KR20190008136A - 레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치 - Google Patents

레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치 Download PDF

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Abstract

레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치는 서로 이격된 2 개의 빔 변환 장치(2, 3), 및 상기 2개의 빔 변환 장치(2, 3)를 통과한 레이저 방사선을 선형 강도 분포로 포커싱할 수 있는 포커싱 수단(6a, 6b)을 포함하고, 상기 장치는 선형 강도 분포의 라인 횡 방향의 라인 폭이 상기 2 개의 빔 변환 장치(2, 3) 사이의 거리의 변경에 의해 변경될 수 있도록 설계된다.

Description

레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치{DEVICE FOR GENERATING A LINE-LIKE INTENSITY DISTRIBUTION OF A LASER RADIATION}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
특히 큰 심도를 갖는 길고 균질하며(homogeneous) 좁은 레이저 라인을 생성하기 위해, 굴절 또는 반사 빔 변환 장치가 사용될 수 있고, 상기 빔 변환 장치는 멀티 모드 레이저(M2>10), 예를 들어 고체 레이저의 모드 구성을 재배치하여, 빔 품질(또는 회절 계수 또는 모드 개수 또는 빔 발산)을 횡 방향(Y)에 대해 상당히 낮추고 다른 방향(X)에 대해 높인다. 결과적으로, 그 뒤에 배치된 광학 장치에 의해 X 방향의 방사선(긴 라인 축)이 매우 양호하게 균질화될 수 있다. Y 방향(라인 단면)에서, 방사선은 매우 양호하게 포커싱될 수 있으며, 큰 심도가 달성될 수 있다. 또한, 간단하게 구성된, 낮은 NA의 포커싱 광학 장치로 큰 작동 거리가 달성될 수 있는 것이 바람직하다. 상응하는 장치는 EP 1 896 893 A1에 개시되어 있다.
2 개의 렌즈 어레이로 구성된 굴절 빔 변환 장치들이 US 5,513,201에 개시되어 있다. 이들은 레이저 다이오드 어레이의 방사선을 번들링하는 역할을 한다. EP1006382A1에는 2 개의 양면 볼록 실린더 렌즈 어레이를 구비한 또 다른 빔 변환 장치가 개시되어 있다.
본 발명의 과제는 선형 강도 분포의 라인 횡 방향에서의 라인 폭을 조절할 수 있는 상기 유형의 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 제 1 항의 특징들을 갖는 전술한 유형의 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관한 것이다.
청구항 제 1 항에 따르면, 장치는 선형 강도 분포의 라인 횡 방향에서의 라인 폭이 2 개의 빔 변환 장치 사이의 거리의 변경에 의해 변경될 수 있도록 설계된다. 그 결과, 선형 강도 분포의 라인 횡 방향에서의 라인 폭이 간단한 방식으로 조절될 수 있다.
특히 고체 레이저와 같은 멀티 모드 레이저를 사용하여 좁은 레이저 라인을 형성할 때 상기 라인 폭의 제어가 무단으로 기술적으로 쉽게 실현될 수 있다. 이러한 방식으로, X 방향의 발산, 예컨대 장치의 설계와는 다른 레이저 발산을 조절하는, 빔 변환 장치들과 레이저 광원 사이의 광학 수단들의 제조 에러 및 조정 에러 그리고 빔 변환 장치들의 제조 공차가 광학적으로 보상될 수 있다. 또한, 이로 인해 빔 변환 장치들 내의 광 강도가 사용된 재료의 손상 임계치 미만이 되도록 추가로 감소할 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 장치의 일 실시 예의 개략적인 측면도.
도 1b는 도 1a에 따른 장치의 개략적인 평면도.
도 2는 2 개의 빔 변환 장치 중 제 1 빔 변환 장치의 입사면 상의 레이저 방사선의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 빔 변환을 나타낸 도면.
도 4a는 2 개의 빔 변환 장치 중 제 1 빔 변환 장치의 입사면 상의 레이저 방사선의 단면도.
도 4b는 2 개의 빔 변환 장치 중 제 2 빔 변환 장치의 출사면 상의 레이저 방사선의 단면도.
도 5는 장치의 일부의 개략적인 사시도.
도 6은 빔 변환 장치의 제 1 실시 예의 단면도.
도 7은 빔 변환 장치의 제 2 실시 예의 단면도.
도 8은 2 개의 빔 변환 장치 및 포커싱 수단을 통한 척도에 맞지 않는 예시적인 빔 경로를 나타낸 도면.
도 9는 2 개의 빔 변환 장치들 사이의 거리에 대한 라인 횡 방향에서의 빔 허리의 의존성을 나타내는 다이어그램.
도 10은 2 개의 빔 변환 장치의 사시도.
도면들에서, 동일하거나 기능적으로 동일한 부분들은 동일한 도면 번호로 표시되어 있다. 일부 도면에서 방향 결정을 쉽게 하기 위해 직교 좌표계가 도시되어 있다.
직교 좌표계에서 발생하는 레이저 방사선의 선형 강도 분포는 X 방향으로 연장되는 라인 길이 방향과 Y 방향으로 연장되는 라인 횡 방향을 갖는다.
도 1에 도시된 장치는 개략적으로 도시된 레이저 광원(10), 애너모포틱(anamorphotic) 망원경(1), 제 1 및 제 2 빔 변환 장치(2, 3), 및 특히 X 방향 또는 라인 길이 방향으로 작용하는 균질기 수단들(4)을 포함한다. 상기 장치는 X 방향 푸리에 광학 수단(5a, 5b) 및 Y 방향 포커싱 수단(6a, 6b)을 더 포함한다.
