KR20110123239A - 레이저 방사선의 균일화 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 방사선(1)의 균일화 장치는 서로 오프셋되어 배치된 다수의 거울 소자들(6) 및 다수의 렌즈 소자들(4)을 포함하고, 균일화될 레이저 방사선(1)이 위 거울 소자에서, 거울 소자(6)의 수에 상응하는 수의 부분 빔들(8)로 스플릿되도록 반사되고, 위 부분 빔들은 반사에 의해 서로 경로 차이를 갖고, 위 렌즈 소자들의 각각은 부분 빔들(8)의 각각이 렌즈 소자들(4) 중 하나를 통과할 수 있도록 거울 소자들(6) 중 하나에 할당되고, 각각의 거울 소자(6)와 이것에 할당된 렌즈 소자(4) 사이의 거리는 각각의 렌즈 소자(4)의 초점 길이(4)와 동일하다.

Description

레이저 방사선의 균일화 장치{DEVICE FOR HOMOGENIZING LASER RADIATION}

이 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 레이저 방사선의 균일화 장치에 관한 것이다.

정의: 조절할 광의 전파 방향은 특히 광이 평면 파가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 수렴하거나 발산하는 경우 광의 중간 전파 방향을 말한다. 광빔, 부분 빔 또는 빔은, 명확히 달리 지시되지 않으면, 기하학적 광학의 이상적인 빔이 아니라, 실제 광빔, 예컨대 극히 작지 않고 확장된 빔 횡단면을 갖는 가우스 프로파일의 레이저 빔을 말한다.

레이저 방사선의 균일화 장치는 유럽 특히 출원 EP 1 489 438 A1에 공지되어 있다. 거기에 설명된 장치는 방사선의 전파 방향으로 차례로 배치된 2개의 균일화 단계를 포함한다. 위 단계들의 각각은 입사면에 실린더 렌즈 어레이 및 출사면에 위 어레이를 교차하는 실린더 렌즈 어레이를 포함한다. 2단 실시에 의해, 레이저 방사선이 그것의 공간적 분포 및 그것의 각 분포와 관련해서 균일화될 수 있다. 교차하는 실린더 렌즈들의 사용에 의해, 이는 2개의 독립적인 방향과 관련해서, 예컨대 레이저 빔 소스로서 레이저 다이오드 바의 경우 소위 빠른 축 및 소위 느린 축과 관련해서 이루어질 수 있다. 스텝들 서로 간의 거리는 실질적으로 제 2 렌즈 어레이의 초점 길이에 상응한다.

이러한 장치의 단점은 작동 면에서 개별 부분 빔들의 중첩이 간섭 효과를 야기할 수 있고 위 간섭 효과가 작동 면에서 강도 분포의 바람직하지 않은 구조화를 야기할 수 있다는 사실이다.

전술한 방식의 장치는 독일 특허 출원 DE 101 48 167 A1 호에 공지되어 있다. 거기에 개시된 장치에서는, 균일화될 광이 렌즈 어레이에 부딪히기 전에 스텝 거울에 의해 반사되고, 위 스텝 거울은 그로부터 나온 부분 빔이 경로 차이를 갖는 각도로 장치 내에 배치된다. 광로 차이가 레이저의 간섭성 길이보다 크면, 간섭 효과가 방지될 수 있다.

이 장치에서의 단점은 균일화를 위해 단 하나의 렌즈 어레이가 제공되므로, 레이저 광이 그 공간적 분포와 관련해서만 균일화될 수 있고, 그 각도 분포와 관련해서는 균일화될 수 없다는 것이다. 따라서, 이 장치에 의해서는 발산 레이저 방사선이 균일화될 수 없다. DE 101 48 167 A1에 따른 장치에 제 2 렌즈 어레이가 사용되면, 발산 레이저 방사선도 균일화할 수 있는 장치가 얻어질 것이다. 그러나, 이러한 장치는 비교적 복잡한 구성을 가지며, 많은 굴절 및 반사 면으로 인해 큰 손실을 가질 것이다.

이 발명의 과제는 장치의 간단한 설계시 더 균일한 강도 분포를 일으킬 수 있는 전술한 방식의 장치를 제공하는 것이다.

위 과제는 청구항 제 1항의 특징들을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 이 발명의 바람직한 실시예들에 관한 것이다.

청구항 제 1항에 따라, 각각의 거울 소자와 이것에 할당된 렌즈 소자 사이의 거리가 각각의 렌즈 소자의 초점 길이와 동일하다. 이로 인해, 거울 소자들이 선행기술에 공지된, EP 1 489 438 A1에 따른 2단 균일화기의 제 1 렌즈 어레이의 기능을 할 수 있다. 따라서, 이 발명에 따른 장치는 발산 레이저 방사선도 균일화할 수 있다. 거울 소자들에 의해 야기된 경로 차이에 의한 균일화의 개선에도 불구하고, 이 발명에 따른 장치는 비교적 적은 부품을 필요로 한다.

특히, 각각의 거울 소자가 위 거울 소자에 할당된 렌즈 소자에 대한 입사동으로 사용되고, 위 입사동은 예리한 플랭크를 갖는다.

