DE102013201968B4

DE102013201968B4 - Apparatus for acousto-optic conversion of periodically pulsed, electromagnetic radiation

Info

Publication number: DE102013201968B4
Application number: DE201310201968
Authority: DE
Inventors: Peter Bechtold; Dr. Schmidt Michael; Kristian Cvecek
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: DE102013201968A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung, umfasst – eine Strahlungsquelle (1) zur Erzeugung einer gepulsten, elektromagnetischen Strahlung (2), – einen Fotodetektor (4) zur zeitlich aufgelösten Erfassung der Pulse (13) der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung (2), – eine mit dem Fotodetektor (4) gekoppelte, davon triggerbare Signalquelle (5) zur Erzeugung von Schallwellen (SW) mit einer frequenzmodulierten Steuersignalform, die einen beliebig einstellbaren Verlauf des Schallwellenfrequenzgradienten aufweist, und – einen akustooptischen Deflektor (6, 7), der mit der Signalquelle (5) zur zeitlich zur Periodizität der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung (2) synchronisierten Einkopplung einer oder mehrerer solcher Schallwellen (SW) derart verbunden ist, dass zum Zeitpunkt des Durchgangs der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung (2) durch den akustooptischen Deflektor (6, 7) in diesem eine refraktive und/oder diffraktive Strahlumformung und/oder Strahlablenkung der periodisch gepulsten, elektromagnetischen Strahlung (2) stattfindet.A device for converting periodically pulsed electromagnetic radiation comprises - a radiation source (1) for generating pulsed electromagnetic radiation (2), - a photodetector (4) for temporally resolved detection of the pulses (13) of the pulsed electromagnetic radiation (2 ), - a signal source (5) coupled to the photodetector (4), triggerable thereof, for generating sound waves (SW) with a frequency-modulated control signal form, which has an arbitrarily adjustable course of the sound wave frequency gradient, and - an acousto-optical deflector (6, 7), which is connected to the signal source (5) for the time-synchronized coupling of one or more such sound waves (SW) to the periodicity of the pulsed electromagnetic radiation (2) in such a way that when the pulsed electromagnetic radiation (2) passes through the acousto-optical deflector (6, 7) in this a refractive and / or diffractive beam shaping and / or beam deflection of the periodically pulsed electromagnetic radiation (2) takes place.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung, die auf dem Einsatz eines akustooptischen Deflektors basiert.The invention relates to a device for the conversion of periodically pulsed, electromagnetic radiation, which is based on the use of an acousto-optic deflector.

Bevor auf die eigentliche Erfindung eingegangen wird, ist zum Hintergrund der Stand der Technik bei der akustooptischen Strahlablenkung anhand der beigefügten 9 bis 12 darzulegen.Before going into the actual invention, the state of the art in the acousto-optical beam deflection with reference to the appended 9 to 12 explain.

So nutzen akustooptische Komponenten zur Modifikation von elektromagnetischer Strahlung den photoelastischen Effekt, d. h. in vielen Medien weist der Brechungsindex eine (meist direkte) Abhängigkeit vom mechanischen Spannungszustand auf. Wird über einen beispielsweise piezoaktuatorischen Schallwandler PZ eine akustische und harmonische Schallwelle SW in einen Kristall K eingekoppelt, bildet sich äquivalent zur induzierten Schallwelle eine periodische und anisotrope Brechungsindexvariation aus – siehe 9. Die Schallwelle SW erzeugt im Kristall folglich ein optisches Gitter mit dem Gitterabstand Λ = V/f, wobei V der Schallgeschwindigkeit im Kristall und f der Schallwellenfrequenz entspricht. Die Bewegung des Gitters mit der Schallgeschwindigkeit wird zunächst vernachlässigt, d. h. es wird ein stehendes Gitter angenommen. Vereinfachend ist weiterhin anzunehmen, dass an jeder einzelnen Schallwellenfront ein Teil eines einfallenden Lichtstrahls L reflektiert wird.Thus, acousto-optical components for the modification of electromagnetic radiation use the photoelastic effect, ie in many media, the refractive index has a (mostly direct) dependence on the mechanical stress state. If an acoustic and harmonic sound wave SW is coupled into a crystal K via a piezoactuatory acoustic transducer PZ, for example, a periodic and anisotropic refractive index variation is formed equivalent to the induced sound wave - see 9 , The sound wave SW thus produces in the crystal an optical grating with the grating spacing Λ = V / f, where V corresponds to the speed of sound in the crystal and f to the sound wave frequency. The movement of the grid with the speed of sound is initially neglected, ie a standing grid is assumed. To simplify, it is also to be assumed that a part of an incident light beam L is reflected at each individual sound wavefront.

Überlagern sich alle reflektierten Teilstrahlen konstruktiv, so wird der Reflexionsgrad maximal. Der Einfallswinkel, unter dem genannte Bedingung erfüllt ist, wird als Bragg-Winkel θ bezeichnet und berechnet sich gemäß sinθ ≈ θ = λ/2Λ = λf/2V. Der transmittierte, nicht gebeugte Lichtstrahl L0 wird als 0. Ordnung bezeichnet. Der gebeugte Lichtstrahl L1, welcher zum Lichtstrahl 0. Ordnung einen Winkel von +2 θ aufweist, wird als +1. Beugungsordnung bezeichnet – siehe 9, der Winkel –2 θ als –1. Beugungsordnung. Durch eine Variation der Schallwellenfrequenz kann der Winkel 2 θ in dem als Ablenkwinkel bezeichneten Intervall Δθ variiert und so der Lichtstrahl 1. Ordnung in eine Raumrichtung gescannt werden. Entsprechend aufgebaute optische Komponenten werden als akustooptische Deflektoren (AODs) bezeichnet. Erwähnenswert ist, dass maximal nur typisch 70% bis 85% der einfallenden Lichtleistung in die 1. Ordnung reflektiert werden können. Dieser Wert wird als Beugungseffizienz bezeichnet.If all the reflected partial beams overlap constructively, the reflectance becomes maximum. The angle of incidence, under which said condition is satisfied, is referred to as Bragg angle θ and is calculated according to sinθ ≈ θ = λ / 2Λ = λf / 2V. The transmitted, non-diffracted light beam L0 is referred to as 0th order. The diffracted light beam L1, which has an angle of +2 θ to the 0th order light beam, is called +1. Diffraction order - see 9 , the angle -2 θ as -1. Diffraction order. By varying the sound wave frequency, the angle 2θ can be varied in the interval Δθ called the deflection angle and thus the 1st order light beam can be scanned in a spatial direction. Correspondingly structured optical components are referred to as acousto-optic deflectors (AODs). It is worth noting that only a maximum of typically 70% to 85% of the incident light output can be reflected in the 1st order. This value is called diffraction efficiency.

AODs finden u. a. Anwendung in der Lasermaterialbearbeitung, der (Fluoreszenz-)Mikroskopie und Laserprojektion. Aktuell folgen auch vermehrt Anwendungen in der Datenträgerentwicklung. In allen Gebieten wird der AOD aufgrund der erreichbaren, sehr hohen Ablenkgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10⁴...10⁵ rad/s genutzt. Als Vergleich erreichen typische Galvanometerscanner nur 10² rad/s. Unter Verwendung zweier zueinander orthogonal ausgerichteter AODs wird eine Strahlführung in zwei orthogonale Raumachsen ermöglicht. In diesem Fall reduziert sich die Beugungseffizienz nach Durchgang durch beide AODs auf (70%...85%)² ≈ 50%...75%.AODs are used in laser material processing, (fluorescence) microscopy and laser projection. Currently, applications in data carrier development are increasingly following. In all areas the AOD is used due to the achievable, very high deflection speeds in the order of 10 ⁴ ... 10 ⁵ rad / s. As a comparison, typical galvanometer scanners reach only 10 ² rad / s. Using two mutually orthogonally aligned AODs, beam guidance into two orthogonal spatial axes is made possible. In this case, the diffraction efficiency after passing through both AODs is reduced to (70% to 85%) ² ≈ 50% to 75%.

