CN105659451B - 模块化激光器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器装置，包括每个均在工作平面处生成激光线的多个激光器模块，所述激光器模块被并置并且排列，以便由模块生成的激光线组合成单个激光线，所述激光器模块中的每个包括至少一个激光线生成部件，所述激光器装置特征在于：所述激光线生成部件或每个激光线生成部件包括两个激光二极管巴条（2）排列（1a，1b），每个巴条均发射聚焦的激光束（3a，3b），两个排列（1a，1b）被相对于彼此平行布置，从而巴条（2）被错开布置，由两个巴条排列（1a，1b）分别生成的平行的两组激光束（3a，3b）被通过一组镜（4,5）整合为单个激光线（8），激光二极管巴条排列（1a，1b）和镜（4,5）被布置从而两组激光束（3a，3b）在被整合为单个激光线（8）之前遍历相同长度的光学路径。

Description

模块化激光器装置
技术领域
本发明涉及一种用于大宽度衬底的激光退火的装置，所述装置在没有特定限制的情况下由多个可并置的激光器模块形成。
背景技术
已知的是，执行沉积于平坦衬底上的覆层的局部且快速的激光退火（激光闪光加热）。为此，使具有要被退火的覆层的衬底在激光线之下行进，或者使激光线在承载覆层的衬底之上行进。
激光退火允许在保留下方衬底的同时将薄覆层加热到几百度量级的高温。行进速度当然优选为尽可能更高，有利地至少每分钟若干米。
本发明特别是关注于使用激光二极管的激光器。从其价格和功率的观点来看，后者在当前构成最受关注的激光源。
为了获得以高的行进速度实施方法所需的每单位长度的功率，期望的是将非常大量的激光二极管的辐射会聚在单个激光线处。在承载要退火的覆层的衬底处，该激光线的功率密度一般应当尽可能更均匀，以便将衬底的所有点暴露于相同的退火能量。
然而，获得足够的每单位长度的功率（50W/mm的量级）所需的大量激光二极管产生空间体积的问题。
对于市场上可用的激光二极管巴条而言，估计的是在将其与激光线的主轴平行并置（水平堆叠）的情况下，巴条的排列长度大约为所生成的最终激光线的长度的两倍大。
这种空间体积——其对于几十厘米量级的小尺寸线而言可以被看作是可接受的——对于几米的线长度而言则不再能接受。不过，将期望能够以大的速度处理大宽度的衬底（如来自于浮置处理的“庞大”尺寸（6m×3.21m）的平坦玻璃片材）。
此外，以上提到的空间体积的问题阻止了激光器装置的光学系统的模块化设计。实际上，将容易地理解的是，为了能够将多个小长度的单位激光线组合为单个更长的激光线，每个单独的激光器模块应当具有小于或等于其生成的单位线的长度的横向尺寸。如果这些横向尺寸更大，则模块的并置将表现为不连续的最终线。
用于增加二极管激光器的功率的另一方法在于：将二极管巴条并置为一个在另一个之上（垂直堆叠）以及通过聚焦透镜来整合由这些巴条堆叠所生成的束。然而，如此获得的激光线的质量对于本发明中所针对的应用而言是不够的，在本发明的应用中，重要的是在工作平面（衬底）处保持激光线的+/-1mm的场深度（即其宽度在+/-1mm上变化不多于10%的线）。
发明内容
本发明提供将激光二极管巴条用作光源的激光器模块，激光二极管巴条允许在与由所述模块生成的激光线平行的方向上生成具有长于或等于模块的尺寸的长度的激光线。此外，所提出的激光器模块没有现有技术的二极管垂直堆叠激光器的缺点，并且形成具有满意的质量以及足够高的场深度的激光线，以应对一般为毫米量级的玻璃衬底的通常平面性缺陷、运送效应、系统振动等。
为了形成本发明的激光器装置，多个激光器模块被彼此相邻地排列，以便它们所生成的单位激光线组合成在大长度上的均匀功率密度的单个激光线。在与激光线的主轴平行的方向上的激光器装置的空间体积实质上不大于线的长度。
