KR20140045346A - 레이저빔의 확장 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저빔, 특히 UV 레이저빔(4)의 확장 장치에 관한 것으로서, 이 레이저빔 확장 장치는 평행 입사 레이저빔(4)을 확장하기 위한 2개의 구형 폴딩 미러(7, 8)를 가지는 텔레스코픽 장치(6) 및 확산 빔 경로에서 이 텔레스코픽 장치(7, 8)의 하류에 배치되어 있으며 확장된 레이저 빔(5)의 콜리메이션을 위한 구형 렌즈면(3a)을 가지는 렌즈(3)를 포함하며, 빔 경로 내 제1 폴딩 미러는 볼록하게 만곡된 구형 폴딩 미러(7)이고, 빔 경로 내 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러(8)이다. 또한, 본 발명은 레이저 빔을 확장하기 위한 관련 방법에 관한 것이다.

Description

레이저빔의 확장 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR WIDENING A LASER BEAM}
본 발명은 레이저빔, 특히 UV 레이저빔의 확장 장치 및 레이저빔의 관련 확장 방법에 관한 것이다.
UV 레이저, 즉 (가시적 파장 범위 아래에 있는 파장을 가지는) UV 파장 범위에서 레이저 방사를 발생하는 레이저는 특히 미세 가공에서 점점 중요해지고 있다. 이는 높은 출력 및 평균 출력의 UV 레이저에 대한 수요를 증가시킨다. 자외선 레이저 방사(laser radiation)의 발생은 종종 비선형 결정에서 적외선 레이저빔을 주파수 변환하여 이루어진다. 한편으로 적외선 파장 범위로부터 자외선 파장 범위로 효율적인 변환이 가능하도록 하기 위해서는, 이런 주파수 변환은 비선형 결정에서 큰 적외선 세기 및 작은 빔 확산을 필요하고, 다른 한편으로는 이 세기가 - 특히 발생된 UV 방사의 세기가 - 너무 높지 않으므로, 상기 결정의 손상 또는 광학적 특성들의 빠른 열화가 회피될 수 있다.
이런 조건들은 예를 들어 (그러나 배타적이지 않음) 약 5ps의 범위에서 UV 펄스 길이 및 1
Figure pct00001
이상의 UV 펄스 에너지를 갖는 극초단파 펄스 레이저에서 또는 약 1ps의 펄스 길이 및 0.2
Figure pct00002
이상의 UV 펄스 에너지를 갖는 극초단파 펄스 레이저에서 높은 세기의 콜리메이션된(collimated) 또는 거의 콜리메이션된 UV 레이저빔들을 야기할 수 있으며, 이들의 직경은 변환 구성의 연장에 의해 상당히 커지지 않는, 즉 이의 세기가 그 길이에 걸쳐 현저히 감소하지 않는다.
세기가 큰 계속적 UV 방사는 전송(transmissive) 광학 시스템(예를 들어 렌즈들 또는 석영 유리로 이루어진 다른 광학 시스템) 및 경우에 따라서는 반사 방지막에서도 원하지 않는 영구적 재료 변경을 야기하며, 이런 재료 변경은 전송 광학 시스템의 전송 특성들을 악화시켜 사용할 수 없게까지 한다. 광학 시스템이 정확하게 제어되지 않는 환경에서 다른 가스들(예를 들어 탄화수소 또는 실리콘 화합물)의 트랙들이 UV 방사 때문에 바뀔 수 있으므로, 일정 시간의 경과 후에는 사용할 수 없게 만들 수 있는 증착이 광학 시스템에서 발생한다. 특히 UV 방사의 세기가 매우 높은 경우 이런 열화는 빠르게 진행할 수 있어, UV 레이저빔들에 대한 전송 광학 시스템이 더 이상 경제적으로 이용될 수 없게 된다.
위에서 설명한 방식으로 발생된, 높은 세기의 평행 UV 레이저빔들을 다양한 응용들에 이용하기 위해서는, 이들의 세기가 희망하는 이용 시간 동안 연속(following) 광학 시스템(예를 들어 빔 유도 광학 시스템(beam guiding optical system), 빔 형성 광학 시스템(beam shaping optical system) 또는 처리 광학 시스템(processing optical system))의 손상을 야기하지 않도록, 이들이 확장되어야 한다.
그와 같은 확장은 상기 연속 광학 시스템까지 레이저빔의 큰 전파 길이(propagation length)에 의해 달성될 수 있을 것이므로, 레이저빔이 자연스럽게 이미 충분히 커질 수도 있을 것이다. 그러나 이는 레이저빔이 (거의) 콜리메이션되어 있는 이 경우에 실시되기에 어려운데, 매우 큰 전파 길이가 요구될 것이며 전체 확장 광학 시스템의 크기가 제한되어 있기 때문이다.
