CN105658371B - 模块化激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光装置，其包括各自在工作平面（6）处生成激光线的多个激光模块，所述激光模块被并置使得由模块生成的激光线组合成唯一的激光线。所述激光装置此外包括微透镜的第一线性排列（1）、会聚透镜（2）以及置于会聚透镜（2）的聚焦平面中的微透镜的第二线性排列（3），使得由每个激光模块所生成的最终激光线在工作平面（6）处呈现尖帽状的功率密度剖面图（1a、1b、1e、1d）。激光模块被并置使得由每个激光模块所生成的激光线组合成总长度大于1.2m的唯一激光线（3）。

Description

模块化激光装置
技术领域
本发明涉及一种用于大宽度的基板（substrat）的激光退火的装置，其由在没有特别限制的情况下可并置的多个激光模块形成。
背景技术
已知的是实现被沉积在平坦基板上的涂层的局部且快速的激光退火（激光闪速加热）。为此，使具有待退火的涂层的基板在激光线下方进给（défiler），又或使激光线在承载了涂层的基板上方进给。
激光退火使得能够将薄的涂层加热到高温，大约是几百度，而同时保护在下面的基板。很好理解的是进给的速度优选为尽可能地高，有利地至少为每分钟几米。
本发明尤其感兴趣的是使用激光二极管的激光器。这实际上构成从其价格及其功率的观点来看最引人注目的激光源。
为了获得对于实施具有高进给速度的过程而言所必要的单位长度（linéique）的功率，合期望的是将来自非常大量的激光二极管的辐射聚焦于唯一的激光线处。在承载了待退火的涂层的基板处，该激光线的功率密度通常应当尽可能地均匀，以使得将基板的所有点暴露于相同的退火能量。
此外将合期望的是能够以高速度来处理具有大宽度的基板，诸如出自浮法过程的“巨大（jumbo）”尺寸（6m×3.21m）的平坦玻璃片材。对于获得非常长的激光线而言的问题是实现一种激光模块并置的系统，其使得能够随意地延长线的长度，而不必制造与线本身一样长的单片光学器件。
已经设想了模块化激光装置。因此，专利US 6 717 105描述了一种概念非常简单的模块化激光装置。在该激光装置中，每个模块（激光振荡器1a、1b、1c）生成激光束，所述激光束在成形之后被镜面（4a、4b、4c）反射并且以激光线的形式、按直角而投射在基板（5）上。激光束成形构件（3a、3b、3c）被设计使得在与基板的相交处形成激光线，所述激光线呈现具有“顶帽”（英语为“top-hat”）形状的功率密度剖面图（profil），其具有非常宽广的中央部分，在所述中央部分中功率密度强并且恒定，以及，在该平台的两侧，以陡峭斜率下降的旁侧（flanc）（参见US 6 717 105的图5）。剖面图通过叠合倾斜的旁侧而被组合以便产生具有尽可能均匀的功率密度分布的经组合的唯一线。
然而，生成具有“顶帽”剖面图的该类型激光线的激光模块对于模块相对于彼此的可能的定位误差非常敏感。事实上，在叠合的侧边区处的斜率的高陡峭度造成：模块的太大间隔容易导致在接合处的功率密度的不足，而相反，太靠近的模块将导致在该处功率密度过度高的接合区。
申请人观察到显著降低模块化激光装置对激光模块的相应定位误差的敏感性是有可能的，这通过向装置的模块配备基于微透镜的用于激光线成形的光学系统，所述光学系统不产生在现有技术中通常寻求的“顶帽”类型的功率密度剖面图，而是“尖帽（chapeaupointu）”类型的剖面图，也就是说接近于三角形的剖面图，其具有从中心向端部下降的规则斜面。
发明内容
本发明的目的在于一种包括各自在工作平面处生成激光线的多个激光模块的激光装置，所述激光模块被并置使得由模块所生成的激光线组合成唯一的激光线，每一个激光模块包括：
-至少一个激光线生成构件，优选地是激光二极管的线性排列（alignement），以及
-激光线成形构件，
