DE102020121440B4

DE102020121440B4 - Device for generating a defined laser line on a working plane

Info

Publication number: DE102020121440B4
Application number: DE102020121440.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heimes; Martin Wimmer; Mario Schwartz; Julian Hellstern
Original assignee: Trumpf Laser & Systemtechnik Se; Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2025-01-09
Anticipated expiration: 2040-08-15
Also published as: DE102020121440A1; JP7629087B2; WO2022033923A1; KR20230048546A; JP2023537606A; KR102804056B1; CN116033993A

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14), mit einer Laserlichtquelle (16), die dazu eingerichtet ist, einen Rohstrahl (18) zu erzeugen, mit einer optischen Anordnung (20), die den Rohstrahl (18) aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl (22) umformt, der auf die Arbeitsebene (14) trifft, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) eine Strahlrichtung (23) definiert, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl (22) ein Strahlprofil (28) besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung (23) eine lange Achse (30) mit einer Langachsstrahlbreite (31) und eine kurze Achse (32) mit einer Kurzachsstrahlbreite (33) aufweist, wobei die optische Anordnung (20) eine Anzahl von optischen Elementen (36, 38, 40) aufweist, die das Strahlprofil (28) an eine definierte Position (42) im Bereich der Arbeitsebene (14) fokussieren, wobei sich die definierte Position (42) in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente (36, 38, 40) in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle (16) um eine Driftlänge (50) verschiebt, wobei die Kurzachsstrahlbreite (33) des Strahlprofils (28) entlang der Strahlrichtung (23) variiert und dabei ein nutzbares Prozessfenster definiert und die optische Anordnung (20) dazu eingerichtet ist, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe (46) in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge (50) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) ein optisches Phasenelement (52) aufweist, das dem Beleuchtungsstrahl (22) eine axikonartige Phasenfront aufprägt.

Device for generating a defined laser line (12) on a working plane (14), with a laser light source (16) which is designed to generate a raw beam (18), with an optical arrangement (20) which receives the raw beam (18) and transforms it into an illumination beam (22) which strikes the working plane (14), wherein the illumination beam (22) defines a beam direction (23) which intersects the working plane (14), and wherein the illumination beam (22) has a beam profile (28) which, perpendicular to the beam direction (23), has a long axis (30) with a long-axis beam width (31) and a short axis (32) with a short-axis beam width (33), wherein the optical arrangement (20) has a number of optical elements (36, 38, 40) which direct the beam profile (28) to a defined position (42) in the region of the working plane (14). focus, wherein the defined position (42) shifts by a drift length (50) as a result of heating of the optical elements (36, 38, 40) depending on the operating power and/or operating time of the laser light source (16), wherein the short-axis beam width (33) of the beam profile (28) varies along the beam direction (23) and thereby defines a usable process window and the optical arrangement (20) is set up to generate the usable process window with a depth of field (46) in the beam direction that is greater than the drift length (50), characterized in that the optical arrangement (20) has an optical phase element (52) which impresses an axicon-like phase front on the illumination beam (22).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene, mit einer Laserlichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen Rohstrahl zu erzeugen, und mit einer optischen Anordnung, die den Rohstrahl aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl umformt, der auf die Arbeitsebene trifft, wobei der Beleuchtungsstrahl eine Strahlrichtung definiert, die die Arbeitsebene schneidet, und wobei der Beleuchtungsstrahl ein Strahlprofil besitzt, das senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse mit einer Kurzachsstrahlbreite aufweist, wobei die optische Anordnung eine Anzahl von optischen Elementen aufweist, die das Strahlprofil an eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene fokussieren, wobei sich die definierte Position in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle um eine Driftlänge verschiebt.The present invention relates to a device for generating a defined laser line on a working plane, with a laser light source that is designed to generate a raw beam, and with an optical arrangement that receives the raw beam and transforms it into an illumination beam that strikes the working plane, wherein the illumination beam defines a beam direction that intersects the working plane, and wherein the illumination beam has a beam profile that has a long axis with a long-axis beam width and a short axis with a short-axis beam width perpendicular to the beam direction, wherein the optical arrangement has a number of optical elements that focus the beam profile to a defined position in the region of the working plane, wherein the defined position shifts by a drift length as a result of heating of the optical elements depending on the operating power and/or operating time of the laser light source.

Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in DE 10 2018 200 078 A1 offenbart.Such a device is, for example, in DE 10 2018 200 078 A1 revealed.

Eine solche Vorrichtung erzeugt eine definierte linienförmige Laserbeleuchtung an einer definierten Stelle einer Arbeitsebene, um insbesondere ein Werkstück zu bearbeiten. Das Werkstück kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial auf einer Glasplatte sein, die als Trägermaterial dient. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere eine Folie sein, auf der organische lichtemittierende Dioden, sogenannte OLEDs, und/oder Dünnschichttransistoren hergestellt werden. OLED-Folien werden zunehmend für Displays in Smartphones, Tablett-PCs, Fernsehgeräten und anderen Geräten mit Bildschirmanzeige verwendet. Nach Herstellung der elektronischen Strukturen muss die Folie von dem Glasträger gelöst werden. Dies kann vorteilhaft mit einer Laserbeleuchtung in Form einer dünnen Laserlinie geschehen, die mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Glasplatte bewegt wird und dabei die haftende Verbindung der Folie durch die Glasplatte hindurch löst. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als LLO bzw. Laser Lift Off bezeichnet.Such a device generates a defined linear laser illumination at a defined point on a work plane, in particular to process a workpiece. The workpiece can be, for example, a plastic material on a glass plate that serves as a carrier material. The plastic material can in particular be a film on which organic light-emitting diodes, so-called OLEDs, and/or thin-film transistors are manufactured. OLED films are increasingly being used for displays in smartphones, tablet PCs, televisions and other devices with screen displays. After the electronic structures have been produced, the film must be detached from the glass carrier. This can advantageously be done with laser illumination in the form of a thin laser line that is moved at a defined speed relative to the glass plate, thereby releasing the adhesive connection of the film through the glass plate. Such an application is often referred to in practice as LLO or Laser Lift Off.

Eine andere Anwendung für die Beleuchtung eines Werkstücks mit einer definierten Laserlinie kann das zeilenweise Aufschmelzen von amorphem Silizium auf einer Trägerplatte sein. Die Laserlinie wird hier ebenfalls mit einer definierten Geschwindigkeit relativ zu der Werkstückoberfläche bewegt. Durch das Aufschmelzen kann das vergleichsweise kostengünstige amorphe Silizium in höherwertigeres polykristallines Silizium umgewandelt werden. Eine derartige Anwendung wird in der Praxis häufig als Solid State Laser Annealing oder SLA bezeichnet.Another application for illuminating a workpiece with a defined laser line can be the line-by-line melting of amorphous silicon on a carrier plate. Here, the laser line is also moved at a defined speed relative to the workpiece surface. By melting, the comparatively inexpensive amorphous silicon can be converted into higher-quality polycrystalline silicon. In practice, such an application is often referred to as solid state laser annealing or SLA.

Für derartige Anwendungen wird eine Laserlinie auf der Arbeitsebene benötigt, die in der einen Richtung möglichst lang ist, um eine möglichst breite Arbeitsfläche zu erfassen, und die im Vergleich dazu in der anderen Richtung sehr kurz ist, um eine für den jeweiligen Prozess benötigte Energiedichte bereitzustellen. Wünschenswert ist dementsprechend eine lange, dünne Laserlinie parallel zu der Arbeitsebene. Man bezeichnet die Richtung, in der die Laserlinie verläuft, häufig als lange Achse und die Liniendicke als kurze Achse des sogenannten Strahlprofils. In der Regel soll die Laserlinie in beiden Achsen jeweils einen definierten Intensitätsverlauf aufweisen. Wünschenswert ist beispielsweise, dass die Laserlinie in der langen Achse ein möglichst rechteckiges oder eventuell trapezförmiges Intensitätsprofil besitzt, wobei Letzteres vorteilhaft sein kann, wenn mehrere solcher Laserlinien zu einer längeren Gesamtlinie aneinandergesetzt werden sollen. In der kurzen Achse ist je nach Anwendung ein rechteckförmiges Intensitätsprofil (sogenanntes Top Hat Profil), ein Gaußprofil oder ein anderes Intensitätsprofil gewünscht.For such applications, a laser line is required on the working plane that is as long as possible in one direction in order to cover as wide a working surface as possible, and which is very short in the other direction in comparison in order to provide the energy density required for the respective process. A long, thin laser line parallel to the working plane is therefore desirable. The direction in which the laser line runs is often referred to as the long axis and the line thickness as the short axis of the so-called beam profile. As a rule, the laser line should have a defined intensity profile in both axes. For example, it is desirable for the laser line in the long axis to have an intensity profile that is as rectangular as possible or possibly trapezoidal, the latter being advantageous if several such laser lines are to be put together to form a longer overall line. In the short axis, a rectangular intensity profile (so-called top hat profile), a Gaussian profile or another intensity profile is desired, depending on the application.