거울 소자들은 예컨대 스텝 거울의 부분인 한편, 렌즈 소자들은 예컨대 일체형 렌즈 어레이의 부분이다. 추가로, 장치가 푸리에 렌즈로서 사용되는 렌즈를 포함할 수 있고, 위 렌즈는 렌즈 소자를 통과하는 부분 빔을 서로 중첩할 수 있다.

거울 소자들은 렌즈 소자들의 전방 초점 평면 내에 배치된다. 거울 소자들의 과제는 렌즈 소자들에 대한 예리한 플랭크를 가진 입사동을 제공하는 것이다. 렌즈 소자들의 전방 초점 평면 내의 각각의 점이 렌즈 소자들로부터 나가는 레이저 광의 특정 각도의 원인이기 때문에, 전방 초점 평면에서 예리한 플랭크를 가진 필드 분포는 렌즈 소자들 후방에서 마찬가지로 예리한 플랭크를 가진 각도 분포를 야기한다. 후속하는 푸리에 렌즈는 전체 장치의 작동 면으로도 사용될 수 있는 그 후방 초점 평면에서 예리한 플랭크를 가진 균일한 강도 분포를 갖는다. 따라서, 이 발명에 따른 장치에 의해, 레이저 방사선이 장치 내로 입사되기 전에 발산성인 경우에도 작동 면에서 균일한 분포가 이루어질 수 있다. 이로 인해, 이 발명에 따른, 스텝 거울 및 렌즈 어레이로 구성된 2단 장치는 렌즈 어레이 및 푸리에 렌즈 또는 렌즈 어레이의 초점 길이에 상응하지 않는 간격으로 위 렌즈 어레이 앞에 배치된 스텝 거울, 렌즈 어레이 및 푸리에 렌즈를 포함하는 1단 장치와는 다르다. 1단 장치에 의해서는, 균일화될 레이저 방사선이 발산성인 경우 예리한 플랭크를 가진 균일한 분포를 얻는 것이 불가능하다.

이 발명에 따른 장치에 의해, 더 균일한 강도 분포가 얻어진다.

이 발명의 다른 특징들 및 장점들이 첨부한 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 제시된다.

도 1은 이 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략적인 측면도.
도 2는 이 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략적인 측면도.
도 3은 이 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략적인 측면도.

도면들에서 동일한 또는 기능이 동일한 부품들 또는 객체들은 동일한 도면 부호로 표시된다.

도 1에 따른 실시예는 균일화될 레이저 방사선(1)의 전파 방향으로 차례로 스텝 거울(2), 렌즈 소자들(4)의 어레이(3), 및 푸리에 장치 내에 배치된 렌즈(5)를 포함한다.

스텝 거울(2)은 다수의 평면 반사 거울 소자들(6)을 포함하고, 위 거울 소자들은 스텝(7)에 의해 서로 분리된다. 거울 소자(6)에 의해 레이저 방사선(1)이 거울 소자(6)의 수에 상응하는 수의 부분 빔(8)으로 스플릿된다. 스텝(7)에 의해 측면으로 제한된 거울 소자들(6)은 레이저 방사선(1)에 대한 예리한 플랭크를 가진 입사동으로서 작용한다.

이는 특히 스텝(7)이 입사 레이저 방사선(1)과 다른 각, 도시된 실시예에서 0°의 각 또는 180°의 각을 형성하기 때문이다. 따라서, 위 스텝들은 레이저 방사선을 어레이(3)의 방향으로 편향시킬 수 없다.

거울 소자들(8)은 각각 입사 레이저 방사선(1)에 대해 45°의 각으로 배치된다. 스텝(7)에 의해, 거울 소자들은 부분 빔들(8)이 서로 광로 차이를 갖도록 서로 오프셋된다. 레이저 방사선(1)의 간섭성 길이가 인접한 부분 빔들(8)의 광로 차이보다 작으면, 중첩 후 간섭 효과가 렌즈(5)에 의해 방지될 수 있다.

거울 소자들(6)의 평면 표면 대신에 오목한 표면이 제공될 수 있다. 또한, 거울 소자들이 프리즘 어레이로 구현될 수 있고, 위 프리즘 어레이의 개별 프리즘에서 내부 전반사가 나타난다.

도시된 실시예에서, 렌즈 소자들(4)은 실린더 렌즈들이고, 실린더 렌즈들의 실린더 축들은 도면 평면 내로 연장된다. 렌즈 소자들(4)의 광축들은 부분 빔들(8)의 전파 방향에 대해 평행하게 배치된다.

각각의 부분 빔(8)은 렌즈 소자들(4) 중 하나에 부딪히므로, 각각의 거울 소자(6)에 렌즈 소자들(4) 중 하나가 할당된다. 어레이(3)의 렌즈 소자들(4)은 전체적으로 동일한 초점 길이(f₄)를 갖는다. 거울 소자들(6)의 중심점과 이것에 할당된 렌즈 소자(4) 사이의 거리는 초점 길이(f₄)와 동일하므로, 각각의 거울 소자(6)가 정확히 상응하는 렌즈 소자(4)의 전방 초점 평면에 배치된다.

