RU2796474C2 - Adaptive laser beam formation - Google Patents
Adaptive laser beam formation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796474C2 RU2796474C2 RU2021107049A RU2021107049A RU2796474C2 RU 2796474 C2 RU2796474 C2 RU 2796474C2 RU 2021107049 A RU2021107049 A RU 2021107049A RU 2021107049 A RU2021107049 A RU 2021107049A RU 2796474 C2 RU2796474 C2 RU 2796474C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light modulator
- target
- light beam
- spatial light
- primary
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention belongs
[1] Изобретение относится к области адаптивного формирования пучка когерентного или частично-когерентного излучения при параллельном прямом структурировании, микроструктурировании и расщеплении пучка, а также для машинной обработки материалов в промышленности, с применением фазомодулирующего пространственного модулятора света (ПМС) для формирования пучка.[1] The invention relates to the field of adaptive formation of a beam of coherent or partially coherent radiation with parallel direct structuring, microstructuring and beam splitting, as well as for machine processing of materials in industry, using a phase modulating spatial light modulator (PMS) for beam formation.
Уровень техникиState of the art
[2] Ниже указан ряд публикаций, описывающих уровень техники изобретения.[2] Below are a number of publications describing the prior art of the invention.
[3] Способы адаптивного формирования пучка лазерного излучения посредством пространственных модуляторов света (ПМС) раскрыты в относительно небольшом числе публикаций профессиональной и научной литературы. Одной из наиболее примечательных публикаций в данной области является работа [SIL13] (см. раздел «Литература» в конце описания) Матти Силвеннойнена (Matti Silvennoinen) от 2014 года. Для раскрытого в ней способа действия характерно следующее:[3] Methods for adaptive formation of a laser beam by means of spatial light modulators (SLMs) are disclosed in a relatively small number of professional and scientific publications. One of the most notable publications in this area is [SIL13] (see the References section at the end of the description) by Matti Silvennoinen from 2014. The method of action disclosed in it is characterized by the following:
• применение ультракоротких импульсов излучения (ширина импульса <500 пс);• application of ultrashort radiation pulses (pulse width <500 ps);
• применение фазомодулирующего ПМС для формирования пучка;• application of phase-modulating PMS for beam formation;
• прямое структурирование посредством отображения множества частичных пучков, фокусируемых в промежуточной плоскости (плоскости Фурье); и• direct structuring by displaying a set of partial beams focused in an intermediate plane (Fourier plane); And
• применение замкнутого контура для итеративного определения фазы и ее отображения на дисплее ПМС, причем алгоритм замкнутого контура (3K) выполнен с возможностью измерения распределения выходного пучка в каждом цикле итерации посредством съемочной камеры и повторного ввода его, в качестве входных данных, в итеративный алгоритм фазового расчета. Указанные алгоритмы будут обозначаться в настоящем документе аббревиатурой «3K».• application of a closed loop to iteratively determine the phase and display it on the PMS display, wherein the closed loop (3K) algorithm is configured to measure the distribution of the output beam in each iteration cycle by means of a camera and re-enter it, as input, into the iterative phase detection algorithm. calculation. These algorithms will be referred to in this document by the abbreviation "3K".
[4] Раскрытый способ действия требует, чтобы выходное распределение или профиль первичного лазерного пучка был известен в месте расположения дисплея ПМС. Его измерение требует по меньшей мере дополнительных усилий и времени, а также изменения оптической схемы тракта пучка, что является недостатком с производственной точки зрения.[4] The disclosed mode of operation requires that the output distribution or profile of the primary laser beam be known at the location of the SLM display. Its measurement requires at least additional efforts and time, as well as changes in the optical scheme of the beam path, which is a disadvantage from a production point of view.
