KR20110041437A - 빔 형성 장치 및 방법 - Google Patents

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리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

이 발명은 적어도 2개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c) 및 광학 수단을 포함하는 빔 형성 장치에 관한 것으로서, 상기 레이저 광원들은 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)을 방출할 수 있고, 상기 광학 수단은 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)이 하나의 작동 면(7)에서 적어도 하나의 방향과 관련해서 적어도 부분적으로 탑-햇(top-hat) 분포에 상응하는 강도 분포(8)를 갖도록 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)에 영향을 줄 수 있다. 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)은 적어도 전파 방향(Z)에 대해 수직인 방향(X)과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선이다.

Description

빔 형성 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR BEAM FORMING}
이 발명은 청구항 제 1항의 전제부 및 청구항 제 11항의 전제부에 따른 빔 형성 장치에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 빔 형성 방법에 관한 것이다.
정의: 레이저 방사선의 전파 방향은 특히, 레이저 방사선이 평면 파가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 발산하는(divergent) 경우 레이저 방사선의 중간 전파 방향을 의미한다. 달리 표현되지 않으면, 레이저 빔, 광 빔, 부분 빔 또는 빔은 기하학적 광학의 이상적인 빔을 의미하지 않으며, 극소로 작은 빔 횡단면이 아니라 확대된 빔 횡단면을 가진 실제 광빔, 예컨대 가우스 프로파일 또는 변형된 가우스 프로파일을 가진 레이저 빔을 의미한다. 탑-햇(top-hat) 분포 또는 탑-햇 강도 분포 또는 탑-햇 프로파일은 적어도 하나의 방향과 관련해서 사각형 함수(rect(x))로 표시될 수 있는 강도 분포를 의미한다. 백분율 범위로 또는 기울어진 에지로 사각형 함수와의 편차를 가진 실제 강도 분포들도 탑-햇 분포 또는 탑-햇 프로파일이라 한다.
청구항 제 1항의 전제부에 따른 장치는 WO 2007/140969 A1에 공지되어 있다. 그 안에 설명된 장치에 의해, 작동 면에서 가는, 선형의 그리고 비교적 균일한 강도 분포가 달성될 수 있다. 예컨대, 매우 강한 그리고 매우 균일한 선을 필요로 하는 평면 스크린 또는 태양 전지의 제조를 위한 Si-층의 재결정화와 같은 용도가 있다. 이는 상기 선행 기술에 공지된 장치에서 매우 많은 장치 비용으로만 가능하다.
청구항 제 11항의 전제부에 따른 장치도 공지되어 있다. 예컨대, 빠른 축 콜리메이션 렌즈에 의해 콜리메이팅된, 반도체 레이저의 레이저 방사선은 푸리에 렌즈의 사용 하에 포웰 렌즈(Powell lens)에 의해 하나의 작동 면에서 탑-햇 분포에 상응하는 강도 분포를 가질 수 있다. 이 경우, 포웰 렌즈 및 빠른 축 콜리메이션 렌즈는 별도로 조절되어야 하고 각각 양측이 코팅되어야 한다.
이 발명의 과제는 적은 비용으로 균일한 및/또는 강한 강도 분포를 발생시킬 수 있는, 청구항 제 1항의 전제부에 따른 장치를 제공하는 것이다. 이 발명의 다른 과제는 저렴하게 및/또는 간단하게 조절 가능한, 청구항 제 11항의 전제부에 따른 장치를 제공하는 것이다. 이 발명의 또 다른 과제는 적은 비용으로 균일한 및/또는 강한 강도 분포를 발생시킬 수 있는 빔 형성 방법을 제공하는 것이다.
상기 제 1 과제는 청구항 제 1항의 특징들을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 해결된다. 상기 제 2 과제는 청구항 제 11항의 특징들을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 해결된다. 상기 제 3 과제는 청구항 제 13항의 특징들을 가진 전술한 방식의 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 이 발명의 바람직한 개선예들을 제시한다.
