Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 2 und eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.

Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mit Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Intensitätsverteilung oder Top-Hat-Profil ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt. Dabei sollen reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion im Prozentbereich beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet werden können.

Eine Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art und eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der WO 2008/006460 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Vorrichtung ist als Homogenisatormittel ein Linsenarray vorgesehen, dessen Linsen unterschiedlich breit sind. Insbesondere nimmt die Breite der Linsen vom Rand zur Mitte hin ab. Dadurch wird eine Top-Hat-Winkelverteilung mit trapezähnlich abfallenden Flanken der durch die Homogenisatormittel hindurch getretenen Laserstrahlung erreicht. Mehrere Lasermodule mit derartigen Homogenisatormitteln können so nebeneinander angeordnet werden, dass deren Laserstrahlungen in einer Arbeitsebene zu einer homogenen linienförmigen Intensitätsverteilung überlappen.

Als nachteilig bei diesem Stand der Technik erweist sich die Tatsache, dass eine Top-Hat-Winkelverteilung mit trapezähnlich abfallenden Flanken benötigt wird. Um diese zu erzielen, müssen die Homogenisatormittel aufwendig gestaltet werden, indem die Mittenabstände (Pitch) der Linsen von außen nach innen abnehmen.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art und einer Laservorrichtung der eingangs genannten Art die, insbesondere hinsichtlich der Gestaltung der Homogenisatormittel, einfacher und/oder kostengünstiger aufgebaut sind.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder durch eine Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 2 sowie durch eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Überlagerungsmittel ein Linsenarray mit einer Mehrzahl von Linsen umfassen. Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass die Vorrichtung weiterhin Steuermittel umfasst, die derart Einfluss auf die Laserstrahlung nehmen können, dass die Intensität eines jeden der aus den Homogenisierungsmitteln austretenden Teilstrahlen oder einer jeden der aus den Homogenisierungsmitteln austretenden Gruppen von

Teilstrahlen gleich groß ist. Beide Maßnahmen können dazu dienen, eine homogene Überlagerung der einzelnen Teilstrahlen oder Gruppen von Teilstrahlen in der Arbeitsebene zu gewährleisten, ohne dass die Flanken der Winkelverteilungen trapezähnlich abfallen müssen beziehungsweise ohne dass die Homogenisatormittel sich verändernde Mittenabstände der Linsen aufweisen müssen. Bei der vorliegenden Erfindung reicht es aus, wenn die Flanken abfallen und die Winkelverteilungen symmetrisch sind.

Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich im Prinzip beliebig lange linienförmige Intensitätsverteilungen erzeugen. Weiterhin wird die

Güte der Homogenität nur durch die Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Linsenarrays für die Homogenisatormittel und/oder die Überlagerungsmittel beeinträchtigt. Eine große Homogenität kann ohne aufwendiges Justieren erreicht werden.

Es kann vorgesehen sein, dass für die Linsen des Linsenarrays folgende Bedingung gilt:

2 F NA(50%)=M-P ₂

mit M=1 , 2, 3

wobei F die Brennweite einer jeder der Linsen ist,

wobei P ₂ der Mittenabstand der Linsen ist, und wobei NA(50%) die numerische Apertur einer jeder der Linsen ist, definiert über denjenigen Winkel, bei dem die Intensität durch die Linsen hindurchtretenden Lichts auf die Hälfte abgefallen ist. Durch Einhaltung dieser Bedingung und das gleichzeitige Vorsehen einer Rückkopplung durch die Steuermittel gemäß Anspruch 2 lassen sich sehr homogene Intensitätsverteilungen erzielen.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass für die Laserstrahlung und für die Linsen des Linsenarrays folgende Bedingung gilt:

* >1 .1

wobei W ₀ der Abstand in der Arbeitsebene zwischen der maximalen Intensität und der auf 1/e ² abgefallenen Intensität der von einer der Linsen erzeugten Intensitätsverteilung ist,

und wobei d der Abstand in der Arbeitsebene zwischen den maximalen Intensitäten der von zwei benachbarten Linsen erzeugten Intensitätsverteilungen ist. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist einerseits, dass auch gaußähnliche Winkelverteilungen der Teilstrahlen oder Gruppen von Teilstrahlen so überlagert werden können, dass homogene Linien entstehen. Andererseits muss die Forderung w _o /d>1 , 1 nicht so strikt wie die Forderung 2 F NA(50%)=M P ₂ eingehalten werden, so dass der Aufbau einer derartigen Vorrichtung einfacher sein kann. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung, wobei die Intensitätsverteilung einer Gruppe von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die erste

Ausführungsform, wobei die Gesamtintensitätsverteilung sämtlicher Gruppen von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine zweite

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung, wobei die Gesamtintensitätsverteilung sämtlicher Gruppen von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine dritte

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung, wobei die Intensitätsverteilung einer Gruppe von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf die dritte

Ausführungsform, wobei die Gesamtintensitätsverteilung sämtlicher Gruppen von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist; Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine vierte

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung, wobei die Intensitätsverteilung einer Gruppe von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf die vierte

Ausführungsform, wobei die Gesamtintensitätsverteilung sämtlicher Gruppen von Teilstrahlen in der Arbeitsebene verdeutlicht ist;

Fig. 8 eine schematische Detail-Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Laservorrichtung mit einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung;

Fig. 9 eine schematische Detail-Seitenansicht der Laservorrichtung gemäß Fig. 8.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile oder Lichtstrahlen oder Intensitätsverteilungen oder Bemaßungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Weiterhin ist in einigen der Figuren zur besseren Übersichtlichkeit ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet.

Die in Fig. 1 und Fig. 2 abgebildete Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst Homogenisatormittel 1 und Überlagerungsmittel 2. Dabei sind die Überlagerungsmittel 2 in Ausbreitungsrichtung Z der zu formenden Laserstrahlung 3 hinter den Homogenisatormitteln 1 angeordnet.

Die Homogenisatormittel 1 sind als einstückiges Linsenarray ausgebildet und umfassen eine Mehrzahl von in X-Richtung nebeneinander angeordneten Linsen 4. Es kann sich dabei um Zylinderlinsen mit sich in Y-Richtung erstreckenden Zylinderachsen, aber auch um sphärische Linsen handeln.

Die Überlagerungsmittel 2 sind ebenfalls als einstϋckiges Linsenarray ausgebildet und umfassen ebenfalls eine Mehrzahl von in X-Richtung nebeneinander angeordneten Linsen 5. Auch hierbei kann es sich um Zylinderlinsen mit sich in Y-Richtung erstreckenden Zylinderachsen, aber auch um sphärische Linsen handeln. Jede der Linsen 5 kann die gleiche Brennweite F aufweisen.

Im abgebildeten Ausführungsbeispiel weisen die Überlagerungsmittel 2 fünf Linsen 5 auf. Es besteht durchaus die Möglichkeit, eine größere, insbesondere eine deutlich größere Anzahl von Linsen 5 vorzusehen, wobei dann auch entsprechend die Anzahl der Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 größer ist.

In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Breite der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 um einen Faktor drei größer als die Breite der Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 , so dass einer jeden der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 drei Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 zugeordnet sind. Entsprechend gilt für den Mittenabstand (Pitch) P ₁ der Linsen 4 und den Mittenabstand P ₂ der Linsen 5 die Beziehung 3 (siehe Fig. 1 ).

Es besteht durchaus die Möglichkeit, kleinere oder größere Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 vorzusehen. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 einer jeden der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 zuzuordnen.

Die zu formende Laserstrahlung 3 soll in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel bei dem Auftreffen auf die Homogenisatormittel 1 eine linienförmige Intensitätsverteilung aufweisen, wobei die Linienlänge dieser linienförmige Intensitätsverteilung in X-Richtung etwa der Länge der Homogenisatormittel 1 in X-Richtung entspricht.