[5] Характер раскрытой схемы недостаточно монолитен, а именно - частичный вывод пучка для измерения съемочной камерой, что является существенным для 3К, является частью конечной оптической группы и происходит у последнего наклонного зеркала. Поэтому оптическая схема и способ ее эксплуатации являются недостаточно гибкими. Адаптивное формирование пучка может быть реализовано только для системы микроструктурирования целиком, но не для пучка как такового. К сожалению, в случае промышленного применения данная характеристика является настоящей проблемой, которую трудно преодолеть, так как концепцию системы необходимо приспосабливать под каждое конкретное задание на механическую обработку и останавливать производство на этот период.[5] The nature of the disclosed scheme is not monolithic enough, namely, partial beam extraction for measurement by a shooting camera, which is essential for 3K, is part of the final optical group and occurs at the last inclined mirror. Therefore, the optical design and the method of its operation are not flexible enough. Adaptive beam shaping can only be implemented for the entire microstructuring system, but not for the beam as such. Unfortunately, in the case of industrial applications, this characteristic is a real problem that is difficult to overcome, since the concept of the system must be adapted to each specific machining task and stop production for this period.
[6] Кроме того, в системе не применяется преобразующая линза для создания промежуточного распределения, которое, в свою очередь, можно проецировать в уменьшенном масштабе. Промежуточное распределение получается путем добавления сферических фазовых составляющих к исходному фазовому распределению, воспроизводимому на ПМС, и действует как виртуальная линза. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что недифрагированные компоненты пучка не будут собраны в нулевом порядке, а будут распределены по всему выходному распределению, благодаря чему их затмят другие компоненты - по меньшей мере, в большинстве случаев распределения интенсивности. Недостаток данного способа состоит в том, что некоторая информация может быть потеряна в фазовом представлении; см. Фиг. 3А в [SIL13]. Это происходит из-за возрастания пространственных частот в фазовом представлении в направлении границ, обусловленного сферическим слагаемым, до тех пор, пока они не превысят разрешение дисплея ПМС. Это также устанавливает нижний предел фокальной длины этих сферических слагаемых, составляющий приблизительно 500 мм для размера пикселя 20×20 мкм2. До этого нижнего предела фокальной длины, дисплей ПМС не содержит полезной фазовой информации, в связи с чем возрастает выдача содержимого нулевого порядка. В этом состоит противоречие с изначально указанным преимуществом. Кроме того, потеря информации в направлении границ может быть причиной неупорядоченной дифракции лазерного излучения, когда дифракция излучения происходит под углами, не обусловленными исходным периодом решетки, и не может быть скорректирована с помощью 3К.[6] In addition, the system does not use a transform lens to create an intermediate distribution, which, in turn, can be projected downscaled. The intermediate distribution is obtained by adding spherical phase components to the original phase distribution reproduced on the SLM and acts as a virtual lens. This provides the advantage that the non-diffracted components of the beam will not be collected in zero order, but will be distributed throughout the output distribution, whereby they are eclipsed by other components - at least in most cases of intensity distribution. The disadvantage of this method is that some information may be lost in the phase representation; see FIG. 3A in [SIL13]. This is due to the increase in spatial frequencies in the phase representation towards the boundaries, due to the spherical term, until they exceed the resolution of the display of the ICP. This also places a lower limit on the focal length of these spherical terms, which is approximately 500 mm for a pixel size of 20×20 μm 2 . Up to this lower focal length limit, the SLM display contains no useful phase information, and therefore zero order content output is increased. This is a contradiction with the initially indicated advantage. In addition, the loss of information in the direction of the boundaries can be the cause of disordered diffraction of laser radiation, when the diffraction of radiation occurs at angles not determined by the initial grating period, and cannot be corrected using 3K.
[7] В [ВЕС11] раскрыта еще одна разработка, также представляющая собой способ на основе 3К для расщепления пучка. Способ называется «Модифицированный итеративный алгоритм преобразования Фурье» (МИАПФ, англ. modified iterative Fourier-transformation Algorithm (MIFTA)). Способ можно описать следующим образом:[7] [BEC11] discloses another development, also a 3K-based method for beam splitting. The method is called "Modified iterative Fourier-transformation Algorithm (MIFTA)". The method can be described as follows:
• выводят часть пучка после преобразующей линзы посредством расщепителя пучка с низким коэффициентом расщепления, затем измеряют ее посредством камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС-камеры, англ. charge coupled device (CCD) camera) и применяют в качестве вводных данных для цикла итерации МИАПФ;• extract part of the beam after the conversion lens by means of a beam splitter with a low splitting ratio, then measure it by means of a charge coupled device (CCD) camera and use it as input to the iteration cycle of the MIAPF ;
• применяемая схема является монолитной и обеспечивает возможность расщепления пучка на отдельные подпучки, независимые от лазерной схемы как таковой; и• the applied scheme is monolithic and provides the possibility of splitting the beam into separate subbeams independent of the laser scheme as such; And
• пучки полученных профилей проецируют в уменьшенном масштабе на поверхность подложки для достижения прямого микроструктурирования.• beams of the obtained profiles are projected on a reduced scale onto the surface of the substrate to achieve direct microstructuring.
