CN101322063A - 射线成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于射线成形、尤其是用于在一个工作平面中产生一个直线形强度分布(28)的装置，包括激光源(1)，该激光源可以发射一个多模激光射线(8)，其中不仅在垂直于激光射线(8)传播方向(z)的第一个方向(x)上衍射量度值(M_x ²)大于1，而且在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)也大于1，并且本发明装置包括射线变换装置(3)，这些射线变换装置被如此设置在所述装置中，使得它们可以变换激光射线(8)或激光射线(8)的子射线(14)，使得在第一个方向(x)上的衍射量度值(M_x ²)被增大，而在第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)被减小。

Description

射线成形装置

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的射线成形装置。

激光射线的传播方向是指激光射线的平均传播方向，特别是在它不是平面波或至少部分发散的情况下。在没有其它说明时，光线、子射线或射线不是指理想的几何光学射线，而是指一个实际的光线，例如具有高斯轮廓或变形的高斯轮廓的激光射线，它不具有无限小的射线横截面、而是具有扩展的射线横截面。

说明书开始处所述类型的装置已被详尽地公开了。这种装置的典型激光源例如是Nd-YAG激光器或激发物激光器。例如不作为单模激光器工作的Nd-YAG激光器具有约8至25的衍射量度值(光束质量系数)M²。衍射量度值M²是对激光射线质量的一个量度。例如具有纯高斯轮廓的激光射线具有的衍射量度值M²为1。衍射量度值M²大致对应于激光射线的模数。

衍射量度值M²对激光射线的聚焦能力有影响。对于具有高斯轮廓的激光射线，聚焦区域中的密度d或射线拖尾正比于要聚焦的激光射线的波长λ，反比于聚焦透镜的数值孔径NA。对于聚焦区域中的激光射线密度有以下公式：

$d\∝\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}$

当激光射线不具有高斯轮廓或具有大于1的衍射量度值M²时，聚焦区域中最小密度或聚焦区域中射线拖尾还正比于衍射量度值，如下式所示：

$d\∝\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{NA}}\·M^2$

由此可见，衍射量度值愈大，激光射线的聚焦愈差。在此应指出：在垂直于激光射线传播方向的两个方向上衍射量度值可能有不同的大小。在这种情况下，在第一个方向(例如x方向)上的衍射量度值M_x ²和在第二个方向(例如与第一个方向x垂直的y方向)上的衍射量度值M_y ²被区分开。存在以下可能：衍射量度值M_x ²大于或小于衍射量度值M_y ²。

在此应指出，半导体激光器，特别是激光二极管条，在所谓的快轴方向、即垂直于有效层的方向具有等于1或略大于1的衍射量度值M_y ²，而在与其垂直的所谓慢轴方向、即平行于有效层的方向上衍射量度值M_x ²明显更大，例如大于100。因而半导体激光器不被用作各种装置的激光源。

此外，在现有技术中激光射线在聚焦之前在一个工作平面中被有规律地均匀化。这例如用具有多个透镜的透镜阵列实现，激光射线被这些透镜分成多个子射线，它们在工作平面中叠加。但子射线的数量不能任意增大，因为在数量过多的子射线的情况下，子射线在工作平面中相应叠加时由射线间的干涉形成高频振荡。这将导致工作平面中射线质量变差。出现这种高频振荡的判据是激光射线在一个垂直于传播方向的方向上的空间相干性。这种空间相干性越差，在叠加时不出现高频振荡的情况下光线可以分裂成的子射线的数量越多。在一定条件下上述衍射量度值M²或M_x ²及M_y ²可以作为空间相干性的指示，从而在大的衍射量度值时或许可以分裂成大数量的子射线。

本发明的目的在于提供一种如说明书开始处所述类型的装置，借助于这种装置激光射线可以被更好地聚焦到一个线性聚焦区域中和/或可以被更好地均匀化。

上述任务按照本发明由一个具有权利要求1的特征部分所述特征的、如说明书开始处所述类型的装置完成。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。

按照权利要求1，所述装置还包括射线变换装置，它们被如此设置在该装置中，使得它们可以变换激光射线或激光射线的子射线，使得在第一方向上的衍射量度值被增大，而在第二个方向上的衍射量度值被减小。

