[发明专利]用于扩宽激光射束的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于扩宽激光射束、特别是紫外激光射束的装置以及一种用于扩宽激光射束的所属方法。

背景技术

紫外激光器、即产生紫外波长范围(具有可见波长范围以下的波长)中的激光辐射的激光器主要在微加工中越来越重要。这提高了对高功率和中等功率的紫外激光器的需求。紫外激光射束的产生经常通过非线性晶体中的红外激光射束的频率转换实现。一方面，所述频率转换需要非线性晶体中的高红外强度和小射束发散，以便实现从红外波长范围到紫外波长范围的有效转换；另一方面，强度、特别是所产生的紫外辐射的强度不允许太高，以便避免晶体的破坏或者其光学特性的快速劣化。

这些条件例如可以(但不仅仅)在具有大约5ps的范围中的紫外脉冲长度和大于1μJ的紫外脉冲能量或在大约1ps的脉冲长度和大于0.2μJ的紫外脉冲能量的超短脉冲激光中导致高强度的、准直的或几乎准直的紫外激光射束，其直径在转换结构的延展上没有显著增大，即其强度在所述长度上没有显著减小。

具有高强度的持久的紫外辐射在透射的光学器件(例如，由石英玻璃构成的透镜或其他光学器件)中并且可能也在其防反射涂层中导致不期望的、永久性的材料改变，这可以使这些透射的光学器件的透射特性恶化直至不可使用。而且，可以通过紫外辐射如此改变光学器件的未经精确控制的环境中的不同气体(例如，烃或硅酮化合物)的残余，从而导致光学器件上的沉积，其同样在一定时间之后可以导致其不可使用性。特别是在紫外辐射的非常高强度下可以如此快地发生劣化，使得用于紫外激光射束的透射的光学器件的经济使用不再可能。

为了可以利用通过以上描述的方式产生的、准直的、高强度的紫外激光射束，需要使其如此扩宽，使得其强度在所期望的使用持续时间上不导致后续光学器件(例如，射束引导光学器件、射束成形光学器件或加工光学器件)的损坏。

虽然可以通过激光射束直至后续光学器件的大的传播长度实现这样的扩宽，从而激光射束本身已经变得足够大。但这在当前情形中(其中激光射束是(几乎)准直的)很难实现，因为需要非常大的传播长度并且整个扩宽的光学器件的结构大小是有限的。

因此，通常为了(几乎准直的)激光射束的射束扩宽使用例如伽利略镜头1形式的用于射束扩宽的装置(参见图1)。这样的镜头1具有至少两个透镜2、3，以便将入射的、准直的激光射束4转换为(在此：六倍的)扩宽的、同样准直的激光射束5。伽利略镜头1是结构简单的射束扩宽光学器件并且可以在短的结构长度和典型小的结构的情况下在使用轴向设置的球面透镜2、3的情况下如此设计，使得其在高度容忍输入射束位置的情况下导致非常小的射束变形(即输入射束的倾斜或者偏移)。在输出射束发散方面，可以通过透镜2、3之一的简单轴向移动补偿透镜2、3的半径误差或输入射束发散中的误差，而不出现经扩宽的激光射束5的横向偏移。

然而不利地，伽利略镜头1的输入侧透镜2自身经受还未扩宽的激光射束4的高紫外强度，从而尤其在使用介电防反射涂层的输入侧透镜2时可能导致其透射特性的不可接受的劣化。作为这个问题的部分解决方案可以以未涂层、即没有防反射涂层的输入光学器件来运行伽利略镜头1。但在这种情形中通过在未涂层的透镜2上的菲涅尔反射产生功率损耗。而且存在透镜材料自身与辐射相关的变化或者劣化的问题。

已经证实，介电镜的反射特性的恶化在强紫外辐射下显著小于透射的光学器件和尤其介电防反射涂层的透射的光学器件的透射特性的恶化。因此，用于紫外辐射的射束扩宽的反射镜头实现了比透镜系统长得多的运行时间。

图2示出具有作为Z形折叠的反射光学元件的两个球面折叠镜7、8的望远装置6，用于将入射的、准直的激光射束4(在此：六倍地)转换为扩宽的、准直的激光射束5。折叠镜7、8之间的间距在此是大约150mm，对于两个折叠镜7、8而言相同的折叠角2α是大约20°。

然而，用于射束扩宽的非轴向镜系统如同例如在图2中示出的那样通常具有不同的缺点：或者需要非球面的光学元件，以便减少散光性和慧差，这使所述系统昂贵且调整敏感，或者这样的系统在对成像误差的应用容忍给定的情况下限于相对较大的镜半径和相对较小的折叠角，由此整个装置的大的结构变得必要，和/或所述系统限于完全特定的半径与折叠角组合以及射束特性(例如，会聚的输出射束(中间聚焦))。