KR20180120137A - 영역 처리 응용분야용 균질 레이저 광원 - Google Patents

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제임스 버튼 클락
데이비드 이. 스펜스
제임스 데이비드 카프카
커티스 엘. 레티그
보르-치유안 황
마이클 스캇 하우저
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뉴포트 코포레이션
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Abstract

본 발명은 균질 레이저 광원에 관한 것이며, 적어도 하나의 모드리스 시드 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 모드리스 시드 소스, 시드 소스와 통신하고 시드 소스로부터의 모드리스 시드 신호를 수신하고 적어도 하나의 모드리스 증폭기 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 증폭기 및 증폭기 신호를 수신하고 모드리스 증폭기 신호에 응답하여 적어도 하나의 모드리스 고조파 출력 신호를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 광 발생기를 포함하며, 여기서 고조파 출력 신호의 파장은 모드리스 증폭기 신호의 파장과 상이하다.

Description

영역 처리 응용분야용 균질 레이저 광원
레이저 장치 및 시스템은 점점 더 많은 응용 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, 레이저 시스템 및 장치는 다수의 영역 처리(area processing) 응용 분야에서 널리 사용된다. 전형적으로, 이러한 영역 처리 응용 분야는 그 이득 매체가 실질적으로 균일한 빔 패턴을 본질적으로 산출하는 레이저 시스템 및 장치를 포함한다. 이러한 레이저 시스템 및 장치에 대한 예시적인 응용 분야는 포토리소그래피, 대면적 다결정 실리콘의 애닐링(annealing), 디스플레이 제조용의 레이저 리프트오프(lift-off) 및 아직 개발되지 않은 다른 표면 처리 응용 분야를 포함한다. 일반적으로, 경제적인 제조는 넓은 면적을 처리함으로써 가장 잘 달성되므로, 매우 높은 평균 파워에서 매우 균일한 빔이 요구된다.
현재, 영역 처리 응용 분야에 사용되는 다수의 레이저 시스템들이 존재한다. 예를 들어, 엑시머 레이저는 매우 큰 이득, 및 큰 균일 이득 단면을 가지며, 이는 그들이 레이저 캐비티 내에서 거의 왕복하지 않아도 매우 부드러운 출력 프로파일을 달성하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 특히 포토리소그래 및 애닐링 응용 분야과 관련된 영역 처리 응용 분야에서 엑시머 레이저 시스템을 사용하는 것과 관련된 다수의 단점이 확이되었다. 예를 들어, 엑시머 레이저는 유해 가스를 포함하는 소모성 재료를 사용한다. 또한, 엑시머 레이저 시스템은 다른 사용 가능한 레이저 시스템과 비교하여 다소 제한된 수명 및 높은 운영 비용을 갖는 경향이 있다.
상기 내용을 고려하여, 솔리드 스테이트(solid-state) 레이저 시스템이 일부 영역 처리 응용 분야에서 이미 사용되고 있다. 이러한 솔리드 스테이트 레이저 시스템은 매우 낮은 운영 비용 및 낮은 자본 투자를 가지므로, 산업 도구로서 유리할 수 있다. 그러나, 추가로 종종 복잡하고 값 비싼 빔 균질화 시스템을 사용하지 않고 요구되는 파워 및 펄스 에너지에서 솔리드 스테이트 레이저 광원을 이용하여 영역 처리 응용 분야에서 사용될 정도의 빔 균일성을 달성하는 것은 불가능하진 않더라도 어려웠다.
그러므로, 상기에 비추어, 공간적 시간적으로 간섭성인(coherent) 소스들의 공간 변조 특성이 없는, 고출력, 고휘도 광원을 제공할 수 있는 균질한(homogenous) 레이저 광 시스템에 대한 지속적인 요구가 존재한다.
본 출원은 영역 처리 응용 분야에서 사용하기 위한 레이저 광원의 다양한 실시예들에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 본 출원은 균질 레이저 광원에 관한 것이고, 적어도 하나의 모드리스(modeless) 시드 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 모드리스 시드 소스를 포함한다. 적어도 하나의 증폭기는 시드 소스와 통신하고, 시드 소스로부터 모드리스 시드 신호를 수신하고 적어도 하나의 모드리스 증폭기 신호를 출력하도록 구성된다. 증폭기 신호는 모드리스 증폭기 신호에 응답하여 적어도 하나의 모드리스 고조파 출력 신호를 생성하도록 구성된 적어도 하나의 비선형 광 발생기로 전송된다. 고조파 출력 신호의 파장은 모드리스 증폭기 신호의 파장과 상이하다.
다른 실시예에서, 본 출원은 적어도 하나의 시드 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 시드 소스를 포함하는 균질 레이저 광원에 관한 것이다. 시드 소스는 사용자가 시드 신호의 적어도 하나의 시간적 특성을 선택적으로 변경하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 증폭기는 이와 통신하고, 시드 신호를 수신하고 적어도 하나의 증폭기 신호를 출력하도록 구성된다. 적어도 하나의 비선형 광 발생기는 증폭기와 통신한다. 사용 중, 비선형 광 발생기는 증폭기 신호에 응답하여 적어도 하나의 균질 고조파 출력 신호를 생성하도록 구성되며, 여기서 균질 고조파 출력 신호의 파장은 증폭기 신호의 파장과 상이하다.
또 다른 실시예에서, 본 출원은 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광 시스템에 관한 것이다. 광 시스템은 균질 레이저 광원의 적어도 하나의 비선형 광 발생기와 광 통신하는 적어도 하나의 빔 디렉터(beam director)를 포함한다. 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치는 적어도 하나의 빔 디렉터와 광 통신한다. 레이저 라인 제너레이터는 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터로 입사된 적어도 하나의 비선형 광 발생기로부터의 적어도 하나의 고조파 출력 신호의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 재분포(redistribute)시켜, 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호를 생성하도록 구성된다.
또 다른 실시예에서, 본 출원은 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광 시스템에 관한 것이다. 광 시스템은 균질 레이저 광원의 적어도 하나의 비선형 광 발생기와 광 통신하는 적어도 하나의 빔 디렉터를 포함한다. 복수의 파웰(Powell) 렌즈가 빔 디렉터 부근에 배치되고 빔 디렉터와 광 통신할 수 있다. 각각의 파웰 렌즈는 개별적인 레이저 라인 제너레이터 장치로서 역할하도록 구성될 수 있고, 여기서 각각의 파웰 렌즈에 의해 출력된 각각의 레이저 라인 출력 신호의 적어도 일부분은 인접한 파웰 렌즈에 의해 출력된 인접 레이저 라인 출력 신호와 오버랩 및/또는 중첩되어, 복수의 파웰 렌즈 상으로 입사된 비선형 광 발생기로부터의 고조파 출력 신호의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 재분포시키고, 그로 인해 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호가 만들어진다.