本发明所基于的想法是：优选地实质上相对于彼此平行地叠置两个二极管巴条排列，并且然后通过此后更详细地描述的一组镜将平行的两组激光束整合为单个激光线。用于整合由叠置的两个巴条排列发射的束的精巧的镜系统允许避免源自现有技术的激光二极管的垂直堆叠的已知缺陷（即所获得的激光线的质量损失）。
本发明目的在于一种激光器装置，包括每个均在工作平面处生成激光线的多个激光器模块，所述激光器模块被沿着它们的长度并置并且排列，以便由所述模块生成的激光线组合成单个激光线，所述激光器模块中的每个包括至少一个激光线生成部件，
所述激光器装置特征在于如下事实：所述激光线生成部件或每个激光线生成部件包括两个激光二极管巴条排列，其中巴条被沿着它们的长度排列，每个巴条均发射聚焦的激光束，所述两个排列被相对于彼此平行布置，从而所述巴条被错开布置，由所述两个巴条排列分别生成的平行的两组激光束被通过一组镜整合为单个激光线，所述激光二极管巴条排列和所述镜被布置从而所有所述激光束（即所述两组激光束）在被整合为单个激光线之前遍历相同长度的光学路径。
叠置在每个激光线生成部件中的两个二极管巴条排列可以理想地彼此相同（即，包括相同数量的巴条），或者所述两个排列之一可以包括比另一个多一个的巴条。所述两个排列的巴条有利地是完全相同的（功率、波长、尺寸等）。在每个排列中，巴条被优选地以它们之间的最小空间来并置。
每个二极管巴条排列因此具有带有大于或等于巴条的尺寸的周期的周期性。
如此前已经指示的那样，两个排列被布置为相对于彼此平行以便巴条被错开布置，换言之，两个排列被偏移开半周期，以便排列的每个巴条精确地位于距另一排列中最接近的巴条相等的距离处。
每个巴条排列发射如排列所包括的巴条那么多的束。由所述两个排列分别发射的两组束彼此平行，并且再现呈巴条错开的横向偏移。
此后将理解，在阅读所使用的镜组的详细描述时，这种半周期偏移对于将两组束统一为单个激光线是必不可少的。
在本发明中，关键的是，由所述两个巴条排列发射的两组激光束在被整合为单个单色激光线之前已经遍历相同长度的光学路径。如果情况并非如此，则两组束将不具有相同的尺寸和/或发散量，并且从它们的统一得到的激光线的质量将是不满意的。
在激光线生成部件的此后的详细描述中，把由分成段的镜反射的一组激光束称为“第一组激光束”，并且把其各束通过分成段的镜的各分段之间的间隔的一组称为“第二组激光束”或“另一组激光束”。该第二/另一组束不被任何镜反射（第一实施方式，在图1表示），或者被可以是连续的镜反射（第二实施方式，在图2表示），但同样地，被可以是分段的镜反射。
因此，在本发明的第一实施方式中，仅两组激光束之一——以下称为“第一组激光束”——被由一组镜重新引导并且带到第二组激光束的平面中。由于方向的改变，因此该第一组激光束的光学路径延长。为了补偿由镜的反射所致的第一组激光束的光学路径的该延长，发射第一组激光束的激光二极管巴条排列被偏移——在第二激光束的传播方向上——等于引起它的被一组镜进行的重新定向的光学路径的延长的距离。
有利地通过两次相继的反射来进行第一组束的重新定向：
-第一反射，其修改第一组束的传播平面，从而其切割第二组束的传播平面；以及
-第二反射，在两个传播平面的交叉处致使两个传播平面重叠以及激光辐射的单个“层”或线的形成。
图1表示致使两组束整合的这种双反射的几何形状。
在本发明的一个特定实施方式中，这两次相继的反射成直角，即，第一组激光束经受两次正交反射。第一组激光束的光学路径于是处于两个传播平面之间的初始距离的延长。为了补偿这种延长，发射第一组激光束的激光二极管巴条排列被前置——即，在第二组束的传播方向上被偏移——等于两组束的两个传播平面之间的初始距离的距离。
