DE102017008454B4

DE102017008454B4 - Arrangement for generating spatially and temporally addressable radiation fields of high power / energy

Info

Publication number: DE102017008454B4
Application number: DE102017008454.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-10
Filing date: 2017-09-10
Publication date: 2019-05-02
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: DE102017008454A1

Abstract

Anordnung zur Verstärkung von räumlich und zeitlich adressierbaren Strahlungsfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserstrahlquelle geringer Leistung/Energie, ein räumlicher Modulator, eine Abbildungsoptik und ein erstes Verstärkungsmedium verwendet werden, wobei mittels der Laserstrahlquelle und des räumlichen Modulators ein Strahlungsfeld mit räumlich und zeitlich adressierbaren Phasen generiert wird, wobei das Strahlungsfeld (11) mit einer Abbildungsoptik (61) in das erste Verstärkungsmedium (81) abgebildet wird, wobei die Abbildungsoptik (61) so ausgelegt wird, dass sie eine Magnifikation aufweist, mit der das erste Verstärkungsmedium (81) durch das Strahlungsfeld (14) gut gefüllt wird, und dass die Phasen bis auf eine Skalierung durch die Magnifikation gleich wie die vom Strahlungsfeld (11) unmittelbar am Austritt des räumlichen Modulators ist, wobei die Leistung/Energie des Strahlungsfeldes nach dem Durchgang durch das Verstärkungsmedium gesteigert wird, wobei eine Optik (71) hinter dem Verstärkungsmedium angeordnet wird, mit der eine räumlich und zeitich adressierbare Intensitätsverteilung (31) in deren Fokusbereich erzeugt wird.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields, characterized in that a laser power source low power / energy, a spatial modulator, an imaging optics and a first gain medium are used, wherein by means of the laser beam source and the spatial modulator, a radiation field with spatially and temporally addressable phases wherein the radiation field (11) is imaged with an imaging optics (61) in the first gain medium (81), wherein the imaging optics (61) is designed so that it has a magnification, with the first gain medium (81) through the radiation field (14) is well filled, and that the phases are the same as those of the radiation field (11) immediately at the exit of the spatial modulator except for scaling by the magnification, the power / energy of the radiation field being increased after passing through the gain medium is, where egg ne optics (71) behind the gain medium is arranged, with a spatially and temporally addressable intensity distribution (31) is generated in the focus area.

Description

Zur Bebilderung oder zur flexiblen und parallelen Bearbeitung von Materialien werden Strahlungsfelder räumlich und zeitlich einstellbarer Amplitude, Intensität oder Energie erforderlich. Ein Strahlungsfeld mit einer definierten Phasenverteilung oder/und Intensitätsverteilung und/oder Polarisationsverteilung kann z. B. durch Verwendung eines Laserstrahls und eines räumlichen Modulators (SLM) generiert werden. Ein einfachstes Beispiel ist ein Array aus Flüssigkristallen, mit dem die Phasen, die Intensität oder die Polarisation eines Strahlungsfeldes räumlich und zeitlich gemäß Vorgaben eingestellen werden. Das Array von Flüssigkristallen kann auch zur räumlichen und zeitlichen Veränderung der Polarisation des Strahlfeldes verwendet werden. Unter Verwendung eines Polarisators kann damit die Intensitätsverteilung örtlich und zeitlich moduliert werden. Beispiele für räumliche Modulatoren sind LCD-Matrix oder Mikrospiegel-Matrix.For imaging or for the flexible and parallel processing of materials, radiation fields of spatially and temporally adjustable amplitude, intensity or energy are required. A radiation field with a defined phase distribution and / or intensity distribution and / or polarization distribution can, for. B. by using a laser beam and a spatial modulator (SLM) are generated. A simplest example is an array of liquid crystals, with which the phases, intensity or polarization of a radiation field can be set spatially and temporally according to specifications. The array of liquid crystals can also be used to spatially and temporally change the polarization of the beam field. Using a polarizer, the intensity distribution can be locally and temporally modulated. Examples of spatial modulators are LCD matrix or micromirror matrix.