마지막으로, 본 출원은 또한 적어도 하나의 광대역 시드 신호를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 광대역 시드 소스를 포함하는 광대역 레이저 광원을 개시한다. 적어도 하나의 증폭기는 시드 소스와 통신하고 광대역 시드 신호를 수신하고 적어도 하나의 광대역 증폭기 신호를 출력하도록 구성된다. 적어도 하나의 비선형 광 발생기는 적어도 하나의 증폭기와 통신하고, 이 적어도 하나의 비선형 제너레이터는 광대역 증폭기 신호에 응답하여 적어도 하나의 광대역 출력 신호를 생성하도록 구성되며, 여기서 광대역 출력 신호의 파장은 광대역 증폭기 신호의 파장과 상이하다.
본 명세서에서 설명된 영역 처리 응용 분야를 위한 균질 레이저 광원의 다양한 실시예들의 다른 특징 및 장점들은 아래의 상세한 살명을 고려할 때 더 명백해질 것이다.
영역 처리 응용분야용 균질 레이저 광원의 다양한 실시예들이 아래의 첨부된 도면을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 일 실시예의 블록도를 도시한다.
도 2는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 시드 소스를 갖춘 균질 레이저 광원의 다른 실시예의 블록도를 도시한다.
도 3은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 전치 증폭기를 갖춘 균질 레이저 광원의 다른 실시예의 블록도를 도시한다.
도 4는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 증폭기를 갖춘 균질 레이저 광원의 다른 실시예의 블록도를 도시한다.
도 5는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 비선형 광 발생기를 갖춘 균질 레이저 광원의 다른 실시예의 블록도를 도시한다.
도 6은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 일 실시예를 구성하기 위해 사용되는 다양한 컴포넌트들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 7은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 다른 실시예를 구성하기 위해 사용되는 다양한 컴포넌트들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 8은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 다른 실시예를 구성하기 위해 사용되는 다양한 컴포넌트들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 9는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 다른 실시예를 구성하기 위해 사용되는 다양한 컴포넌트들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 10은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 다른 실시예를 구성하기 위해 사용되는 다양한 컴포넌트들의 개략적인 도면을 도시한다.
도 11은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 일 실시예의 블록도를 도시한다.
도 12는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 이득 증폭기를 갖춘 균질 레이저 광원의 실시예의 블록도를 도시한다.
도 13은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 레이저 채널을 가지고 각 레이저 채널이 결합기와 통신하는, 균질 레이저 광원의 실시예의 블록도를 도시한다.
도 14는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한, 복수의 이득 채널을 가지고 각 이득 채널이 결합기와 통신하는, 균질 레이저 광원의 실시예의 블록도를 도시한다.
도 15는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원과 함께 사용하기 위한 광학 시스템의 일 실시예의 개략적인 도면을 도시한다.
도 16은 도 15에 도시된, 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원과 함께 사용하기 위한 광학 시스템의 실시예의 개략적인 도면을 도시한다.
도 17은 도 15에 도시된, 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 일 실시예 상에 설치된 광학 시스템의 실시예의 개략적인 도면을 도시한다.
도 18은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원과 함께 사용하도록 구성된 광학 시스템 내에서 사용하기 위한 굴절 레이저 라인 제너레이터 장치의 일 실시예의 개략적인 도면을 도시한다.
도 19는 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원과 함께 사용하도록 구성된 광학 서브시스템의 일 실시예의 블록도를 도시한다.
도 20은 영역 처리 응용분야에 사용하기 위한 균질 레이저 광원과 함께 사용하도록 구성된 광학 서브시스템의 다른 실시예의 블록도를 도시한다.
도 21은 종래기술의 레이저 시스템에 대한 본 발명의 균질 레이저 광원의 성능 및 장점을 비교한 차트를 도시한다.
도 22는 종래기술의 레이저 시스템에 대한 본 발명의 균질 레이저 광원의 성능 및 장점을 비교한 다른 차트를 도시한다.
도 23은 종래기술의 레이저 시스템에 대한 본 발명의 균질 레이저 광원의 성능 및 장점을 비교한 다른 차트를 도시한다.
도 24는 종래기술의 레이저 시스템에 대한 본 발명의 균질 레이저 광원의 성능 및 장점을 비교한 다른 차트를 도시한다.
본 출원은 균질 레이저 광원의 다양한 실시예를 개시한다. 하나의 실시예에서, 본 명세서에 서술된 레이저 광원은 공진기와 관련된 시간 모드 구조가 없고, 다중모드 빔을 야기하는 공간 구조를 가지는 고휘도 레이저 광원을 제공한다. 본 명세서에 개시된 균질 레이저 광원은 다양한 응용 분야용으로 바람직한 공간적으로 균질의 광원을 제공하기 위해 충분한 공간적 비간섭성과 더불어 충분한 공간적 대역폭을 가진다. 다른 실시예에서, 이러한 공간적으로 균질의 광원은 공간적 변조를 일으키고 다수의 응용 분야에서의 사용을 배제하게 만드는 스페클 및 간섭 효과(speckle and interference effect)로부터 충분히 자유롭다. 또한, 일 실시예에서, 본 명세서에 서술된 레이저 광원은 공진기와 연관된 저차(low-order) 공간 모드 구조 및 시간적으로 간섭성인 광원의 간섭으로 인한 고차(high-order) 공간 구조가 모두 없는 초고출력 파워(예컨대, 희망 파장 범위 내에서 수 백 와트 이상)를 동시에 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 본 명세서에 서술된 균질 레이저 광원은 대략 300nm 내지 대략 550nm의 파장 범위에서 대략 200W 이상(수 킬로와트까지)을 출력하도록 구성된다. 이처럼, 본 명세서에 개시된 레이저 광원의 몇몇 실시예는 레이저 애닐링 및 다른 영역 처리 응용 분야 등에서의 사용에도 적합하다. 당업자들은 본 명세서에 개시된 레이저 광 시스템이 매우 다양한 응용 분야에서 사용하도록 구성될 수 있음이 이해될 것이다.