Entsprechend der genannten Formeln ist für eine hohe Ablenkgeschwindigkeit auch ein großer Schallwellenfrequenzgradient nach der Beziehung d Δθ/dt~df/dt nötig. Aufgrund der endlichen Schallgeschwindigkeit bildet sich folglich ein räumlicher Schallwellenfrequenzgradient innerhalb des Kristalls aus (df/dt~df/dx). Ein einfallender, kollimierter Laserstrahl L erfährt bei Durchgang durch den Kristall K entsprechend die Wirkung einer Zylinderlinse – siehe 10 und 11 – und wird astigmatisch. Die Brechkraft dieser Zylinderlinse D lässt sich gemäß der folgenden Formel (1) beschreiben. Als Zahlenbeispiel sei genannt, dass ein Scan mit 10⁴ rad/s bereits einer Zylinderlinsenbrechkraft von etwa 2 dpt entspricht. 1/D = F = dy/dθ = (V²/λ)(df/dt)^–1 (1) According to the above formulas, a large sound wave frequency gradient according to the relationship d Δθ / dt ~ df / dt is necessary for a high deflection speed. Consequently, due to the finite speed of sound, a spatial sound wave frequency gradient within the crystal is formed (df / dt ~ df / dx). An incident, collimated laser beam L experiences the effect of a cylindrical lens when passing through the crystal K - see 10 and 11 - and becomes astigmatic. The power of this cylindrical lens D can be described by the following formula (1). As a numerical example, a scan with 10 ⁴ rad / s already corresponds to a cylindrical lens power of about 2 dpt. 1 / D = F = dy / dθ = (V ² / λ) (df / dt) ^-1 (1)

Anzumerken ist, dass der sogenannte „Zylinderlinseneffekt” das Resultat eines konstanten Schallwellenfrequenzgradienten ist (df/dt = konst.), also nur bei konstanter Scangeschwindigkeit in der geschilderten Form auftritt. Ist die Scangeschwindigkeit variant, also df/dt ≠ konst., bilden sich zusätzliche Wellenfrontfehler aus. Allgemein lässt sich die Variation des Ablenkwinkels über die AOD-Apertur gemäß der folgenden Formel (2) beschreiben. Bei geringer Schallgeschwindigkeit des Mediums – bspw. TeO₂ im sogenannten „shear mode”, was ein weit verbreitetes AOD-Kristallmaterial darstellt – nimmt der Zylinderlinseneffekt überproportional zu. dθ/dy = (λ/V²)(df/dt) (2) It should be noted that the so-called "cylindrical lens effect" is the result of a constant sound wave frequency gradient (df / dt = const.), Ie occurs only at a constant scan speed in the described form. If the scan speed is variant, ie df / dt ≠ const., Additional wavefront errors are formed. In general, the variation of the deflection angle over the AOD aperture can be described according to the following formula (2). At low sound velocity of the medium - for example, TeO ₂ in the so-called "shear mode", which is a widely used AOD crystal material - the cylindrical lens effect increases disproportionately. dθ / dy = (λ / V ² ) (df / dt) (2)

Der Zylinderlinseneffekt ist ein in der Regel unerwünschter Effekt, welcher in der Anwendung durch eine Reihe von Maßnahmen kompensiert wird. Eine gebräuchliche Methode ist die Verwendung einer zusätzlichen Zylinderlinse kurz nach Strahlaustritt aus dem AOD mit genau der negativen Brechkraft des Zylinderlinseneffekts. Diese Kompensationsmethode ist allerdings nur für einen einzigen Zustand von df/dt optimal eingestellt. Eine weitere Kompensationsmethode ist die Verwendung eines zweiten (Kompensations-)AOD. Dieser wird kurz nach dem ersten AOD eingesetzt und bei gleicher Mittenfrequenz mit genau dem negativen Frequenzgradienten beaufschlagt. Bei korrekter Auslegung des Gesamtsystems, d. h., der erste AOD bildet in die +1. Beugungsordnung, der zweite AOD in die –1. Beugungsordnung ab, wird der Zylinderlinseneffekt für alle Zustände auf ein Minimum reduziert.The cylindrical lens effect is a generally unwanted effect, which is compensated in the application by a number of measures. A common method is the use of an additional cylindrical lens shortly after beam exit from the AOD with exactly the negative refractive power of the cylindrical lens effect. However, this compensation method is optimally set only for a single state of df / dt. Another compensation method is the use of a second (compensation) AOD. This is used shortly after the first AOD and applied at the same center frequency with exactly the negative frequency gradient. With correct interpretation of the total system, ie, the first AOD forms in the +1. Diffraction order, the second AOD in the -1. Diffraction order, the cylindrical lens effect for all states is reduced to a minimum.

Die gleiche Methode wird auch verwendet, um keine Strahlablenkung, sondern die Wirkung einer einstellbaren Zylinderlinse zu realisieren. In diesem Fall bilden beide AODs in die +1. Beugungsordnung ab. Im letzten Fall kompensiert der zweite AOD nicht den Zylinderlinseneffekt, sondern die eigentliche Ablenkung.The same method is also used to realize no beam deflection, but the effect of an adjustable cylindrical lens. In this case, both AODs are in the +1. Diffraction order. In the latter case, the second AOD does not compensate for the cylinder lens effect, but the actual distraction.

Ein schwerwiegender Nachteil der zuletzt genannten Methoden ist die doppelte Anzahl der zur Ablenkung benötigten AODs. Für ein in der Anwendung typisches, zweidimensionales Scanfeld wären insgesamt vier AODs notwendig. Neben der Verdopplung der Investitionskosten reduziert sich die Beugungseffizienz nach Durchgang durch alle AODs damit auf typisch (70%...85%)⁴ ≈ 25%...50%. Für die Anwendung in der Mikroskopie und Laserprojektion sind dies unerwünschte, aber zunächst akzeptierte Verluste, die durch eine höhere Eingangsleistung ausgeglichen werden.A serious disadvantage of the latter methods is twice the number of AODs required for the deflection. A typical two-dimensional scan field would require a total of four AODs. In addition to doubling the investment costs, the diffraction efficiency after passing through all AODs is reduced to typically (70% ... 85%) ⁴ ≈ 25% ... 50%. For use in microscopy and laser projection, these are unwanted, but initially accepted losses, which are compensated by a higher input power.

In der Lasermaterialbearbeitung sind Leistungsverluste in dieser Größenordnung allerdings nicht akzeptabel, da die Prozesseffizienz im Sinne der Bearbeitungsdauer annähernd im gleichen Maß reduziert wird.In laser material processing, however, power losses on this scale are unacceptable since the process efficiency is reduced to approximately the same extent in terms of processing time.

Zum besseren Verständnis der weiteren Ausführungen zur Erfindung ist es ferner erwähnenswert, dass AODs auch als schnelle Spektralanalysatoren eingesetzt werden. Dabei wird ein Dauerstrich-Laserstrahl durch den AOD in die 1. Beugungsordnung abgelenkt. Als Schallwelle wird anschließend das zu analysierende und in der Regel periodische Signal eingekoppelt.For a better understanding of the further embodiments of the invention, it is also worth mentioning that AODs are also used as fast spectral analyzers. In this case, a continuous wave laser beam is deflected by the AOD in the 1st diffraction order. As a sound wave, the signal to be analyzed and usually periodic signal is then coupled.

Entsprechend werden Anteile des Laserstrahls äquivalent zum Frequenzspektrum unterschiedlich stark abgelenkt. Über eine Linse kann das Winkelspektrum in ein Ortsspektrum überführt werden, welches dann einer Fourierebene, also dem Frequenzspektrum des analysierten Signals entspricht.Accordingly, portions of the laser beam equivalent to the frequency spectrum are deflected differently. Via a lens, the angle spectrum can be converted into a location spectrum, which then corresponds to a Fourier level, ie the frequency spectrum of the signal analyzed.

