用于扩宽激光射束的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于扩宽激光射束、特别是紫外激光射束（4）的装置（11），所述装置包括望远装置（6）和在发散的光路中设置在所述望远装置（7，8）后面的透镜（3），所述望远装置具有用于扩宽入射的、准直的激光射束（4）的两个球面折叠镜（7，8），所述透镜具有用于经扩宽的激光射束（5）的准直的球面透镜面（3a），其中，所述光路中的第一折叠镜是凸地弯曲的球面折叠镜（7），其中，所述光路中的第二折叠镜是凹地弯曲的球面折叠镜（8）。本发明专利技术也涉及用于扩宽激光射束的所属的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于扩宽激光射束的装置和方法
本专利技术涉及一种用于扩宽激光射束、特别是紫外激光射束的装置以及一种用于扩宽激光射束的所属方法。
技术介绍
紫外激光器、即产生紫外波长范围(具有可见波长范围以下的波长)中的激光辐射的激光器主要在微加工中越来越重要。这提高了对高功率和中等功率的紫外激光器的需求。紫外激光射束的产生经常通过非线性晶体中的红外激光射束的频率转换实现。一方面，所述频率转换需要非线性晶体中的高红外强度和小射束发散，以便实现从红外波长范围到紫外波长范围的有效转换；另一方面，强度、特别是所产生的紫外辐射的强度不允许太高，以便避免晶体的破坏或者其光学特性的快速劣化。这些条件例如可以(但不仅仅)在具有大约5ps的范围中的紫外脉冲长度和大于1μJ的紫外脉冲能量或在大约1ps的脉冲长度和大于0.2μJ的紫外脉冲能量的超短脉冲激光中导致高强度的、准直的或几乎准直的紫外激光射束，其直径在转换结构的延展上没有显著增大，即其强度在所述长度上没有显著减小。具有高强度的持久的紫外辐射在透射的光学器件(例如，由石英玻璃构成的透镜或其他光学器件)中并且可能也在其防反射涂层中导致不期望的、永久性的材料改变，这可以使这些透射的光学器件的透射特性恶化直至不可使用。而且，可以通过紫外辐射如此改变光学器件的未经精确控制的环境中的不同气体(例如，烃或硅酮化合物)的残余，从而导致光学器件上的沉积，其同样在一定时间之后可以导致其不可使用性。特别是在紫外辐射的非常高强度下可以如此快地发生劣化，使得用于紫外激光射束的透射的光学器件的经济使用不再可能。为了可以利用通过以上描述的方式产生的、准直的、高强度的紫外激光射束，需要使其如此扩宽，使得其强度在所期望的使用持续时间上不导致后续光学器件(例如，射束引导光学器件、射束成形光学器件或加工光学器件)的损坏。虽然可以通过激光射束直至后续光学器件的大的传播长度实现这样的扩宽，从而激光射束本身已经变得足够大。但这在当前情形中(其中激光射束是(几乎)准直的)很难实现，因为需要非常大的传播长度并且整个扩宽的光学器件的结构大小是有限的。因此，通常为了(几乎准直的)激光射束的射束扩宽使用例如伽利略镜头1形式的用于射束扩宽的装置(参见图1)。这样的镜头1具有至少两个透镜2、3，以便将入射的、准直的激光射束4转换为(在此：六倍的)扩宽的、同样准直的激光射束5。伽利略镜头1是结构简单的射束扩宽光学器件并且可以在短的结构长度和典型小的结构的情况下在使用轴向设置的球面透镜2、3的情况下如此设计，使得其在高度容忍输入射束位置的情况下导致非常小的射束变形(即输入射束的倾斜或者偏移)。在输出射束发散方面，可以通过透镜2、3之一的简单轴向移动补偿透镜2、3的半径误差或输入射束发散中的误差，而不出现经扩宽的激光射束5的横向偏移。然而不利地，伽利略镜头1的输入侧透镜2自身经受还未扩宽的激光射束4的高紫外强度，从而尤其在使用介电防反射涂层的输入侧透镜2时可能导致其透射特性的不可接受的劣化。作为这个问题的部分解决方案可以以未涂层、即没有防反射涂层的输入光学器件来运行伽利略镜头1。但在这种情形中通过在未涂层的透镜2上的菲涅尔反射产生功率损耗。而且存在透镜材料自身与辐射相关的变化或者劣化的问题。已经证实，介电镜的反射特性的恶化在强紫外辐射下显著小于透射的光学器件和尤其介电防反射涂层的透射的光学器件的透射特性的恶化。因此，用于紫外辐射的射束扩宽的反射镜头实现了比透镜系统长得多的运行时间。图2示出具有作为Z形折叠的反射光学元件的两个球面折叠镜7、8的望远装置6，用于将入射的、准直的激光射束4(在此：六倍地)转换为扩宽的、准直的激光射束5。折叠镜7、8之间的间距在此是大约150mm，对于两个折叠镜7、8而言相同的折叠角2α是大约20°。然而，用于射束扩宽的非轴向镜系统如同例如在图2中示出的那样通常具有不同的缺点：或者需要非球面的光学元件，以便减少散光性和慧差，这使所述系统昂贵且调整敏感，或者这样的系统在对成像误差的应用容忍给定的情况下限于相对较大的镜半径和相对较小的折叠角，由此整个装置的大的结构变得必要，和/或所述系统限于完全特定的半径与折叠角组合以及射束特性(例如，会聚的输出射束(中间聚焦))。对于在图2中示出的装置，在图3中示出了反射式望远装置6的远场的四个通过模拟(“射线追踪”)产生的光斑图。对于入射的激光射束4，由高斯形的强度分布开始，其中1/e2直径(即强度下降到最大值的1/e2倍时的直径)是0.83mm，即出射的激光射束5在理想情况下在在此示出的六倍放大时应具有5mm的1/e2直径。