当然，双正交反射仅是一个特定实施方式，并且完全可想见对镜进行定位从而实现两次非正交的反射。本领域技术人员能够通过简单的三角计算来计算为了补偿对应的光学路径的延长所需要的第一二极管巴条排列的偏移。
在本发明的优选实施方式中，通过以下称为连续镜的单个镜来实现使第一组激光束成为在第二组激光束的平面的方向上的第一反射。虽然该单个连续镜可以由放置在同一平面中的多个镜替代，但这将无益地使得装置的该部分复杂，并且因此不期望使用分成段的镜来用于实现第一组束的第一反射。
在第二反射的情况下，情形是非常不同的。后者发生在两个传播平面的交叉线处，并且不可能使用将阻止第二组激光束的传播的单个连续镜。由至少如第一组激光束所包括的激光束那么多的镜的分段构成的分成段的镜因此被用于第二反射，第一组激光束的每个束被一个镜分段反射。使用分成段的镜利用两个二极管巴条排列的半周期的横向偏移。实际上，凭借该偏移，第一组束中的束处于与第二组束中的束交替，并且适当尺寸的镜分段可以反射第一组中束而不截断第二组中的束。
在该第二反射之后，第一组激光束在第二组激光束的传播平面中传播，两个组形成单个单色激光线。
本发明中所使用的一组镜因此优选地包括：
-连续的第一镜，把所述第一组激光束反射到所述第二组激光束的平面的方向上；以及
-分成段的第二镜，由至少如所述第一组激光束所包括的激光束那么多的镜分段构成，所述第一组激光束的每个束被一个镜分段反射。
在图2表示的本发明的模块化激光器装置的第二实施方式中，第一组束和第二组束的每个均经受由镜进行的反射。
两组束被以相同的角度反射，以便在该反射之后，两组激光束的两个传播平面一致并且形成单个激光线。第一组激光束被允许在反射第一组的束的同时让另一组的束在各镜分段之间的间隔处通过的分成段的镜反射。另一组束优选地被连续镜反射。
由激光二极管巴条中的每个生成的激光束是借助于巴条出射处的聚焦透镜而被聚焦的束。
在本发明的激光器装置的一个特别有利的实施方式中，分成段的镜的各分段被定位从而在第一组激光束的焦点处反射第一组激光束。镜分段在第一束的焦点处的这种定位是有利的，因为其允许尽可能多地限制这些镜分段的面积，并且因此避免它们阻挡第二组束中的束的通过。
如以上所描述的激光线生成部件的每个致使形成具有给定的线偏振状态的单色激光线。实际上，两个二极管巴条排列的所有激光二极管产生相同波长的以及相同偏振状态的激光辐射。双反射不修改激光辐射的线偏振状态。
已知的是，通过借助于在本申请中称为“激光线组合部件”的光学系统组合不同波长或不同偏振状态多个激光束或激光线，来增加二极管激光装置的功率。这样的光学系统例如在申请US 2011/0176219中有所描述。
借助于一组偏振耦合器和二向色镜，其允许对由不同的激光二极管巴条分离地生成的激光束进行组合。典型地，多个或多组二极管巴条分别生成不同波长的多个束，相同波长的束可以还存在有相对于彼此正交的两种不同偏振。
在优选的实施方式中，本发明的激光器装置因此包括至少两个激光线生成部件，每个部件生成按其波长和/或按其偏振状态而与一个或多个其它单色激光线不同的单色激光线。其例如包括四对激光线生成部件，每一对生成相同波长的并且按它们的偏振状态而彼此不同的两个单色激光线。因此所生成的不同的激光线（在前述示例中，在数量上八个）然后通过将各激光线组合为单个多色和/或双偏振激光线的部件按已知的方式而被进行整合。术语“双偏振”在此描述沿彼此垂直的两个平面偏振的激光束的线或混合。
本发明的模块化激光器装置优选地包括至少5个模块，特别是，至少10个模块。
为了形成本发明的激光器装置，多个激光器模块被彼此相邻地排列，以便它们所生成的单位激光线组合为在大长度上的均匀功率密度的单个激光线。