Es ist ebenfalls möglich, die Schallwellenfrequenz so zu variieren, dass eine Strahlumformung, wie etwa eine Umformung eines gaußförmigen Strahlprofils in ein sogenanntes Top-Hat-Strahlprofil, resultiert. Dabei ist zu bemerken, dass keine zeitliche Synchronisation stattfindet, so dass der durch den AOD abgelenkte Strahl im Strahlprofil stark fluktuiert. Erst die zeitliche Integration dieser Fluktuation führt zu einem Top-Hat- bzw. anderen, gewünschten Strahlprofil. Abwandlungen dieses Verfahrens werden eingesetzt, um schnelle optische Schalter umzusetzen. Dabei wird ein Schallwellenfrequenzsprung synchron zu einem eingehenden optischen Signal genutzt. Innerhalb einer Puls-zu-Puls-Pause wird der Schallwellenfrequenzsprung (|df/dt| >> 0) derart durchgeführt, dass die akustische Welle mit einer eingestellten Frequenz die komplette Apertur des AOD durchläuft, bevor der nächste Puls in den AOD-Kristall eintritt. Die Folge ist, dass der anschließende Puls bei Durchgang durch den AOD an eine andere Stelle abgelenkt wird, wobei allerdings kein Zylinderlinseneffekt stattfindet, da im Moment des Durchgangs kein lateraler Frequenzgradient vorhanden ist.It is also possible to vary the sonic wave frequency so as to result in beam forming, such as reshaping a Gaussian beam profile into a so-called top-hat beam profile. It should be noted that no temporal synchronization takes place, so that the deflected by the AOD beam in the beam profile fluctuates greatly. Only the temporal integration of this fluctuation leads to a top hat or other desired beam profile. Variations of this method are used to implement fast optical switches. In this case, a sound wave frequency jump is used synchronously to an incoming optical signal. Within a pulse-to-pulse pause, the sound wave frequency hopping (| df / dt | >> 0) is performed such that the acoustic wave at a set frequency passes through the complete aperture of the AOD before the next pulse enters the AOD crystal , The consequence is that the subsequent pulse is deflected when passing through the AOD to another location, although no cylindrical lens effect takes place, since at the moment of passage no lateral frequency gradient is present.

In diesem Zusammenhang wird auf 12, verwiesen, die in den einzelnen Teilbildern (1) bis (6) beispielhaft die Ablenkung eines gepulsten Laserstrahls L zu unterschiedlichen Zeitpunkten in einem mit einer Schallwelle SW durch den Piezo-Schallwandler PZ beaufschlagten Kristall K schematisch darstellt. Der Frequenzsprung muss dabei mit dem Laserpulsdurchgang derart synchronisiert sein, dass der Ort des Frequenzsprungs zum Zeitpunkt des Pulsdurchgangs nicht innerhalb der AOD-Apertur liegt. In 12(1) bis (6) gelten zu den einzelnen Zeitpunkten t die folgenden Zusammenhänge, wobei t_trig1 bzw. t_trig2 = Trigger-Zeitpunkte, zu welchen eine neue AOD-Frequenz angelegt wird und t_PP = Dauer der Pulspause:

(1) t = 0 = t_trig1
(2) t_trig1 < t = t₁ < t_trig1 + t_PP
(3) t₁ < t < t_trig1 + t_PP
(4) t = t_trig1 + t_PP = t_trig2
(5) t_trig2 < t = t₂ < t_trig2 + t_PP
(6) t₂ < t < t_trig2 + t_PP

In this context is on 12 , which in the individual partial images (1) to (6) exemplifies schematically the deflection of a pulsed laser beam L at different times in a crystal K impinged by a piezoelectric transducer PZ with a sound wave SW. The frequency hopping must be synchronized with the laser pulse passage such that the location of the frequency hopping at the time of the pulse crossing is not within the AOD aperture. In 12 (1) to (6), the following relationships apply at the individual times t, where t _trig1 or t _trig2 = trigger times at which a new AOD frequency is applied and t _PP = duration of the pulse pause:

(1) t = 0 = t _trig1
(2) t _trig1 <t = t ₁ <t _trig1 + t _PP
(3) t ₁ <t <t _{trig 1} + t _PP
(4) t = t _trig1 + t _PP = t _trig2
(5) t _trig2 <t = t ₂ <t _trig2 + t _PP
(6) t ₂ <t <t _{trig 2} + t _PP

Auch wenn somit der Zylinderlinseneffekt grundsätzlich umgangen wird, findet sich dieses Verfahren noch nicht in der Anwendung zur Lasermaterialbearbeitung. Wird die in den AOD-Kristall eingekoppelte Schallwelle synchron zu Laserpulsen amplitudenmoduliert, können einzelne Anteile des lateralen Strahlprofils ausgeblendet werden. Dieses Verfahren wird aktuell in sogenannten Pulsformern („pulse shaper”) eingesetzt, bei denen es sich um Geräte handelt, welche den zeitlichen Verlauf eines ultrakurzen Laserpulses mit einer ausreichend hohen Bandbreite – meist > 10 nm – umformen.Even if the cylindrical lens effect is thus bypassed in principle, this method is not yet in use for laser material processing. If the sound wave coupled into the AOD crystal is amplitude-modulated synchronously to laser pulses, individual portions of the lateral beam profile can be masked out. This method is currently used in so-called pulse shapers, which are devices which transform the temporal course of an ultrashort laser pulse with a sufficiently high bandwidth, usually> 10 nm.

Der Stand der Technik im Zusammenhang mit Ultrakurzpulslasern in Mikrostrukturierung und Mikroskopie ist wie folgt zu umreißen. Sowohl in den Bereichen „Mikrostrukturierung” als auch „Mikroskopie” werden in zunehmendem Maße Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) als Strahlquellen eingesetzt. Typische Pulsdauerbereiche in diesen Anwendungsfeldern liegen im Bereich von 100 fs bis etwa 10 ps. In Bezug auf die Mikrostrukturierung werden mit UKP-Lasern präzise und annähernd schmelzefreie (sog. athermische) Bearbeitungsergebnisse in nahezu beliebigen Werkstoffen erzielt, wobei in der Regel die Prozesseffizienz in Bezug auf die Materialabtragsrate mit der mittleren Leistung der eingesetzten Laser skaliert, solange bestimmte Parameter eingehalten werden, d. h., z. B. ein ausreichend geringer Pulsüberlapp von < 90% (was bei Verwendung von Galvanometerscannern eine Repetitionsrate von etwa 100 kHz bis 1 MHz bedingt) und eine Fluenz knapp oberhalb der Ablationsschwelle (was eine Pulsenergie von typisch 10 μJ bis 100 μJ bedingt). Die sinnvoll anwendbare mittlere Leistung beträgt momentan maximal etwa 100 W. Dabei ist bemerkenswert, dass UKP-Laser mit inzwischen sehr hoher mittlerer Leistung von > 1 kW prinzipiell zur Verfügung stehen, diese aber kaum in der Mikrostrukturierung Anwendung finden. Der Grund hierfür liegt in der Wechselwirkung der Einzelpulse untereinander. Über etwa 1 MHz Repetitionsrate bzw. unter 1 μs Puls-zu-Puls-Pause interagiert ein Puls mit dem Materialdampf und -plasma, welche durch den vorangegangenen Puls erzeugt wurden, in Form von Absorption, Streuung und Reflektion. Die Folge ist unter anderem eine mit der Repetitionsrate zunehmende Einbringung thermischer Energie in den Werkstoff. Unerwünschte Aufschmelzungen und Materialaufwürfe sind die Folge.The state of the art in connection with ultrashort pulse lasers in microstructuring and Microscopy is to be outlined as follows. Both in the fields of "microstructuring" and "microscopy" ultrashort pulse lasers (UKP lasers) are increasingly being used as beam sources. Typical pulse duration ranges in these application fields are in the range of 100 fs to about 10 ps. In terms of microstructuring, UKP lasers produce precise and almost melt-free (so-called athermal) machining results in virtually any material, with process efficiency in terms of material removal rate typically scaled with the average power of the lasers used as long as certain parameters are met be, ie, z. B. a sufficiently low pulse overlap of <90% (which requires a repetition rate of about 100 kHz to 1 MHz when using galvanometer scanners) and a fluence just above the ablation threshold (which results in a pulse energy of typically 10 .mu.J to 100 .mu.J). At the moment, the useful mean power is about 100 W. It is remarkable that UKP lasers with a mean high power output of> 1 kW are available in principle, but these are hardly used in microstructuring. The reason for this lies in the interaction of the individual pulses with each other. At about 1 MHz repetition rate or below 1 μs pulse-to-pulse pause, a pulse interacts with the material vapor and plasma produced by the previous pulse in the form of absorption, scattering, and reflection. The result is, among other things, an increasing introduction of thermal energy into the material with the repetition rate. Unwanted melting and material throw-ups are the result.