그러므로 일반적으로 (거의 콜리메이션된) 레이저빔의 빔 확장을 위해 빔확장 장치가 예를 들어 갈릴레이(Galilei) 대물렌즈의 형태로 이용된다(참고 도 1). 그와 같은 대물렌즈(1)는 2개 이상의 렌즈(2, 3)를 가지므로, 평행 입사 레이저빔(4)이 (여기에서 6배) 확장된, 역시 평행한 레이저빔(5)으로 변환될 수 있다. 이 갈릴레이 대물렌즈(1)는 단순한 형태의 빔확장 광학 시스템이며 전체 길이가 짧고 설치 공간이 전형적으로 작은 경우에 축방향으로 배치된, 구형 렌즈들(2, 3)의 이용하에서 설계될 수 있어서, 이들은 입력빔 위치(input beam position)에 대한 공차가 큰 경우에도 매우 작은 빔 변형(즉, 입력빔의 틸팅 또는 변위)을 야기한다. 출력빔 확산(output beam divergence)과 관련하여 렌즈(2, 3)의 반경 에러들 또는 입력빔 확산(input beam divergence)에서의 에러들이 이 렌즈들(2, 3) 중 어느 하나를 용이하게 축방향으로 이송하여 보상될 수 있지만, 확산된 레이저빔(5)의 횡방향 변위가 발생하지는 않는다.
그러나 상기 갈릴레이 대물렌즈(1) 자체의 입력측 렌즈(2)가 아직 확장되어 있지 않은 레이저빔(4)의 높은 UV 세기에 노출되어 있으므로, 특히 유전적으로 반사방지 코팅된 입력측 렌즈(2)를 이용하는 경우에도 이의 전송 특성의 받아들일 수 없는 열화가 발생한다. 이런 문제의 부분적 해법으로서 코팅되어 있지 않은 입력 광학 시스템(input optical system)을 가지는 갈릴레이 대물렌즈(1)가, 즉 반사 방지막 없이 작동될 수 있다. 그러나 이런 경우에 프레넬 반사(Fresnel reflexes) 때문에 코팅되어 있지 않은 렌즈들(2)에서 출력 손실이 발생한다. 또한, 렌즈 재료 자체의 방사로 인한 변화 또는 열화의 문제가 여전히 존재한다.
집중적인 UV 방사의 경우 유전체 미러의 반사 특성들의 악화는 전송 광학 시스템 및 특히 유전적으로 반사 방지 코팅된 전송 광학 시스템의 전송 특성들의 악화보다 훨씬 더 작다는 사실이 증명되었다. 그러므로 미러 렌즈(mirror lens)들은 UV 방사의 빔 확장을 위해 렌즈 시스템들보다 훨씬 더 긴 작동 시간들을 달성할 수 있다.
도 2에는 평행 입사 레이저빔(4)을 확장된 평행 레이저빔(5)으로 (여기에서 6배) 변환하기 위해 Z 폴딩에서 반사 광학 요소들로서 2개의 구형 폴딩 미러들(spherical folding miirror)(7, 8)을 포함하는 텔레스코픽 장치(telescopic arrangement)(6)가 도시되어 있다. 이 폴딩 미러들(7, 8) 사이의 거리는 이 경우 약 150㎜이고, 양 폴딩 미러(7, 8)에 대해 동일한 폴딩 각도(2α)는 약 20°이다.
그러나 예를 들어 도 2에 도시되어 있는 것처럼 빔 확장을 위한 비축 방향 미러 시스템(non axial mirror system)은 일반적으로 다양한 단점들을 갖는다. 난시와 코마를 줄이기 위해, 비구면 광학 요소들(aspherical optical elements)이 필요하며, 이는 상기 시스템들을 비싸게 하며 및 조정에 민감하게 하며 또는 이런 시스템들은 이미징 에러(imaging error)에 대한 적용 공차가 주어지면 비교적 미러 반경 및 작은 폴딩 각도에 제한받으므로, 큰 형태의 전체 장치가 필요하며 및/또는 이 시스템들은 완전히 특수한 반경 조합들 및 폴딩 각도 조합들 및 빔 특성들(예를 들어 수렴 출력 빔(중간 포커스))에 제한받는다.
도 2에 도시되어 있는 장치에 대해 도 3에서 시뮬레이션들("레이트레이싱(raytracing)")에 의해 발생된, 미러 망원경(6)의 파 필드(far field)의 4개의 스폿 다이어그램들이 도시되어 있다. 입사 레이저빔(4)이 가우스 세기 분포에 근거하며, 1/e2 직경 (즉, 세기가 최대값의 1/e2 배로 떨어져 있는 직경)은 0.83㎜이었고, 즉 출사 레이저빔(5)은 이상적인 경우에 여기에 도시되어 있는 6배 확대 시에 5㎜의 1/e2 직경을 갖는다. 이 경우 시뮬레이션된 미러 망원경(6)의 퓨필은, 343㎚의 UV 파장에 대해 에어리 디스크(Airy disc)(9)의 (약 42
Figure pct00003
) 계산된 반경은 대략 가우스 세기 분포를 갖는 레이저빔의 발산각 및 5㎜의 1/e2 직경에 상응한다.