청구항 제 1항에 따라, 장치는 적어도 2개의 레이저 광원을 포함하고, 상기 광원의 레이저 방사선은 광학 수단에 의해 적어도 부분적으로 중첩될 수 있고, 레이저 방사선은 적어도 전파 방향에 대해 수직인 방향과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선이다. 상기 광학 수단은 굴절 및 회절 광학 수단일 수 있거나 또는 거울을 포함할 수 있다. 상기 중첩은 이미 매우 안정한 싱글-모드 레이저 광원의 안정성을 높이는데, 그 이유는 개별 레이저 광원의 변동이 중첩에 의해 평균화되기 때문이다. 다수의 싱글-모드 레이저 광원의 사용에 의해, 또한 작동 면에서 강도 분포의 성과가 예컨대 하나 또는 다수의 레이저 광원의 추가 또는 제거에 의해 간단히 스케일링될 수 있다.
광학 수단이 적어도 하나의 광학 기능성 변환 경계면을 포함할 수 있다. 레이저 방사선의 적어도 하나의 부분 빔이 상기 변환 경계면을 통과함으로써, 레이저 방사선이 적어도 부분적으로 작동 면에서 적어도 하나의 방향과 관련해서 탑-햇 분포에 상응하는 강도 분포를 갖는다. 이러한 변환 경계면은 예컨대 포웰 렌즈로서 형성될 수 있거나 또는 포웰 렌즈의 부분일 수 있다.
각각의 레이저 광원의 레이저 방사선에는 하나의 변환 경계면이 할당될 수 있고, 상기 변환 경계면들은 하나의 어레이에 배치될 수 있다. 이로 인해, 각각의 레이저 광원의 레이저 방사선이 별도로 탑-햇 각도 분포로 변환된다. 이러한 탑-햇 각도 분포의 중첩에 의해, 작동 면에 매우 균일한 강도 분포가 형성된다.
또한, 광학 수단이 푸리에 장치 내에 렌즈 수단을 포함하고, 상기 렌즈 수단은 적어도 2개의 레이저 광원의 레이저 방사선을 중첩할 수 있다. 렌즈 수단은 특히 조절하려는 레이저 방사선의 전파 방향으로 볼 때 적어도 하나의 변환 경계면 후방에 배치될 수 있다. 렌즈 수단에 의해, 개별 싱글-모드 레이저 방사선이 작동 면에서 중첩되고, 동시에 탑-햇 각도 분포가 탑-햇 강도 분포로 변환된다. 따라서, 푸리에 장치 내의 렌즈 수단은 균일성을 높이는데 기여한다.
레이저 광원들은 상이한 파장을 가질 수 있고 및/또는 상이한 레이저 타입일 수 있다. 이로 인해, 강도 분포의 스펙트럼 구성이 의도적으로 조절될 수 있다.
적어도 하나의 변환 경계면이 비대칭으로 형성될 수 있다. 이로 인해, 푸리에 장치 내의 렌즈 수단의 이미징 에러가 보정될 수 있다. 적어도 하나의 변환 경계면을 비대칭으로 형성할 때, 렌즈 수단의 중첩 기능이 적어도 하나의 변환 경계면 내로 통합됨으로써, 렌즈 수단이 생략될 수 있다.
또한, 적어도 2개의 변환 경계면들이 조절하려는 레이저 방사선의 전파 방향으로 차례로 배치될 수 있다.
이로 인해, 매우 큰 개구수(numeric aperture)를 가진 변환 렌즈가 형성될 수 있고, 매우 큰 각도 범위에 사용될 수 있다.
청구항 제 11항에 따르면, 광학 기능성 콜리메이션 경계면 및 광학 기능성 변환 경계면이 하나의 부품 내에 통합된다. 예컨대, 상기 부품은 제 1 표면 및 제 2 표면을 가진 렌즈일 수 있고, 제 1 표면은 광학 기능성 콜리메이션 경계면에 상응하고, 제 2 표면은 광학 기능성 변환 경계면에 상응한다. 이러한 디자인에 의해, 장치의 제조 비용 및 조절 비용이 현저히 감소할 수 있다.
