CN112513706A - 用于激光辐射的转变设备 - Google Patents

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CN112513706A CN202080002361.3A CN202080002361A CN112513706A CN 112513706 A CN112513706 A CN 112513706A CN 202080002361 A CN202080002361 A CN 202080002361A CN 112513706 A CN112513706 A CN 112513706A
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lenses
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维亚切斯拉夫·格里姆
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Abstract

用于激光辐射(7)的变换设备(1)，该变换设备包括沿第一方向(x)并排地布置的柱面透镜(3)的第一阵列(2)和沿第一方向(x)并排地布置的柱面透镜(5)的第二阵列(4)，该变换设备被设置为在变换设备(1)的操作期间使待被变换的激光辐射(7)首先穿过第一阵列(2)、然后穿过第二阵列(4)，并且其中，在每种情况下，第一阵列(2)的柱面透镜(3)中之一与第二阵列(4)的柱面透镜(5)中之一相关联，使得产生减缩式望远镜的阵列，其中，第一阵列(2)的柱面透镜(3)的柱轴线(6)与第一方向(x)围成大于45°且小于90°的角度(γ)。

Description

用于激光辐射的转变设备
本发明涉及根据权利要求1或权利要求10的前序部分的用于激光辐射的转变设备和根据权利要求11的前序部分的激光设备。
对于平板显示器制造，最近已建立紫外的(UV)二极管泵浦固态(DPSS)激光器来作为可靠的且维护量低的激光光源。于此，例如用于柔性OLED显示器的激光剥离(LLO)、以及例如用于LTPS(低温多晶硅)薄膜晶体管的生产的退火(即非晶硅层的结晶化)应用，可以通过这些类型的源解决。与其他源诸如准分子激光器相比，这些激光器具有低脉冲能量，从而需要在处理区域中产生紧密聚焦的光束斑。此外，为了实现一致的产品质量，用于工件的均匀照射的均匀强度分布是必须的。
在US 7 782 535中，公开了一种激光设备，其具有激光光源和用于激光辐射的转变设备。激光光源可以被形成为倍频的Nd-YAG激光器或被形成为准分子激光器。源自激光光源的激光辐射例如具有圆形截面以及在x方向和y方向两者上具有光束质量因数Mx 2＝My 2＝4。转变设备由柱面透镜的两个阵列构成，上述两个阵列一起形成望远镜的阵列。柱面透镜的柱轴线关于下述方向以45°的角度倾斜：上述方向即柱面透镜被并排布置所沿的方向。该设计确保穿过望远镜的部分光束的截面相对于柱面透镜的轴线是镜像的。通过这样的设计可以实现的是，关于一个方向的光束质量因数显著地减小并且不会变得显著大于1，其中，关于另一方向的光束质量因数相对于光束变换之前的状态是增大的。在关于垂直于线的方向的光束质量因数约为1的情况下，可以因此获得具有长焦深的非常纤细的线性轮廓。在这种情况下，事实是关于该线的纵向范围的光束质量因数显著地增大，同时没有被证明是不利的，因为在线的纵向方向上不期望聚焦或不期望高度的聚焦。相反，由于在线的纵向方向上的光束质量因数增大，通常在该方向上的空间相干性以及由此带来的光干扰也显著地减小。
该光束变换方法基于将激光辐射划分成多个部分光束。在划分过程期间产生尖锐的强度边缘，这在大多数实现中伴随着在柱面透镜之间的中间区域的照射。由于这些区域中的表面和涂层的形状和质量经常在技术上受到限制并且得不到很好的控制，因此在这些区域上倾斜的光引起不期望的能量损耗。此外，光束转变设备通常被设计为用于经良好准直的进入光束的望远镜系统。但是，这在大多数情况下仅对于一个方向是满足的。对于其他方向，进入光束可能具有明显的发散度，这可能导致第二阵列的透镜的过度照射，并因此导致光的损耗。