도 3에서 좌측 위에 도시되어 있는 축방향으로 정렬된 입력빔 외에도, 레이저빔의 입력축에 대한 0.2°편차를 갖는 각각 3개의 그외 빔들이 계산되었으며, 이들은 우측 위에 및 좌측 아래에 그리고 우측 아래에 도시되어 있다. 도 3에 도시되어 있는 (정방형) 각도 범위의 스케일 크기(S1)는 이 경우 2000
Figure pct00004
이다. 도 3에 도시되어 있는 스폿들은 실질적으로 원형 에어리 디스크(9)밖에 있기 때문에, 입사 레이저빔(4)에 대한 미러 망원경(6)이 현저히 회절 제한되지 않는다.
일반적으로 도 2에 도시되어 있는 미러 망원경(6)처럼 비축 방향 미러 망원경의 경우에 폴딩 미러(7, 8)의 반경 공차 또는 에러가 입력 빔(4)의 콜리메이션에서 개별 폴딩 미러(7, 8)의 용이한 이송을 통해 보상되지 않을 수 있지만, 출사 레이저빔(5)의 원하지 않는 횡방향 변위가 발생하지 않는다.
마찬가지로, DE 10 2007 009 318 A1호는 고에너지 레이저빔의 확장 문제를 다루고 있다. 거기에 설명된 해법으로서 레이저빔은 전송 또는 반사 광학 요소들에 의해 확장되어, 관련 에너지 밀도가 임계의 에너지 밀도 아래에 있으므로, 비가역적 손상이 후속 광학 소자들에서 회피될 수 있다. 빔 확장을 위해 한 실시예에서 레이저빔에 대해 45°만큼 기울어질 수 있는 실린더형 볼록 미러(cylindrical convex mirror)과 볼록 실린더 렌즈(convex cylindrical lens)가 이용된다. 45°만큼 볼록 미러를 기울이면, 에너지 밀도는 미러 표면에서 팩터 제곱근 2만큼 감소되므로, 미러 자체는 손해를 입지 않는다. 실린더 렌즈는 확장된 발산 레이저빔을 빔 횡단면이 확대된 병렬 빔 경로로 바꾼다고 한다. 그러나 이는 레이저빔을 한 방향으로 확장하는 가능성만을 제공한다.
2개의 방향으로 확장하는 대안으로서 DE 10 2007 009 318 A1호의 그외 실시예에서, 볼록한 빈 미러(convex hollow mirror)(7)에서 발산적으로 확장되는 레이저빔을 병렬 빔 경로를 갖는 평행 출사 레이저빔(5)으로 변환하기 위해 빔확장용 구형 볼록 미러(7)와 실린더축에서 직교하게 정렬된 2개의 실린더 렌즈(11, 12)를 포함하는 빔확장용(10)(참고, 도 4) 장치가 변형되어 있다. 그러나 실린더 렌즈(11, 12)의 이용을 통해 상기 장치(10)는, 하기에서 도 5와 도 6에 의해 도시된 것처럼, 매우 조정에 영향받기 쉽다.
도 5에는 도 3과 유사한 그림이 도시되어 있으며, 입사 레이저빔(4)과 퓨필의 특성들이 도 3의 그것들에 상응하지만, 스케일 크기(S2)는 더 작으며 200
Figure pct00005
이다. 도 3에서 우측 위에 도시된 파 필드의 스폿 다이어그램의 경우에 모든 빔들 또는 스폿들은 에어리 디스크(9) 안에 위치하는, 즉 빔 분포의 RMS(root mean square) 반경은 에어리 디스크(9)의 반경(약 42
Figure pct00006
)보다 훨씬 더 작으므로, 도 4에 도시된 광학 시스템은, 입력빔이 축방향으로 정렬되면, 확장된 레이저빔(5)에 대해 회절 제한된다. 그러나 빔입사가 기울어져 있으면 이미징 특성들의 가벼운 악화들이 발생하고, 도 5의 스폿 다이어그램에서 좌측 위에, 좌측 아래에 및 우측 아래에서 알 수 있는 것처럼, 입사 레이저빔(4)이 필드 각도(field angle)가 각각 0.2°만큼 다른 방향들로 변경되었으며, 입력 개구는 볼록 미러(7) 앞 150㎜에 위치하였다.
도 6에는 도 3과 도 5에 유사한 파 필드 스폿 다이어그램(far field-spot-diagramm)이 도시되어 있으며, 입사 레이저빔(4)의 특성들도 퓨필 (및 스케일 크기(S2))도 도 5 좌측 위에서처럼 선택되었지만, 실린더 렌즈(11, 12)는 각각 0.2°만큼 빔 방향을 중심으로 틸딩되어 있었다. 분명하게 알 수 있는 것처럼, 각 실린더 렌즈(11, 12)의 약간의 오정렬은 약 45°아래에서 강한 난시를 일으키며, 이것은 파 필드 배분이 회전 제한되지 않도록 만드는데, 복수의 스폿들은 에어리 디스크(9)(반경 약 37
Figure pct00007
) 밖에 위치하기 때문이다.