청구항 제 13항에 따른 방법은 하기 방법 단계를 특징으로 한다:
- 적어도 전파 방향에 대해 수직인 제 1 방향과 관련해서 각각 싱글-모드 레이저 방사선인, 적어도 하나의 제 1 레이저 광원 및 적어도 하나의 제 2 레이저 광원으로부터 나온 레이저 방사선을, 2개의 레이저 방사선이 변환 후에 적어도 제 1 방향과 관련해서 탑-햇 각도 분포를 갖도록, 서로 분리하여 변환시키는 단계,
- 중첩된 방사선이 작동 면에서 적어도 제 1 방향과 관련해서 적어도 부분적으로 탑-햇 강도 분포에 상응하는 강도 분포를 갖도록, 상기 2개의 레이저 방사선을 적어도 부분적으로 중첩하는 단계.
싱글-모드 레이저 방사선들의 분리된 변환 및 후속하는 상기 방사선들의 중첩에 의해, 훨씬 더 균일한 강도 분포, 예컨대 매우 균일한 선형 강도 분포가 얻어질 수 있다.
이 발명에 의해, 적은 비용으로 균일한 및/또는 강한 강도 분포를 발생시킬 수 있는 빔 형성 장치 및 방법이 제공된다.
이 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부한 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 나타난다.
도 1은 이 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략적인 평면도.
도 2는 이 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략적인 평면도.
도 3은 이 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략적인 평면도.
도 4a는 이 발명에 따른 장치의 제 4 실시예의 개략적인 평면도.
도 4b는 도 4a에 따른 제 4 실시예의 개략적인 측면도.
도 5a는 이 발명에 따른 장치의 제 5 실시예의 개략적인 측면도.
도 5b는 도 5a에 따른 제 5 실시예의 개략적인 평면도.
도 6a는 이 발명에 따른 장치의 제 6 실시예의 개략적인 평면도.
도 6b는 도 6a에 따른 제 6 실시예의 개략적인 측면도.
도 7은 이 발명에 따른 장치의 제 7 실시예의 개략적인 측면도.
도 8은 이 발명에 따른 장치의 제 8 실시예의 개략적인 측면도.
도 9는 이 발명에 따른 장치의 제 9 실시예의 개략적인 측면도.
몇몇 도면에는 보다 양호한 이해를 위해 데카르트 좌표계가 도시된다. 여러 도면들에서 동일한 또는 기능상 동일한 부분은 동일한 도면 부호로 표시된다.
도 1에 도시된, 이 발명에 따른 장치의 실시예는 3개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c)을 포함하고, 상기 광원으로부터 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)이 나온다. 레이저 광원(1a, 1b, 1c)은 X-방향 또는 느린 축(slow-axis) 방향으로 나란히 배치된, 레이저 다이오드 바아의 에미터일 수 있다. 느린 축 방향과 관련해서, 레이저 방사선들(2a, 2b, 2c) 각각은 싱글-모드-레이저 방사선이다.
빠른 축(fast-axis) 방향과 관련해서도 레이저 방사선들(2a, 2b, 2c) 각각은 싱글-모드 레이저 방사선일 수 있다. 빠른 축과 관련해서 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)을 콜리메이팅할 수 있는 적어도 하나의 도시되지 않은 빠른 축 콜리메이션 렌즈가 제공될 수 있다.
또한, 장치는 어레이(3)를 포함하고, 상기 어레이는 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)의 전파 방향(Z)으로 볼 때 레이저 광원(1a, 1b, 1c) 후방에 배치된다. 어레이(3)는 그 입사 측에 다수의 볼록한 경계면들(4a, 4b, 4c)을 가지며, 상기 경계면은 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)의 느린 축 콜리메이션 렌즈로서 사용된다. 레이저 광원(1a, 1b, 1c)의 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)은 각각 볼록한 경계면들(4a, 4b, 4c) 중 하나의 경계면 내로 입사한다. 어레이(3)는 그 출사 측에 다수의 나란히 배치된 광학 기능성 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)을 갖는다. 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)은 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 레이저 방사선들(2a, 2b, 2c)의 가우스형 강도 프로파일을 느린 축 방향 또는 X-방향과 관련한 탑-햇 각 분포로 변환시키기 위해 사용된다.