이제, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 공진기와 연관된 저차 공간 모드 구조 및 간섭성 광원의 간섭으로 인한 고차 공간 구조가 모두 없는 고휘도 출력 신호를 제공하도록 구성된 균질 레이저 광원(10)의 다양한 실시예가 제공되어 있고, 이들 도면에서 유사한 부재번호들은 유사한 구성요소를 나타낸다. 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 균질 레이저 광원(10)은 적어도 하나의 시드 신호(14)를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 시드 소스(12)를 포함한다. 예를 들어, 도 1 및 도 3 내지 5는 단일 시드 신호(14)를 생성하는 단일 시드 소스(12)를 가진 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예를 도시한다. 이와 대조적으로, 도 2는 제1 시드 신호(14a)를 생성하는 제1 시드 소스(12a) 및 적어도 제2 시드 신호(14b)를 생성하는 적어도 제2 시드 소스(12b)를 가진 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 시드 소스(12a, 12b)는 실질적으로 동일한 시드 신호(14a, 14b)를 생성하도록 구성되고, 여기서 제1 및 제2 시드 신호(14a, 14b)는 실질적으로 동일한 파장, 대역폭, 파워, 편광, 펄스 폭, 펄스 반복률, 펄스 형상, 펄스 프로파일 등을 갖는다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 시드 소스(12a, 12b)는 상이한 광 특성을 가진 시드 소스를 포함한다. 예시적인 광 특성은 파장, 대역폭, 파워, 편광, 펄스률, 펄스 폭, 및 펄스 반복률 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 시드 소스(12a)는 제1 편광을 갖는 제1 시드 신호(14a)를 출력하도록 구성될 수 있고, 제2 시드 소스(12b)는 제2 편광을 갖는 시드 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 또한, 제2 시드 소스(12a, 12b) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 모드리스 시드 신호(14)를 생성하도록 구성된 모드리스 시드 소스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 공간 특성(즉, 대역폭)은 변경될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 모드리스 시드 신호(14)의 적어도 하나의 시간 특성(즉, 시간 펄스 프로파일, 길이 및/또는 폭)은 변경될 수 있다. 예를 들어, 시드 신호(14)의 시간 펄스 길이는 수십 피코초에서 1마이크로초까지의 범위 상에서 선택적으로 변할 수 있고, 그로 인해 시간적으로 제어 가능한 또는 시간적으로 조정 가능한 광원을 제공한다. 선택적으로, 다른 실시예에서, 시드 신호(14)의 시간 펄스 형상이 펄스의 지속시간에 걸쳐 시간상으로 실질적으로 일정한 프로파일과, 시간상으로 크게 피크된 프로파일 사이에서 제어 및 변경될 수 있다.
시드 소스(12)는 적어도 하나의 시드 신호(14)를 하나 이상의 증폭기 또는 증폭기 스테이지(20)로 출력하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 적어도 하나의 모드리스 시드 소스(12)는 적어도 하나의 모드리스 시드 신호(14)를 적어도 하나의 증폭기(20)로 출력한다. 대안으로서, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 모드리스 시드 소스(12)는 하나 이상의 모드리스 시드 신호(14)를 증폭기 스테이지(20) 이전에 모드리스 시드 신호를 사전 조정(pre-condition)하는데 사용되는 하나 이상의 전치 증폭기 스테이지(16)로 출력하도록 구성된다. 예를 들어, 도 2 내지 도 5는 적어도 하나의 시드 신호(14)를 조정 또는 수정하도록 구성된 전치 증폭기(16)(도 3에서는 제1 전치 증폭기(16a), 제2 전치 증폭기(16b))로 전송되는 시드 신호(14)(도 2에서는, 제1 시드 신호(14a), 제2 시드 신호(14b))의 출력을 도시한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 전치 증폭기(16)(도 3에서는, 제1 전치 증폭기(16a), 제2 전치 증폭기(16b))는 적어도 하나의 안정하고 저잡음의 광 전치 증폭기 출력 신호(18)를 제공하도록 구성된다. 선택사항으로서, 전치 증폭기(16)는 평균 파워를 일(1) 내지 천(1000) 배 증가시키도록 구성될 수 있고, 펄스의 시간적 형상을 재형성(reshape)할 수 있다. 도 2, 도 4 및 도 5는 단일 전치 증폭기(16)를 갖는 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예를 도시한다. 이와 대조적으로, 도 3은 제1 전치 증폭기(16a) 및 제2 전치 증폭기(16b)를 갖는 균질 레이저 광원(10)의 대안의 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 실시예에서는, 제1 및 제2 전치 증폭기(16a, 16b)의 출력이 결합되어 단일 전치 증폭기 출력 신호(18)를 형성하지만, 당업자들은 임의의 개수의 전치 증폭기(16)가 임의의 개수의 전치 증폭기 출력 신호(18)를 형성하기 위해 균질 레이저 광원(10)에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 도 4는 제1 전치 증폭기 출력 신호(18a) 및 적어도 제2 전치 증폭기 출력 신호(18b)를 생성하도록 구성된 전치 증폭기(16)의 일 실시예를 도시한다. 선택사항으로서, 균질 레이저 광원(10)은 전치 증폭기(16)(도 3에서는 제1 전치 증폭기(16a), 제2 전치 증폭기(16b))를 포함하지 않고 제조 및/또는 작동될 수 있다. 이와 같이, 모드리스 시드 소스(12)에 의해 출력된 모드리스 시드 신호(14)는 전치 증폭기(16)에 대한 니드에 앞서 증폭기 스테이지(20)로 직접 입력될 수 있다.
도 1 내지 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예는 적어도 하나의 전치 증폭기 출력 신호(18)를 수신 및 증폭하도록 구성된 적어도 하나의 증폭기(20)를 갖는다. 선택사항으로서, 증폭기 스테이지(20)는 시드 신호(14)를 수신하고 그에 응답하여 적어도 하나의 증폭된 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 증폭기 스테이지(20)가 도 1 내지 도 5에 도시된 임의의 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 적어도 제1 증폭 신호(22a)를 생성하도록 구성된 제1 증폭기(20a) 및 적어도 제2 증폭 신호(22b)를 생성하도록 구성된 적어도 제2 증폭기(20b)를 갖는 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 증폭기(20)는 게이트 및/또는 전압 제어 이득을 포함한다. 이와 같이, 증폭기(20)의 증폭율은 그것이 시간상으로 변하도록 제어될 수 있다. 선택사항으로서, 당업자들은 증폭기(20)가 게이트 및/또는 전압 제어 이득 없이 동작될 수도 있음을 이해할 것이다. 증폭기는 평균 파워를 일(1) 내지 천(1000) 배 증가시키도록 구성될 수 있고, 펄스의 시간적 형상을 재형성할 수 있다. 필요하다면 수 킬로와트까지 파워를 증가시키기 위해 추가적인 증폭기 스테이지가 추가될 수 있다.
