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EP3655802A1 - Polarisationswandler mit reflektiver axikonoptik - Google Patents

Polarisationswandler mit reflektiver axikonoptik

Info

Publication number
EP3655802A1
EP3655802A1 EP18733825.6A EP18733825A EP3655802A1 EP 3655802 A1 EP3655802 A1 EP 3655802A1 EP 18733825 A EP18733825 A EP 18733825A EP 3655802 A1 EP3655802 A1 EP 3655802A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axicon
polarization
reflective
polarization converter
optics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18733825.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrike Fuchs
Sven Kiontke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asphericon GmbH
Original Assignee
Asphericon GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asphericon GmbH filed Critical Asphericon GmbH
Publication of EP3655802A1 publication Critical patent/EP3655802A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/001—Axicons, waxicons, reflaxicons
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    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
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    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
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    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3066—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state involving the reflection of light at a particular angle of incidence, e.g. Brewster's angle

Definitions

  • the invention relates to a polarization converter for changing the polarization state of collimated light.
  • Laser sources known from the prior art emit laser light having a linear polarization which is not rotationally symmetrical with respect to the beam direction of the laser light. It is known that linearly polarized laser light due to the different absorptivity of the parallel component and the vertically oriented component in the material processing causes a cutting direction-dependent material removal, which affects the quality of material processing.
  • the optical path for rotation of the polarization state is in an optically dense medium, usually glass, preferably quartz glass. This is accompanied by a partial absorption of the coupled-in laser radiation and its conversion into heat, which limits the transmissible radiation energy.
  • refractive polarization transducers due to the dispersion, cause a generally undesirable broadening of ultrashort laser pulses.
  • polarization transducers have a reduced or no polarization-rotating effect and a reduced radiation density on the exit side in the central region around the optical axis. This prevents or hampers the applicability of such polarization transducers for laser processing methods, since laser sources with Gaussian radiance distribution arranged on the inlet side and arranged from the prior art couple most of the radiant energy near the optical axis.
  • segmented wave plates are known from the prior art in azimuth angle ranges, with which a polarization rotation dependent on the azimuth angle in coarse angular steps of approximately 30 ° can be achieved. Thus, a reduction, but no cancellation of the cutting direction-dependent differences in material removal is possible.
  • segmented wave plates splices along the segment boundaries are required, the production of which is complex and increase the risk of breakage.
  • nematic liquid crystals and nano-structured retardation plates are known with which linearly polarized light can be transformed into radially or azimuthally polarized light.
  • the invention is based on the object of specifying polarization transducers for the transformation of collimated light with circular or linear polarization into light with radial polarization or in light with azimuthal polarization.
  • the invention is based on the object, such polarization specify transducers, which are suitable for the transformation of laser light very short pulsed laser with a pulse duration of at most 150 femtoseconds and with a high radiation energy in the continuous wave mode of up to 7 kilowatts.
  • the invention is based on the object of specifying such polarization transducers which are suitable for a large wavelength range from 250 nanometers to 2500 nanometers, preferably from 400 nanometers to 1200 nanometers.
  • Another object of the invention is to provide a method for producing such polarization converters.
  • the object is achieved in terms of the polarization converter according to the invention by the features of claim 1.
  • the object is achieved in terms of the manufacturing method for a polarization converter according to the invention by the features of claim 8.
  • the object is achieved with regard to the laser optics according to the invention by the features of claim 11.
  • a polarization converter includes a refractive axicon optic having a first hollow axicon and a first inner axicon concentrically disposed therein.
  • the hollow axicon has a recess in the shape of a straight truncated cone.
  • the inner axicon has the shape of a straight cone and is arranged concentrically in the hollow axicon, wherein the cone tip points to the tip of the truncated cone-shaped recess and wherein the lateral surface of the truncated cone-shaped recess is spaced from the lateral surface of the inner axicon.
  • the inner axicon and the frusto-conical recess have the same cone angle.
  • the lateral surfaces are provided with a reflective coating.
  • the annular base of the hollow axon and the base of the inner axon are flush and concentrically arranged on a first plane surface of an optically transparent support plate, so that the axons are perpendicular to the support plate.
  • an entrance hatch At the truncated cone tip of the recess of the hollow axon is arranged concentrically to the longitudinal axis of the hollow axon, which coincides with the longitudinal axis of the inner axicon and forms an optical axis, an entrance hatch.
  • the exit hatch of the reflective axicon optics is formed by the annular gap concentrically located between the bases of the axons.
  • the polarization converter comprises a first half-wave plate aligned perpendicular to this optical axis and arranged at the exit of the reflective axial optics, which causes a delay of the slow relative to the fast light propagation direction by half a wavelength.
  • a half-wave plate causes a reflection of the polarization direction on the crystallographic axis of the first half-wave plate.
  • the reflective coating of the lateral surfaces of the axicon has a polarizing effect and has a fast axis and a slow axis. Each reflection on the reflective coating produces a phase difference between the fast axis aligned component of the reflected light and the slow axis aligned component of the reflected light.
  • polarizing reflective coatings are known in the art. It is also known how the phase difference between the fast and the slow axis can be controlled by forming the reflective coating, for example by choosing the coating thickness.
  • the reflective coating of the lateral surfaces causes a phase difference of ⁇ / 2 plus an integer multiple of ⁇ .
  • the cone angle of the inner axicon is selected to be 45 ° to allow the shortest possible length of a reflective axicon optics.
  • Such a reflective axicon optics thus effects a quarter-wave plate as an azimuth angle-dependent change in the direction of polarization and makes it possible to transform an incident collimated near-axis bundle light with circular polarization in annular emerging light.
  • this light is converted into an azimuthalhomogeneous linear polarization, wherein this first half-wave plate is arranged so that the crystal axis is rotated by ⁇ / 8 or 22.5 ° relative to the azimuth angle of the entrance plane of the incoming collimated light.
  • the reflective axicon optics according to the invention has the advantage that the tapered tip of the conical inner axicon can be manufactured more accurately, more easily and in particular with a smaller tip diameter than the tip of the conical recess with the inner circumferential surface of a conical Recess in a known refractive axicon. Due to the limitations of the tools which can be used in the shaping of this conical recess, for example by means of diamond turning, a dead zone inevitably arises around the optical axis, in which the inner circumferential surface is opposite the - -
  • a further advantage of the reflective axicon optics is that the incoming light propagates essentially in air and is reflected only at two highly reflective boundary surfaces, the lateral surfaces provided with the reflective coatings.
  • optical losses to propagation in an optically dense medium such as glass of the optically dense medium to air in refractive axial optics of the prior art can be reduced. This also increases, due to the reduced absorption, the non-destructive transmissive light output.
  • the reflective axicon optics is therefore particularly advantageous for the polarization rotation of light of high-power and short-pulse or ultrashort pulsed laser sources.
  • the cone angle of the inner axon is independent of the critical angle of total reflection in an optically dense medium selectable.
  • the geometry of the reflective axicon optics can be designed independently of the refractive index difference between the optically dense medium and the surrounding medium, and thus also independently of the wavelength fed light.
  • the cone angle of the inner axicon, and thus the cone angle of the hollow axon can be chosen so that a production is particularly easy.
  • a further advantage of the reflective axicon optics is that highly reflective coatings can be produced for a wide wavelength range and thus can be used more widely than dispersion-limited refractive axial optics according to the prior art, in which the critical angle of total reflection for the choice of the cone angle has to be taken into account. For example, this makes it possible for a laser with an emitted fundamental wavelength to have the same polarity. - -
  • Very short laser pulses for example laser pulses with a pulse duration of at most 150 femtoseconds, have very broad spectra and are therefore widened in transmissive optics due to dispersion. This undesirable pulse extension is avoided in the inventive reflective axicon optics in an advantageous manner, since the optical path here, with the exception of the holding plate is predominantly in air.
  • a second hollow axicon is uniformly shaped and arranged mirror-symmetrically to the first hollow axicon on a second planar surface of the holding plate of the reflective axicon optical system opposite the first planar surface.
  • a second inner axicon is arranged mirror-symmetrically to the first inner axicon.
  • At the top of the frusto-conical recess of the second hollow axon is arranged centrally and thus concentrically to the optical axis an exit hatch.
  • the reflective coating and the cone angles of the axicon are the same.
  • the light exits from the reflective axicon optics with paired axons from the central exit hatch of the second outer hollow axon and thus in a beam profile arranged close to the optical axis.
  • the reflective coating of the lateral surfaces causes a total of a phase difference of ⁇ / 2 plus an integer multiple of ⁇ .
  • Embodiment arranged so that the crystal axis is rotated by ⁇ / 8 or 22.5 ° relative to the azimuth angle of the entrance plane of the incoming collimated light.
  • the mirrored to the support plate beam guide is particularly suitable for laser light, which is bundled with high energy density, for example, for material removal, to be used.
  • Another advantage of this embodiment is that the diameter of the incoming collimated light beam remains unchanged as it passes through such paired axicon polarization converter.
  • Such a mirrored beam path can also be achieved with a paired refractive axial optics from the prior art.
  • the reflective axicon optics has the additional advantage of a particularly small optical dead zone around the apex of the inner axicon.
  • the emerging beam path in the central region around the optical axis which is of particular interest for these applications, is considerably less affected with respect to the polarization state and the beam density, and a dead zone is achieved in the central region about the optical axis with a diameter of less than 100 micrometers.
  • the diameter of the dead optical zone is in a refractive axicon optics because of the unavoidable in the production of the conical inner lateral surface blunting of the apex is about 5 millimeters and is thus considerably larger.
  • a second half-wave plate is arranged on the outlet side after and parallel to the first half-wave plate.
  • the additional second half-wave plate By means of the additional second half-wave plate, light emerging after the first half-wave plate is transformed with azimuthal-inhomogeneous linear polarization into radially polarized light, wherein the crystal axis of the second half-wave - -
  • the crystal axis of the second half-wave plate is rotated by ⁇ / 8 or -22.5 ° relative to the crystal axis of the first half-wave plate, wherein a negative rotation angle corresponds to a rotation opposite to the mathematically positive direction of rotation and thus in a clockwise direction ,
  • the crystal axis of the second half-wave when the crystal axis of the second half-wave is rotated at an angle of ⁇ / 4 or 45 ° relative to the azimuth angle of the entrance plane of the incoming collimated light, escaping light with azimuthal polarization is generated.
  • the crystal axis of the second half-wave plate is rotated by ⁇ / 8 or 22.5 ° relative to the crystal axis of the first half-wave plate, wherein a positive rotation angle corresponds to a rotation in the mathematically positive direction of rotation and thus counterclockwise.