레이저 방사선(2a, 2b, 2c)의 전파 방향(Z)으로 볼 때 어레이(3) 후방에 렌즈 수단들(6)이 푸리에 장치 내에 제공된다. 렌즈 수단들(6)은 예컨대 구면 또는 아나모픽 수렴 렌즈일 수 있다. 렌즈 수단들(6)은 개별 렌즈로서 도시되지만, 다수의 개별 렌즈들로 이루어질 수도 있다.
탑-햇 각도 분포로 인해, 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)이 렌즈 수단(6)의 입사 측 초점 면에 배치될 필요가 없다. 렌즈 수단(6)의 출사 측 초점 면에 작동 면(7)이 있고, 상기 작동 면에서 3개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c)으로부터 나온 레이저 방사선들(2a, 2b, 2c)의 중첩에 의해 선형 강도 분포(8)가 형성된다. 상기 선형 강도 분포(8)는 선형 강도 분포(8)의 연장 방향 X로, 개별 변환 경계면(5a, 5b, 5c)에 의해 형성된 탑-햇 각도 분포의 푸리에 변환에 의해 생긴 탑-햇-분포를 갖는다.
레이저 방사선들(2a, 2b, 2c) 각각이 Y-방향과 관련해서도 싱글-모드 레이저 방사선이면, 레이저 방사선이 Y-방향과 관련해서 더 양호하게 선형 강도 분포(8)로 포커싱될 수 있다. 즉, 더 작은 선 폭 또는 더 큰 심도가 얻어질 수 있다. 또한, 포커싱이 의도대로 조절될 수 있다.
도 1 또는 나머지 도면들 중 몇몇에는 단 3개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c) 및 3개의 변환 경계면(5a, 5b, 5c)이 도시된다. 이는 단지 명확성을 위한 것이다. 3개의 광원(1a, 1b, 1c)보다 훨씬 더 많은 광원, 그에 따라 3개의 변환 경계면(5a, 5b, 5c)보다 훨씬 많은 변환 경계면이 제공될 수 있다.
각각의 변환 경계면(5a, 5b, 5c)의 폭은 X-방향에서 각각의 레이저 방사선(2a, 2b, 2c)의 빔 직경(FW·1/e2 )의 2배 내지 3배에 상응할 수 있다. 개별 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)이 X-방향으로 서로 이격 배치되는 것이 가능하다. 개별 변환 경계면들(5a, 5b, 5c) 사이에 배치된 이행 영역은 평면이거나 또는 매우 가파르게 형성될 수 있으며, 그 디자인은 특히 상기 이행 영역을 통과하는 레이저 광이 예컨대 렌즈 수단(6)을 지나 연장하고 어떤 경우에도 선형 강도 분포(8)에 기여하지 않도록 선택될 수 있다.
X-방향과 관련한 탑-햇 각도 분포를 가진 3개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c)의 싱글-모드 레이저 방사선의 중첩에 의해, X-방향으로 또는 선형 강도 분포의 연장 방향으로 큰 균일성이 주어지고, 이러한 균일성은 예컨대 편차 P-V(peak to vally) < 2% 만을 가질 수 있다.
각각의 변환 경계면(5a, 5b, 5c)은 예컨대 소위 포웰 렌즈일 수 있다.
일반적으로 가우스 프로파일로부터 탑-햇 프로파일로의 변환을 일으키는 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)의 기능은 위상 시프트의 방법에 기초한다.
렌즈 또는 변환 경계면에 대한 입력 파라미터로서, 공지된 파라미터(빔 직경, 발산)를 가진 이상적인 가우스 빔이 가정된다. 반복 방법에서 렌즈 또는 변환 경계면의 디자인에 대해 공간적으로 적합한 위상 시프트
Figure pct00001
가 발생되고, 상기 위상 시프트는 레이저 프로파일의 원래 가우스 형상을 타깃 평면에서 탑-햇 강도 분포로 바꾼다.
수학적으로 상기 과제는 반복 과정에서 하기의 함수 R - 여기서는 무차원으로 표시- 의 최소화에 의해 해결될 수 있다.
Figure pct00002
상기 식에서,
Figure pct00003
: 푸리에 변환,
α: 공간적 스케일링 팩터,
f : 푸리에 공간의 주파수 변수.
