DE102012012992A1

DE102012012992A1 - Laser apparatus and apparatus and method for shaping laser radiation

Info

Publication number: DE102012012992A1
Application number: DE201210012992
Authority: DE
Inventors: Jana Fründt
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2014-01-02
Also published as: WO2014001277A1

Abstract

Vorrichtung (2) zur Formung von Laserstrahlung (5), umfassend einen Lichtleiter (3) mit einem lichtleitenden Bereich (4), der eine Eintrittsfläche (6) und eine Austrittsfläche (7) für die Laserstrahlung (5) aufweist, wobei der lichtleitende Bereich (4) eine erste Ausdehnung (D1) in einer ersten Richtung (z) zwischen der Eintrittsfläche (6) und der Austrittsfläche (7) aufweist sowie eine zweite Ausdehnung (D2) und eine dritte Ausdehnung (D3) in dazu senkrechten zweiten und dritten Richtungen (x, y) aufweist, wobei der lichtleitende Bereich (4) in einer x-y-Ebene eine rechteckige Form aufweist, und wobei der lichtleitende Bereich (4) des Lichtleiters (3) eine derartige erste, zweite und dritte Ausdehnung (D1, D2, D3) aufweist, dass bei in die Eintrittsfläche (6) eintretender Laserstrahlung (5) mit einem Gauß- oder Supergauß-Profil die aus der Austrittsfläche (7) austretende Laserstrahlung (5) eine Intensitätsverteilung mit einem konkaven oder einem konvexen Top-Hat-Profil aufweist.Device (2) for shaping laser radiation (5), comprising a light guide (3) with a light-guiding area (4) which has an entry surface (6) and an exit area (7) for the laser radiation (5), the light-guiding area (4) has a first extension (D1) in a first direction (z) between the inlet surface (6) and the outlet surface (7) and a second extension (D2) and a third extension (D3) in second and third directions perpendicular thereto (x, y), wherein the light-guiding area (4) has a rectangular shape in an xy plane, and wherein the light-guiding area (4) of the light guide (3) has such a first, second and third extension (D1, D2, D3) has that when laser radiation (5) with a Gaussian or SuperGaussian profile entering the entrance surface (6), the laser radiation (5) emerging from the exit surface (7) has an intensity distribution with a concave or convex top-hat profile having.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und ein Verfahren zur Formung von Laserstrahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The present invention relates to a device for shaping laser radiation according to the preamble of claim 1 and to a laser device according to the preamble of claim 6 and to a method for shaping laser radiation according to the preamble of claim 11.

Definitionen: Die Bezeichnungen Licht oder Beleuchtung oder Laserstrahlung sollen nicht auf den Bereich sichtbaren Lichts einschränken. Vielmehr werden die Bezeichnungen Licht oder Beleuchtung oder Laserstrahlung im Rahmen dieser Anmeldung für elektromagnetische Strahlung im gesamten Wellenlängenbereich vom FIR bis zum XUV verwendet. In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung oder des Lichts meint mittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung oder des Lichts, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zumindest teilweise divergent ist. Mit Laserstrahl, Lichtstrahl, Teilstrahl oder Strahl ist, wenn nicht ausdrücklich anderes angegeben ist, kein idealisierter Strahl der geometrischen Optik gemeint, sondern ein realer Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl mit einem Gauß-Profil oder einem modifizierten Gauß-Profil wie einem Supergauß-Profil oder einem Top-Hat-Profil, der keinen infinitesimal kleinen, sondern einen ausgedehnten Strahlquerschnitt aufweist. Mit Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Intensitätsverteilung oder Top-Hat-Profil ist eine Intensitätsverteilung gemeint, die sich zumindest hinsichtlich einer Richtung im Wesentlichen durch eine Rechteckfunktion (rect (x)) beschreiben lässt beziehungsweise ein Plateau aufweist. Dabei sollen reale Intensitätsverteilungen, die Abweichungen von einer Rechteckfunktion beziehungsweise geneigte Flanken aufweisen, ebenfalls als Top-Hat-Verteilung oder Top-Hat-Profil bezeichnet werden können. Mit M-Verteilung oder M-Intensitätsverteilung oder M-Profil wird ein Intensitätsprofil von Laserstrahlung bezeichnet, deren Querschnitt in der Mitte eine geringere Intensität als in einem oder mehreren außermittigen Bereichen aufweist. Dabei werden M-Profile im Folgenden auch als konkave Top-Hat-Profile bezeichnet. Als konvexe Top-Hat-Profile können im Folgenden auch Intensitätsprofile von Laserstrahlungen bezeichnet werden, deren Querschnitt in der Mitte eine größere Intensität als in einem oder mehreren außermittigen Bereichen aufweist. Als Krümmungsstärke des konkaven Top-Hat-Profils oder des konvexen Top-Hat-Profils soll die prozentuale Abweichung der Intensität am Rand des Plateaus des Top-Hat-Profils von der maximalen oder minimalen Intensität in einem mittleren Bereich des Top-Hat-Profils bezeichnet werden.Definitions: The terms light or illumination or laser radiation should not limit to the range of visible light. Rather, the terms light or illumination or laser radiation are used in this application for electromagnetic radiation in the entire wavelength range from FIR to XUV. In the direction of propagation of the laser radiation or of the light, mean propagation direction of the laser radiation or the light, in particular if this is not a plane wave or at least partially divergent. By laser beam, light beam, sub-beam or beam is meant, unless expressly stated otherwise, an idealized beam of geometric optics, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile such as a Supergauß profile or a top hat profile that does not have an infinitesimally small but an extended beam cross section. By top hat distribution or top hat intensity distribution or top hat profile is meant an intensity distribution that can be described, or at least has a plateau, at least in one direction essentially by a rectangular function (rect (x)). In this case, real intensity distributions, which have deviations from a rectangular function or inclined flanks, can also be referred to as top hat distribution or top hat profile. M-distribution or M-intensity distribution or M-profile denotes an intensity profile of laser radiation whose cross-section has a lower intensity in the center than in one or more off-center areas. M profiles are also referred to below as concave top hat profiles. As a convex top hat profile, intensity profiles of laser radiations can also be referred to below, whose cross-section has a greater intensity in the center than in one or more off-center regions. The curvature of the concave top hat profile or the top hat profile conveys the percent deviation of intensity at the edge of the plateau of the top hat profile from the maximum or minimum intensity in a central region of the top hat profile become.

