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Verwandte Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr.
60/742 162, eingereicht am 1. Dezember 2005.
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Urheberrechtsanmerkung
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© 2006 Electro
Scientific Industries, Inc. Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokuments
enthält Material,
das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Der Urheberrechtsinhaber
hat keinen Einwand gegen die Faksimilereproduktion des Patentdokuments oder
der Patentoffenbarung durch irgendjemanden, wie es/sie in der Patentakte
oder den Patentregistern des Patent- und Markenamtes erscheint,
behält
sich jedoch ansonsten absolut alle Urheberrechte vor. 37 CFR § 1.71(d).
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Werkstückbearbeitungssysteme auf Laserbasis
und insbesondere die Reinheits- und -trümmerhandhabung von optischen
Komponenten in Lasermikrobearbeitungsanwendungen, die in solchen
Systemen durchgeführt
wird.
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Hintergrundinformationen
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Der
Stand der Technik zum Abdichten von Laserstrahlwegen in einer Halbleiterbearbeitungsanlage
hat das Einschließen
des ganzen Optikvolumens mit einer Umhüllung im Gehäusestil
zur Folge. Einige Konstruktionen beinhalten ein Spülsystem
unter Verwendung einer gewissen Art von sauberer trockener Luft
oder Inertgas. Strahlröhren
werden in anderen Laseranwendungen außerhalb der Mikrobearbeitung,
wie z. B. der Fehlerkorrektur von integrierten Schaltungen, auch verwendet.
Die jüngsten
Konstruktionen von UV-Optikschienen und Strahlwegen verwenden Abdeckungen,
um die optischen Komponenten zu schützen. Weder Spülgas innerhalb
des eingeschlossenen Volumens noch Strahlröhren mit Spülgas wurden in Lasermikrobearbeitungsanwendungen
verwendet.
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In
der Laserindustrie ist gut bekannt, dass UV-Wellenlängen-Laserlicht
für optische
Systemkomponenten sehr schädigend
sein kann. Die Photonenenergie, die durch E = hν gegeben ist (wobei h = Plancksche
Konstante und ν =
optische Frequenz), für
UV-Licht reicht aus, um Bindungen in vielen üblichen in der Luft schwebenden
molekularen Verunreinigungen (AMCs) aufzubrechen und umzuformen.
In diesem Prozess als Photopolymerisation bekannt, werden Polymere
an optischen Oberflächen
gebildet, die den Laserstrahl schneiden. Die Polymere trüben die
Linsen und Spiegel, was die optische Durchlässigkeit des Systems verringert
und eine Strahlverzerrung verursacht, die die Leistung verschlechtert. Ähnliche
Probleme können
in Gegenwart einer Teilchenverunreinigung auftreten. Teilchen können verdampft
werden und wiederum auf optische Oberflächen polymerisiert werden.
In Gegenwart von Impulsstrahlen mit hoher momentaner Energie kann
außerdem
eine akustische "Schock"-Welle gebildet werden,
wenn ein Teilchen abgeschmolzen wird. Diese akustische Schockwelle
kann optische Beschichtungen, Substrate oder beide beschädigen, wenn
sie sich in eine optische Komponente ausbreitet.
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Derzeit
erhältliche
Impulslaser mit Impulsbreiten von Nanosekunden, Pikosekunden oder Femtosekunden
leiden unter einer optischen Verschlechterung, die sich aus den
hohen Spitzenleistungen ergibt, die auf ihre optischen Komponenten einfallen.
Auf der Basis der Anwendung kann der Laser häufig eine übermäßige Ausgangsenergie liefern, die
gedämpft
werden muss. Derzeit erhältliche Dämpfer, die
häufig
aus einer Kombination einer Halbwellenplatte und eines Polarisators
(oder einer Variation dieses Themas) bestehen, werden in den Weg
des Laserstrahls eingefügt,
um den Laserstrahl zu dämpfen,
indem sein Polarisationszustand manipuliert wird. Obwohl das Verfahren
der Verwendung einer Halbwellenplatte und eines Polarisators die
Fähigkeit
bietet, den Dämpfungspegel
einzustellen, muss die Dämpferanordnung gewöhnlich nach
mehreren optischen Komponenten "stromabwärts" vom Laserausgang
angeordnet werden. Der Grund dafür besteht
darin, dass die Halbwellenplatte und die Polarisatoren am besten
arbeiten, wenn kollimiertes oder fast kollimiertes Licht auf sie
einfällt.
