CN115997149A - 射束变换器 - Google Patents

Abstract

说明了一种射束变换器，用于将输入激光射束变换成具有降低的空间方面的和/或时间上的相干性的变换射束，特别是在用于对象的线照射的激光系统中使用，形式为透明的、板状的光学元件(14)，该光学元件具有彼此基本上平行延伸的正面和背面、具有入射面(16)和出射面、以及具有用于射束转向的多个镜面，其中，至少在该正面或该背面上提供冷却装置(18，24)。

Description

射束变换器

技术领域

本发明涉及一种射束变换器，用于将输入激光射束变换成具有降低的空间方面的和/或时间上的相干性的变换射束，特别是在用于对象的线照射的激光系统中使用，形式为透明的、板状的

光学元件，该光学元件具有彼此基本上平行延伸的正面和背面、具有入射面、具有出射面、以及具有用于射束转向的多个镜面。

背景技术

这种射束变换器从WO 2018/019374 A1中已知。这里描述了一种激光系统，用于提供在工作表面上用于对象的线照射的激光线。

这种激光系统的示例性应用包括沉积在玻璃衬底上的氧化硅层的再结晶，例如在TFT显示器中，例如太阳能电池的激光辅助掺杂，以及当生产微电子器件时的激光剥离(Laser-Lift-Off)方法。

在这种系统中，激光线在第一方向上延伸显著的长度，并且在第二方向上只延伸了很小的路径。该激光系统包括激光源，用于提供激光射束作为细长的输入激光射束的基础，该激光射束沿延伸方向(Ausdehnungsrichtung)延伸，以及均化和聚焦单元，用于均化该细长的激光射束以便形成激光线。这里描述了一种射束变换器，用于将该输入激光射束整形为变换射束以用于对象的线照射。该射束变换器包括透明的、单片的、板状的光学元件，该光学元件具有彼此基本上平行延伸的正面和背面。在该正面上设置用于该激光射束的入射的入射面。在该背面上设置用于该变换射束的出射的出射面。该光学元件包括用于射束转向的多个镜面。

尽管这种射束变换器通过各种方式适用于进行所期望的变换，但在实践中发现，成像性能是指的改进的。线宽和所期望的(一般为梯形)射束轮廓不能在所有条件下都保持足够精确。

在此背景下，本发明所基于的目的在于开发一种改进的射束变换器，借助该改进的射束变换器可以获得改进的成像性能。

发明内容

在开篇提出的类型的射束变换器的情况下，根据本发明该任务通过以下方式实现：至少在正面或背面上设置冷却装置来实现此目的。

在运行期间，激光辐射在每个边界层处和在该光学元件本身的玻璃体中被吸收。这导致了该光学元件的非均匀加热。由于玻璃内的热传导很差，通过该玻璃体中热传导，只发生非常有限的温度均衡。这导致了非均匀的成像性能。特别地，线宽和所期望的射束轮廓不能在所有条件下都保持足够精确。

通过根据本发明至少在该正面或该背面上、优选地在该正面和该背面两者上使用冷却装置，可以在很大程度上均化该光学元件内的温度分布。由此显著改进了成像性能。

根据本发明的另一构型，该冷却装置具有至少在该光学元件的正面或背面上的冷却体。

根据本发明的另一构型，该冷却体由热导率至少为50Wm^-1K^-1的导热良好的材料组成，优选是铜或铝。

这能够实现良好的散热或均匀的温度分布。

根据本发明的另一构型，在该光学元件的正面和/或背面与该冷却体的表面之间布置中间层，该中间层由以下导热材料制成：所述导热材料比制成该冷却体的材料更软。

根据本发明的另一构型，该中间层由铟组成。

这是有利的，因为这可以避免由于该冷却体和制成该光学元件的玻璃体的热膨胀系数不同而对该光学元件的镜像(verspiegelt)面的损害。

铟具有良好的导热性，并且尽管它比铜的导热性低，但由于熔点低，即使在室温或略微升高的温度下，铟也具有非常低的流动应力并且非常软。因此，由铟组成的中间层首先保护了下面的该光学元件的反射层，并且其次能够实现到邻近冷却体的良好热传递。总的来说，优选由铟组成的软质中间层可以防止对该玻璃体的反射涂层的损坏，并且同时改进与该冷却体的热接触。