본 발명의 과제는 이용되고 있는 집중적 레이저 방사로 인한 광학 시스템의 열화가 대부분 회피될 수 있으며 빔 확장 시에 이미징 에러가 단지 약간 발생하도록 전술한 방식의 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제는 본 발명에 따라 레이저빔, 특히 UV 레이저빔의 확장 장치에 의해 해결되며, 레이저빔 확장 장치는 평행 입사 레이저빔을 확장하기 위한 2개의 구형 폴딩 미러를 가지는 텔레스코픽 장치 및 확산 빔 경로에서 이 텔레스코픽 장치의 하류에 배치되어 있으며 확장된 레이저 빔의 평행을 위한 구형 렌즈면을 가지는 렌즈를 포함하며, 빔 경로 내 제1 폴딩 미러는 볼록하게 만곡된 구형 폴딩 미러이고, 빔 경로 내 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러이다.
이미 확장된 레이저빔에서 확산 보정 출력 요소로서 하나의 구형 렌즈와 2개의 구형 미러를 조합하면 매우 작은 빔 변형 또는 이미징 에러를 갖는 빔 확장들이 회절 한계(diffraction limit) 하에서 분명히 달성될 수 있으며, 폴딩 미러들에서 폴딩 각도는 비교적 큰 범위에 걸쳐서 자유롭게 선택될 수 있으며 이 장치는 비교적 짧은 형태로 구현될 수 있음을 발명자가 알고 있다. 이 렌즈들은 이미 확장되어 있는 레이저빔 안에 배치되어 있으므로 감소된 레이저 세기에 노출되어 있기 때문에, 도 1의 갈릴레이 대물렌즈와 관련하여 설명한 것처럼, 전송 광학 시스템의 열화 문제가 발생하지 않는다.
오로지 구형 광학 시스템을 이용하기 때문에 레이저빔의 확장 장치는 입력빔 위치에서 및 개별 광학 요소들(즉, 폴딩 미러 또는 렌즈)의 정렬에서 에러에 대해 큰 공차를 갖는다. 또한, 고정밀의 구형 광학 시스템의 제조는 비구형 렌즈면을 갖는 렌즈 또는 실린더 광학 시스템의 제조보다 더 용이하고 더 저렴하다. 물론, 이 렌즈는 하나의 구형 렌즈면을 가질 수 있고 또는 2개의 구형 렌즈면도 가질 수 있는, 즉 비구형 렌즈면의 제공이 완전히 제거될 수 있다. 또한, 물론 텔레스코픽 장치, 특히 빔 경로 내 제2의 폴딩 미러들은 확장에 추가로 이미 콜리메이션의 일부를 가질 수 있으므로, 콜리메이션된 레이저빔을 발생하는 렌즈의 굴절력이 감소할 수 있다.
실시예에서 이 장치는 평행 레이저빔의 빔방향으로 렌즈를 이송하기 위한 이송 장치를 갖는다. 입력빔의 어쩌면 있을 수 있는 반경 에러(error in the radius) 또는 콜리메이션 에러(collimation error)는 이와 같은 방식으로 출력빔의 콜리메이션을 위해 축방향으로 출력 렌즈를 용이하게 이송하여 보상될 수 있지만, 횡방향 빔 변위가 발생하지 않으며 또는 광학 시스템들이 추가로 새로 정렬될 필요가 없다.
이 경우, 빔 경로 내 제1의 볼록하게 만곡된 폴딩 미러는 텔레스코픽 장치 내 실제 빔 확장을 갖는다. 빔 경로 내 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러이고, 이것은 이 렌즈와 함께 수렴 광학 시스템으로서 작용한다. 이와 같은 방식으로 콜렉팅(collecting) 광학 시스템의 필요 굴절력은 (부분적으로) 확장된 빔 내에서 2개의 광학 요소들에 배분된다. 이는 이미징 에러가 적게 발생하고 특히 빔 위치 에러 또는 광학 시스템 조정 에러가 이미징 특성들에 적은 영향을 준다는 장점을 갖는다. 이런 장치에서, 레이저빔의 입사 방향에 대해 일정한 각도로 있는 제1의 볼록 미러에서 나타나는 광학적 수차들(실질적으로 난시 및 콤마)의 대부분은 (부분적으로) 확장되는 레이저빔의 입사 방향에 대해 역시 일정한 각도로 있는 제2 폴딩 미러로 보상될 수 있다.
렌즈는 전형적으로 평철 렌즈이고, 이의 볼록 구형 렌즈면이 텔레스코픽 장치를 배향하므로, 렌즈들이 레이저 방사의 평행에 이용된다.
이 경우 구형 렌즈면의 곡률 반경은 바람직하게는 폴딩 미러의 곡률 반경에 맞춰지므로, 폴딩 미러의 수차와 렌즈의 수차가 대부분 보상되고 평행 출사 레이저빔은 희망하는 확장을 가지며 희망하는 것처럼 콜리메이션된다. 희망하던 대로 (예를 들어 팩터 1.42;2;3;6;10;20;등만큼) 확장을 위해, 이 곡률 반경에 추가로 제1 폴딩 미러, 제2 폴딩 미러와 렌즈 사이의 거리들 및 폴딩 각도들이 적절하게 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 경우에 폴딩 각도들과 전체 길이와 관련한 조건들은 2개의 구형 미러들을 가지는 비교가능한 확장 광학 시스템에서보다 훨씬 더 적다.