Außerdem würde die
Halbwellenplatte im Fall einer abgedichteten Laserschiene kein sehr
gutes Fenster in den abgedichteten Teil bilden, da Wellenplatten
für eine
Verunreinigung anfällig
sind, zerbrechlich sind und temperaturempfindlich sind.
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Eine
Laserschiene, die einen Teil eines optischen Lasersystems bildet
und von der äußeren Umgebung
abgedichtet ist, verwendet Eingangs- und Ausgangsfenster des optischen
Systems, um zu ermöglichen,
dass der Strahl in den und aus dem abgedichteten Teil der Laserschiene
verläuft. Überdies
ist es erwünscht,
die Menge des Laserlichts, das auf alle optischen Komponenten einfällt, zu
verringern, da die Intensität
des Laserlichts (in W/cm2, Spitze W/cm2 oder J/cm2) zum
Alter der Optik proportional ist. Daher wäre in einem idealen Lasersystem,
das übermäßige Laserleistung
erzeugt, die allererste Komponente im optischen System ein Dämpfer irgendeiner
Art. Zusammengefasst wäre
es erwünscht,
dasselbe (dieselben) optische(n) Element(e) bereitzustellen, die
als Eingangsfenster und als Dämpfer
fungieren.
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Optische
Lasersysteme umfassen Laserverschlussblenden, die in zwei verschiedene
Kategorien unterteilt werden können.
Sie umfassen Modulations-, Belichtungs- und Impulstorsteuer-Verschlussblenden
und Sicherheitsverriegelungs- und Prozesssteuer-Verschlussblenden.
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Sicherheitsverriegelungs-Verschlussblenden,
die hier von Interesse sind, blockieren den Laserstrahl unstetig
mittels eines Materials, das für
die Laserwellenlänge
undurchlässig
ist und veranlasst wird, sich selektiv in die und aus der Ausbreitungslinie
des Laserstrahls zu bewegen. Der blockierte Laserstrahl wird in
oder auf einen Laserstrahl-"Block" oder -"Abladeplatz" reflektiert, der
zum Absorbieren und Dämpfen
des blockierten Strahls dient. Verschlussblenden-Betätigungsvorrichtungen
umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf elektromechanische (Magnetspule),
elektrische und magnetische Vorrichtungen.
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Eine
Verschlussblende, die als Sicherheits-(anstatt als Modulations-)Vorrichtung
arbeitet, öffnet
und schließt
sich mit einer niedrigen Frequenz einer wiederholten Operation (<< 1 Hz). Die geöffneten und geschlossenen Positionen
werden abgetastet und zum Betriebssystem zurückgeführt. Eine zweckmäßig entworfene
Laserverschlussblende blockiert die Laseremission und verursacht
nicht, dass sie in den Laserhohlraum zurück reflektiert. Verschlussblenden-Konstruktionsmaterialien
sollten von Komponenten frei sein, die wahrscheinlich das optische
System verunreinigen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
einer Spülgasöffnung,
eines Laserstrahldämpfungs-Eingangsfensters
und einer Laserverschlussblende bilden Untersysteme eines optischen
UV-Laser-Systems, in dem der Lichtstrahlweg vollständig eingeschlossen
ist, um die Verunreinigung der Komponenten des optischen Systems
zu verringern. Spülgas wird
durch mehrere, z. B. neun, verschiedene Stellen in einer Strahlröhrenanordnung
eingeleitet, um sicherzustellen, dass die Oberflächen der optischen Komponenten,
die gegen eine Verunreinigung empfindlich sind, im Strömungsweg
des Spülgases
liegen. Saubere, trockene Luft ist gegenüber einem inerten Spülgas aufgrund
der Verfügbarkeit
von Druckluft in Halbleiterbauelement-Fertigungseinrichtungen und
der Abwesenheit einer Ozonbildung bei der bevorzugten Betriebswellenlänge von
355 nm bevorzugt. Alle der Strahlröhren-Anordnungskomponenten bestehen
vorzugsweise aus mit Nickel plattiertem Aluminium, Edelstahl, Messing
und Teflon®-Materialien
aufgrund ihrer Entgasungseigenschaften. Der Strömungspegel des Spülgases wird
durch zwei Kriterien festgelegt: (1) Maximieren der Gasströmung ohne
Erzeugen von Turbulenz im Strahlfleck auf der Arbeitsoberfläche, und
(2) Bereitstellen einer maximalen Anzahl von Luftvolumenaustauschvorgängen jede
Stunde. Fünf
Luftvolumenaustauschvorgänge jede
Stunde werden als Minimum für
das beschriebene Ausführungsbeispiel
gewählt.