更特别地，激光器模块被并置以便由模块生成的激光线组合为优选地长于1.2m，特别是长于2m并且理想地长于3m的总长度的单个激光线。
在具有3.21m的宽度的“庞大”类型衬底的激光处理的情形下，其中功率密度实质上恒定的激光线的中心部分优选地具有介于3.20m和3.22m之间的长度。
激光器模块被组装并且安装在激光器装置上以便所生成的激光线优选地以相对于衬底的法向典型地小于20°、优选地小于10°的小角度切割衬底或工作平面。所述装置可以被设计从而激光器模块被固定，要处理的衬底一般在与激光线的主轴垂直的方向上在模块排列之下或之上行进。以变形的方式，所述装置可以被设计从而衬底被固定，并且激光器模块排列在优选地将激光线成直角投射在衬底上的同时在衬底之上或之下行进。
附图说明
现在参照随附各图更详细地描述本发明的模块化激光器装置，在各图中：
图1是激光线生成部件的第一实施方式的透视图；以及
图2是激光线生成部件的第二实施方式的透视图。
具体实施方式
在图1中表示两个激光二极管巴条排列1a、1b。排列1a、1b被按横向偏移来将一个布置在另一个之上，以使得巴条2被相对于彼此错开布置。巴条2中的每个生成聚焦的激光束3a、3b。在考虑简单的情况下，排列1a、1b中的每个在此包括仅两个巴条。当排列包括多于两个的巴条时，后者被规则地间隔开，每个巴条排列因此发射规则地间隔开的一组激光束。由下面的排列1a的巴条2生成的第一组束3a经受两次相继的正交反射：由连续镜4确保的朝向上方的第一反射，然后由一系列镜分段5（同样称为分成段的镜）确保的第二反射。上面的激光二极管巴条排列1b的束3b不被反射。
分成段的镜5的各分段切割第二组束3b的传播平面，并且定位在第二组束3b的各束之间的间隔中，更特别地，接近于其中第二组束3b的各束之间的间隔最大处的第二组束3b的焦点6。两个排列1a、1b的巴条2的错开布置是指，在该位置中，镜5截断并且反射由下面的二极管巴条排列1a发射的第一组束3a的各束。
这些束被聚焦以便在它们的焦点处被镜分段5反射。
两组束3a、3b的聚焦因此被规定从而所有焦点被排列在本质上叠置于由第一组激光束3a的第二正交反射限定的直线的同一直线上。
在第一组激光束3a的第二正交反射之后，两组束在同一平面中传播，因此形成单个激光线8。
在本发明中关键的是，两组激光束3a、3b在被整合于单个传播平面中之前遍历相同长度的光学路径。
这是下面的巴条排列1a被相对于上面的排列（即，在该上面的排列1b的束3b的传播的方向上）前向偏移的原因。这种偏移补偿由于第一组束的双反射因而第一组束经受的光学路径的延长。在该情况下，该延长等于各初始传播平面之间的距离，换言之，等于第一组束所经受的两次反射之间的距离。
在图2表示的第二实施方式中，由两个巴条排列1a、1b生成的两组束3a、3b均被仅反射一次。
第一排列1a以及位于第一排列1a之上的第二排列1b的每个均包括两个巴条2。由第一排列1a生成的第一组束3a被定位于各束的焦点处的分成段的镜5成直角反射，每个镜分段5反射一个束3a。
由第二巴条排列1b发射的第二组束3b首先与第一组束3a平行传播，然后，当其传播平面切割第一组束1a的第二传播平面时，第二组束经受与第一组束经受的反射相同的反射，这引起两组束的传播平面叠置。
第一组束和第二组束的聚焦是相同的，并且第二巴条排列1b被定位从而所有束3a、3b的焦点被排列在分成段的镜5处。反射第二组束3b的镜4是连续镜。

Claims (14)

1.一种激光器装置，包括每个均在工作平面处生成激光线的多个激光器模块，所述激光器模块被沿着它们的长度并置并且排列，以便由模块生成的激光线组合成单个激光线，所述激光器模块中的每个包括至少一个激光线生成部件，