  • the reflective coating of the lateral surfaces is designed as a highly reflective coating with a reflectivity of at least 99.7%.
  • a particularly low transmission loss along the optical path is achieved by the reflective axial optics and the absorbed radiation energy, which is converted into heat and has to be dissipated, is reduced.
  • This allows the use of the polarization converter for laser sources with high emitted radiation energy in the continuous wave mode.
  • the broadening of ultrashort laser pulses which is unavoidable due to the dispersion of refractive axial optics according to the prior art is avoided. This is the use of an invented - -
  • Polarization converter according to the invention in particular for methods and apparatuses of laser processing, for example, for cutting, drilling or welding of workpieces, allows, where high energy densities are required.
  • the highly reflective coating is preferably designed for wavelengths from 400 nanometers to 1200 nanometers, particularly preferably for wavelengths from 1030 nanometers to 1070 nanometers.
  • This allows the use of a reflective axicon optics for various applications and laser sources, especially for frequency doubled laser sources.
  • this allows a modularized design of polarization transducers, since the reflective axicon optics can be constructed independently of the wavelength, and since half wave plates to be adapted to the respective wavelength are available in standardized fashion for many wavelengths and easily exchangeable in an optical system.
  • the reflective axicon optic is made in one piece, wherein the axicon is made of quartz glass and connected to a retaining plate made of quartz glass.
  • a particularly temperature-stable reflective axicon optics is thus made possible, which can transmit a large radiation energy, preferably a radiation energy of more than 7 kilowatts, corresponding to a power density of 10 joules per square centimeter, without destruction.
  • the reflective axicon optic is gripped in a version that can be cooled with a coolant.
  • a coolant As a result, improved cooling of the axicon optics and thus a non-destructive transmission of large radiation energies is possible.
  • This embodiment of the invention is particularly advantageous for use in laser processing methods with short-pulsed lasers of high laser power.
  • a laser optics comprises a polarization converter with a reflective axial optic and a laser source arranged on the input side to the polarization converter, wherein the laser source is set up to emit circularly polarized laser light collimated to the optical axis of the polarization converter.
  • Such laser sources comprising a laser which emits linearly polarized light and a quarter wave plate arranged downstream in the beam path whose crystal axis is rotated by ⁇ / 4 or 45 ° with respect to the polarization direction of the linearly polarized light emitted by the laser are known from the prior art.
  • a laser source adapted for the output of collimated linearly polarized laser light to the optical axis of the polarization converter.
  • a quarter-wave plate is arranged on the input side of the polarization converter whose crystal axis is rotated by ⁇ / 4 or 45 ° with respect to the polarization direction of the laser light.
  • Such recording devices for quarter-wave plates are known from the prior art.
  • laser light of the laser source is transformed into radially or azimuthally polarized laser light and thus enables a material removal that is independent of the cutting direction when the radially or azimuthally polarized laser light impinges on a workpiece.
  • the crystal axis of the first half-wave plate is rotated by ⁇ / 8 or 22.5 ° relative to the azimuth angle of the entrance plane of the linearly polarized light emitted from the laser source.
  • the crystal axis of the second half-wave plate is at the azimuth angle of the entrance plane for the generation of radially polarized light.
  • the crystal axis of the second half-wave plate is ⁇ / 4 or 45 ° relative to the azimuth angle.
  • Such a laser optics is advantageously suitable for laser processing methods with a particularly high quality of processing.
  • a polarization-maintaining scanning optics is arranged on the exit side of the polarization converter, which is arranged to pivot along at least one scan direction a collimated beam emerging from the polarization converter to the optical axis of the polarization converter.
  • a beam former for adjusting the diameter of the collimated beam emerging from the polarization converter to the polarization-maintaining scanning optics is arranged on the inlet side and / or outlet side of the polarization converter.
  • a polarization converter for scanning optics with different input apertures and / or different pivot ranges can thus be adapted.
  • the hollow truncated cone-shaped recess of the at least one hollow axicon and the at least one inner axicon are made by diamond turning with an angle deviation of the cone angle of at most 0.01 ° and a surface deviation of at most one Fresnel ring at 546 A nanometer shaped, wherein a cone tip is formed with a tip diameter of at most 800 microns.
  • the hollow truncated cone-shaped recess of the at least one hollow axicon and the at least one inner axicon to be formed by polishing.
  • the polishing movements are controlled on an axial cone so - -
  • the axons are permanently connected by means of directional kitten with the holding plate to a one-piece reflective axicon optics, preferably glued.
  • This one-piece reflective Axikonoptik is taken with the at least one half-wave plate in a socket.
  • the socket may provide a device for detachably connecting a second half-wave plate to the outlet.
  • the alignment of the polarization converter is simplified by the cementing of the axicon and the retaining plate to a one-piece reflective axicon optics.
  • FIG. 1 shows schematically a polarization converter with refractive axial optics according to the prior art
  • FIG. 2 schematically shows the transformation of polarization states by means of half-wave plates according to the prior art, - -
  • FIG. 3 shows schematically a polarization converter with reflective
  • FIG. 5 shows schematically a laser optics with a polarization converter.
  • FIG. 1 schematically shows a polarization converter P with a refractive axicon optical system 100 for changing the polarization state of collimated light.
  • the axial optics 100 has the outer shape of a truncated cone with an outer lateral surface 100.2, which is rotationally symmetrical to an optical axis X.
  • the truncated cone is truncated with a flat surface 100.3, which points perpendicular to the optical axis X to the inlet E.
  • a first half-wave plate 5 is arranged on the exit side of the refractive axial optics 100.
  • a conical recess with an inner circumferential surface 100.1 is incorporated.
  • the opening angle of the inner lateral surface 100.1 and the opening angle of the outer lateral surface 100.2 match and form the cone angle ß.
  • the perpendicular to the optical axis X to the exit A facing base 100.4 of the axicon lens 100 is thus annular.
  • a bundle to the optical axis X of collimated rays S enters perpendicular to the plane surface 100.3 and perpendicular to the annular base 100.4.
  • Such refractive axicon optics 100 thus acts as a quarter wave plate with an azimuth angle-dependent polarization orientation and makes it possible to transform an incident collimated bundle near the axis of light in an annular manner. If the incident light has circular polarization PI, the light emerging from the first half-wave plate 5 has azimuthally inhomogeneous linear polarization P2.
  • the incident light with circular polarization PI is generated from linearly polarized light which is passed through a quarter wave plate rotated by ⁇ / 4 to the polarization direction of the linearly polarized light, then the crystal axis is - -
  • the first half-wave plate 5 to be arranged rotated relative to the polarization direction of the linearly polarized light in a rotation angle of ⁇ / 8.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is to be arranged pointing in the polarization direction of the linearly polarized light.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is rotated by ⁇ / 8 relative to the crystal axis of the first half-wave plate 5, the negative sign indicating a rotation counter to the mathematically positive direction of rotation.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is to be rotated by ⁇ / 4 or 45 ° relative to the polarization direction of the linearly polarized light.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is rotated by ⁇ / 8 with respect to the crystal axis of the first half-wave plate 5, the positive sign indicating a rotation in the mathematically positive direction of rotation.
  • FIG. 3 schematically shows a polarization converter P having a reflective axial optics 1 according to the invention and a downstream half-wave plate 5.
  • the reflective axicon optic 1 comprises a first outer hollow axon 2 and a first inner axicon 3 arranged coaxially to the optical axis X.
  • the hollow axles 2 has a frustoconical recess with a lateral surface 2.1, which converges in a cone angle ⁇ .
  • a centric inlet hatch 2.2 is arranged at the tapered end of the lateral surface 2.1 .
  • Overlying divergent end of the lateral surface 2.1 is the Hohlaxi- con- 2 closed by an annular base 2.3.
  • the inner axicon 3 is formed as a cone with the same cone angle ß as the frusto-conical recess of the hollow axon 2 and has a lateral surface 3.1 and a base 3.3.
  • the base surfaces 2.3, 3.3 of the axons 2, 3 are mounted flush on a first planar surface 4.1 of an optically transparent support plate 4 and concentric with the optical axis X, the lateral surfaces 2.1, 3.1 being spaced apart. Because of the same cone angle ⁇ of both axons 2, 3, the lateral surfaces 2.1, 3.1 lie parallel to one another and coaxial to the optical axis X.
  • Each of the lateral surfaces 2.1, 3.1 is provided with a highly reflective coating HR, which has a reflectivity of at least 99.7% in a wavelength range from 250 nanometers to 2500 nanometers, preferably from
  • the highly reflective coating HR has a polarizing effect and has a fast axis and a slow axis. Each reflection on the highly reflective coating HR produces a phase difference between the component of the reflected light aligned along the fast axis and the component of the reflected light aligned along the slow axis.
  • Such polarizing highly reflective coatings HR are known from the prior art. It is also known how the phase difference between the fast and the slow axis can be controlled by forming the highly reflective coating HR, for example by choosing the coating thickness.
  • the highly reflective coating HR is designed so that it depends on the cone angle ß of both axons 2, 3 in reflections to the - -
  • the reflective axicon optic 1 functions as a quarter-wavelength plate with azimuth angle-dependent polarization orientation and makes it possible to transform an incident collimated near-axis bundle of light having circular polarization PI into annular emergent light.
  • the annular surface remaining between the base surfaces 2.3, 3.3 of the axons 2, 3 and concentric with the optical axis X forms the exit hatch for this embodiment of a reflective axicon optical system 1.
  • downstream half-wave plate 5 an azimuthally inhomogeneous linear polarization P2 is generated.
  • second half-wave plate 6 is connected downstream, with which the azimuthally inhomogeneous linear polarization P2 in a radial polarization P3 or in an azimuthal polarization P4 can be transferred.
  • the inventive reflective axicon optics 1 has the advantage that the tapered tip of the conical inner axicon 3 can be made more accurate, lighter and in particular with a smaller tip diameter than the tip of the conical recess with the Inner circumferential surface 100.1 in the refractive axial optics 100. Due to the limitations of the tools that can be used during diamond turning of this conical recess, a dead zone inevitably arises around the optical axis X, in which the inner lateral surface 100.1 is flattened or rounded off from the cone angle ⁇ . Thus, light injected within this dead zone is lost for polarization rotation and is largely converted to heat that is difficult or impossible to dissipate. - -
  • refiective axicon optics 1 Another advantage of the refiective axicon optics 1 is that the incoming light propagates essentially in air and is reflected only at two highly reflective boundary surfaces, the lateral surfaces 2.1, 3.1 provided with the reflective coatings HR. Thus, optical losses to glass propagation and total internal reflection at the glass to air interface in a prior art refractive axial optic 100 can be reduced. This also increases, due to the reduced absorption, the non-destructive transmissive light output.