Poröse
Diffusoren werden an den Spülgaseinleitungspunkten
verwendet, um die durch Turbulenz induzierte Strahlbewegung zu verringern.
Die Spülgasströmung in
einer gesteuerten Umgebung, die den Laserstrahlweg enthält, ermöglicht,
dass die Laserschiene länger
besteht als eine, die nicht mit einer Spülgasströmung durch eine Strahlröhrenanordnung
ausgestattet ist.
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Ein
Eingangsfenster, das als Dämpfer
mit festem Pegel fungiert, ist aus einem transparenten optischen
Material, einschließlich
beispielsweise, jedoch nicht begrenzt auf Quarz mit Plan-Plan-Oberflächen, die
in 45 Grad in Bezug auf den einfallenden Laserstrahl für S-Polarisation
orientiert sind, gebildet. Da diese optische Komponente als Eingangsfensteranordnung
in eine abgedichtete optische Anordnung wirkt, ist es erwünscht, ein
Montagesystem zu haben, das gegen Störungen durch mechanische Komponenten,
die das optische System abdichten (in diesem Fall die Abdeckungen)
beständig
ist, die wiederum eine potentielle Fehlausrichtung des Laserstrahls verursachen
würden.
Bevorzugte Montagebaueinheiten sind daher gegen irgendwelche Beanspruchungen
beständig,
die durch die Abdeckungen verursacht werden, da sie eine Strahldämpfung und
Beschädigungsverhinderung
bewerkstelligen. Da es das höchste
W/cm2 sieht und der Außenumgebung ausgesetzt ist,
besitzt das Eingangsfenster schließlich die höchste Wahrscheinlichkeit für eine Beschädigung,
die sich aus externen Verunreinigungen ergibt, die auf der äußeren Oberfläche polymerisieren oder
einbrennen. Das Eingangsfenster ist daher von der Mittellinie des
Laserstrahls geringfügig
versetzt und weist eine ausreichende Größe auf, so dass, wenn eine
Verbrennung auftreten würde,
das Eingangsfenster zu einem neuen "sauberen" Teil der optischen Oberfläche gedreht
werden könnte.
Wenn das Eingangsfenster in Reaktion auf eine Beschädigung an
der äußeren optischen
Oberfläche
gedreht wird, tritt keine zusätzliche
Strahllenkung auf. Wenn die Abdeckungen installiert sind, um die
optische Anordnung abzudichten, tritt keine zusätzliche Strahllenkung durch
die Beanspruchungen der Abdeckung, die an die optisch-mechanische
Anordnung angefügt ist,
auf.
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Eine
Laserverschlussblende, die aus einem pneumatischen Zylinder besteht,
zieht sich zurück und
fährt aus,
um einen Metallverschlussblendenflügel aus dem und in den Weg
des Laserstrahls zu positionieren. Ein magnetischer Reed-Schalter erfasst die
Position des Zylinders und führt
ein Positionssignal zu einem Systemsteuercomputer zurück. Im blockierten
Zustand reflektiert der Verschlussblendenflügel den Laserstrahl in ein
Merkmal eines Strukturzwischenstücks,
um den Strahl sicher zu dämpfen. Der
Verschlussblendenmechanismus ist teilweise abgedeckt und teilt sich
eine Spülquelle
von sauberer Luft mit dem Volumen der optischen Laseranordnung.
Drei Laserverschlussblenden-Konstruktionsmerkmale umfassen (1) Teile
des Mechanismus, die dem Laserlicht ausgesetzt sind, bestehen aus
nicht entgasenden Materialien, um die optische Verunreinigung zu
begrenzen; (2) der pneumatische Zylinder verleiht dem Verschlussblendenflügel eine
Bewegungskraft, welcher keine Materialien enthält, die wahrscheinlich eine
Verunreinigung der optischen Komponenten verursachen, und keine
Wärme erzeugt
und dadurch sicherstellt, dass die Strahllenkung, die sich aus der
Wärmeerzeugung
ergibt, auf einem Minimum gehalten wird; und (3) Merkmale, die den
reflektierten/blockierten Strahl einschließen und dämpfen, sind mit der Anordnung
einteilig und erfordern keine externen Komponenten.