所述激光器装置特征在于：所述激光线生成部件或每个激光线生成部件包括两个激光二极管巴条（2）排列（1a，1b），其中巴条被沿着它们的长度排列，每个巴条均发射聚焦的激光束（3a，3b），两个排列（1a，1b）被相对于彼此平行布置，从而巴条（2）被错开布置，由两个巴条排列（1a，1b）分别生成的平行的两组激光束（3a，3b）被通过一组镜（4, 5）整合为单个激光线（8），激光二极管巴条排列（1a，1b）和镜（4, 5）被布置从而两组激光束（3a，3b）在被整合为单个激光线（8）之前遍历相同长度的光学路径。
2.如权利要求1所述的激光器装置，其特征在于：被称为“第一组激光束”的仅一组激光束（3a）被由一组镜（4, 5）重新引导并且带到第二组激光束（3b）的平面中，发射第一组激光束（3a）的激光二极管巴条排列（1a）被在第二激光束（3b）的传播方向上偏移等于引起它的被一组镜（4, 5）进行的重新定向的光学路径的延长的距离。
3.如权利要求2所述的激光器装置，其特征在于：第一组激光束（3a）经受两次正交反射，并且激光二极管巴条排列被偏移等于两组束的两个传播平面之间的初始距离的距离。
4.如权利要求2或3所述的激光器装置，其特征在于，所述一组镜（4、5）包括：
-连续镜（4），把第一组激光束（3a）反射到第二组激光束（3b）的平面的方向上；以及
-分成段的镜（5），由至少如第一组激光束（3a）所包括的激光束那么多的镜分段构成，第一组激光束（3a）的每个束被一个镜分段（5）反射。
5.如权利要求1所述的激光器装置，其特征在于：两组激光束（3a，3b）被以相同的角度反射，以便在反射之后，两组激光束的两个传播平面一致，两组激光束中的第一组被分成段的镜（5）反射，并且另一组束被连续镜（4）反射。
6.如权利要求4所述的激光器装置，其特征在于：分成段的镜（5）的各分段被定位从而在第一组激光束的焦点处反射激光束（3a）。
7.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：其包括至少两个激光线生成部件，每个部件生成按其波长和/或按其偏振状态而与一个或多个其它单色激光线不同的单色激光线。
8.如权利要求7所述的激光器装置，其特征在于：其还包括允许将多个激光线整合为多色的和/或双偏振的单个激光线的激光线组合部件。
9.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：两个激光二极管巴条排列（1a，1b）包括相同数量的巴条，或者两个排列之一包括比另一个多一个的巴条。
10.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：其包括至少5个模块。
11.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：其包括至少10个模块。
12.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：所述激光器模块被并置以便由模块生成的激光线组合为长于1.2m的总长度的单个激光线。
13.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：所述激光器模块被并置以便由模块生成的激光线组合为长于2m的总长度的单个激光线。
14.如权利要求1到3中的任一项所述的激光器装置，其特征在于：所述激光器模块被并置以便由模块生成的激光线组合为长于3m的总长度的单个激光线。
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