这里所述射线变换装置可以如此变换激光射线或激光射线的子射线，使得在激光射线或每个子射线的第一个方向上的衍射量度值和/或空间相干性与第二个方向上的衍射量度值和/或空间相关性互换。

可见，通过这种方式，对于两个方向中的一个方向上的衍射量度值可以明显小于射线变换之前，而对于两个方向中的另一个方向上的衍射量度值在射线变换之后可以明显大于射线变换之前。将激光射线分裂成多个子射线也是有其理由的。这种分裂可以在射线变换装置中进行，或者也可以在射线变换装置前面单独设置的射线分裂装置中进行。可见，在垂直于传播方向的两个方向中的一个方向上衍射量度值可以被减小，特别是可以除以子射线的数目。

通过本发明所述装置可以实现在一个方向上的衍射量度值明显减小并且不比1大很多，同时在另一方向上的衍射量度值相对于射线变换前的情况被增大。但是如果要产生一个很细的直线，重要的是在垂直于直线纵向延伸方向的方向上能实现在一个非常小的射线拖尾上的极好聚焦。在这种方向上有很小衍射量度值的情况下，从而可以获得一个很细的直线形轮廓。特别是同时可以产生一个非常确定的具有“钟形”轮廓的强度分布。同时在直线纵向延伸方向上衍射量度值被明显放大已被证实是没有坏处的，因为在直线的纵向延伸方向上不需要或不要求强的聚焦。相反，由于在直线纵向延伸方向上衍射量度值的放大通常显著减小了这个方向上的空间相干性。这意味着为了进行均匀化，可以应用在这个纵向延伸方向上排列有很多相互相邻设置的透镜的透镜阵列，而不会形成不希望的干涉效应，例如工作平面中的高频振荡。从而通过本发明所述装置还可以获得在直线纵向延伸方向上更好的均匀性。

存在以下可能性：射线变换装置可以将激光射线或各子射线相对于射线传播方向旋转一个不等于0°、最好是90°的角度。作为替代，射线变换装置也可以如此变换各子射线，使得一个要被变换的子射线的横截面被移到一个横截面中，这个横截面相对于这个要被变换的子射线的横截面以一个与激光射线传播方向平行的平面互为镜像。通过这两种射线变换装置的实施方式，可以实现在与传播方向垂直的两个方向上的衍射量度值的互换。

例如这里射线变换装置可以包括至少一个柱面透镜阵列，其圆柱轴与第一个方向和第二个方向的夹角为45°。作为替代，也存在以下可能性：采用两个前后排列的、具有相互平行或交叉的柱面透镜的柱面透镜阵列，它们的圆柱轴与第一个方向和第二个方向之间的夹角为45°或-45°。当每个子射线穿过这个柱面透镜阵列或这些柱面透镜阵列时，子射线旋转90°或以一个平行于传播方向的平面互为镜像。

这种射线变换装置已由现有技术公开，例如由EP1006382A1、EP1617275A1和EP1528425A1所公开。但其中半导体激光器的非常不均匀的激光射线具有非常小的快轴方向衍射量度值M_y ²和非常大的慢轴方向衍射量度值M_x ²，激光射线被如此变换，使得射线变换之后的激光射线和相应的准直度在两个方向上具有可比的射线质量。在本发明中，这些已知的射线变换装置被用来产生相反的作用。激光射线在变换之前在两个方向上具有没有很大区别或至少接近相等的衍射量度值M_y ²或M_x ²，激光射线被如此变换，使得在射线变换之后两个方向中的一个方向上的衍射量度值明显不同于两个方向中的另一方向上的衍射量度值。