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Die
Verschlussblende blockiert die Laserstrahlung direkt, nachdem sie
aus dem Ausgangsfenster des Laserkopfs austritt. Dies geschieht
automatisch bei der Unterbrechung der Lasersicherheitsverriegelungsschaltungen
oder durch manuellen Befehl des Systemsteuercomputers. Abwärme, die durch
das Verschlussblendenstellglied erzeugt wird, und die Anwesenheit
von Materialien, von denen bekannt ist, dass sie eine Verunreinigung
von optischen Komponenten verursachen, werden durch die Verwendung
dieser Vorrichtung beseitigt.
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Zusätzliche
Aufgaben und Vorteile in Bezug auf diese Offenbarung sind aus der
folgenden ausführlichen
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben
ersichtlich, die mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich
geht.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht auf ein optisches Lasersystem, wobei seine Gehäuseabdeckung
entfernt ist.
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2A und 2B sind
isometrische Ansichten von entgegengesetzten Seiten des optischen Lasersystems
von 1, die zeigen, wo sich ein Laserkopf bzw. ein
Raumfilter befinden.
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3A, 3B, 3C und 3D sind eine
Seitenaufrissansicht, eine Draufsicht, eine Seitenquerschnittsansicht
bzw. eine Querschnittsdraufsicht auf eine Spiegelhalterungsanordnung,
die im optischen Lasersystem von 1 verwendet
wird.
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4 ist
ein vereinfachtes Diagramm, das einen Weg von Licht zeigt, das sich
durch ein Strahldämpfungs-Eingansfenster
ausbreitet, das in das optische Lasersystem von 1 integriert
ist.
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5, 6 und 7 sind
eine Querschnittsansicht, eine Rückseitenaufrissansicht
bzw. eine Ansicht in auseinandergezogener Anordnung von einer bevorzugten
Implementierung eines Lichtstrahldämpfungs-Eingangsfensters, das
in eine Fenstertrennwand des optischen Lasersystems von 1 eingesetzt
ist.
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8 ist
eine isometrische Ansicht einer Laserverschlussblendenanordnung,
die benachbart zu einem Austrittsfenster eines Laserkopfs installiert
ist, der in das optische Lasersystem von 1 integriert ist.
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9A und 9B sind
isometrische Ansichten einer Laserverschlussblendenanordnung, die in
einem Strukturzwischenstück
montiert ist und mit einem Verschlussblendenflügel in einer ausgefahrenen
(Licht blockierenden) bzw. zurückgezogenen (Licht
durchlassenden) Position gezeigt ist.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Das
optische Lasersystem, in dem bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorstehend
zusammengefassten drei Untersysteme enthalten sind, ist in 1, 2A und 2B gezeigt. 1 ist
eine Draufsicht auf ein optisches Lasersystem 10, wobei seine
Abdeckung entfernt ist, und 2A und 2B sind
isometrische Ansichten von entgegengesetzten Seiten des optischen
Lasersystems 10 von 1, die zeigen,
wo sich ein Laserkopf bzw. ein Raumfilter befinden. 1, 2A und 2B zeigen
die Laserschienenanordnung ohne die äußeren Abdeckungen, die das
ganze optische Lasersystem 10 abdichten. Alle Strahlröhrensätze 18 sind
in diesen Zeichnungsfiguren sichtbar und sind speziell in 1 identifiziert.
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Mit
Bezug auf 1, 2A und 2B breitet
sich der Ausgangsstrahl eines Laserkopfs 12 (innerhalb
einer separaten Abdeckung untergebracht) entlang eines Strahlweges
in der allgemeinen Form eines "S" durch ein Austrittsfenster 16 des
optischen Lasersystems 10 aus. Der Ausgangsstrahl breitet
sich durch die inneren Bereiche von mehreren Strahlröhrensätzen 18 zu
und von eingeschlossenen optischen Komponenten aus, die entlang
des Laserstrahlweges angeordnet sind. Die Strahlröhrensatzanordnung
schränkt
den Laserstrahl in eine atmosphärisch
gesteuerte Umgebung innerhalb des optischen Lasersystems 10 ein.