Ein aktueller Ansatz zur Behebung dieser Problematik ist es, die einzelnen Pulse auf dem Werkstück lateral so voneinander zu trennen, dass die Wechselwirkung mit den vorangegangenen Pulsen verhindert wird. Dazu werden in der Regel hohe Ablenkgeschwindigkeiten von etwa ≥ 40 m/s verwendet. Periodische Mikrostrukturierungen können z. B. durch angepasste Scan- bzw. Rasterverfahren realisiert werden (sog. Direktstrukturierung). Eine weitaus effizientere Methode ist die Nutzung von Mehrstrahlinterferenz bei ultrakurzen Laserpulsen. Der einzelne Laserpuls interferiert in der Bearbeitungsebene auf eine solche Weise mit sich selbst, dass die gewünschten, periodischen Strukturen erzeugt werden. Erreichbare Strukturgrößen liegen bei dieser Methode momentan etwa im Bereich der verwendeten Wellenlänge. Erfahrungen aus der Lithografie zeigen aber, dass Strukturgrößen unterhalb der Wellenlänge prinzipiell möglich sind.A current approach to overcome this problem is to laterally separate the individual pulses on the workpiece so as to prevent interaction with the previous pulses. For this purpose, high deflection speeds of approximately ≥ 40 m / s are generally used. Periodic microstructures can z. B. be realized by adapted scanning or screening methods (so-called direct structuring). A much more efficient method is the use of multi-beam interference in ultrashort laser pulses. The single laser pulse interferes with itself in the working plane in such a way that the desired, periodic structures are generated. Achievable structure sizes are currently approximately in the range of the wavelength used in this method. However, experience from lithography shows that structure sizes below the wavelength are possible in principle.

In der Mikroskopie werden UKP-Laser vor alter in der Mehr-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie angewendet. Der Laserstrahl wird dabei so fokussiert, dass eine Fluoreszenz des untersuchten Mediums nicht durch lineare Absorption, sondern erst bei gleichzeitiger Absorption von zwei (selten auch mehr) Photonen hervorgerufen wird. Unter Ausnutzung von Schwellwerteffekten wird so die laterale und zum Laserstrahl koaxiale Auflösung verbessert. Da es sich bei der Fluoreszenzmikroskopie um ein Raster-Verfahren handelt, wird eine hohe Bildwiederholrate in der Regel durch eine hohe Ablenkgeschwindigkeit sichergestellt. AODs finden daher vermehrt Einsatz und es werden teilweise überaus aufwendige Systeme eingesetzt, um den Zylinderlinseneffekt zu kompensieren. Wie bereits erwähnt, zählt dazu unter anderem die Verwendung von vier AODs, wodurch Investitionskosten verdoppelt und erreichbare Beugungseffizienzen in etwa halbiert werden.In microscopy, UKP lasers are used before ages in multi-photon fluorescence microscopy. The laser beam is focused so that a fluorescence of the medium under investigation is not caused by linear absorption, but only with simultaneous absorption of two (rarely more) photons. By utilizing threshold effects, the lateral and laser beam coaxial resolution is improved. Since fluorescence microscopy is a halftoning process, a high refresh rate is usually ensured by a high sweep rate. AODs are therefore increasingly used and sometimes very complex systems are used to compensate for the cylindrical lens effect. As already mentioned, this includes the use of four AODs, which doubles investment costs and halves achievable diffraction efficiencies.

Aus der US 2010/0301023 A1 ist die prozessspezifische Überlagerung der Scanbewegungen eines AODs und eines Galvanometerscanners bekannt. In diesem Zusammenhang wird der Laserspot effektiv aufgeweitet in dem Sinne, dass die Prozesszone durch schnelle Strahlablenkung vergrößert wird. Eine Anpassung oder Verwendung eines Schallwellenfrequenzgradienten oder eine Überlagerung mehrerer Schallwellenfrequenzen finden dabei nicht statt.From the US 2010/0301023 A1 is the process-specific overlay of the scanning movements of an AODs and a galvanometer scanner known. In this context, the laser spot is effectively widened in the sense that the process zone is enlarged by rapid beam deflection. An adaptation or use of a sound wave frequency gradient or a superposition of several sound wave frequencies will not take place.

In Bezug auf die Erzeugung von Mikrostrukturierungen mittels interferometrischer Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung ist die DE 103 28 314 A1 zu beachten, die eine Vorrichtung zur Erzeugung einer solchen Wechselwirkung beschreibt. Dabei werden unter anderem mindestens zwei als Strahlteiler ausgebildete, hintereinandergeschaltete diffraktive optische Elemente eingesetzt. AODs können mittelbar als solche Elemente interpretiert werden, da ein optisches Gitter in den akustooptischen Kristallen erzeugt und zur Strahlablenkung genutzt wird. Eine zeitlich variable oder zu einer Laser-Repetitionsrate synchronisierte Strahlformung bzw. -ablenkung ist bei diesem Stand der Technik nicht vorgesehen, da es sich um ein quasi-statisches System handelt. Entsprechend spielen eine Anpassung oder Verwendung von Schallwellenfrequenzgradienten oder Überlagerung mehrerer Schallwellenfrequenzen keine Rolle.With regard to the generation of microstructures by interferometric interaction of electromagnetic radiation is the DE 103 28 314 A1 to note that describes a device for generating such interaction. Among other things, at least two diffractive optical elements designed as beam splitters are used. AODs can be indirectly interpreted as such elements because an optical grating is generated in the acousto-optic crystals and used for beam deflection. A time-variable or to a laser repetition rate synchronized beam shaping or deflection is not provided in this prior art, since it is a quasi-static system. Accordingly, an adaptation or use of sound wave frequency gradients or superimposition of several sound wave frequencies is irrelevant.

Die US 5 526 171 A beschreibt den Einsatz eines AODs in einem pulse shaper (Pulsformer) als das Frequenzspektrum des ultrakurzen Laserpulses modulierende Komponente. In diesem Zusammenhang wird ein amplitudenmoduliertes oder frequenzmoduliertes Signal in den AOD eingekoppelt, welches dazu dient, Anteile aus dem Frequenzspektrum auszukoppeln. Eine Umformung des Laserstrahls oder eine Nutzung des umgeformten Laserstrahls ist nicht offenbart.The US 5 526 171 A describes the use of an AOD in a pulse shaper (modulator) as the frequency spectrum of the ultrashort laser pulse modulating component. In this context, an amplitude-modulated or frequency-modulated signal is coupled into the AOD, which serves to decouple portions of the frequency spectrum. A transformation of the laser beam or a use of the transformed laser beam is not disclosed.

Die US 4 321 564 A und US 4 206 347 A beschreiben unterschiedliche Aufbauten zur Nutzung von AODs als optische Schalter. In beiden Publikationen wird dabei kein Bezug auf die Umformung von Laserstrahlung genommen.The US 4,321,564 A and US 4,206,347 A describe different constructions for the use of AODs as optical switches. In both Publications are not related to the transformation of laser radiation.

In der US 4 577 932 A wird ein Aufbau beschrieben, in welchem ein amplitudenmoduliertes Signal synchronisiert zu einem Laserpuls in den AOD eingekoppelt und derart genutzt wird, dass ein (digitaler) Datenstrom als lateral codierte Intensitätsprofilverteilung dargestellt wird. Es wird kein Bezug auf frequenzmodulierte Signale und die damit verbundene Strahlumformung genommen.In the US 4 577 932 A a structure is described in which an amplitude-modulated signal synchronized to a laser pulse is coupled into the AOD and used in such a way that a (digital) data stream is represented as a laterally coded intensity profile distribution. No reference is made to frequency-modulated signals and the associated beamforming.

Die US 2005/0274702 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Modulation ultrakurz gepulster Laserstrahlung unter Anderem mittels akustooptischem Modulator, wobei die Ansteuerung des Modulators synchronisiert zur Laserpulsrepetitionsrate stattfindet. Es wird ebenfalls die unbeabsichtigte Strahlprofilverformung durch chromatische Aberration erläutert. Die Nutzung frequenzmodulierter Signale zur gezielten Strahlformung wird nicht erwähnt.The US 2005/0274702 A1 describes a device for modulating ultrashort pulsed laser radiation, inter alia, by means of acousto-optic modulator, wherein the control of the modulator takes place synchronized to the laser pulse repetition rate. It also explains the unintentional beam profile deformation by chromatic aberration. The use of frequency modulated signals for targeted beam shaping is not mentioned.