WO 2018/019374 A1 offenbart eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit zahlreichen Details, die die optischen Elemente der optischen Anordnung betreffen. Eine Laserquelle erzeugt einen Laser-Rohstrahl, der mit Hilfe der optischen Anordnung in einer ersten Raumrichtung sehr breit aufgefächert wird, um die lange Achse zu erhalten. In einer zweiten, senkrecht dazu liegenden Raumrichtung wird der Laserstrahl fokussiert, um die kurze Achse zu erhalten. Die erste und die zweite Raumrichtung liegen typischerweise senkrecht zu der Strahlrichtung, in der der Laserstrahl auf die Arbeitsebene trifft. Die optische Anordnung der Vorrichtung aus WO 2018/019374 A1 besitzt einen Kollimator, der den Laser-Rohstrahl kollimiert, sowie einen Strahlumformer, einen Homogenisierer und eine Fokussierstufe. Der Strahlumformer nimmt den kollimierten Rohstrahl auf und weitet ihn in der langen Achse auf. Prinzipiell kann der Strahlumformer auch mehrere Laser-Rohstrahlen von mehreren Laserquellen aufnehmen und zu einem gemeinsamen aufgeweiteten Laserstrahl mit höherer Leistung kombinieren. Der Homogenisierer erzeugt das gewünschte Strahlprofil in der langen Achse und in der kurzen Achse, beispielsweise also jeweils ein Top Hat Profil. Die Fokussierstufe fokussiert den derartig umgeformten Laserstrahl auf die definierte Position im Bereich der Arbeitsebene. WO 2018/019374 A1 discloses a device of the type mentioned at the outset with numerous details relating to the optical elements of the optical arrangement. A laser source generates a raw laser beam which is spread out very widely in a first spatial direction with the aid of the optical arrangement in order to obtain the long axis. In a second spatial direction lying perpendicular to this, the laser beam is focused in order to obtain the short axis. The first and second spatial directions are typically perpendicular to the beam direction in which the laser beam hits the working plane. The optical arrangement of the device from WO 2018/019374 A1 has a collimator that collimates the raw laser beam, as well as a beam converter, a homogenizer and a focusing stage. The beam converter receives the collimated raw beam and expands it in the long axis. In principle, the beam converter can also receive several raw laser beams from several laser sources and combine them into a common expanded laser beam with higher power. The homogenizer creates the desired beam profile in the long axis and in the short axis, for example a top hat profile. The focusing stage focuses the laser beam that has been converted in this way on the defined position in the area of the working plane.

EP 2641688 A1 offenbart eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, den Einfluss der Bearbeitungsqualität aufgrund der Änderung eines Arbeitsabstandes zu verringern. Ein Laserstrahl, der von einer Laserlichtquelle emittiert wird, wird auf einen optischen Homogenisator gerichtet. Der optische Homogenisator bewirkt, dass der Laserstrahl auf einen Bereich mit einer länglichen Form in einer ersten Richtung auf ein Werkstück trifft. Eine Neigungsoptik ist auf einem Weg des Laserstrahls zwischen dem optischen Homogenisator und dem Werkstück angeordnet. Die optische Neigungsvorrichtung bildet hierbei eine Brechungsindexgrenzfläche, die senkrecht zur ersten Richtung in Bezug auf eine Oberfläche des Werkstücks geneigt ist. EP 2641688 A1 discloses a laser processing apparatus capable of reducing the influence of processing quality due to the change of a working distance. A laser beam emitted from a laser light source is directed to an optical homogenizer. The optical homogenizer causes the laser beam impinges on a region having an elongated shape in a first direction on a workpiece. An inclination optic is arranged on a path of the laser beam between the optical homogenizer and the workpiece. The optical inclination device forms a refractive index interface that is inclined perpendicular to the first direction with respect to a surface of the workpiece.

In der DE 11 2005 003 207 B4 wird ein Optisches System beschrieben, das aus einem Lichtstrahl eine Intensitätsverteilung auf einer Oberfläche erzeugt. Das optische System umfasst mindestens ein erstes optisches Element, das den einfallenden Strahl in mehrere Strahlen unterteilt, von denen einige mindestens teilweise in einer ersten Richtung auf der Oberfläche überlappen. Weiterhin beinhaltet das optische System mindestens ein zweites optisches Element, das mindestens einen der Strahlen in einer zweiten Richtung auf der Oberfläche versetzt. Die äußere Gestalt der Intensitätsverteilung ist rechteckig ist und eine Breite zwischen 3 und 100 µm in der zweiten Richtung sowie eine Länge in der ersten Richtung von mehr als 300 mm aufweist.In the DE 11 2005 003 207 B4 An optical system is described that generates an intensity distribution on a surface from a light beam. The optical system comprises at least one first optical element that divides the incident beam into several beams, some of which at least partially overlap in a first direction on the surface. The optical system also includes at least one second optical element that offsets at least one of the beams in a second direction on the surface. The external shape of the intensity distribution is rectangular and has a width between 3 and 100 µm in the second direction and a length in the first direction of more than 300 mm.

Die eingangs genannte DE 10 2018 200 078 A1 offenbart eine optische Anordnung zum Erzeugen einer Beleuchtungslinie mit einer Teleskopanordnung, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse aufweist. Die Teleskopanordnung beinhaltet eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe, die entlang der optischen Achse relativ zueinander beweglich sind. Eine Steuereinheit steuert die Bewegung, während die Laserstrahlquelle den Laserstrahl erzeugt, um die Intensität der Beleuchtungslinie und ihre sogenannte Halbwertsbreite, d.h. die Linienbreite bei 50% der Intensität (Full Width at Half Maximum, FWHM) zeitlich möglichst konstant zu halten. Es habe sich gezeigt, dass sich die Eigenschaften der optischen Anordnung während der Erzeugung des Laserstrahls ändern können. Insbesondere können sich durch die Aufheizung der optischen Elemente infolge des Laserstrahls sogenannte thermische Linsen bilden, die die optischen Eigenschaften der Anordnung verändern. DE 10 2018 200 078 A1 schlägt vor, die sich daraus ergebende Veränderung der Fokusposition durch eine Verschiebung der Teleskoplinsen relativ zueinander zu kompensieren oder zumindest zu verringern.The aforementioned DE 10 2018 200 078 A1 discloses an optical arrangement for generating an illumination line with a telescope arrangement that has an optical refractive power with respect to the short axis. The telescope arrangement includes a first lens group and a second lens group that are movable relative to one another along the optical axis. A control unit controls the movement while the laser beam source generates the laser beam in order to keep the intensity of the illumination line and its so-called half-width, i.e. the line width at 50% of the intensity (Full Width at Half Maximum, FWHM), as constant as possible over time. It has been shown that the properties of the optical arrangement can change during the generation of the laser beam. In particular, the heating of the optical elements as a result of the laser beam can cause so-called thermal lenses to form, which change the optical properties of the arrangement. DE 10 2018 200 078 A1 suggests compensating or at least reducing the resulting change in focus position by shifting the telescope lenses relative to each other.

Ein Nachteil dieser Lösung ist der mechanische Aufwand, den eine Positionsverstellung der Teleskoplinsen erfordert. Die Bewegung kann zu Verschleiß führen und/oder eine Dejustage der optischen Anordnung zur Folge haben. Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die auf alternative Weise dazu beiträgt, die Arbeitsebene im Arbeitsbereich der Vorrichtung zu halten.A disadvantage of this solution is the mechanical effort required to adjust the position of the telescope lenses. The movement can lead to wear and/or result in a misalignment of the optical arrangement. In view of this, it is an object of the present invention to provide a device of the type mentioned at the outset which helps in an alternative way to keep the working plane in the working area of the device.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird hier eine Vorrichtung der eingangs genannten Art angegeben, wobei die Kurzachsstrahlbreite des Strahlprofils entlang der Strahlrichtung variiert und somit ein nutzbares Prozessfenster definiert, und wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge ist. Weiterhin weist die optische Anordnung ein optisches Phasenelement auf, das dem Beleuchtungsstrahl eine axikonartige Phasenfront in der kurzen Achse aufprägt.According to one aspect of the present invention, a device of the type mentioned at the outset is specified here, wherein the short-axis beam width of the beam profile varies along the beam direction and thus defines a usable process window, and wherein the optical arrangement is designed to generate the usable process window with a depth of field in the beam direction that is greater than the drift length. Furthermore, the optical arrangement has an optical phase element that imposes an axicon-like phase front on the illumination beam in the short axis.