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Der
Ausgangsstrahl des Laserkopfs 12 breitet sich durch eine
Laserverschlussblende 20 zu einem Lichtstrahldämpfungs-Eingangsfenster 24 und seinem
zugehörigen
Trägerelement
oder seiner zugehörigen
Trennwand 26 aus. Die Laserverschlussblende 20 und
das Strahldämpfungs-Eingangsfenster 24 sind
zwei Untersysteme, die nachstehend genauer beschrieben werden. Der
gedämpfte
Laserstrahl breitet sich durch eine Voraufweitungsanordnung 30 zu
einer ersten Wendespiegelanordnung 34 und einer zweiten
Wendespiegelanordnung 38 aus. Die Wendespiegelanordnungen 34 und 38 wirken
zusammen, um die Richtung des Laserstrahlweges umzukehren. Der Laserstrahl
reflektiert am Wendespiegel der zweiten Wendespiegelanordnung 38 und breitet
sich durch einen ersten manuellen Dämpfer 42 und einen
akustisch-optischen
Modulator (AOM) 46 zu einer dritten Wendespiegelanordnung 50 und einer
vierten Wendespiegelanordnung 54 aus. Die Wendespiegelanordnungen 50 und 54 wirken
zusammen, um den Laserstrahlweg zu seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung
umzukehren. Der Laserstrahl reflektiert am Wendespiegel der Wendespiegelanordnung 54 und
breitet sich durch ein Raumfilter 58 (innerhalb einer separaten
Abdeckung untergebracht), einen zweiten manuellen Dämpfer 60 und
eine variable Strahlaufweitungsanordnung 64 zum Austrittsfenster 16 aus.
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Jede
der Wendespiegelanordnungen 33, 38, 50 und 54;
der manuellen Dämpfer 42 und 60;
und des Eingangs und Ausgangs des Strahldämpfungs-Eingangsfensters 24 ist mit
einer Gasspülöffnung 68 zum
Einleiten einer Spülgasströmung durch die
Strahlröhrenanordnung
ausgestattet. (Der Laserkopf 12 umfasst auch eine Gasspülöffnung,
die nicht gezeigt ist.) Die Spülgaseinleitung
in eine Struktur, die mit der eingeschlossenen Laserstrahlröhrenanordnung
integriert ist, ist ein Untersystem, das nachstehend genauer beschrieben
wird.
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3A, 3B, 3C und 3D sind eine
Seitenaufrissansicht, eine Draufsicht, eine Seitenquerschnittsansicht
bzw. eine Querschnittsdraufsicht auf eine optische Komponente oder
Spiegelhalterungsanordnung 72 für die erste Wendespiegelanordnung 34.
(Die Wendespiegelanordnung 34 wird als Beispiel verwendet;
eine Spiegelhalterungsanordnung 72 kann bei irgendeiner
der anderen Wendespiegelanordnungen 38, 50 und 54 verwendet werden.) 3C zeigt
die integrierten Spülmerkmale der
Spiegelhalterungsanordnung 72, wobei die Anordnung einer
Spülgaseinlassöffnung 74 die
Fähigkeit
eines Spülschlauchs 76 minimiert,
die Spiegelhalterung abzulenken. Der Laserstrahl, der sich durch
das Innere der Lichtstrahlweg-Lenkanordnung 18 ausbreitet,
tritt in die Spiegelhalterungsanordnung 72 ein und fällt auf
eine äußere Lichtstrahl-Empfangs- oder optische
Oberfläche 78 ein.
Spülgas,
das durch die Einlassöffnung 74 eintritt,
führt eine 90-Grad-Biegung
durch und strömt
durch einen Gasdiffusor 80 und nach oben über die
optische Oberfläche 78,
um eine Ansammlung von Verunreinigungen auf dieser zu verhindern.
Ein bevorzugter Gasdiffusor 80 ist ein Bronze/Stahl-Auslassdämpfer/Filter
des Modells der Reihe 4450K, der von McMaster-Carr, Los Angeles,
Kalifornien, hergestellt wird und der mit einem Maximaldruck von
300 psi arbeitet und eine Filtration von 40 μm aufweist.
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Die
Spülraten
für die
Laserschiene werden vorzugsweise durch Erhöhen der Durchflussrate für eine spezielle
Einlassöffnung 74,
bis der Laserstrahl instabil wird, wie durch Photodioden-Positionsdetektoren
am Strahlfleck gemessen, bestimmt. Wenn die Gasströmung den
Laserstrahl ablenkt, wird die Durchflussrate aufgezeichnet und um
20 Prozent verringert. Diese Durchflussverringerung beseitigt jegliche
Gasturbulenz, die verursacht hat, dass der Strahl instabil wird.
