Linse 13 in Fourieranordnung ein Prisma 18, das in Z-Richtung vor dem ersten Linsenarray 11 angeordnet ist. Das Prisma 18 lenkt das auftreffende Laserlicht um einen Winkel α nach oben in 10 beziehungsweise in positiver X-Richtung ab. Die Richtung des Richtdiagramms der Linsenarrays 11, 12 bleibt dabei unverändert.
Anstelle eines Prismas 18 kann auch ein Spiegel verwendet werden. Auch eine Drehung des aus den Linsenarrays 11, 12 und der Linse 13 bestehenden Systems gegenüber dem einfallenden Laserlicht kann eine vergleichbare Situation schaffen.
Die Linsenarrays 11, 12 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 14, 15 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 14, 15 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 10 lediglich 6 der Linsen 14, 15 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 14, 15 pro Linsenarray 11, 12 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 16 sind die aus dem zweiten Linsenarray 12 austretenden Teilstrahlen und mit 17 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.
Die Linsen 14 des ersten Linsenarrays 11 sind jeweils symmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung, wohingegen die Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 unsymmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung sind. Da das Laserlicht aufgrund des schiefen Einfalls schräg nach oben (siehe 10) in dem Substrat der Linsenarrays 11, 12 verläuft, können die Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 jeweils lediglich aus einem oberen Teil einer sphärischen oder zylindrischen Linse bestehen. Die Mitten der Linsen 15 des zweiten Linsenarrays 12 sind gegenüber den Mitten der Linsen 14 des ersten Linsenarrays 11 versetzt. Die Größe der Versetzung kann beispielsweise der Hälfte des Mittenabstandes d und somit d/2 entsprechen (siehe 10). Andere Versetzungen sind jedoch ebenfalls möglich und gleichermaßen wirksam.
Das Richtdiagramm am Ausgang des zweiten Linsenarrays 12 ist relativ zur Normalen auf dem Linsenarray 12 beziehungsweise zur Z-Richtung symmetrisch, wobei der Winkel zwischen der nullten Beugungsordnung und der Z-Richtung dem Eingangswinkel α entspricht. So wird das Zentrum des Richtdiagramms um den Winkel α gegenüber der nullten Beugungsordnung versetzt, was der Idee der Erfindung entspricht.
In 10 ist schematisch eine Laserlichtquelle 10 eingezeichnet, die ein zumindest teilweise kohärentes Laserlicht mit einer spektralen Breite Δλ und einer Wellenlänge λ aussenden kann. Insbesondere weist das Laserlicht eine Mehrzahl transversaler Moden auf, so dass die Beugungsmaßzahl M² größer als 10 ist.
Die Vorrichtung gemäß 11 umfasst neben einem ersten Linsenarray 21 mit Linsen 24, einem zweiten Linsenarray 22 mit Linsen 25 und einer Linse 23 in Fourieranordnung ein Prismenarray 28 mit Prismenelementen 29, das in Z-Richtung hinter dem zweiten Linsenarray 21 angeordnet ist. Die Linsenarrays 21, 22 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 24, 25 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 24, 25 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 11 lediglich 6 der Linsen 24, 25 beziehungsweise der Prismenelemente 29 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 24, 25 pro Linsenarray 21, 22 oder Prismenelemente 29 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 26 sind die aus dem zweiten Linsenarray 22 austretenden Teilstrahlen und mit 27 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.
In der in 11 abgebildeten Ausführungsform dreht das Prismenarray 28 das Richtdiagramm einer jeden Linse 25 des zweiten Linsenarrays 22 um den Winkel α. Die Richtung der nullten Beugungsordnung bleibt dabei unverändert. In diesem Fall umfasst das Richtdiagramm jeder Linse 25 höhere Beugungsordnungen des Linsenarrays 22, was der Idee der Erfindung entspricht. Die Prismenelemente 29 dienen als Ablenkelemente. Dabei weist ein jedes der Prismenelemente 29 eine ausgangsseitige refraktive Fläche auf, deren Normale mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray (beziehungsweise mit der Z-Richtung) einen Winkel β einschließt, der ungleich 0° ist.
Das Prismenarray 28 kann durch ein entsprechendes Spiegelarray ersetzt werden.
Diese Ausführungsform gemäß 12 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 11 durch ein zusätzliches Prisma 30. Dieses Prisma 30 lenkt das Laserlicht zur optischen Achse (beziehungsweise zur Z-Richtung) ab, was die Linse 23 in ihrer Funktion unterstützt.
Die Vorrichtung gemäß 13 umfasst ein erstes Linsenarray 31 mit Linsen 34, ein zweites Linsenarray 32 mit Linsen 35 und eine Linse 33 in Fourieranordnung. Auf das Prismenarray 28 gemäß 11 und 12 wurde verzichtet, wobei seine Funktion in das zweite Linsenarray 32 integriert ist. Die Linsenarrays 31, 32 sind auf einem Substrat ausgebildet, wobei der Abstand der Linsen 34, 35 zueinander gleich der Brennweite f der Linsen 34, 35 ist. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in 13 lediglich 6 der Linsen 34, 35 dargestellt. Es können jedoch wesentlich mehr Linsen 34, 35 pro Linsenarray 31, 32 vorgesehen sein. Mit dem Bezugszeichen 36 sind die aus dem zweiten Linsenarray 32 austretenden Teilstrahlen und mit 37 ist der Arbeitsbereich bezeichnet.
