DE10249532B3

DE10249532B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern

Info

Publication number: DE10249532B3
Application number: DE2002149532
Authority: DE
Inventors: Jan-Hendrik Klein-Wiele; Peter Dr. Simon
Original assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2022-10-24

Abstract

Vorrichtung zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern, bei der in einer optischen Anordnung Mittel zur zeitlichen und/oder räumlichen Glättung und/oder Formung des Strahlprofils der ultrakurzen Laserpulse vorgesehen sind, wobei die Anordnung einen kristallartigen Mehrphotonenabsorber mit einer für ultrakurze Laserpulse in einem vorgegebenen Wellenlängensbereich vernachlässigbaren linearen Absorption und einer hohen nichtlinearen Absorption aufweist, und wobei der Mehrphotonenabsorber dem Ultrakurzpulslaser zu einer Anwendungsebene hin auf der optischen Achse der Anordnung vorgelagert ist. DOLLAR A Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern, wobei das Strahlprofil der ultrakurzen Laserpulse im Einzelschuss- oder im Mehrschussbetrieb des Lasers mit einem kristallartigen Mehrphotonenabsorber homogenisiert wird, und wobei das derart homogenisierte Strahlprofil einer Anwendungsebene zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern, bei der in einer optischen Anordnung Mittel zur zeitlichen und / oder räumlichen Glättung und / oder Formung des Strahlprofils der ultrakurzen Laserpulse vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern.
Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von einigen Femtosekunden (10^–15 s) bis einigen Pikosekunden (10^–12 s) besitzen ein breites Anwendungsgebiet in Forschung und Industrie und werden bereits heute verbreitet eingesetzt. Es ist absehbar, dass sie in vielen Laseranwendungen in Zukunft herkömmliche Lasersysteme ersetzen werden und der Bedarf an Kurzpulsstrahlquellen mit hoher Strahlqualität erheblich steigen wird. Insbesondere im Bereich der Materialbearbeitung aber auch im Bereich der optischen Messtechnik ist das Potential der Kurzpulslaser groß. Der Trend geht hier zur großflächigen Anwendung der Laserstrahlung. Hier wird die Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlprofils direkt in abgetragene Strukturen oder 2-D Messsignale (z. B. Oberflächenprofile) umgesetzt. Zu diesem Zweck werden mit speziellen optischen Komponenten verschiedene Strahlprofile geformt (Gauß, Flattop, Ring, oder komplexer), mit denen das Werkstück dann bestrahlt wird. Hier ist es wichtig, dass die gewünschte Strahlform in möglichst guter Qualität auch auf der Oberfläche des Werkstücks ankommt, da jede Abweichung von der gewünschten Form eine entsprechende Abweichung in der erzeugten Struktur oder dem Messsignal erzeugt. Ein homogenes, d.h. mit möglichst geringen flächenmäßigen Intensitätsschwankungen, genau definiertes Strahlprofil ist also von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich sollte die Gesamtintensität der Pulse möglichst stabil sein, damit jeder Lichtpuls einen genau definierten Effekt auf dem Werkstück zur Folge hat. Unerwünschte Intensitätsschwankungen sollten minimiert werden.
Ultrakurze Laserstrahlung mit Pulsdauern im ps- oder sub-ps-Bereich besitzt notwendigerweise eine hohe räumliche und zeitliche Kohärenz. Durchläuft diese Strahlung optische Komponenten, die nicht perfekt homogen oder sauber sind, so führen Beugung an den Störstellen, sowie hier induzierte nichtlineare Effekte (Selbstfokussierung etc.) zu einer Verzerrung der Wellenfront der Strahlung. Dies ist besonders problematisch, da mit zunehmender Entfernung von diesen Störstellen das Strahlprofil immer inhomogener wird. Es bilden sich sogenannte „Hot-Spots" im Strahl. Die Intensitätsmodulationen innerhalb des Strahlprofils können dann in ungünstigen Fällen bis zu 100% betragen.
Zur Materialbearbeitung sind im wesentlichen zwei optische Verfahren bekannt. Das eine basiert auf Abfahren eines beliebigen 2-D Musters mit dem fokussierten Strahl, das andere beruht auf Maskenabbildung. Hierbei wird ein vorgegebenes, fertiges Muster meist verkleinert auf das Werkstück durch optische Abbildung projiziert, um dort die gewünschte Struktur mit den gewünschten Abmessungen zu generieren. Diese Methode erlaubt die parallele Bearbeitung eines großen Flächenanteils des Werkstückes, und stellt somit eine hohe Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sicher. Gerade beim Einsatz der Maskenabbildung stellen Inhomogenitäten im Strahlprofil ein entscheidendes Problem dar.
Zur Homogenisierung optischer Strahlung längerer Pulsdauer (im Nanosekunden-Bereich) ist eine Methode bekannt, bei der durch Strahldurchmischung der Strahl zunächst durch facettenartige Flächen oder Linsenarrays etc. in mehrere Teilstrahlen zerlegt wird. Diese werden dann, z.B. mit einer Linse, in einer gemeinsamen Ebene, z.B. in der Maskenebene einer Abbildungsoptik, überlagert. Die Inhomogenitäten mitteln sich dann heraus. Die Homogenisierung hängt von der Anzahl der Teilstrahlen ab und nimmt mit steigender Anzahl zu.
Nachteilig bei dieser Methode für kurze Pulse aufgrund ihrer hohen Kohärenz ist es, dass die Teilstrahlen miteinander interferieren und eine eventuell noch stärkere Modulation der Intensitätsverteilung entsteht. Durch Einführen einer Zeitverzögerung zwischen den Teilstrahlen kann dieses Problem zwar umgangen werden, allerdings wird dabei zwangsläufig ein Pulszug generiert, dessen Dauer bei N Teilstrahlen N-mal länger als der Eingangspuls ist. Daher ist diese Methode für kohärente Laserstrahlung und insbesondere für Vorrichtungen zur Materialbearbeitung oder für optische Messtechniken, bei denen es auf eine Erhaltung der Pulsdauer ultrakurzer Laserpulse ankommt, relativ ungeeignet.
Weiterhin ist eine Methode zur Strahlformung durch diffraktive Elemente bekannt. Diese Methode nutzt die Beugung der Strahlung an speziellen 2D-Phasenelementen aus, um Strahlprofile umzuformen (z.B. Gauß nach Flattop oder Ring etc.).
Nachteilig bei dieser Methode ist es, dass sie eine gut definierte, nicht verzerrte Eingangswellenfront voraussetzt. Durch die Entstehung der bereits oben beschriebenen „Hot Spots" ist diese Voraussetzung aber im Regelfall nicht gegeben. Die „Hot-Spots" können durch die bekannte Methode nicht geglättet werden.

