KR20100087006A - 빔 형성 장치 - Google Patents

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리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

이 발명은 빔 형성 장치, 특히 작동 면(7, 71, 72, 73)에 선형 강도 분포(28)를 형성하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 레이저 방사선(8)을 방출할 수 있는 레이저 광원(1), 상기 레이저 방사선(8)을 상기 작동 면(7, 71, 72, 73)에 선형 강도 분포(28)로 전달할 수 있는 광학 수단들, 및 상기 작동 면(7) 상의 선형 강도 분포(28)에 영향을 주기 위해 사용되며 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 이동 가능한 렌즈 수단(37)을 포함한다. 강도 프로파일은 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 렌즈 수단(37)의 위치 변동에 의해 선형 강도 분포(28)의 연장에 대해 수직으로 변동될 수 있다.

Description

빔 형성 장치{BEAM FORMING DEVICE}
이 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 빔 형성 장치에 관한 것이다.
정의: 특히, 레이저 방사선이 평면 파가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 발산하는 경우, 레이저 방사선의 중간 확산 방향을 레이저 방사선의 확산 방향이라 한다. 달리 표현되지 않으면, 광 빔, 부분 빔 또는 빔은 기하학적 광학 시스템의 이상적인 빔을 의미하는 것이 아니라, 예컨대 가우스-프로파일, 또는 무한소의(infinitesimal) 작은 빔 횡단면을 갖는 것이 아니라 연장된 빔 횡단면을 갖는, 변형된 가우스 프로파일을 가진 레이저 빔과 같은 실제 광 빔을 의미한다.
상기 방식의 장치들은 충분히 공지되어 있다. 이러한 장치들의 전형적인 레이저 광원들은 예컨대 Nd-YAG-레이저 또는 엑시머-레이저이다. 예컨대, 싱글-모드-레이저로서 작동되지 않는 Nd-YAG-레이저는 약 8 내지 25의 회절률(beam quality factor) M2 을 갖는다. 회절률 M2 은 레이저 빔의 품질에 대한 척도이다. 예컨대, 순수한 가우스-프로파일을 갖는 레이저 빔은 1의 회절률 M2 을 갖는다. 회절률 M2 은 레이저 방사선의 모드의 수에 대략 상응한다.
회절률 M2 은 레이저 방사선의 포커싱 가능성에 영향을 준다. 가우스-프로파일을 가진 레이저 빔에 있어서, 포커스 영역에서 두께 d 또는 빔 허리는 포커싱될 레이저 빔의 파장 λ에 비례하고, 포커싱 렌즈의 개구수(numeric aperture) NA에 반비례한다. 포커스 영역에서 레이저 빔의 두께에는 하기 식이 적용된다:
Figure pct00001
가우스형 프로파일을 갖지 않거나 또는 1 보다 큰 회절률 M2 을 갖는 레이저 빔에서, 포커스 영역 내 최소 두께 또는 포커스 영역 내 빔 허리는 추가로 하기 식에 따른 회절률에 비례한다:
Figure pct00002
회절률이 커질수록 레이저 방사선이 더 양호하지 않게 포커싱되는 것으로 나타났다. 여기서, 회절률 M2 은 레이저 방사선의 확산 방향에 대해 수직인 2개의 방향과 관련해서 상이한 크기일 수 있다는 것에 주의해야 한다. 이 경우, 예컨대 x로 표시된 제 1 방향과 관련한 회절률 Mx 2 과 상기 제 1 방향 x에 대해 수직인, 예컨대 y로 표시된 제 2 방향과 관련한 회절률 My 2 이 구별된다. 따라서, 회절률 Mx 2 이 회절률 My 2 보다 크거나 작을 수 있다.
또한, 선행 기술에서는 레이저 방사선이 작동 면에 포커싱되기 전에 균일화된다. 이는 예컨대 렌즈 어레이에 의해 이루어진다. 렌즈 어레이는 다수의 렌즈를 포함하므로, 레이저 방사선이 상기 렌즈들을 통해 다수의 부분 빔으로 스플리팅되고, 상기 부분 빔들은 작동 면에서 중첩된다. 그러나, 부분 빔들의 수가 임의로 증가될 수 없는데, 그 이유는 부분 빔의 수가 너무 많은 경우, 작동 면에서 부분 빔들의 적합한 중첩시, 빔들 사이의 간섭에 의해 고주파 발진이 야기되기 때문이다. 이로 인해, 작동 면에서 빔 품질이 열화될 것이다. 이러한 고주파 발진의 발생에 대한 기준은 확산 방향에 대해 수직인 방향에서 레이저 방사선의 공간적 코히어런스이다. 이 공간적 코히어런스가 열화 될수록, 광이 더 많은 수의 부분 빔들로 스플리팅되며, 중첩시 고주파 발진이 일어나지 않는다. 특정 상황에서, 상기 회절률 M2 또는 Mx 2 또는 My 2 은 공간적 코히어런스를 지시하므로, 회절률이 크면 경우에 따라 많은 수의 부분 빔들로 스플리팅이 가능하다.
다양한 적용의 경우, 선형 포커스 영역의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로의 강도 분포, 소위 탑-햇-프로파일에 상응하는 강도 분포가 바람직하다. 다른 적용에서, 예리한 강도 최대치를 가진 강도 분포가 바람직할 수 있다.
이 발명의 과제는 선형 포커스 영역의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 강도 분포에 영향을 줄 수 있는, 전술한 방식의 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 이 발명에 따라 청구항 제 1항의 특징들을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 해결된다. 이 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.