  • the reflective axicon optics is therefore particularly advantageous for the polarization rotation of high-power, short-pulse or ultrashort-pulsed laser sources.
  • a further advantage of the refiective axicon optics 1 is that highly reflective coatings HR can be produced for a broad wavelength range and thus can be used for a wider range than dispersion-limited refractive axicon optics 100 according to the prior art. For example, this makes it possible to use the same polarization converter P for a laser with an emitted fundamental wavelength as for a frequency-doubled laser source based on this laser.
  • Very short laser pulses for example laser pulses with a pulse duration of at most 150 femtoseconds, have very broad spectra and are therefore widened in transmissive optics due to dispersion.
  • This undesired pulse extension is advantageously avoided in the refractive axial optics 1 according to the invention, since the optical path here, with the exception of the retaining plate 4, extends predominantly in air.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention with a refiective axicon optics 1 with paired axons, in which a first and an identically formed second hollow axles 2, 2 'and a first and an identically formed second inner axicon 3, 3' along the optical axis X are each arranged opposite one another on the holding plate 4.
  • a refiective axicon optics 1 with paired axons in which a first and an identically formed second hollow axles 2, 2 'and a first and an identically formed second inner axicon 3, 3' along the optical axis X are each arranged opposite one another on the holding plate 4.
  • At least one reflection takes place at each of the lateral surfaces 3.1, 2.1, 2 '.1, 3' .1 coated with a highly reflective coating HR, each of which has a phase difference between the two produced perpendicular-polarized and the parallel-polarized component.
  • the reflective axicon optics 1 acts as a quarter-wavelength plate with an azimuth angle-dependent polarization orientation and, together with the downstream half-wave plate 5, allows an incident collimated near-axis bundle to transform light with circular polarization PI into emergent light with azimuthally homogeneous linear polarization P2.
  • a further, not shown here second half-wave plate 6 is connected downstream, with which the azimuthalhomogener linear polarization P2 in a radial polarization P3 or in an azimuthal polarization P4 can be transferred.
  • the light from the reflective axicon optics 1 with paired axons emerges from a centrally arranged exit hatch 2 '.2 of the second outer hollow axon 2' and thus in a beam profile arranged close to the optical axis X. , - -
  • Such a mirrored beam path can also be achieved with a paired refractive axial optics 100 from the prior art.
  • the reflective axicon optics 1 has the additional advantage of a particularly small dead zone around the conical tip of the inner axons 3, 3 '.
  • the emerging beam path in the central region which is particularly interesting for these applications, about the optical axis X is considerably less affected with regard to the polarization state and the beam density.
  • the optical dead zone in the central region about the optical axis X is greater in a refractive axial optics 100 because of the unavoidable blunting of the conical tip during the production of the cone-shaped recessed inner lateral surface 100.1.
  • FIG. 5 schematically shows a laser processing system with a polarization converter P with a mounted reflective axicon optical system 1 in the embodiment as a paired axicon optical system.
  • On both sides of the holding plate 4 of optically transparent material are each mirror-symmetrically arranged two inner axons 3, 3 'and two outer axons 2, 2' each with the base 2.3, 2'.3, 3.3, 3'.3 to the holding plate 4, wherein an inner axicon 3, 3 'in each case concentric with the optical axis X in the frusto-conical recess of the outer axicon 2, 2' is arranged. All axons 2, 2 ', 3, 3' have the same cone angle ß.
  • the central openings of the outer axons 2, 2 ' act as entrance hatch 2.2 and exit hatch 2'.2, respectively
  • this azimuthally homogeneous linearly polarized light is further transformed into light having a radial polarization P3 or an azimuthal polarization P4.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is aligned in the direction of polarization of the linearly polarized laser light emitted by the laser source 8 and thus rotated by ⁇ / 8 with respect to the crystal axis of the first half-wave plate 5.
  • the crystal axis of the second half-wave plate 6 is rotated by ⁇ / 4 with respect to the polarization direction of the linearly polarized laser light emitted by the laser source 8 and thus rotated by ⁇ / 8 with respect to the crystal axis of the first half-wave plate 5.
  • the azimuthally polarized light emerging from the polarization converter P is directed onto a workpiece W by a polarization-maintaining scanning optics 10.
  • a beam shaper 9 is arranged, with which the beam diameter of the emerging from the polarization converter P beam can be adapted to the scanning optics 10.
  • an alternative or an additional beam shaper is arranged in the beam path between the laser source 8 and the entrance E of the polarization converter P.
  • the reflective Axikonoptik 1 and the half-wave plates 5, 6 are held in a tubular socket 7, which has on its outer surface cooling ribs 7.1.
  • the cooling fins 7.1 can be hollow and of a cooling liquid - -
  • cooling fins 7.1 With the cooling fins 7.1 an improved removal of heat is ensured, which results from optical losses in the reflection of the coatings HR and in the transmission through the support plate 4 and the half-wave plates 5, 6. As a result, it is possible to guide light of pulsed laser sources 8, which is suitable for machining workpieces W, through the polarization converter P in a non-destructive manner and to transform it into a radial or azimuthal polarization P3, P4 which is particularly advantageous for material processing.
  • polarization-changing effective components of the polarization converter P in particular the reflective Axiko- noptik 1 and the half-wave plates 5, 6, fixed to each other.
  • a polarization converter P is thus particularly easy to integrate into a laser processing system, in particular with low adjustment effort.
  • the second half-wave plate 6 can be arranged outside the socket 7 and with this releasably connectable.
  • the second half-wave plate 6 can be arranged to be rotatable and lockable in fixed angular steps. Thereby, it is possible to provide a polarization converter P for both the generation of radially polarized light and for the generation of azimuthally polarized light.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Polarisationswandler (P) umfassend eine reflektive Axikonoptik (1) sowie mindestens eine Halbwellenplatte (5, 6). Die reflektive Axikonoptik (1) umfasst ein erstes Hohlaxikon (2) mit einer geraden kegelstumpfförmigen Ausnehmung (2.1) und ein konzentrisch darin und zu einer optischen Achse (X) angeordnetes erstes inneres Axikon (3), wobei die kegelförmige Ausnehmung (2.1) und das innere Axikon (3) einen gleichen Kegelwinkel (β) aufweisen und auf den beabstandeten Mantelflächen (2.1, 3.1) mit einer polarisationsrichtungsabhängig reflektierenden Beschichtung (HR) versehen sind sowie mit einer optisch durchlässigen, senkrecht zur optischen Achse (X) angeordneten Halteplatte (4) mit einer ersten Planfläche (4.1), auf der die Grundflächen (2.3, 3.3) der Axikons (2, 3) bündig angeordnet sind, wobei an der Spitze der kegelstumpfförmigen Ausnehmung (2.1) konzentrisch zur optischen Achse (X) eine Eintrittsluke (2.2) angeordnet ist. Die reflektierende Beschichtung (HR) ist so gewählt, dass bei einem zur optischen Achse (X) kollimiert eintretenden Strahl (S) durch mindestens eine Reflexion an jeder Mantelfläche (2.1, 3.1) der Axikons (2, 3) austrittsseitig eine Phasendifferenz von insgesamt Δφ = N ・π + π/2 zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird.

Description

Polarisationswandler mit reflektiver Axikonoptik
Die Erfindung betrifft einen Polarisationswandler zur Veränderung des Polarisationszustands von kollimiertem Licht.
Aus dem Stand der Technik bekannte Laserquellen emittieren Laserlicht mit einer linearen Polarisation, die nicht rotationssymmetrisch bezogen auf die Strahlrichtung des Laserlichts ist. Es ist bekannt, dass linear polarisiertes Laserlicht wegen des unterschiedlichen Absorptionsgrads der parallel ausgerichteten Komponente und der senkrecht ausgerichteten Komponente bei der Materialbearbeitung einen schnittrichtungsabhängigen Materialabtrag bewirkt, der die Qualität der Materialbearbeitung beeinträchtigt.
Es sind Vorrichtungen zur Transformation linear polarisierten Laserlichts in zirkulär polarisiertes Laserlicht bekannt, mit denen zwar ein schnittrichtungsunab- hängiger, insgesamt jedoch verminderter Materialbetrag erzielt werden kann, der somit eine verringerte Prozessgeschwindigkeit erzwingt.
Es ist auch bekannt, dass Laserlicht mit radialer oder mit azimutaler Polarisation sowohl einen schnittrichtungsunabhängigen Materialabtrag als auch eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht. Ferner ist bekannt, dass radial polarisiertes Licht eine verbesserte Fokussierbarkeit, insbesondere einen gegenüber linearer Polarisation verminderten Strahldurchmesser im Fokus aufweist, die zu verbesserten Anwendungen von Laserlicht in der Stimulated Emission Depletion (STED)- oder Multiphotonenmikroskopie, bei Optischen Pinzetten, in der Lithografie, der Konfokalmikroskopie, der optischen Datenspeicherung oder bei optischen Partikelfallen führt. Somit besteht ein Bedarf an einem Polarisationswandler zu Transformation von linear polarisiertem oder zirkulär polarisiertem Licht in radial oder azimutal polarisiertes Licht.
Aus dem Stand der Technik sind für diese Transformation geeignete Vorrichtungen bekannt, die ein als Hohlkegel geformtes Axikon umfassen, dessen innere - -
und äußere Mantelfläche konzentrisch unter einem gleichen Kegelwinkel gerade zulaufend geformt sind. Bei derartigen Polarisationswandlern verläuft der optische Pfad für die Drehung des Polarisationszustands in einem optisch dichten Medium, üblicherweise in Glas, vorzugsweise in Quarzglas. Damit geht eine teilweise Absorption der eingekoppelten Laserstrahlung und deren Umwandlung in Wärme einher, die die durchleitbare Strahlungsenergie begrenzt. Zudem bewirken derartige refraktive Polarisationswandler aufgrund der Dispersion eine im Allgemeinen unerwünschte Verbreiterung von ultrakurzen Laserpulsen. Zudem weisen derartige Polarisationswandler austrittsseitig im zentralen Bereich um die optische Achse eine verminderte oder keine polarisationsdrehende Wirkung und eine verminderte Strahlungsdichte auf. Dies verhindert oder erschwert die Einsetzbarkeit solcher Polarisationswandler für Verfahren der Laserbearbeitung, da eintrittsseitig angeordnete, aus dem Stand der Technik bekannte Laserquellen mit gaußförmiger Strahldichteverteilung den Großteil der Strahlungsenergie nahe der optischen Achse einkoppeln.