Weiterhin sind Methoden zur Mikrobearbeitung von Werkstücken mit Kurzpulslasern bekannt, bei denen eine gleichmäßigere Ausleuchtung einer zu bearbeitenden Fläche im zeitlichen Mittel während eines Bearbeitungsvorgangs realisiert wird:

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 197 44 368 A1 bekannt. Bei dieser Anordnung befindet sich eine Verzögerungsplatte, insbesondere eine λ/2-Platte, in einem Strahlengang zwischen einem Kurzpulslaser und einem Werkstück, in dem rotationssymmetrische Ausnehmungen gebildet werden sollen. Während des Bearbeitungsvorgangs wird diese Halbwellenplatte kontinuierlich gedreht, so dass die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung ebenfalls kontinuierlich in der Polarisationsebene gedreht wird. Dadurch lassen sich gleichmäßigere Bearbeitungsergebnisse, insbesondere geringere Abweichungen von einem kreisförmigen Querschnitt einer Ausnehmung in dem Werkstück, erzielen. Eine verbesserte Gleichmäßigkeit bei der Ausbildung runder Ausnehmungen lässt sich auch mit einer ortsfesten λ/4-Platte im Strahlengang erreichen. Diese erzeugt aus einer ursprünglich linear polarisierten Laserstrahlung zirkular polarisierte Laserstrahlung.