도 1 내지 도 5를 다시 참조하면, 증폭기(20)(또는 도 4의 증폭기(20a, 20b))는 적어도 하나의 비선형 광 발생기로 전송될 수 있는 적어도 하나의 증폭 신호(22)를 출력한다. 도 1 내지 도 5에서, 비선형 광 발생기는 적어도 하나의 고조파 제너레이터(24)를 포함하지만, 당업자들은 임의의 다양한 비선형 광 발생기가 본 시스템에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예시적인 대안의 비선형 광 발생기는 광 파라메트릭 오실레이터(optical parametric oscillator), 차 주파수 제너레이터(difference frequency generator), 및 합 주파수 제너레이터(sum frequency generators) 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 증폭 신호(22)는 모드리스 증폭 신호(22)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모드리스 시드 신호(14)(도 1 참조) 및/또는 모드리스 전치 증폭기 신호(18)가 적어도 하나의 증폭기(20)로 전송된다면, 적어도 하나의 모드리스 증폭 신호(22)가 그것으로부터 출력될 수 있다. 선택사항으로서, 레이저 시스템(10)에 복수의 증폭기 스테이지가 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 제1 및 제2 증폭 신호(22a, 22b)를 적어도 하나의 고조파 제너레이터(24)로 출력하는 증폭기(20a, 20b)를 도시한다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 단일 고조파 제너레이터(24)는 균질 레이저 광원(10)에 포함될 수 있다. 대안으로서, 하나 이상의 고조파 제너레이터(24)가 레이저 광원에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 제1 고조파 출력 신호(26a)를 출력하도록 구성된 제1 고조파 제너레이터(24a) 및 적어도 제2 고조파 출력 신호 또는 보충 신호(26b)를 출력하도록 구성된 적어도 제2 고조파 제너레이터 또는 보충 시스템(24b)을 갖는 균질 레이저 광원(10)의 일 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 고조파 출력 신호(26a, 26b)는 실질적으로 동일한 파장이다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 고조파 출력 신호(26a, 26b)는 상이한 파장이다. 또한, 고조파 제너레이터(24)는 고조파 제너레이터(24)로 전송되는 적어도 하나의 모드리스 증폭 신호(22)를 기초로 적어도 하나의 모드리스 고조파 신호(26)를 출력하도록 구성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 고조파 출력 신호(26a, 26b)는 실질적으로 동일한 또는 상이한 광 특성을 가질 수 있는데, 예컨대, 이러한 광 특성은 파장, 대역폭, 파워, 편광, 펄스 폭, 펄스 반복률, 펄스 형상 및 빔 프로파일 등을 포함한다. 또한, 제1 및 제2 고조파 출력 신호(26a, 26b)를 결합하여 시스템 출력(32)을 생성하기 위해 하나 이상의 결합기 시스템 또는 추가적인 광 컴포넌트 또는 서브시스템(30)이 사용될 수 있다. 예시적인 추가 광 서브시스템(30)은 렌즈, 빔 디렉터, 센서, 검출기, 격자, 프리즘, 모드 스크램블러, 모드 쉐이퍼, 광섬유, 컨트롤러, 프로세서, 감쇠기, 및 컴퓨터 네트워크 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 14는 균질 레이저 광원(10) 및 그것의 다양한 구성요소 및 서브시스템의 다양한 실시예들을 도시한다. 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 균질 레이저 광원을 형성하는 다양한 컴포넌트들 및 서브시스템들은 단일 인클로저 또는 하우징(28) 내에 포함되어 있다. 이와 달리, 도 7 내지 도 10은 복수의 하우징 내에 위치하여 모듈형 균질 레이저 광원(10)을 생성하는, 균질 레이저 광원(10)의 다양한 서브시스템들을 도시한다. 도시된 바와 같이, 앞서 일반적으로 서술된 균질 레이저 광원(10)의 하나의 실시예에서, 유사한 부재번호는 유사한 구성요소를 나타내며, 균질 레이저 광원(10)은 적어도 하나의 전치 증폭기(16)로 시드 신호(14)를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 시드 소스(12)를 포함한다. 시드 소스(12)는 적어도 하나의 시간적으로 비간섭성인(incoherent) 저출력 광원(40)을 포함할 수 있다. 여기 서술된 비간섭성 저출력 시드 소스(40)는 공진기와 관련된 시간 모드 구조가 없는 고휘도 광원을 제공한다. 선택사항으로서, 시드 소스(12)는 하나 이상의 시간적으로 비간섭성인 고출력 광원을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 시드 소스(12)는 적어도 하나의 모드리스 시드 소스 신호(14)를 출력하도록 구성된 모드리스 시드 소스를 포함할 수 있다(도 1 참조). 선택사항으로서, 시드 소스(12)에 사용될 수 있는 임의의 다양한 저간섭성 또는 비간섭성 광원은 섬유 레이저 광원, Yb 섬유 광원, 증폭 자발 방출 소스(Amplified Spontaneous Emission source)(이하, ASE 소스라 함), 레이저 다이오드, 슈퍼 발광 다이오드, 및 비간섭성 결합 섬유 레이저 장치 및 시스템 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 하나의 특정 실시예에서, 시스 소스는 스펙트라-피직스(Spectra- Physics™)에 의해 제조된 적어도 하나의 퀘이사(Quasar™) 레이저 시스템을 포함하지만, 당업자들은 본 시스템과 함께 임의의 저간섭성 광원이 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
다시 도 1 내지 도 14를 참조하면, 모드 구조의 존재 또는 부재와 더불어, 시드 소스(12)의 대역폭 및 궁극적으로 출력 신호(32)의 대역폭은 레이저 광원(10)의 균질성 및 효율을 모두 결정하기 위해 사용될 수 있다. 더 균질성이 큰 소스의 경우, 스펙클(speckle)의 영향이 감소되기 때문에 더 큰 대역폭이 바람직하다. ASE 소스, Yb 섬유 소스 및 슈퍼 발광 다이오드 소스는 100nm 이상의 대역폭을 출력하도록 구성될 수 있다. 또한, 섬유 증폭기 시스템은 이러한 대역폭을 증폭시킬 수 있고, 벌크 이득 매체(예컨대, Yb 이득 매체) 또는 다른 이득 매체 장치는 수 십 나노미터의 대역폭을 증폭시키도록 구성될 수 있다. 그러나, 고조파 변환 결정은 대역폭이 증가하면 감소된 효율을 나타낸다. 예를 들어, 몇몇 제2 및 제3 고조파 생성(예컨대, LBO)은 대역폭이 수 나노미터를 초과하면 감소된 효율을 나타낼 수 있다. 하이 피크 출력 시스템의 경우, 더 큰 수용 대역폭을 갖는 더 짧은 결정들이 사용될 수 있고, BBO 등과 같은 더 큰 수용 대역폭을 갖는 다른 비선형 결정, 주기적으로 폴링된 재료, 및 유사한 재료 등이 사용될 수도 있다. 그러므로, 그것이 모드리스 시드 소스이든 아니든 관계없이 시드 소스(12)의 대역폭은 균질성 및 효율의 요건을 모두 충족하는 최종 대역폭을 갖는 출력 신호(32)를 산출하도록 선택될 수 있다.
모드 구조의 존재 또는 부재와 더불어, 시드 소스의 대역폭 및 궁극적으로 최종 시스템 출력의 대역폭은 소스의 균질성 및 효율을 모두 결정하는데 중요하다. 균질성이 높은 소스의 경우, 스페클의 영향이 감소되므로 더 큰 대역폭이 바람직하다. ASE 소스, Yb 섬유 소스 및 슈퍼 발광 다이오드 소스는 100nm의 대역폭을 모두 출력할 수 있다. 섬유 증폭기 시스템은 이러한 대역폭을 증폭시킬 수 있고, 벌크 Yb 이득 매체는 수 10nm의 대역폭을 증폭시킬 수 있다. 그러나, 고조파 변환 결정은 대역폭이 증가하면 감소된 효율을 나타낸다. 예를 들어, 몇몇 제2 및 제3 고조파 생성(LBO)은 대역폭이 수 nm를 초과하면 감소된 효율을 나타낼 수 있다. 하이 피크 출력 시스템의 경우, 더 큰 수용 대역폭을 갖는 더 짧은 결정들이 사용될 수 있고, BBO 등과 같은 더 큰 수용 대역폭을 갖는 다른 비선형 결정이 사용될 수도 있다. 그러므로, 그것이 모드리스 시드 소스이든 아니든 관계없이 시드 소스의 대역폭은 균질성 및 효율의 요건을 모두 충족하는 시스템으로부터의 최종 대역폭을 생성하도록 선택될 수 있다.