Allerdings ist die Belastbarkeit solcher Modulatoren sehr limitiert. Damit sind sie nur für Strahlungsfelder geringer bis mittlere Leistung/Energie verwendbar. In dieser vorliegenden Erfindung werden optische Anordnungen vorgeschlagen, mit denen das von einem Laser und einem räumlichen Modulator erzeugten Strahlungsfeld geringer Leistung effizient und unter Beibehaltung der Phasen- und/oder Intensitätsverteilung verstärkt werden kann.However, the load capacity of such modulators is very limited. Thus, they can only be used for radiation fields low to medium power / energy. In this present invention, optical arrangements are proposed with which the radiation field of low power generated by a laser and a spatial modulator can be amplified efficiently while maintaining the phase and / or intensity distribution.

Die Druckschrift D1, DE 10 2016 104 331 B3 , beschreibt eine Beleuchtungsvorrichtung zur Musterung einer Oberfläche eines in einer Probenebene (P) positionierten Substrates (26) durch Bestrahlung der Substratoberfläche mit einem dem einzubringenden Muster entsprechenden Beleuchtungsmuster einer Energiedichte oberhalb einer Prozessschwelle der Substratoberfläche aus einem Seed-Laser (14), einem dynamischen Strahlmodulator (26) zur räumlichen Modualtion des Seed-Lasers, einer ersten Abbildungsoptik (18) zur Abbildung des dynamischen Strahlmodulators in einem Zwischenbild (20), einem im Strahlgang zwischen dem dynamischen Modulator und dem Zwischenbild angeordneten Verstärker (22) und einer zweiten Abbidungsoptik (24) zur Abbildung des Zwischenbildes in die Probenebene (P). Dabei handelt es sich bei dem dynamischen Modulator ausschließlich um einen Modulator zur Erzeugung von dynamischen Intensitätsmustem.The publication D1 . DE 10 2016 104 331 B3 describes a lighting device for patterning a surface of a surface in a sample ( P ) positioned substrate ( 26 by irradiating the substrate surface with an illumination pattern of an energy density corresponding to the pattern to be introduced, above a process threshold of the substrate surface from a seed laser ( 14 ), a dynamic beam modulator ( 26 ) for the spatial modualtion of the seed laser, a first imaging optics ( 18 ) for imaging the dynamic beam modulator in an intermediate image ( 20 ), an amplifier arranged in the beam path between the dynamic modulator and the intermediate image ( 22 ) and a second imaging optics ( 24 ) for mapping the intermediate image into the sample plane ( P ). The dynamic modulator is exclusively a modulator for generating dynamic intensity patterns.

Die Druckschrift D2, DE 103 33 770 A1 , beschreibt ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserimpulsen grosser spektraler Bandbreite und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden die spektralen Eigenschaften der Laserimpulse zeitlich vordem Werkstück geregelt.The publication D2 . DE 103 33 770 A1 , describes a method for material processing with laser pulses large spectral bandwidth and apparatus for performing the method. The spectral properties of the laser pulses are regulated temporally in front of the workpiece.

Die Druckschrift D3, DE102 96 370 B4 , beschreibt eine optische Anordnung zur Belichtung von Oberflächen. Dabei wird ein dynamischer Modulator zur Modulation der Instensitätsverteilung verwendet.The publication D3 . DE102 96 370 B4 describes an optical arrangement for exposure of surfaces. A dynamic modulator is used to modulate the distribution of instabilities.

Die Druckschrift D4, DE100 85 411 B3 , beschreibt eine Laserlichtbearbeitungsvorrichtung mit einem räumlichen Lichtmodulator. Dabei wird das phasenmodulierte Laserlicht mittels einer Linse Fourier transformiert und die Oberfläche des Werkstücks damit bestrahlt.The publication D4 . DE100 85 411 B3 describes a laser light processing device with a spatial light modulator. In this case, the phase-modulated laser light is transformed by means of a Fourier lens and the surface of the workpiece is irradiated therewith.