Eine weitere derartige Anordnung ist aus der US 6 433 303 B1 bekannt. Hierbei wird im Strahlengang ein Strahlhomogenisierer eingesetzt. Der Strahlhomogenisierer besteht aus einem Umlenkspiegel, der mit einem Motorantrieb verbunden ist. Während der Bearbeitung eines Werkstücks wird der Spiegel in Schwankungsbewegungen versetzt. Dadurch wird der Laserstrahl auf einer nachgeschalteten Maske während des Bearbeitungsvorgangs fortlaufend bewegt, bzw. die aufeinanderfolgenden Pulse treffen jeweils versetzt auf der Maske auf. In dieser Anordnung wird eine λ/4-Platte zusätzlich im Strahlengang eingesetzt, die sich insbesondere bei der Bohrung kreisrunder Löcher in einem Werkstück vorteilhaft auswirkt.

Schließlich ist aus der Dissertation (Matthias Feurhake, 1987) am Laser-Laboratorium Göttingen e. V. ein rotierender Strahlversetzer bekannt, bei dem eine in einen Strahlengang einer Laserapparatur schräg gestellte rotierende Platte ein variierendes Versetzen eines Laserstrahlprofils hervorruft.

Damit ist es möglich, eine Fläche, die kleiner ist als der Profilquerschnitt des Strahls mit wechselnden Bereichen des Laserstrahls auszuleuchten.

Bei der DE 197 44 368 A1 , der US 6 433 303 B1 und der Dissertation „Feurhake", wirkt sich nachteilig aus, dass das Strahlprofil selbst nicht homogenisiert wird, sondern nur eine Fläche im zeitlichen Mittel während einer Bearbeitung mit einer Mehrfachpulsbestrahlung gleichmäßiger ausgeleuchtet wird. Zudem sind die aus der DE 197 44 368 A1 und der US 6 433 303 B1 bekannten Vorrichtungen und Verfahren speziell zur Bearbeitung rotationssymmetrischer Ausnehmungen konzipiert. Eine Homogenisierung eines einzelnen Laserpulses ist damit aber nicht möglich. Der Fachmann erhält hier auch keinen Hinweis darauf, wie das Strahlprofil der Laserpulse selbst geglättet werden kann.

In zwei Untersuchungen (J. Phys. Chem. A, 2000, Vol. 104, S. 4805ff und Appl. Opt., 1997, Vol. 36, No.15, S. 3387ff) wurde eine Strahlprofilumformung bei einer Zweiphotonenabsorption von fokussierten Laserpulsen (Pulslänge 7 ns, Wiederholrate 10 Hz) im Nahen Infraroten Wellenlängebereich (810 nm) beim Durchgang durch eine spezielle Polymer- bzw. eine spezielle Farbstofflösung beobachtet.

Die bekannten Untersuchungsergebnisse machen zwar prinzipielle Aussagen zur Strahlumformung, hervorgerufen durch Zweiphotonenabsorption, es gehen daraus aber keinerlei konkrete Hinweise für ein Verfahren oder eine Vorrichtung mit einer optischen Anordnung zur Homogenisierung von Ultrakurzpulslasern mit dem oben beschriebenen Anwendungsspektrum hervor. Da die Lösungen in Küvetten oder Zellen eingefüllt sind, können durch die optischen Übergänge an den Grenzflächen des Behälters zusätzliche Beeinträchtigungen der Strahlqualität auftreten. Die beschriebenen Polymer- bzw. Farbstofflösungen zeigen die beschriebenen Eigenschaften auch nur für die verwendete Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich. Insbesondere im für die Mikrobearbeitung (Lithografie, Printed Circuit Board – Herstellung) wichtigen kurzwelligen sichtbaren und nahen Ultravioletten Wellenlängenbereich (etwa 100-350 nm) weisen sie nicht die geforderten Absorptions-, Transmissions- und Haltbarkeitseigenschaften auf und sind daher für diese Anwendungen ungeeignet.