Die Laserstrahlung 3 wird von den Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 in eine Mehrzahl von Teilstrahlen 6 aufgespalten. Jeweils eine Gruppe 7 von drei Teilstrahlen 6 treten gemeinsam durch eine der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 hindurch. In einer Arbeitsebene 8, die in einem Abstand D von den Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 angeordnet ist, der der Brennweite F der Linsen 5 entspricht, werden die drei Teilstrahlen 6 einer jeden Gruppe 7 zu einer linienförmigen Intensitätsverteilung 9 überlagert (siehe Fig. 1 ).

Die Intensitätsverteilung 9 hat im Wesentlichen die Form einer Top- Hat-Verteilung, die allerdings keine unendlich steil abfallenden Flanken 10, sondern vergleichsweise moderat abfallende Flanken 10 aufweist (siehe Fig. 1 ). Die Form der Intensitätsverteilung 9 wird durch die Gestaltung der Homogenisatormittel 1 , insbesondere durch die Gestaltung einer jeder der einzelnen Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 vorgegeben.

Fig. 2 verdeutlicht, dass die Homogenisatormittel 1 und die Überlagerungsmittel 2 derart gestaltet und angeordnet sind, dass in der Arbeitsebene 8 die Intensitätsverteilungen 9 der einzelnen Gruppen 8 von Teilstrahlen 7 jeweils bei 50% der maximalen Intensität der einzelnen Intensitätsverteilungen 9 überlappen. Dadurch ergibt sich eine sehr homogene Gesamtintensitätsverteilung 1 1 .

Die Bedingung für den weitgehend oszillationsfreien Überlapp der einzelnen Intensitätsverteilungen 9 zu einer Gesamtintensitätsverteilung 1 1 kann als 2 F NA(50%) = P ₂

geschrieben werden. Dabei ist NA(50%) die numerische Apertur einer jeder der Linsen 5, definiert über denjenigen Winkel, bei dem die Intensität durch die Linsen 5 hindurchtretenden Lichts auf die Hälfte abgefallen ist.

Eine zusätzliche Bedingung ist, dass die Intensitäten der einzelnen Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 in der Arbeitsebene 8 gleich groß sind. Dies kann durch eine Anordnung erreicht werden, wie sie in der Laservorrichtung gemäß Fig. 8 und Fig. 9 abgebildet ist.

Bei dieser Laservorrichtung sind zwischen den Homogenisatormitteln 1 und den Überlagerungsmitteln 2 eine Mehrzahl von Strahlteilern 12 vorgesehen, wobei die Anzahl der Strahlteiler 12 der Anzahl der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 entspricht. Durch die Strahlteiler 12 wird jeweils ein kleiner Anteil 13 des Lichtes einer Gruppe 7 von Teilstrahlen 6 aus der Ausbreitungsrichtung Z nach oben in Fig. 9 beziehungsweise in Y-Richtung abgelenkt.

Diese Anteile 13 der Laserstrahlung 3 treffen auf eine Mehrzahl von Sensormitteln 14, die jeweils die Intensität einer der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 erfassen können. Die Laservorrichtung umfasst weiterhin Komparationsmittel 15, die die von den Sensormitteln 14 erfassten Intensitäten der einzelnen Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 miteinander vergleichen können. Die Komparationsmittel 15 können eine Stromversorgung 16 einer oder mehrerer in Fig. 9 schematisch angedeuteter Laserlichtquellen 17 derart ansteuern, dass die Intensitäten der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 aneinander angeglichen werden.

Auf diese Weise kann erreicht werden, dass durch jede der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 Laserstrahlung gleicher Leistung hindurchtritt. Dies führt zu der sehr homogenen linienförmigen Gesamtintensitätsverteilung 1 1 wie sie in Fig. 2 abgebildet ist.