所述装置的特征在于，所述激光线成形构件包括微透镜的第一线性排列、会聚透镜、以及置于会聚透镜的聚焦平面中的微透镜的第二线性排列，使得最终激光线在工作平面处呈现一种功率密度剖面图，所述功率密度剖面图具有在最大功率密度的90%处的宽度（L90）和在最大功率密度的10%处的宽度（L10），比率L90/L10被包括在1/15和1/5之间，优选地在1/12和1/7之间，并且特别地在1/10和1/8之间。
因此，与现有技术相反，在本发明中并不寻求制造这样的激光模块：所述激光模块各自发射具有包括尽可能宽的有效功率平台的功率密度剖面图的激光线。相反，寻求将强功率的中央区的范围（L90）缩减至小于模块的激光线的总长度的20%、优选地小于其15%并且特别地小于其10%，并且还减小最大功率区两侧的斜率的值。事实上，由每个模块所发射的功率的密度剖面图的两个旁侧的斜率越小，模块的定位误差在通过模块的线性排列所形成的组合功率密度剖面图上将造成的影响越小。由每个模块所生成的线的功率剖面图的理想形状因此是三角形，所述三角形呈现等于最大功率的高度（h）和等于激光线长度的底（b）。
理想地，功率密度剖面图的旁侧的斜率因此等于该三角形的斜率（2h/b）。
然而，功率密度的实际剖面图可以稍微偏离严格的三角形形状。
优选地，由每个激光模块所生成的最终激光线在工作平面处呈现这样的功率密度剖面图：所述剖面图具有位于激光线的中心处的功率密度最大值以及功率密度从中心向线的端部的规律下降，下降的斜率从相同的L10和L90的完美三角形剖面图的斜率偏离至多20%、优选地至多10%。术语“下降斜率”在此指明在等于激光线的长度的1/50的长度上所观察到的平均斜率。
激光模块被并置使得所组合的激光线的功率密度剖面图，其产生于单独功率密度剖面图的全部的总计，是顶帽（top-hat）形状的剖面图，其具有的中央区表现了所述装置的组合激光线的总长度的至少90%，其中功率密度变化至多10%、优选地至多5%、并且特别有利地至多1%。
每个模块的三角形剖面图的有效功率区的小宽度（L90）在本发明的装置中通过由两个相邻模块所生成的单独激光线的非常大的重叠所补偿。
事实上，为了实现根据“尖帽”类型的三角形的单独剖面图而产生顶帽类型的组合剖面图，必不可少的是最终剖面图的几乎全部的点产生于部分地重叠的至少两个单独剖面图的叠加。
在本发明的优选实施例中，激光模块以这样的方式被并置使得由激光模块所生成的激光线的每个端部位于由相邻模块所生成的激光线的中心的紧接邻近处。因此，在其中功率密度恒定的组合剖面图的中央部分中，激光线的每个点优选地是分别由彼此邻近的两个不同激光模块所生成的两个三角形激光剖面图的部分。
用于组合剖面图的该方式与现有技术的方式非常不同，在现有技术中通常寻求生成并组合“顶帽”类型的多个单独剖面图并且其中单独剖面图的重叠区通常不表示多于激光线的总长度的几个百分比。
在其中各自生成具有基本上三角形形状的功率密度剖面度的长度Li的激光线的n个模块被并置使得形成“顶帽”类型的唯一线（参见图1）的本发明的装置的实施例中，该唯一线的总长度（Lg）等于：
Lg=(n+1)×0.5Li。
总长度Lg因此优选地等于由每个模块单独生成的激光线的半长度的倍数。
在现有技术中知晓一些透镜系统，所述透镜系统使得能够向激光线赋予顶帽类型的功率密度剖面图。例如在申请US 2012/0127723中描述了这样的系统。它包括第一微透镜网（4），所述第一微透镜网与更大尺寸的会聚透镜（5）组合，所述会聚透镜各自接收来自多个微透镜的光。在焦平面（8）处，每个会聚透镜产生顶帽形状的功率密度剖面图（9），其具有相对宽的中央部分以及有相对陡峭的斜率的下降旁侧（10）。
在本发明中，使得能够获得具有三角形剖面图的激光线的微透镜的集合被置于形成顶帽类型的功率密度剖面图的会聚透镜的焦平面中。微透镜的集合包括N个焦距为D的圆柱形微透镜的线性排列。
如下文中将参考图1所解释的，由该线性排列的微透镜所成形的激光线的功率密度剖面图随着相对于微透镜集合的距离而变化。在该线性排列的微透镜的紧接邻近处是顶帽类型的。随着远离该线性排列，其形状变得越来越三角形。