Eine Laservorrichtung sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der DE 103 27 735 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Laservorrichtung wird ein Laserdiodenbarren mit einer Vielzahl von Emittern verwendet. Um ein gleichmäßigeres Top-Hat-Profil der Laserstrahlung in einer Arbeitsebene zu erzielen, wird das Licht sämtlicher Emitter des Laserdiodenbarrens in einen langen, schmalen quaderförmigen Lichtleiter eingekoppelt, in dem das Licht der einzelnen Emitter gemischt wird.A laser device and a device of the type mentioned are from the DE 103 27 735 A1 known. In the laser device described therein, a laser diode bar having a plurality of emitters is used. In order to achieve a more uniform top hat profile of the laser radiation in a working plane, the light of all the emitters of the laser diode bar is coupled into a long, narrow cuboid light guide, in which the light of the individual emitters is mixed.

Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem ist die Schaffung einer Laservorrichtung und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit denen konkave und/oder konvexe Top-Hat-Profile erzeugt werden können.The problem underlying the present invention is the provision of a laser device and a device of the aforementioned type and the specification of a method of the type mentioned, with which concave and / or convex top hat profiles can be generated.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, eine Laservorrichtung der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 erreicht. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.This is inventively achieved by a device of the type mentioned above with the characterizing features of claim 1, a laser device of the type mentioned above with the characterizing features of claim 6 and by a method of the type mentioned above with the characterizing features of claim 11. The subclaims relate to preferred embodiments of the invention.

Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass der lichtleitende Bereich des Lichtleiters eine derartige erste und/oder zweite und/oder dritte Ausdehnung aufweist, dass bei in die Eintrittsfläche eintretender Laserstrahlung mit einem Gauß- oder Supergauß-Profil die aus der Austrittsfläche austretende Laserstrahlung eine Intensitätsverteilung mit einem konkaven oder einem konvexen Top-Hat-Profil aufweist. Durch geschickte Wahl der Abmessungen des insbesondere quaderförmigen lichtleitenden Bereichs kann somit erreicht werden, dass anstelle eines Top-Hat-Profils ein konkav oder konvex gekrümmtes Top-Hat-Profil erzeugt wird. Beispielsweise ein konkav gekrümmtes Top-Hat-Profil, das auch als M-Profil bekannt ist, wird bei vielen Anwendungen benötigt.According to claim 1, it is provided that the light-conducting region of the optical waveguide has such a first and / or second and / or third extension that, when the laser radiation entering the entry surface has a Gaussian or supergauss profile, the laser radiation emerging from the exit surface has an intensity distribution a concave or a convex top hat profile. By skillful choice of the dimensions of the particular cuboid light-conducting region can thus be achieved that instead of a top hat profile, a concave or convex curved top hat profile is generated. For example, a concave curved top hat profile, also known as an M profile, is needed in many applications.

Dabei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, dass die erste Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs größer ist als die zweite und/oder die dritte Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs, vorzugsweise um einen Faktor von mindestens 3, insbesondere mindestens 7, beispielsweise mindestens 10, und/oder vorzugsweise um einen Faktor von höchstens 100, insbesondere höchstens 50, beispielsweise höchstens 40. Dadurch ergibt sich ein in der Regel deutlich kürzerer Lichtleiter als die aus dem Stand der Technik bekannten langen, schmalen Platten.It may be advantageous, for example, that the first extent of the light-conducting region is greater than the second and / or the third extension of the light-conducting region, preferably by a factor of at least 3, in particular at least 7, for example at least 10, and / or preferably a factor of at most 100, in particular at most 50, for example at most 40. This results in a generally much shorter light guide than the known from the prior art long, narrow plates.