模拟的反射式望远装置6的瞳孔在此如此选择，使得艾里斑9的所计算的半径(大约42μrad)对于343nm的紫外波长大约相应于具有高斯形强度分布和5mm的1/e2直径的激光射束的发散角。除在图3中在左上方示出的轴向定向的输入射束以外，分别计算出三个另外的具有与激光射束的输入轴线0.2°偏差的射束，它们在右上方以及在左下方和在右下方示出。在图3中示出的(正方形的)角区域的刻度大小S1在此是2000μrad。因为在图3中示出的光斑基本上位于圆形的艾里斑9以外，所以反射式望远装置6对于入射的激光射束4远未衍射限制。通常可以在非轴向的反射式望远装置中如在图2中示出的反射式望远装置6中那样不通过各个折叠镜7、8的简单移动来补偿折叠镜7、8的半径公差或输入射束4的准直中的误差，而不导致发出的激光射束5的不期望的横向偏移。DE102007009318A1同样涉及高能激光射束的扩宽的问题。在那里描述的解决方案提出，借助于透射的或反射的光学元件如此扩宽激光射束，使得可对应的能量密度保持在临界能量密度以下，以便避免随后的光学组件上的不可逆转的损坏。为了射束扩宽，在一个实施例中使用可以相对于激光射束倾斜45°的柱形凸镜和凸的柱面透镜。通过凸镜倾斜45°会将镜表面上的能量密度减少系数从而镜自身不遭受损坏。柱面透镜会将发散的、扩宽的激光射束转变为具有增大的射束横截面的平行光路。但这仅仅提供了在一个方向上扩宽激光射束的可能性。替代两个方向上的扩宽，在DE102007009318A1的另一实施例中提出改型一种用于射束扩宽的装置10(参见图4)，其具有一个用于射束扩宽的球面凸镜7以及两个与其柱轴线相互垂直定向的柱面透镜11、12，用于将在凸的空心镜7上发散地扩宽的激光射束转换为出射的、准直的激光射束5，即具有平行光路。然而，由于使用柱面透镜11、12，装置10是非常易受调整影响的，如以下根据图5和图6示出的那样。图5示出类似于图3的示图，其中入射的激光射束4和瞳孔的特性相应于图3的入射的激光射束4和瞳孔的特性，但刻度大小S2更小并且是200μrad。在图3中在右上方示出的远场光斑示图中，所有的射束或者光斑位于艾里斑9内，即射束分布的均方根(RMS)半径显著小于艾里斑9的半径(大约42μrad)，从而如果输入射束轴向定向则在图4中示出的光学器件对于扩宽的激光射束5是衍射限制的。但在倾斜的射束入射的情况下产生成像特性的轻微恶化，如根据在图5中的光斑示图在左上方、在左下方和在右下方看到的那样，其中在不同的方向上分别改变入射的激光射束4的场角0.2°，其中输入孔径位于凸镜7前面150mm。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于扩宽激光射束、特别是紫外激光射束（4）的装置（11，13），所述装置包括：望远装置（6）和在发散的光路中设置在所述望远装置（7，8）后面的透镜（3），所述望远装置具有用于扩宽入射的、准直的激光射束（4）的两个球面折叠镜（7，8），所述透镜具有用于经扩宽的激光射束（5）的准直的球面透镜面（3a），其中，所述光路中的第一折叠镜是凸地弯曲的球面折叠镜（7），其中，所述光路中的第二折叠镜是凹地弯曲的球面折叠镜（8）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.21 DE 102011005835.41.一种用于扩宽激光射束的装置(11，13)，所述装置包括：望远装置(6)和在发散的光路中设置在所述望远装置后面的透镜(3)，所述望远装置具有第一、第二球面折叠镜(7，8)，所述透镜具有用于经扩宽的激光射束的准直的球面透镜面(3a)，其中，光路中的第一球面折叠镜是凸地弯曲的球面折叠镜(7)，所述凸地弯曲的球面折叠镜(7)设置成用于扩宽入射的、准直的激光射束，其中，光路中的第二球面折叠镜是凹地弯曲的球面折叠镜(8)，所述凹地弯曲的球面折叠镜(8)布置在来自第一球面折叠镜的发散的光路中并设置成使所述发散的光路保持发散并且设置成与所述透镜(3)一起在所述发散的光路中准直经扩宽的激光射束以得到准直的出射激光射束。2.根据权利要求1所述的装置，所述激光射束是紫外激光射束。3.根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括用于在经准直的激光射束的射束方向(X，Y)上移动所述透镜(3)的移动装置(12)。4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，所述透镜是平凸透镜，其凸的球面透镜面(3a)背向所述望远装置(6)。5.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，入射到所述望远装置(6)中的激光射束的射束方向(X)和从所述望远装置(6)出射的激光射束的射束方向(X)相互平行地延伸。6.根据权利要求1至3之一所述的装置，其中，入射到所述望远装置(6)中的激光射束的光路与从所述望远装置(6)出射的激光射束的光路相交。7.根据权利要求1至3之一所述的装置，所述装置还包括用于所述激光射束从红外范围中的波长到紫外范围中的波长的频率转换的频率转换装置(17)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·瓦尔梅罗特，C·蒂尔科恩，I·扎维沙，
申请(专利权)人：通快激光两合公司，
类型：
国别省市：