根据EP 1 528 425 A1已知的是在开头所描述的类型的转变设备和激光设备。其中描述的激光设备包括激光二极管线阵(bar，巴条)，该激光二极管线阵的激光辐射待被耦合到光纤中。激光设备还包括具有两个单片式透镜望远镜的转变设备，上述两个单片式透镜望远镜由柱面透镜的四个阵列构成。透镜关于第一方向以45°进行定向的前两个阵列形成减缩式开普勒望远镜阵列。透镜关于第一方向以-45°进行定向的第三和第四阵列形成减缩式伽利略望远镜阵列。这两个交叉的望远镜使入射光束的截面相对于柱面透镜的轴线镜像，并且同时使它们的截面在出口处地减缩。大小的减缩意在防止由激光二极管线阵的各个发射器发射的激光光束重叠，并且据称地改进线阵辐射的聚焦。
但是，在第一开普勒望远镜后面的光束大小仅在一个方向上减缩。对于垂直方向，它们甚至会延伸并部分地过度照射第二伽利略望远镜阵列的柱面透镜。
本发明基于的问题是创建以上提到的类型的其中使损耗减小的转变设备和激光设备。
根据本发明，这通过具有权利要求1或权利要求10的特性特征的前述类型的转变设备和具有权利要求11的特性特征的前述类型的激光设备来实现。从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。
根据权利要求1，意在使第一阵列的柱面透镜的柱轴线与第一方向围成大于45°且小于90°的角度。以此方式，可以至少部分地防止激光辐射撞击在第二阵列的柱面透镜与第二阵列的相邻透镜之间的空间。
可以设置使第二阵列的柱面透镜的柱轴线与第一阵列的柱面透镜的柱轴线平行。特别地，第一和/或第二阵列的柱面透镜的柱轴线可以与第一方向围成大于46°且小于60°的角度。该角度范围证明对于避免损耗是有利的。
第一阵列的所有柱面透镜可以具有相同的焦距和/或相同的曲率半径，并且/或者第二阵列的所有的柱面透镜可以具有相同的焦距和/或相同的曲率半径。特别地，第二阵列的柱面透镜的焦距和半径与第一阵列的柱面透镜的焦距和半径不同。
可以设置使望远镜的减缩因数大于1，尤其是在1.1至3之间。该减缩的范围也证明对于避免损耗是有利的。
特别地，对于望远镜的减缩因数Γ，可以适用：
Γ＝F3/F5＝R3/R5,
其中，
F3是第一阵列的柱面透镜的焦距，
F5是第二阵列的柱面透镜的焦距，
R3是第一阵列的柱面透镜的曲率半径，以及
R5是第二阵列的柱面透镜的曲率半径。
为了实现减缩，第一阵列的柱面透镜的焦距被选择为比第二阵列的柱面透镜的焦距长。
还可以设置使第一和/或第二阵列的柱面透镜的柱轴线与第一方向(x)围成角度，对该角度，下式是适用的：
γ＝arctan(√(Γ))
具有相应较大的减缩因数的这种设计确保激光辐射也不会撞击在第二阵列的柱面透镜和相邻透镜之间的空间，即使对于在入口处没有完美地准直的光也如此。这种损耗减小的变换同时可以提供穿过阵列透镜对的每个部分光束的截面相对于透镜顶点的轴线的镜像。
柱面透镜的第一和第二阵列可以被形成在一个基板上，尤其是可以被形成在一个单片式基板上。这使得转变设备的设计紧凑且鲁棒。此外，不需要调整柱面透镜的阵列之间的距离。
替代性地，阵列还可以被形成在不同的基板上。也可以从各个柱面透镜组装阵列。这样的设计可以提供例如关于制造稳定性或热稳定性的优点。
可以设置使第一和/或第二阵列的柱面透镜是折射透镜或梯度折射率透镜。替代性地，也可以想到衍射设计。
根据权利要求10，意在使第一阵列的柱面镜的柱轴线与第一方向围成大于45°且小于90°的角度。在该替代性设计中，两个阵列包括柱面镜，尤其是凹状柱面镜，而不是柱面透镜。在具有柱面镜的该设计中，从属权利要求2至9的特性可以类似地被实现。
根据权利要求11，意在使第一阵列的柱面透镜的柱轴线与第一方向围成大于45°且小于90°的角度。特别地，转变设备可以是根据本发明的转变设备。
激光光源可以被设计为半导体激光器，特别地被设计为激光二极管线阵，例如被设计为具有以约200μm的距离彼此间隔开的多个发射器的激光二极管线阵。可以设置使激光设备包括被布置在激光源与转变设备之间的至少一个快轴准直透镜，特别是其中，快轴准直透镜对由激光光源发射的激光辐射在与第一方向垂直的第二方向上进行准直。对于这样的激光二极管线阵，多个发射器的辐射光场可以被对称化并且通过转变设备以最小的光损耗来改善其聚焦性能。