실시예에서 텔레스코픽 장치 안으로 들어오는 레이저빔의 빔 방향과 텔레스코픽 장치로부터 나가는 레이저빔의 빔 방향은 서로 나란히 연장해 있다. 이 폴딩 각도들이 반대이므로 들어오는 및 나가는 레이저빔은 거의 나란하게 연장해 있어 교차하지 않는 소위 Z 폴딩에서, 폴딩 각도가 넓은 범위에서 자유롭게 선택될 수 있으며 이 장치는 비교적 짧은 형태로 구현될 수 있으며, 이미징 에러들이 특히 우수하게 보상될 수 있다. 물론, 이 폴딩 각도들은 이 경우 양 폴딩 미러에서 같은 크기로 선택될 수 있지만, 반드시 같은 크기로 선택될 필요가 없다.
대안적 실시예에서 텔리스코픽 장치로 들어오는 레이저빔의 빔경로는 텔레스코픽 장치로부터 나가는 레이저빔의 빔경로와 교차한다. 2개의 같은 방향 폴딩이 이용되는, X 폴딩이라고도 하는 변형이 광학 요소들(미러들 또는 렌즈) 사이의 같은 간격들에서 그리고 같은 폴딩 각도값에서 Z 폴딩보다 일반적으로 약간 더 나쁜 이미징 특성들을 가지지만 여전히 회전 제한 이미징을 가능하게 한다. 특히 X 폴딩에서 텔레스코픽 장치 안으로 들어오는 레이저빔과 텔레스코픽 장치로부터 나가는 레이저빔 사이의 각도가 90°일 수 있다.
또한, 실시예에서 이 장치는 IR 범위에 있는 파장의 레이저빔을 UV 범위에 있는 파장으로 주파수 변환하기 위한 주파수 변환 장치를 포함한다. 이 주파수 변환 장치는 이런 목적을 위해 예를 들어 비선형 결정을 가질 수 있으며, 이런 비선형 결정은 직경이 작은, 콜리메이션된 레이저빔의 발생을 가능하게 한다.
특히 상기 장치가 레이저빔의 발생을 위한 레이저도 가질 수 있으며, 이것은 IR 범위에서 파장을 가질 수 있으며 이 경우 전형적으로는 주파수 변환 장치에 의해 UV 범위에 있는 파장을 가지는 레이저빔으로 변환된다. 예를 들어 IR 레이저는 Nd:YVO4 레이저이며, 이것은 1064㎚의 파장을 갖는 레이저 방사를 형성하므로, 이의 제3 고조파는 약 355㎚에 그리고 자외선 파장 범위에 있다. 그러나 대안으로서 이 레이저는 Yb:YAG 레이저이기도 하며, 이것은 1030㎚의 파장을 가지는 레이저 방사를 형성하므로, 제3 고조파가 343㎚이다.
그외 실시예에서 이 장치는 확장된 발산 레이저빔의 빔방향과 관련하여 렌즈를 틸팅하기 위한 틸팅 장치를 갖는다. 발산 레이저빔의 빔 방향 또는 (희망하는) 출사 방향과 관련하여 출력 렌즈(output lens)를 틸딩하여, 광학적 에러들이 감소될 수 있거나 또는 광학적 에러들이 동일한 경우에도 더 큰 폴딩 각도 또는 훨씬 더 작은 미러 반경 및 더 작은 전체 길이가 구현될 수 있다.
또한, 본 발명은 2개의 구형 폴딩 미러들을 포함하는 텔레스코픽 장치를 이용한 레이저빔, 특히 UV 레이저빔의 확장 방법에 관한 것으로서, 빔 경로에 있는 제1 폴딩 미러는 볼록하게 만곡된 구형 폴딩 미러이고 빔경로에 있는 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러이며, 상기 방법은 빔경로에 있는 제1 폴딩 미러에서 평행 입사 레이저빔의 확장 및 빔경로에 있는 제2 폴딩 미러에서 그리고 발산 빔 경로에서 텔레스코픽 장치 하류에 배치되어 있는 렌즈에서 확장된 레이저빔의 콜리메이션을 포함하며, 이 렌즈는 구형 렌즈면을 갖는다. 이 장치와 관련하여 위에서 설명한 장점들은 본 발명에 따른 방법에 적절하게 적용된다.
본 발명의 그외 장점들은 상세한 설명과 도면에서 나온다. 마찬가지로, 앞서 언급한 그리고 실시된 특징들은 홀로 또는 임의 복수의 조합으로 이용할 수 있다. 도시된 그리고 설명된 실시예들은 총망라한 리스트(exhaustive list)로서 이해되는 것이 아니라, 본 발명의 설명을 위한 오히려 예시적인 특성을 갖는다.
도 1은 갈릴레이 망원경(Galilei's telescope) 형태로서 레이저빔 확장 장치의 개략도이다.
도 2는 반사 망원경(reflecting telescope) 형태로서 레이저빔 확장 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시되어 있는 반사 망원경에 의해 발생되어 확장되어 있는 레이저빔의 파 필드에 관한 도이다.