Ferner sind aus dem Stand der Technik in Azimutwinkelbereiche segmentierte Wellenplatten bekannt, mit welchen eine in groben Winkelschritten von etwa 30° vom Azimutwinkel abhängige Polarisationsdrehung erzielt werden kann. Damit ist eine Verminderung, jedoch keine Aufhebung der schnittrichtungsabhängigen Unterschiede im Materialabtrag möglich. Bei der Fertigung derartiger segmentierter Wellenplatten sind Klebestellen entlang der Segmentgrenzen erforderlich, deren Herstellung aufwändig ist und die die Bruchgefahr erhöhen.
Zudem sind nematische Flüssigkeitskristalle sowie nano-strukturierte Verzögerungsplatten bekannt, mit denen linear polarisiertes Licht in radial oder azimutal polarisiertes Licht transformiert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Polarisationswandler zur Transformation von kollimiertem Licht mit zirkulärer oder linearer Polarisation in Licht mit radialer Polarisation oder in Licht mit azimutaler Polarisation anzugeben. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, derartige Polarisations- wandler anzugeben, die für die Transformation von Laserlicht sehr kurz gepulster Laser mit einer Pulsdauer von höchstens 150 Femtosekunden und mit einer hohen Strahlungsenergie im Dauerstrichbetrieb von bis zu 7 Kilowatt geeignet sind. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, derartige Polarisationswandler anzugeben, die für einen großen Wellenlängenbereich von 250 Nanometer bis 2500 Nanometer, bevorzugt von 400 Nanometer bis 1200 Nanometer geeignet sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung solcher Polarisationswandler anzugeben.
Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, Laseroptiken zur scannenden Bewegung eines mittels eines solchen Polarisationswandlers transformierten Laserstrahls anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Polarisationswandlers erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Herstellverfahrens für einen Polarisationswandler erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die Aufgabe wird hinsichtlich der Laseroptik erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Polarisationswandler umfasst eine refiektive Axikonoptik mit einem ersten Hohlaxikon und einem darin konzentrisch angeordneten ersten inneren Axikon. Das Hohlaxikon weist eine Ausnehmung in der Form eines geraden Kegelstumpfs auf. Das innere Axikon weist die Form eines geraden Kegels auf und ist konzentrisch im Hohlaxikon angeordnet, wobei die Kegelspitze auf die Spitze der kegel- stumpfförmigen Ausnehmung weist und wobei die Mantelfläche der kegelstumpf- förmigen Ausnehmung von der Mantelfläche des inneren Axikons beabstandet ist. - -
Das innere Axikon und die kegelstumpfförmige Ausnehmung weisen einen gleichen Kegelwinkel auf. Die Mantelflächen sind mit einer reflektierenden Beschich- tung versehen. Die ringförmige Grundfläche des Hohlaxikons und die Grundfläche des inneren Axikons sind bündig und konzentrisch auf einer ersten Planfläche einer optisch durchlässigen Halteplatte angeordnet, so dass die Axikons senkrecht auf der Halteplatte stehen.
An der Kegelstumpfspitze der Ausnehmung des Hohlaxikons ist konzentrisch zur Längsachse des Hohlaxikons, die mit der Längsachse des inneren Axikons übereinstimmt und eine optische Achse bildet, eine Eintrittsluke angeordnet. Die Austrittsluke der reflektiven Axikonoptik wird von dem konzentrisch zwischen den Grundflächen der Axikons gelegenen ringförmigen Spalt gebildet.
Ferner umfasst der Polarisationswandler eine senkrecht zu dieser optischen Achse ausgerichtete, am Austritt der reflektiven Axikonoptik angeordnete erste Halbwel- lenplatte, die eine Verzögerung der langsamen relativ zur schnellen Lichtausbreitungsrichtung um eine halbe Wellenlänge bewirkt. Entsprechend bewirkt eine Halbwellenplatte eine Spiegelung der Polarisationsrichtung an der kristallographi- schen Achse der ersten Halbwellenplatte.
Die reflektierende Beschichtung der Mantelflächen der Axikons wirkt polarisierend und weist eine schnelle Achse sowie eine langsame Achse auf. Bei jeder Reflexion an der reflektierenden Beschichtung wird eine Phasendifferenz zwischen der entlang der schnellen Achse ausgerichteten Komponente des reflektieren Lichts und der entlang der langsamen Achse ausgerichteten Komponente des reflektierten Lichts erzeugt. Derartige polarisierende reflektierende Beschichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es ist auch bekannt, wie die Phasendifferenz zwischen der schnellen und der langsamen Achse durch Ausbildung der reflektierenden Beschichtung, beispielsweise durch die Wahl der Beschichtungs- dicke, kontrolliert werden kann. Die reflektierende Beschichtung der Mantelflächen der Axikons ist so gewählt, dass in Abhängigkeit von dem Kegelwinkel des inneren Axikons und somit auch von dem Kegelwinkel der kegelstumpfförmigen Ausnehmung des Hohlaxikons bei Reflexionen an der Mantelfläche des inneren Axikons und an der Mantelfläche des ersten Hohlaxikons eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 beziehungsweise N■ 180° + 90° zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Mit anderen Worten: die reflektierende Beschichtung der Mantelflächen bewirkt eine Phasendifferenz von π/2 zuzüglich einem ganzzahligen Vielfachen von π.
Bevorzugt ist der Kegelwinkel des inneren Axikons zu 45° gewählt, um eine möglichst kurze Baulänge einer reflektiven Axikonoptik zu ermöglichen.
Eine derartige reflektive Axikonoptik bewirkt somit als Viertelwellenplatte eine azimutwinkelabhängige Änderung der Polarisationsrichtung und ermöglicht, ein einfallendes kollimiertes achsnahes Bündel Licht mit zirkularer Polarisation in ringförmig austretendes Licht zu transformieren.
Mittels der ersten Halbwellenplatte wird dieses Licht in eine azimutalinhomogene lineare Polarisation überführt, wobei diese erste Halbwellenplatte so angeordnet ist, dass die Kristallachse um π/8 oder 22,5° relativ zum Azimutwinkel der Eintrittsebene des eintretenden kollimierten Lichts gedreht ist.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten refraktiven Axikonoptiken weist die erfindungsgemäße reflektive Axikonoptik den Vorteil auf, dass sich die zulaufende Spitze des kegelförmigen inneren Axikons genauer, leichter und insbesondere mit einem geringeren Spitzendurchmesser fertigen lässt als die Spitze der kegelförmigen Ausnehmung mit der inneren Mantelfläche einer kegelförmigen Ausnehmung in einem bekannten refraktiven Axikon. Durch die Beschränkungen der bei der Ausformung dieser kegelförmigen Ausnehmung, beispielsweise mittels Diamantdrehen, verwendbaren Werkzeuge entsteht unvermeidbar eine Totzone um die optische Achse, in der die innere Mantelfläche gegenüber dem - -
Kegelwinkel abgeflacht oder abgerundet ist. Innerhalb dieser Totzone eingekoppeltes Licht geht somit für die Polarisationsdrehung verloren und wird größtenteils in Wärme und in Streulicht umgesetzt, die schwer oder nicht abgeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der reflektiven Axikonoptik besteht darin, dass das eintretende Licht im Wesentlichen in Luft propagiert und nur an zwei hochreflektiven Grenzflächen, den mit den reflektierenden Beschichtungen versehenen Mantelflächen reflektiert wird. Somit lassen sich optische Verluste gegenüber der Propaga- tion in einem optisch dichten Medium wie Glasdes optisch dichten Mediums zur Luft in einer refraktiven Axikonoptik nach dem Stand der Technik vermindern. Damit erhöht sich auch, wegen der verminderten Absorption, die zerstörungsfrei durchlässige Lichtleistung. Die reflektive Axikonoptik ist daher besonders für die Polarisationsdrehung von Licht leistungsstarker und kurz- oder ultrakurz gepulster Laserquellen vorteilhaft.
Ein weiterer Vorteil der reflektiven Axikonoptik besteht darin, dass der Kegelwinkel des inneren Axikons unabhängig vom Grenzwinkel der Totalreflexion bei einem optisch dichten Medium wählbar ist. Somit kann die Geometrie der reflektiven Axikonoptik unabhängig vom Brechzahlunterschied zwischen dem optisch dichten Medium und dem Umgebungsmedium, und damit auch unabhängig von der Wellenlänge eingespeisten Lichts gestaltet werden. Bevorzugt kann der Kegelwinkel des inneren Axikons, und somit auch der Kegelwinkel des Hohlaxikons so gewählt werden, dass eine Fertigung besonders einfach möglich ist.
Ein weiterer Vorteil der reflektiven Axikonoptik besteht darin, dass hochreflektive Beschichtungen für einen breiten Wellenlängenbereich herstellbar sind und somit breiter einsetzbar sind als dispersionsbegrenzte refraktive Axikonoptiken nach dem Stand der Technik, bei denen zudem der Grenzwinkel der Totalreflexion für die Wahl des Kegelwinkels zu berücksichtigen ist. Beispielsweise ist es dadurch möglich, für einen Laser mit einer emittierten Grundwellenlänge denselben Pola- - -
risationswandler einzusetzen wie für eine auf diesem Laser basierende frequenzverdoppelte Laserquelle.
Sehr kurze Laserpulse, beispielsweise Laserpulse mit einer Pulsdauer von höchstens 150 Femtosekunden, weisen sehr breite Spektren auf und werden demzufolge in transmissiven Optiken dispersionsbedingt verbreitert. Diese unerwünschte Pulsverlängerung wird bei der erfindungsgemäßen reflektiven Axikonoptik in vorteilhafter Weise vermieden, da der optische Pfad hier mit Ausnahme der Halteplatte überwiegend in Luft verläuft.
Bei einer Ausführungsform eines Polarisationswandlers mit gepaarten Axikons ist auf einer der ersten Planfläche gegenüberliegenden zweiten Planfläche der Halteplatte der reflektiven Axikonoptik ein zweites Hohlaxikon gleich geformt und spiegelsymmetrisch zum ersten Hohlaxikon angeordnet. In diesem zweiten Hohlaxikon ist ein zweites inneres Axikon spiegelsymmetrisch zum ersten inneren Axikon angeordnet. An der Spitze der kegelstumpfförmigen Ausnehmung des zweiten Hohlaxikons ist mittig und somit konzentrisch zur optischen Achse eine Austrittsluke angeordnet. Die reflektierende Beschichtung und die Kegelwinkel der Axikons sind gleich gewählt.