根据本发明的另一构型，该中间层具有0.02至1mm的厚度，优选约0.1mm的厚度。

借助这种厚度，在该光学元件和该相邻冷却体之间的最佳热传导与由于铟相对于铜的较差热导率而产生的低热损耗之间得到良好的折衷，同时对该光学元件的成像提供足够的保护。

根据本发明的另一构型，该冷却体包括用于供给和排出(Abfuhr)冷却剂的连接部。

由此确保了特别有效的冷却。

根据替代性实施方式，该冷却体包括用于被动冷却的冷却肋片(Kühlrippen)。举例来说，这些冷却肋片可以以成角度的方式向外突出，例如如在电子电路的情况下典型地从部件冷却中已知的。然而，即使不设置附加的冷却肋片或通过冷却剂的主动冷却，该正面和/或该背面上且由导热良好材料制成的层也作为冷却体生效，这引起向周围环境的放热。

根据本发明的替代性实施例，该冷却装置包括用于产生冷却流的装置、热管或珀尔帖元件。借助这种冷却装置也可以确保对该光学对象的表面的有效冷却。同样地，借助于冷却体连同冷却剂的附加通道的冷却涉及优选的构型，它是特别成本有利和有效的。

附图说明

可以理解的是，本发明的上述特征和本发明的下文将要解释的特征不仅可以在分别指定的组合中使用，而且可以在其他组合中使用或单独使用，而不偏离本发明的范围。本发明的其他特征和优点来自于以下参考附图的优选示例性实施例的描述，在附图中示出：

图1示出根据本发明的射束变换器的立体表示；

图2示出从前侧看的根据图1的光学元件的简化侧视图；

图3示出从后侧看的光学元件的视图；

图4示出光学元件的简化截面图，该光学元件具有在前侧和后侧上的冷却体，并具有布置在上面的紧固元件，出于简化的原因，省略了对冷却体内的冷却通道的表示；

图4a示出根据图4的射束变换器的替代性实施例，其中只描绘光学元件的截面连同呈热管或珀尔帖元件形式的冷却元件；

图4b示出射束变换器的另一修改，其中描绘光学元件连同呈冷却空气线路形式的冷却装置，该冷却空气线路是借助于风扇供给的；

图4c示出射束变换器的另一修改，其中只描绘冷却体，该冷却体设置成具有以成角度的方式向外突出的冷却肋片，以提供被动冷却；

图5a示出在没有冷却的情况下细长激光射束的短轴的测量长度(以微米为单位绘制)随时间(时间以分钟为单位)的变化的表示；

图5b示出根据图5a的但在正面和背面两者上都具有冷却的表示，其中借助于冷却剂穿过冷却体进行主动冷却。

具体实施方式

图1描绘根据本发明的射束变换器的立体图，其总体上由10表示。

射束变换器10是激光系统的一部分，该部分构造用于提供在工作表面处用于照亮对象的线状激光射束，如在WO 2018/019374 A1中详细描述的，其通过引用全部并入本文。

然后，该激光线在第一方向上延伸显著的长度，并且在第二方向上只具有很小的延伸尺度(Ausdehnung)。该激光系统具有激光源，用于沿传播方向发射激光射束作为细长的输入激光射束的基础，以及均化和聚焦单元，用于均化和聚焦该细长的激光射束，以便形成激光线。在此，多个激光系统可以彼此相邻布置，以便共同形成由一系列激光线组成的延展的激光线。在这种激光系统中，用于将输入激光射束变换成空间和/或时间相干性降低的变换射束的射束变换器是光学系统的一部分。

根据WO 2018/019374 A1，这是一种透明的、板状的光学元件，该光学元件具有彼此基本上平行延伸的正面和背面、具有在正面上的入射面和在背面上的出射面、以及具有用于射束转向的多个镜面。这种射束变换器的结构和功能是已知的。关于细节，在这种情况下参考WO 2018/919374 A1。