함수 R의 최소화에 의해, 렌즈 또는 변환 경계면의 형상을 규정하는 상 분포
Figure pct00004
가 얻어진다.
함수 내의 항
Figure pct00005
은 입사 빔의 가우스 강도 분포를 나타내고, 상기 가우스 강도 분포에 상 팩터
Figure pct00006
가 곱해진다.
가우스 빔에 가해진 상 변조를 출력 강도의 소정 분포로 바꾸기 위해, 상기 항을 푸리에 변환
Figure pct00007
해야 하고, 이 푸리에 변환은 실제로 필드 발생 푸리에 변환 렌즈(필드 렌즈라고 약칭함)에 의해 구현된다. 도시된 실시예에서, 이것은 렌즈 수단(6)이다.
형상의 항 (1/α)1/2rect(f/α)은 탑-햇 형태의 타깃 강도 분포의 표시에 상응한다.
팩터 α는 타깃 필드의 공간적 차수를 결정하는 파라미터이다. 타깃 강도 분포로부터, 변환된 입력 강도 분포의 항을 뺌으로써, 함수 R의 최소화시 렌즈의 소정 기능이 보장된다.
도 2에 따른 실시예에서는 제 1 실시예와는 달리 단 하나의 레이저(9)만이 제공된다. 상기 레이저는 하나의 방향과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선, 그리고 예컨대 2개의 방향에 관련해서도 싱글-모드 레이저 방사선일 수 있는 레이저 방사선(10)을 방출한다. 레이저(9)는 고체 레이저, 예컨대 Nd:YAG-레이저, 가스 레이저 또는 섬유 레이저일 수 있다.
레이저 방사선(10)은 2개의 빔 스플리터(11, 12) 및 하나의 거울(13)에 의해 3개의 서로 평행한 부분 빔들(10a, 10b, 10c)로서 어레이(3')로 편향된다. 2개의 빔 스플리터(11, 12) 및 거울(13)은 이 실시예에서 싱글-모드 레이저 방사선을 내보내는 레이저 광원으로서 사용된다.
레이저 방사선(10)을 스플리팅하기 위해 편광 빔 스플리터가 사용될 수도 있다.
어레이(3')는 그 출사 측에 전술한 변환 경계면(5a, 5b, 5c)을 갖는다. 어레이(3')의 입사 측은 평면이고 콜리메이션 렌즈를 갖지 않는다. 예컨대, 레이저(9)의 스플리팅되지 않은 레이저 방사선(10)은 도시되지 않은 렌즈 수단에 의해 형성되거나 콜리메이팅될 수 있다.
도 3에 따른 실시예에서, 레이저 광원(14, 15, 16)인 3개의 레이저가 사용되고, 상기 레이저들은 각각 레이저 방사선(17, 18, 19)을 방출할 수 있고, 상기 방사선은 하나의 방향과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선, 예컨대 2개의 방향과 관련해서도 싱글-모드 레이저 방사선일 수 있다. 각각의 레이저도 고체 레이저, 예컨대 Nd:YAG 레이저, 유리 레이저 또는 섬유 레이저일 수 있다. 어레이(3')에 대한 빔 경로들이 서로 동일하도록 개별 방사선(17, 18, 19)을 편향시키는 편향 거울(13)이 제공된다. 이로 인해, 레이저 광원(14, 15, 16)의 크기가 어레이(3')의 크기를 결정하지 않는 것이 보장된다.
도 4a 및 도 4b에 따른 실시예에서도 3개 또는 그 이상의 도시되지 않은 레이저들이 제공된다. 상기 레이저들은 각각 레이저 방사선(20, 21, 22)을 방출할 수 있으며, 상기 레이저 방사선들은 하나의 방향과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선일 수 있으며 2개의 방향과 관련해서도 싱글-모드 레이저 방사선일 수 있다. 각각의 레이저도 고체 레이저, 예컨대 Nd:YAG 레이저, 유리 레이저 또는 섬유 레이저일 수 있다. 특히, 다이오드 레이저에 의해 펌핑되는 주파수 체배된 Nd:YAG 일 수 있다.