Die bekannten Vorrichtungen zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern sind somit nicht in der Lage das Strahlprofil eines Kurzpulslasers ausreichend zu glätten, ohne die Pulsdauer erheblich zu verlängern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Vorrichtungen zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern so zu verbessern, dass sie eine ausreichende Glättung des Strahlprofils, bei einer im Wesentlichen unveränderten Pulsdauer ermöglichen und die Strahlqualität insgesamt verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Anordnung einen kristallartigen Mehrphotonenabsorber mit einer für ultrakurze Laserpulse in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich vernachlässigbaren linearen Absorption und einer hohen nichtlinearen Absorption aufweist, und dass der Mehrphotonenabsorber dem Ultrakurzpulslaser zu einer Anwendungsebene hin auf der optischen Achse der Anordnung vorgelagert ist.

Durchläuft ein kurzer, intensiver Lichtpuls den Mehrphotonenabsorber, der bei der Wellenlänge der Strahlung vorzugsweise keine lineare, aber eine hohe nichtlineare Absorption besitzt, so fällt die Transmission dieses Elements mit steigender Intensität nichtlinear ab. Dies führt automatisch zu einer selektiven Absorption innerhalb des Strahlprofils. Der Strahl wird an lokal intensiven Stellen (Hot-Spots) daher stark absorbiert und an weniger intensiven Stellen nur weniger abgeschwächt. Dadurch wird das Gesamtprofil deutlich geglättet. Dadurch ist es möglich das Strahlprofil eines ultrakurzen Einzelpulses eines Lasers zu glätten ohne die Pulsdauer gleichzeitig wesentlich zu verlängern. Gleichzeitig wird eine deutliche Verringerung der Puls-zu-Puls Intensitätsschwankungen bewirkt. Auch im Falle der Mehrschussbearbeitung führt die Glättung jedes Einzelpulses zur deutlichen Verbesserung des Endergebnisses. Dadurch, dass der Mehrphotonenabsorber der Anwendungsebene vorgelagert ist, kann eine nachfolgende Anwendung mit einer folgende Anwendung mit einer genau definierten, ortsaufgelösten homogenisierten Energieverteilung beaufschlagt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Anordnung Teil einer Maskenabbildungseinrichtung zur großflächigen Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen, bei der der Mehrphotonenabsorber derart ausgebildet ist, dass mit einer Feldlinse eine in der Anwendungsebene stehende Maske mit dem über den Mehrphotonenabsorber homogenisierten Strahlprofil der Laserpulse vollständig ausleuchtbar ist.

Die Homogenisierungsanordnung kann besonders vorteilhaft in Einrichtungen zur Materialbearbeitung eingesetzt werden. Dadurch ist es möglich, sehr genau Mikrostrukturen mit hoher lateraler Auflösung und hoher Tiefenauflösung zu erzeugen. Insbesondere bei der Maskenabbildung im Einzelschussbetrieb oder mit wenigen Laserschüssen, können damit sehr geringe Toleranzgrenzen zuverlässig eingehalten werden. Auch in Scanabbildungseinrichtungen wird die Fertigungsgenauigkeit durch die Homogenisierungsvorrichtung deutlich verbessert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ultrakurzpulslaser eine Wellenlänge von 248 nm auf und ist der Mehrphotonenabsorber als ein Saphirkristall ausgebildet.