在该处其具有三角形形状的确切距离（D）可以凭借以下公式、用已知方式被计算：
D=N×F
其中
N指明微透镜的数目，并且
F指明每个微透镜的焦距，
其条件为微透镜集合的尺寸相对于微透镜集合与形成顶帽功率密度剖面图的会聚透镜之间的距离是可忽略的。
有利地将把工作平面（基板）置于相对于该线性排列的微透镜的等于D±15%、优选地等于D±5%并且理想地精确等于距离D的距离处。
很好理解的是对于本领域技术人员而言有可能且容易凭借以上公式来选择在所施加的距离D处适合于获得三角形功率密度剖面图的微透镜的线性排列。
本发明的模块化激光装置包括优选地至少5个模块、特别地至少10个模块。
激光模块有利地被并置以使得所生成的激光线组合成总长度大于1.2m、优选地大于2m、特别地大于3m的唯一激光线。
在具有3.21m的宽度的“巨大”类型的基板的激光处理的视角中，其中功率密度基本上恒定的激光线的中央部分优选地具有被包括在3.20和3.22m之间的长度。
此外，激光模块被组装并且装配在激光装置上，以使得所生成的激光线与基板或工作平面相交，优选地以相对于基板的法线的典型地小于20°、优选地小于10°的小角度。装置可以被设计使得激光模块是固定的，待处理的基板在模块的线性排列的上方或下方进给，通常在与激光线的主轴垂直的方向上。作为变型，装置可以被设计使得基板是固定的并且激光模块的线性排列在基板的上方或下方进给，同时在其上投射激光线。
附图说明
现在将通过参考附图来描述本发明，在所述附图中：
图1是表示了使得能够获得呈现三角形形状的功率密度剖面图的激光线的光学系统的解释性示意图，并且
图2是示出了对多个三角形形状的功率密度剖面图进行组合以用于获得顶帽类型的组合剖面图的方式的解释性示意图。
具体实施方式
在图1上，微透镜的线性排列1与会聚透镜2的组合在该会聚透镜的聚焦平面4处产生一种激光线，所述激光线呈现顶帽A类型的功率密度剖面图。微透镜的第二线性排列3准确地置于会聚透镜2的聚焦平面4处。该线性排列3中的每个微透镜产生首先会聚、然后在聚焦点之外发散的光束。位于微透镜的线性排列的端部处的两个微透镜的光束在点5处相交。在激光线最外部的两个光束的该相交点5位于直线6上，所述直线6平行于微透镜的线性排列3，其中激光线的功率密度剖面图将具有三角形剖面图B。该直线6处于相对于微透镜的线性排列3的距离D处。待处理的基板（未表示）将应当被放置以使得直线6位于所述基板的平面中。在大于D的距离D’处，功率密度剖面图C的外形将重新接近于顶帽的外形。
激光线成形构件，其包括微透镜的第一线性排列1、会聚透镜2、以及置于会聚透镜2的聚焦平面中的微透镜的第二线性排列3，在被置于微透镜的线性排列1中的一个或多个微透镜后方的一个或多个单独激光源的故障的情况下保护系统免受辐照强度均质性的不足。事实上，来自模块的全部激光源的光在会聚透镜2中被混合，然后通过微透镜的集合3而成形。置于微透镜的第一线性排列中的一个微透镜后方的激光二极管的故障将导致激光线的功率的降低，但是不导致强度均质性的不足。
图2示出了由根据本发明并置的四个模块（未表示）所生成的四条激光线的功率密度剖面图7a、7b、7c、7d。这四个剖面图具有同样的形状。每个剖面图呈现功率密度最大值8、在最大功率密度的90%处的宽度L90、在最大功率密度的10%处的宽度L10。呈虚线的剖面图3对应于由单独三角形剖面图的叠加所产生的功率密度剖面图。该剖面图具有顶帽类型的外形。激光模块（未表示）被放置使得在总体剖面图3的平台部分中，剖面图的每个点由相邻两个激光模块的剖面图的叠加所产生。

Claims (13)

1.一种包括各自在工作平面处生成激光线的多个激光模块的激光装置，所述激光模块被并置使得由模块所生成的激光线组合成唯一的激光线，每个激光模块包括：
-至少一个激光线生成构件，以及
-激光线成形构件，