도 4는 하나의 볼록 거울과 2개의 실린더 렌즈를 포함하는 빔 확장용 장치에 관한 도이다.
도 5는 입사빔의 입사각들이 다른 경우 도 4의 장치의 파 필드에 관한 도이다.
도 6은 실린더 렌즈들 중 어느 하나를 기울인 경우 도 4의 장치의 파 필드에 관한 도이다.
도 7은 Z 폴딩의 반사 망원경 및 구형 출사 렌즈를 포함하는 본 발명에 따른 빔 확장 장치의 실시예에 관한 도이다.
도 8은 X 폴딩의 반사 망원경을 포함하는 본 발명에 따른 빔 확장 장치의 그외 실시예에 관한 도이다.
도 9는 주파수 변환 장치와 IR 레이저를 포함하는 도 7의 장치에 관한 도이다.
도 10은 레이저빔의 입사각들이 다른 경우 도 7의 장치의 파 필드에 관한 도이다.
도 7에는 평행 입사 레이저빔(4)의 빔확장 장치(11)가 도시되어 있으며, 이 레이저빔은 텔레스코픽 장치(6)의 제1 볼록 폴딩 미러(7)에서 확장되며 텔레스코픽 장치(6)의 제2 오목 폴딩 미러(8)에서 및 확산 빔 경로에서 제2 폴딩 미러(8)의 하류에 배치된 렌즈(3)에서 평행 출사 레이저빔(5)으로 변환되며, 이 레이저빔은 이 실시예에서 6배 확장되어 있다. 폴딩 미러(6, 7)는 구형 미러이고, 이 구형 미러에서 렌즈(3)는 평철 렌즈이고, 평철 렌즈의, 제2 폴딩 렌즈(8)를 배향하는 렌즈면(3a)은 구형으로 만곡되어 있다.
폴딩 미러(7, 8)의, 도 7에 도시되어 있는 장치에 의해 공동의 빔축(x 방향)을 따라서 입사측 레이저빔(4)이 출사측 레이저빔(5)에 평행하게 정렬될 수 있으며, 이 빔축은 Z 폴딩이라고도 한다.
Z 폴딩 배열 안에서 또는 그 근처에서 2개의 구형 폴딩 미러(7, 8)와 이미 확장되어 있는 확산 빔경로 내 확산 보정 출력 요소로서 구형 렌즈(3)를 조합하면, 양 폴딩 미러들(7, 8)에서 비교적 큰, 넓은 범위에 걸처 자유롭게 선택가능한 폴딩 각도들(2α, 2β)인 경우 및 비교적 짧은 형태인 경우 빔 변형이나 이미징 에러가 매우 작은 빔 확장이 회절 한계 아래에서 분명하게 달성된다. 렌즈들(3)이 확장된 빔경로 안에 배치되어 있어 레이저 방사가 단지 감소된 세기로 이들을 맞추기 때문에, 렌즈들(3)의 손상이 회피되거나 현저히 감소될 수 있으므로, 렌즈 재료, 예를 들어 석영 유리가 레이저 방사로 인해 단지 미미하게 손상을 받는다.
상기 장치(11)가 적절한 크기를 갖도록, 제1 단계에서 먼저 입사 레이저빔(4)의 확장 필요치가 정해진다(예를 들어 1.42배, 2배, 3배, 6배, ..., 10배, ..., 20배 등). 이런 확장이 확정되면(여기에서 6배), 장치(11)를 위한 적절한 크기의 설치 공간이 정해지고 이 설치 공간 안에서 폴딩 미러(7, 8)의 적절한 위치가 선택된다. 이 경우, 폴딩 각도들(2α, 2β) 및 광학적 요소들 사이 (즉, 폴딩 미러들(7, 8)과 렌즈(3) 사이)의 거리들을 선택할 때 비교적 큰 자유도가 있다.
상기 거리들과 함께 폴딩 미러(7, 8)와 렌즈(3)의 구형 렌즈면(3a)의 구형 곡률의 결정은, 한편으로 희망하는 확장이 달성되고 다른 한편으로 폴딩 미러(7, 8)의 수차 또는 폴딩 미러(7, 8)와 렌즈(3)의 수차가 대부분 보상되고 출사 레이저빔(5)이 희망하는 대로 콜리메이션되는 방식으로, 이루어진다. 제1 폴딩 미러(7)에서 폴딩 각도(2α)(여기에서 약 20°) 및 제2 폴딩 미러(8)에서 폴딩 각도(2β)(여기에서 약 20°)가 같게 선택될 수 있지만 반드시 같게 선택되어야 하는 것은 아니다. 폴딩 미러들(7, 8) 사이의 거리는 이 경우 약 150㎜이지만, 물론 이것은 그보다 더 크게 선택될 수도 또는 더 작게 선택될 수도 있다.
출사 레이저빔(5)의 확산을 조정하지만 횡방향 빔 변위(beam displacement)가 없거나 또는 광학 요소들을 추가하여 보정이 필요하지 않도록하기 위해, 빔 방향(X 방향)으로 렌즈(3)의 축방향 이송을 가능하게 하는, 예를 들어 (선형) 모터의 형태로서 이송 장치(12)는 도 7에서 이중 화살표로 표시되어 있다.