청구항 제 1항에 따라 장치는 렌즈 수단, 바람직하게는 레이저 방사선의 확산 방향으로 이동 가능하며 작동 면에서의 선형 강도 분포에 영향을 주기 위한 렌즈 수단을 포함하고, 레이저 방사선의 확산 방향으로 렌즈 수단의 위치 변동에 의해 강도 프로파일이 선형 강도 분포의 연장에 대해 수직으로 변동될 수 있다.
특히 레이저 방사선의 확산 방향으로 렌즈 수단의 위치 변동에 의해, 강도 프로파일이 탑-햇-형태로부터 비교적 예리한 최대치를 가진 형태로 바뀔 수 있다. 이로 인해, 적용에 따라 적합한 강도 프로파일이 선택될 수 있다.
장치는 또한 레이저 방사선의 확산 방향으로, 이동 가능한 렌즈 수단 후방에 배치된 현미경을 포함할 수 있다. 상기 현미경은 적어도 선형 강도 분포의 길이 방향에 대해 수직인 방향에서 굴절력을 갖는 2개 이상의 추가 렌즈 수단들로 형성된다. 이 현미경에 의해, 이동 가능한 렌즈 수단의 출사측 초점 면에 레이저 방사선이 갖는 강도 프로파일이 작동 면으로 전달될 수 있다. 현미경은 특히 선형 강도 분포의 길이 방향에 대해 수직인 방향에서 빔 허리를 축소할 수 있다.
레이저 광원은, 레이저 방사선의 확산 방향에 대해 수직인 제 1 방향과 관련한 회절률 Mx 2 이 1 보다 크고 상기 확산 방향에 대해 수직인 제 2 방향과 관련한 회절률 My 2 이 1 보다 큰, 멀티 모드- 레이저 방사선을 방출할 수 있다.
장치는 또한 빔 변환 수단을 포함할 수 있다. 상기 빔 변환 수단은, 제 1 방향과 관련한 회절률이 커지며 제 2 방향과 관련한 회절률이 작아지게, 레이저 방사선 또는 레이저 방사선의 부분 빔들을 변환할 수 있도록, 상기 장치에 배치된다.
빔 변환 수단들은, 레이저 방사선 또는 부분 빔들 중 각각 하나의 부분 빔의 제 1 방향과 관련한 회절률 및/또는 공간적 코히어런스 특성이 제 2 방향과 관련한 회절률 및/또는 공간적 코히어런스 특성과 바뀌도록, 레이저 방사선 또는 레이저 방사선의 부분 빔들을 변환할 수 있다.
이로 인해, 빔 변환 후 2 방향들 중 하나의 방향에 대한 회절률은 빔 변환 전보다 훨씬 더 작아질 수 있는 반면, 2 방향들 중 다른 방향에 대한 회절률은 빔 변환 전보다 훨씬 더 커질 수 있다. 그 원인은 레이저 방사선이 다수의 부분 빔들로 스플리팅되는데 있다. 이 스플리팅은 빔 변환 수단에서 또는 빔 변환 수단 전에 배치된 별도의 빔 스플리팅 수단에서 이루어질 수 있다. 이 경우, 확산 방향에 대해 수직인, 2 방향들 중 하나의 방향과 관련해서, 회절률이 작아질 수 있고, 특히, 부분 빔들의 수로 분할될 수 있는 것으로 나타났다.
하나의 방향과 관련한 회절률이 현저히 작아져서 1 보다 약간 더 커질 수 있고, 다른 방향과 관련한 회절률은 빔 변환 전 상태에 비해 커진다. 이 발명에 따른 장치에 의해 작동 면에서 매우 얇은 선이 생겨야 하는 경우, 상기 선의 길이 방향에 대해 수직인 방향에서 매우 작은 빔 허리에 대한 매우 양호한 포커싱이 이루어질 수 있는 것이 중요하다. 상기 방향과 관련한 회절률이 매우 작은 경우, 매우 얇은 선형 프로파일이 얻어질 수 있다. 특히 탑-햇-프로파일을 가진 규정된 강도 분포가 발생될 수 있다. 동시에 선의 길이 방향과 관련한 회절률이 현저히 커지는 것은 단점으로 나타나지 않는데, 그 이유는 선의 길이 방향에서 포커싱이 바람직하지 않거나 또는 엄격한 포커싱이 바람직하지 않기 때문이다. 반대로, 선의 길이 방향에서 회절률의 확대에 의해, 일반적으로 상기 방향에서 공간적 코히어런스가 현저히 작아진다. 즉, 상기 길이 방향으로 서로 나란히 배치된 매우 많은 렌즈들을 가진 렌즈 어레이가 균일화를 위해 사용될 수 있으며, 작동 면에서 고주파 발진과 같은 바람직하지 않은 간섭 효과가 발생하지 않는다. 따라서, 이 발명에 따른 장치에 의해, 추가로 선의 길이 방향에서 더 양호한 균일화가 달성될 수 있다.
장치는 또한 레이저 방사선을 다수의 부분 빔들로 스플리팅하기 위한 빔 스플리팅 수단을 포함한다. 상기 빔 스플리팅 수단은 레이저 방사선을 푸리에 변환할 수 있도록 레이저 방사선의 확산 방향으로 빔 변환 수단 전에 배치된다.
빔 변환 수단은 빔 스플리팅 수단 후방에, 특히 빔 스플리팅 수단의 출사측 푸리에 평면에 배치될 수 있다. 푸리에 변환에 의해, 선형 강도 분포의 길이 방향에 대해 수직인 방향과 관련해서, 가우스 형태와는 다른 형태의 강도 프로파일이 구현될 수 있다. 예컨대, 탑-햇-프로파일 또는 비교적 예리한 최대치를 가진 프로파일이 달성될 수 있다. 특히, 푸리에 변환에 의해, 빔 변환 수단으로부터 나온 부분 빔들의 근접장(near field)-이미지가 작동 면에 생길 수 있다.