Die neue Vorrichtung macht es möglich, auf eine mechanische Verstellung der optischen Anordnung bzw. der optischen Elemente, die die Fokussierung des Strahlprofils in der kurzen Achse bewirken, relativ zueinander zu verzichten. Bevorzugt weisen die optischen Elemente, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen und die das Strahlprofil an eine definierte Position im Bereich der Arbeitsebene fokussieren, daher starre Abstände relativ zueinander auf. In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die optischen Elemente jeweils feststehend. Damit reduziert sich mechanischer Verschleiß und auch die Gefahr, dass die optische Anordnung infolge einer mechanischen Bewegung dejustiert werden kann. Stattdessen beruht die neue Vorrichtung auf der Idee, die Schärfentiefe der Anordnung in Strahlrichtung, im Folgenden longitudinal genannt, gezielt zu vergrößern, so dass die definierte Position, an die das Strahlprofil fokussiert wird, selbst bei einer Verschiebung infolge von thermischen Linsen im Bereich der Schärfentiefe verbleibt. Mit anderen Worten nimmt die neue Vorrichtung eine Fokusdrift infolge einer Erwärmung der optischen Elemente in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle bewusst in Kauf. Allerdings ist die optische Anordnung gezielt dazu eingerichtet, die Strahlqualität, insbesondere in der kurzen Achse, zu reduzieren, so dass das Strahlprofil auch bei einem Drift der Fokusposition im Prozessfenster verbleibt. Anstelle einer mechanischen Nachführung ist die optische Anordnung durch zusätzliche optische Elemente und/oder eine vergrößerte Ausleuchtung der optischen Elemente sowie eine damit einhergehende Ausnutzung von Aberrationen gezielt auf eine größere Schärfentiefe ausgelegt.The new device makes it possible to dispense with mechanical adjustment of the optical arrangement or the optical elements that focus the beam profile in the short axis relative to one another. Preferably, the optical elements that have an optical refractive power in relation to the short axis of the beam profile and that focus the beam profile to a defined position in the area of the working plane therefore have rigid distances relative to one another. In preferred embodiments, the optical elements are each fixed. This reduces mechanical wear and also the risk that the optical arrangement can be misaligned as a result of mechanical movement. Instead, the new device is based on the idea of deliberately increasing the depth of field of the arrangement in the beam direction, hereinafter referred to as longitudinal, so that the defined position to which the beam profile is focused remains in the area of the depth of field even if it is shifted as a result of thermal lenses. In other words, the new device consciously accepts a focus drift as a result of heating of the optical elements depending on the operating power and/or operating time of the laser light source. However, the optical arrangement is specifically designed to reduce the beam quality, especially in the short axis, so that the beam profile remains in the process window even if the focus position drifts. Instead of mechanical tracking, the optical arrangement is specifically designed for a greater depth of field through additional optical elements and/or increased illumination of the optical elements and the associated utilization of aberrations.

Ein Axikon im eigentlichen Sinn ist eine konisch geschliffene Linse, die eine Punktlichtquelle auf eine Linie entlang der optischen Achse abbildet oder einen Laserstrahl in einen Ring transformiert. Der Begriff Axikon bezieht sich häufig auf einen rotationssymmetrischen Fall bzw. auf ein rotationssymmetrisches Element. Im vorliegenden Fall beeinflusst das Phasenelement jedoch die kurze Achse, d.h. das Phasenelement erzeugt die axikonartige Phasenfront bei Betrachtung der optischen Anordnung für die kurze Achse. Die lange Achse bleibt weitgehend unbeeinflusst. Eine Rotationssymmetrie ist daher nicht impliziert. Die axikonartige Phasenfront, die in dieser Ausgestaltung mit Hilfe des Phasen-elements erzeugt wird, zeigt sich folglich darin, dass der Laserstrahl bei Betrachtung des Strahlengangs für die kurze Achse transversal zur optischen Achse der Anordnung Ringanteile besitzt. Ein Anteil des Laserlichts wird mit Hilfe des Phasenelements „nach außen gestreut“. Dieser Anteil führt auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise zu einer Vergrößerung der Schärfentiefe.An axicon in the true sense is a conically ground lens that images a point light source onto a line along the optical axis or transforms a laser beam into a ring. The term axicon often refers to a rotationally symmetric case or to a rotationally symmetric element. In the present case, However, the phase element is the short axis, ie the phase element generates the axicon-like phase front when looking at the optical arrangement for the short axis. The long axis remains largely unaffected. Rotational symmetry is therefore not implied. The axicon-like phase front, which is generated in this design with the help of the phase element, is therefore evident in the fact that the laser beam has ring components when looking at the beam path for the short axis transverse to the optical axis of the arrangement. A portion of the laser light is "scattered outwards" with the help of the phase element. This portion leads to an increase in the depth of field in a comparatively simple and inexpensive way.

Die neue Vorrichtung besitzt daher eine optische Anordnung, bei der das Verhältnis von Schärfentiefe und Fokusverschiebung positiv beeinflusst ist. Damit ist das Prozessfenster der Vorrichtung im Vergleich zu Vorrichtungen aus dem Stand der Technik vergrößert. Eine mechanische Nachführung und die mit ihr verbundenen Nachteile werden vermieden. Dementsprechend ist die oben genannte Aufgabe vollständig gelöst.The new device therefore has an optical arrangement in which the ratio of depth of field and focus shift is positively influenced. This increases the process window of the device compared to prior art devices. Mechanical tracking and the associated disadvantages are avoided. Accordingly, the above-mentioned task is completely solved.

In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Kurzachsstrahlbreite entlang der Strahlrichtung einen Maximalwert und das Prozessfenster besitzt in Strahlrichtung ein vorderes Ende und ein hinteres Ende, wobei die Kurzachsstrahlbreite an dem vorderen Ende und an dem hinteren Ende jeweils um bis zu 10% kleiner als der Maximalwert ist, vorzugsweise jeweils um bis zu 5% kleiner als der Maximalwert und besonders bevorzugt jeweils um 1% kleiner als der Maximalwert.In a preferred embodiment, the short-axis beam width has a maximum value along the beam direction and the process window has a front end and a rear end in the beam direction, wherein the short-axis beam width at the front end and at the rear end is each up to 10% smaller than the maximum value, preferably each up to 5% smaller than the maximum value and particularly preferably each 1% smaller than the maximum value.

In dieser Ausgestaltung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, das Strahlprofil so zu erzeugen, dass sich ein Prozessfenster mit den angegebenen Parametern entsteht. Die Kurzachsstrahlbreite kann hier insbesondere als Halbwertsbreite bestimmt sein, d.h. als Differenz zwischen den beiden Intensitätswerten des Strahlprofils in der kurzen Achse, die 50% der Maximalintensität des Strahlprofils an der entsprechenden Position entlang der Strahlrichtung besitzen (Full Width at Half Maximum, FWHM). Alternativ kann die Kurzachsstrahlbreite hier als Differenz zwischen den beiden Intensitätswerten des Strahlprofils in der kurzen Achse angegeben werden, die 90% der Maximalintensität des Strahlprofils an der entsprechenden Position entlang der Strahlrichtung besitzen (Full Width at 90% of Maximum). Die angegebenen Werte bieten eine vorteilhafte Vergrößerung der Schärfentiefe, während die Strahlqualität in der kurzen Achse auf einem Niveau erhalten bleibt, das für gängige LLO und SLA-Anwendungen gut geeignet ist.In this embodiment, the optical arrangement is designed to generate the beam profile in such a way that a process window with the specified parameters is created. The short-axis beam width can be determined here in particular as the half-width, i.e. as the difference between the two intensity values of the beam profile in the short axis that have 50% of the maximum intensity of the beam profile at the corresponding position along the beam direction (Full Width at Half Maximum, FWHM). Alternatively, the short-axis beam width can be specified here as the difference between the two intensity values of the beam profile in the short axis that have 90% of the maximum intensity of the beam profile at the corresponding position along the beam direction (Full Width at 90% of Maximum). The specified values offer an advantageous increase in the depth of field, while the beam quality in the short axis is maintained at a level that is well suited for common LLO and SLA applications.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Beleuchtungsstrahl in Strahlrichtung eine Strahltaille auf, wobei die optische Anordnung dazu eingerichtet ist, die Strahltaille im Bereich der Arbeitsebene zu erzeugen.In a further embodiment, the illumination beam has a beam waist in the beam direction, wherein the optical arrangement is designed to generate the beam waist in the region of the working plane.