Die US 2005/0061981 A1 beschreibt eine Vorrichtung für die Photolithographie, in welcher ein AOD zur Ablenkung der Laserstrahlung und ein mehrkanaliger akustooptischer Modulator zur Amplitudenmodulation einzelner Anteile eines ausgedehnten Strahlprofils zum Einsatz kommen. Eine Synchronisierung der Signal- mit einer gepulsten Laserquelle ist nicht vorgesehen, daher ist eine gezielte Strahlformung mittels frequenzmodulierter Steuersignale nicht möglich.The US 2005/0061981 A1 describes a device for photolithography in which an AOD for deflecting the laser radiation and a multi-channel acousto-optic modulator for amplitude modulation of individual portions of an extended beam profile are used. A synchronization of the signal with a pulsed laser source is not provided, so a targeted beam shaping by means of frequency-modulated control signals is not possible.

Ausgehend von dem ausführlich geschilderten Umfeld des Standes der Technik und der daraus resultierenden Problematik beim Einsatz von AODs im Bereich der Mikrostrukturierung und Mikroskopie liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung zu schaffen, mit deren Hilfe diese Strahlung zielgerichtet und insbesondere optimal an die Einsatzbedingungen bei der Mikrostrukturierung und Mikroskopie anpassbar ist.Based on the detailed description of the background of the prior art and the resulting problems in the use of AODs in the field of microstructuring and microscopy, the invention has for its object to provide a device for forming periodically pulsed electromagnetic radiation, with the aid of which targeted this radiation and in particular optimally adaptable to the conditions of use in microstructuring and microscopy.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung zur Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung gelöst, die erfindungsgemäß umfasst

– eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer gepulsten, elektromagnetischen Strahlung,
– einen Fotodetektor zur zeitlich aufgelösten Erfassung der Pulse der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung,
– eine mit dem Fotodetektor gekoppelte, davon triggerbare Signalquelle zur Erzeugung von Schallwellen mit einer frequenzmodulierten Steuersignalform, die einen beliebig einstellbaren Verlauf des Schallwellenfrequenzgradienten aufweist, und
– einen akustooptischen Deflektor, der mit der Signalquelle zur zeitlich zur Periodizität der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung synchronisierten Einkopplung einer oder mehrerer solcher Schallwellen derart verbunden ist, dass zum Zeitpunkt des Durchgangs der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung durch den akustooptischen Deflektor in diesem eine diffraktive Strahlumformung und/oder Strahlablenkung der periodisch gepulsten, elektromagnetischen Strahlung stattfindet.

This object is achieved by the device specified in claim 1 for forming periodically pulsed electromagnetic radiation, which comprises according to the invention

A radiation source for generating a pulsed, electromagnetic radiation,
A photodetector for the time-resolved detection of the pulses of the pulsed, electromagnetic radiation,
A triggerable signal source coupled to the photodetector for generating sound waves having a frequency-modulated control waveform having an arbitrarily adjustable course of the acoustic wave frequency gradient, and
An acousto-optic deflector which is connected to the signal source for coupling to one or more such sound waves synchronized with the periodicity of the pulsed electromagnetic radiation in such a way that at the time of passage of the pulsed electromagnetic radiation through the acousto-optic deflector a diffractive beam transformation and / or or beam deflection of the periodically pulsed, electromagnetic radiation takes place.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ansteuerung des akustooptischen Deflektors kann ein durch die Frequenzmodulation hervorgerufener Frequenzgradient in der Steuersignalform während der Pulspausen zwischen den einzelnen Strahlungspulsen so eingesetzt werden, dass die AOD-Apertur mit einem einstellbaren Gitterfrequenzgradienten gefüllt wird. Dabei ist die zeitlich zur Periodizität der Strahlungspulse synchronisierte Einkopplung wichtig, sodass unterschiedliche Anteile des lateralen Strahlprofils des sich anschließenden Strahlungspulses an unterschiedliche Orte abgelenkt werden. Damit wird eine einstellbare Strahlformung erreicht.Due to the activation of the acoustooptic deflector according to the invention, a frequency gradient in the control signal form caused by the frequency modulation can be used during the pulse pauses between the individual radiation pulses such that the AOD aperture is filled with an adjustable grid frequency gradient. In this case, the time-synchronized with the periodicity of the radiation pulses coupling is important so that different portions of the lateral beam profile of the subsequent radiation pulse are deflected to different locations. This achieves an adjustable beam shaping.

Die zeitliche Synchronisierung von Laserpuls und Beginn der Steuersignalform ist auch bei der Einkopplung mehrer, überlagerter Frequenzen in den AOD zur diffraktiven Strahlformung, ähnlich zu einem AOD-Spektralanalysator, wichtig, wie dies anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich wird und hier zur Vermeidung von Wiederholungen nicht eigens erläutert werden soll.The temporal synchronization of the laser pulse and the beginning of the control waveform is also important in the coupling of multiple, superimposed frequencies in the AOD for diffractive beam shaping, similar to an AOD spectral analyzer, as will become apparent from the description of embodiments and not to avoid repetition should be explained specifically.

Die Erfindung ermöglicht ferner eine radialsymmetrische Strahlformung, wenn Kreiswellen in einen AOD induziert werden. Damit wird beispielsweise die Kompensation von primärer und sekundärer sphärischer Aberration in einer Strahlformungseinrichtung durchführbar.The invention also allows radially symmetric beamforming when circular waves are induced in an AOD. Thus, for example, the compensation of primary and secondary spherical aberration in a beam shaping device can be carried out.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf eine Laser-Strahlungsquelle zur Erzeugung einer periodisch gepulsten Laser-Strahlung (Anspruch 2). Ferner ist es von Vorteil, wenn ein teildurchlässiger Spiegel im Strahlengang dieser Strahlung zur Abzweigung eines Teils der Strahlung zum Fotodetektor eingesetzt wird (Anspruch 3).Preferred embodiments of the invention relate to a laser radiation source for generating a periodically pulsed laser radiation (claim 2). Further, it is advantageous if a partially transmissive mirror in the beam path of this radiation is used for branching off part of the radiation to the photodetector (claim 3).

Durch die nach Anspruch 4 vorgesehene Weiterentwicklung der Erfindung ist es durch die entsprechende Verwendung zweier orthogonal ausgerichteter AOD möglich, eine Strahlablenkung in zwei zueinander orthogonale Raumachsen zu erzielen, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zweidimensional und nicht nur lateral abgelenkte Strahlführung erlaubt.By further development of the invention provided according to claim 4, it is possible by the corresponding use of two orthogonally oriented AOD to achieve a beam deflection into two mutually orthogonal spatial axes, whereby the device according to the invention allows a two-dimensional and not only laterally deflected beam guidance.

Ein ähnliches Ergebnis ist auch durch die bevorzugte Weiterbildung der Vorrichtung gemäß Anspruch 5 realisierbar, wonach die Signalquelle selbst derart ausgelegt ist, dass zwei zueinander orthogonal ausgerichtete Schallwellen induziert und in den AOD eingekoppelt werden. Damit ist auch eine zweidimensionale diffraktive Strahlumformung möglich. A similar result can also be achieved by the preferred embodiment of the device according to claim 5, according to which the signal source itself is designed such that two mutually orthogonally oriented sound waves are induced and coupled into the AOD. Thus, a two-dimensional diffractive beam shaping is possible.

Weitere optische Maßnahmen zur zielgerichteten Aufbereitung der umgeformten Strahlung sehen gemäß Anspruch 6 die Verwendung einer Wellenplatte vor einem jeweiligen AOD vor, um beispielsweise die Polarisationsart und -richtung des Laserstrahls hinsichtlich einer optimalen Beugungseffizienz der beiden AODs zu justieren.Further optical measures for the targeted processing of the transformed radiation provide according to claim 6, the use of a wave plate in front of a respective AOD, for example, to adjust the polarization type and direction of the laser beam with respect to an optimal diffraction efficiency of the two AODs.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 7 ist eine den AODs nachgeschaltete Fokussierungsoptik im Strahlengang der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung vorgesehen. Damit kann eine Änderung der Fokuslage des Laserstrahls in Abhängigkeit der vom AOD erzeugten Divergenz erzeugt werden.According to a further preferred embodiment of the invention according to claim 7, a focusing optics downstream of the AODs is provided in the beam path of the pulsed, electromagnetic radiation. In this way, a change in the focal position of the laser beam can be generated as a function of the divergence generated by the AOD.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung schließt auch die Strahlformung in einer solchen Art ein, dass Anteile des lateralen Strahlprofils auf sich gegenseitig abgebildet werden und so eine interferometrische Wechselwirkung stattfindet. Dies bedeutet explizit, dass ein Laserpuls beispielsweise mit sich selbst interferiert. Dabei erlaubt die Überlagerung unterschiedlicher Anteile des lateralen Strahlprofils mit sich selbst die Erzeugung einer Mehr-Strahleninterferenz (Anspruch 8). Dabei kann die Interferenzebene mit Hilfe einer Abbildungsoptik in eine Bildebene abgebildet werden (Anspruch 9).The device according to the invention also includes the beam shaping in such a way that portions of the lateral beam profile are imaged onto each other and thus an interferometric interaction takes place. This explicitly means that a laser pulse, for example, interferes with itself. The superposition of different portions of the lateral beam profile with itself allows the generation of a multi-beam interference (claim 8). In this case, the interference plane can be imaged with the aid of an imaging optics in an image plane (claim 9).