빔 변환 수단들은 선행 기술에, 예컨대 EP 1 006 382 A1, EP 1 617 275 A1 및 EP 1 528 425 A1에 공지되어 있다. 그러나, 거기서는 빠른 축 방향의 매우 작은 회절률 My 2 및 느린 축 방향의 매우 큰 회절률 Mx 2 을 가진 반도체 레이저의 매우 불균일한 레이저 방사선이 빔 변환 및 상응하는 콜리메이션 후에 2 방향으로 유사한 빔 품질을 갖도록 변환된다. 이 발명에서는 공지된 빔 변환 수단들이 반대의 효과를 위해 사용된다. 변환 전에, 두 방향과 관련해서 매우 상이하지 않은 또는 적어도 대략 동일한 크기의 회절률 My 2 또는 Mx 2 을 갖는 레이저 방사선은, 빔 변환 후에 2 방향들 중 하나의 방향과 관련한 회절률이 2 방향들 중 다른 방향과 관련한 회절률과 명확히 다르게 변환된다.
이 발명에 따른 장치에 의해, 선형 포커스 영역의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 강도 분포에 영향을 줄 수 있다.
이 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부한 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 제시된다.
도 1은 이 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸 개략도.
도 2a는 이 발명에 따른 장치의 빔 스플리팅 수단의 평면도.
도 2b는 도 2a에 따른 빔 스플리팅 수단의 측면도.
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 따른 빔 스플리팅 수단을 통과한 후 레이저 방사선의 횡단면도.
도 3a는 이 발명에 따른 장치의 빔 변환 수단의 평면도.
도 3b는 도 3a에 따른 빔 변환 수단의 측면도.
도 3c는 도 3a에 따른 빔 변환 수단의 사시도.
도 3d는 도 3a 내지 도 3c에 따른 빔 변환 수단을 통과한 후 레이저 방사선의 횡단면도.
도 4a는 이 발명에 따른 장치의 빔 통합 수단의 평면도.
도 4b는 도 4a에 따른 빔 통합 수단의 측면도.
도 4c는 도 4a 및 도 4b에 따른 빔 통합 수단을 통과한 후 레이저 방사선의 횡단면도.
도 5a는 이 발명에 따른 장치의 균일화 및 포커싱 수단의 평면도.
도 5b는 도 5a에 따른 균일화 및 포커싱 수단의 측면도.
도 6은 이 발명에 따른 장치를 통과하기 전 레이저 방사선의 횡단면도.
도 7은 이 발명에 따른 장치를 통과한 후 작동 면에서 레이저 방사선의 횡단면도.
도 8은 이 발명에 따른 장치의 빔 변환 수단, 균일화 수단 및 빔 통합 수단의 제 2 실시예의 평면도.
도 9a는 이 발명에 따른 장치의 빔 스플리팅 수단의 제 2 실시예 및 후방에 배치된 빔 변환 수단의 평면도.
도 9b는 도 9a에 따른 빔 스플리팅 수단 및 빔 변환 수단의 측면도.
도 10은 제 1 강도 프로파일의 개략도.
도 11은 제 2 강도 프로파일의 개략도.
도 12는 이 발명에 따른 장치의 다른 실시예의 작동 면과 빔 변환 수단 사이의 영역의 개략적인 측면도.
도 13a는 강도 분포에 영향을 주기 위한 렌즈 수단의 3개의 상이한 위치들이 도시된, 도 12에 상응하는 도면.
도 13b는 렌즈 수단 전 강도 프로파일의 개략도.
도 13c는 렌즈 수단의 제 1 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
도 13d는 렌즈 수단의 제 2 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
도 13e는 렌즈 수단의 제 3 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
도 14a는 강도 분포에 영향을 주기 위한 렌즈 수단의 3개의 상이한 위치가 도시된, 도 12에 상응하는 도면.
도 14b는 렌즈 수단 전 강도 프로파일의 개략도.
도 14c는 렌즈 수단의 제 1 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
도 14d는 렌즈 수단의 제 2 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
도 14e는 렌즈 수단의 제 3 위치에 상응하는, 작동 면에서 강도 프로파일의 개략도.
몇몇 도면에서는 더 나은 방향 설정을 위해, 데카르트 좌표계가 도시된다.
도 1에 개략적으로 나타나는 바와 같이, 이 발명에 따른 장치는 레이저 광원(1), 빔 스플리팅 수단(2), 빔 변환 수단(3), 빔 통합 수단(4), 균일화 수단(5) 및 렌즈 어레이(6)를 포함하고, 상기 렌즈 어레이(6)는 작동 면(7)에서 레이저 방사선의 선형 강도 분포를 형성할 수 있다.
레이저 광원(1)은 Nd-YAG-레이저 또는 엑시머-레이저로서 구현될 수 있다. Nd-YAG-레이저는 예컨대 기본 주파수로 또는 주파수 2 배화, 3 배화, 4 배화...되어 작동될 수 있다. 도 6에는 레이저 광원(1)으로부터 방출된 레이저 방사선(8)이 예컨대 원형 횡단면을 갖는 것이 도시된다. 또한, 도 6에는, 레이저 방사선(8)이 x-방향 및 y-방향으로 회절률 Mx 2= My 2 = 4을 갖는 것이 도시된다.