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Die
Gehäuse
für die
Dämpfer 42 und 60 und die
Halterung für
das Strahldämpfungseingangsfenster 24 sind
auch mit den integrierten Spülmerkmalen konfiguriert,
die für
die Spiegelhalterungsanordnung 72 beschrieben und gezeigt
sind. Die Gasströmung in
die Dämpfer
wird durch den Änderungsgrad
der Laserleistungsverringerung festgelegt. Die Spülgasströmung entfernt
die Feuchtigkeit im Hohlraum, in dem die optische Komponente enthalten
ist, und ändert
dadurch ihre Dämpfungseigenschaften.
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Die
vorstehend beschriebenen Baueinheiten haben den Vorteil der Steuerung
der Strömung
des Spülgases,
so dass frisches Spülgas
ständig
in den Strahlweg und die optischen Oberflächen eingeleitet wird, wo es
erforderlich ist. In einer abgedichteten Anordnung ohne Spülung würden restliche
Verunreinigungen schließlich
zur Verschlechterung der optischen Oberflächen führen, selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen.
Durch ständiges
Verdünnen
und Entfernen von existierenden Verunreinigungen mit einer Strömung von
Spülgas
wird die Chance, dass diese Verunreinigungen mit optischen Oberflächen in Kontakt
kommen, erheblich verringert. Wenn das Spülgas in eine große abgedichtete
Anordnung ohne den Nutzen von Röhren,
Spülöffnungen
oder beiden eingeleitet werden würde,
die an den optischen Oberflächen
lokalisiert sind, wäre
die Steuerung der Strömung
zu individuellen optischen Komponenten unmöglich. Stauzonen würden wahrscheinlich
existieren, die Verunreinigungen eine Chance geben könnten, sich
anzusammeln.
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Die
abgedichtete äußere Abdeckung
(nicht dargestellt), die an eine Dichtung 82 (2A und 2B)
angefügt
ist, bietet einen zusätzlichen
Vorteil einer zweiten Barriere mit vorbestimmten Ausstoßauslässen für den Spülabfluss.
Die abgedichtete äußere Abdeckung
hilft, die Möglichkeit,
dass Verunreinigungen außerhalb
der optischen Schiene in die Anordnung und auf die optischen Oberflächen wandern,
zu verringern oder zu beseitigen.
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4 ist
ein vereinfachtes theoretisches Diagramm, das den Weg von Licht
zeigt, das sich durch das Strahldämpfungseingangsfenster 24 ausbreitet. Mit
Bezug auf 4 fällt ein S-polarisierter Eingangslichtstrahl 100 in
einem Winkel von 45° auf
eine Eintrittsoberfläche 102 eines
Quarzfensters 24 ein. Ein S-polarisierter Lichtstrahl 104 mit
niedriger Intensität reflektiert
an der Eintrittsoberfläche 102,
während
der Rest des Lichtstrahls 100 in das Fenster 24 eintritt und
sich durch dieses ausbreitet. Ein S-polarisierter Lichtstrahl 106 mit
niedriger Intensität
reflektiert an einer Austrittsoberfläche 108, breitet sich
durch das Innere des Fensters 24 zurück aus und verlässt die Eintrittsoberfläche 102.
Ein S-polarisierter Ausgangslichtstrahl 110, der durch
das Fenster 24 gebrochen und gedämpft wird, breitet sich durch
das Austrittsfenster 108 entlang eines Strahlweges aus,
der sich vom Strahlweg des Eingangslichtstrahls 100 unterscheidet.
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Die
folgenden Ausdrücke
für Fresnel-Reflexionen
werden verwendet, um die Lichtreflexion als Funktion des Winkels
zu berechnen:
wobei θ
i der
Einfallswinkel ist und θ
t der Durchlasswinkel im Glas ist. Die Winkel
werden durch das Snellsche Gesetz gefunden: n
i sin θ
i = n
t sin θ
t, wobei n
i der Brechungsindex
von Luft ist und n
t der Brechungsindex im
Glas ist. Ein Beispiel von Reflexionsverlustberechnungen für Quarz
bei 1024 Nanometer für
n = 1,45 ist in
4 gegeben. Das Strahldämpfungseingangsfenster
24 führt durch
absichtliche Konstruktion daher einen Lichtverlust bei einem festen
Wert ein, der gemäß den vorstehend
dargelegten Ausdrücken
festgelegt wird.