Bevorzugtermaßen kann laut Anspruch 10 zwischen der Interferenzebene und der genannten Abbildungsoptik eine weitere Aufbereitungsoptik zur Einstellung der Phasenverzögerung von Teilstrahlen aus der gepulsten, elektromagnetischen Strahlung und entsprechend der Interferenz der Teilstrahlen in der Bildebene angeordnet sein. Als Aufbereitungsoptik können beispielsweise lateral bewegliche Keilplatten oder verkippbare Planparallelplatten eingesetzt werden (Anspruch 11), um die Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Teilstrahlen einzustellen und so die resultierende Interferenz in der Bildebene zu beeinflussen.Preferably, according to claim 10 between the interference plane and said imaging optics further processing optics for adjusting the phase delay of partial beams from the pulsed electromagnetic radiation and corresponding to the interference of the partial beams in the image plane can be arranged. For example, laterally movable wedge plates or tiltable plane parallel plates can be used as processing optics (claim 11) in order to adjust the phase delay between the individual partial beams and thus to influence the resulting interference in the image plane.

Weitere, bisher nicht genannte abhängige Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung entnehmbar sind. Dabei zeigen:Further, previously not mentioned dependent claims relate to advantageous developments of the device according to the invention, the features, details and advantages of the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings are removable. Showing:

1 bis 4 schematische Ansichten eines akustooptischen Deflektors (AOD) mit unterschiedlichen eingekoppelten Schallwellenmodifikationen, 1 to 4 schematic views of an acoustooptic deflector (AOD) with different coupled sound wave modifications,

5 ein Aufbauschema einer Vorrichtung zur Umformung von gepulster Laserstrahlung, 5 a construction diagram of an apparatus for forming pulsed laser radiation,

6 zeitliche Diagramme der Ansteuerung der bei der Vorrichtung gemäß 5 verwendeten AODs in Abhängigkeit der Laserpuls-Zeitfolgen, 6 Timing diagrams of the control of the device according to 5 used AODs as a function of the laser pulse time sequences,

7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umformung von Laserpulsen mit einer Abbildungsoptik, 7 a schematic representation of another embodiment of an apparatus for forming laser pulses with an imaging optics,

8 eine schematische Darstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Vorrichtung zur Umformung von Laserpulsen mit einer Fokussieroptik, 8th 1 is a schematic representation of a further alternative embodiment of a device for shaping laser pulses with a focusing optics,

9 eine schematische Darstellung der Bragg'schen Beugung in einem akustooptischen Kristall (Stand der Technik), 9 a schematic representation of the Bragg diffraction in an acousto-optic crystal (prior art),

10 und 11 schematische Darstellungen der Ablenkung eines Laserstrahls in einem AOD ohne und mit Zylinderlinseneffekt (Stand der Technik), 10 and 11 schematic representations of the deflection of a laser beam in an AOD without and with cylindrical lens effect (prior art),

12(1)–(6) eine schematische Darstellung der Ablenkung eines gepulsten Laserstrahls in einem akustooptischen Deflektor zu unterschiedlichen Zeitpunkten (Stand der Technik). 12 (1) - (6) a schematic representation of the deflection of a pulsed laser beam in an acousto-optic deflector at different times (prior art).

Bevor auf die einzelnen 1 bis 8 betreffend die Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen wird, sollen die grundlegenden Gegebenheiten bei Ultrakurzpuls-Lasern (UKP-Lasern) kurz reflektiert werden. So liegt die Pulsdauer in den Anwendungsbereichen Mikrostrukturierung und Mikroskopie bei Verwendung von UKP-Lasern bei etwa 100 fs bis 10 ps. Wird der Laserstrahl mittels eines AOD und einem linearen Schallwellenfrequenzgradienten abgelenkt, so resultiert der Zylinderlinseneffekt. Beachtenswert ist hierbei, dass ein einzelner Laserpuls zum Durchgang durch den AOD-Kristall die Durchgangszeit t_D = d_AODn/c₀ benötigt, wobei d_AOD der AOD-Kristalldicke, n dem Brechungsindex des AOD-Kristallmaterials und c₀ der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entspricht. Die Durchgangszeit liegt bei typischen AOD-Kristalldicken von 2 mm bis 10 mm im Bereich von etwa 10 ps bis 50 ps. Die vorstehenden und alle weiteren Zahlenwerte sind im Übrigen für Quarzglas als AOD-Kristallmaterial berechnet. Dabei gilt für die Schallgeschwindigkeit im Kristall V = 5700 m/s und n = 1,46.Before on the individual 1 to 8th concerning the embodiments of the invention, the basic conditions of ultrashort pulse lasers (UKP lasers) will be briefly reflected. Thus, the pulse duration in the application areas of microstructuring and microscopy when using UKP lasers is about 100 fs to 10 ps. If the laser beam is deflected by means of an AOD and a linear acoustic wave frequency gradient, the cylindrical lens effect results. It is noteworthy here that a single laser pulse for passage through the AOD crystal requires the transit time t _D = d _AOD n / c ₀ , where d _{AOD is} the AOD crystal thickness, n is the refractive index of the AOD crystal material, and c _{0 is} the speed of light in vacuum equivalent. The transit time ranges from about 10 ps to 50 ps for typical AOD crystal thicknesses of 2 mm to 10 mm. Incidentally, the above and all other numerical values are calculated for quartz glass as AOD crystal material. The speed of sound in the crystal is V = 5700 m / s and n = 1.46.

In der Zeitspanne von 10 ps bis 50 ps hat sich die akustische Welle im AOD-Kristall um etwa 50 nm bis 250 nm bewegt. Berücksichtigt man, dass typische Gitterabstände in einem AOD im Bereich von mehreren 10 μm liegen (Schallwellenfrequenzen ~ 100 MHz), so folgt, dass ein ultrakurzer Laserpuls bei Durchgang durch einen AOD-Kristall näherungsweise die Wirkung eines stehenden Gitters erfährt.In the time span from 10 ps to 50 ps, the acoustic wave in the AOD crystal has about 50 nm moved to 250 nm. Considering that typical lattice spacings in an AOD are in the range of several 10 μm (sound wave frequencies ~ 100 MHz), it follows that an ultra-short laser pulse when passing through an AOD crystal experiences approximately the effect of a standing lattice.

Bei typischen Laserrepetitionsraten von etwa 1 MHz beträgt die Puls-zu-Puls-Pause t_PP = 1 μs. In dieser Zeitspanne bewegt sich das akustische Gitter um etwa 5 mm fort. Diese Größe liegt im Bereich typischer Aperturdurchmesser von AODs. Das heißt, dass während einer Puls-zu-Puls-Pause die akustische Welle in etwa einmal die komplette Apertur eines AODs – den korrekten Aperturdurchmesser vorausgesetzt – durchläuft.At typical laser repetition rates of about 1 MHz, the pulse-to-pulse pause t _PP = 1 μs. During this period, the acoustic grating moves by about 5 mm. This size is in the range of typical aperture diameter of AODs. That is, during a pulse-to-pulse pause, the acoustic wave passes through the complete aperture of an AOD approximately once, assuming the correct aperture diameter.

Anhand der 1 bis 4 werden nun die verschiedenen Alternativen für eine Strahlumformung erläutert, die durch die Verwendung eines einstellbaren Gitterfrequenzgradienten der in den den AOD bildenden Kristall K über den Piezo-Schallwandler PZ eingestrahlten Schallwellen SW zu erzielen sind. So zeigt 1 zwei Wellenbereiche mit – jeweils bezogen auf die Zeichnung – links kleinerem und rechts größerem Gitterabstand A. Dadurch kann der einfallende gepulste Laserstrahl L im Strahlprofil geteilt werden.Based on 1 to 4 Now, the various alternatives for a beam forming, which can be achieved by the use of an adjustable grating frequency gradient of the sound waves SW radiated into the AOD forming crystal K via the piezoelectric transducer PZ. So shows 1 two wave areas with - each with reference to the drawing - left smaller and larger right grid spacing A. This allows the incident pulsed laser beam L are divided in the beam profile.