在射束变换器内的变换通常会降低在X方向(纵向射束延伸的方向)上的射束品质，并且同时改进在激光射束的Y方向(“宽度”)上的射束品质，而Z方向是激光射束的传播方向。

根据图1，根据本发明的射束变换器10包括壳体12，在该壳体中容纳有透明的、板状的、单片的光学元件(总体上由14表示)。该板状的光学元件14具有彼此平行延伸的正面和背面，在正面上具有入射面16并且在背面上具有出射面(在图1中不可见)。

根据图2和图3，光学元件14具有基本上三角形形状，其具有从公共边缘37出发的、两个正交的纵向侧33、35。在正面32(图2)上形成基本上矩形的入射面16，而在后侧34(图3)上形成基本上矩形的出射面36，该出射面垂直于入射面16延伸。入射面16和出射面36在邻近共用边缘37的边缘区域处相交。入射面16和出射面36设置成具有抗反射涂层。

相比之下，正面32和背面34在外部涂覆有高反射涂层。结果，在由上游的、变形的光学布置以椭圆方式加宽的斜入射激光射束再次从出射面36出射之前，所述射束在光学元件14内被多次反射。然而，垂直于在入射面16与出射面36之间的重叠区域入射的激光射束直接通过出射面36离开而没有反射。

根据本发明，现在不仅在正面32而且在背面34上都提供相应的冷却体18或24(图1)，冷却体分别都在仅整个正面32或整个背面34上、除了入射面16和出射面36延伸。冷却体18、24由铜组成，并且冷却剂流经每个冷却体。在图1中，前侧上的冷却体18的相关联冷却剂线路20、22和背面上的冷却体24的冷却剂线路26、28是可识别的。

激光辐射在每个边界层处和在光学元件14本身的玻璃体中被吸收，并导致光学元件14的非均匀加热。由于玻璃内的热传导很差，通过光学元件14中热传导仅发生非常有限的温度均衡。根据本发明，现在通过冷却体18、24实现温度均衡，由此能量被部分地消散并且以其他方式均匀地分布在整个光学元件14上。

由于玻璃具有非常低的热膨胀系数，但优选由铜组成的冷却体具有显著较高的热膨胀系数，在温度变化的情况下，在光学元件14与冷却体18、24之间存在相对运动。由于每个边界面都设置有高反射层，这些高反射层可能由于相对运动而被损坏。为了防止这种情况，在正面32上的冷却体18与背面34上的冷却体24之间分别设置中间层38、40(图4)，该中间层由厚度约为0.1mm的铟薄膜组成。铟具有157℃的熔点。在约81.6Wm^-1K^-1下，铟的热导率低于铜的热导率(398W^-1K^-1)，但由于铟的流动应力很低，在室温下约为1MPa，因此铟允许很好地匹配在两侧上的接触面。铟是非常软的，并且因此铟膜能匹配表面的不平整，并且在温度变化的情况下提供良好的补偿。冷却体18、24与光学元件14之间的接触面以如下方式被最大化，即同时保护正面32和背面34处的敏感反射涂层不受损害(应该注意到，为了清晰起见，在图4中，由铟制成的中间层38、40的厚度相对于冷却体18、24的厚度被描绘得过大；而且，为了简化起见，在此图中没有描绘冷却剂线路20、22和26、28所连接的冷却体18、24中的冷却剂通道)。

呈U形凸缘(Flansch)形式的包围式的(umschlieβend)紧固元件30用于紧固两个冷却体18、24，该包围式的紧固元件分别在侧面上与冷却体18、24拧紧。

应当理解，当使用为了获得加长线射束的目的而彼此相邻布置的多个激光系统时，多个射束变换器10可以彼此相邻布置，如从WO 2018/019374A1中已知的。

替代地，冷却装置也可以具有其他冷却剂来替代冷却体18、24。为此目的，可以在正面32和背面34上设置多个热管或珀尔帖元件，如图4a中以示例性方式描绘的。在这种情况下，射束变换器总体上由10a表示。