다시 도 1 내지 도 14를 참조하면, 시드 소스(12)는 선택사항으로서 그 안에 추가 구성요소 또는 컴포넌트를 포함한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 시드 소스(12)는 그 안에 하나 이상의 반도체 증폭기(42)를 포함한다. 또한, 하나 이상의 임의 웨이브폼 제너레이터(44)가 시드 소스(12) 내에 포함되거나 소스와 접속될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시드 소스(12)는 적어도 하나의 섬유 증폭기(48) 및 적어도 하나의 아이솔레이터(50)를 내부에 포함하지만, 당업자들은 시드 소스가 섬유 증폭기(48) 및 아이솔레이터(5)를 포함할 필요가 없음을 이해할 것이다.
도 1 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 시드 소스(12)로부터의 시드 신호(14)는 적어도 하나의 전치 증폭기(16)로 전송될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전치 증폭기(16)는 시드 소스(12)와 같이 동일한 하우징(28) 내에 함께 배치된다(도 1 내지 6 및 도 7 참조). 앞서 언급한 바와 같이, 균질 레이저 광원(10)은 전치 증폭기(16)를 포함할 필요가 없다. 그보다는, 균질 레이저 광원(10)은 다이렉트 시드 증폭기(20)를 포함할 수 있고, 이 증폭기(20)는 시드 소스(12)로부터 시드 신호(모드리스이든 아니든)를 수신하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 전치 증폭기(16)가 시드 소스(12)와는 별개인 하우징 내에 배치될 수 있다. 선택사항으로서, 전치 증폭기(16)는 그 내부에 임의의 개수의 전치 증폭기 모듈을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 전치 증폭기(16)는 제1 전치 증폭기 모듈(60) 및 제2 전치 증폭기 모듈(62)을 포함한다. 추가 전치 증폭기 모듈이 선택적으로 추가되거나 전치 증폭기(16)로부터 제거될 수 있다. 당업자들은 전치 증폭기가 적어도 하나의 벌크 전치 증폭기 및/또는 적어도 하나의 섬유 전치 증폭기를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 섬유 전치 증폭기는 비선형 효과를 최소화하도록 구성된 라지 모드 영역 섬유 증폭기로 이루어질 수 있다. 선택사항으로서, 라지 모드 영역 섬유는 적어도 하나의 단일 결정, 라지 모드 영역 섬유 전치 증폭기로 구성될 수 있다.
다시 도 1 내지 도 14를 참조하면, 전치 증폭기 출력 신호(18)는 적어도 하나의 증폭기(20)로 전송될 수 있다. 예를 들어, 도 4, 도 12 및 도 14에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 복수의 증폭기(20)가 균질 레이저 광원(10) 내에 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 적어도 하나의 파워 증폭기(20a) 및 적어도 하나의 섬유 증폭기(20b)가 균질 레이저 광원(10) 내에 사용될 수 있다. 대안의 실시예에서, 적어도 하나의 다이오드 펌프식 솔리드 스테이트 고 이득 증폭기(이하 DPSS 증폭기라 함)가 증폭기(20) 내에 포함될 수 있다. 이처럼, 동일한 유형 및 파워 등의 복수의 증폭기(20)가 균질 레이저 광원(10)에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상이한 유형 및 파워 등의 복수의 증폭기(20)가 균질 레이저 광원(10)에 사용될 수 있다. 선택사항으로서, 증폭기(20)는 시드 소스(12) 및 전치 증폭기(16) 중 적어도 하나와 동일한 하우징(28) 내에 배치될 수도 있고, 대안으로서, 별도의 하우징(28) 내에 배치될 수도 있다.
일 실시예에서, 증폭기(20)는 그 내부에 적어도 하나의 이득 재료 또는 매체를 포함한다. 예를 들어, 증폭기(20)는 적어도 하나의 네오디뮴-도핑된(이하, 'Nd-도핑된'이라 함) 바나데이트(vanadate) 장치를 포함할 수 있는데, 이 바다데이트 장치의 이득 특성은 매우 큰 이득(예컨대, 수 센티미터의 재료에 걸처 십(10)보다 큰 포화 이득)을 허용한다. 증폭기 내에 배치될 수 있는 이득 매체의, 그들의 상부 레이저 여기 상태로의, 직접 다이오드 펌핑은 이득 매체 내에 쌓이는 폐열의 30 퍼센트(30%)를 줄일 수 있고, 그로 인해 이득 매체 내의 과도한 온도 편차(excursion)를 줄인다. 다른 실시예에서, 균질 레이저 광원(10)은 레이저 빔 진행에 대한 횡단면에서 공간적 균일성을 달성하기 위해 예측 가능한 방식으로 입력된 구조화된 빔을 효과적으로 스크램블링하는 2개의 조출력 증폭기 스테이지 사이에서 저출력 광을 전송하도록 적어도 하나의 멀티모드 섬유를 포함한다. 선택적으로, 여기 서술된 멀티 스테이지 증폭기(20)의 모든 증폭 스테이지들은 동시에 광대역 증폭 및 고출력을 달성하기 위해 적어도 하나의 광대역 이득 매체로 구성될 수 있다. 이러한 이득 재료의 예는 이테르븀 도핑된 YAG, 이테르븀 도핑된 YALO, 이테르븀 도핑된 바나데이트, 이테르븀 도핑된 CALGO, 이테르븀 도핑된 루테튬, 이테르븀 도핑된 칼륨 플루오라이드(CaF2) 등을 포함한다. 본 실시예의 출력 광(22)은 고조파 발생기(24)에 의해 2배가 된 주파수의 후속 스테이지에서 변환될 수 있는 것의 한계까지, 수 nm의 선폭까지, 훨씬 더 넓은 스펙트럼을 제공할 수 있다. 대안으로서, 출력 광(22)은 고조파 발생기(24)에 의해 변환될 수 있는 것보다 훨씬 넓은 스펙트럼을 제공할 수 있다. 도 1 내지 도 14에 도시된 실시예가 적어도 하나의 고조파 발생기(24)를 포함하지만, 앞서 언급한 바와 같이 임의의 다양한 비선형 광 발생기가 고조파 발생기(24)를 대신하여 본 시스템에 교체될 수 있고 또는 그것과 더불어 제공될 수도 있다. 예시적인 대안의 비선형 광 발생기는 광 파라메트릭 오실레이터, 차 주파수 발생기 및 합 주파수 발생기 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 실시예에서, 증폭기(20) 내에 배치된 이득 요소는 광섬유 장치 또는 유사한 섬유 요소의 형상으로 제조될 수 있으나, 전형적인 단일 모드 섬유보다 직경이 크다. 이처럼, 광섬유 장치 또는 유사한 섬유 요소는 강성인 형태로 또는 대안으로서 순응적 형태로 뽑아질(drawn) 수 있다. 그 결과, 여기 서술된 실린더형 이득 장치는 들어오는 전치 증폭기 신호(18)에 대한 이득을 공급할 것이고, 섬유 전송의 다중 바운스 패턴은 빔을 균질화하는 효과를 가지고, 공간적 모드 스펙트럼을 실질적으로 확장시키는 유리한 효과를 가진다. 선택사항으로서, 증폭기(20)는 그 안에 임의의 개수의 증폭기 모듈을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 제1 증폭기 모듈(66) 및 제2 증폭기 모듈(68)이 적어도 하나의 증폭기(20)를 형성하기 위해 사용된다. 또한, 증폭기(20)는 그 안에 하나 이상의 추가 구성요소 또는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 섬유 모드 스크램블러(64)가 증폭기(20) 내에 포함될 수 있으나, 당업자들은 적어도 하나의 스크램블러가 시스템 내에 어디든 배치될 수 있음이 이해될 것이다.