레이저 방사선들(20, 21, 22) 및 어레이(3')의 변환 경계면들(5a, 5b)은 X-방향으로 나란히 배치된다. 렌즈 수단(6)과 작동 면(7) 사이에 실린더 렌즈(23)가 제공되며, 상기 실린더 렌즈는 Y-방향에 대해 레이저 방사선(20, 21, 22)을 포커싱한다. 실린더 렌즈(23)는 임의의 형상, 예컨대 비구면 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 선형 강도 분포(8)는 10 ㎜ 내지 1000 ㎜의 X-방향 길이 및 5 ㎛ 내지 200 ㎛의 Y-방향 폭을 갖는다. 선형 강도 분포(8)는 X-방향에서 더 큰 균일성을 갖는 탑-햇-분포를 갖는다.
이러한 선형 강도 분포(8)는 Si-층의 열 처리에, 특히 재결정화에 특히 적합하다.
실린더 렌즈(23) 전방에 또는 어레이(3') 전방에, Y-방향과 관련해서 선형 강도 분포(8)의 탑-햇 강도 분포를 일으킬 수 있는 추가의 변환 경계면이 제공될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 레이저 다이오드 바아의 스택(24)을 도시하며, 상기 스택에서는 빠른 축 방향 또는 Y-방향으로 레이저 광원들(24a, 24b, 24c)로서 사용되는 3개의 레이저 다이오드 바아가 상하로 배치되며, 이들 레이저 다이오드 바아들로부터 레이저 방사선(25a, 25b, 25c)이 나온다. 빠른 축 방향과 관련해서, 각각의 레이저 방사선(25a, 25b, 25c)은 싱글-모드 레이저 방사선이다. 느린 축과 관련해서 각각의 레이저 방사선(25a, 25b, 25c)은 멀티-모드 레이저 방사선일 수 있다. 느린 축 방향 또는 X-방향으로 나란히 배치된, 레이저 광원(24a, 24b, 24c)으로서 사용되는 레이저 다이오드 바아의 에미터들은 별도로 도시되지 않는다.
이 실시예에서, 레이저 광원(24a, 24b, 24c)으로서 사용되는 레이저 다이오드 바아와 어레이(3') 사이에는 빠른 축 콜리메이션 렌즈들(26a, 26b, 26c)이 제공된다. 레이저 광원(24a, 24b, 24c)으로서 사용되는 레이저 다이오드 바아의 광은 렌즈 수단(6)에 의해 Y-방향 또는 선형 강도 분포(8)의 종 방향에 대해 수직인 방향으로 중첩된다. 어레이(3')의 변환 경계면(5a, 5b, 5c)으로 인해, 선형 강도 분포(8)는 Y-방향으로 탑-햇 분포를 갖는다.
빠른 축 콜리메이션 렌즈들(26a, 26b, 26c) 및 변환 경계면(5a, 5b, 5c)은 대안으로서, 하기에서 도 7 내지 도 9를 참고로 상세히 설명되는 바와 같이, 하나의 부품 내에 통합될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에 따른 장치는 또한 실린더 렌즈 어레이들로 통상의 방식으로 형성된 2개의 균일화기(27, 28)를 포함한다. 상기 균일화기들(27, 28)은, 느린 축 방향과 관련해서 또는 X-방향과 관련해서 레이저 방사선(25)을 균일화하고 작동 면(7)내에 중첩함으로써 선형 강도 분포(8)가 X-방향으로도 탑-햇 분포를 갖도록, 설계되어 장치 내에 배치된다. 느린 축 방향으로 이러한 균일화 및 탑-햇 분포의 달성은 선행 기술에 공지되어 있다.
도 6a 및 도 6b에 따른 실시예에서, 9개 또는 그 이상의 도시되지 않은 레이저가 제공된다. 상기 레이저들은 각각 레이저 방사선(29, 30, 31, 32, 33, 34)을 방출할 수 있고, 상기 레이저 방사선은 2개의 방향과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선이다. 각각의 레이저도 싱글-모드 다이오드 레이저-스택, 고체 레이저, 예컨대 Nd:YAG 레이저, 유리 레이저 또는 섬유 레이저일 수 있다.