存在以下可能：激光源被构造成Nd-YAG激光器或激发物激光器。其中Nd-YAG激光器例如工作在基频或两倍频或三倍频等频率上。

下面参考附图所示的具有优点的实施例说明本发明的其它特征和优点。附图中：

图1示出本发明所述装置的简要结构；

图2a示出本发明所述装置的射线分裂装置的侧视图；

图2b示出图2a所示射线分裂装置的顶视图；

图2c示出激光射线通过图2a和图2b所示射线分裂装置后的横截面；

图3a示出本发明所述装置的射线变换装置的侧视图；

图3b示出图3a所示射线变换射装置的顶视图；

图3c示出图3a所示射线变换射装置的透视图；

图3d示出激光射线通过图3a至图3c所示射线变换装置后的横截面；

图4a示出本发明所述装置的射线合并装置的侧视图；

图4b示出图4a所示射线合并装置的顶视图；

图4c示出激光射线通过图4a和图4b所示射线合并装置后的横截面；

图5a示出本发明所述装置的均匀化和聚焦装置的侧视图；

图5b示出图5a所示均匀化和聚焦装置的顶视图；

图6示出激光射线在通过本发明装置之前的横截面；

图7示出激光射线在工作平面中或通过本发明所述装置后的横截面；

图8示出本发明所述装置的射线变换装置、均匀化装置和射线合并装置的第二实施方式的侧视图。

在某些图中为了更好地定向示出了一个笛卡尔座标系。

如图1简要所示，本发明所述装置包括激光源1、射线分裂装置2、射线变换装置3、射线合并装置4、均匀化装置5和透镜系统6，所述透镜系统可以在工作平面7中产生激光射线的线性强度分布。

激光源1可以构造成例如二倍频的Nd-YAG激光器或激发物激光器。图6示出，由激光源1输出的激光射线8具有例如圆形的横截面。图6还示出，激光射线8不仅在x方向、而且在y方向上都具有衍射量度值M_x ²＝M_y ²＝4。

射线分裂装置2由图2a和图2b详细示出。射线分裂装置2的前面连接有一个由交叉的两侧柱面透镜10和11组成的望远镜9。望远镜9在x方向上扩展激光射线8并在y方向上使激光射线8变窄(见图2a和图2b)。

射线分裂装置2被构造成柱面透镜阵列，其中该柱面透镜阵列的圆柱轴在y方向上延伸。特别是射线分裂装置在输入面上有一个由凸圆柱面12组成的阵列，在输出面上有一个由凹圆柱面13组成的阵列。通过相应选择这些圆柱面的焦距并通过相应选择它们的间隔可以实现从射线分裂装置2输出四个在x方向上相互间隔的子射线14。图2c示出，这些子射线14具有正方形的横截面。

当然也可以存在多于或少于四个圆柱面12，13，从而出现多于或少于四个的子射线14。例如可以有8个或13个圆柱面12，13。

由图2c可见，每个子射线14在x方向上具有衍射量度值M_x ²＝1，而在y方向上具有衍射量度值M_y ²＝4。对于x方向，所有4个子射线14共同给出一个衍射量度值M_x ²＝4。

通过这种方式分裂成各个子射线14的激光射线进入射线变换装置3，它由图3a至图3c示出。射线变换装置3同样包括一个柱面透镜阵列，在射线变换装置3的输入面上有一个由凸圆柱面15组成的阵列，在输出面上有一个由凸圆柱面16组成的阵列。圆柱面15，16的圆柱轴在此向y方向或x方向倾斜一个角度α＝45°。在穿过射线变换装置3时，各子射线14被如此变换，使它们相对于一个平面镜像出现，这个平面平行于传播方向z。图2c和图3d中示出子射线14如何被变换成变换后的子射线17。这里在图2c左侧的子射线14或者在图3d左侧的子射线17在其每个边旁边有一个字母a，b，c，d。可以看出，这些字母a，b，c，d按照一种图样进行互换，此图样对应于以这些子射线14，17的对角线平面所形成的镜像。这种变换也可表述为围绕z方向旋转90°，接着使边a，c互换。

由图3d可见，子射线17的衍射量度值不同于子射线14的衍射量度值，特别是对于每个子射线17，x方向的衍射量度值M_x ²＝4，y方向的衍射量度值M_y ²＝1。对于所有4个子射线，x方向上总的衍射量度值M_x ²等于16。

穿过射线变换装置3之后，各子射线17照射到射线合并装置4上。对应于射线分裂装置2，射线合并装置4由其输入面上的凹圆柱面18的阵列和其输出面上的凸圆柱面19的阵列构成。在射线合并装置4后面，在射线路径中设置了另一个望远镜20，它通过相应设置的柱面透镜21，22在y方向上扩展射线。