In Fig. 8 und Fig. 9 sind gestrichelt Strahlteiler 12' und Sensormittel 14' angedeutet, die alternativ zu den durchgezogen dargestellten Strahlteilern 12 und Sensormitteln 14 hinter den Überlagerungsmitteln 2 vorgesehen sein können.

Die Sensormittel 14 können als Fotodiode, Fotowiderstand, Fototransistor, Fotozelle oder dergleichen ausgebildet sein.

Die vorgenannten Strahlteiler 12, 12', Sensormittel 14, 14' und Komparationsmittel 15 bilden insgesamt Steuermittel, die gleiche Leistungen beziehungsweise Intensitäten der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 in der Arbeitsebene 8 gewährleisten. Diese Steuermittel können bei sämtlichen in den Figuren 2 bis 7 abgebildeten Ausführungsformen ebenfalls vorgesehen sein.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 sind die Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 derart gestaltet, dass das Richtdiagramm beziehungsweise die Winkelverteilung der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 moderat abfallende Flanken aufweisen. Die Überlagerung in einem Abstand D=F hinter den Linsen 5 ergibt dann die in Fig. 1 und Fig. 2 abgebildeten Intensitätsverteilungen 9.

Es ist jedoch erfindungsgemäß auch möglich, die Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 derart zu gestalten, dass das Richtdiagramm beziehungsweise die Winkelverteilung der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 annähernd unendlich steil abfallende Flanken aufweisen beziehungsweise einer idealen Top-Hat-Winkelverteilung sehr nahe kommen. In diesem Fall wird dann die Arbeitsebene 8 nicht im Abstand D=F hinter den Linsen 5 gewählt, sondern im Abstand D=F+δ. Dabei ist die zusätzliche Distanz δ so zu wählen, dass in der Arbeitsebene 9 eine überlagerte Intensitätsverteilung 9 der einzelnen Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 weniger steil abfallende Flanken 10 aufweist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf die Überlagerungsmittel 2 verzichtet wird. Die Überlagerung der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 findet dann im Fernfeld, also in einer großen Entfernung zu den Homogenisatormitteln 1 statt.

Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine Ausführungsform, bei der die Brennweite F der Linsen 5 der Überlagerungsmittel 2 größer ist als bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und Fig. 2. Dies hat zur Folge, dass die Intensitätsverteilungen 9 der einzelnen Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 in der Arbeitsebene 8 breiter sind. Wenn die Bedingung

2 F NA(50%)=M P ₂

mit M= 1 , 2, 3, ... erfüllt ist, ergibt sich trotzdem eine oszillationsfreie Überlagerung der Intensitätsverteilungen 9 zu einer Gesamtintensitätsverteilung 18 (siehe Fig. 5). Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Fall, bei dem M=2 ist.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 6 und Fig. 7 sind die Linsen 4 der Homogenisatormittel 1 derart gestaltet, dass das Richtdiagramm beziehungsweise die Winkelverteilung der Gruppen 7 von Teilstrahlen 6 zwar moderat abfallende Flanken aber keine Winkelbereiche konstanter Intensität aufweisen. Die Überlagerung in einem Abstand D=F hinter den Linsen 5 ergibt dann die in Fig. 6 und Fig. 7 abgebildeten Intensitätsverteilungen 19 ohne ausgeprägten Plateaubereich, die einer Gauß-Verteilung ähneln. Die Bedingung für die Überlagerung zu einer Gesamtintensitätsverteilung 20 mit Inhomogenitäten kleiner 1 % ist:

B.»1 . , .

Hier ist W ₀ der Abstand in der Arbeitsebene 8 zwischen der maximalen Intensität und der auf 1/e ² abgefallenen Intensität der von einer der Linsen 5 erzeugten Intensitätsverteilung 19 und d der Abstand in der Arbeitsebene 8 zwischen den maximalen Intensitäten der von zwei benachbarten Linsen 5 erzeugten Intensitätsverteilungen 19.