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5, 6 und 7 sind
eine Querschnittsansicht, eine Rückseitenaufrissansicht
bzw. eine Ansicht in auseinandergezogener Anordnung von einer tatsächlichen
Implementierung eines Lichtstrahldämpfungs-Eingangsfensters 24,
das in eine Fenstertrennwand 26 des optischen Lasersystems 10 eingesetzt
ist.
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Mit
Bezug auf 5 wird der Eingangslichtstrahl 100 verarbeitet
und ein Ausgangslichtstrahl 110 wird gebildet, wie mit
Bezug auf 4 beschrieben. Reflektierte
Lichtstrahlen 104 und 106 mit niedriger Intensität breiten
sich zu einem Strahlabladeplatz 122 aus, der sie absorbiert.
Ein zweites Strahldämpfungsfenster 24a ist
in der Fenstertrennwand 26 angeordnet, um den Ausgangslichtstrahl 110 zu empfangen,
der sich durch die abgedichtete Strahlröhre 18 ausbreitet.
Das Strahldämpfungsfenster 24a besteht
vorzugsweise aus demselben optisch transparenten Material wie jenem
des Strahldämpfungseingangsfensters 24 und
ist in einen Winkel gesetzt, um eine zusätzliche Dämpfung und einen Ausgangslichtstrahl 124 vorzusehen,
der sich durch eine Austrittsoberfläche 126 und entlang
desselben Strahlweges wie jenem des Eingangslichtstrahls 100 ausbreitet.
Reflektierte Lichtstrahlen 128 und 130 mit niedriger
Intensität,
die zu den jeweiligen reflektierten Lichtstrahlen 104 und 106 mit
niedriger Intensität analog
sind, breiten sich zu einem Strahlabladeplatz 132 aus.
Fachleute werden erkennen, dass interne Reflexionen mit niedriger
Intensität
innerhalb der Dämpfungsfenster 24 und 24a sich
durch Austrittsoberflächen 108 und 126 ausbreiten
und durch eine Blende (nicht dargestellt) blockiert werden können, die
so angeordnet ist, dass sie den Durchgang des Ausgangslichtstrahls 124 ermöglicht.
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Mit
Bezug auf 6 und 7 ist das Strahldämpfungseingangsfenster 24 in
die Fenstertrennwand 26 durch eine Fenstermontageanordnung 140 eingesetzt
und lösbar
mit diesem gekoppelt. Die Fenstermontageanordnung 140 ermöglicht eine
manuelle Drehung des Dämpfungseingangsfensters 24, um
eine beschädigte optische
Oberfläche
vom Laserstrahlweg weg zu bewegen. Die Fenstermontageanordnung 140 umfasst
einen ringförmigen
Halter 142, der so bemessen ist, dass er an einer Stützfläche in Form
eines ringförmigen
Absatzes 144 einer abgestuften Öffnung 146 in der
Fenstertrennwand 26 aufliegt.
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Der
ringförmige
Halter 142 umfasst eine flache Aussparung 148,
die durch eine glatte ringförmige
Flanschoberfläche 150 beendet
ist, an der das Dämpfungseingangsfenster 24 anliegt.
Drei Federklemmen 152, die durch Schrauben 154 in
der Fenstertrennwand 26 befestigt sind, drücken gegen
das Dämpfungseingangsfenster 24,
um es im ringförmigen
Halter 142 an der Stelle zu befestigen. Der ringförmige Halter 142 umfasst
um seinen Umfang mehrere im Winkel beabstandete Schraubenschlüssellöcher 156.
Das Lockern der Schrauben 154 und die Anordnung eines Werkzeugs
in einem der freiliegenden Schraubenschlüssellöcher 156 ermöglicht einem Benutzer,
eine manuelle Drehung des ringförmigen Halters 142 entlang
des ringförmigen
Absatzes 144 durchzuführen,
um einen anderen Bereich der optischen Oberfläche dem einfallenden Laserstrahl
zu präsentieren.
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Folglich
erreicht diese optisch-mechanische Konstruktion mit einer einzelnen
optischen Anordnung ein Eingangsfenster, das im abgedichteten Teil des
optischen Systems angeordnet ist, und einen festen Dämpfungspegel,
der im optischen System festgelegt ist. Das Montagesystem stellt
eine schnelle Lösung
bereit, wenn eine Verbrennung auftreten sollte, indem das Fenster
um den Laserstrahl gedreht wird, um die Endbenutzer-Ausfallzeit
zu verringern.