Bei dieser Ausführungsform eines Polarisationswandlers tritt das Licht aus der reflektiven Axikonoptik mit gepaarten Axikons aus der zentrischen Austrittsluke des zweiten äußeren Hohlaxikons und somit in einem dicht um die optische Achse angeordneten Strahlprofil aus. Es ist in diesem Fall die Beschichtung der Mantelflächen der gepaarten Axikons so gewählt, dass eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 beziehungsweise N■ 180° + 90° zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist. Mit anderen Worten: die reflektierende Beschichtung der Mantelflächen bewirkt insgesamt eine Phasendifferenz von π/2 zuzüglich einem ganzzahligen Vielfachen von π. Mittels der nachgeordneten ersten Halbwellenplatte wird somit auch bei dieser Ausführungsform Licht mit azimutal-inhomogener linearer Polarisation erzeugt, wobei diese erste Halbwellenplatte auch bei dieser - -
Ausführungsform so angeordnet ist, dass die Kristallachse um π/8 oder 22,5° relativ zum Azimutwinkel der Eintrittsebene des eintretenden kollimierten Lichts gedreht ist.
Die an der Halteplatte gespiegelte Strahlführung eignet sich besonders für Laserlicht, das gebündelt mit hoher Energiedichte, beispielsweise zum Materialabtrag, verwendet werden soll. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Durchmesser des eintretenden kollimierten Lichtbündels bei Durchgang durch einen solchen Polarisationswandler mit gepaarten Axikons unverändert bleibt. Somit erfordert ein Einbau eines solchen Polarisationswandlers in den Strahlengang eines bestehenden optischen Systems keine Anpassung weiterer optischer Bauelemente.
Ein derartiger gespiegelter Strahlverlauf ist auch mit einer gepaarten refraktiven Axikonoptik aus dem Stand der Technik erzielbar. In dieser Ausführungsform weist die reflektive Axikonoptik aber demgegenüber den zusätzlichen Vorteil einer besonders geringen optischen Totzone um die Kegelspitze der inneren Axikons auf. Dadurch wird der austretende Strahlverlauf in dem für diese Anwendungen besonders interessanten zentralen Bereich um die optische Achse hinsichtlich des Polarisationszustandes und der Strahldichte erheblich geringer beeinträchtigt und eine optische Totzone im zentralen Bereich um die optische Achse mit einem Duchmesser von weniger als 100 Mikrometern erzielt. Der Durchmesser der optischen Totzone ist bei einer refraktiven Axikonoptik wegen der bei der Herstellung der kegelförmig ausgenommenen inneren Mantelfläche unvermeidbaren Abstumpfung der Kegelspitze beträgt etwa 5 Millimeter und ist somit erheblich größer.
Bei einer Ausführungsform eines Polarisationswandlers ist austrittsseitig nach und parallel zur ersten Halbwellenplatte eine zweite Halbwellenplatte angeordnet. Mittels der zusätzlichen zweiten Halbwellenplatte wird nach der ersten Halbwellenplatte austretendes Licht mit azimutal-inhomogener linearer Polarisation in radial polarisiertes Licht transformiert, wobei die Kristallachse der zweiten Halbwellen- - -
platte im Azimutwinkel der Eintrittsebene des eintretenden kollimierten Lichts zur optischen Achse angeordnet ist oder, anders ausgedrückt, in der austrittsseitig verlängerten Eintrittsebene des linear polarisierten Lichts liegt. Mit anderen Worten: bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte um— π/8 beziehungsweise -22,5° relativ zur Kristallachse der ersten Halbwellenplatte gedreht, wobei ein negativer Drehwinkel einer Drehung entgegen dem mathematisch positivem Drehsinn und somit im Uhrzeigersinn entspricht.
Wenn die Kristallachse der zweiten Halbwelle in einer anderen Ausführungsform in einem Winkel von π/4 oder 45° relativ zum Azimutwinkel der Eintrittsebene des eintretenden kollimierten Lichts gedreht ist, wird dagegen austretendes Licht mit azimutaler Polarisation erzeugt. Mit anderen Worten: bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte um π/8 beziehungsweise 22,5° relativ zur Kristallachse der ersten Halbwellenplatte gedreht, wobei ein positver Drehwinkel einer Drehung im mathematisch positiven Drehsinn und somit entgegen dem Uhrzeigersinn entspricht.
Somit kann durch Drehung der zweiten Halbwellenplatte um π/4 oder 45° zwischen radialer und azimutaler Polarisation am Ausgang des Polarisators gewechselt werden.
Bei einer Ausführungsform eines Polarisationswandlers ist die reflektierende Be- schichtung der Mantelflächen als hochref ektierende Beschichtung mit einer Re- flektivität von mindestens 99,7% ausgeführt. Dadurch wird ein besonders geringer Transmissionsverlust entlang des optischen Pfades durch die reflektierende Axi- konoptik erzielt und die absorbierte Strahlungsenergie, die in Wärme umgesetzt wird und abgeführt werden muss, vermindert. Dies ermöglicht die Verwendung des Polarisationswandlers auch für Laserquellen mit hoher abgegebener Strahlungsenergie im Dauerstrichbetrieb. Zudem wird die bei refraktiven Axikonopti- ken nach dem Stand der Technik wegen der Dispersion unvermeidbare Verbreiterung ultrakurzer Laserpulse vermieden. Damit ist die Verwendung eines erfin- - -
dungsgemäßen Polarisationswandlers insbesondere für Verfahren und Vorrichtungen der Laserbearbeitung, beispielsweise zum Trennen, Bohren oder Schweißen von Werkstücken, ermöglicht, bei denen hohe Energiedichten erforderlich sind.
Die hochreflektierende Beschichtung ist bevorzugt für Wellenlängen von 400 Na- nometer bis 1200 Nanometer, besonders bevorzugt für Wellenlängen von 1030 Nanometer bis 1070 Nanometer ausgeführt. Dies ermöglicht den Einsatz einer reflektiven Axikonoptik für verschiedene Anwendungen und Laserquellen, insbesondere auch für frequenzverdoppelte Laserquellen. Insbesondere ermöglicht dies einen modularisierten Aufbau von Polarisationswandlern, da die reflektierende Axikonoptik unabhängig von der Wellenlänge konstruiert werden kann und da auf die jeweilige Wellenlänge anzupassende Halbwellenplatten für viele Wellenlängen standardisiert verfügbar und in einem optischen System leicht austauschbar sind.
Bei einer Ausführungsform eines Polarisationswandlers ist die reflektive Axikonoptik einstückig ausgeführt, wobei die Axikons aus Quarzglas gefertigt und mit einer aus Quarzglas gefertigten Halteplatte verbunden werden. In vorteilhafter Weise ist damit eine besonders temperaturstabile reflektive Axikonoptik ermöglicht, die zerstörungsfrei eine große Strahlungsenergie, vorzugsweise eine Strahlungsenergie von über 7 Kilowatt, entsprechend einer Leistungsdichte von 10 Joule pro Quadratzentimeter, übertragen kann.
Bei einer Ausführungsform eines Polarisationswandlers ist die reflektive Axikonoptik in einer mit einem Kühlmittel kühlbaren Fassung gefasst. Dadurch ist eine verbesserte Entwärmung der Axikonoptik und damit eine zerstörungsfreie Übertragung großer Strahlungsenergien möglich. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders vorteilhaft für den Einsatz in Laserbearbeitungsverfahren mit kurzgepulsten Lasern hoher Laserleistung. - -
Eine Laseroptik umfasst einen Polarisationswandler mit einer reflektiven Axiko- noptik und eine eintrittsseitig zu dem Polarisationswandler angeordnete Laserquelle, wobei die Laserquelle zur Abgabe von zur optischen Achse des Polarisationswandlers kollimiertem zirkulär polarisiertem Laserlicht eingerichtet ist. Derartige Laserquellen umfassend einen Laser, welcher linear polarisiertes Licht emittiert, und eine im Strahlengang nachgeordnete Viertelwellenplatte, deren Kristallachse um π/4 oder 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des vom Laser emittierten linear polarisierten Lichts gedreht ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
In einer Ausführungsform ist es auch möglich, eine Laserquelle zu verwenden, die für die Abgabe von zur optischen Achse des Polarisationswandlers kollimiertem linear polarisiertem Laserlicht eingerichtet ist. Bei dieser Ausführungsform wird eintrittsseitig am Polarisationswandler eine Viertelwellenplatte angeordnet, deren Kristallachse um π/4 oder 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des Laserlichts gedreht ist. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, eine Vorrichtung zur um die optische Achse drehbaren, lösbar verbindbaren Aufnahme einer Viertelwellenplatte eintrittsseitig am Polarisationswandler anzuordnen. Derartige Aufnahmevorrichtungen für Viertelwellenplatten sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Mittels des Polarisationswandlers wird Laserlicht der Laserquelle in radial oder azimutal polarisiertes Laserlicht transformiert und somit ein schnittrichtungsun- abhängiger Materialabtrag beim Auftreffen des radial oder azimutal polarisierten Laserlichts auf einem Werkstück ermöglicht.
Hierbei ist die Kristallachse der ersten Halbwellenplatte um π/8 oder 22,5° relativ zum Azimutwinkel der Eintrittsebene des von der Laserquelle abgegebenen linear polarisierten Lichts gedreht. Die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte liegt für die Erzeugung von radial polarisiertem Licht im Azimutwinkel der Eintrittsebene. Für die Erzeugung von azimutal polarisiertem Licht ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte dagegen um π/4 oder 45° relativ zum Azimutwin- - -
kel der Eintrittsebene des von der Laserquelle abgegebenen linear polarisierten Lichts gedreht. Somit sind die Kristallachsen beider Halbwellenplatten gegeneinander um π/4 oder um— π/4 gedreht, wobei ein positives Vorzeichen des Drehwinkels eine Drehung im mathematisch positiven Drehsinn anzeigt.
In vorteilhafter Weise ist eine solche Laseroptik für Laserbearbeitungsverfahren mit einer besonders hohen Bearbeitungsqualität geeignet.
Bei einer Ausführungsform einer Laseroptik ist austrittsseitig zum Polarisationswandler eine polarisationserhaltende Scanoptik angeordnet, die zum Schwenken eines zur optischen Achse des Polarisationswandlers kollimierten, vom Polarisationswandler austretenden Strahlenbündels entlang mindestens einer Scanrichtung eingerichtet ist.