레이저 광원(10)은 예를 들면, 레이저 다이오드로 펌핑된 고체 레이저로서 설계될 수 있다. 균질기 수단들(4)은 예를 들어, 레이저 방사선의 전파 방향으로 또는 Z 방향으로 연속해서 배치된 2개의 실린더 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 실린더 렌즈 어레이의 실린더 축은 Y 방향으로 연장된다.
애너모포틱 망원경(1)은 제 1 빔 변환 장치(2)의 입사면에서 긴 축(X)으로 좁은 타원형 허리(7)를 형성하는 역할을 한다(도 2 참조). 빔 변환 장치들(2, 3)은 2 개의 굴절 또는 반사 어레이로서 설계될 수 있다.
빔 변환 장치들(2, 3)의 후방 및 균질기 수단(4)의 전방에는 X 방향으로 작용하는 광학 수단들(8)이 제공될 수 있다.
특히, 빔 변환 장치들(2, 3)의 각각은 굴절 어레이로 이루어진다. 제 1 어레이에서, 타원형 허리(7)는 다수의, 특히 m 개의 부분 빔(9) 또는 X 방향의 세그먼트들로 분할된다. 대안으로서, 레이저 방사선은 상기 어레이 앞에서 추가의 분할 광학 장치로 분할될 수 있다. 또한, 부분 빔들(9)은 입력부과 비교할 때 빔 변환 장치들(2, 3)의 출력부에서 XY 평면에서 45 °축에 대해 반사되도록 변환된다. 도 3a 및 도 3b에서, 이것은 부분 빔 (9)의 단면의 모서리 A, B, C, D의 변환에 의해 도시된다. 도 4a 및 4b에는 입력 측에서 인접한 부분 빔(9)이 그리고 도 4b에는 출력 측에서 변환된 부분 빔(9')이 도시되어 있다.
어레이들의 사이 공간에서 부분 빔들은 어느 정도 포커싱된다.
변환은 광 번들 전체에 대해 회절 계수 M2를 이방성으로 변화시킨다. 특히, M2는 Y 방향에 대해 m 배 감소하고, X 방향에 대해 m 배 커진다. 또한, 한편으로는 타원형 허리(7)의 긴 축 또는 X 방향과 관련한 작은 입력 발산(θx)과 타원형 허리(7)의 좁은 축 또는 Y 방향과 관련한 큰 입력 발산(θy)이 변환 후에 바뀔 수 있다.
Figure pat00001
(1)
빔 변환 장치(2, 3)의 바람직한 실시 예는 2개의 실린더 렌즈 어레이들로 이루어지고, 상기 실린더 렌즈 어레이의 실린더 축은 X 방향 및 Y 방향에 대해 45°의 각으로 정렬된다(도 2, 도 5 및 도 10 참조). 이 경우, 제 1 빔 변환 장치(2)를 형성하는 어레이의 실린더 축은 제 2 빔 변환 장치(3)를 형성하는 어레이의 실린더 축에 대해 평행하게 정렬된다.
어레이의 개별 실린더 렌즈 쌍은 부분 빔에 대해 배율 -1로 Keppler 망원경을 형성한다:
Figure pat00002
(2)
상기 등식 2는 도 6에 따른 실시 예에만 적용된다. 도 6에 따른 실시 예는 내부 렌즈 면에서의 에너지 밀도가 도 7에 따른 실시 예에서보다 낮다는 장점을 갖는다. 도 6 및 도 7에서, 제 1 및 제 2 빔 변환 장치(2, 3)의 렌즈 면의 반경은 R1 및 R2로 표시되어 있다. d는 대향 렌즈 면들 사이의 거리를 나타낸다. F1, F1', F2 및 F2'는 도 6 및 도 7에서 실린더 렌즈의 전방 및 후방 초점 거리를 나타낸다. 도 7에서 dg는 실린더 렌즈의 두께를 나타낸다.
오목한 계단을 갖는 교차된 계단 거울을 갖는 실시 예도 원칙적으로 가능하다. 그러나 오목한 계단은 수차를 보상할 수 있도록 적절한 형상을 가져야 한다.
등식 1에 따른 출력부에서의 빔 발산은, 예를 들어 등식 2에 따른 텔레스코픽 조건들이 도 6에 따른 구성에 대해 정확히 충족되도록 렌즈 어레이들 사이의 거리(d)가 선택되면 유효하다.
한편으로는, 거리(d)의 미세 조정에 의해, 출력 빔의 발산이 변경될 수 있다. 다른 한편으로는, 반경의 제조 에러가 보정될 수 있다. 또한, 제조 에러 및 조정 에러는 X 방향 발산, 예컨대 장치의 설계와는 다른 레이저 발산을 조절하는, 빔 변환 장치들과 레이저 광원 사이의 광학 수단들에 의해 광학적으로 보상될 수 있다.
거리 Δ = d-d0가 변경될 때, 빔 변환 장치들(2, 3) 이후의 부분 빔들(9, 9')은 추가로 발산된다:
Figure pat00003
(3)
상기 식에서, P는 실린더 축에 대해 수직인 빔 변환 장치(2, 3)의 실린더 렌즈들의 피치 또는 중심거리이고, fT는 빔 변환 장치(2, 3)의 실린더 렌즈들의 초점거리이다.
Y에 대한 결과 발산
Figure pat00004
(4)
은 거리의 감소에 따라 증가한다. 거리가 증가하면 또는 Δ가 포지티브이면, 발산이 처음에는 감소한다. 값 δθ= -θ'y에 도달하면 발산은 다시 증가하기 시작한다(식에서 "-"부호로).
2 개의 빔 변환 장치들(2, 3) 간의 상대 이동은 도 10에 도시되어 있다.
라인 폭(wy)은 발산에 의존한다. 이것은 다음 예에서 설명된다:
피치 P = 1.06mm, fT = 7.5mm, θ'y = 0.25mrad인 빔 변환 장치; 제 1 포커싱 수단(6a)으로서 사용되는 f1 = 586㎜를 가진 포커싱 렌즈 및 제 2 포커싱 수단(6b)으로서 사용되는 f2 = 170㎜ 및 배율 V = S'/S = (2467-586)/187 = 1/10.06를 가진 투영 렌즈가 주어진다(도 8 참조). 도 8에 제시된 치수는 mm 단위의 거리이다.
범위 Δ = + 0.04 ...-0.12 mm에서 빔 변환 장치의 거리 변화는 라인 폭 wy = HW@e-2을 14 μm에서 38 μm로 변경한다(도 9 참조). 이러한 변경은 적절한 정밀 메커니즘을 통해 쉽게 가능하다. 정확한 전기 기계식, 예를 들어 피에조 드라이브가 이를 위해 적합하다.
2, 3 빔 변환 장치
4 균질기 수단
6a, 6b 포커싱 수단
10 레이저 광원