Anspruch 6 sieht vor, dass die Laservorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung umfasst. Dabei kann die Halbwertsbreite der Laserstrahlung auf der Eintrittsfläche in der zweiten Richtung zwischen 60% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 100% der zweiten Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs entsprechen. Weiterhin kann die Halbwertsbreite der Laserstrahlung auf der Eintrittsfläche in der dritten Richtung zwischen 60% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 100% der dritten Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs entsprechen. Dadurch ist es bei entsprechenden Abmessungen des lichtleitenden Bereichs möglich, dass die absolute Krümmungsstärke des konkaven oder des konvexen Top-Hat-Profils der Laserstrahlung hinter der Austrittsfläche zwischen 5% und 50%, insbesondere zwischen 10% und 40%, beispielsweise zwischen 15% und 30% beträgt.Claim 6 provides that the laser device comprises a device according to the invention for shaping laser radiation. In this case, the half-width of the laser radiation on the entrance surface in the second direction between 60% and 100%, in particular between 80% and 100% of the second dimension of the photoconductive region correspond. Furthermore, the half-width of the laser radiation on the entrance surface in the third direction may correspond to between 60% and 100%, in particular between 80% and 100%, of the third extent of the light-conducting region. This makes it possible with appropriate dimensions of the photoconductive region that the absolute curvature of the concave or convex top hat profile of the laser radiation behind the exit surface between 5% and 50%, in particular between 10% and 40%, for example between 15% and 30%.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Supergaußfaktor der Laserstrahlung vor dem Eintritt in den lichtleitenden Bereich kleiner 5,0, vorzugsweise kleiner 3,0, insbesondere kleiner 2,0, beispielsweise zwischen 1,0 und 1,8 oder gleich 1,0 ist. Durch einen möglichst kleinen Supergaußfaktor lässt sich eine vergleichsweise starke Krümmung des Top-Hat-Profils erreichen.In particular, it can be provided that the supergauss factor of the laser radiation prior to entry into the light-conducting region is less than 5.0, preferably less than 3.0, in particular less than 2.0, for example between 1.0 and 1.8 or 1.0. The smallest possible supergauss factor allows a comparatively high curvature of the top hat profile to be achieved.

Das Verfahren gemäß Anspruch 11 ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet:

– Die Laserstrahlung wird erzeugt, insbesondere von einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung,
– die Laserstrahlung wird durch die Eintrittsfläche in den lichtleitenden Bereich des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung eingekoppelt,
– die Laserstrahlung wird durch die Austrittsfläche aus dem lichtleitenden Bereich des Lichtleiters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung ausgekoppelt.

The method according to claim 11 is characterized by the following method steps:

The laser radiation is generated, in particular by a laser device according to the invention,
The laser radiation is coupled through the entry surface into the light-conducting region of the light guide of a device according to the invention and / or a laser device according to the invention,
- The laser radiation is coupled out through the exit surface of the photoconductive region of the light guide of a device according to the invention and / or a laser device according to the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenFurther features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. Show in it

1 eine perspektivische Detailansicht einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 1 a detailed perspective view of a laser device according to the invention with a first embodiment of an apparatus according to the invention for shaping laser radiation;

2 eine Seitenansicht der Laservorrichtung gemäß 1; 2 a side view of the laser device according to 1 ;

3 eine stirnseitige Ansicht der Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung gemäß 1 mit der darauf auftreffenden Laserstrahlung; 3 an end view of the apparatus for shaping laser radiation according to 1 with the laser radiation impinging thereon;

4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 4 a side view of a second embodiment of an apparatus according to the invention for shaping laser radiation;

5 eine um 90° gedrehte Seitenansicht der Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung gemäß 4; 5 a rotated by 90 ° side view of the apparatus for shaping laser radiation according to 4 ;

6 eine schematische Ansicht einer ersten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 6 a schematic view of a first intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

7 eine schematische Ansicht einer zweiten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 7 a schematic view of a second intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

8 eine schematische Ansicht einer dritten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 8th a schematic view of a third intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

9 eine schematische Ansicht einer vierten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 9 a schematic view of a fourth intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

10 eine schematische Ansicht einer fünften Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 10 a schematic view of a fifth intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

11 eine schematische Ansicht einer sechsten Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung; 11 a schematic view of a sixth intensity distribution of the laser radiation after exiting a device according to the invention for shaping laser radiation;

12 ein Diagramm, das schematisch den Zusammenhang zwischen der Ausdehnung des lichtleitenden Bereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung in der ersten Richtung und der Krümmungsstärke des Top-Hat-Profils der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung nach dem Austritt aus der Vorrichtung wiedergibt. 12 a diagram which schematically shows the relationship between the extension of the photoconductive region of an inventive device for shaping laser radiation in the first direction and the curvature of the top hat profile of the intensity distribution of the laser radiation after exiting the device.