[8] В указанной схеме применяют только наносекундное лазерное излучение. Публикация умалчивает о том, применим ли раскрытый способ действия и к ультракороткоимпульсному лазерному излучению. Ультракороткоимпульсное лазерное излучение, т.е. пико- и фемтосекундное лазерное излучение может проявлять себя по другому на оптических решетках из-за более короткой зависящей от времени длины когерентности и большей ширины полосы частот при дифракции на оптических решетках.[8] In this scheme, only nanosecond laser radiation is used. The publication is silent on whether the disclosed mode of operation is also applicable to ultrashort pulsed laser radiation. Ultrashort-pulse laser radiation, i.e. Pico- and femtosecond laser radiation may behave differently on optical gratings due to the shorter time-dependent coherence length and larger bandwidth when diffracted by optical gratings.
[9] Дисплеем применяемого ПМС управляют бинарным способом, следствием чего является колебание жидких кристаллов вокруг их оси вращения, в связи с чем происходит изменение фазового положения лазера со временем, что, в свою очередь, влияет на результат механической обработки. Согласно публикации, решение данной проблемы состоит в выполнении множества воздействий и в сдвигании фазового положения в промежутке между воздействиями перпендикулярно направлению распространения лазерного пучка. Данное решение существенно увеличит продолжительность обработки, так как диапазон частоты смены кадров ПМС составляет только несколько десятков Гц, что значительно сужает область промышленного применения из-за увеличения продолжительности структурирования на несколько порядков, делая невозможным структурирование посредством излучения.[9] The display of the applied PMS is controlled in a binary way, which results in liquid crystals oscillating around their axis of rotation, in connection with which the phase position of the laser changes over time, which, in turn, affects the result of machining. According to the publication, the solution to this problem consists in performing a plurality of impacts and shifting the phase position in the interval between impacts perpendicular to the direction of propagation of the laser beam. This solution will significantly increase the processing time, since the range of the SLM frame rate is only a few tens of Hz, which significantly narrows the scope of industrial application due to an increase in the duration of structuring by several orders of magnitude, making structuring by radiation impossible.
[10] Указанную схему можно применять только для получения реальных промежуточных распределений из-за наличия только одной преобразующей линзы. Физическое разнесение каждого из множества частичных главных пучков невозможно из-за наличия единственной преобразующей линзы. В случае удаления единственной преобразующей линзы, одновременное отслеживание создаваемого выходного распределения стало бы невозможно.[10] This scheme can only be used to obtain real intermediate distributions due to the presence of only one transform lens. Physical separation of each of the plurality of partial main beams is not possible due to the presence of a single conversion lens. If the single conversion lens were removed, it would be impossible to track the generated output distribution at the same time.
[11] В документах [KUA08], [KUA09], [KUA09_2] и [JIN15] исследователи, работающие с Чжень Куаном (Zhen Kuang) и Уолтером Перри (Waiter Perrie), раскрывают несколько вариантов применения фазомодулирующих ПМС для параллельного микроструктурирования. В этих работах авторы применяют:[11] In papers [KUA08], [KUA09], [KUA09_2], and [JIN15], researchers working with Zhen Kuang and Walter Perrie disclose several applications of phase modulating SLMs for parallel microstructuring. In these works, the authors use:
• ультракоротко импульсный лазер для микроструктурирования;• ultrashort pulse laser for microstructuring;
• фазомодулирующий ПМС с пикселями, управляемыми аналоговыми сигналами;• phase-modulating PMS with pixels controlled by analog signals;
• схему с проекцией промежуточных распределений или распределений поля в дальней зоне в уменьшенном масштабе;• a scheme with a projection of intermediate distributions or distributions of the field in the far zone on a reduced scale;
• светорасщепляющие фазовые решетки; и• light splitting phase gratings; And
• раскрывают то, как можно применять указанные методики с разнообразными материалами и источниками излучения для модифицирования и структурирования поверхностей.• reveal how these techniques can be applied with a variety of materials and radiation sources to modify and structure surfaces.