在根据图4b的另一变体中，射束变换器总体上由10b表示。为了冷却光学元件14，在距正面32和背面34的一定距离处分别设置冷却空气线路44，冷却空气线路借助于风扇46供给有冷却空气。冷却空气从冷却空气线路44经由相关联的喷嘴在光学元件14的方向上出现，以便冷却正面32和背面34。

图4c示出了射束变换器的另一变体，总体上由10c表示。在这种情况下，冷却体18只在前侧上示出。它构造成被动冷却体，在其上设置以成角度的方式向外突出的多个冷却肋片48。

总的来说，优选使用根据图4的连接有冷却剂线路的主动冷却体或者可选地使用根据图4c的被动冷却体，因为这引起特别强烈和均匀的冷却，并且该结构比使用热管或珀尔帖元件的情况更简单和更成本有利。

在图5a、图5b中对比示出了射束变换器10在正面和背面两者上的主动冷却的效果。图5a示出了在没有冷却的情况下细长激光射束在加工平面内短轴的测量宽度(FWHM＝轮廓高度一半处的射束宽)，而图5b示出了在冷却的情况下细长激光射束在加工平面内短轴的测量宽度(FWHM＝轮廓高度一半处的射束宽)。这里很明显，在未冷却的版本中，线的宽度在1-2分钟的时间内显著变化。当线的宽度发生变化时，功率密度也发生变化，因为辐射被分布在一个较小或较大区域上。这是不期望的。

非均匀加热导致两侧上的镜面的(局部)变形，也可能导致折射率的变化。由此，出现的射束在形状和高度上发生变化。由于此几何形状被成像到加工平面上，这也导致加工平面中的线的几何形状发生变化，主要是线宽以及梯形射束轮廓的变化。

根据图5b的冷却实施例中的显著改进是非常明显的。

Claims (11)

1.一种射束变换器，所述射束变换器用于将输入激光射束变换成具有降低的空间方面的相干性和/或降低的时间上的相干性的变换射束，尤其在用于对象的线照射的激光系统中使用，所述射束变换器呈透明的、板状的光学元件(14)的形式，所述光学元件具有基本上彼此平行延伸的正面(32)和背面(34)、具有入射面(16)和出射面、以及具有用于射束转向的多个镜面，其特征在于，至少在所述正面(32)或所述背面(34)上设置冷却装置。

2.如以上权利要求中任一项所述射束变换器，其特征在于，所述冷却装置至少具有在所述正面(32)或所述背面(34)上的冷却体(18，24)。

3.一种射束变换器，其特征在于，所述冷却体(18，24)由具有至少为50Wm^-1K^-1的热导率的导热材料组成，优选由铜或铝组成。

4.如以上权利要求中任一项所述的射束变换器，其特征在于，在所述光学元件(14)的所述正面和/或所述背面(32，34)与所述冷却体(18，24)的表面之间布置中间层(38，40)，所述中间层由以下导热材料制成：所述导热材料比组成所述冷却体(18，24)的材料更软。

5.如权利要求4所述的射束变换器，其特征在于，所述中间层(38，40)由铟组成。

6.如权利要求4或5所述的射束变换器，其特征在于，所述中间层(38，40)具有0.02至1mm的厚度。

7.如权利要求6所述的射束变换器，其特征在于，所述中间层(38，40)具有约0.1mm的厚度。

8.如权利要求2至7中任一项所述的射束变换器，其特征在于，所述冷却体(18，24)具有用于被动冷却的冷却肋片(48)。

9.如权利要求2至7中任一项所述的射束变换器，其特征在于，所述冷却体(18，24)具有用于供给和排出冷却剂的连接部。

10.如以上权利要求中任一项所述的射束变换器，其特征在于，不仅在所述光学元件(14)的正面(32)上而且在所述光学元件(14)的背面(34)上设置冷却装置。

11.如权利要求1或10所述的射束变换器，其特征在于，所述冷却装置具有用于产生冷却流的装置(44，46)、热管或珀尔帖元件(42)。

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