In einigen der Figuren ist zur Verdeutlichung der nachfolgenden Ausführungen ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet. Weiterhin sind in den Figuren gleiche oder funktional gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In some of the figures, a Cartesian coordinate system is shown to illustrate the following. Furthermore, identical or functionally identical parts or elements are provided with the same reference numerals in the figures.

Aus 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Laservorrichtung ersichtlich, die eine schematisch angedeutete Laserlichtquelle 1 und eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 zur Formung von Laserstrahlung umfasst. Die Vorrichtung 2 umfasst einen Lichtleiter 3 mit einem lichtleitenden Bereich 4. Dabei kann die von der Laserlichtquelle 1 ausgehende Laserstrahlung 5 in den lichtleitenden Bereich 4 eintreten.Out 1 and 2 a laser device according to the invention can be seen, which is a schematically indicated laser light source 1 and a device according to the invention 2 for shaping laser radiation. The device 2 includes a light guide 3 with a photoconductive area 4 , In this case, that of the laser light source 1 outgoing laser radiation 5 in the photoconductive area 4 enter.

Der lichtleitende Bereich 4 weist dazu eine Eintrittsfläche 6 auf, die aus 3 ersichtlich ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des lichtleitenden Bereichs 4 ist eine Austrittsfläche 7 angeordnet, aus der die Laserstrahlung 5 austreten kann (siehe dazu 1 und 2). The light-conducting area 4 has an entrance area 6 on that out 3 is apparent. On the opposite side of the photoconductive area 4 is an exit surface 7 arranged, from which the laser radiation 5 can escape (see 1 and 2 ).

Der lichtleitende Bereich 4 weist eine erste Ausdehnung D₁ in einer ersten Richtung auf, die in dem abgebildeten kartesischen Koordinatensystem der z-Richtung entspricht (siehe 2). Die erste Ausdehnung D₁ entspricht der Entfernung zwischen der Eintrittsfläche 6 und der Austrittsfläche 7.The light-conducting area 4 has a first extent D ₁ in a first direction corresponding to the z direction in the Cartesian coordinate system shown (see FIG 2 ). The first extent D ₁ corresponds to the distance between the entrance surface 6 and the exit surface 7 ,

Der lichtleitende Bereich 4 weist an der Eintrittsfläche 6 eine zweite Ausdehnung D₂ in einer zweiten Richtung auf, die in dem abgebildeten kartesischen Koordinatensystem der x-Richtung entspricht (siehe 3). Der lichtleitende Bereich 4 weist weiterhin an der Eintrittsfläche 6 eine dritte Ausdehnung D₃ in einer dritten Richtung auf, die in dem abgebildeten kartesischen Koordinatensystem der y-Richtung entspricht.The light-conducting area 4 points to the entrance area 6 a second dimension D ₂ in a second direction corresponding to the x direction in the Cartesian coordinate system shown (see FIG 3 ). The light-conducting area 4 continues to point to the entrance area 6 a third extent D ₃ in a third direction corresponding to the y-direction in the depicted Cartesian coordinate system.

In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die zweite Ausdehnung D₂ größer als die dritte Ausdehnung D₃. Es besteht jedoch durchaus auch die Möglichkeit, dass beide Ausdehnungen D₂, D₃ gleich groß sind, oder dass die dritte Ausdehnung D- größer als die zweite Ausdehnung D₂ ist.In the illustrated embodiment, the second dimension D _{2 is} greater than the third dimension D ₃ . However, there is also the possibility that both dimensions D ₂ , D _{3 are the} same size, or that the third dimension D- is greater than the second dimension D ₂ .

In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der lichtleitende Bereich 4 quaderförmig, so dass die Form des lichtleitenden Bereichs 4 in sämtlichen x-y-Ebenen beziehungsweise in sämtlichen Ebenen, die senkrecht zur ersten Richtung z sind, rechteckig ist. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, dass der lichtleitende Bereich 4 nur abschnittsweise eine rechteckige Form aufweist, insbesondere nur in einer oder mehreren x-y-Ebenen eine rechteckige Form aufweist.In the illustrated embodiment, the photoconductive region 4 cuboid, giving the shape of the photoconductive region 4 in all xy planes or in all planes that are perpendicular to the first direction z is rectangular. However, there is quite a possibility that the photoconductive area 4 only partially has a rectangular shape, in particular only in one or more xy planes has a rectangular shape.

In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel sind die Eintrittsfläche 6 und die Austrittsfläche 7 jeweils in einer x-y-Ebene angeordnet. Es besteht durchaus die Möglichkeit, dass die Eintrittsfläche 6 und/oder die Austrittsfläche 7 zu einer x-y-Ebene geneigt sind.In the illustrated embodiment, the entrance surface 6 and the exit surface 7 each arranged in an xy plane. There is quite a possibility that the entrance area 6 and / or the exit surface 7 are inclined to an xy plane.