Die zentrale Idee der Erfindung besteht darin, dass das von einem Laserstrahl und einem räumlichen Modulator erzeugte Strahlungsfeld mit einem Teleskop in ein Verstärkungsmedium abgebildet wird. Die Magnifikation des Teleskops wird so ausgelegt, dass das Verstärkungsmedium gut mit dem Strahlungsfeld gefüllt wird und die Phasen-, Intensitäts- und Polarisationsverteilung im Verstärkungsmedium gleich wie die des Strahlungsfelds in dem räumlichen Modulator sind. Dabei wird das Strahlungsfeld nach Durchgang durch das Verstärkungsmedium verstärkt und das verstärkte Strahlungsfeld weist die gleiche Phasenverteilung auf wie die vom räumlichen Modulator erzeugten Strahlungsfeld aufweist. Eine einfache Ausführung des Teleskops bildet das Kepler Teleskop aus zwei positiven Linsen.The central idea of the invention is that the radiation field generated by a laser beam and a spatial modulator is imaged with a telescope in a gain medium. The magnification of the telescope is designed so that the gain medium is well filled with the radiation field and the phase, intensity and polarization distribution in the gain medium are the same as those of the radiation field in the spatial modulator. In this case, the radiation field is amplified after passing through the gain medium and the amplified radiation field has the same phase distribution as the radiation field generated by the spatial modulator has. A simple version of the telescope is the Kepler telescope made of two positive lenses.

In dem folgenden werden optische Anordnungen zur Verstärkung von Strahlungsfeldern am Beispiel von Strahlungsfeldern mit einer definierten Phasenverteilung erläutert.In the following, optical arrangements for amplifying radiation fields using the example of radiation fields with a defined phase distribution will be explained.

Wie in dargestellt ist, wird das zu verstärkende Strahlungsfeld z. B. mit einer definierten Phasenverteilung (11) mittels einer Laserstrahlquelle (10) mit z. B. einer ebenen Phasenverteilung (17) und eines räumlichen Modulators (20) generiert, indem relative Phasenänderungen durch ein Array aus individuell ansteuerbaren Modulatoren wie eine LCD-Matrix gemäß einer Vorgabe ortsabhängig erzeugt werden. Das Strahlungsfeld wird mit einer Optik (61) in das Verstärkungsmedium (81) abgebildet. Dabei wird die Magnifikation der Abbildungsoptik (61) so ausgelegt, dass das Verstärkungsmedium (81) durch das Strahlungsfeld gut gefüllt wird. Desweiteren wird die Abbildung so gewählt, dass die Phasenverteilung (14) im Verstärkungsmedium bis auf die Magnifikation gleich wie die (11) unmittelbar am Austritt des Modulators wird.As in is shown, the radiation field to be amplified z. B. with a defined phase distribution ( 11 ) by means of a laser beam source ( 10 ) with z. B. a planar phase distribution ( 17 ) and a spatial modulator ( 20 ) are generated by location-dependent relative phase changes are generated by an array of individually controllable modulators such as an LCD matrix according to a specification. The radiation field is illuminated with an optic ( 61 ) into the gain medium ( 81 ). The magnification of the imaging optics ( 61 ) designed so that the gain medium ( 81 ) is well filled by the radiation field. Furthermore, the mapping is chosen such that the phase distribution ( 14 ) in the gain medium except for the magnification same as the ( 11 ) becomes directly at the outlet of the modulator.

Eine einfache Abbildungsoptik (61) stellt ein Teleskop mit zwei positiven Linsen, das sogenannte Kepler Teleskop, dar.A simple imaging optics ( 61 ) represents a telescope with two positive lenses, the so-called Kepler telescope.