替代性地，存在激光光源能够发射多模激光辐射的可能性，其中，不仅关于与激光辐射的传播方向垂直的第一方向的光束质量因数大于1，特别地大于2，而且关于与第一方向垂直的、且与传播方向垂直的第二方向的光束质量因数大于1，特别地大于2，转变设备的阵列在激光设备中被设计并且被布置成使得入射在转变设备上的激光辐射以下述方式被变换，所述方式即激光辐射关于第一方向的光束质量因数增大并且激光辐射关于第二方向的光束质量因数减小。特别地，激光光源可以是Nd-YAG激光器或准分子激光器或二极管泵浦固态(DPSS)激光器，例如紫外DPSS激光器。同样，对于这样的激光光源，可以通过转变设备减小光束成形损耗。
本发明的另外的特征和优点将在参考附图的优选的示例性实施方式的以下描述的基础上变得清楚，在附图中：
图1示出根据本发明的转变设备的实施方式的立体图；
图2示出根据本发明的激光设备的实施方式的示意性侧视图；
图3示出根据图2的激光设备的俯视图；
图4示出根据本发明的转变设备的实施方式与示意性地指出的激光辐射的细节的示意性正视图；
图5示出根据图4中的箭头V-V的示意性截面；
图6示出根据本发明的转变设备的实施方式与示意性地指出的激光辐射的细节的示意性正视图；
图7示出根据本发明的转变设备的实施方式的第一阵列与示意性地指出的激光辐射的细节的正视图；
图8示出根据图6的激光辐射的转变设备的第二阵列与示意性地指出的激光辐射的细节的正视图。
在附图中，相同的部件以及功能相同的部件使用相同的附图标记进行标记。此外，为了较好地定向，在一些附图中插入有笛卡尔坐标系。
图1中示出的根据本发明的转变设备1的实施方式包括：沿第一方向x并排地布置的柱面透镜3的第一阵列2，以及沿第一方向x并排地布置的柱面透镜5的第二阵列4。阵列2、4被布置在基板的正面和背面上，使得第一阵列2的柱面透镜3与第二阵列4的柱面透镜5相对(opposite，对置)。在此，柱面透镜3、5单片式地被形成在基板上。
第一和第二阵列2、4的柱面透镜3、5各自被定向成使得它们的柱轴线6与x方向形成一角度γ(见图1)，该角度大于45°，特别地在46°至60°之间。此外，第一阵列2的所有柱面透镜4的焦距和曲率半径相同。此外，第二阵列3的所有柱面透镜5的焦距和曲率半径也相同。
意在在转变设备1的操作期间，使待被变换的激光辐射首先穿过第一阵列2，然后穿过第二阵列4，由此激光辐射被第一阵列2的柱面透镜3划分成多个部分光束。穿过第一阵列2的柱面透镜3的部分光束穿过第二阵列4的相对的柱面透镜5。
各个部分光束由相对于x方向倾斜的柱面透镜3、5进行变换，使得在穿过转变设备1后各个部分光束的截面相对于柱面透镜3、5的对应顶点线8被镜像，如图6中示意性地示出的，其中，输入光束ABCD变换成输出光束A′B′C′D′。
在激光辐射为多模激光辐射并且该激光辐射具有的关于第一方向x和第二方向y两者的光束质量因数Mx 2、My 2都大于2的情况下，通过变换可以实现：激光辐射关于第一方向x的光束质量因数Mx 2被增大，并且激光辐射关于第二方向y的光束质量因数My 2被减小。用于这样的激光辐射的典型激光光源是例如Nd-YAG激光器或准分子激光器或紫外二极管泵浦固态(DPSS)激光器。
第一和第二阵列2、4的相对的柱面透镜3、5均形成望远镜，尤其是形成开普勒望远镜。形成望远镜的相对的柱面透镜3、5之间的距离等于这些透镜的焦距的总和。
在此，第一阵列2的柱面透镜3的焦距大于第二阵列4的柱面透镜5的焦距，使得由相对的柱面透镜3、5形成的望远镜为减缩式望远镜。望远镜的减缩因数Γ大于1，尤其是在1.1至3之间。
图7示意性地例示入射在第一阵列2的柱面透镜3上的激光辐射7，其中为了简单起见，这里指出仅四个柱面透镜3。激光辐射7具有伸长的椭圆形截面。使用p标记相邻柱面透镜3的顶点线8的距离。激光束7被第一阵列2划分成多个部分光束7a、7b、7c、7d。