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8 ist
eine isometrische Ansicht einer Laserverschlussblendenanordnung 20,
die im optischen Lasersystem 10 benachbart zum Austrittsfenster
des Laserkopfs 12 (1) installiert
ist. Die Laserverschlussblendenanordnung 20 umfasst einen Verschlussblendenflügel 160,
der aus einem stromlos nickelplattierten Aluminiumzylinder ausgebildet ist,
der an einem freien Ende eines normalerweise ausgefahrenen, sich
nicht drehenden pneumatischen Zylinders 162 montiert ist. 9A und 9B sind isometrische
Ansichten der Laserverschlussblendenanordnung 20, die in
einem Strukturzwischenstück 164 montiert
ist und mit dem Verschlussblendenflügel 160 in der ausgefahrenen
(Licht blockierenden) bzw. zurückgezogenen
Position gezeigt ist. Das Strukturzwischenstück 164 ist an der
Laserverschlussblendenanordnung 20 in einer Position zur Verbindung
mit dem Strahlröhrensatz 18 montiert, der
gegen das Austrittsfenster des Laserkopfs 12 (1)
abgedichtet ist.
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In
einem nicht mit Druck beaufschlagten Zustand positioniert der ausgefahrene
pneumatische Zylinder 162 den Verschlussblendenflügel 160 derart,
dass er den Laserstrahl blockiert. Der blockierte Strahl reflektiert
an der abgewinkelten Fläche 166 des
Flügels 160 und
wird ein Loch 168 hinab gerichtet, das in das Zwischenstück 164 gebohrt
ist und als Strahlabladeplatz fungiert. Der reflektierte Strahl
wird anschließenden
Reflexionen an der gekrümmten rauen
Oberfläche
der Innenfläche
des Strahlabladeplatzes 168 unterzogen. Die Strukturkomponenten dienen
als angemessene thermische Masse zum Absorbieren der reflektierten
Energie und die zahlreichen internen diffusen Reflexionen stellen
sicher, dass keine kollimierte Rückreflexion
des blockierten Strahls in den Laserkopf 12 zurück besteht.
In einem mit Druck beaufschlagten Zustand zieht sich der pneumatische
Zylinder 162 zurück
und entfernt dadurch den Verschlussblendenflügel 160 aus dem Laserstrahlweg.
Die ausgefahrenen und zurückgezogenen
Positionen werden mit einem magnetischen Reed-Schalter 170 abgetastet
und zum Systemsteuercomputer (nicht dargestellt) zurückgeführt.
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Die
Verwendung eines pneumatischen Stellgliedes minimiert die Abwärmeerzeugung
und die Integration eines integralen Strahlabladeplatzes stellt eine
kompakte Konstruktion bereit. Der Laserverschlussblendenmechanismus
beinhaltet keine Materialien, die, wenn sie der Laserstrahlung während der normalen
Verwendung ausgesetzt werden, Verunreinigungen entgasen, die für die optischen
Komponenten im optischen Lasersystem 10 schädlich sind.
Die Laserverschlussblende wird während
der Laserschienenmontage und – ausrichtung
vollständig
manuell betätigt.
Eine leichte manuelle Betätigung
während
der Montage ist ein Vorteil, der mit dieser Laserverschlussblendenkonstruktion
erreicht wird.
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Für Fachleute
wird es offensichtlich sein, dass viele Änderungen an den Details der
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
vorgenommen werden können,
ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch
die folgenden Ansprüche
bestimmt werden.
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Zusammenfassung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
einer Spülgasöffnung (74),
eines Laserstrahldämpfungs-Eingangsfensters
(24) und einer Laserverschlussblende (20) bilden
Untersysteme eines optischen UV-Laser-Systems (10), in
dem ein Laserstrahl vollständig
eingeschlossen ist, um die Verunreinigung der optischen Systemkomponenten
(42, 60, 72) zu verringern. Spülgas wird
durch mehrere Stellen in einer Strahlröhrenanordnung (18)
eingeleitet, um sicherzustellen, dass die Oberflächen (78) von optischen
Komponenten, die gegen eine Verunreinigung empfindlich sind, im
Strömungsweg
des Spülgases
liegen. Das Eingangsfenster fungiert als Dämpfer mit festem Pegel, um
die Photopolymerisation von in der Luft schwebenden Molekülen und
Teilchen zu begrenzen. Das asymmetrische periodische Drehen der
optischen Elemente in ihren Haltern (142) verringert eine
Verbrennungsbeschädigung
an der Optik.