Für den Fall, dass die Verstärkung eines Verstärkungsmediums nicht ausreichend ist, können weitere Verstärkungsmedien nachgeschaltet werden. Dabei wird das Strahlungsfeld nach dem vorhergehenden Verstärkungsmedium mit einer Optik (63) in das folgende Verstärkungsmedium so abgebildet, dass die Phasenverteilungen in jedem Verstärkungsmedium gleich sind. zeigt eine Anordnung, wo zwei Verstärkungsmedien (81) und (83) zu sehen sind. Zwischen den beiden Verstärkungsmedien wird eine Abbildungsoptik (63) angeordnet. Sie sorgt dafür, dass die Phasenverteilung im Verstärkungsmedium (83) wie im Verstärkungsmedium (81) ist.In the event that the gain of a gain medium is not sufficient, further gain media can be connected downstream. In this case, the radiation field after the previous gain medium with an optical system ( 63 ) are imaged into the following gain medium such that the phase distributions in each gain medium are the same. shows an arrangement where two gain media ( 81 ) and ( 83 ) you can see. Between the two amplification media is an imaging optics ( 63 ) arranged. It ensures that the phase distribution in the gain medium ( 83 ) as in the gain medium ( 81 ).

zeigt, dass das Strahlungsfeld mit einer definierten Phasenverteilung (16) mit einer Optik (71) fokussiert wird. In Fokusbereich (73) der Optik (71) erhält man eine Intensitätsverteilung (31), die durch die Phasenverteilung des Strahlungsfeldes definiert ist. shows that the radiation field with a defined phase distribution ( 16 ) with an optic ( 71 ) is focused. In focus area ( 73 ) of the optics ( 71 ) gives an intensity distribution ( 31 ), which is defined by the phase distribution of the radiation field.

Ein Strahlungsfeld mit einer Art holographischen Phasenverteilung weist eine Multiinterferenzordnung auf. Dabei ist es notwendig, dass zumindestens die nullte Ordnung der Intensitätsverteilung ausgefiltert wird. zeigt eine beispielhafte Ausführung mit einer Aperture-Anordnung (51) zum Eliminieren der nullten Ordnung. Dabei wird das Strahlungsfeld mit einer Optik (71) fokussiert. In der Fokusebene der Optik (71) wird eine Aperture-Anordnung (51) plaziert. Mit der Aperture-Anordnung (51) wird die nullte Ordnung in der Intensitätsverteilung (31) ausgeblendet. Danach ergibt sich eine Intensitätsverteilung (33) ohne die nullte Ordnung.A radiation field with a type of holographic phase distribution has a multi-interference order. It is necessary that at least the zeroth order of the intensity distribution is filtered out. shows an exemplary embodiment with an aperture arrangement ( 51 ) for eliminating the zeroth order. In this case, the radiation field with an optic ( 71 ) focused. In the focal plane of optics ( 71 ), an aperture arrangement ( 51 ) placed. With the Aperture arrangement ( 51 ), the zeroth order in the intensity distribution ( 31 ) hidden. This results in an intensity distribution ( 33 ) without the zeroth order.

Wie in dargestellt ist, wird das verstärkte Strahlungsfeld mit einer definierten Intensitätsverteilung (33) durch Verwendung einer Abbildungsoptik (66) für die gedachte Anwendung wie z.B. Bebilderung bereitgestellt werden. Eine einfache Ausführung der Abbildungsoptik (66) bildet ein Kepler Teleskop mit einer ausgewählten Magnifikation.As in is shown, the amplified radiation field with a defined intensity distribution ( 33 ) by using an imaging optics ( 66 ) are provided for the intended application such as imaging. A simple implementation of the imaging optics ( 66 ) forms a Kepler telescope with a selected magnification.