图8示出这些部分光束7a、7b、7c、7d在第二阵列4的柱面透镜5上的入射。可以看出，部分光束7a、7b、7c、7d关于顶点线8是镜像的，并且大小根据减缩因数Γ而减缩。这种减缩有助于以下事实：部分光束7a、7b、7c、7d不会入射在第二阵列4的各个柱面透镜5和相邻透镜之间的过渡区域中。
图4和图5例示如何通过转变设备1变换激光辐射的各个光束。仅示意性地示出望远镜中之一。为了清楚起见，柱面透镜3、5被绘制为分开的透镜。然而，这些柱面透镜可以由单片式基板的入射表面和出射表面形成，如图1中示出的。
从图5可以看出，第一阵列2的柱面透镜3的焦距F3大于第二阵列4的柱面透镜5的焦距F5，并且相应地，以距光轴线9为距离H的方式进入第一阵列2的柱面透镜3的光束在穿过第二阵列4的柱面透镜5之后将具有距光轴线9较小的距离H’。同样的情况适用于在距光轴线9较小的距离h处进入第一阵列2的柱面透镜3的光束。图5示出在穿过第二阵列4的柱面透镜5后，该光束具有到光轴线9的甚至更小的距离h’。图4以正视图示出这些状况。
相应地，适用以下：
Γ＝H/H'＝h/h'＝R3/R5＝F3/F5， [等式1]
其中，R3是第一阵列2的柱面透镜3的半径，并且R5是第二阵列4的柱面透镜5的半径。当使用转变设备用于各向异性光束成形以生成激光线时，柱面透镜3、5的半径R3、R5可以是若干毫米。
借助于图4，可以得出望远镜的角度γ与减缩因数Γ之间的关系。可以看出在Γ>0时，tan(γ)＝√Γ。由此以下用于角度γ：
γ＝arctan(√(Γ)) [等式2]
等式1和等式2的同时满足提供出射的部分光束截面关于柱面透镜3、5的顶点线8的镜像。
从图4还可以得出，在第一阵列2的柱面透镜3上具有沿x方向的延伸x的光束在第二阵列4的柱面透镜5上具有沿y方向的延伸y'(参见图4)。对于y'适用以下：
Figure BDA0002731207330000071
相应地，从图4还可以得出，在第一阵列2的柱面透镜3上具有沿y方向的延伸y的光束在第二阵列4的柱面透镜5上具有沿x方向的延伸x'(参见图4)。对于x'适用以下：
Figure BDA0002731207330000081
从这些等式可以看出，如果Г>1，在转变设备的输出处的部段的高度和宽度降低tan(γ)倍。
基于这些考虑，还可以在仿射映射的情况下描述转变设备关于入射强度分布的工作原理，该仿射映射保留以下特性：
1.共线性
2.平行性
3.集的凸性
4.沿线的长度的比率
5.点的加权集合的重心。
转变设备的仿射映射应当在图像空间中表示为
Figure BDA0002731207330000082
并在角度空间中表示为
Figure BDA0002731207330000083
并且遵循以下：
Fω(Γ)＝R(Γ)T·S(Γ)·R(Γ)
Fθ(Γ)＝R(Γ)T·S-1(Γ)·R(Γ), [等式5]
其中，
Figure BDA0002731207330000084
Figure BDA0002731207330000085
这里，
Figure BDA0002731207330000091
表示关于y轴的缩放操作。为了关于顶点线8进行镜像和缩放，需要由众所周知的2D旋转矩阵
Figure BDA0002731207330000092
给出的基础变换。此外，角度空间和图像空间中的缩放显示出倒转的行为，并且因此必须将
Figure BDA0002731207330000093
倒转。
经过简短的简化计算后，这变换成：
Figure BDA0002731207330000094
Figure BDA0002731207330000095
因此，等式(3)和(4)是沿坐标向量的输入向量的特例，并通过以下方程式获得：
Figure BDA0002731207330000096
Figure BDA0002731207330000097
在图2和图3中，示出包括作为激光光源10的激光二极管线阵的激光设备。在根据图3的俯视图中，示出该激光二极管线阵的仅三个发射器。激光二极管线阵例如可以是具有22个发射器且波长为980nm的高功率线阵。在与所示示例中的x方向相对应的慢轴方向上，各个发射器在大小方面可以每个为130μm。在与所示示例中的y方向相对应的快轴方向上，各个发射器在大小方面可以每个为1.6μm。各个发射器在慢轴方向或x方向上可以具有200μm的间距。在慢轴方向或x方向上的数值孔径可以为±4.25°。在快轴方向或y方向上的数值孔径可以为±24.5°。