폴딩 미러(7, 8)가 Z 폴딩으로 배치되어 있는, 도 7에 도시되어 있는 장치(11)에 대한 대안으로서, 폴딩 미러(7, 8)를 소위 X 폴딩으로 배치하는 것이 가능하며, 이 X 폴딩에서 입사 레이저빔(4)은 제1 빔 방향(X 방향)으로 그리고 출사 레이저빔(5)은 제2 빔 방향(Y 방향)으로 연장해 있으며, 양 레이저빔(4, 5)은 교차하며, 도 8에 도시되어 있는 장치(13)가 참고되며, 이 장치에서는 입사 및 출사 레이저빔(4, 5)이 서로 90°의 각도를 형성한다. 이 경우, 제1 폴딩 미러(7)에서 폴딩 각도(2α)(여기에서 약 20°) 및 제2 폴딩 미러(8)에서 폴딩 각도(2β)(여기에서 약 70°)가 다르게 선택되어 있다. 폴딩 미러(7, 8)의 표면은 UV 레이저 방사를 위한 고반사 재료로 이루어지는, 예를 들어 석영 유리 위에서 유전 레이어 시스템으로 이루어진다. 물론, UV 반사 특성들이 우수하고 UV 저항성이 큰 다른 재료 조합들 역시 이용될 수 있다.
도 9에는 설치 공간을 결정하는 광학 모듈(14) 위에 있는 도 7의 장치(11)가 도시되어 있다. 이 광학 모듈(14) 위에, 도 7에서 설명되었던 광학 요소들, 즉 레이저(3) 및 Z 폴딩에 배치되어 있는 양 폴딩 미러(7, 8) 외에도 3개의 플랫 폴딩 미러(15a 내지 15c)가 추가로 설치되어 있으므로, 기존의 설치 공간이 최적으로 활용될 수 있다. 빔 방향(X 방향)으로 렌즈(3)를 이송시키기 위한 이송 장치(12)에 추가로, 도 9에 도시된 틸팅 장치(16) 역시 렌즈(3)에 설치되어 있으므로, 이것이 x 방향과 관련해서 또는 확산 레이저빔과 관련해서 틸팅될 수 있다. 적절한 각도로 틸팅하면 광학적 에러들이 추가로 감소될 수 있고 및/또는 폴딩 미러(7, 8)에서 더 큰 폴딩 각도들, 폴딩 미러(7, 8)의 더 작은 곡률 반경들 또는 더 작은 설치 길이들이 구현될 수 있다. 그러나 물론 렌즈(3)의 틸팅이 반드시 필요한 것은 아니며 틸팅 없이도 회절 제한되는 이미징이 달성될 수 있다.
폴딩 미러(7, 8) 및 구형 렌즈면(3a)의 곡률 반경들은 약 3 내지 약 6배 확장인 경우 전형적으로 제1 폴딩 미러(7)를 위해 약 100 - 300㎜이고 제2 폴딩 미러(8)를 위해 약 1000 - 2000㎜이거나 또는 렌즈(3)를 위해 약 200 - 400㎜이므로, 확장에 필요한 굴절력이 달성될 수 있다. 이 경우, 제2 폴딩 미러(8)와 렌즈(3) 사이의 간격은 예를 들어 약 100㎜와 150㎜ 사이 범위에 있을 수 있다. 물론, 특히 제시된 범위(3배 내지 6배) 밖에 있는 확장이 이루어져야 하는 경우, 위에서 제시된 값 범위들이 달라질 수 있다.
역시 도 9에서 파악할 수 있는 점은 적외선 스펙트럼 범위에 있는 파장을 가지는 입사 레이저빔(18)을 자외선 스펙트럼 범위에 있는 파장으로 주파수 변환을 하기 위한 주파수 변환 장치(17)가 상기 모듈(14) 위에 배치되어 있다는 것이다. 이 주파수 변환 장치(17)는 비선형 결정을 가지므로, 주파수 변환이 당업자가 아는 방식으로 달성될 수 있다. 역시 도 9에 적외선 레이저(19)가 도시되어 있으며, 이 예에서는 Yb:YAG 레이저로서 도시되어 있으며, 이것은 1030㎚의 파장을 갖는 IR 레이저 방사를 만들며, 이것은 주파수 변환 장치(17) 안에서 큰 방사 세기 및 약 343㎚의 파장을 갖는 UV 레이저 방사로 변환된다. 물론, 다른 유형의 레이저, 예를 들어 Nd:YVO4 레이저가 IR 레이저빔(18)의 발생을 위해 이용될 수 있다. Nd:YVO4 레이저의 경우에 레이저 파장은 1064㎚이고 주파수 변환 장치(17)에서 발생되는 제3 고조파는 약 355㎚이다.