Die Verstärkung des Lasermediums basiert auf Inversion, die durch Pumpen generiert wird. Die Inversion hat eine materialabhängige Lebensdauer. Für den Fall, dass die charakteristische Zeitkonstante für die Änderung der Leistung oder Energie kleiner als die Lebensdauer der Inversion ist, hat das Verstärkungsmedium eine Art Gedächtnis. In diesem ist es erforderlich die Inversion im Verstärkungsmedium so zu konditionieren, dass eine definierte Verstärkung zu relevanten Zeitpunkten des Strahlungsfeldes vorfindet, um das Strahlungsfeld gemäß einer Vorgabe zu verstärken.The amplification of the laser medium is based on inversion generated by pumps. The inversion has a material-dependent lifetime. In the event that the characteristic time constant for the change in power or energy is smaller than the lifetime of the inversion, the gain medium has a kind of memory. In this it is necessary to condition the inversion in the gain medium so that a defined gain is found at relevant times of the radiation field in order to amplify the radiation field according to a specification.

Aufgrund guten thermischen Verhaltens des Verstärkungsmediums und einfacher Ansteuerung des räumlichen Modulators ist es vorteilhaft, dass das Strahlungsfeld linienförmig geformt wird und dass das Verstärkungsmedium mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet wird.Due to good thermal behavior of the gain medium and easy control of the spatial modulator, it is advantageous that the radiation field is formed linear and that the gain medium is formed with a rectangular cross-section.

Zur Erzeugung von zeitlich und räumlich veränderlichen Strahlungsfeldern kann eine addressierbare Flüssigkristall-Matrix oder eine elektrooptische Kristall-Matrix verwendet werden. Die Funktion von Flüssigkristall oder elektrooptischen Kristall beruht darauf, dass Flüssigkristalle die Phasen von Licht beeinflussen, wenn ein bestimmtes Maß an elektrischer Spannung angelegt wird. Eine addressierbare Flüssigkristall-Matrix besteht aus Segmenten, die unabhängig voneinander die Phasen von Licht ändern können. Dazu werden mit einer elektrischen Spannung in jedem Segment die Phasen der Flüssigkristalle gesteuert.To generate temporally and spatially variable radiation fields, an addressable liquid crystal matrix or an electrooptical crystal matrix can be used. The function of liquid crystal or electro-optical crystal is based on the fact that liquid crystals affect the phases of light when a certain amount of electrical voltage is applied. An addressable liquid crystal matrix consists of segments that can independently change the phases of light. For this purpose, the phases of the liquid crystals are controlled with an electrical voltage in each segment.

Claims

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields, characterized in that a laser power source low power / energy, a spatial modulator, an imaging optics and a first gain medium are used, wherein by means of the laser beam source and the spatial modulator, a radiation field with spatially and temporally addressable phases wherein the radiation field (11) is imaged with an imaging optics (61) in the first gain medium (81), wherein the imaging optics (61) is designed so that it has a magnification, with the first gain medium (81) through the radiation field (14) is well filled, and that the phases are the same as those of the radiation field (11) immediately at the exit of the spatial modulator except for scaling by the magnification, the power / energy of the radiation field being increased after passing through the gain medium where e is arranged behind the gain medium (71), with which a spatially and temporally addressable intensity distribution (31) is generated in the focus area.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields after the Claim 1 , characterized in that in the focus area of the optics, an optical aperture arrangement is used with which the zeroth orders of the intensity distribution (31) are hidden.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields after the Claim 2 , characterized in that a further imaging optics (66), preferably a Kepler telescope, is used, with which the intensity distribution (33) is imaged behind the aperture arrangement with a suitable magnification for the application.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields after the Claim 1 , characterized in that Further scaling of the power / energy at least a second gain medium (83) is connected downstream and that an imaging optics (63) is used with which the radiation field in the first gain medium (81) phase, intensity and polarization in the second gain medium (83) imaged is, wherein the power / energy of the radiation field after passing through the gain medium is further increased.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the imaging optics (61, 63) are telecentric imaging optics.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the imaging optics (61, 63) are Kepler telescopes.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the spatial modulator is formed by a liquid crystal matrix with a corresponding driver.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the spatial modulator is formed by a matrix of electro-optical crystals with a corresponding driver.

Arrangement for amplifying spatially and temporally addressable radiation fields according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the radiation field is formed linear and that the gain medium is formed with a rectangular cross-section.