激光设备还包括在激光光源10和转变设备1之间的快轴准直透镜11。快轴准直透镜11在y方向上或在快轴方向上对由各个发射器发射的激光辐射7进行准直。例如，快轴准直透镜11可以具有0.16mm的焦距。
为了与这样的激光二极管线阵一起使用，转变设备1的柱面透镜3、5的半径可以为约0.2至1.5mm。
通过所描述的转变设备1的设计，即使当使用激光二极管线阵作为激光光源10时，也可以通过不使激光辐射入射到第二阵列4的相邻柱面透镜5的区域中而减小损耗。

Claims (15)

1.用于激光辐射(7)的转变设备(1)，所述转变设备包括沿第一方向(x)并排地布置的柱面透镜(3)的第一阵列(2)和沿所述第一方向(x)并排地布置的柱面透镜(5)的第二阵列(4)，所述转变设备被设置为在所述转变设备(1)的操作期间使待被变换的所述激光辐射(7)首先穿过所述第一阵列(2)、然后穿过所述第二阵列(4)，并且其中，在每种情况下，所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)中之一与所述第二阵列(4)的柱面透镜(5)中之一相关联，使得产生减缩式望远镜的阵列，其特征在于，所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)的柱轴线(6)与所述第一方向(x)围成大于45°且小于90°的角度(γ)。
2.根据权利要求1所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第二阵列(4)的柱面透镜(5)的柱轴线(6)与所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)的柱轴线(6)平行。
3.根据权利要求1或2所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第一和/或第二阵列(2、4)的柱面透镜(3、5)的柱轴线(6)与所述第一方向(x)围成大于46°且小于60°的角度(γ)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第一阵列(2)的所有柱面透镜(3)具有相同的焦距(F3)和/或相同的曲率半径(R3)，以及/或者所述第二阵列(4)的所有柱面透镜(5)具有相同的焦距(F5)和/或相同的曲率半径(R5)。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的转变设备(1)，其特征在于，所述望远镜的减缩因数(Γ)大于1，特别地在1.1至3之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的转变设备(1)，其特征在于，对于所述望远镜的减缩因数(Γ)，下式是适用的：
Γ＝F3/F5＝R3/R5,
其中，
F3是所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)的焦距，
F5是所述第二阵列(4)的柱面透镜(5)的焦距，
R3是所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)的曲率半径，以及
R5是所述第二阵列(4)的柱面透镜(5)的曲率半径。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第一和/或第二阵列(2、4)的柱面透镜(3、5)的柱轴线(6)与所述第一方向(x)围成适用下式的角度(γ)：
γ＝arctan(√(Γ))
8.根据权利要求1至7中任一项所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第一和第二阵列(2、4)的柱面透镜(3、5)被形成在一个基板上，特别是被形成在单片式基板上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的转变设备(1)，其特征在于，所述第一和/或第二阵列(2、4)的柱面透镜(3、5)是折射透镜或梯度折射率透镜。