빔 스플리팅 수단들(2)은 도 2a 및 도 2b에 상세히 도시된다. 교차하는 2측면 실린더 렌즈들(10, 11)로 이루어진 망원경(9)이 빔 스플리팅 수단(2) 전방에 접속된다. 망원경(9)은 x-방향과 관련해서 레이저 방사선(8)을 확대시키고, y-방향과 관련해서 레이저 방사선(8)을 축소시킨다(도 2a 및 도 2b 참고).
빔 스플리팅 수단들(2)은 실린더 렌즈 어레이로서 형성되고, 상기 실린더 렌즈 어레이의 실린더 축은 y-방향으로 연장된다. 특히, 볼록한 실린더 면(12)의 어레이는 빔 스플리팅 수단의 입사면 상에 그리고 오목한 실린더 면(13)의 어레이는 출사면 상에 제공된다. 상기 실린더 면의 초점 거리의 적합한 선택에 의해 그리고 그들 간격의 적합한 선택에 의해, 빔 스플리팅 수단(2)으로부터 x-방향으로 서로 이격된 4개의 부분 빔들(14)이 방출될 수 있다. 도 2c에는 상기 부분 빔들(14)이 정사각형 횡단면을 갖는 것이 나타난다.
4개보다 많거나 적은 실린더 면들(12, 13)이 제공되어, 4개보다 많거나 적은 부분 빔들(14)이 생길 수 있다. 예컨대, 8개 또는 13개의 실린더 면들(12, 13)이 제공될 수 있다.
도 2c에는 또한 상기 부분 빔들(14) 각각은 x-방향으로 회절률 Mx 2= 1 및 y-방향으로 회절률 My 2= 4를 갖는 것이 나타난다. 따라서, 전체적으로 총 4개의 부분 빔들(14)의 x-방향에 대한 회절률 Mx 2= 4가 주어진다.
상기 방식으로 개별 부분 빔들(14)로 나눠진 레이저 방사선이 도 3a 내지 도 3c 에 도시된 빔 변환 수단(3) 내로 입사된다. 빔 변환 수단들(3)은 빔 변환 수단(3)의 입사면 상에 볼록한 실린더 면(15)의 어레이 및 출사면 상에 볼록한 실린더 면(16)의 어레이를 가진 실린더 렌즈 어레이를 포함한다. 실린더 면들(15, 16)의 실린더 축들은 y-방향에 대해 또는 x-방향에 대해 α= 45°각으로 기울어진다. 빔 변환 수단(3)을 통과할 때, 개별 부분 빔들(14)은 확산 방향(z)에 대해 평행한 평면에서 반사되어 나타나도록 변환된다. 도 2c 및 도 3d에는 부분 빔들(14)이 어떻게 변환된 부분 빔들(17)로 변환되는지가 나타난다. 도 2c의 좌측 부분 빔(14) 또는 도 3d의 좌측 부분 빔(17)의 각각의 측면에는 문자 a, b, c, d가 제공된다. 상기 부분 빔들(14, 17)의 대각선 면에서의 반사에 상응하는 패턴에 따라 상기 문자들이 전위(transposition) 된다. 이 변환은 z-방향을 중심으로 90°회전 및 후속하는 측면 a, c의 전위를 말한다.
도 3d에 나타나는 바와 같이, 부분 빔(17)의 회절률은 부분 빔(14)의 회절률과 상이하다. 특히, 각각의 부분 빔에서, x-방향에 대한 회절률 Mx 2 은 4이고, y-방향에 대한 회절률 Mv 2 은 1이다. 따라서, 전체적으로 총 4개의 부분 빔(17)의 x-방향에 대한 회절률 Mx 2 은 16이다.
빔 변환 수단(3)을 통과한 후, 개별 부분 빔들(17)은 빔 통합 수단(4)에 부딪친다. 빔 통합 수단들(4)은 빔 스플리팅 수단들(2)에 따라 빔 통합 수단(4)의 입사면 상의 오목한 실린더 면들(18)의 어레이 및 출사면 상의 볼록한 실린더 면들(19)의 어레이로 형성된다. 빔 통합 수단(4)에 후속해서, 추가 현미경(20)이 빔 경로 내로 도입되고, 상기 추가 현미경은 상응하게 배치된 실린더 렌즈들(21, 22)을 통해 빔을 y-방향으로 확대시킨다.
도 4c에는 빔 통합 수단(4) 및 현미경(20)을 통과한 후 레이저 방사선(23)의 횡단면이 도시된다. 레이저 방사선(23)은 정사각형 횡단면을 가진 개별 레이저 빔이다. 특히, x-방향에 대한 회절률 Mx 2 은 16이고, y-방향에 대한 회절률 Mv 2 은 1이다.
빔 통합 수단이 제공되지 않을 수 있다. 또한, 현미경(20)이 생략될 수 있거나 또는 현미경(20)이 달리 설계된 렌즈로 대체될 수 있다. 상기 렌즈는 x-방향으로 연장된 실린더 축을 가진 실린더 렌즈도 포함한다. 이러한 설계에 대한 예가 도 12 내지 도 14e에 도시된다.
상기 레이저 방사선(23)은 균일화 수단들(5)을 통과하고(도 5a 및 도 5b 참고), 상기 균일화 수단들은 실린더 렌즈들(24, 25)의 2개의 차례로 배치된 어레이로서 형성된다. 실린더 렌즈들(24, 25)의 어레이들은 서로 z-방향으로 대략 실린더 렌즈들의 초점 거리의 간격을 두고 배치된다. 빔 변환 및 그에 수반되는 4로부터 16으로 회절률 Mx 2 의 확대로 인해, x-방향으로 16개까지의 실린더 렌즈들(24, 25)이 작동 면(7)에서 바람직하지 않은 간섭 효과 없이 서로 나란히 배치될 수 있다.