所述装置的特征在于，所述激光线成形构件包括微透镜的第一线性排列（1）、会聚透镜（2）以及置于会聚透镜（2）的聚焦平面中的微透镜的第二线性排列（3），使得由每个激光模块所生成的最终激光线在工作平面处呈现一种功率密度剖面图，所述功率密度剖面图具有在最大功率密度的90%处的宽度L90和在最大功率密度的10%处的宽度L10，比率L90/L10被包括在1/15和1/5之间，所述激光模块被并置使得由模块所生成的激光线组合成总长度大于1.2m的唯一激光线。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，比率L90/L10被包括在1/12和1/7之间。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，比率L90/L10被包括在1/10和1/8之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，由每个激光模块所生成的最终激光线在工作平面处呈现这样一种功率密度剖面图：所述功率密度剖面图具有位于激光线的中心处的功率密度最大值以及功率密度从中心向线的端部的下降，下降的斜率与相同L10和L90的完美三角形剖面图的斜率偏离至多20%。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，由每个激光模块所生成的最终激光线在工作平面处呈现这样一种功率密度剖面图：所述功率密度剖面图具有位于激光线的中心处的功率密度最大值以及功率密度从中心向线的端部的下降，下降的斜率与相同L10和L90的完美三角形剖面图的斜率偏离至多10%。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块被并置使得所组合的激光线的功率密度剖面图，其产生于单独功率密度剖面图的全部的总计，是顶帽（top-hat）形状的剖面图，其具有的中央区表示所述装置的组合激光线的总长度的至少90%，在所述中央区中功率密度变化至多10%。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块被并置使得所组合的激光线的功率密度剖面图，其产生于单独功率密度剖面图的全部的总计，是顶帽（top-hat）形状的剖面图，其具有的中央区表示所述装置的组合激光线的总长度的至少90%，在所述中央区中功率密度变化至多5%。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块被并置使得所组合的激光线的功率密度剖面图，其产生于单独功率密度剖面图的全部的总计，是顶帽（top-hat）形状的剖面图，其具有的中央区表示所述装置的组合激光线的总长度的至少90%，在所述中央区中功率密度变化至多1%。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块以这样的方式被并置使得由激光模块所生成的激光线的每个端部位于由相邻模块所生成的激光线的中心的紧接邻近处。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，它包括至少5个模块。
11.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，它包括至少10个模块。
12.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块被并置使得由模块所生成的激光线组合成总长度大于2m的唯一激光线。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的激光装置，其特征在于，激光模块被并置使得由模块所生成的激光线组合成总长度大于3m的唯一激光线。
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