Jeder reale Laserstrahl besitzt eine sogenannte Strahltaille. Dies ist in Ausbreitungs- bzw. Strahlrichtung des Laserstrahls diejenige Position, an der der Laserstrahl seinen minimalen Durchmesser oder Radius besitzt. Mit anderen Worten ändert sich der Durchmesser bzw. Radius eines realen Laserstrahls in Strahlrichtung. Mit zunehmender Entfernung von der Strahltaille vergrößert sich der Strahldurchmesser. Die Ausdehnung der Strahltaille in Strahlrichtung kann beispielsweise anhand der sogenannten Rayleigh-Länge quantifiziert werden. Die Rayleigh-Länge ist diejenige Entfernung vom Zentrum der Taille w₀, bei der sich der Radius des Strahls - üblicherweise gemessen am elektrischen Feld - um den Faktor √2 erhöht hat, denn es gilt $w (z) = w_{0} \sqrt{1 + \frac{Z^{2}}{Z_{R}^{2}}}$

wobei z_R die Rayleigh-Länge bezeichnet und w(z) der Strahlradius in der kurzen Achse ist. In dieser Ausgestaltung ist die optische Anordnung dazu eingerichtet, die Strahltaille im Bereich der Arbeitsebene, vorzugsweise in der Arbeitsebene zu platzieren. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Strahlprofil in der kurzen Achse ein Gaußprofil ist. Sie ermöglicht auf effiziente Weise eine hohe Energiedichte am Ort der Bearbeitung eines Werkstücks.Every real laser beam has a so-called beam waist. This is the position in the propagation or beam direction of the laser beam at which the laser beam has its minimum diameter or radius. In other words, the diameter or radius of a real laser beam changes in the beam direction. With increasing distance from the beam waist, the beam diameter increases. The extension of the beam waist in the beam direction can be quantified, for example, using the so-called Rayleigh length. The Rayleigh length is the distance from the center of the waist w ₀ at which the radius of the beam - usually measured in the electric field - has increased by a factor of √2, because

w (z) = w_{0} \sqrt{1 + \frac{Z^{2}}{Z_{R}^{2}}}

where z _R denotes the Rayleigh length and w(z) is the beam radius in the short axis. In this embodiment, the optical arrangement is designed to place the beam waist in the area of the working plane, preferably in the working plane. The embodiment is particularly advantageous if the beam profile in the short axis is a Gaussian profile. It efficiently enables a high energy density at the location where a workpiece is being processed.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein refraktives optisches Element, insbesondere eine prismatisch oder azylindrisch geschliffene Linse.In a further embodiment, the optical phase element includes a refractive optical element, in particular a prismatic or acylindrical ground lens.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Implementierung der neuen Vorrichtung. Insbesondere kann eine optische Anordnung entsprechend des eingangs genannten Standes der Technik durch Einbringen eines derartigen refraktiven optischen Elements, etwa einer im Profil keilförmigen azylindrischen Linse, modifiziert werden, um zu der neuen Vorrichtung zu kommen.This design enables a particularly simple and cost-effective implementation of the new device. In particular, an optical arrangement according to the prior art mentioned at the beginning can be modified by introducing such a refractive optical element, for example an acylindrical lens with a wedge-shaped profile, in order to arrive at the new device.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein diffraktives optisches Element.In a further embodiment, the optical phase element includes a diffractive optical element.

In dieser Ausgestaltung wird die axikonartige Phasenfront in der kurzen Achse mit Hilfe von Beugungseffekten erzeugt. In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein unregelmäßiges Gitter. Die Ausgestaltung ermöglicht eine Implementierung mit geringen optischen Verlusten und einer großen Toleranz in Bezug auf die Position des Phasenelements im Strahlengang der optischen Anordnung.In this embodiment, the axicon-like phase front in the short axis is generated by means of diffraction effects. In some embodiments of this embodiment, the optical Phase element is an irregular grating. The design enables an implementation with low optical losses and a large tolerance with respect to the position of the phase element in the beam path of the optical arrangement.

In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement einen räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM).In a further embodiment, the optical phase element contains a spatial light modulator (SLM).

Ein räumlicher Lichtmodulator ist ein Gerät, um Licht eine räumliche Modulation aufzuprägen. Er kann insbesondere eine Anordnung von Mikrospiegeln und/oder einen oder mehrere deformierbare Spiegel beinhalten. Ein solcher Lichtmodulator ermöglicht die Erzeugung einer sehr individuellen Phasenfront und erlaubt daher eine optimale Strahlformung.A spatial light modulator is a device for imparting spatial modulation to light. It can in particular contain an arrangement of micromirrors and/or one or more deformable mirrors. Such a light modulator enables the generation of a very individual phase front and therefore allows optimal beam shaping.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen auf, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen, wobei das optische Phasenelement in Strahlrichtung gesehen vor der Teleskopanordnung angeordnet ist.In a further embodiment, the optical arrangement has a telescope arrangement with at least two optical elements spaced apart from one another, which have an optical refractive power with respect to the short axis of the beam profile, wherein the optical phase element is arranged in front of the telescope arrangement as seen in the beam direction.

Diese Ausgestaltung ermöglicht auf recht einfache und kostengünstige Weise eine Erhöhung der Schärfentiefe um einen Faktor von etwa 2. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für LLO Anwendungen und andere Anwendungen, die mit einem gaußschen Strahlprofil in der kurzen Achse arbeiten, da der Einfluss des Phasenelements auf das Strahlprofil hier ohne Weiteres toleriert werden kann.This design enables an increase in the depth of field by a factor of about 2 in a quite simple and cost-effective manner. The design is particularly advantageous for LLO applications and other applications that work with a Gaussian beam profile in the short axis, since the influence of the phase element on the beam profile can be easily tolerated here.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen auf, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse des Strahlprofils besitzen, wobei das optische Phasenelement zwischen den zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen der Teleskopanordnung angeordnet ist.In a further embodiment, the optical arrangement comprises a telescope arrangement with at least two spaced-apart optical elements which have an optical refractive power with respect to the short axis of the beam profile, wherein the optical phase element is arranged between the at least two spaced-apart optical elements of the telescope arrangement.

In dieser Ausgestaltung ist das optische Phasenelement vorteilhaft in der Fernfeldebene der kurzen Achse angeordnet. Das Fernfeld kann hier in Bezug auf den Ausgang des Strahltransformators definiert sein und lässt sich entweder über eine Optik (Fokussierung) erreichen oder, indem man eine weit von der Austrittsapertur entfernte Ebene betrachtet. Typischerweise ist die Weglänge dabei viel größer als die Rayleigh-Länge des Austrittsstrahls aus dem Strahltransformator. Die Ausgestaltung eignet sich vor allem für Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil in der kurzen Achse, wie insbesondere SLA Anwendungen.In this design, the optical phase element is advantageously arranged in the far-field plane of the short axis. The far field can be defined in relation to the output of the beam transformer and can be achieved either via optics (focusing) or by looking at a plane far away from the exit aperture. Typically, the path length is much larger than the Rayleigh length of the exit beam from the beam transformer. The design is particularly suitable for applications with a top hat beam profile in the short axis, such as SLA applications in particular.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Objektivlinse mit Aberrationen im Randbereich auf, wobei der Beleuchtungsstrahl Strahlanteile aus dem Randbereich beinhaltet.In a further embodiment, the optical arrangement has an objective lens with aberrations in the edge region, wherein the illumination beam contains beam components from the edge region.