Die Integration der Ablenkfunktion der Prismenelemente in das zweite Linsenarray 32 geschieht durch Versetzung der Mitten der Linsen 35 des zweiten Linsenarrays 32 gegenüber den Mitten der Linsen 34 des ersten Linsenarrays 31. Die Größe der Versetzung entspricht bei der Ausführungsform gemäß 13 nicht der Hälfte des Mittenabstandes d. Andere Versetzungsgrößen wie beispielsweise d/2 sind jedoch ebenfalls möglich und gleichermaßen wirksam. Dabei sind in Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 10 sowohl die Linsen 34 des ersten Linsenarrays 31 als auch die Linsen 35 des zweiten Linsenarrays 32 jeweils symmetrisch hinsichtlich der Z-Richtung. Der Versatz der Linsen 35 gegenüber den Linsen 34 realisiert die erfindungsgemäßen Ablenkmittel.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erscheint das Winkel α nicht am Eingang des ersten Linsenarrays 31, wie in der Ausführungsform gemäß 10, sondern am Ausgang des zweiten Linsenarrays 32.
Die Linsen 14, 15; 24, 25; 34, 35 können als Zylinderlinsen, insbesondere mit sich in Y-Richtung erstreckender Zylinderachse, oder als sphärische Linsen ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10139355 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts, umfassend – mindestens ein Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) mit einer Mehrzahl von Linsen (14, 15; 24, 25; 34, 35), durch die das zu homogenisierende Laserlicht hindurch treten kann, wobei durch die Mehrzahl der Linsen (14, 15; 24, 25; 34, 35) des Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) das Laserlicht in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (16, 26, 36) aufgespalten wird, – eine in einer Fourieranordnung hinter dem mindestens einen Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) angeordnete Linse (13, 23, 33), die die einzelnen Teilstrahlen (16, 26, 36) in einem Arbeitsbereich (17, 27, 37) derart überlagern kann, dass sie unter Bildung von mehreren Beugungsordnungen interferieren, dadurch gekennzeichnet, dass – die Vorrichtung Ablenkmittel umfasst, die das Laserlicht vor, nach oder während des Hindurchtritts durch das mindestens eine Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) derart ablenken können, dass in dem Arbeitsbereich (17, 27, 37) zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:
wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts vor der Linse (13, 23, 33) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder in der Vorrichtung angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtung der nullten Beugungsordnung der Mehrzahl von Teilstrahlen (16, 26, 36) nach der Ablenkung durch die Ablenkmittel mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) einen Winkel α einschließt, für den gilt:
wobei λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts, Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel eine Mehrzahl von Ablenkelementen umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel derart gestaltet und/oder angeordnet sind, dass jeweils eines der Ablenkelemente einen der Teilstrahlen (16, 26, 36) ablenkt, insbesondere bevor die Teilstrahlen (16, 26, 36) überlappen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts hinter dem mindestens einen Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Ablenkelemente durch mindestens eine refraktive Flächen gebildet wird, durch die das zu homogenisierende Laserlicht hindurch treten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Normale jeder der refraktiven Flächen mit der Einfallsrichtung des Laserlichts auf das Linsenarray einen Winkel β einschließt, der ungleich 0° ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkmittel zusätzlich zu den Ablenkelementen ein beispielsweise als Prisma (18, 30) ausgeführtes keilförmiges Substrat umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keilförmige Substrat in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts vor dem mindestens einen Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das keilförmige Substrat in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts hinter den Ablenkelementen angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) mit jeweils einer Mehrzahl von Linsen (14, 15; 24, 25; 34, 35) umfasst, durch die das zu homogenisierende Laserlicht nacheinander hindurch treten kann.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) auf einem Substrat ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) in Ausbreitungsrichtung des zu homogenisierenden Laserlichts der Brennweite (f) zumindest einer Mehrzahl der Linsen (14, 15; 24, 25; 34, 35) der Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente in das mindestens eine Linsenarray (11, 12; 21, 22; 31, 32) integriert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente durch einen Versatz der Linsen (14, 24, 34) des ersten Linsenarrays (11, 21, 31) in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichts gegenüber den Linsen (15, 25, 35) des zweiten Linsenarrays (12, 22, 32) realisiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsenarray (12, 22, 32) in der eingangsseitigen Brennebene der Linse (13, 23, 33) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsbereich (17, 27, 37) in der ausgangsseitigen Brennebene der Linse (13, 23, 33) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (14, 15; 24, 25; 34, 35) des mindestens einen Linsenarrays (11, 12; 21, 22; 31, 32) als Zylinderlinsen ausgebildet sind.
Anordnung zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts, umfassend – eine Laserlichtquelle (10) und – eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (10) Laserlicht mit einer Beugungsmaßzahl M² größer 1, insbesondere größer 10 ausgeben kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht der Laserlichtquelle (10) eine spektrale Breite aufweist, für die gilt:
wobei Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und d der Mittenabstand der Linsen des mindestens einen Linsenarrays ist.
Verfahren zur Homogenisierung zumindest teilweise kohärenten Laserlichts, umfassend folgende Verfahrensschritte: – Aufteilen des zu homogenisierenden Laserlicht in eine Mehrzahl von Teilstrahlen (16, 26, 36); – Überlagern der Mehrzahl von Teilstrahlen (16, 26, 36) in einem Arbeitsbereich (17, 27, 37) derart, dass sie unter Bildung von mehreren Beugungsordnungen interferieren; dadurch gekennzeichnet, dass – die Mehrzahl von Teilstrahlen (16, 26, 36) vor der Überlagerung in dem Arbeitsbereich (17, 27, 37) derart abgelenkt werden, dass in dem Arbeitsbereich (17, 27, 37) zumindest überwiegend Beugungsordnungen überlappen, für die gilt:
wobei N die Nummer der Beugungsordnung, λ die Wellenlänge des zu homogenisierenden Laserlichts und Δλ die spektrale Breite des zu homogenisierenden Laserlichts ist.