Bei einer Ausführungsform einer Laseroptik ist eintrittsseitig und/oder austrittsseitig zum Polarisationswandler ein Strahlformer zur Anpassung des Durchmessers des vom Polarisationswandler austretenden kollimierten Strahlenbündels an die polarisationserhaltende Scanoptik angeordnet. In vorteilhafter Weise kann damit ein Polarisationswandler für Scanoptiken mit verschiedenen Eingangsaperturen und/oder verschiedenen Schwenkbereichen angepasst werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Polarisationswandlers mit einer reflek- tiven Axikonoptik werden die hohlkegelstumpfförmige Ausnehmung des mindestens einen Hohlaxikons und das mindestens eine innere Axikon durch Diamantdrehen mit einer Winkelabweichung des Kegelwinkels von höchstens 0,01° und auf eine Oberflächenabweichung von höchstens einem Fresnelring bei 546 Na- nometer geformt, wobei eine Kegelspitze mit einem Spitzendurchmesser von höchstens 800 Mikrometern geformt wird.
Es ist auch möglich, die hohlkegelstumpfförmige Ausnehmung des mindestens einen Hohlaxikons und das mindestens eine innere Axikon durch Polieren auszuformen. Dabei werden die Polierbewegungen an einem Axikonkegel so gesteuert, - -
dass sie nicht über die Kegelspitze des Axikonkegels hinwegführen und eine Kegelspitze mit einem Spitzendurchmesser von höchstens 800 Mikrometern poliert wird.
Danach werden mittels Richtkitten die Axikons mit der Halteplatte zu einer einstückigen reflektierenden Axikonoptik dauerhaft verbunden, vorzugsweise verklebt. Diese einstückige reflektierende Axikonoptik wird mit der mindestens einen Halbwellenplatte in einer Fassung gefasst. Die Fassung kann eine Vorrichtung zur lösbaren Verbindung einer zweiten Halbwellenplatte am Austritt vorsehen.
Dadurch ist es leicht möglich, mit einem Polarisationswandler ohne zweite Halbwellenplatte radial polarisiertes Licht zu erzeugen oder aber durch Anbau einer zweiten Halbwellenplatte azimutal polarisiertes Licht zu erzeugen.
In vorteilhafter Weise ist es so möglich, die optische Totzone um die optische Achse, innerhalb der an dem mindestens einen inneren Axikon keine Reflexion erfolgt, zu verringern. Zudem wird durch das Verkitten der Axikons und der Halteplatte zu einer einstückigen reflektierenden Axikonoptik die Justage des Polarisationswandlers vereinfacht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Figur 1 schematisch einen Polarisationswandler mit refraktiver Axikonoptik nach dem Stand der Technik,
Figur 2 schematisch die Transformation von Polarisationszuständen mittels Halbwellenplatten nach dem Stand der Technik, - -
Figur 3 schematisch einen Polarisationswandler mit reflektierender
Axikonoptik zur Erzeugung eines ringförmigen Strahldichteprofils,
Figur 4 schematisch einen Polarisationswandler mit reflektierender
Axikonoptik zur Erzeugung eines scheibenförmigen Strahldichteprofils sowie
Figur 5 schematisch eine Laseroptik mit einem gefassten Polarisationswandler.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch einen Polarisationswandler P mit einer refraktiven Axikonoptik 100 zur Veränderung des Polarisationszustandes von kollimiertem Licht. Die Axikonoptik 100 weist die äußere Form eines Kegelstumpfs mit einer äußeren Mantelfläche 100.2 auf, die rotationssymmetrisch zu einer optischen Achse X liegt. Der Kegelstumpf ist mit einer Planfläche 100.3 abgestumpft, die senkrecht zur optischen Achse X zum Eintritt E weist. Austrittsseitig der refraktiven Axikonoptik 100 ist eine erste Halbwellenplatte 5 angeordnet.
In die Axikonoptik 100 ist eine kegelförmige Ausnehmung mit einer inneren Mantelfläche 100.1 eingearbeitet. Der Öffnungswinkel der inneren Mantelfläche 100.1 und der Öffnungswinkel der äußeren Mantelfläche 100.2 stimmen überein und bilden den Kegelwinkel ß. Die senkrecht zur optischen Achse X zum Austritt A weisende Grundfläche 100.4 der Axikonoptik 100 ist somit ringförmig.
Ein Bündel zur optischen Achse X kollimierter Strahlen S tritt senkrecht zur Planfläche 100.3 ein und senkrecht zur ringförmigen Grundfläche 100.4 aus. Entlang des Strahlverlaufs in der Axikonoptik 100 treffen die Strahlen S unter dem Einfallswinkel a = 90°— ß /2 auf die Mantelflächen, wobei bei ausreichendem Un- - -
terschied der Brechzahl n der Axikonoptik 100 gegenüber der Brechzahl nLUft = ldes umgebenden Mediums jeweils eine Totalreflexion erfolgt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei jeder der beiden Totalreflexionen ein Phasenunterschied 5 zwischen der senkrecht-polarisierten und der paral- lel-polarisierten Komponente von erzeugt wird.
Somit kann ein gewünschter Phasenunterschied 5 durch Wahl des Kegelwinkels ß = 180°— 2a abhängig von der Brechzahl n des für die Axikonoptik 100 verwendeten Glases eingestellt werden.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise refraktive Axikonoptiken 100 für 5 = 45° bekannt, mit denen sich ein gesamter Phasenunterschied von 90° entlang des optischen Pfades durch die Axikonoptik 100 erzeugen lässt, wobei die Orientierung der Polarisation vom Azimutwinkel der Einfallsebene abhängig ist. Eine derartige refraktive Axikonoptik 100 wirkt somit als Viertelwellenplatte mit einer azimutwinkelabhängigen Polarisationsorientierung und ermöglicht, ein einfallendes kollimiertes achsnahes Bündel Lichta ringförmig austretendes Licht zu transformieren. Weist das einfallende Licht zirkuläre Polarisation PI auf, so weist das von der ersten Halbwellenplatte 5 austretende Licht azimutal inhomogene lineare Polarisation P2 auf.
Wird das einfallende Licht mit zirkularer Polarisation PI aus linear polarisiertem Licht erzeugt, das durch eine um π/4 zur Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts gedrehte Viertelwellenplatte geleitet wird, so ist die Kristallachse - -
der ersten Halbwellenplatte 5 gegenüber der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts in einem Drehwinkel von π/8 gedreht anzuordnen.
Aus dem Stand der Technik ist auch bekannt, dass mittels der Axikonoptik 100 und der nachgeordneten ersten Halbwellenplatte 5 erzeugtes Licht mit einer azimutal-inhomogenen linearen Polarisation P2 mittels einer nachgeordneten zweiten Halbplatte 6 wahlweise in eine radiale Polarisation P3 oder in eine azimutale Polarisation P4transformierbar ist, wie in Figur 2 schematisch gezeigt.
Zur Erzeugung einer radialen Polarisation P3 ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 in Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts weisend anzuordnen. Mit anderen Worten: zur Erzeugung einer radialen Polarisation P3 ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 gegenüber der Kristallachse der ersten Halbwellenplatte 5 um— π/8 gedreht, wobei das negative Vorzeichen eine Drehung entgegen dem mathematisch positiven Drehsinn anzeigt.
Zur Erzeugung einer azimutalen Polarisation P4 ist die die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 um π/4 beziehungsweise 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichts gedreht anzuordnen. Mit anderen Worten: zur Erzeugung einer azimutalen Polarisation P4 ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 gegenüber der Kristallachse der ersten Halbwellenplatte 5 um π/8 gedreht, wobei das positive Vorzeichen eine Drehung im mathematisch positiven Drehsinn anzeigt.
Figur 3 zeigt schematisch einen Polarisationswandler P mit einer erfindungsgemäßen reflektiven Axikonoptik 1 und eine nachgeordnete Halbwellenplatte 5. Die reflektive Axikonoptik 1 umfasst ein erstes äußeres Hohlaxikon 2 und ein darin koaxial zur optischen Achse X angeordnetes erstes inneres Axikon 3.
Das Hohlaxikon 2 weist eine kegelstumpfförmige Ausnehmung mit einer Mantelfläche 2.1 auf, die in einem Kegelwinkel ß zusammenläuft. Am zulaufenden Ende der Mantelfläche 2.1 ist eine zentrische Eintrittsluke 2.2 angeordnet. Am gegen- - -
überliegenden auseinanderlaufenden Ende der Mantelfläche 2.1 ist das Hohlaxi- kon 2 durch eine ringförmige Grundfläche 2.3 abgeschlossen.
Das innere Axikon 3 ist als Kegel mit demselben Kegelwinkel ß geformt wie die kegelstumpfförmige Ausnehmung des Hohlaxikons 2 und weist eine Mantelfläche 3.1 und eine Grundfläche 3.3 auf.
Die Grundflächen 2.3, 3.3 der Axikons 2, 3 sind auf einer ihnen zugewandten ersten Planfläche 4.1 einer optisch durchlässigen Halteplatte 4 bündig und konzentrisch zur optischen Achse X befestigt, wobei die Mantelflächen 2.1, 3.1 beabstandet sind. Aufgrund des gleichen Kegelwinkels ß beider Axikons 2, 3 liegen dabei die Mantelflächen 2.1, 3.1 zueinander parallel und koaxial zur optischen Achse X.
Jede der Mantelflächen 2.1, 3.1 ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung HR versehen, die eine Reflektivität von mindestens 99,7% in einem Wellenlängenbereich von 250 Nanometer bis 2500 Nanometer, bevorzugt von
400 Nanometer bis 1200 Nanometer aufweist.
Die hochreflektierende Beschichtung HR wirkt polarisierend und weist eine schnelle Achse sowie eine langsame Achse auf. Bei jeder Reflexion an der hoch- reflektierenden Beschichtung HR wird eine Phasendifferenz zwischen der entlang der schnellen Achse ausgerichteten Komponente des reflektieren Lichts und der entlang der langsamen Achse ausgerichteten Komponente des reflektierten Lichts erzeugt. Derartige polarisierende hochref ektierende Beschichtungen HR sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es ist auch bekannt, wie die Phasendifferenz zwischen der schnellen und der langsamen Achse durch Ausbildung der hochre- flektierenden Beschichtung HR, beispielsweise durch die Wahl der Beschich- tungsdicke, kontrolliert werden kann.
Zudem ist die hochreflektierende Beschichtung HR so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von dem Kegelwinkel ß beider Axikons 2, 3 bei Reflexionen an den - -
Mantelflächen 2.1 , 3.1 der Axikons 2, 3 eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 beziehungsweise N■ 180° + 90° zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist, die die Anzahl der Reflexionen an jeweils einer Mantelfläche 2.1 , 3.1 beschreibt.