균일화 수단(5)을 통과한 후에, 레이저 방사선은 2개의 서로 이격된 실린더 렌즈로서 형성된 2개의 렌즈 수단(26, 27)을 가진 렌즈 어레이(6)를 통과한다. 실린더 렌즈로서 형성된 제 1 렌즈 수단(26)의 실린더 축은 y-방향으로 연장되고, 실린더 렌즈로서 형성된 제 2 렌즈 수단(27)의 실린더 축은 x-방향으로 연장된다. 렌즈 어레이(6)에 의해, 레이저 방사선은 작동 면(7)에 선형 강도 분포(28)가 생기도록(도 7 참고) 포커싱될 뿐만 아니라, 실린더 렌즈들(24, 25)로 인해 상이한 방향 및/또는 동일한 방향으로 전파되는 레이저 방사선의 개별 부분들도 작동 면(7)에서 중첩된다. 이는 실린더 렌즈 어레이 및 후속하는 렌즈, 즉 필드 렌즈로서 사용되며 작동 면에서 레이저 방사선을 중첩하는 렌즈에 의한 공지된 균일화 원리이다. 렌즈 어레이(6)는 포커싱 수단으로서 사용되고 균일화에 기여한다.
작동 면(7)에서 선형 강도 분포(28)는 도 7에 예시적으로 나타난다. 이러한 선형 강도 분포(28)는 개략적으로 도시되며 10 ㎜ 내지 1000 ㎜, 예컨대 약 100 ㎜의 길이(l), 및 1 ㎛ 내지 100 ㎛, 예컨대 약 10 ㎛의 두께(d)를 갖는다. 이 발명에 따른 장치에 의해 멀티 모드-레이저 광원의 사용시에도 매우 작은 두께 및 경우에 따라 더 큰 심도를 가진 포커스 영역이 형성될 수 있다. 강도 분포(28)의 두께가 10 ㎛ 보다 작을 수 있다. 이는 예컨대 사용된 렌즈의 개구수에 의존한다.
y-방향, 즉 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로, 레이저 방사선이 가우스-분포 또는 탑-햇(top-hat)-분포 또는 임의의 다른 분포를 가질 수 있다.
도 8은 빔 통합 수단의 다른 실시예를 도시한다. 빔 통합 수단은 푸리에 렌즈(들)로서 사용되는 렌즈 수단(29)을 포함한다. 즉, 빔 변환 수단(3)의 출사면(30)은 렌즈 수단(29)의 입사측 푸리에 면 또는 초점 면 내에 배치되고, 균일화 수단(5)의 입사 면(31)은 렌즈 수단(29)의 출사측 푸리에 면 또는 초점 면 내에 배치된다. 빔 변환 수단(3)의 출사 면(30)에서의 강도 분포가 균일화 수단(5)의 입사 면(31) 내로 푸리에 변환된다.
동시에, 개별 부분 빔들(17)(도 8에는 개별 부분 빔들 중 2개가 도시됨)은 균일화 수단(5)의 입사 면(31)에서 서로 중첩된다. 개별 부분 빔(17)이 각각 상이한 방향으로부터 입사 면(31) 내로 입사된다는 사실로 인해, 균일화 수단(5)의 실린더 렌즈들(24, 25)의 수는 특히 부분 빔들(17)의 수, 그에 따라 빔 변환 수단(3)의 실린더 면들(16)의 수에 상응하는 팩터 만큼 감소할 수 있다.
렌즈 수단들(29)은 개별 렌즈로서 또는 다수의 렌즈들로서 형성될 수 있다. 렌즈 수단(29)이 다수의 렌즈들로 형성되면, 상기 렌즈들은, 빔 변환 수단(3)의 출사 면(30)이 렌즈 수단(29)의 입사측 시스템 초점 면 내에 배치되며 균일화 수단(5)의 입사 면(31)이 렌즈 수단(29)의 출사측 시스템 초점 면에 배치되도록, 장치 내에 배치된다.
또한, 렌즈 수단(29)의 렌즈 또는 렌즈들은 실린더 렌즈로서 형성될 수 있고, 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 y-방향으로 연장된다.
도 8에는 y-방향과 관련해서 레이저 방사선의 콜리메이팅을 위한 파선의 렌즈 수단(32)이 도시된다. 상기 렌즈 수단들(32)은 선택적이며, 빔 변환 수단(3)과 렌즈 수단(29) 사이에 배치될 수 있다. 렌즈 수단들(32)은 개별 렌즈 또는 다수의 렌즈로 형성될 수 있다. 또한, 렌즈 수단(32)의 렌즈 또는 렌즈들은 실린더 렌즈로서 형성될 수 있고, 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 x-방향으로 연장된다.
도 9a 및 도 9b에는 빔 스플리팅 수단(2')의 제 2 실시예가 도시된다. 상기 빔 스플리팅 수단들(2')은 2개의 실린더 렌즈 어레이(33, 34)를 포함한다. 제 1 실린더 렌즈 어레이(33)는 그 출사면에 x-방향으로 서로 나란히 배치된 다수의 볼록한 실린더 렌즈들(35)을 가지며, 상기 실린더 렌즈들의 실린더 축들은 y-방향으로 연장된다. 제 2 실린더 렌즈 어레이(34)는 그 입사면에 x-방향으로 서로 나란히 배치된 다수의 볼록한 실린더 렌즈들(36)을 가지며, 상기 실린더 렌즈들의 실린더 축들은 마찬가지로 y-방향으로 연장된다. 실린더 렌즈 어레이들(33, 34) 사이의 간격은 제 1 실린더 렌즈 어레이(33)의 실린더 렌즈(35)의 초점 거리(f35)에 상응한다.