In 3 ist die auf die Eintrittsfläche 6 auftreffende Laserstrahlung 5 schraffiert dargestellt. Die beispielhafte Laserstrahlung weist in x-Richtung eine Ausdehnung beziehungsweise Halbwertsbreite (FWHM) H₁ und in y-Richtung eine Ausdehnung beziehungsweise Halbwertsbreite H₂ auf.In 3 is the on the entrance area 6 incident laser radiation 5 hatched shown. The exemplary laser radiation has an extension in the x direction or width half maximum (FWHM) H ₁ and in the y direction to an expansion or half-value width H _2.

In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel weist die Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche einen rechteckigen Umriss auf. Es besteht jedoch durchaus die Möglichkeit, dass der Umriss oval oder kreisförmig ist.In the illustrated embodiment, the laser radiation 5 on the entrance surface on a rectangular outline. However, there is a good chance that the outline is oval or circular.

Erfindungsgemäß ist es insbesondere sinnvoll, wenn die Halbwertsbreite H₁ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der zweiten Richtung x zwischen 60% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 100% der zweiten Ausdehnung D₂ des lichtleitenden Bereichs 4 entspricht, und/oder dass die Halbwertsbreite H₂ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der dritten Richtung y zwischen 60% und 100%, insbesondere zwischen 80% und 100% der dritten Ausdehnung D₃ des lichtleitenden Bereichs 4 entspricht.According to the invention, it is particularly useful if the half-width H _{1 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the second direction x between 60% and 100%, in particular between 80% and 100% of the second dimension D _{2 of} the photoconductive region 4 corresponds, and / or that the half-width H _{2 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the third direction y between 60% and 100%, in particular between 80% and 100% of the third extension D _{3 of} the photoconductive region 4 equivalent.

Die Laserstrahlung kann ein Gauß-Profil oder ein Supergauß-Profil aufweisen. Dabei unterscheidet sich ein Supergauß-Profil von einem Gauß-Profil durch den Supergaußfaktor SG. Die folgende Gleichung gibt den Zusammenhang zwischen der Intensität I(r) der Laserstrahlung 5 und dem Supergaußfaktor SG wieder.The laser radiation may have a Gaussian profile or a Supergauß profile. In this case, a super-Gaussian profile differs from a Gaussian profile by the super-Gaussian factor SG. The following equation gives the relationship between the intensity I (r) of the laser radiation 5 and the supergauss factor SG again.

Dabei ist I die Intensität, r₀ der Strahlmittelpunkt, r die Abweichung vom Strahlmittelpunkt, I₀ die Intensität am Strahlmittelpunkt und SG der Supergaußfaktor. Wenn der Supergaußfaktor gleich 1 ist, ergibt sich ein Gauß-Profil. Für SG > 1 ergibt sich ein Supergauß-Profil der Laserstrahlung 5.Where I is the intensity, r _{0 is} the center of the beam, r is the deviation from the center of the beam, I _{0 is} the intensity at the center of the beam, and SG is the supergauss factor. If the supergauss factor is 1, the result is a Gaussian profile. For SG> 1 results in a Supergauß profile of the laser radiation 5 ,

6 zeigt ein beispielhaftes Profil 8 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 8 ist ein konvexes Top-Hat-Profil, das ein Maximum in einem mittleren Bereich 9 und eine Krümmungsstärke von 40% aufweist. Das bedeutet, dass die prozentuale Abweichung der Intensität am Rand 10 des Plateaus von der Intensität in dem mittleren Bereich 9 des Profils 8 40% beträgt. Mit anderen Worten: Am Rand 10 ist die Intensität um 40% kleiner als in dem mittleren Bereich 9. 6 shows an exemplary profile 8th the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 8th is a convex top hat profile that is a maximum in a mid range 9 and has a curvature of 40%. That means the percentage deviation of intensity at the edge 10 of the plateau of the intensity in the middle area 9 of the profile 8th 40%. In other words, on the edge 10 the intensity is 40% smaller than in the middle range 9 ,

7 zeigt ein weiteres beispielhaftes Profil 11 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 11 ist ein konkaves Top-Hat-Profil, das auch als ein M-Profil bezeichnet werden kann. Das Profil 11 weist ein Minimum in einem mittleren Bereich 9 und eine Krümmungsstärke von –40% auf. Das bedeutet, dass am Rand 10 die Intensität um 40% größer ist als in dem mittleren Bereich 9. 7 shows another exemplary profile 11 the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 11 is a concave top hat profile, which can also be referred to as an M profile. The profile 11 has a minimum in a middle range 9 and a curvature of -40%. That means that on the edge 10 the intensity is 40% greater than in the middle range 9 ,

8 zeigt ein weiteres beispielhaftes Profil 12 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 12 ist wie das Profil 8 aus 6 ein konvexes Top-Hat-Profil, das ein Maximum in einem mittleren Bereich 9 aufweist. Allerdings beträgt bei dem Profil 12 die Krümmungsstärke nur 15%. 8th shows another exemplary profile 12 the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 12 is like the profile 8th out 6 a convex top hat profile that is a maximum in a mid range 9 having. Indeed is at the profile 12 the curvature only 15%.