Somit wirkt die reflektive Axikonoptik 1 als eine Viertelwellenplatte mit einer azimutwinkelabhängigen Polarisationsorientierung und ermöglicht, ein einfallendes kollimiertes achsnahes Bündel Licht mit zirkularer Polarisation PI in ringförmig austretendes Licht zu transformieren. Die zwischen den Grundflächen 2.3, 3.3 der Axikons 2, 3 verbleibende, zur optischen Achse X konzentrische Ringf äche bildet die Austrittsluke für diese Ausführungsform einer reflektiven Axikonoptik 1.
Durch die nachgeschaltete Halbwellenplatte 5 wird eine azimutal inhomogene lineare Polarisation P2 erzeugt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere, hier nicht näher dargestellte zweite Halbwellenplatte 6 nachgeschaltet, mit der die azimutal inhomogene lineare Polarisation P2 in eine radiale Polarisation P3 oder in eine azimutale Polarisation P4 überführbar ist.
Gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten refraktiven Axikonoptik 100 weist die erfindungsgemäße reflektive Axikonoptik 1 den Vorteil auf, dass sich die zulaufende Spitze des kegelförmigen inneren Axikons 3 genauer, leichter und insbesondere mit einem geringeren Spitzendurchmesser fertigen lässt als die Spitze der kegelförmigen Ausnehmung mit der inneren Mantelfläche 100.1 in der refraktiven Axikonoptik 100. Durch die Beschränkungen der beim Diamantdrehen dieser kegelförmigen Ausnehmung verwendbaren Werkzeuge entsteht unvermeidbar eine Totzone um die optische Achse X, in der die innere Mantelfläche 100.1 gegenüber dem Kegelwinkel ß abgeflacht oder abgerundet ist. Innerhalb dieser Totzone eingekoppeltes Licht geht somit für die Polarisationsdrehung verloren und wird größtenteils in Wärme umgesetzt, die schwer oder nicht abgeführt werden kann. - -
Ein weiterer Vorteil der refiektiven Axikonoptik 1 besteht darin, dass das eintretende Licht im Wesentlichen in Luft propagiert und nur an zwei hochreflektiven Grenzflächen, den mit den reflektierenden Beschichtungen HR versehenen Mantelflächen 2.1, 3.1, reflektiert wird. Somit lassen sich optische Verluste gegenüber der Propagation in Glas und der Totalreflexion an der Grenzfläche Glas - Luft in einer refraktiven Axikonoptik 100 nach dem Stand der Technik vermindern. Damit erhöht sich auch, wegen der verminderten Absorption, die zerstörungsfrei durchlässige Lichtleistung. Die reflektive Axikonoptik ist daher besonders für die Polarisationsdrehung von Licht leistungsstarker, kurz- oder ultrakurz gepulster Laserquellen vorteilhaft.
Ein weiterer Vorteil der refiektiven Axikonoptik 1 besteht darin, dass hochref ek- tive Beschichtungen HR für einen breiten Wellenlängenbereich herstellbar sind und somit breiter einsetzbar sind als dispersionsbegrenzte refraktive Axikonopti- ken 100 nach dem Stand der Technik. Beispielsweise ist es dadurch möglich, für einen Laser mit einer emittierten Grundwellenlänge denselben Polarisationswandler P einzusetzen wie für eine auf diesem Laser basierende frequenzverdoppelte Laserquelle.
Sehr kurze Laserpulse, beispielsweise Laserpulse mit einer Pulsdauer vonhöchs- tens 150 Femtosekunden, weisen sehr breite Spektren auf und werden demzufolge in transmissiven Optiken dispersionsbedingt verbreitert. Diese unerwünschte Pulsverlängerung wird bei der erfindungsgemäßen refiektiven Axikonoptik 1 in vorteilhafter Weise vermieden, da der optische Pfad hier mit Ausnahme der Halteplatte 4 überwiegend in Luft verläuft.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer refiektiven Axikonoptik 1 mit gepaarten Axikons, bei der ein erstes und ein gleich ausgebildetes zweites Hohlaxikon 2, 2' sowie ein erstes und ein gleich ausgebildete zweites inneres Axikon 3, 3' entlang der optischen Achse X jeweils einander gegenüberliegend auf der Halteplatte 4 angeordnet sind. - -
Entlang des Verlaufs der Strahlen S durch diese Ausführungsform der reflektiven Axikonoptik 1 erfolgt an jeder der mit einer hochreflektierenden Beschich- tung HR beschichteten Mantelflächen 3.1 , 2.1 , 2' .1 , 3 ' .1 mindestens je eine Reflexion, die jeweils einen Phasenunterschied zwischen der senkrecht-polarisierten und der parallel-polarisierten Komponente erzeugt.
Die hochreflektierende Beschichtung HR ist so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit von dem Kegelwinkel ß der Axikons 2, 2', 3, 3 ' bei Reflexionen an deren Mantelflächen 2.1 , 2' . l , 3.1 , 3 ' . l eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 beziehungsweise N■ 180° + 90° zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N eine positive ganze Zahl ist, die die Anzahl der Reflexionen an jeweils einer Mantelfläche 2.1 , 2'.1 , 3.1 , 3 ' .1 beschreibt.
Somit wirkt die reflektive Axikonoptik 1 als eine Viertelwellenplatte mit einer azimutwinkelabhängigen Polarisationsorientierung und ermöglicht zusammen mit der nachgeschalteten Halbwellenplatte 5, ein einfallendes kollimiertes achsnahes Bündel Licht mit zirkularer Polarisation PI in austretendes Licht mit azimutalinhomogener linearer Polarisation P2 zu transformieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine weitere, hier nicht näher dargestellte zweite Halbwellenplatte 6 nachgeschaltet, mit der die azimutalinhomogener linearer Polarisation P2 in eine radiale Polarisation P3 oder in eine azimutale Polarisation P4 überführbar ist.
Im Unterschied zur der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung tritt das Licht aus der reflektiven Axikonoptik 1 mit gepaarten Axikons aus einer zentral angeordneten Austrittsluke 2 ' .2 des zweiten äußeren Hohlaxikons 2' und somit in einem dicht um die optische Achse X angeordneten Strahlprofil aus. - -
Ein derartiger gespiegelter Strahlverlauf ist auch mit einer gepaarten refraktiven Axikonoptik 100 aus dem Stand der Technik erzielbar. In dieser Ausführungsform weist die reflektive Axikonoptik 1 demgegenüber den zusätzlichen Vorteil einer besonders geringen optischen Totzone um die Kegelspitze der inneren Axikons 3, 3 ' auf. Dadurch wird der austretende Strahlverlauf in dem für diese Anwendungen besonders interessanten zentralen Bereich um die optische Achse X hinsichtlich des Polarisationszustandes und der Strahldichte erheblich geringer beeinträchtigt. Die optische Totzone im zentralen Bereich um die optische Achse X ist bei einer refraktiven Axikonoptik 100 wegen der bei der Herstellung der kegelförmig ausgenommenen inneren Mantelfläche 100.1 unvermeidbaren Abstumpfung der Kegelspitze größer.
Figur 5 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsanlage mit einem Polarisationswandler P mit einer gefassten reflektiven Axikonoptik 1 in der Ausführungsform als gepaarte Axikonoptik. Beidseits der Halteplatte 4 aus optisch transparenten Material sind jeweils spiegelsymmetrisch zwei innere Axikons 3, 3' und zwei äußere Axikons 2, 2' jeweils mit der Grundfläche 2.3, 2'.3, 3.3, 3'.3 zur Halteplatte 4 weisend angeordnet, wobei ein inneres Axikon 3, 3' jeweils konzentrisch zur optischen Achse X in der kegelstumpfförmigen Ausnehmung des äußeren Axikons 2, 2' angeordnet ist. Alle Axikons 2, 2', 3, 3' weisen gleiche Kegelwinkel ß auf. Die zentrischen Öffnungen der äußeren Axikons 2, 2' wirken als Eintrittsluke 2.2 beziehungsweise als Austrittsluke 2'.2
In die Eintrittsluke 2.2 wird zur optischen Achse X kollimiertes, linear polarisiertes Licht aus einer Laserquelle 8 eingekoppelt. Eintrittsseitig ist am Polarisationswandler P eine Viertelwellenplatte 11 angeordnet, deren Kristallachse um π/4 oder 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des Laserlichts gedreht ist. Die Viertelwellenplatte 11 kann mittels einer nicht näher dargestellten Haltevorrichtung befestigt sein, die eine Drehung der Viertelwellenplatte 11 um die optische Achse X ermöglicht. Das hinter der Viertelwellenplatte 11 in das eintrittsseitige Hohlaxikon 2 eingekoppelte Licht weist eine zirkuläre Polarisation PI auf. Aus der Austrittsluke 2 '.2 des austrittsseitigen äußeren Axikons 2' tritt kollimiertes - -
Licht achsnahaus und wird von einer ersten Halbwellenplatte 5 in azimutalinhomogene lineare Polarisation P2 radiale Polarisation P3 und weiter von einer zweiten Halbwellenplatte 6 in azimutale Polarisation P4 überführt, wobei die Kristallachse der ersten Halbwellenplatte 5 um π/8 beziehungsweise 22,5° gegenüber der Polarisationsrichtung des von der Laserquelle 8 emittierten linear polarisierten Laserlichts gedreht ist.
Mittels der nachgeordneten zweiten Halbwellenplatte 6 wird dieses azimutalinhomogen linear polarisierte Licht weiter in Licht transformiert, das eine radiale Polarisation P3 oder eine azimutale Polarisation P4 aufweist. Zur Erzeugung radialer Polarisation P3 ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 in Polarisationsrichtung des von der Laserquelle 8 emittierten linear polarisierten Laserlichts ausgerichtet und somit um— π/8 gegenüber der Kristallachse der ersten Halbwellenplatte 5 gedreht. Zur Erzeugung azimutaler Polarisation P4 ist die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte 6 um π/4 gegenüber der Polarisationsrichtung des von der Laserquelle 8 emittierten linear polarisierten Laserlichts gedreht und somit um π/8 gegenüber der Kristallachse der ersten Halbwellenplatte 5 gedreht.
Das aus dem Polarisationswandler P austretende, azimutal polarisierte Licht wird von einer polarisationserhaltenden Scanoptik 10 auf ein Werkstück W gelenkt. Im Strahlengang zwischen dem Austritt A des Polarisationswandlers P und der Scanoptik 10 ist ein Strahlformer 9 angeordnet, mit dem der Strahldurchmesser des aus dem Polarisationswandler P austretenden Strahls an die Scanoptik 10 an- gepasst werden kann. In einer anderen Ausführungsform einer Laserbearbeitungsanlage ist ein alternativer oder ein zusätzlicher Strahlformer in den Strahlengang zwischen der Laserquelle 8 und dem Eintritt E des Polarisationswandlers P angeordnet.