도 9에 도시되어 있는 장치(11)에 의해 얻은, 평행 출사 레이저빔(5)의 파 필드의 스폿 다이어그램이 도 10에 도시되어 있으며, 입력빔 특성들 및 퓨필이 도 3, 도 5 및 도 6에 일치하게 선택되었으며 단지 스칼라(S3)가 100
Figure pct00008
로 작아졌다. 도 10에서 명확하게 알 수 있는 것처럼, 도시된 예에서 스폿들은 에어리 디스크(9) 내에 넓게 있는, 즉 빔 분포의 RMS 반경이 에어리 반경(약 42
Figure pct00009
)보다 훨씬 더 작으므로, 도 9에 도시되어 있는 광학 시스템은 레이저빔(4, 5)을 위해 또는 확장 이미징을 위해 회절 제한을 받는다. 그러나 이는, 도 10 좌측 위에 도시되어 있는 것처럼, 빔축(X 축) 방향으로 레이저빔(4)의 입사에 적용될뿐만 아니라 도 10에서 우측 위에 또는 좌측 아래 그리고 우측 아래에 도시된 스폿 다이어그램들에도 적용되고, 필드 각도가 약 0.2°만큼 다른 공간 방향으로 변경되어 있으며, 입력 개구는 시뮬레이션에서 제1 폴딩 미러(7) 앞에 150㎜에 배치되어 있다. 그러므로 레이저빔(4)의 입사가 축방향이 아닐지라도 회전 제한 이미징은 상기 장치(11)에 의해 달성될 수 있다.
요약하면, 위에서 설명한 장치들(11, 13)에 의해 레이저빔(4)의 확장은 동시에 이용된 광학 시스템(3, 7, 8)의 열화를 피하면서도 집중적인 레이저 방사에 의해 달성되며, 개별적인 광학 요소들(3, 7, 8)의 이미징 에러들의 상호 보상을 통해 전체적으로 이미징 에러들이 작게 유지되고 회절 제한 이미징이 얻어질 수 있다.

Claims (9)

  1. 레이저빔, 특히 UV 레이저빔(4)의 확장 장치(11, 13)로서, 상기 레이저빔 확장 장치는 평행 입사 레이저빔(4)을 확장하기 위한 2개의 구형 폴딩 미러(7, 8)를 가지는 텔레스코픽 장치(6) 및 확산 빔 경로에서 이 텔레스코픽 장치(7, 8)의 하류에 배치되어 있으며 확장된 레이저 빔(5)의 콜리메이션을 위한 구형 렌즈면(3a)을 가지는 렌즈(3)를 포함하며, 빔 경로 내 제1 폴딩 미러는 볼록하게 만곡된 구형 폴딩 미러(7)이고, 빔 경로 내 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러(8)인, 레이저빔의 확장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치가 콜리메이션된 레이저빔(5)의 빔 방향(X, Y)으로 렌즈(3)를 이송하기 위한 이송 장치(12)를 포함하는 레이저빔의 확장 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 렌즈는 평철 렌즈(3)이고, 평철 렌즈의 볼록한 구형 렌즈면(3a)은 텔레스코픽 장치(6)를 배향하고 있는 레이저빔의 확장 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 텔레스코픽 장치(6) 안으로 들어오는 레이저빔(4)의 빔방향(X)과 텔레스코픽 장치(6)로부터 나가는 레이저빔(5)의 빔방향(X)이 서로 평행하게 연장해 있는 레이저빔의 확장 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 텔레스코픽 장치(6) 안으로 들어오는 레이저빔(4)의 빔경로와 텔레스코픽 장치(6)로부터 나가는 레이저빔(5)의 빔경로가 교차하는 레이저빔의 확장 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 IR 범위에 있는 파장으로부터 UV 범위에 있는 파장으로 레이저빔(18)을 주파수 변환하기 위한 주파수 변환 장치(17)를 포함하는 레이저빔의 확장 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 레이저빔(18), 특히 IR 범위에 있는 파장을 가지는 레이저빔을 발생하기 위한 레이저(19)를 포함하는 레이저빔의 확장 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 확장된 발산 레이저빔의 빔 방향(X, Y)과 관련하여 렌즈(3)를 틸팅하기 위한 틸팅 장치(16)를 포함하는 레이저빔의 확장 장치.
  9. 2개의 구형 폴딩 미러들(7, 8)을 포함하는 텔레스코픽 장치(6)를 이용한 레이저빔, 특히 UV 레이저빔(4)의 확장 방법으로서, 빔 경로에 있는 제1 폴딩 미러는 볼록하게 만곡된 구형 폴딩 미러(7)이고 빔경로에 있는 제2 폴딩 미러는 오목하게 만곡된 구형 폴딩 미러(8)이며, 상기 방법은 빔경로에 있는 제1 폴딩 미러(7)에서 평행 입사 레이저빔(4)의 확장 및 빔경로에 있는 제2 폴딩 미러(8)에서 그리고 발산 빔 경로에서 텔레스코픽 장치(7, 8) 하류에 배치되어 있는 렌즈(3)에서 확장된 레이저빔의 콜리메이션을 포함하며, 이 렌즈는 구형 렌즈면(3a)을 가지는, 레이저빔의 확장 방법.
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