9 zeigt ein weiteres beispielhaftes Profil 13 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 13 ist wie das Profil 11 aus 7 ein konkaves Top-Hat-Profil oder M-Profil, das ein Minimum in einem mittleren Bereich 9 aufweist. Allerdings beträgt bei dem Profil 13 die Krümmungsstärke nur –15%. 9 shows another exemplary profile 13 the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 13 is like the profile 11 out 7 a concave top hat profile or M profile that is a minimum in a mid range 9 having. However, in the profile 13 the curvature only -15%.

10 zeigt ein weiteres beispielhaftes Profil 14 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 14 ist wie das Profil 8 aus 6 ein konvexes Top-Hat-Profil, das ein Maximum in einem mittleren Bereich 9 aufweist. Allerdings beträgt bei dem Profil 14 die Krümmungsstärke nur 5%. 10 shows another exemplary profile 14 the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 14 is like the profile 8th out 6 a convex top hat profile that is a maximum in a mid range 9 having. However, in the profile 14 the curvature only 5%.

11 zeigt ein weiteres beispielhaftes Profil 15 der Laserstrahlung 5 nach Austritt aus der Austrittsfläche 7. Das Profil 15 ist wie das Profil 11 aus 7 ein konkaves Top-Hat-Profil oder M-Profil, das ein Minimum in einem mittleren Bereich 9 aufweist. Allerdings beträgt bei dem Profil 15 die Krümmungsstärke nur –5%. 11 shows another exemplary profile 15 the laser radiation 5 after exiting the exit surface 7 , The profile 15 is like the profile 11 out 7 a concave top hat profile or M profile that is a minimum in a mid range 9 having. However, in the profile 15 the curvature only -5%.

12 zeigt für einen konkreten Querschnitt eines lichtleitenden Bereichs 4 und für eine konkrete in den lichtleitenden Bereich 4 eintretende Laserstrahlung 5 den Zusammenhang zwischen der ersten Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge des lichtleitenden Bereichs 4 und der Krümmungsstärke des Profils der austretenden Laserstrahlung. Dabei ist von links nach rechts in 12 die Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge des lichtleitenden Bereichs 4 in mm und von unten nach oben die Krümmungsstärke in Prozent aufgetragen, wobei eine positive Krümmungsstärke einem konvexen Top-Hat-Profil und eine negative Krümmungsstärke einem konkaven Top-Hat-Profil beziehungsweise M-Profil entspricht. 12 shows for a concrete cross section of a photoconductive area 4 and for a concrete in the light-conducting area 4 incoming laser radiation 5 the relationship between the first dimension D ₁ and the length of the light-conducting region 4 and the curvature of the profile of the exiting laser radiation. It is from left to right in 12 the extension D ₁ or length of the light-conducting region 4 in mm and from bottom to top, the degree of curvature is plotted in percent, where a positive curvature strength corresponds to a convex top hat profile and a negative curvature strength to a concave top hat profile or M profile.

Es zeigt sich, dass sich mit sehr kurzen lichtleitenden Bereichen 4 sehr große Krümmungsstärken erreichen lassen (siehe beispielsweise die Krümmungsstärke von etwa –50% bei einer ersten Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge von etwa 9,5 mm). Dagegen werden die Krümmungsstärken bei größeren ersten Ausdehnungen D₁ beziehungsweise Längen im Mittel immer kleiner (siehe beispielsweise die Krümmungsstärke von etwa –5% bei einer ersten Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge von etwa 24 mm).It turns out that with very short photoconductive areas 4 can achieve very large curvature strengths (see, for example, the curvature of about -50% at a first extension D ₁ or length of about 9.5 mm). By contrast, the curvature strengths become smaller and smaller on average for larger first extents D ₁ or lengths (see, for example, the curvature thickness of about -5% for a first extension D ₁ or a length of about 24 mm).

Als Laserlichtquelle 1 kann ein beliebiger Laser oder können mehrere beliebige Laser dienen. Wenn beispielsweise ein Laserdiodenbarren verwendet wird, kann es sinnvoll sein, die Laserstrahlung 5 vor dem Eintritt in den lichtleitenden Bereich 4 zumindest in der Fast-Axis noch zu kollimieren.As a laser light source 1 can be any laser or can serve any number of lasers. For example, if a laser diode bar is used, it may be useful to laser radiation 5 before entering the photoconductive area 4 at least in the fast-axis yet to collimate.