Bei der in 2 gezeigten Konfiguration ist die Schallwelle SW umgekehrt zur 1 ausgelegt, also links mit einem größeren Gitterabstand A verglichen mit rechts. Dadurch kann ein Überlapp des Strahlprofils des Laserstrahls erzeugt werden.At the in 2 shown configuration, the sound wave SW is reversed to 1 designed, so left with a larger grid spacing A compared to the right. As a result, an overlap of the beam profile of the laser beam can be generated.

Bei der in 3 gezeigten Konfiguration werden zwei Bereiche links/rechts mit jeweils sich sukzessiv verringernden Gitterabständen A durch die angekoppelte Schallwelle SW erzeugt, wobei die Gitterabstände A links deutlich kleiner gegenüber den Gitterabständen A rechts sind. Damit kann eine Teilung des Strahlprofils mit einer Fokussierung der jeweiligen Teilstrahlen T1, T2 hervorgerufen werden.At the in 3 shown configuration, two areas left / right, each with successively decreasing lattice spacings A generated by the coupled sound wave SW, wherein the lattice spacings A are left significantly smaller compared to the lattice spacings A right. This can cause a division of the beam profile with a focusing of the respective partial beams T1, T2.

Eine diffraktive Teilung des Profils des einfallenden Lichtstrahls L ist in 4 gezeigt. Dies wird durch Einkopplung mehrerer, überlagerter Schallfrequenzen in den akustooptischen Kristall K erreicht. Hierbei ist eine zeitliche Synchronisierung von Laserpuls und Beginn der entsprechenden Steuersignalform aus folgendem Grund ebenfalls zwingend erforderlich. Bei Einkopplung zweier Frequenzen f₁ und f₂ mit geringem Frequenzunterschied resultiert eine Schwebung mit der mittleren Frequenz (f₁ + f₂)/2 und der amplitudenmodulierenden Einhüllenden (f₁ – f₂)/2. Diese Schwebung bewegt sich mit der Schallgeschwindigkeit des Kristallmaterials fort. Der Ort der Einhüllenden, welche die Beugungseffizienz moduliert, wird ohne zeitliche Synchronisierung zum Zeitpunkt eines Laserpulsdurchgangs unbestimmt, was zu unerwünschten Fluktuationen des Intensitätsprofils und starken Variationen der abgelenkten Leistung führen kann. Als Zahlenbeispiel ist die Überlagerung von Schallwellenfrequenzen von 100 MHz und 101 MHz zu nennen, bei denen der Abstand zweier Interferenzmaxima etwa 5 mm beträgt. Dies entspricht typischen Aperturdurchmessern von AODs. Die Beugungseffizient würde also mit einer Frequenz von etwa 1 MHz moduliert werden. Die vorgenannten Probleme werden durch die zeitliche Synchronisierung von Laserpuls und Beginn der Steuersignalform verhindert, es wird eine nahezu arbiträre, diffraktive Strahlform erreicht.A diffractive division of the profile of the incident light beam L is in 4 shown. This is achieved by coupling several, superimposed sound frequencies in the acousto-optic crystal K. Here, a temporal synchronization of the laser pulse and the beginning of the corresponding control signal form for the following reason is also mandatory. When coupling two frequencies f ₁ and f ₂ with a low frequency difference results in a beat with the average frequency (f ₁ + f ₂ ) / 2 and the amplitude modulating envelope (f ₁ - f ₂ ) / 2. This beating proceeds with the speed of sound of the crystal material. The location of the envelope modulating the diffraction efficiency becomes indeterminate without timing synchronization at the time of a laser pulse crossing, which can lead to undesirable fluctuations in the intensity profile and large variations in the deflected power. A numerical example is the superimposition of sound wave frequencies of 100 MHz and 101 MHz, in which the distance between two interference maxima is about 5 mm. This corresponds to typical aperture diameters of AODs. The diffraction efficiency would thus be modulated at a frequency of about 1 MHz. The aforementioned problems are prevented by the timing of the laser pulse and the beginning of the control waveform, a nearly arbitrary, diffractive beam shape is achieved.

Anhand von 5 wird nun der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung zur Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung erläutert. So ist eine übliche Laserstrahlquelle 1 für einen UKP-Laserstrahl 2 vorgesehen, der durch einen teildurchlässigen Spiegel 3 in das System eingekoppelt wird. Der durch den teildurchlässigen Spiegel 3 transmittierte Anteil des Laserstrahls 2 fällt auf einen Fotodetektor 4 in Form einer Fotodiode, eines Photomultipliers oder ähnlicher Detektionseinrichtung, mit deren Hilfe die einzelnen Laserpulse detektiert werden. Das Signal des Fotodetektors 4 wird als Triggersignal für eine triggerbare, zweikanalige Signalquelle 5 genutzt. Diese Signalquelle erzeugt jeweils die gewünschte Signalform für die in zwei orthogonal zueinander in der optischen Achse des Systems angeordneten AODs 6, 7. Die Signalquelle leitet dabei die entsprechenden Signale an die Treiberbausteine 8, 9 für den Piezo-Schallwandler PZ der beiden AODs 6, 7.Based on 5 Now, the basic structure of a device for forming periodically pulsed, electromagnetic radiation is explained. Such is a common laser beam source 1 for a UKP laser beam 2 provided by a semitransparent mirror 3 is coupled into the system. The through the partially transparent mirror 3 transmitted portion of the laser beam 2 falls onto a photodetector 4 in the form of a photodiode, a photomultiplier or similar detection device, with the aid of which the individual laser pulses are detected. The signal of the photodetector 4 is used as a trigger signal for a triggerable, two-channel signal source 5 used. This signal source generates the desired signal shape for the AODs arranged in two orthogonal to one another in the optical axis of the system 6 . 7 , The signal source directs the corresponding signals to the driver blocks 8th . 9 for the piezoelectric transducer PZ of the two AODs 6 . 7 ,

Der AOD 6 formt den Laserstrahl 2 in x-Richtung, der zweite AOD 7 in y-Richtung. Vor den beiden AODs 6, 7 werden jeweils Wellenplatten 10, 11 gesetzt, um die Polarisationsart und -richtung des Laserstrahls 2 hinsichtlich optimaler Beugungseffizienten der beiden AODs 6, 7 zu justieren.The AOD 6 shapes the laser beam 2 in the x-direction, the second AOD 7 in the y direction. Before the two AODs 6 . 7 are each wave plates 10 . 11 set to the polarization type and direction of the laser beam 2 for optimal diffraction efficiency of the two AODs 6 . 7 to adjust.

Der nicht abgelenkte und nicht geformte Laserstrahl L0 der sogenannten nullten Beugungsordnung wird einer Strahlfalle 12 absorbiert. Der umgeformte Laserstrahl L1 der 1. Beugungsordnung verlässt das System ungehindert.The undeflected and non-shaped laser beam L0 of the so-called zeroth diffraction order becomes a beam trap 12 absorbed. The reshaped laser beam L1 of the 1st diffraction order leaves the system unhindered.

Anhand der 6 ist die zeitliche Steuerung der beiden AODs 6, 7 über die Signalquelle 5 und die entsprechenden Treiberbausteine 8, 9 zu erläutern. So zeigt das obere Zeitdiagramm I die vom Fotodetektor 4 erfassten Laserpulse 13, deren Beginn jeweils die Trigger-Zeitpunkte t_trig1, t_trig2 usw. definiert. Der zeitliche Abstand der Laserpulse 13 beträgt 1/f_rep mit f_rep = Repetitionsrate der gepulsten Laserquelle 1.Based on 6 is the timing of the two AODs 6 . 7 via the signal source 5 and the corresponding driver blocks 8th . 9 to explain. Thus, the upper timing diagram I shows that of the photodetector 4 detected laser pulses 13 whose beginning defines the trigger times t _trig1 , t _trig2 and so on. The time interval of the laser pulses 13 is 1 / f _rep with f _rep = repetition rate of the pulsed laser source 1 ,

Nach einer Wartezeit von Δt_tx bzw. Δt_ty wird eine entsprechende Signalform SFx1 bzw. SFy1 in der Signalquelle eingestellt. Die Wartezeiten Δt_tx bzw. Δt_ty sind dabei so gewählt, dass nach der sogenannten Füllzeit Δt_Fx bzw. Δt_Fy der gemäß der gewünschten Strahlformung neue Zustand zum Zeitpunkt des nächsten Laserpulses im jeweiligen AOD vorliegt. Die Füllzeiten entsprechen dem Zeitintervall, in welchem die neue Signalform den AOD-Kristall entsprechend der Schallgeschwindigkeit komplett ausfüllt. Insgesamt triggert also jeder Laserpuls die Strahlformung für den nächsten Laserpuls.After a waiting time of Δt _tx or Δt _ty , a corresponding signal form SFx1 or SFy1 is set in the signal source. The waiting times .DELTA.t _tx and _ty .DELTA.t are chosen so that, after the so-called filling time .DELTA.t _Fx or _Fy .DELTA.t is present according to the desired beam shaping new state at the time of the next laser pulse in each AOD. The fill times correspond to the time interval in which the new waveform completely fills the AOD crystal according to the speed of sound. Overall, each laser pulse triggers the beam shaping for the next laser pulse.