In dieser Ausgestaltung verwendet die Vorrichtung vorteilhaft eine optische Anordnung, die nicht-beugungsbegrenzt ist. Die Ausgestaltung nutzt Aberrationen im Randbereich der Objektivlinse in vorteilhafter Weise. Sie besitzt den Vorteil, dass die lokale Erwärmung der optischen Elemente aufgrund der großflächigen Ausleuchtung reduziert wird. Infolgedessen reduziert sich die thermisch bedingte Drift der Fokusposition, was bereits einen Vorteil darstellt. Darüber hinaus wird die Schärfentiefe durch die Einbeziehung der Strahlanteile aus dem Randbereich vergrößert, so dass hier zwei vorteilhafte Effekte zusammenkommen. Die Ausgestaltung ermöglicht die Implementierung der neuen Vorrichtung mit einer geringen Anzahl an optischen Elementen und erlaubt damit eine langfristig kostengünstige Realisierung. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft für SLA-Anwendungen und andere Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil in der kurzen Achse.In this embodiment, the device advantageously uses an optical arrangement that is not diffraction-limited. The design advantageously uses aberrations in the edge region of the objective lens. It has the advantage that the local heating of the optical elements is reduced due to the large-area illumination. As a result, the thermally induced drift of the focus position is reduced, which is already an advantage. In addition, the depth of field is increased by including the beam components from the edge region, so that two advantageous effects come together here. The design enables the implementation of the new device with a small number of optical elements and thus allows a cost-effective implementation in the long term. The design is particularly advantageous for SLA applications and other applications with a top hat beam profile in the short axis.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung zumindest eine plan-konvexe Linse mit einer ersten planen Seite und einer zweiten konvexen Seite auf, wobei die konvexe Seite auf die Arbeitsebene gerichtet ist.In a further embodiment, the optical arrangement has at least one plano-convex lens with a first planar side and a second convex side, wherein the convex side is directed towards the working plane.

Besonders vorteilhaft ist die plan-konvexe Linse am optischen Ausgang der Vorrichtung angeordnet. Sie kann insbesondere das letzte optische Element der optischen Anordnung in Strahlrichtung sein. Üblicherweise würde eine solche plan-konvexe Linse in einer gattungsgemäßen Vorrichtung umgekehrt platziert, so dass sie mit ihrer planen Seite zu der Arbeitsebene weist. Die bevorzugte Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Aberrationen aus dem Randbereich der Linse noch effektiver ausgenutzt werden. Die zumindest eine Linse kann in einigen Ausführungsbeispielen mehreren Einzellinsen beinhalten, von denen zumindest eine plan-konvex und in der genannten Ausrichtung angeordnet ist.The plano-convex lens is particularly advantageously arranged at the optical output of the device. In particular, it can be the last optical element of the optical arrangement in the beam direction. Usually, such a plano-convex lens would be placed upside down in a generic device so that its flat side faces the working plane. The preferred arrangement has the advantage that the aberrations from the edge region of the lens are utilized even more effectively. In some embodiments, the at least one lens can contain several individual lenses, of which at least one is plano-convex and arranged in the aforementioned orientation.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1a und 1b eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 eine vereinfachte Darstellung eines Strahlprofils zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels und weiterer Ausführungsbeispiele,
3 eine vereinfachte Darstellung der Strahltaille und Taillenlänge gemäß einigen Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung,
4a und 4b eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung, und
5a und 5b eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung.

Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. They show:

1a and 1b a schematic representation of a first embodiment of the new device,
2 a simplified representation of a beam profile to explain the first embodiment and further embodiments,
3 a simplified representation of the beam waist and waist length according to some embodiments of the new device,
4a and 4b a schematic representation of a second embodiment of the new device, and
5a and 5b a schematic representation of another embodiment of the new device.

In 1a und 1b ist ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. 1a zeigt die Vorrichtung 10 in einer vereinfachten Darstellung mit einem Blick von oben auf die Laserlinie 12, die hier im Bereich einer Arbeitsebene 14 platziert ist. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Laserlichtquelle 16, die beispielsweise ein Festkörperlaser sein kann, der Laserlicht im Infrarotbereich oder im UV-Bereich erzeugt. Beispielsweise kann die Laserlichtquelle 16 einen Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 1030 nm beinhalten. In weiteren Beispielen kann die Laserlichtquelle 16 Diodenlaser, Excimerlaser oder Festkörperlaser beinhalten, die Laserlicht mit Wellenlängen zwischen 300 nm und 350 nm, 500 nm und 530 nm oder 900 nm bis 1070 nm erzeugen.In 1a and 1b A first embodiment of the new device is designated in its entirety by the reference number 10. 1a shows the device 10 in a simplified representation with a view from above of the laser line 12, which is placed here in the area of a working plane 14. The device 10 has a laser light source 16, which can be, for example, a solid-state laser that generates laser light in the infrared range or in the UV range. For example, the laser light source 16 can include an Nd:YAG laser with a wavelength in the range of 1030 nm. In further examples, the laser light source 16 can include diode lasers, excimer lasers or solid-state lasers that generate laser light with wavelengths between 300 nm and 350 nm, 500 nm and 530 nm or 900 nm to 1070 nm.

1b zeigt die Vorrichtung 10 von der Seite, d.h. mit einem Blick auf die kurze Achse der Laserlinie 12. Im Folgenden wird die Strahlrichtung des Laserstrahls mit der Koordinatenachse z angegeben. Die Laserlinie 12 verläuft in Richtung der x-Achse und die Linienbreite wird in Richtung der y-Achse betrachtet. Dementsprechend bezeichnet die x-Achse im Folgenden die lange Achse des Strahlprofils und die y-Achse bezeichnet die kurze Achse des Strahlprofils. 1b shows the device 10 from the side, ie with a view of the short axis of the laser line 12. In the following, the beam direction of the laser beam is indicated with the coordinate axis z. The laser line 12 runs in the direction of the x-axis and the line width is considered in the direction of the y-axis. Accordingly, the x-axis denotes the long axis of the beam profile and the y-axis denotes the short axis of the beam profile.

Die Laserlichtquelle 16 erzeugt einen Laser-Rohstrahl 18, der im weiteren Verlauf mit einer optischen Anordnung 20 zu einem Beleuchtungsstrahl 22 mit der Strahlrichtung 23 umgeformt wird. Die optische Anordnung 20 beinhaltet hier eine Strahlführungseinheit 24, die in einigen Ausführungsbeispielen einen Kollimator beinhalten kann, der den Laser-Rohstrahl 18 kollimiert, sowie einen Strahlumformer und Homogenisierer, die hier vereinfacht gemeinsam mit der Bezugsziffer 26 bezeichnet sind. Der Strahlumformer und Homogenisierer 26 weitet den (kollimierten) Laser-Rohstrahl 18 in der x-Achse auf, um die lange Achse der Laserlinie 12 zu erzeugen. Außerdem erzeugt der Strahlumformer und Homogenisierer 26 ein transversales Strahlprofil 28, wie es in einer vereinfachten Darstellung in 2 gezeigt ist. Wie gezeigt, besitzt das Strahlprofil 28 eine lange Achse 30 mit einer Langachsstrahlbreite 31 in x-Richtung und eine kurze Achse 32 mit einer Kurzachsstrahlbreite 33 in y-Richtung. In der vertikalen Koordinatenachse ist hier die Intensität I des Laserstrahls angegeben. Die Kurzachsstrahlbreite 33 ist hier beispielhaft als Halbwertsbreite (FWHM) dargestellt. Das Strahlprofil kann abweichend von dem hier vereinfacht dargestellten trapezförmigen Intensitätsverlauf ein Gaußprofil oder ein Top Hat Profil, allerdings mit endlicher Flankensteilheit sein.The laser light source 16 generates a raw laser beam 18, which is subsequently converted into an illumination beam 22 with the beam direction 23 using an optical arrangement 20. The optical arrangement 20 here includes a beam guidance unit 24, which in some embodiments can include a collimator that collimates the raw laser beam 18, as well as a beam converter and homogenizer, which are referred to here in simplified form together with the reference number 26. The beam converter and homogenizer 26 expands the (collimated) raw laser beam 18 in the x-axis in order to generate the long axis of the laser line 12. In addition, the beam converter and homogenizer 26 generates a transverse beam profile 28, as shown in a simplified representation in 2 As shown, the beam profile 28 has a long axis 30 with a long axis beam width 31 in the x-direction and a short axis 32 with a short axis beam width 33 in the y-direction. The intensity I of the laser beam is indicated here in the vertical coordinate axis. The short axis beam width 33 is shown here as a half-width (FWHM) as an example. In contrast to the trapezoidal intensity profile shown here in a simplified manner, the beam profile can be a Gaussian profile or a top hat profile, but with a finite edge steepness.