레이저 방사선들(29, 30, 31, 32, 33, 34)은 2차원으로 서로 나란히 그리고 서로 상하로 배치된다. 어레이(3")는 그 출사 측에 전술한, X-방향으로 나란히 배치된 변환 경계면들(5a, 5b, 5c)을 가지며, 상기 변환 경계면들은 레이저 방사선(29, 30, 31)을 X-방향과 관련해서 탑-햇 각도 분포로 변환시킬 수 있다. 어레이(3")는 입사 측에 Y-방향으로 나란히 배치된 변환 경계면들(5a", 5b", 5c")을 가지며, 상기 변환 경계면들은 레이저 방사선들(32, 33, 34)을 Y-방향과 관련해서 탑-햇 각도 분포로 변환시킬 수 있다. 따라서, 작동 면(7)에서의 강도 분포(8)는 2개의 방향 X, Y과 관련해서 탑-햇 분포를 가지며, 2개의 방향 X, Y과 관련해서 매우 균일하다. 강도 분포(8)는 선형 강도 분포를 갖지 않고, 예컨대 직사각형 또는 정사각형 강도 분포를 갖는다.
도 7 내지 도 9에는 빠른 축 콜리메이션 렌즈와 변환 경계면을 하나의 부품(35, 36, 37)에 통합하는 것이 나타난다.
도 7에서, 반도체 레이저(38)로부터 레이저 방사선(39)이 나온다. 부품(35)은 입사 면으로서 사용되는 그 제 1 표면 상에 빠른 축 콜리메이션 렌즈로서 사용되는 볼록한 콜리메이션 경계면(40)을 갖는다. 부품(35)은 출사 면으로서 사용되는 그 제 2 표면 상에 볼록한 변환 경계면(41)을 갖는다. 상기 변환 경계면은 레이저 방사선(39)을 Y-방향과 관련해서 탑-햇 각도 분포로 변환시킬 수 있다. 볼록한 변환 경계면(41)은 포웰 렌즈일 수 있거나 또는 함수 R의 최소화에 의해 생성될 수 있다. 렌즈 수단(6)에 의해 작동 면(7)에서의 탑-햇 각도 분포가 탑-햇 프로파일을 가진 강도 분포(8)로 변환된다.
도 7에 따른 실시예와 도 8에 따른 실시예의 차이점은 부품(36)의 변환 경계면(42)이 오목하게 형성된다는 것이다.
도 9에 따른 실시예에서, 부품(37)은 그 제 2 표면 상에 오목한 변환 경계면(43)을 가지며, 상기 변환 경계면은 부품(37) 후방 근거리에서 푸리에 렌즈 없이 탑-햇 프로파일을 가진 강도 분포(8)가 생기도록 형성된다. 변환 경계면(43)은 볼록하게 형성될 수도 있다.
1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24 레이저 광원
2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34 레이저 방사선
3, 3', 3" 어레이
5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c" 변환 경계면
6 렌즈 수단
7 작동 면
8 강도 분포
38 반도체 레이저
39 레이저 방사선
40 콜리메이션 경계면
41, 42, 43 변환 경계면

Claims (14)

  1. - 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)을 방출할 수 있는 적어도 하나의 레이저 광원(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24),
    - 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)이 하나의 작동 면(7)에서, 적어도 하나의 방향과 관련해서 적어도 부분적으로 탑-햇 강도 분포에 상응하는 강도 분포(8)를 갖도록, 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)에 영향을 줄 수 있는 광학 수단
    을 포함하는 빔 형성 장치에 있어서,
    상기 빔 형성 장치는 적어도 2개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24)을 포함하고, 상기 레이저 광원의 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)은 상기 광학 수단에 의해 적어도 부분적으로 중첩될 수 있고, 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)은 적어도 전파 방향(Z)에 대해 수직인 방향(X, Y)과 관련해서 싱글-모드 레이저 방사선인 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  2. 제 1항에서, 상기 광학 수단은 적어도 하나의 광학 기능성 변환 경계면(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")을 포함하고, 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)의 적어도 하나의 부분 빔이 상기 광학 기능성 변환 경계면을 통과함으로써,상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)이 적어도 부분적으로 상기 작동 면(7)에서 적어도 하나의 방향(X, Y)과 관련해서 탑-햇 분포에 상응하는 강도 분포(8)를 갖는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  3. 제 2항에서, 상기 레이저 광원들(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24)의 각각의 레이저 광원의 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)에는 상기 변환 경계면들(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c") 중 하나의 변환 경계면이 할당되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에서, 상기 변환 경계면들(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")은 하나의 어레이(3, 3', 3") 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  5. 