Es ist darauf hinzuweisen, dass Δt_tx und Δt_ty je nach Ausrichtung der AODs 6, 7 im Strahlengang unterschiedlich sein können. Die Signalformen SFx bzw. SFy sind gemäß der gewünschten Strahlformung frequenzmodulierte Signale.It should be noted that Δt _tx and Δt _ty depending on the orientation of the AODs 6 . 7 can be different in the beam path. The signal forms SFx and SFy are frequency-modulated signals according to the desired beam shaping.

Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform ist wiederum ein AOD 6 vorgesehen, der über einen Piezo-Schallwandler SW mit einer wie oben gemäß 2 konfigurierten Schallwelle (nicht dargestellt) beaufschlagt wird. Dadurch wird der einfallende UKP-Laserstrahl 2 in zwei Teilstrahlen T1, T2 aufgeteilt, die in einer Interferenzebene IE miteinander Wechselwirken. In den beiden Teilstrahlen T1, T2 sind jeweils Phasenverzögerer in Form von Planparallelplatten 14, 15 positioniert, um die Phasenverzögerung zwischen den einzelnen Teilstrahlen T1, T2 einzustellen. Damit kann die Interferenz, die in der durch die Abbildungsoptik in Form einer Linse 16 für die beiden Teilstrahlen T1, T2 geschaffenen Bildebene BE stattfindet, eingestellt werden. Die durch die Abbildungsoptik 16 definierte Fokussierebene FE, in welcher die Teilstrahlen T1 und T2 fokussiert sind, ist der Vollständigkeit halber in 7 ebenfalls eingezeichnet. In dieser Fokussierebene interferieren die Teilstrahlen T1 und T2 nicht miteinander.At the in 7 again shown embodiment is an AOD 6 provided, which via a piezo-transducer SW with a as above according to 2 configured sound wave (not shown) is applied. This will cause the incident UKP laser beam 2 divided into two sub-beams T1, T2, which interact in an interference plane IE with each other. In the two partial beams T1, T2 are each phase retarder in the form of plane parallel plates 14 . 15 positioned to adjust the phase delay between the individual partial beams T1, T2. Thus, the interference in the by the imaging optics in the form of a lens 16 for the two partial beams T1, T2 created image plane BE takes place, are set. The through the imaging optics 16 defined focusing plane FE, in which the partial beams T1 and T2 are focused, is for the sake of completeness in FIG 7 also marked. In this focusing plane, the partial beams T1 and T2 do not interfere with each other.

Der in 7 gezeigte Aufbau wird für die Erzeugung von Interferenz eingesetzt. Im Falle von diffraktiver Interferenzerzeugung liegt die Interferenzebene im AOD selbst, entsprechend rücken Phasenverzögerer, Abbildungsoptik und Bildebene näher an diesen heran.The in 7 shown construction is used for the generation of interference. In the case of diffractive interference generation, the interference plane lies in the AOD itself, correspondingly phase retarder, imaging optics and image plane are closer to it.

In 8 ist ein optischer Aufbau mit einem AOD 6 und einer Fokussieroptik 17 dargestellt, um den Unterschied zu einer Abbildungsoptik 16 gemäß 7 zu verdeutlichen. Der einfallende UKP-Laserstrahl 2 wird mittels des AOD 6 mit einer solchen Divergenzänderung beaufschlagt, dass nach der Fokussierung der vom AOD 6 manipulierten Laserstrahlung durch die Fokussieroptik 16 eine Änderung der Lage der Fokusebene FE um +/–Δz stattfindet. In 8 ist dazu beispielhaft die Lage der Fokusebene FE eines ohne Beeinflussung der Divergenz durch den AOD erzeugten Teilstrahl T1 – durchgezogene Linien – eines Teilstrahls T1P mit positiver Divergenz – kurz gestrichelte Linien – mit +Δz sowie eines Teilstrahls T1N mit negativer Divergenz – lang gestrichelte Linie – mit –Δz dargestellt.In 8th is an optical setup with an AOD 6 and a focusing optics 17 shown the difference to an imaging optics 16 according to 7 to clarify. The incident UKP laser beam 2 is done by means of the AOD 6 subjected to such a divergence change that after focusing the AOD 6 manipulated laser radiation through the focusing optics 16 a change in the position of the focal plane FE takes place by +/- Δz. In 8th For example, the position of the focal plane FE of a partial beam T1 generated without influencing the divergence by the AOD - solid lines - of a partial divergence T1P with positive divergence - short dashed lines - with + Δz and a partial divergence T1N with negative divergence - long dashed line - -Δz shown.

Claims

Apparatus for transforming periodically pulsed, electromagnetic radiation, comprising - a radiation source ( 1 ) for generating a pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ), - a photodetector ( 4 ) for the time-resolved detection of the pulses ( 13 ) of the pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ), - one with the photodetector ( 4 ) coupled, thereof triggerable signal source ( 5 ) for the generation of frequency-modulated control signal forms, which have an arbitrarily adjustable course of the acoustic wave frequency gradient and over at the acousto-optic deflectors ( 6 . 7 ) piezoelectric transducers (PZ) are converted into sound waves (SW), and - an acousto-optic deflector ( 6 . 7 ) connected to the signal source ( 5 ) with respect to the periodicity of the pulsed electromagnetic radiation ( 2 ) synchronized coupling of one or more such sound waves (SW) is connected such that at the time of passage of the pulsed electromagnetic radiation ( 2 ) through the acousto-optic deflector ( 6 . 7 ) in this a diffractive beam shaping and / or beam deflection of the periodically pulsed electromagnetic radiation ( 2 ) takes place.

Device according to Claim 1, characterized in that the radiation source is a laser radiation source ( 1 ) for generating a periodically pulsed laser radiation ( 2 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that a partially transparent mirror ( 3 ) in the beam path of the pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ) for diverting a portion of the pulsed electromagnetic radiation to the photodetector ( 4 ) is provided.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that two orthogonally oriented acousto-optic deflectors ( 6 . 7 ) are provided for diffractive beam shaping and / or beam deflection in two mutually orthogonal spatial axes (x, y).

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the signal source ( 5 ) is designed so that two mutually orthogonally oriented sound waves for diffractive beam shaping and / or beam deflection induced in two mutually orthogonal spatial axes (x, y) and in the acousto-optic deflector ( 6 . 7 ) are coupled.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that in front of the acousto-optic deflector (s) ( 6 . 7 ) each have a wave plate ( 10 . 11 ) in the beam path of the pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ) is set.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a acousto-optic deflector (s) ( 6 . 7 ) downstream focusing optics ( 17 ) in the beam path of the pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized by a beam transformation such that a multi-beam interference of the pulsed electromagnetic radiation ( 2 ) with itself in the interference plane (IE).

Apparatus according to claim 8, characterized in that the interference plane (IE) an imaging optics ( 16 ) is subordinate such that the interference plane (IE) is mapped into an image plane (BE).

Apparatus according to claim 9, characterized in that between the interference plane (IE) and the imaging optics ( 16 ) a further processing optics ( 14 . 15 ) for adjusting the phase delay of partial beams (T1, T2) from the pulsed, electromagnetic radiation ( 2 ) is arranged to influence the resulting interference in the image plane (BE).

Apparatus according to claim 10, characterized in that the further processing optics laterally movable wedge plates or tiltable plane parallel plates ( 14 . 15 ).