Zur Bearbeitung eines Werkstücks (hier nicht dargestellt) kann das Strahlprofil 28 mit der Vorrichtung 10 relativ zu der Arbeitsebene 14 bewegt werden, beispielsweise in y-Richtung. In Bezug auf weitere Details der Vorrichtung 10 wird auf die eingangs genannte WO 2018/019374 A1 verwiesen, die hier durch die Bezugnahme aufgenommen ist. Insbesondere sind der Strahlumformer und Homogenisierer 26 in einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen in der Weise realisiert, wie dies in WO 2018/019374 A1 beschrieben ist. Beispielsweise kann der Strahlumformer und Homogenisierer 26 dementsprechend ein transparentes, monolithisches, plattenförmiges Element mit einer Vorderseite und einer Rückseite beinhalten, die im Wesentlichen parallel zueinanderstehen und unter einem spitzen Winkel (hier nicht dargestellt) zu der optischen Achse 34 der optischen Anordnung 20 angeordnet sind. Die Vorderseite und die Rückseite können jeweils eine reflektierende Beschichtung aufweisen, so dass der kollimierte Rohstrahl 18 an der Vorderseite schräg in das plattenförmige Element eingekoppelt wird und darin mehrfache Reflexionen erfährt, bevor der Strahl aufgefächert an der Rückseite austritt und homogenisiert wird. Der Strahlumformer und Homogenisierer 26 kann ein weiteres optisches Element mit zahlreichen Linsen beinhalten (hier nicht dargestellt), das den aufgefächerten Beleuchtungsstrahl insbesondere in der langen Achse 30 formt. Alternativ kann der Strahlumformer und Homogenisierer 26 in einer Weise realisiert sein, wie dies in der eingangs genannten DE 10 2018 200 078 A1 beschrieben ist, die hier ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Dementsprechend kann die optische Anordnung weitere optische Elemente beinhalten, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind und die insbesondere der Strahlformung in der langen Achse dienen.To machine a workpiece (not shown here), the beam profile 28 can be moved with the device 10 relative to the working plane 14, for example in the y-direction. With regard to further details of the device 10, reference is made to the above-mentioned WO 2018/019374 A1 which is incorporated herein by reference. In particular, the beam transformer and homogenizer 26 are realized in some advantageous embodiments in the manner shown in WO 2018/019374 A1 is described. For example, the beam converter and homogenizer 26 can accordingly include a transparent, monolithic, plate-shaped element with a front and a back that are essentially parallel to each other and are arranged at an acute angle (not shown here) to the optical axis 34 of the optical arrangement 20. The front and the back can each have a reflective coating, so that the collimated raw beam 18 is coupled obliquely into the plate-shaped element at the front and experiences multiple reflections therein before the beam emerges at the back in a fanned-out manner and is homogenized. The beam converter and homogenizer 26 can include a further optical element with numerous lenses (not shown here), which shapes the fanned-out illumination beam in particular in the long axis 30. Alternatively, the beam converter and homogenizer 26 can be realized in a manner as described in the above-mentioned DE 10 2018 200 078 A1 which is also incorporated herein by reference. Accordingly, the optical arrangement may include further optical elements which are not shown here for reasons of clarity and which serve in particular for beam shaping in the long axis.

Die optische Anordnung 20 beinhaltet hier eine Teleskopanordnung mit einem ersten optischen Element 36 und einem zweiten optischen Element 38. Die Teleskopanordnung besitzt eine optische Brechkraft, die vor allem die kurze Achse 32 des Strahlprofils 28 beeinflusst. Sie ist dazu eingerichtet, das Strahlprofil 28 in der kurzen Achse 32 zu formen. Der so umgeformte Laserstrahl beleuchtet hier eine Objektivlinse 40, die das Strahlprofil 28 dann mit Hilfe des Beleuchtungsstrahls 22 an eine definierte Position 42 im Bereich der Arbeitsebene 14 fokussiert.The optical arrangement 20 here includes a telescope arrangement with a first optical element 36 and a second optical element 38. The telescope arrangement has an optical refractive power which mainly focuses the short axis 32 of the beam profile 28. It is designed to form the beam profile 28 in the short axis 32. The laser beam thus formed illuminates an objective lens 40, which then focuses the beam profile 28 with the aid of the illumination beam 22 to a defined position 42 in the area of the working plane 14.

Wie in 1b angedeutet ist, besitzt der Beleuchtungsstrahl 22 in Strahlrichtung eine objektseitige Strahltaille 44, die hier im Bereich der Arbeitsebene 14 positioniert ist (vgl. 3). Sie kann jedoch auch vor oder nach der Arbeitsebene liegen. Die Strahltaille 44 hat eine Taillenlänge, die beispielsweise anhand der beidseitigen Rayleigh-Länge quantifiziert sein kann.As in 1b As indicated, the illumination beam 22 has an object-side beam waist 44 in the beam direction, which is positioned here in the area of the working plane 14 (cf. 3 ). However, it can also be located before or after the working plane. The beam waist 44 has a waist length that can be quantified, for example, using the bilateral Rayleigh length.

In einigen Ausführungsbeispielen kann die Taillenlänge über eine prozentuale Zunahme 48 quantifiziert sein, d.h. die Taillenlänge entspricht dann dem longitudinalen Abstand derjenigen Punkte, an denen der Strahldurchmesser in y-Richtung um einen definierten Prozentsatz gegenüber dem minimalen Strahldurchmesser in der kurzen Achse zugenommen hat. Der definierte Prozentsatz kann in einigen Ausführungsbeispielen kleiner oder gleich 10% sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Taillenlänge der Schärfentiefe 46 entsprechen.In some embodiments, the waist length can be quantified via a percentage increase 48, i.e. the waist length then corresponds to the longitudinal distance of those points at which the beam diameter in the y-direction has increased by a defined percentage compared to the minimum beam diameter in the short axis. The defined percentage can be less than or equal to 10% in some embodiments. In some embodiments, the waist length can correspond to the depth of field 46.

Aufgrund der Beleuchtung mit dem energiereichen Laserstrahl erwärmen sich die optischen Elemente 36, 38, 40. Die Erwärmung kann dazu führen, dass sich thermische Linsen bilden. Thermische Linsen entstehen durch die Absorption von Laserlicht in der optischen Anordnung. Die lokale Temperaturerhöhung kann insbesondere dann signifikant sein, wenn Laserlichtquellen mit mehreren kW Leistung eingesetzt werden. Die geringe thermische Leitfähigkeit optischer Materialien bewirkt einen starken Temperaturgradienten. Der resultierende Brechungsindexgradient und die thermische Ausdehnung des Materials wirken dann wie eine zusätzliche Linse. Diese thermischen Linsen haben zur Folge, dass sich die definierte Position 42 bzw. die Fokusposition des Beleuchtungsstrahls 22 um eine Driftlänge 50 verschiebt. Die Verschiebung der definierten Position kann insbesondere nach dem Einschalten der Laserlichtquelle 16 auftreten, wenn die optischen Elemente nach längerer Unterbrechung erstmalig wieder mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden, aber auch wenn sich die Betriebsleistung der Laserlichtquelle 16 verändert, weil beispielsweise von einem Betrieb mit niedriger Leistung auf einen Betrieb mit höherer Leistung umgeschaltet wird.Due to the illumination with the high-energy laser beam, the optical elements 36, 38, 40 heat up. The heating can lead to the formation of thermal lenses. Thermal lenses are formed by the absorption of laser light in the optical arrangement. The local temperature increase can be significant, especially when laser light sources with several kW of power are used. The low thermal conductivity of optical materials causes a strong temperature gradient. The resulting refractive index gradient and the thermal expansion of the material then act like an additional lens. These thermal lenses result in the defined position 42 or the focus position of the illumination beam 22 being shifted by a drift length 50. The shift in the defined position can occur in particular after the laser light source 16 is switched on, when the optical elements are exposed to the laser beam for the first time again after a long interruption, but also when the operating power of the laser light source 16 changes, for example because it is switched from operation with low power to operation with higher power.