상기 방식으로, 레이저 방사선(8)의 푸리에 변환이 이루어질 수 있고, 특히 빔 변환 수단들(3)은 빔 스플리팅 수단(2')의 출사측 푸리에 면에 배치된다. 상기 푸리에 변환에 의해 작동 면(7)에서 y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로, 예컨대 도 10에 도시된 바와 같이 탑-햇-형태(38)를 가진 강도 프로파일이 얻어질 수 있다.
유사한 강도 프로파일이 빔 스플리팅 수단(2, 2')의 디자인과 관계없이, 빔 변환 수단(3) 후방에 또는 대안으로서 균일화 수단(5) 후방에 배치된, 실린더 렌즈로서 형성된 렌즈 수단(37)에 의해 얻어질 수 있다. 렌즈 수단(37)의 실린더 축은 x-방향으로 연장된다(도 9a 및 도 9b 참고).
렌즈 수단들(37)이 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 이동 가능한 변형예가 특히 바람직하다. 렌즈 수단(37)의 z-위치 변동에 의해, 작동 면(7)에서 y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 얻어지는 강도 프로파일에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 렌즈 수단(37)의 z-위치 변동에 의해, 탑-햇-형태(38)의 강도 프로파일로부터 비교적 예리한 최대치를 가진 형태(39)의 강도 프로파일(도 11 참고)로의 변동이 이루어질 수 있다. 이러한 강도 프로파일은 몇몇 적용시 특히 바람직한 것으로 나타났다.
도 12 내지 도 14e에서, 도 1 내지 도 11에서와 동일한 부분에는 동일한 도면 부호가 제공된다. 도 12, 도 13a 및 도 14a에서, 광의 확산 방향(z)으로 광학 소자들 사이의 간격들은 척도에 맞지 않게 나타난다.
도 12에는 빔 변환 수단(3)의 후방 영역이 도시된다. 도시된 실시예에서는 실린더 렌즈들(21, 22) 대신에 실린더 렌즈로서 형성된 2개의 볼록한 렌즈 수단들(37, 40)이 제공되며, 상기 렌즈 수단의 축들은 마찬가지로 x-방향으로 연장된다. 렌즈 수단들(37, 40)은 작동 면(7)에서 y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 얻어지는 강도 프로파일에 영향을 줄 수 있다. 상기 렌즈 수단(37)은 예컨대 도 9a 및 도 9b에 도시된, 이동 가능한 렌즈 수단(37)일 수 있다.
균일화 수단(5) 및 실린더 렌즈로서 형성된 렌즈 수단(26)은 도 12에 파선으로만 도시되는데, 그 이유는 그 실린더 축들이 y-방향으로 연장되므로, 상기 렌즈가 작동 면(7)에서 y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 얻어지는 강도 프로파일에 영향을 주지 않기 때문이다. 또한, 실린더 렌즈로서 형성된 렌즈 수단(27) 및 작동 면(7)이 도시된다.
예컨대, 렌즈 수단들(37)은 30 ㎜의 초점 거리(f37)를, 렌즈 수단들(40)은 1000 ㎜의 초점 거리(f40)를, 렌즈 수단들(27)은 30 ㎜의 초점 거리(f27)를 갖는다. 도 12에 개략적으로 도시된 바와 같이, 렌즈 수단들(40)과 렌즈 수단들(27) 사이의 간격은 렌즈 수단(40)과 렌즈 수단(27)의 초점 거리들(f40, f27)의 합(f40 + f27), 예컨대 1030 ㎜에 상응한다. 렌즈 수단(40)과 렌즈 수단(27)은 렌즈 수단(40) 전방의 강도 분포를 작동 면(7)으로 전달할 수 있는 현미경을 형성한다. 초점 거리의 비율(f40/f27 = 33)로 인해, 현미경 전방의 영역으로부터 작동 면(7) 내로 레이저 방사선의 방사 필드 또는 빔 허리의 치수가 축소 전달된다. 예컨대 이로 인해, y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 빔 허리의 치수는 약 20 ㎛가 된다.
도 13a에는 렌즈 수단(37)의 이동에 대한 결과가 도시된다. 상이한 위치의 렌즈 수단들은 371, 372 및 373 으로 도시된다. 또한, 렌즈 수단(37)의 상이한 위치들로부터 주어지는, 렌즈 수단(37)의 출사측 초점 면은 411, 412 및 413 으로 표시된다. 이로부터 얻어지는 작동 면(7)의 이동은 71, 72 및 73 으로 표시된다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 빔 스플리팅 수단(2')을 구성하면, 렌즈 수단(37)의 입사측 초점 면에서 도 13b에 도시된 바와 같은 y-방향으로의 강도 분포가 주어진다. 상기 강도 분포는 함수 F(x) = (sin(x))/x에 상응한다. 이러한 함수 F(x)는 탑-햇-강도 분포의 푸리에 변환이다. 즉, 제 1 위치에 있는 렌즈 수단(371)의 출사측 초점 면(411)에서(도 13a 참고), 즉 렌즈 수단(371)에 의한 푸리에 변환 후에 탑-햇-분포에 상응하는, y-방향에서의 강도 분포가 주어진다. 상기 탑-햇-분포는 렌즈 수단(40) 및 렌즈 수단(27)으로 형성된 현미경에 의해 작동 면(7)으로 전달된다. 작동 면(71)에서, 레이저 방사선은 y-방향으로 또는 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향으로 도 13c에 도시된 바와 같은 탑-햇-분포를 갖는다.