图4c示出在通过射线合并装置4和望远镜20之后激光射线23的横截面。可见，激光射线23是一个具有正方形横截面的单个激光射线。特别是这里x方向上的衍射量度值M_x ²等于16，而y方向上的衍射量度值M_y ²等于1。

这个激光射线23通过均匀化装置5(参见图5a和图5b)，它被构造成两个前后排列的柱面透镜24，25的阵列。这里柱面透镜24，25的阵列中所设置的相互间隔约为柱面透镜在z方向上的焦距。基于射线变换和与此相联系的衍射量度值从4增大到16，在x方向上可以相邻地排列直至16个柱面透镜24，25，而在工作平面7中不会出现不希望的干涉效应。

在通过均匀化装置5之后，激光射线通过透镜排列6，它被构造成两个相互间有一定距离的柱面透镜26，27，其中柱面透镜26的圆柱轴在y方向上延伸，而柱面透镜27的圆柱轴在x方向上延伸。通过透镜系统6，不仅激光射线被如此聚焦，使得在工作平面7中形成一个直线形的强度分布28(见图7)，而且那些由于柱面透镜24，25而在不同的和/或相同的方向上传播的激光射线的各个子射线在工作平面7中叠加。这是已知的均匀化原理，其采用柱面透镜阵列和后接的用作物镜并在工作平面中叠加激光射线的透镜。透镜系统6用作聚焦装置并且帮助实现了均匀化。

工作平面7中的直线形强度分布28被举例示于图7。这个直线形强度分布28在此被简要示出，并且可以具有在10mm与1000mm之间的长度l(例如约100mm)和在1μm与100μm之间的宽度d(例如约10μm)。可见，采用本发明所述装置也可在应用一个多模激光源的情况下产生一个具有很小的尺寸和必要时具有更大景深的聚焦范围。存在强度分布28的尺寸小于10μm的可能性。这例如取决于所用透镜的数值孔径。

在y方向上，也就是在与直线形强度分布28的纵向延伸方向垂直的方向上，激光射线可具有高斯分布或钟形分布或任意的其它分布。

图8示出射线合并装置的另一实施方式。该射线合并装置包括透镜装置29，它用作傅里叶透镜或傅里叶透镜组。这意味着，射线变换装置3的输出平面30被设置在透镜装置29的输入侧的傅里叶平面或焦平面上，并且均匀化装置5的输入平面31被设置在透镜装置29的输出侧的富里平面或焦平面上。将射线变换装置3的输出平面30中的强度分布傅里叶变换到均匀化装置5的输入平面31中。

同时各子射线17(在图8中示出其中的两个)在均匀化装置5的输入平面31中相互叠加。由于每个子射线7从不同的方向落入到输入平面31中，均匀化装置5的柱面透镜24，25的数目可以减少，特别是减少一个因子，这个因子对应于子射线的数目，并从而对应于射线变换装置3的圆柱面16的数目。

透镜装置29可以构造成单个透镜或多个透镜。当透镜装置29由多个透镜构成时，它们被如此设置在所述装置中，使得射线变换装置3的输出平面30位于透镜装置29的输入侧系统焦平面中，并且均匀化装置5的输入平面31位于透镜装置29的输出侧系统焦平面中。

此外透镜装置29的这个或这些透镜可构造成圆柱轴在Y方向上延伸的柱面透镜。

图8中用虚线表示用于在Y方向上准直激光射线的透镜装置32。这些透镜装置32是可选的，并且可设置在射线变换装置3与激光件29之间。透镜装置32可以构造成单个透镜或多个透镜。此外透镜装置32的这个透镜或这些透镜可构造成圆柱轴在x方向上延伸的柱面透镜。

Claims (24)

1.用于射线成形、尤其是用于在一个工作平面中产生一个直线形强度分布(28)的装置，包括：

激光源(1)，该激光源可以发射多模激光射线(8)，其中不仅在垂直于激光射线(8)传播方向(z)的第一个方向(x)上衍射量度值(M_x ²)大于1，而且在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上衍射量度值(M_y ²)也大于1，