Die Vorrichtung 10 gemäß 1a und 1b besitzt aus diesem Grund ein optisches Phasenelement 52 im Strahlengang. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a und 1b ist das Phasenelement 52 vor der Kurzachs-Teleskopanordnung mit den optischen Elementen 36, 38 angeordnet. Das Phasenelement 52 prägt dem Laserstrahl, der die Objektivlinse 40 beleuchtet, eine axikonartige (allerdings nicht rotationssymmetrische) Phasenfront in Bezug auf die kurze Achse auf. Das hat zur Folge, dass der Laserstrahl transversal zur optischen Achse 34 der Anordnung 20 Ringanteile erhält. Außerdem führen die Ringanteile dazu, dass das Kurzachsprofil in der Strahlrichtung z mehrfach hintereinander in die Arbeitsebene 14 abgebildet wird. Dadurch wird die Schärfentiefe in Strahlrichtung gezielt verlängert. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schärfentiefe 46 so dimensioniert, dass sie größer als die Driftlänge 50 ist, wie dies in 3 vereinfacht dargestellt ist. Die Schärfentiefe entspricht hier der Taillenlänge 46, was aber nicht in allen Ausführungsbeispielen der Fall sein muss.The device 10 according to 1a and 1b For this reason, it has an optical phase element 52 in the beam path. In the embodiment according to 1a and 1b the phase element 52 is arranged in front of the short-axis telescope arrangement with the optical elements 36, 38. The phase element 52 imparts an axicon-like (but not rotationally symmetrical) phase front to the laser beam illuminating the objective lens 40 in relation to the short axis. This results in the laser beam receiving ring components transverse to the optical axis 34 of the arrangement 20. In addition, the ring components lead to the short-axis profile being imaged several times in succession in the beam direction z into the working plane 14. This deliberately lengthens the depth of field in the beam direction. In the preferred embodiments, the depth of field 46 is dimensioned such that it is greater than the drift length 50, as shown in 3 shown in a simplified manner. The depth of field here corresponds to waist length 46, but this does not have to be the case in all embodiments.

In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen wird die Schärfentiefe 46 anhand der variierenden Kurzachsstrahlbreite 33 entlang der Strahlrichtung 23 definiert. Die Kurzachsstrahlbreite 33 variiert entlang der Strahlrichtung und besitzt an einer Stelle einen Maximalwert, der in 3 beispielhaft mit dem Zentrum der Strahltaille zusammenfällt. Die Schärfentiefe definiert das nutzbare Prozessfenster in Strahlrichtung. Am vorderen Ende und am hinteren Ende des Prozessfensters ist die Kurzachsstrahlbreite jeweils um 10% kleiner als der Maximalwert der Kurzachsstrahlbreite, vorzugsweise jeweils um 5% kleiner als der Maximalwert und besonders bevorzugt jeweils um 1% kleiner als der Maximalwert. Da die Driftlänge 50 kleiner als die Schärfentiefe 46 ist, wird das Strahlprofil 28 für die Bearbeitung eines Werkstücks im Prozessfenster gehalten, auch wenn sich die Fokusebene infolge von thermischen Linsen verschiebt. Die Platzierung des Phasenelements 52 im Strahlengang vor der Teleskopanordnung für die kurze Achse 32 ist besonders vorteilhaft für LLO Anwendungen und andere Anwendungen mit einem gaußförmigen Strahlprofil in der kurzen Achse 32.In some advantageous embodiments, the depth of field 46 is defined by the varying short-axis beam width 33 along the beam direction 23. The short-axis beam width 33 varies along the beam direction and has a maximum value at one point, which in 3 coincides, for example, with the center of the beam waist. The depth of field defines the usable process window in the beam direction. At the front end and at the rear end of the process window, the short-axis beam width is 10% smaller than the maximum value of the short-axis beam width, preferably 5% smaller than the maximum value, and particularly preferably 1% smaller than the maximum value. Since the drift length 50 is smaller than the depth of field 46, the beam profile 28 for machining a workpiece is kept in the process window, even if the focal plane shifts as a result of thermal lensing. The placement of the phase element 52 in the beam path in front of the telescope arrangement for the short axis 32 is particularly advantageous for LLO applications and other applications with a Gaussian beam profile in the short axis 32.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4a und 4b ist das Phasenelement 52 zwischen den optischen Elementen 36, 38 der Teleskopanordnung für die kurze Achse angeordnet. In diesem Fall beeinflusst das Phasenelement 52 vor allem das Fernfeld der kurzen Achse 32 des Strahlprofils 28. Eine solche Platzierung des Phasenelements 52 ist vorteilhaft für SLA Anwendungen und andere Anwendungen mit einem Top Hat Strahlprofil.In the embodiment according to 4a and 4b the phase element 52 is arranged between the optical elements 36, 38 of the telescope arrangement for the short axis. In this case, the phase element 52 primarily influences the far field of the short axis 32 of the beam profile 28. Such a placement of the phase element 52 is advantageous for SLA applications and other applications with a top hat beam profile.

Das Phasenelement 52 kann in den Ausführungsbeispielen der 1a und 1b und 4a und 4b jeweils mit einem oder mehreren refraktiven optischen Elementen, einem oder mehreren diffraktiven optischen Elementen und/oder mit einem räumlichen Lichtmodulator implementiert sein.The phase element 52 can be used in the embodiments of 1a and 1b and 4a and 4b each be implemented with one or more refractive optical elements, one or more diffractive optical elements and/or with a spatial light modulator.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 5a und 5b kommt ohne ein dezidiertes Phasenelement 52 aus. Vielmehr werden hier gezielt Aberrationen der optischen Elemente, insbesondere aus dem Randbereich der Objektivlinse 40, ausgenutzt, um eine größere Schärfentiefe 46 zu erreichen. Prinzipiell könnte darüber hinaus noch ein dezidiertes Phasenelement in Kombination verwendet sein (hier nicht dargestellt). Vorteilhaft ist die optische Anordnung 20 in diesem Ausführungsbeispiel nicht beugungsbegrenzt. Der aufgefächerte Laserstrahl beleuchtet die Objektivlinse 40 hier bis in den Randbereich hinein, beispielsweise bis in den Randbereich der äußeren 20% des Linsenradius in der Ansicht auf die kurze Achse. Dies allein besitzt bereits den Vorteil, dass sich die Strahlungsleistung des Laserstrahls über eine größere Linsenfläche verteilt und sich die Objektivlinse 40 lokal weniger stark aufheizt. Aus diesem Grund reduziert dieses Ausführungsbeispiel die Driftlänge in vorteilhafter Weise. Darüber hinaus führen die Aberrationen aus dem Randbereich der Objektivlinse dazu, dass die Schärfentiefe erhöht ist. Der Quotient von Driftlänge 50 zu Schärfentiefe 46 wird günstig beeinflusst. Eine damit einhergehende Verschlechterung der Strahlqualität in der kurzen Achse kann in vielen Anwendungen toleriert werden.The embodiment according to 5a and 5b does not require a dedicated phase element 52. Rather, aberrations of the optical elements, in particular from the edge region of the objective lens 40, are specifically exploited in order to achieve a greater depth of field 46. In principle, a dedicated phase element could also be used in combination (not shown here). Advantageously, the optical arrangement 20 in this embodiment is not diffraction-limited. The fanned-out laser beam illuminates the objective lens 40 here up to the edge region, for example up to the edge region of the outer 20% of the lens radius when viewed on the short axis. This alone has the advantage that the radiation power of the laser beam is distributed over a larger lens surface and the objective lens 40 heats up less locally. For this reason, this embodiment advantageously reduces the drift length. In addition, the aberrations from the edge region of the objective lens lead to the depth of field being increased. The quotient of drift length 50 to depth of field 46 is favorably influenced. The resulting deterioration of beam quality in the short axis can be tolerated in many applications.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet die Objektivlinse 40 eine plan-konvexe Linse, die mit der konvexen Seite 54 zu der Arbeitsebene 14 gerichtet ist, während die plane Seite 56 in Richtung der Teleskopanordnung 36, 38 zeigt. Diese Ausrichtung der Objektivlinse ist für eine optische Anordnung einer gattungsgemäßen Vorrichtung sehr ungewöhnlich. Sie verstärkt jedoch den Effekt der sphärischen Aberrationen aus dem Randbereich der Objektivlinse 40.In preferred embodiments, the objective lens 40 includes a plano-convex lens, which is directed with the convex side 54 towards the working plane 14, while the planar side 56 points in the direction of the telescope arrangement 36, 38. This orientation of the objective lens is very unusual for an optical arrangement of a generic device. However, it increases the effect of the spherical aberrations from the edge region of the objective lens 40.

