Diffraktive Phasenelemente für partiell-kohärente UV-Laserstrahlung
Diffractive phase elements for partial coherent UV laser beams
by Dirk Schäfer
Date of Examination:2001-06-26
Date of issue:2001-07-25
Advisor:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Gerd Marowsky
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2754
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Diffractive phase elements (DPE) are suited for beam shaping of coherent laser radiation. The height profile of the DPE changes the phase of the incomming laser beam to shape the angular intensity distribution of the outgoing beam into a desired pattern. Iterative Fourier Transform Algorithms (IFTA) are a proven method for calculating the phase function of DPE because of their high flexibility. In this thesis the IFTA-concept is transferred to calculate the phase function of DPE for partial-coherent UV laser radiation emitted by excimer lasers. The aperture of the DPE is divided into many facets. Illumination of a single facet reconstructs the entire predetermined signal. The different bundles illuminating different facets are modeled to be mutually incoherent. By superposition of the signal waves from all facets the original inhomogeneous intensity distribution of the excimer laser is transformed into a homogeneous signal distribution. The quality of the beam shaping is limited by the divergence of the bundles relative to each other and by the coherence properties within a single bundle passing through a single facet. The divergence of the bundles is measured with a Hartmann-Shack-sensor. Corrections are derived from these measurements and included into the DPE. Spatially resolved far-field intensity measurements are used to determine the coherence function of each bundle. A deconvolution algorithm is developed to integrate the measured coherence function into the design of the DPE. For all these design concepts DPE have been fabricated in fused silica. The experimental and the simulated beam shaping results are presented and analysed.
Keywords: diffractive optics; beam shaping; partial coherence; kinoform
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Zur Formung kohärenter Laserstrahlung eignen sich diffraktive Phasenelemente (DPE). Durch ihr Höhenprofil wird ausschließlich die Phase der eintreffenden Laserstrahlung gezielt verändert und der Intensität des Strahlungsfeldes somit eine gewünschte Winkelverteilung aufgeprägt. Iterative Fourier Transformationsalgorithmen (IFTA) haben sich aufgrund ihrer großen Flexibilität zur Berechnung von DPE bewährt. In der vorliegenden Arbeit wird das IFTA-Konzept auf die Berechnung von DPE für partiell-kohärente UV-Laserstrahlung von Excimer-Lasern übertragen. Die Apertur des DPE wird dabei in viele Facetten zerlegt. Bei Bestrahlung jeder einzelnen Facette entsteht das gesamte vorgegebene Signal. Die auf verschiedene Facetten eingestrahlten Strahlenbündel werden dabei als zueinander inkohärent betrachtet. Die inhomogene Intensitätsverteilung der ursprünglichen Excimer-Laserstrahlung wird durch Überlagerung der Signalwellen aller Facetten im Idealfall in eine homogene Signalverteilung transformiert. Limitiert wird die Qualität der Strahlformung durch die Divergenz der verschiedenen Strahlenbündel untereinander und durch die Kohärenzeigenschaften innerhalb des auf eine Facette treffenden Strahlenbündels. Die Divergenz der Strahlenbündel wird mit einem Hartmann-Shack-Sensor gemessen. Aus diesen Messungen werden Korrekturterme bestimmt, die in die DPE integriert werden. Aus ortsaufgelösten Fernfeldmessungen wird die Kohärenzfunktion der einzelnen Strahlenbündel bestimmt. Ein Deconvolutions-Algorithmus wird entwickelt, um die gemessene Kohärenzfunktion in der Berechnung der DPE zu berücksichtigen. Für alle vorgestellten Design-Konzepte sind DPE in Quarzglas hergestellt worden. Die experimentelle und simulierte Strahlformung der DPE wird präsentiert und analysiert.
Schlagwörter: Diffraktive Optik; Strahlformung; partielle Kohärenz; Kinoform