10.用于激光辐射的转变设备，所述转变设备包括沿第一方向并排地布置的柱面镜的第一阵列和沿所述第一方向并排地布置的柱面镜的第二阵列，所述转变设备被设置为在所述转变设备的操作期间使待被变换的所述激光辐射首先被所述第一阵列反射、然后被所述第二阵列反射，并且其中，在每种情况下，所述第一阵列的柱面镜中之一与所述第二阵列的柱面镜中之一相关联，使得产生减缩式望远镜的阵列，其特征在于，所述第一阵列的柱面镜的柱轴线与所述第一方向围成大于45°并且小于90°的角度(γ)。
11.激光设备，包括：
-激光光源(10)，所述激光光源在所述激光设备的操作期间发射激光辐射(7)，
-转变设备(1)，所述转变设备用于源自所述激光光源(10)的所述激光辐射(7)，所述转变设备具有沿第一方向(x)彼此相邻地布置的柱面透镜(3)或柱面镜的第一阵列(2)以及沿所述第一方向(x)彼此相邻地布置的柱面透镜(5)或柱面镜的第二阵列(4)，在每种情况下，所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)或柱面镜中之一以此方式被分配给所述第二阵列(4)的柱面透镜(5)或柱面镜中之一，使得所述激光辐射(7)的穿过所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)的或被所述第一阵列的柱面镜反射的部分光束(7a、7b、7c、7d)至少基本上穿过所述第二阵列(4)的相关联的柱面透镜(5)或至少基本上被所述第二阵列的柱面镜反射，并且其中，该部分光束(7a、7b、7c、7d)在所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)或柱面镜上的截面大于该部分光束(7a、7b、7c、7d)在所述第二阵列(4)的相关联的柱面透镜(5)或柱面镜上的截面，尤其是其中，所述转变设备(1)是根据权利要求1至10中任一项所述的转变设备(1)，
其特征在于，所述第一阵列(2)的柱面透镜(3)或柱面镜的柱轴线(6)与所述第一方向(x)围成大于45°且小于90°的角度(γ)。
12.根据权利要求11所述的激光设备，其特征在于，所述激光光源(10)被设计为半导体激光器，特别地被设计为激光二极管线阵，例如被设计为具有以约200μm的距离彼此间隔开的多个发射器的激光二极管线阵。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的激光设备，其特征在于，所述激光设备包括至少一个快轴准直透镜(11)，所述快轴准直透镜被布置在所述激光光源(10)和所述转变设备(1)之间，特别地其中，所述快轴准直透镜(11)在与所述第一方向(x)垂直的第二方向(y)上对由所述激光光源(10)发射的所述激光辐射(7)进行准直。
14.根据权利要求10或11中的一项所述的激光设备，其特征在于，所述激光光源(10)能够发射多模激光辐射，其中，不仅关于与所述激光辐射(7)的传播方向(z)垂直的所述第一方向(x)的光束质量因数(Mx 2)大于1，特别地大于2，而且关于与所述传播方向(z)垂直的第二方向(y)的光束质量因数(My 2)大于1，特别地大于2，所述转变设备(1)的所述阵列(2、4)在所述激光设备中被设计且被布置成使得入射在所述转变设备(1)上的所述激光辐射(7)以下述方式被变换，所述方式即所述激光辐射(7)关于所述第一方向(x)的所述光束质量因数(Mx 2)增大，并且所述激光辐射(7)关于所述第二方向(y)的所述光束质量因数(My 2)减小。
15.根据权利要求10、11或14中的一项所述的激光设备，其特征在于，所述激光光源(10)被设计为Nd-YAG激光器或准分子激光器或紫外二极管泵浦固态(DPSS)激光器。
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