도 1 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 증폭기(20)의 증폭된 출력(22)은 적어도 하나의 고조파 출력(26)을 만들기 위해 적어도 하나의 고조파 발생기(24)로 전송된다. 예를 들어, 도 14는 복수의 증폭기(20)와 통신하는 복수의 고조파 발생기(24)를 갖는 균질 레이저 광원(10)의 실시예를 도시하고, 각각의 고조파 발생기(24)는 적어도 하나의 고조파 출력(26)을 적어도 하나의 광 서브시스템(30)으로 출력하도록 구성된다. 선택사항으로서, 임의의 개수의 고조파 발생기(24)가 균질 레이저 광원(10) 내에 포함될 수 있다. 하나의 실시예에서, 고조파 발생기(24)는 시드 소스(12), 전치 증폭기(16) 및 증폭기(20) 중 적어도 하나와 동일한 하우징(28) 내에 배치될 수도 있고, 대안으로서, 별도의 하우징(28) 내에 배치될 수도 있다. 고조파 발생기(24)는 증폭기 신호(22)로 조사되는 것에 응답하여 적어도 하나의 고조파 출력을 생성하도록 구성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 고조파 발생기 출력 신호(26)는 대략 50nm 내지 대략 1500nm의 파장을 가진다. 대안의 실시예에서, 고조파 발생기 출력 신호(26)는 대략 100nm 내지 대략 400nm의 파장을 가진다. 선택사항으로서, 고조파 발생기 출력 신호(26)는 대략 300nm 내지 대략 550nm의 파장을 가지지만, 당업자들은 고조파 발생기(24)가 적어도 하나의 고조파 출력 신호(26)를 증폭 신호(22)의 파장에 따라 임의의 원하는 파장으로 출력하도록 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 일 실시예에서, 고조파 발생기(24)는 입력 신호의 제2 고조파를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 결정을 포함한다. 다른 실시예에서, 고조파 발생기(24)는 입력 신호의 제3 고조파를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 결정을 포함한다. 다른 실시예에서, 고조파 발생기(24)는 입력 신호의 제4 고조파를 출력하도록 구성된 적어도 하나의 결정을 포함한다. 간단히 말해, 고조파 발생기(24)는 입력 신호의 임의의 고조파를 출력하도록 구성될 수 있다. 몇몇 응용에서, 시드 신호(14), 전치 증폭기 출력 신호(18), 및/또는 증폭 신호(22)의 적어도 일부가 또한 균질 레이저 광원(10)으로부터 방출될 수 있다.
도 13 및 도 14는 하나 이상의 고조파 발생기(24)의 고조파 신호(26)를 조절, 수정 및/또는 결합하기 위한 광 서브시스템 또는 결합기(30)를 포함하는 균질 레이저 광원(10)의 다양한 실시예를 도시한다. 당업자들은 본 명세서에 도시된 균질 레이저 광원(10)의 임의의 실시예들이 하나 이상의 고조파 발생기(24)의 고조파 신호(26) 또는 균질 레이저 광원(10) 내에서 생성된 다른 신호들을 조절, 수정, 및/또는 결합하기 위해 적어도 하나의 광 서브시스템 또는 결합기(30)를 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 도 15 및 도 16은 도 13 및 도 14에 도시된 광 서브시스템(30)의 실시예들의 다양한 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 광 서브시스템(30)은 그 안에서 적어도 하나의 광 신호를 수신하고 광 신호를 조절, 수정 및/또는 결합하여 적어도 하나의 시스템 출력 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 광 서브시스템(30)은 하나 이상의 고조파 발생기(24) 및/또는 보조 시스템(24b)으로부터의 고조파 신호(26a, 26b, 26c, 및 26d)를 수신하도록 구성된다(도 5, 도 13, 도 14 참조). 도 16은 입사된 복수의 고조파 신호(26)를 갖는 광 서브시스템(30)을 도시한다. 당업자들은 임의의 개수의 고조파 신호(26)가 도 15 및 도 16에 도시된 광 서브시스템(30)의 실시예와 함께 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 하나의 실시예에서, 도 15에 도시된 고조파 신호(26a, 26b, 26c, 및 26d) 및 도 16에 도시된 고조파 신호(26)는 적어도 하나의 빔 디렉터(84)에 의해 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치(88)로 전송된다. 도시된 실시예에서, 빔 디렉터(84)는 제1 디렉터 몸체(86a) 및 제2 디렉터 몸체(86b)를 포함하지만, 당업자들은 빔 디렉터(84)가 임의의 개수의 디렉터 몸체를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 예시적인 빔 디렉터(84)는 평면 미러, 아치형 미러, 격자, 폴드 미러, 프리즘, 마름모 등을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 도시된 실시예에서, 빔 디렉터 몸체(86a, 86b)는 실질적으로 평평한 반사기를 포함한다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2 디렉터 몸체(86a, 86b) 중 적어도 하나는, 예컨대, 아치형 반사기와 같은 비평면 몸체를 포함할 수 있다.
선택사항으로서, 하나 이상의 잠망경, 렌즈, 광학 스위트, 광섬유, 필터 및 격자 등이 고조파 신호(26a-26d) 중 적어도 일부분을 조절하거나 또는 빔 디렉터(84)로 전송하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 잠망경은 적어도 하나의 고조파 발생기(24)로부터 고조파 신호(26a-26d)를 수신하고, 고조파 신호(26a-26d)를 빔 디렉터(84)의 제1 및 제2 디렉터 몸체(86a, 86b) 중 적어도 하나로 전송하기 위해 사용될 수 있다. 도 16은 도 1 내지 도 14에 도시된 고조파 발생기(24)로부터 적어도 하나의 고조파 신호(26)를 수신하도록 구성된 복수의 잠망경 어셈블리(112)를 가진 광 서브시스템(30)의 실시예를 도시한다.