Saphir ist als Zweiphotonenabsorber von ultrakurzen Laserpulsen der Wellenlänge 248 nm besonders gut eignet. Saphir besitzt bei dieser Wellenlänge eine besonders hohe nichtlineare Absorption, eine niedrige lineare Absorption und damit eine hohe lineare Transmission. Weiterhin ist Saphir aufgrund einer relativ hohen Zerstörschwelle gut für hochenergetische UV- Laserpulse geeignet. Andere Kombinationen von Wellenlängen und Kristallen sind jedoch auch möglich. Grundsätzlich sind auch Kristalle mit Dreiphotonenabsorption oder höher geeignet. Dabei gilt: Je höher der Grad der Nichtlinearität, desto besser die Glättungswirkung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Mehrphotonenabsorber als eine planparallele Platte ausgebildet, und ist die Kristallachse der planparallelen Platte auf der optischen Achse der Anordnung so ausgerichtet, dass keine Doppelbrechung auftritt. Durch eine derartige Anordnung werden die Verluste und die Beeinflussung der Pulsdauer bei der Strahlführung minimiert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf der optischen Achse der Anordnung, dem Mehrphotonenabsorber zu der Anwendungsebene hin ein variabler Strahlabschwächer vorgelagert.

Durch den variablen Strahlabschwächer kann das geglättete Strahlprofil nach dem Absorber kontrolliert werden. Dies verbessert die Zuverlässigkeit und Handhabbarkeit der Homogenisierungsvorrichtung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein als ein variabler Strahlversetzer ausgebildetes, um die optische Achse drehbares optisches Element, zur Erzeugung eines um die optische Achse rotierenden parallelen Strahlversatzes, auf der optischen Achse positionierbar. Der Strahlversetzer kann als eine unter einem verstellbaren Winkel zur optischen Achse einsetzbare planparallele Platte aus Kalziumfluorid ausgebildet sein.

Der Mehrphotonenabsorber kann besonders vorteilhaft in Kombination mit dem Strahlversetzer eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die homogene Ausleuchtung einer Anwendung weiter verbessern.

Die bekannten Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern weisen die oben erwähnten Nachteile auf.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, die bekannten Verfahren so zu verbessern, dass sie das Strahlprofil eines ultrakurzen Laserpulses homogenisieren, ohne die Pulsdauer wesentlich zu verlängern, und dass sie die Strahlqualität verbessern.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 10 dadurch gelöst, dass das Strahlprofil der ultrakurzen Laserpulse im Einzelschuss- oder im Mehrschussbetrieb des Lasers mit einem kristallartigen Mehrphotonenabsorber homogenisiert wird, und dass das derart homogenisierte Strahlprofil einer Anwendungsebene zugeführt wird.

Durch die Homogenisierung des ultrakurzen Laserpulses mit dem Mehrphotonenabsorber wird ein geglätteter Einzelpuls generiert. Dabei wird die ultrakurze Pulsdauer erhalten. Damit können Mess- und Bearbeitungsanwendungen mit höchsten Genauigkeitsanforderungen an eine definierte Bestrahlung durchgeführt werden.

In den Unteransprüchen 11 bis 16 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