렌즈 수단(371)이 도면 부호 372 로 표시된 제 2 위치로 이동되면, 출사측 초점 면은 도면 부호 412 로 표시된 위치로 이동된다. 이에 따라, 작동 면이 도면 부호 72 로 표시된 위치로 약간 이동된다. 제 2 위치로 렌즈 수단(37)의 이동에 의해, 작동 면(72) 에서 강도 프로파일이 도 13d에 따른 분포로 변동된다. 이 분포는 (sin(x))/x에 따른 분포에 상응한다.
렌즈 수단(372)이 도면 부호 373 으로 표시된 제 3 위치로 이동되면, 출사측 초점 면은 도면 부호 413 으로 표시된 위치로 이동된다. 이에 따라, 작동 면도 도면 부호 73 로 표시된 위치로 약간 이동된다. 제 3 위치로 렌즈 수단(37)의 이동에 의해, 작동 면(73)에서 강도 프로파일이 도 13e에 따른 분포로 변동된다. 이 분포는 마찬가지로 (sin(x))/x에 따른 분포에 상응하고, y-방향으로 빔 허리의 치수는 도 13d에 따른 분포에 비해 약간 감소된다.
렌즈 수단(40) 및 렌즈 수단(27)으로 형성된 현미경의 확대 및 축소 특성으로 인해, 제 1 위치로부터 제 2 위치 또는 제 3 위치로 렌즈 수단(37)의 이동에 의해 71 로부터 72 또는 73 으로 작동 면의 크지 않은 이동만이 나타난다. 예컨대, 예시적으로 언급된 초점 거리에서, 렌즈 수단(37)이 372 또는 373 으로 표시된 위치로 200 ㎜만큼 이동하는 것은 작동 면에서 팩터 332 만큼 더 작은 이동을 일으킨다. 따라서, 71 으로부터 72 또는 73 으로의 이동은 0.18 ㎜였다. 이러한 이동은 실제로 비교적 미미하다.
도 14a 내지 도 14e는 도 13a 내지 도 13e와 유사한 경우를 나타낸다. 상기 경우, 렌즈 수단(37)의 입사측 초점 면에서 y-방향의 강도 분포는 도 14b에 따른 분포, 따라서 탑-햇-분포에 상응한다. 이러한 분포는 예컨대, 빔 스플리팅 수단(2)이 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 구성될 때 렌즈 수단(37)의 입사측 초점 면에서 주어진다. 그 경우, 제 1 위치에 있는 렌즈 수단(371)에서는 (sin(x))/x-분포에 상응하는, 출사측 초점 면(411)에서의 강도 분포가 주어진다. 상응하는 분포는 작동 면(71)에서도 주어진다(도 14c 참고).
렌즈 수단(37)이 372 또는 373 으로 표시된 제 2 위치 또는 제 3 위치로 이동되면, 도 14d 및 도 14e에 따른 작동 면(72, 73)에서의 분포가 주어진다. 즉, 렌즈 수단(37)의 입사측 초점 면에서 탑-햇-분포일 때도 작동 면(71, 72, 73)에서 도 13a 내지 도 13e에 따른 경우와 유사한 강도 분포(도 14c 내지 도 14e 참고)가 얻어질 수 있다.
렌즈 수단들(37)은 개별 실린더 렌즈 또는 다수의 렌즈들로 이루어질 수 있다. 또한, 렌즈 수단들(40)은 개별 실린더 렌즈 또는 다수의 렌즈들로 이루어질 수 있다. 또한, 렌즈 수단들(27)은 개별 실린더 렌즈 또는 다수의 렌즈들로 이루어질 수 있다.
1: 레이저 광원 2: 빔 스플리팅 수단
3: 빔 변환 수단 5: 균일화 수단
7: 작동 면 8: 레이저 방사선
14, 17: 부분 빔 20: 현미경
27, 40: 렌즈 수단 28: 선형 강도 분포
33, 34: 실린더 렌즈 어레이 35: 실린더 렌즈
37: 렌즈 수단 38: 탑-햇-형태

Claims (22)

  1. - 레이저 방사선(8)을 방출할 수 있는 레이저 광원(1),
    - 상기 레이저 방사선(8)을 작동 면(7, 71, 72, 73)에 선형 강도 분포(28)로 전달할 수 있는 광학 수단들
    을 포함하는, 빔 형성 장치, 특히 상기 작동 면(7, 71, 72, 73)에서 상기 선형 강도 분포(28)의 형성 장치에 있어서,
    상기 장치는 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373), 바람직하게는 상기 레이저 방사선(8)의 확산 방향(z)으로 이동 가능하며 상기 작동 면에서의 상기 선형 강도 분포(28)에 영향을 주기 위한 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373)을 포함하고, 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 상기 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373)의 위치 변동에 의해, 상기 강도 프로파일이 상기 선형 강도 분포(28)의 연장에 대해 수직으로 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  2. 제 1항에서, 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 상기 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373)의 위치 변동에 의해, 상기 강도 프로파일이 탑-햇-형태(38)로부터 비교적 예리한 최대치를 가진 형태(39)로 바뀌는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에서, 상기 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373)이 실린더 렌즈로서 형성되고, 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 상기 선형 강도 분포(28)의 길이 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에서, 상기 장치는 또한 상기 레이저 방사선(8)의 확산 방향(z)으로 상기 이동 가능한 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373) 후방에 배치되는 현미경을 포함하고, 상기 현미경은 적어도 상기 선형 강도 분포(28)의 길이 방향에 대해 수직인 방향(y)으로 굴절력을 갖는 2개 이상의 추가 렌즈 수단들(27, 40)로 형성되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  5. 제 4항에서, 상기 렌즈 수단들(27, 40)은 각각 실린더 렌즈로서 형성되고, 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 상기 선형 강도 분포(28)의 길이 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에서, 상기 레이저 광원(1)은, 상기 레이저 방사선(8)의 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 1 방향(x)과 관련한 회절률(Mx 2)이 1 보다 크며 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 2 방향(y)과 관련한 회절률(My 2)이 1 보다 큰, 멀티 모드-레이저 방사선(8)을 방출할 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에서, 상기 장치는 빔 변환 수단들(3)을 포함하고, 상기 빔 변환 수단들(3)은, 상기 제 1 방향(x)과 관련한 상기 회절률(Mx 2)이 커지고 상기 제 2 방향(y)과 관련한 상기 회절률(My 2)이 작아지게 상기 레이저 방사선(8) 또는 상기 레이저 방사선(8)의 부분 빔들(14)을 변환할 수 있도록 상기 장치에 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  8. 