4 und 5 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2, bei der vor dem Lichtleiter 3 eine Kollimationslinse 16 für die Fast-Axis der Laserstrahlung 5 eines Laserdiodenbarrens angeordnet ist. 4 and 5 show a device according to the invention 2 , in front of the light guide 3 a collimation lens 16 for the fast-axis of laser radiation 5 a laser diode bar is arranged.

Hinter der Austrittsfläche 7 der Vorrichtungen 2 gemäß den 1 bis 5 kann direkt eine Arbeitsebene angeordnet sein, in der beispielsweise ein zu bearbeitendes Werkstück positioniert werden kann. Alternativ dazu kann auch zwischen der Austrittsfläche 7 und einer Arbeitsebene beispielsweise noch eine abbildende Linse angeordnet sein, die das hinter der Austrittsfläche 7 vorliegende Intensitätsprofil der Laserstrahlung 5 in die Arbeitsebene abbildet.Behind the exit surface 7 of the devices 2 according to the 1 to 5 can be arranged directly a working plane in which, for example, a workpiece to be machined can be positioned. Alternatively, between the exit surface 7 and a work plane, for example, still be arranged an imaging lens, the behind the exit surface 7 present intensity profile of the laser radiation 5 into the work plane.

Im Folgenden werden zwei konkrete Beispiele aufgeführt.Below are two concrete examples.

Beispiel 1:Example 1:

Der lichtleitende Bereich 4 des Lichtleiters 3 weist eine erste Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge von 350,0 mm, eine zweite Ausdehnung D₂ von 10,5 mm und eine dritte Ausdehnung D₃ von ebenfalls 10,5 mm auf. Der lichtleitende Bereich 4 weist somit einen quadratischen Querschnitt auf.The light-conducting area 4 of the light guide 3 has a first extent D ₁ or length of 350.0 mm, a second extent D ₂ of 10.5 mm and a third extent D ₃ of also 10.5 mm. The light-conducting area 4 thus has a square cross-section.

Die Halbwertsbreite H₁ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der zweiten Richtung x beträgt 10 mm und die Halbwertsbreite H₂ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der dritten Richtung y beträgt ebenfalls 10 mm. Der Öffnungswinkel beziehungsweise die Divergenz der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 beträgt in der x-Richtung 10 mrad und in der y-Richtung 139 mrad.The half-width H _{1 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the second direction x is 10 mm and the half width H _{2 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the third direction y is also 10 mm. The opening angle or the divergence of the laser radiation 5 on the entrance area 6 is 10 mrad in the x-direction and 139 mrad in the y-direction.

Aus der Austrittsfläche 7 des lichtleitenden Bereichs 4 des Lichtleiters 3 tritt Laserstrahlung 5 mit einem konkaven Top-Hat-Profil beziehungsweise einem M-Profil und einer Krümmungsstärke von –20% aus.From the exit surface 7 of the photoconductive area 4 of the light guide 3 occurs laser radiation 5 with a concave top hat profile or an M profile and a curvature of -20%.

Beispiel 2:Example 2:

Der lichtleitende Bereich 4 des Lichtleiters 3 weist eine erste Ausdehnung D₁ beziehungsweise Länge von 7,2 mm, eine zweite Ausdehnung D₂ von 0,6 mm und eine dritte Ausdehnung D₃ von ebenfalls 0,6 mm auf. Der lichtleitende Bereich 4 weist somit einen quadratischen Querschnitt auf.The light-conducting area 4 of the light guide 3 has a first extent D ₁ or length of 7.2 mm, a second extent D ₂ of 0.6 mm and a third extent D ₃ of also 0.6 mm. The light-conducting area 4 thus has a square cross-section.

Die Halbwertsbreite H₁ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der zweiten Richtung x beträgt 400 μm und die Halbwertsbreite H₂ der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 in der dritten Richtung y beträgt ebenfalls 400 μm. Der Öffnungswinkel beziehungsweise die Divergenz der Laserstrahlung 5 auf der Eintrittsfläche 6 beträgt in der x-Richtung 5 mrad und in der y-Richtung 140 mrad.The half-width H _{1 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the second direction x is 400 microns and the half-width H _{2 of} the laser radiation 5 on the entrance area 6 in the third direction y is also 400 microns. The opening angle or the divergence of the laser radiation 5 on the entrance area 6 is in the x direction 5 mrad and in the y-direction 140 mrad.