Durch einen Saphirkristall als Zwerphotonenabsorber werden ultrakurze Laserpulse im nahen Ultravioletten Spektralbereich, insbesondere bei der Wellenlänge 248 nm, besonders effektiv geglättet. Im Mehrschussbetrieb wird neben der räumlichen Glättung der Einzelpulse auch eine zeitliche Stabilisierung der Gesamtstrahlung erreicht. Durch die Ausleuchtung eines diffraktiven optischen Elements zur Strahlformung mit dem homogenisierten Strahlprofil werden die erwähnten „Hot Spots" weitgehend vermieden. Damit können sehr homogene spezielle Strahlformen generiert werden. Durch die homogenisierten speziellen Strahlformen können gezielt sehr genaue Prozesse, beispielsweise Ablationsprozesse auf Oberflächen, durchgeführt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:
1: Eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur flächigen Materialbearbeitung mit ultrakurzen UV-Laserpulsen über eine Maskenabbildung, mit einer Vorrichtung zur Strahlhomogenisierung der ultrakurzen UV-Laserpulse,
2: einen Strahlversetzer für die Vorrichtung von 1,
3 eine schematische Ansicht in Richtung der optischen Achse der Aufbaus aus 1 im Schnitt, zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des Strahlversetzers und
4 einen horizontalen (linke Bildhälfte) und einen vertikalen (rechte Bildhälfte) Schnitt durch ein Strahlprofil ohne Homogenisierung (a), mit Einzelschusshomogenisierung (b) und mit Mehrschusshomogenisierung (c).
Eine Vorrichtung zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern besteht im Wesentlichen aus einem Mehrphotonenabsorber 2 und einem Strahlversetzer 10 in einer optischen Anordnung 1.
1 zeigt die Anordnung 1 in einer Einrichtung 5 zur großflächigen Materialbearbeitung mit einer Maskenabbildung, mit einem (nicht explizit dargestellten) UV-Kurzpulslaser 3. Der Laser ist ein KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm und einer Pulsdauer von 500 fs. Dieser Lasertyp eignet sich besonders zur großflächigen Materialbearbeitung, da das Strahlprofil auf Grund seiner Größe (2.5 × 2.5 cm²) eine großflächige Bestrahlung einer Maske 7 ermöglicht und eine hohe Intensität (mehrere GW/cm²) aufweist. Andererseits reagiert die Strahlung des Lasers 3 aufgrund der kurzen Wellenlänge und der hohen Intensität besonders empfindlich auf Inhomoge nitäten in optischen Komponenten, so dass der Strahlglättung hier eine besondere Bedeutung zukommt.
Der Laserstrahl durchläuft zunächst den Strahlversetzer 10, der einen rotierenden Strahlversatz 11 einführt. Der Strahlversetzer 10 besteht aus einer Drehscheibe 12, die aus einer, einige mm dicken, planparallelen Platte aus Kalziumfluorid gefertigt ist, und die an einem Endstück eines schräg abgeschnittenen Rohres 15 befestigt ist (2). Das Rohr 15 steht koaxial zur optischen Achse 9 und ist um diese rotierbar. Im weiteren Strahlverlauf zieht eine Feldlinse 6 den Strahl soweit zusammen bis eine ausreichende Intensität (typischerweise 10-30 GW/cm²) am Ort des Mehrphotonenabsorbers 2 erreicht ist. Der Absorber 2 besteht aus einer 2-3 mm dicken planparallelen Saphirplatte, deren Kristallachse so ausgerichtet ist, dass keine Doppelbrechung auftritt. Zur genauen Kontrolle der Laserenergie befindet sich dicht hinter dem Absorber 2 ein variabler, senkrecht zur optischen Achse 9 verstellbarer Abschwächer 8. Der Abschwächer 8 muss hinter dem Absorber stehen, um eine gleichbleibende Intensität und somit eine gleichbleibende Glättung am Ort des Mehrphotonenabsorbers 2 zu gewährleisten. Direkt dahinter befindet sich die Anwendungs- bzw. Maskenebene 4, die über eine als ein Reflexionsobjektiv 13 ausgebildete Abbildungsoptik, verkleinert, beispielsweise im Maßstab 1:10, auf ein Werkstück 14, beispielsweise ein Mikrochip, abgebildet wird. Durch die verkleinerte Maskenabbildung können Strukturen mit höchstmöglicher Auflösung auf dem Werkstück 14 erzeugt werden.