제 7항에서, 상기 빔 변환 수단들(3)은, 상기 레이저 방사선(8) 또는 상기 부분 빔들(14) 중 하나의 부분 빔의 제 1 방향(x)과 관련한 회절률(Mx 2) 및/또는 공간적 코히어런스 특성이 상기 제 2 방향(y)과 관련한 회절률(My 2) 및/또는 공간적 코히어런스 특성과 바뀌도록, 상기 레이저 방사선(8) 또는 상기 레이저 방사선(8)의 부분 빔(14)을 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  9. 제 7항 또는 제 8항에서, 상기 빔 변환 수단들(3)은 상기 레이저 방사선(8) 또는 상기 개별 부분 빔(14)을 상기 레이저 방사선(8)의 확산 방향(z)을 중심으로 O°가 아닌 각, 특히 90°의 각만큼 회전시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  10. 제 7항 또는 제 8항에서, 상기 빔 변환 수단들(3)은, 변환될 부분 빔(14)의 횡단면이 상기 변환될 부분 빔(14)의 횡단면에 대해 상기 레이저 방사선(8)의 상기 확산 방향(z)에 대해 평행한 면에서 반사되어 나타나는 횡단면으로 바뀌도록, 상기 레이저 방사선(8) 또는 상기 개별 부분 빔(14)을 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  11. 제 7항 내지 제 10항 중 어느 한 항에서, 상기 이동 가능한 렌즈 수단들(37, 371, 372, 373)은 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 상기 빔 변환 수단(3) 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에서, 상기 장치는 또한 상기 레이저 방사선(8)을 다수의 부분 빔들(14)로 스플리팅하기 위한 빔 스플리팅 수단들(2, 2')을 포함하고, 상기 빔 스플리팅 수단들은 상기 레이저 방사선을 푸리에 변환할 수 있도록 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 상기 빔 변환 수단(3) 전에 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  13. 제 12항에서, 상기 빔 변환 수단(3)은 상기 빔 스플리팅 수단(2, 2') 후방에, 특히 상기 빔 스플리팅 수단(2')의 출사측 푸리에 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  14. 제 12항 또는 제 13항에서, 상기 빔 스플리팅 수단(2')은 하나 이상의 실린더 렌즈 어레이들(33, 34), 바람직하게는 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 서로 이격된 2개의 실린더 렌즈 어레이들(33, 34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  15. 제 14항에서, 상기 레이저 방사선의 확산 방향(z)으로 서로 이격된 상기 2개의 실린더 렌즈 어레이들(33, 34)의 간격은 제 1 실린더 렌즈 어레이(33)의 실린더 렌즈(35)의 초점 거리(f35)에 상응하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에서, 상기 장치는 상기 레이저 방사선(8)의 균일화를 위한 균일화 수단(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에서, 상기 장치는 빔 통합 수단(40)을 포함하고, 상기 빔 통합 수단은 상기 빔 변환 수단(3)에 의한 변환 후에 개별 부분 빔들(17)을 통합할 수 있는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에서, 상기 레이저 광원(1)은 반도체 레이저로서 구현되지 않는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에서, 빔 변환 전에 상기 레이저 광원(1)의 상기 레이저 방사선(8)에서, 상기 레이저 방사선(8)의 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 1 방향(x)과 관련한 상기 회절률(Mx 2)이 2 보다 크며, 특히 4 보다 크며, 바람직하게는 6 보다 크며, 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 2 방향(y)과 관련한 상기 회절률(My 2)이 2 보다 큰, 특히 4 보다 큰, 바람직하게는 6 보다 큰 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  20. 제 1항 내지 제 19항 중 어느 한 항에서, 빔 변환 전에 상기 레이저 광원(1)의 상기 레이저 방사선(8)에서, 상기 레이저 방사선(8)의 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 1 방향(x)과 관련한 상기 회절률(Mx 2)은 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 2 방향(y)과 관련한 상기 회절률(My 2) 보다 최대 10배, 특히 최대 5배, 바람직하게는 최대 2배 더 큰 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  21. 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에서, 빔 변환 전에 상기 레이저 광원(1)의 상기 레이저 방사선(8)에서, 상기 레이저 방사선(8)의 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 1 방향(x)과 관련한 상기 회절률(Mx 2)은 상기 확산 방향(z)에 대해 수직인 제 2 방향(y)과 관련한 상기 회절률(My 2)과 동일한 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
  22. 제 1항 내지 제 21항 중 어느 한 항에서, 상기 레이저 광원(1)은 Nd-YAG-레이저 또는 엑시머-레이저로서 형성되는 것을 특징으로 하는 빔 형성 장치.
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