다시 도 13 내지 도 16을 참조하면, 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치(88)가 원하는 조사 프로파일을 갖는 적어도 하나의 출력 신호(32)를 만들도록 고조파 신호(26a-26d)를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 하나의 실시예에서, 레이저 라인 제너레이터(88)는 하나 이상의 라인 제너레이터 부재(90)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 라인 제너레이터 부재(90)는 파웰 렌즈를 포함한다. 이처럼, 레이저 라인 제너레이터 장치(88)는 복수의 파웰 렌즈로 구성될 수 있고, 이 파웰 렌즈는 각각의 라인 제너레이터 부재(90)로서 역할한다. 임의의 개수의 라인 제너레이터 부재(90)가 레이저 라인 제너레이터 장치를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 파웰 렌즈는 라인을 따라 입력된 광을 재분배하는 매우 높은 구면 수차를 생성하도록 구성되어 있는 복합(complex) 2차원 비구면 곡선 몸체를 포함한다. 이처럼, 라인 제너레이터 부재(90)로 입사된 고조파 신호(26a-26d)의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일은 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 가지는 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호(92)를 산출하기 위해 재분배된다. 예를 들어, 도 15는 4개의 레이저 라인 출력 신호(92a- 92d)가 레이저 라인 제너레이터 장치(88)의 라인 제너레이터 장치(90)에 의해 출력되고, 각각의 레이저 라인 출력 신호(92a-92d)가 실질적으로 균일한 강도를 가지는 하나의 실시예를 도시한다. 이와 유사하게, 도 16은 실질적으로 균일한 강도를 갖는 3개의 레이저 라인 출력 신호(92)가 레이저 라인 제너레이터 장치(88)의 라인 제너레이터 장치(90)에 의해 출력되는 실시예를 도시한다. 일 실시예에서, 레이저 라인 출력 신호(92)의 개수는 레이저 라인 제너레이터 장치(88)를 형성하는데 사용된 라인 제너레이터 부재(90)의 개수와 일치할 것이다. 예를 들어, 16개의 라인 제너레이터 부재(90)가 개략 `16개의 레이저 라인 출력 신호(92)를 출력할 것이고, 각각의 레이저 라인 출력 신호(92)는 균일한 강도를 가진다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 라인 제너레이터 부재(90)는 적어도 하나의 실린더형 렌즈를 포함한다. 선택사항으로서, 라인 제너레이터 부재(90)는 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 출력 신호(32)를 만들기 위해 입사된 광 신호의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 재분배하도록 구성된 하나 이상의 비구면 렌즈 또는 렌즈 시스템을 포함한다. 당업자들은 라인 제너레이터 부재(90)가 굴절 광학부재, 굴절 빔 형성기, 회절 광학 부재, 회절 빔 형성기 등과 같은 임의의 개수의 추가적인 또는 대안의 광학부재들을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 도시된 실시예에서, 레이저 라인 제너레이터 장치(88)는 실질적으로 평평한 몸체를 포함한다. 선택사항으로서, 레이저 라인 제너레이터 장치(88)는 실질적으로 아치형 몸체를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 라인 제너레이터 장치(88)는 임의의 다양한 형상, 크기, 및/또는 구성으로 형성될 수 있다.
도 13 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 각각의 레이저 라인 출력 신호의 적어도 일부분은 인접한 레이저 라인 출력 신호와 오버랩 또는 중첩된다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이, 레이저 라인 출력 신호(92a- 92d)는 동시에 일치한다(coincidental). 이처럼, 대체로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 합성 광 신호(96)는 중첩된 인접한 레이저 라인 출력 신호(92a-92d)로부터 형성된다. 이와 유사하게, 도 16은 적어도 하나의 합성 광 신호(96)가 인접한 레이저 라인 신호(92)의 합에 의해 생성되는 것을 도시한다. 합성 광 신호(96)는 처리 중인 적어도 하나의 견본, 샘플, 기판 또는 구성요소로 전송될 수 있는 적어도 하나의 출력 신호(32)를 출력하기 위해, 합성 광 신호(96)를 조절, 집중, 또는 변경하도록 구성된 적어도 하나의 집광 렌즈 또는 다른 광학 시스템(94)으로 전송될 수 있다. 하나의 실시예에서, 집광 렌즈(94)는 적어도 하나의 실린더형 렌즈를 포함하지만, 임의의 다양한 또는 임의의 개수의 집광 장치가 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 하나 이상의 빔 덤프 또는 반사기(114a, 114b)가 합성 광 신호(96)를 형성하기 위해 또는 출력 신호(32)를 수정하기 위해 포함될 수 있다. 선택사항으로서, 임의의 개수의 추가 광학 요소, 카메라, 검출기, 광학 스테이지, 컨트롤러 및 센서 등이 시스템에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 카메라는 공정 시퀀스 동안, 예컨대, 표면 어닐링 공정 동안 기판을 검사하기 위해 사용될 수 있다.
도 15 및 도 16은 광학 서브시스템(30)의 다양한 실시예를 제1 방향으로부터 도시한다. 이와 대조적으로, 도 17은 제1 방향에서 본 적어도 하나의 레이저 시스템(10)에 연결된 광학 서브시스템(30)의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 2개의 레이저 시스템(10)은 원하는 위치에 고정되거나 선택적으로 이동 가능하도록 구성될 수 있는 시스템 프레임 부재(120)에 연결된다. 레이저 시스템(10)의 고조파 출력 신호(26)는 하나 이상의 광학 컴포넌트 또는 장치(100)로 전송될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 시준기 및 빔 확장기 등이 고조파 출력 신호(26)를 조절 또는 수정하기 위해 사용될 수 있다. 그 후, 고조파 출력 신호(26)는 다양한 모터, 짐벌, 스테이지 및 광학 요소 등을 포함할 수 있는 하나 이상의 잠망경 어셈블리를 이용하여 광학 서브시스템(30)으로 전송될 수 있다. 그 다음, 상술한 바와 같이, 고조파 광 신호(26)는 빔 디렉터(84)에 의해 레이저 라인 제너레이터 장치(88)로 전송된다. 도시된 실시예에서, 오직 단일 레이저 라인 제너레이터 장치(88)가 광학 서브시스템(30) 내에서 그러한 방향으로 도시되어 있다. 당업자들은 동일한 또는 상이한 방향으로 배치된 임의의 개수의 레이저 라인 제너레이터 장치(88)가 광학 서브시스템(30)에 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 레이저 라인 제너레이터 장치(88)는 집광 장치(94)로 전송되는 적어도 하나의 레이저 라인(92)을 만들기 위해 고조파 신호(26)를 수정한다. 집광 장치(94)는 레이저 라인을 집중시키고, 적어도 하나의 출력 신호를 적어도 하나의 기판 또는 견본(98)으로 출력한다. 하나 이상의 카메라 또는 센서(116)가 기판의 프로세싱을 모니터하기 위해 사용될 수 있다.