其特征在于，所述装置还包括射线变换装置(3)，这些射线变换装置被如此设置在所述装置中，使得它们可以变换激光射线(8)或激光射线(8)的子射线(14)，使得在第一个方向(x)上的衍射量度值(M_x ²)被增大，而在第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)被减小。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，射线变换装置(3)如此变换激光射线(8)或激光射线(8)的子射线(14)，使得激光射线(8)或每个子射线(14)在所述第一个方向(x)上的衍射量度值(M_x ²)和/或空间相干性与在所述第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)和/或空间相干性互换。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，射线变换装置(3)可以将激光射线(8)或各子射线(14)围绕激光射线(8)的传播方向(z)旋转一个不等于0°的角度，特别是旋转90°。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，射线变换装置(3)可以如此变换激光射线(8)或各子射线(14)，使得要被变换的子射线(14)的横截面转换为这样一个横截面，该横截面相对于变换前子射线(14)的横截面以一个平行于激光射线(8)传播方向(z)的平面成相互镜像地出现。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，射线变换装置(3)包括至少一个柱面透镜阵列，其圆柱轴与第一个方向(x)及第二个方向(y)间的夹角(α)为45°。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个用于将激光射线(8)分成多个子射线(14)的射线分裂装置(2)。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，射线变换装置(3)在激光射线(8)的传播方向(z)上被设置在射线分裂装置(2)的后面。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，射线分裂装置(2)是射线变换装置(3)的一部分。

9.如权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，射线分裂装置(2)包括至少一个柱面透镜阵列。

10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于将激光射线(8)聚焦到一个工作平面(7)中的聚焦装置。

11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于均匀化激光射线(8)的均匀化装置(5)。

12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述均匀化装置(5)包括至少一个柱面透镜阵列。

13.如权利要求10至12中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个透镜系统(6)，该透镜系统可有助于激光射线(8)的聚焦和/或均匀化。

14.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个射线合并装置(4)，该射线合并装置可以将各子射线(7)在由射线变换装置(3)变换后合并到一起。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述射线合并装置(4)包括至少一个柱面透镜阵列。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述射线合并装置包括透镜装置(29)，这些透镜装置被设置在射线变换装置(3)后面，使得它们可以对从射线变换装置(3)输出的激光射线(8)的强度分布进行傅里叶变换。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，透镜装置(29)被设置在射线变换装置(3)与均匀化装置(5)之间，使得它们可以将射线变换装置(3)的输出平面(30)中的激光射线(8)的强度分布傅里叶变换到均匀化装置(5)的输入平面(31)中。

18.如权利要求16或17所述的装置，其特征在于，所述透镜装置(29)被设置在射线变换装置(3)后面，使得它们可以将各个由射线变换装置(3)输出的子射线(17)叠加，特别是在均匀化装置(5)的输入平面(31)中叠加。

19.如权利要求16至18中任一项所述的装置，其特征在于，所述透镜装置(29)包括一个或多个透镜，它们尤其被构造成柱面透镜或柱面透镜组。

20.如权利要求1至19中任一项所述的装置，其特征在于，激光源(1)不被构造成半导体激光器。

21.如权利要求1至20中任一项所述的装置，其特征在于，在射线变换之前激光源(1)的激光射线(8)不仅在垂直于激光射线(8)传播方向(z)的第一个方向(x)上衍射量度值(M_x ²)大于2，特别是大于4，最好是大于6，而且在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上衍射量度值(M_y ²)也大于2，特别是大于4，最好是大于6。

22.如权利要求1至21中任一项所述的装置，其特征在于，在射线变换之前激光源(1)的激光射线(8)在垂直于激光射线(8)传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射量度值(M_x ²)最多10倍、特别是最多5倍、最好是最多两倍于在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)。

23.如权利要求1至22中任一项所述的装置，其特征在于，在射线变换之前激光源(1)的激光射线(8)在垂直于激光射线(8)传播方向(z)的第一个方向(x)上的衍射量度值(M_x ²)等于在垂直于传播方向(z)的第二个方向(y)上的衍射量度值(M_y ²)。

24.如权利要求1至23中任一项所述的装置，其特征在于，激光源(1)被构造成Nd-YAG激光器或激发物激光器。

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