DE102020121440A1

DE102020121440A1 - Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene

Info

Publication number: DE102020121440A1
Application number: DE102020121440.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Heimes; Martin Wimmer; Mario Schwartz; Julian Hellstern
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17
Also published as: KR20230048546A; CN116033993A; JP2023537606A; WO2022033923A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie (12) auf einer Arbeitsebene (14) besitzt eine Laserlichtquelle (16), die einen Rohstrahl (18) erzeugt, sowie eine optische Anordnung (20), die den Rohstrahl aufnimmt und zu einem Beleuchtungsstrahl (22) umformt, der auf die Arbeitsebene trifft. Der Beleuchtungsstrahl (22) definiert eine Strahlrichtung, die die Arbeitsebene (14) schneidet, und besitzt ein transversales Strahlprofil (28). Das Strahlprofil (28) hat senkrecht zu der Strahlrichtung eine lange Achse (30) mit einer Langachsstrahlbreite und eine kurze Achse (32) mit einer Kurzachsstrahlbreite. Die optische Anordnung (20) besitzt eine Anzahl von optischen Elementen (36, 38, 40), die das Strahlprofil (28) an eine definierte Position (42) im Bereich der Arbeitsebene 814) fokussieren. Die definierte Position (42) kann sich in Folge einer Erwärmung der optischen Elemente (36, 38, 40) in Abhängigkeit von Betriebsleistung und/oder Betriebsdauer der Laserlichtquelle (16) um eine Driftlänge (50) verschieben. Die Kurzachsstrahlbreite des Strahlprofils (28) variiert entlang der Strahlrichtung und definiert dabei ein nutzbares Prozessfenster. Die optische Anordnung (20) ist dazu eingerichtet, das nutzbare Prozessfenster mit einer Schärfentiefe (46) in Strahlrichtung zu erzeugen, die größer als die Driftlänge (50) ist.

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.
Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise in DE 10 2018 200 078 A1 offenbart.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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 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.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung ein optisches Phasenelement auf, das dem Beleuchtungsstrahl eine axikonartige Phasenfront in der kurzen Achse aufprägt.
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 Phasenelements 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. Dementsprechend ermöglicht diese Ausgestaltung eine recht einfache und kostengünstige Implementierung der neuen Vorrichtung.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein refraktives optisches Element, insbesondere eine prismatisch oder azylindrisch geschliffene Linse.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement ein diffraktives optisches 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 einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das optische Phasenelement einen räumlichen Lichtmodulator (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.
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.
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.
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 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 einer weiteren Ausgestaltung weist die optische Anordnung eine Objektivlinse mit Aberrationen im Randbereich auf, wobei der Beleuchtungsstrahl Strahlanteile aus dem Randbereich beinhaltet.
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 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.
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.
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
Im Falle einer Zylinderlinse betragen die Aberrationen der Wellenfront W_sph (y_p)αy_p ⁴. Dementsprechend beträgt die gesamte longitudinale Verschiebung in Luft Δs' = α R²y_p ². Hierbei skaliert a den Grad der sphärischen Aberration und hängt von dem Objektivdesign ab.
Bei einer gaußschen Beleuchtung y_p der Objektivlinse mit charakteristischer Brennweite ƒ 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 a die Absorption des Arbeitsstücks, κ 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 y zusammengefasst, $γ = \frac{d n}{d T} + (n_{0} - 1) \frac{1 d L}{L d T}$
P₀ ist hier die Laserleistung. Die thermische Linse verursacht eine Fokusverschiebung in der Größenordnung $δ f = f^{2} D_{t h} = α \frac{γ}{κ} \sqrt{2 / π} \frac{P_{0}}{L_{x} y_{p}} f^{2}$
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. $D O F \sim \frac{F W}{y_{p}} f$
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 $Q = \frac{δ f}{D O F} \sim \frac{P_{0}}{F W} f$
Die Leistungsdichte P₀/FW ist eine Konstante und über den Prozess vordefiniert. Die Brennweite ƒ 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018200078 A1 [0002, 0007, 0037]
WO 2018/019374 A1 [0006, 0037]

Claims

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, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzachsstrahlbreite (33) des Strahlprofils (28) entlang der Strahlrichtung (23) variiert und dabei ein nutzbares Prozessfenster definiert, wobei 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzachsstrahlbreite (33) entlang der Strahlrichtung (23) einen Maximalwert besitzt und dass das Prozessfenster in Strahlrichtung ein vorderes Ende und ein hinteres Ende besitzt, wobei die Kurzachsstrahlbreite (33) 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.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente (36, 38, 40) eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen und relativ zueinander feststehend sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahl (22) in Strahlrichtung eine Strahltaille (44) aufweist, wobei die optische Anordnung (20) dazu eingerichtet ist, die Strahltaille (44) im Bereich der Arbeitsebene (14) zu erzeugen.
Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) ein optisches Phasenelement (52) aufweist, das dem Beleuchtungsstrahl (22) eine axikonartige Phasenfront aufprägt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) ein refraktives optisches Element beinhaltet, insbesondere eine prismatisch oder azylindrisch geschliffene Linse.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) ein diffraktives optisches Element beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Phasenelement (52) einen räumlichen Lichtmodulator beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) aufweist, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen, wobei das optische Phasenelement (52) in Strahlrichtung gesehen vor der Teleskopanordnung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Teleskopanordnung mit zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) aufweist, die eine optische Brechkraft in Bezug auf die kurze Achse (32) des Strahlprofils (28) besitzen, wobei das optische Phasenelement (52) zwischen den zumindest zwei voneinander beabstandeten optischen Elementen (36, 38) der Teleskopanordnung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) eine Objektivlinse (40) mit Aberrationen im Randbereich aufweist, wobei der Beleuchtungsstrahl (22) Strahlanteile aus dem Randbereich beinhaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (20) zumindest eine plan-konvexe Linse (40) mit einer ersten planen Seite (56) und einer zweiten konvexen (54) Seite aufweist, wobei die konvexe Seite (54) auf die Arbeitsebene (14) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine plan-konvexe Linse (40) in Strahlrichtung ein Abschlusselement der optischen Anordnung (20) ist.