Ein Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern beruht im Wesentlichen darauf, dass ein Strahlprofil 16 der ultrakurzen Laserpulse mit einem kristallartigen Mehrphotonenabsorber 2 homogenisiert wird.
Zur Durchführung des Verfahrens dient die oben beschriebene Vorrichtung. Im Einzelschussbetrieb wird mit einem einzigen Laserschuss das Werkstück 14 bearbeitet. Zur Homogenisierung des Strahlprofils 16 des einen verwendeten Laserpulses trifft der Laserstrahl auf den Absorber 2. Der aus dem Absorber 2 austretende Puls weist das geglättete Strahlprofil 16' auf. Vorteilhaft sollte dabei die zur Verfügung stehende Laserenergie die zur Bearbeitung des Werkstücks 14 benötigte Energie um mehr als einen Faktor zwei übersteigen.
Im Mehrschussbetrieb wird zusätzlich der Strahlversetzer 10 verwendet. Der Strahlversatz 11 kann durch die Dicke der Platte 12 und den Winkel zur optischen Achse 9 variiert werden und wird so gewählt, dass die Verschiebung des Strahlprofils 16 in einer Anwendungs- bzw. Maskenebene 4 mindestens dem charakteristischen Abstand der eingangs beschriebenen „Hot-Spots" entspricht. Dabei muss in jedem Fall das Strahlprofil 16 die gesamte Maskenfläche überdecken. Zur Vermeidung periodischer Ungenauigkeiten bei der Materialbearbeitung ist weiterhin darauf zu achten, dass keine Korrelation zwischen der Größe und der jeweiligen Position der Intensitätsmodulation vorhanden ist. Die Drehgeschwindigkeit der Platte 12 wird der Pulswiederholrate angepasst, so dass sich bei jedem Puls ein neuer Strahlversatz 11 ergibt. Durch die rotierende Platte 12 wandert das Strahlprofil 16 über die Maske 7 ( 3). Dadurch ergibt sich im zeitlichen Mittel eine homogene Ausleuchtung der zu bearbeitenden Fläche. Die Wirkungsweise der Homogenisierung wird durch beispielhafte, mit der oben beschriebene Anordnung gemessene, Diagramme in 4a-c verdeutlicht. Die Diagramme wurden am Ort der Maske 7 mit einem (nicht dargestellten) Kamerasystem aufgenommen. In den Diagrammen ist das Strahlprofil 16, 16', 16'' dargestellt. Aufgetragen ist die Intensität, bzw. Laserenergie in willkürlichen Einheiten I gegen den Querschnitt x durch den Laserpuls. In der linken Bildhälfte sind drei horizontale Schnitte, in der rechten Bildhälfte sind drei vertikale Schnitte gezeigt. Die beiden Diagramme von 4a zeigen das Strahlprofil 16 ohne Einsatz einer Homogenisierungsmethode. Die Diagramme von 4b zeigen das Profil 16' nach Glättung durch die Saphirplatte 2 als Zweiphotonenabsorber im Einzelschuss. Schließlich zeigen die Diagramme von 4c das Strahlprofil 16'' der kombinierten Glättung des Mehrphotonenabsorbers 2 (Sa phirplatte) und des Strahlversetzers 10 (rotierende Platte 12), gemittelt über 30 Laserschüsse. Das Strahlprofil 16 zeigt ohne Homogenisierung starke Spitzen. Die Einzelschusshomogenisierung zeigt demgegenüber ein deutlich geglättetes Strahlprofil 16' ohne ausgeprägte Intensitätsspitzen. Das beste Ergebnis liefert die Mehrschusshomogenisierung mit einem sehr gleichmäßigen Strahlprofil 16'' .