제 4항에서, 상기 어레이(3, 3', 3")는 1차원 또는 2차원의 어레이(3, 3', 3")인 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에서, 적어도 하나의 변환 경계면(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")이 포웰 렌즈로서 형성되거나 또는 포웰 렌즈의 부분인 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에서, 상기 광학 수단은 푸리에 장치 내의 렌즈 수단들(6)을 포함하고, 상기 렌즈 수단들은 적어도 2개의 레이저 광원(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24)의 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)을 중첩할 수 있고, 상기 렌즈 수단들(6)은 특히 조절하려는 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)의 전파 방향(Z)으로 적어도 하나의 변환 경계면(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c") 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에서, 상기 레이저 광원들(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24)은 상이한 파장을 가지며 및/또는 상이한 레이저 타입인 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에서, 적어도 하나의 변환 경계면(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")은 비대칭으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에서, 적어도 2개의 변환 경계면들(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")이 조절하려는 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)의 전파 방향(Z)으로 차례로 배치되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  11. - 빠른 축 방향(Y)으로 느린 축 방향(X)으로보다 큰 발산을 가진 레이저 방사선(39)을 방출할 수 있는 반도체 레이저(38)로서 형성된 적어도 하나의 레이저 광원,
    - 빠른 축 방향(Y)으로 레이저 방사선의 발산을 적어도 부분적으로 콜리메이팅할 수 있는 광학 기능성 콜리메이션 경계면(40),
    - 상기 레이저 방사선(39)이 적어도 부분적으로 작동 면(7)에서 적어도 하나의 방향(Y)과 관련해서 탑-햇 분포에 상응하는 강도 분포(8)를 갖도록 상기 레이저 방사선(39)의 적어도 하나의 부분 빔에 영향을 줄 수 있는 적어도 하나의 광학 기능성 변환 경계면(41, 42, 43)을 가진 광학 수단
    을 포함하는 빔 형성 장치에 있어서,
    - 상기 광학 기능성 콜리메이션 경계면(40) 및 상기 광학 기능성 변환 경계면(41, 42, 43)이 하나의 부품(35, 36, 37) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  12. 제 11항에서, 상기 부품(35, 36, 37)은 제 1 표면 및 제 2 표면을 가진 렌즈이고, 상기 제 1 표면은 상기 광학 기능성 콜리메이션 경계면(40)에 상응하며 상기 제 2 표면은 상기 광학 기능성 변환 경계면(41, 42, 43)에 상응하는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 장치.
  13. - 적어도 전파 방향(Z)에 대해 수직인 제 1 방향(X, Y)과 관련해서 각각 싱글-모드 레이저 방사선인, 적어도 하나의 제 1 및 적어도 하나의 제 2 레이저 광원(1a, 1b, 1c; 14, 15, 16; 24)으로부터 나오는 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)을, 2개의 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)이 변환 후에 적어도 제 1 방향과 관련해서 싱글-햇 각도 분포를 갖도록, 서로 분리하여 변환시키는 단계,
    - 중첩된 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)이 작동 면에서 적어도 제 1 방향과 관련해서 적어도 부분적으로 탑-햇 강도 분포에 상응하는 강도 분포(8)을 갖도록, 2개의 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)을 적어도 부분적으로 중첩하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  14. 제 13항에서, 상기 레이저 방사선(2a, 2b, 2c; 10a, 10b, 10c; 17, 18, 19; 20, 21, 22; 25, 25a, 25b, 25c; 29, 30, 31, 32, 33, 34)의 각각의 레이저 방사선의 변환이 변환 경계면(5a, 5b, 5c; 5a", 5b", 5c")에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
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