Das Designkriterium der Objektivlinse richtet sich nach der gewünschten longitudinalen Verschiebung. Aberrationen der Wellenfront W(y_p) lassen sich umrechnen in longitudinale Aberrationen $Δ s' = \frac{R^{2}}{n' y_{p}} \frac{\partial W (y_{p})}{\partial y_{p}}$

wobei Δs' die longitudinale Verschiebung, n' der bildseitige Brechungsindex, R der Radius der Referenzkugel und y_p die Pupillenkoordinate ist.The design criterion of the objective lens depends on the desired longitudinal displacement. Aberrations of the wavefront W(y _p ) can be converted into longitudinal aberrations

Δ s' = \frac{R^{2}}{n' y_{p}} \frac{\partial W (y_{p})}{\partial y_{p}}

where Δs' is the longitudinal displacement, n' is the image-side refractive index, R is the radius of the reference sphere and y _p is the pupil coordinate.

Im Falle einer Zylinderlinse betragen die Aberrationen der Wellenfront W_sph (y_p)∝y_p ⁴. Dementsprechend beträgt die gesamte longitudinale Verschiebung in Luft Δs' = a R²y_p ². Hierbei skaliert a den Grad der sphärischen Aberration und hängt von dem Objektivdesign ab.In the case of a cylindrical lens, the aberrations of the wavefront are W _sph (y _p )∝y _p ⁴ . Accordingly, the total longitudinal displacement in air is Δs' = a R ² y _p ² . Here, a scales the degree of spherical aberration and depends on the lens design.

Bei einer gaußschen Beleuchtung y_p der Objektivlinse mit charakteristischer Brennweite f wird eine thermische Brechkraft von $D_{t h} = α \frac{γ}{κ} \sqrt{2 / π} \frac{1}{L_{x} y_{p}} P_{0}$

generiert. Hierbei ist α die Absorption des Arbeitsstücks, ĸ die thermische Leitfähigkeit des Materials, L_x die Linienlänge entlang langer Achse und y_p der Strahlradius der Ausleuchtung. Die Änderung des Brechungsindex sowie die Ausdehnung des Glases sind in der Konstanten γ zusammengefasst,

γ = \frac{d n}{d T} + (n_{0} - 1) \frac{1}{L} \frac{d L}{d T}

P₀ ist hier die Laserleistung. Die thermische Linse verursacht eine Fokusverschiebung in der Größenordnung

δ f = f^{2} D_{t h} = α \frac{γ}{κ} \sqrt{2 / π} \frac{P_{0}}{L_{x} y_{p}} f^{2}

For a Gaussian illumination y _p of the objective lens with characteristic focal length f, a thermal refractive power of

D_{t h} = α \frac{γ}{κ} \sqrt{2 / π} \frac{1}{L_{x} y_{p}} P_{0}

generated. Here, α is the absorption of the workpiece, ĸ is the thermal conductivity of the material, L _x is the line length along the long axis and y _p is the beam radius of the illumination. The change in the refractive index and the expansion of the glass are summarized in the constant γ,

γ = \frac{d n}{d T} + (n_{0} - 1) \frac{1}{L} \frac{d L}{d T}

P ₀ is the laser power. The thermal lens causes a focus shift of the order of magnitude

δ f = f^{2} D_{t h} = α \frac{γ}{κ} \sqrt{2 / π} \frac{P_{0}}{L_{x} y_{p}} f^{2}

Gleichzeitig ist der in die Arbeitsebene einfallende Strahl entlang der kurzen Achse gekennzeichnet durch eine Schärfentiefe, welche näherungsweise mit der Ausleuchtung y_p und dem Strahldurchmesser FW der kurzen Achse in der Arbeitsebene skaliert, d.h. $D O F ~ \frac{F W}{y_{p}} f$

At the same time, the beam incident on the working plane is characterized along the short axis by a depth of field which scales approximately with the illumination y _p and the beam diameter FW of the short axis in the working plane, i.e.

D O F ~ \frac{F W}{y_{p}} f

Vergrößert man die Breite FW der kurzen Achse, vergrößert sich auch die Schärfentiefe. Je geringer die Ausleuchtung, desto größer die Schärfentiefe. Entsprechend ergibt sich das Verhältnis $Q = \frac{δ f}{D O F} ~ \frac{P_{0}}{F W} f$

If the width FW of the short axis is increased, the depth of field also increases. The lower the illumination, the greater the depth of field. The ratio is accordingly

Q = \frac{δ f}{D O F} ~ \frac{P_{0}}{F W} f

Die Leistungsdichte P₀/FW ist eine Konstante und über den Prozess vordefiniert. Die Brennweite f ergibt sich aus dem Arbeitsabstand. D.h. im beugungsbegrenzten Fall ist der Quotient aus Fokusverschiebung und Schärfentiefe unabhängig von der Ausleuchtung y_p. Hingegen fällt die Schärfentiefe in den Ausführungsbeispielen der neuen Vorrichtung weniger stark mit der Ausleuchtung ab. Entsprechend ist der Quotient Q eine Funktion von y_p und nicht mehr unabhängig davon. Der Quotient Q ist damit kleiner als 1, vorzugsweise viel kleiner als 1.The power density P ₀ /FW is a constant and predefined by the process. The focal length f is the result of the working distance. This means that in the diffraction-limited case, the quotient of focus shift and depth of field is independent of the illumination y _p . In contrast, the depth of field in the embodiments of the new device decreases less with the illumination. Accordingly, the quotient Q is a function of y _p and no longer independent of it. The quotient Q is therefore less than 1, preferably much less than 1.

Claims

Device for generating a defined laser line (12) on a working plane (14), with a laser light source (16) which is arranged is to generate a raw beam (18), with an optical arrangement (20) which receives the raw beam (18) and transforms it into an illumination beam (22) which strikes the working plane (14), wherein the illumination beam (22) defines a beam direction (23) which intersects the working plane (14), and wherein the illumination beam (22) has a beam profile (28) which, perpendicular to the beam direction (23), has a long axis (30) with a long-axis beam width (31) and a short axis (32) with a short-axis beam width (33), wherein the optical arrangement (20) has a number of optical elements (36, 38, 40) which focus the beam profile (28) to a defined position (42) in the region of the working plane (14), wherein the defined position (42) changes as a result of heating of the optical elements (36, 38, 40) is shifted by a drift length (50) depending on the operating power and/or operating time of the laser light source (16), wherein the short-axis beam width (33) of the beam profile (28) varies along the beam direction (23) and thereby defines a usable process window and the optical arrangement (20) is designed to produce the usable process window with a depth of field (46) in the beam direction which is greater than the drift length (50), characterized in that the optical arrangement (20) has an optical phase element (52) which impresses an axicon-like phase front on the illumination beam (22).

device according to claim 1 , characterized in that the short-axis beam width (33) has a maximum value along the beam direction (23) and that the process window has a front end and a rear end in the beam direction, wherein the short-axis beam width (33) at the front end and at the rear end is each up to 10% smaller than the maximum value, preferably each up to 5% smaller than the maximum value and particularly preferably each 1% smaller than the maximum value.

device according to claim 1 or 2 , characterized in that the optical elements (36, 38, 40) have an optical refractive power with respect to the short axis (32) of the beam profile (28) and are fixed relative to one another.

Device according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the illumination beam (22) has a beam waist (44) in the beam direction, wherein the optical arrangement (20) is adapted to generate the beam waist (44) in the region of the working plane (14).

Device according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the optical phase element (52) contains a refractive optical element, in particular a prismatic or acylindrical ground lens.

Device according to claim one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the optical phase element (52) includes a diffractive optical element.

Device according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the optical phase element (52) includes a spatial light modulator.

Device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the optical arrangement (20) has a telescope arrangement with at least two spaced-apart optical elements (36, 38) which have an optical refractive power with respect to the short axis (32) of the beam profile (28), wherein the optical phase element (52) is arranged in front of the telescope arrangement as seen in the beam direction.

Device according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that the optical arrangement (20) comprises a telescope arrangement with at least two spaced-apart optical elements (36, 38) having an optical refractive power with respect to the short axis (32) of the beam profile (28), wherein the optical phase element (52) is arranged between the at least two spaced-apart optical elements (36, 38) of the telescope arrangement.

Device according to one of the Claims 1 until 9 , characterized in that the optical arrangement (20) has an objective lens (40) with aberrations in the edge region, wherein the illumination beam (22) contains beam components from the edge region.

Device according to one of the Claims 1 until 10 , characterized in that the optical arrangement (20) has at least one plano-convex lens (40) with a first planar side (56) and a second convex side (54), wherein the convex side (54) is directed towards the working plane (14).

device according to claim 11 , characterized in that the at least one plano-convex lens (40) is a closing element of the optical arrangement (20) in the beam direction.