1: Optische Anordnung
2: Mehrphotonenabsorber
3: Ultrakurzpulslaser
4: Anwendungsebene
5: Maskenabbildungseinrichtung
6: Feldlinse
7: Maske
8: Variabler Strahlabschwächer
9: Optische Achse
10: Strahlversetzer
11: Strahlversatz
12: Planparallele Platte
13: Abbildungsoptik
14: Werkstück
15: Rohr
16, 16', 16'': Strahlprofil
I: Intensität
x: Laserpulsquerschnitt

Claims

Vorrichtung zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern, bei der in einer optischen Anordnung Mittel zur zeitlichen und / oder räumlichen Glättung und / oder Formung des Strahlprofils der ultrakurzen Laserpulse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) einen kristallartigen Mehrphotonenabsorber (2) mit einer für ultrakurze Laserpulse in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich vernachlässigbaren linearen Absorption und einer hohen nichtlinearen Absorption aufweist, und dass der Mehrphotonenabsorber (2) dem Ultrakurzpulslaser (3) zu einer Anwendungsebene (4) hin auf der optischen Achse (9) der Anordnung (1) vorgelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) Teil einer Maskenabbildungseinrichtung (5) zur großflächigen Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ist, bei der der Mehrphotonenabsorber (2) derart ausgebildet ist, dass mit einer Feldlinse (6) eine in der Anwendungsebene (4) stehende Maske (7) mit dem über den Mehrphotonenabsorber (2) homogenisierten Strahlprofil (16', 16'') der Laserpulse vollständig ausleuchtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (1) Teil einer Scanabbildungseinrichtung zur großflächigen Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ist, bei der der Mehrphotonenabsorber (2) derart ausgebildet ist, dass die Maske (7) zeilenweise mit dem über den Mehrphotonenabsorber (2) homogenisierten Strahlprofil (16', 16'') des Lasers vollständig abfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpulslaser (3) eine Wellenlänge im Nahen Ultravioletten Spektralbereich aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpulslaser (3) eine Wellenlänge von 248nm aufweist, und dass der Mehrphotonenabsorber (2) als ein Saphirkristall ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrphotonenabsorber (2) als eine planparallele Platte ausgebildet ist, und dass die Kristallachse der planparallelen Platte auf der optischen Achse (9) der Anordnung (1) so ausgerichtet ist, dass keine Doppelbrechung auftritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der optischen Achse (9) der Anordnung (1), dem Mehrphotonenabsorber (2) zu der Anwendungsebene (4) hin ein variabler Strahlabschwächer (8) vorgelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein als ein variabler Strahlversetzer (10) ausgebildetes, um die optische Achse (9) drehbares optisches Element, zur Erzeugung eines um die optische Achse (9) rotierenden parallelen Strahlversatzes (11), auf der optischen Achse (9) positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlversetzer (10) als eine unter einem verstellbaren Winkel zur optischen Achse (9) einsetzbare planparallele Platte (12) aus Kalziumfluorid ausgebildet ist.
Verfahren zur Strahlhomogenisierung von Ultrakurzpulslasern, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlprofil (16) der ultrakurzen Laserpulse im Einzelschuss- oder im Mehrschussbetrieb des Lasers (3) mit einem kristallartigen Mehrphotonenabsorber (2) homogenisiert wird, und dass das derart homogenisierte Strahlprofil (16', 16'') einer Anwendungsebene (4) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Saphirkristall als Zweiphotonenabsorber (2) das Strahlprofil (16) eines ultrakurzen Laserpulses im Nahen Ultravioletten Spektralbereich im Einzelschussbetrieb zu einem resultierenden Strahlprofil (16') geglättet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen rotierenden Strahlversatz (11) im Mehrschussbetrieb eine Fläche in der Anwendungsebene (4) durch das sich über die Fläche verschiebende Strahlprofil (16) im zeitlichen Mittel durch ein resultierendes Strahlprofil (16") homogen ausgeleuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Mehrschussbetrieb durch die jeweilige Glättung des Strahlprofils (16) der ultrakurzen Laserpulse, das Strahlprofil (16) im zeitlichen Mittel stabilisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Mehrphotonenabsorber (2) das Strahlprofil (16) der Laserpulse derart homogenisiert wird, dass eine Maske (7) einer Maskenabbildungseinrichtung (5) zur großflächigen Materialbearbeitung gleichmäßig und vollständig ausgeleuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein diffraktives optisches Element zur Strahlformung mit dem homogenisierten Strahlprofil (16', 16'') ausgeleuchtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein gaußförmiges oder ein einer gaußförmigen Intensitätsverteilung ähnliches Strahlprofil der ultrakurzen Laserpulse zur Bestrahlung einer Probe oder zur Materialbearbeitung mittels des Mehrphotonenabsorbers (2) abgeflacht wird.