렌즈 소자들(4)의 동일한 초점 길이(f₄) 또는 거울 소자(6)의 중심점과 이것에 할당된 렌즈 소자(4) 사이의 동일한 거리로 인해, 거울 소자들(6)이 나란히 배치되는 방향은 렌즈 소자들(4)이 나란해 배치되는 방향에 대해 평행하다.

렌즈 소자들(4)이 서로 상이한 초점 길이를 가질 수 있다. 그럼에도, 각각의 렌즈 소자와 이것에 할당된 거울 소자 사이의 거리가 상응하는 렌즈 소자의 초점 길이와 동일한 것이 보장되어야 한다. 이 경우, 개별 렌즈 소자와 이것에 할당된 거울 소자 사이의 거리는 서로 상이하다.

푸리에 장치 내에 배치된 렌즈(5)는 렌즈 소자들(4)로부터 나온 부분 빔들(8)을 작동 면(9)에서 중첩한다.

도 2에 따른 실시예는 렌즈 소자들(4)이 일체형 렌즈 어레이(10)로 통합되는 점에서 도 1에 따른 실시예와 다르다. 렌즈 어레이(10)는 렌즈 소자들(4)의 광축이 부분 빔(8)의 전파 방향과 0°또는 180°가 아닌 각을 형성하도록 배치된다. 이 배치에서도 각각의 거울 소자(6)는 정확히 이것에 할당된 렌즈 소자(4)의 전방 초점 평면 내에 배치된다.

이러한 배치의 단점은 부분 빔들이 렌즈 소자들(4)의 광축과 비교적 큰 각을 형성함에도 렌즈 어레이(10)의 렌즈 소자들(4)이 부분 빔들(8)을 정확히 처리해야 한다는 것이다. 도 2에 따른 장치에서, 스텝 거울(2)은 입사 레이저 방사선(1) 및 반사 부분 빔(8)이 서로 90°의 각을 형성하도록 배치된다. 이러한 배치는 필수 적인 것은 아니다.

도 3에 따른 실시예에서, 입사 레이저 방사선(1)과 반사 부분 빔(8)이 형성하는 각이 더 작아진다. 이로 인해, 부분 빔들(8)이 렌즈 어레이(10)에 수직으로 투사되므로, 렌즈 소자들(4)의 광축들이 부분 빔들(8)의 전파 방향에 대해 평행하게 배치될 수 있다.

1 레이저 방사선
2 스텝 거울
3 어레이
4 렌즈 소자
5 렌즈
6 거울 소자
8 부분 빔

Claims (15)

1. - 서로 오프셋되어 배치된 다수의 거울 소자들(6)로서, 균일화될 레이저 방사선(1)을 위 거울 소자(6)의 수에 상응하는 수의 부분 빔(8)으로 스플릿하고, 위 부분 빔들이 반사에 의해 서로 경로 차이를 갖도록 반사시킬 수 있는, 다수의 거울 소자들;
   - 다수의 렌즈 소자들(4)로서, 위 렌즈 소자들의 각각은 위 부분 빔들(8) 중 각각 하나가 위 렌즈 소자들(4) 중 하나를 통과할 수 있도록 위 거울 소자들(6) 중 하나에 할당되는, 다수의 렌즈 소자들;
   을 포함하는 레이저 방사선(1)의 균일화 장치에서,
   각각의 거울 소자(6)와 이것에 할당된 렌즈 소자(4) 사이의 거리가 각각의 렌즈 소자(4)의 초점 길이(f₄)와 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
2. 제 1항에서, 위 거울 소자들(6)의 각각은 위 거울 소자(6)에 할당된 렌즈 소자(4)에 대한 입사동으로 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
3. 제 2항에서, 위 입사동은 예리한 플랭크를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에서, 위 거울 소자들(6)은 제 1 방향으로 서로 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에서, 위 거울 소자들(6)은 스텝 거울(2)의 부분인 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에서, 위 거울 소자들은 별도의 거울로서 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에서, 전체 거울 소자들(6)은 동일한 애퍼처를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에서, 하나의, 다수의 또는 전체 거울 소자들(6)이 평면인 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에서, 위 렌즈 소자들(4)은 제 2 방향으로 서로 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
10. 제 9항에서, 위 거울 소자들(6)이 서로 나란히 배치되는 제 1 방향은 위 렌즈 소자들(4)이 서로 나란히 배치되는 제 2 방향에 대해 평행한 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에서, 위 렌즈 소자(4)는 일체형 렌즈 소자(10)의 부분인 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에서, 위 렌즈 소자들(4)은 별도의 렌즈 소자들(4)의 어레이(3)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에서, 전체 렌즈 소자들(4)이 동일한 초점 길이(f₄)를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에서, 전체 렌즈 소자들(4)이 동일한 애퍼처를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.
15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에서, 위 장치는 푸리에 렌즈로서 사용되는 렌즈(5)를 포함하고, 위 렌즈(5)는 위 렌즈 소자들(4)을 통과하는 부분 빔들(8)을 중첩할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 방사선의 균일화 장치.

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