Die reflektierende Axikonoptik 1 und die Halbwellenplatten 5, 6 sind in einer rohrartigen Fassung 7 gehalten, die auf ihrer Außenfläche Kühlrippen 7.1 aufweist. Die Kühlrippen 7.1 können hohl ausgebildet und von einer Kühlflüssigkeit - -
durchströmbar sein. Es ist auch möglich, eine mit Luft kühlbare Rippenstruktur aus Kühlrippen 7.1 auszubilden. Mit den Kühlrippen 7.1 ist ein verbesserter Abtransport von Wärme gewährleistet, die durch optische Verluste bei der Reflexion an den Beschichtungen HR sowie bei der Transmission durch die Halteplatte 4 und die Halbwellenplatten 5, 6 entsteht. Dadurch ist es möglich, auch für eine Bearbeitung von Werkstücken W geeignetes Licht gepulster Laserquellen 8 mit hoher Energie zerstörungsfrei durch den Polarisationswandler P zu leiten und in eine für die Materialbearbeitung besonders vorteilhafte radiale oder azimutale Polarisation P3, P4 zu transformieren.
Mittels der Fassung 7 und der Halteplatte 4 sind polarisationsändernd wirksame Bauelemente des Polarisationswandlers P, insbesondere die reflektierende Axiko- noptik 1 und die Halbwellenplatten 5, 6, zueinander fixiert. In vorteilhafter Weise ist damit ein Polarisationswandler P besonders einfach, insbesondere mit geringem Justageaufwand, in eine Laserbearbeitungsanlage integrierbar.
Es ist auch möglich, die zweite Halbwellenplatte 6 außerhalb der Fassung 7 und mit dieser lösbar verbindbar anzuordnen. Die zweite Halbwellenplatte 6 kann drehbar und in festen Winkelschritten arretierbar angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, einen Polarisationswandler P sowohl für die Erzeugung radial polarisierten Lichts als auch für die Erzeugung azimutal polarisierten Lichts vorzusehen.
- -
BEZUGSZEICHENLISTE
I reflektive Axikonoptik
, 2' Hohlaxikon, Axikon
.1,2' .1 kegelstumpfförmige Ausnehmung, Mantelfläche .2 Eintrittsluke
'.2 Austrittsluke
2.3, 2'.3 Grundfläche
3, 3' inneres Axikon, Axikon
3.1, 3 '.1 Mantelfläche
3.3, 3 '.3 Grundfläche
4 Halteplatte
4.1 erste Planfläche
4.2 zweite Planfläche
5 erste Halbwellenplatte
6 zweite Halbwellenplatte
7 Fassung
7.1 Kühlrippen
8 Laserquelle
9 Strahlformer
10 Scanoptik
I I Viertelwellenplatte
100 refraktive Axikonoptik
100.1 innere Mantelfäche, kegelförmige Ausnehmung
100.2 äußere Mantelfläche
100.3 Planfläche
100.4 Grundfläche - -
A Austritt
E Eintritt
HR reflektierende Beschichtung
P Polarisationswandler
PI zirkuläre Polarisation
P2 azimutal-inhomogene lineare Polarisation
P3 radiale Polarisation
P4 azimutale Polarisation
S Strahl
w Werkstück
X optische Achse
a Einfallswinkel
ß Kegelwinkel

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Polarisationswandler (P) umfassend
eine reflektive Axikonoptik (1) mit
einem ersten Hohlaxikon (2) mit einer geraden kegelstumpfförmigen Ausnehmung (2.1) und
einem konzentrisch darin und zu einer optischen Achse (X) angeordneten ersten inneren Axikon (3), wobei die kegelförmige Ausnehmung (2.1) und das innere Axikon (3) einen gleichen Kegelwinkel (/?) aufweisen und auf den beabstandeten Mantelflächen (2.1, 3.1) mit einer polarisationsrich- tungsabhängig reflektierenden Beschichtung (HR) versehen sind sowie mit einer optisch durchlässigen, senkrecht zur optischen Achse (X) angeordneten Halteplatte (4) mit einer ersten Planfläche (4.1), auf der die Grundflächen (2.3, 3.3) der Axikons (2, 3) bündig angeordnet sind, wobei an der Spitze der kegelstumpfförmigen Ausnehmung (2.1) konzentrisch zur optischen Achse (X) eine Eintrittsluke (2.2) angeordnet ist,
eine austrittsseitig von der reflektiven Axikonoptik (1) senkrecht zur optischen Achse (X) angeordnete erste Halbwellenplatte (5),
wobei die reflektierende Beschichtung (HR) so gewählt ist, dass bei einem zur optischen Achse (X) kollimiert eintretenden Strahl (S) durch mindestens eine Reflexion an jeder Mantelfläche (2.1, 3.1) der Axikons (2, 3) austrittsseitig eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N · π ein ganzzahliges Vielfaches von π angibt.
2. Polarisationswandler (P) nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend eine austrittsseitig von der ersten Halbwellenplatte (5) angeordnete zweite Halbwellenplatte (6), wobei die Kristallachse der zweiten Halbwellenplatte (6) relativ zur Kristallachse der ersten Halbwellenplatte (5) um einen Drehwinkel von — π/8 oder um einen Drehwinkel von π/8 gedreht ist.
3. Polarisationswandler (P) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der ersten Planfläche (4.1) gegenüberliegenden zweiten Planfläche (4.2) der Halteplatte (4) der reflektiven Axikonoptik (1) ein zweites Hohlaxikon (2') spiegelsymmetrisch zum ersten Hohlaxikon (2) und darin ein zweites inneres Axikon (3')spiegelsymmetrisch zum ersten inneren Axi- kon (3) angeordnet sind, wobei an der Spitze der kegelstumpfförmigen Ausnehmung (2'.1) des zweiten Hohlaxikons (2') konzentrisch zur optischen Achse (X) eine Austritts luke (2 '.2) angeordnet ist und wobei die Kegelwinkel (/?) der Axikons (2, 2', 3, 3') gleich gewählt sind und die reflektierende Beschich- tung (HR) so gewählt ist, dass bei einem zur optischen Achse (X) kollimiert eintretenden Strahl (S) durch mindestens eine Reflexion an jeder Mantelfläche (2.1, 2'.1, 3.1, 3'.1) der Axikons (2, 2', 3, 3') austrittsseitig eine Phasendifferenz von insgesamt Αφ = N■ π + π/2 zwischen der schnellen und der langsamen Lichtausbreitungsrichtung bewirkt wird, wobei N■ π ein ganzzahliges Vielfaches von π angibt.
4. Polarisationswandler (P) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung (HR) der Mantelflächen (2.1, 2'.1, 3.1, 3'.1) als hochreflektierende Beschichtung mit einer Re- flektivität von mindestens 99,7%, bevorzugt für Wellenlängen von 250 Nanometer bis 2500 Nanometer, bevorzugt von 400 Nanometer bis
1200 Nanometer, besonders bevorzugt für Wellenlängen von 1030 Nanometer bis 1070 Nanometer sowie von 515 Nanometer bis 535 Nanometer ausgeführt ist.
5. Polarisationswandler (P) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektive Axikonoptik (1) einstückig ausgeführt ist, wobei die Axikons (2, 2', 3, 3') aus Quarzglas gefertigt und mit einer aus Quarzglas gefertigten Halteplatte (4) verbunden sind.
6. Polarisationswandler (P) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektivität der reflektierenden Beschichtung (HR) so gewählt ist, dass die laserinduzierte Zerstörschwelle der reflektiven Axiko- noptik (1) oberhalb von 10 Joule pro Quadratzentimeter liegt.
7. Polarisationswandler (P) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die reflektive Axikonoptik (1) in einer mittels Luft oder mittels einer Kühlflüssigkeit kühlbaren Fassung (7) gefasst ist.
8. Laseroptik umfassend einen Polarisationswandler (P) nach einem der vorangehenden Ansprüche und eine eintrittsseitig zu dem Polarisationswandler (P) angeordnete Laserquelle (8) umfassend einen Laser, wobei der Laser zur Abgabe von zur optischen Achse (X) des Polarisationswandlers (P) kolhmiertem linear polarisiertem Laserlicht eingerichtet ist und wobei im Strahlengang zwischen dem Laser und dem Polarisationswandler (P) eine Viertelwellenplatte (11) angeordnet ist, deren Kristallachse um π/4 gegenüber der Polarisationsrichtung des Laserlichts gedreht ist und wobei die Kristallachse der ersten Halbwellenplatte (5) um π/8 gegenüber der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Laserlichts gedreht ist.
9. Laseroptik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass austrittsseitig zum Polarisationswandler (P) eine polarisationserhaltende Scanoptik (10) angeordnet ist, die zum Schwenken eines zur optischen Achse (X) des Polarisationswandlers (P) kollimierten, vom Polarisationswandler (P) austretenden Strahlenbündels entlang mindestens einer Scanrichtung eingerichtet ist.
10. Laseroptik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eintrittsseitig
und/oder austrittsseitig vom Polarisationswandler (P) ein Strahlformer (9) zur Anpassung des Durchmessers des vom Polarisationswandler (P) austretenden kollimierten Strahlenbündels an die polarisationserhaltende Scanoptik (10) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Polarisationswandlers (P) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hohlaxikon (2, 2') und das mindestens eine innere Axikon (3, 3')mit einer Winkelabweichung des Kegelwinkels (/?) von höchstens 0,01° und einer Oberflächenabweichung von höchstens einem Fresnelring bei gemessen bei einer Wellenlänge von 546 Nanometern geformt werden, mittels Richtkitten mit der Halteplatte (4) zu einer einstückigen reflektierenden Axikonoptik (1) verklebt werden und diese mit der mindestens einen Halbwellenplatte (5, 6) oder der Wellenplatte in einer Fassung (7) gefasst wird, wobei eine Kegelspitze mit einem Spitzendurchmesser von höchstens 800μιη geformt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hohlaxikon (2, 2') und das mindestens eine innere Axikon (3, 3') mittels Diamantdrehen geformt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Hohlaxikon (2, 2') und das mindestens eine innere Axikon (3, 3') mittels Polieren geformt werden, wobei Polierbewegungen an einem inneren Axikon (3, 3') so gesteuert werden, dass sie nicht über die Kegelspitze des inneren Axikons (3, 3') hinwegführen und eine Kegelspitze mit einem Spitzendurchmesser von höchstens 800μιη auspoliert wird.
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