Claims (10)

  1. 레이저 방사선의 선형 강도 분포를 발생시키는 장치로서,
    - 서로 이격된 2 개의 빔 변환 장치(2, 3), 및
    - 상기 2개의 빔 변환 장치(2, 3)를 통과한 레이저 방사선을 선형 강도 분포로 포커싱할 수 있는 포커싱 수단(6a, 6b)을 포함하는, 상기 장치에 있어서,
    상기 장치는 선형 강도 분포의 라인 횡 방향의 라인 폭이 상기 2 개의 빔 변환 장치(2, 3) 사이의 거리의 변경에 의해 변경될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 변환 장치들(2, 3) 중 하나 또는 2 개는 특히 전파 방향을 중심으로 90°의 각만큼 상기 레이저 방사선을 회전시킬 수 있고, 및/또는 상기 빔 변환 장치들(2, 3) 중 하나 또는 2 개는 레이저 방사선들의 서로 수직인 2개의 횡 방향의 발산 계수 또는 회절 계수가 바뀌도록 상기 레이저 방사선을 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 빔 변환 장치들(2, 3) 중 하나 또는 2 개는 렌즈 어레이로서 또는 거울 어레이로서 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 렌즈 어레이에서 렌즈들은 실린더 렌즈로서 설계되고, 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 특히 상기 렌즈들이 나란히 배치되는 방향에 대해 45°의 각으로 정렬되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 거울 어레이에서 거울들은 오목한 곡률을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 예컨대 레이저 다이오드로 펌핑된 고체 레이저로서 설계된 레이저 광원(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 특히 상기 2 개의 빔 변환 장치(2, 3)와 상기 포커싱 수단들 사이에 배치된 균질기 수단들(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 바람직하게는 상기 레이저 광원(10)과 상기 2 개의 빔 변환 장치(2, 3) 사이에 배치된 망원경, 특히 애너모포틱 망원경(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 특히 상기 2 개의 빔 변환 장치(2, 3) 중 하나가 다른 하나에 대해 이동됨으로써, 상기 2개의 빔 변환 장치(2, 3)의 거리를 변경시킬 수 있는 포지셔닝 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 포지셔닝 수단들은 정밀 메카니즘으로서 또는 전기 기계 드라이브, 예컨대 피에조 드라이브로서 설계되는 것을 특징으로 하는 장치.
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