도 15 내지 도 17에 도시된 광학 서브시스템(30)의 실시예들은 굴절 레이저 라인 제너레이터 장치(88)를 포함한다. 이와 대조적으로, 도 18은 반사형 레이저 라인 제너레이터 장치(128)의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 고조파 신호(26a, 26b)는 빔 디렉터(124)에 의해 집광 장치(94)로 전송될 수 있는 하나 이상의 레이저 라인(92a, 92b)을 생성하는 반사형 레이저 라인 제너레이터(128)로 전송된다. 도시된 실시예에서, 레이저 라인 제너레이터 장치(128)는 아치형 몸체를 포함하지만, 당업자들은 레이저 라인 제너레이터 장치(128)가 임의의 다양한 구성으로 형성될 수 있음을 이해할 것이다. 이전 실시예와 마찬가지로, 레이저 라인 제너레이터 장치(128)는 하나 이상의 파웰 렌즈 또는 요소, 실린더형 렌즈, 및 비구면 광학 요소 등을 포함할 수 있다. 선택사항으로서, 레이저 라인 제너레이터 장치(128)의 임의의 표면은 그 위에 형성된 하나 이상의 라인 제너레이터 부재(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 면(132), 제2 면(134) 또는 그 둘 모두는 그 위에 형성된 하나 이상의 라인 제너레이터 부재(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 당업자들은 회절 레이저 라인 제너레이터 장치(88)가 사용될 수도 있음을 이해할 것이다.
다른 실시예에서, 수 킬로와트의 합성 광 신호(96) 또는 출력 신호(32)를 생성하기 위해 광학 서브 시스템 또는 결합기(30)에서 결합되는 고조파 발생기(24)로부터의 대략 16개의 고조파 신호(26)가 존재한다. 이 실시예에서, 고조파 신호(26)의 추가는 합성 광 신호(96) 또는 출력 신호(32)를 평균화하여 공간적 균일성을 향상시킬 수 있다. 하나의 실시예에서, 균질 레이저 광원(10)의 특성과 함께 이러한 공간적 평균화를 결합하면, 기판 또는 견본(98)에서의 공간적 강도 변화가 10% 미만이 된다. 다른 실시예에서, 기판 또는 견본(98)에서의 공간적 강도 변화는 5% 미만이다. 또 다른 실시예에서, 기판 또는 견본(98)에서의 공간적 강도 변화는 1% 미만이다.
도 19 및 도 20은 광학 서브시스템(30)에 의한 가우시한 고조파 신호(26)의 실질적으로 균일한 강도를 가지는 출력 신호(32)로의 변환을 도시한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 양방향으로 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지는 단일 고조파 신호(26)는 광학 서브시스템(30)으로 전송된다. 상기 도 15 내지 도 18에 서술된 광학 서브시스템은 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도 프로파일을 가지고 다른 방향으로 실질적으로 가우시안 강도 분포를 가지는 출력 신호(32)를 만들도록 고조파 신호(26)의 강도 프로파일을 수정한다. 이와 대조적으로, 도 20은 각각 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 가지고, 광학 서브시스템(30)으로 전송되는 복수의 고조파 신호(26)를 도시한다. 고조파 신호(26)는 광학 서브시스템에 의해 오버랩되도록 만들어진다. 또한, 상기 도 15 내지 도 18에 서술된 광학 서브시스템은 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도 프로파일을 가진 출력 신호(32)를 만들도록, 중첩된 고조파 신호(26)의 강도 프로파일을 수정한다.
도 21 내지 도 21은 레이저 어닐링 응용분야에 사용되는 종래기술의 레이저 시스템과 비교하여 본 명세서에 개시된 새로운 균질 레이저 광원의 장점을 도표로 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 새로운 균질 레이저 광원은 종래기술의 시스템과 비교하여 향상된 성능 및 유연성을 저비용으로 제공한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 원리를 설명할 목적이다. 본 발명의 범위 내에서 다른 변형이 채용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 장치는 본 명세서에 도시되고 서술된 것으로 엄격하게 제한되지 않는다. 또한, 본 발명이 대면적 공정 등에 사용하기 위한 균질 레이저 광원의 사용을 개시하지만, 당업자들은 본 명세서에 개시된 균질 레이저 광원이 임의의 다양한 추가적인 응용 분야에 사용될 수 있음이 이해될 것이고, 그러한 분야는 생체 조직 치료 또는 검사, 부품 및/또는 재료의 검사 등을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

Claims (6)

  1. 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템으로서,
    균질 레이저 광원의 적어도 하나의 비선형 광 발생기와 광통신하는 적어도 하나의 빔 디렉터;
    상기 적어도 하나의 빔 디렉터와 광통신하는 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치는 상기 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치로 입사된 상기 적어도 하나의 비선형 광 발생기로부터의 적어도 하나의 고조파 출력 신호의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 재분배하여, 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치는 인접하게 배치된 복수의 파웰(Powell) 렌즈를 포함하고, 각 파웰 렌즈는 각각의 레이저 라인 제너레이터 장치로서 역할하도록 구성되고, 각각의 파웰 렌즈에 의해 출력된 각각의 레이저 라인 출력 신호의 적어도 일부분은 인접한 파웰 렌즈에 의해 출력된 인접한 레이저 라인 출력 신호와 중첩되고 및/또는 포개어진 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저 라인 제너레이터 장치는 매우 높은 구면 수차를 가진 적어도 하나의 복합(complex) 2차원 비구면 곡면 몸체를 포함하고, 적어도 하나의 복합 2차원 비구면 곡면 몸체 각각은 각각의 레이저 라인 제너레이터 장치로서 역할하도록 구성되고, 적어도 하나의 복합 2차원 비구면 곡면 몸체 각각에 의해 출력된 각각의 레이저 라인 출력 신호 출력의 적어도 일부분은 인접한 적어도 하나의 복합 2차원 비구면 곡면 몸체에 의해 출력된 인접한 레이저 라인 출력 신호와 중첩되고 및/또는 포개어진 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호의 강도를 적어도 한 방향으로 집광시키도록 구성된 적어도 하나의 실린더형 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  5. 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템으로서,
    균질 레이저 광원의 적어도 하나의 비선형 광 발생기와 광통신하는 적어도 하나의 빔 디렉터;
    인접하게 배치되며 상기 적어도 하나의 빔 디렉터와 광통신하는 복수의 파웰(Powell) 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 파웰 렌즈의 각각의 파웰 렌즈는 각각의 레이저 라인 제너레이터 장치로 역할하도록 구성되고, 각각의 파웰 렌즈에 의해 출력된 각각의 레이저 라인 출력 신호의 적어도 일부분은 인접한 파웰 렌즈에 의해 출력된 인접 레이저 라인 출력 신호와 중첩되고 및/또는 포개어지고, 상기 복수의 파웰 렌즈로 입사된 상기 적어도 하나의 비선형 광 발생기로부터의 적어도 하나의 고조파 출력 신호의 실질적으로 가우시안 강도 프로파일을 재분배함으로써, 한 방향으로 실질적으로 균일한 강도를 갖는 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 레이저 라인 출력 신호의 강도를 적어도 한 방향으로 집광시키도록 구성된 적어도 하나의 실린더형 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 균질 레이저 광 시스템과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
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