Aus der Austrittsfläche 7 des lichtleitenden Bereichs 4 des Lichtleiters 3 tritt Laserstrahlung 5 mit einem konkaven Top-Hat-Profil beziehungsweise einem M-Profil und einer Krümmungsstärke von –20% aus. From the exit surface 7 of the photoconductive area 4 of the light guide 3 occurs laser radiation 5 with a concave top hat profile or an M profile and a curvature of -20%.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10327735 A1 [0003]

Claims

Contraption ( 2 ) for shaping laser radiation ( 5 ), comprising a light guide ( 3 ) with a light-conducting region ( 4 ), wherein the photoconductive region ( 4 ) an entrance surface ( 6 ) into which the laser radiation ( 5 ), and an exit surface ( 7 ), from which in the entrance surface ( 6 ) occurred laser radiation ( 5 ), wherein the photoconductive region ( 4 ) has a first extent (D ₁ ) in a first direction (z) extending between the entrance surface (10). 6 ) and the exit surface ( 7 ), wherein the photoconductive region ( 4 ) has a second dimension (D ₂ ) in a second direction (x) which is perpendicular to the first direction (z), the photoconductive portion having a third dimension (D ₃ ) in a third direction (y) which is perpendicular to the first and second directions (z, x), and wherein the photoconductive region ( 4 ) has a rectangular shape in at least one of the second and the third direction (x, y) plane, characterized in that the light-conducting region ( 4 ) of the light guide ( 3 ) has such a first and / or second and / or third extension (D ₁ , D ₂ , D ₃ ) that when in the entrance surface ( 6 ) incoming laser radiation ( 5 ) with a Gaussian or supergauss profile from the exit surface ( 7 ) emerging laser radiation ( 5 ) has an intensity distribution with a concave or a convex top hat profile.

Device according to claim 1, characterized in that the photoconductive region ( 4 ) has a rectangular shape in a plurality of planes formed by the second and third directions (x, y), in particular in each plane formed by the second and third directions (x, y), the light-conducting region ( 4 ) is preferably cuboid.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first extension (D ₁ ) of the photoconductive region ( 4 ) is between 2 mm and 1000 mm, preferably between 4 mm and 800 mm, in particular between 5 mm and 500 mm, for example between 7 mm and 400 mm.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second and / or the third extension (D ₂ , D ₃ ) of the photoconductive region ( 4 ) is between 0.05 mm and 30 mm, preferably between 0.10 mm and 20 mm, in particular between 0.25 mm and 15 mm, for example between 0.50 mm and 12 mm.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first extension (D ₁ ) of the photoconductive region ( 4 ) is greater than the second and / or the third extent (D ₂ , D ₃ ) of the light-conducting region ( 4 ), preferably by a factor of at least 3, in particular at least 7, for example at least 10, and / or preferably by a factor of at most 100, in particular at most 50, for example at most 40.

Laser device comprising - a device ( 2 ) for shaping laser radiation with a light guide ( 3 ), which has a light-conducting region ( 4 ) with an entrance surface ( 6 ) and an exit surface ( 7 ), - a laser light source ( 1 ), the laser radiation ( 5 ), whereby the laser radiation ( 5 ) through the entrance surface ( 6 ) into the photoconductive region ( 4 ) of the light guide ( 3 ) and through the exit surface ( 7 ) from the photoconductive region ( 4 ) of the light guide ( 3 ), characterized in that the device ( 2 ) for shaping laser radiation, a device ( 2 ) according to one of claims 1 to 5.

Laser device according to claim 6, characterized in that the half-width (H ₁ ) of the laser radiation ( 5 ) on the entrance surface ( 6 ) in the second direction (x) between 60% and 100%, in particular between 80% and 100% of the second extent (D ₂ ) of the photoconductive region ( 4 ), and / or that the half-width (H ₂ ) of the laser radiation ( 5 ) on the entrance surface ( 6 ) in the third direction (y) between 60% and 100%, in particular between 80% and 100% of the third extent (D ₃ ) of the photoconductive region ( 4 ) corresponds.

Laser device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the divergence of the laser radiation ( 5 ) on the entrance surface ( 6 ) is between 2 mrad and 300 mrad, in particular between 4 mrad and 150 mrad.

Laser device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the absolute curvature of the concave or convex top hat profile of the laser radiation ( 5 ) behind the exit surface ( 7 ) is between 5% and 50%, in particular between 10% and 40%, for example between 15% and 30%.

Laser device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the supergauss factor (SG) of the laser radiation ( 5 ) before entering the photoconductive region ( 4 ) is less than 5.0, preferably less than 3.0, in particular less than 2.0, for example between 1.0 and 1.8 or equal to 1.0.

Method for shaping laser radiation ( 5 ), by the laser radiation ( 5 ) with a Gaussian or Supergauß profile in laser radiation ( 5 ) having an intensity distribution with a concave or a convex top hat profile, characterized by the following method steps: - The laser radiation ( 5 ) is generated, in particular by a laser device according to one of claims 6 to 10, - the laser radiation ( 5 ) is penetrated by the entrance surface ( 6 ) into the photoconductive region ( 4 ) of the light guide ( 3 ) a device ( 2 ) according to one of claims 1 to 5 and / or a laser device according to one of claims 6 to 10 coupled, - the laser radiation ( 5 ) is passed through the exit surface ( 7 ) from the photoconductive region ( 4 ) of the light guide ( 3 ) a device ( 2 ) according to one of claims 1 to 5 and / or a laser device according to one of claims 6 to 10 decoupled.