[12] Во всех раскрытых примерах применяют фазовые решетки, расщепляющие пучки с коэффициентами менее 1:200. Это может быть связано с тем, что, в случае ультракороткоимпульсного излучения, распределение мощности в частичных пучках в реальном выходном распределении, получаемом посредством ПМС на основе технологии LCoS («жидкие кристаллы на кремнии», англ. Liquid Crystais on Silicon), отлично от теоретического распределения. Это приводит к снижению точности съема в глубине между областями, подвергаемыми параллельной механической обработке. Истоки данного явления до сих пор не изучены. Предполагается, что возможно перекрытие фазовой информации или перекрестные помехи между пикселями дисплея ПМС, а также особый характер когерентности применяемого лазерного излучения. Так как данные ошибки до сих пор полностью не изучены, их невозможно компенсировать во время расчета фазовых значений. В случае необходимости более высоких коэффициентов расщепления и большей надежности в части интенсивностей съема материала между пучками, необходимо применение контура управления по измеренному профилю пучка в качестве входного значения.[12] In all disclosed examples, phase gratings are used that split beams with coefficients less than 1:200. This may be due to the fact that, in the case of ultrashort pulsed radiation, the power distribution in partial beams in the real output distribution obtained by means of SLM based on the LCoS technology (Liquid Crystais on Silicon) is different from the theoretical distribution. This leads to a decrease in depth removal accuracy between areas subjected to parallel machining. The origins of this phenomenon have not yet been studied. It is assumed that overlap of phase information or crosstalk between the pixels of the SLM display is possible, as well as the special nature of the coherence of the applied laser radiation. Since these errors are still not fully understood, they cannot be compensated during the calculation of the phase values. If higher splitting factors and greater reliability in terms of material removal rates between beams are required, it is necessary to use a control loop on the measured beam profile as an input value.
Лазерная микрообработкаLaser micromachining
[13] Лазерная микрообработка позволяет осуществлять быструю и гибкую механическую обработку фотошаблонов, фотооригиналов и модифицирование специфических поверхностей, а также фокусированную механическую обработку некоторых твердых веществ пико- и фемтосекундным лазерным излучением, т.е. так называемым «ультракороткоимпульсным» излучением. Дополнительным преимуществом применения ультракоротких импульсов является широкий спектр материалов, пригодных для механической обработки. Таким образом, можно создавать микронные и субмикронные структуры, в частности - в стеклах, металлах, металлоидах, твердых покрытиях и пластмассах.[13] Laser micromachining allows for fast and flexible machining of photomasks, photo originals and modification of specific surfaces, as well as focused machining of certain solids with pico- and femtosecond laser radiation, i.e. the so-called "ultra-short-pulsed" radiation. An additional advantage of using ultrashort pulses is the wide range of materials suitable for machining. Thus, it is possible to create micron and submicron structures, in particular, in glasses, metals, metalloids, hard coatings and plastics.
[14] Для создания наименьших из возможных не-самоорганизующихся структур с помощью лазерного излучения, обычно применяют единственный резко сфокусированный пучок со сравнительно большой расходимостью. Возникающие в результате сравнительно высокие максимумы интенсивности в фокальной плоскости позволяют создавать такие структуры с энергиями импульсов в наноджоулевом диапазоне вплоть до нижнего микроджоулевого диапазона. Для применения данной технологии с промышленными скоростями механической обработки обычно использовали подход, состоящий в увеличении частоты повторения импульсов и скорости подачи в системах проведения пучка. В качестве альтернативы, возможно применение адаптивного формирования пучка с использованием высокоэнергетических импульсов; ПМС проявили себя эффективными для данной цели. Фазовые решетки, применяемые к дисплею, расщепляют пучок на сотни или тысячи частичных пучков, тем самым обеспечивая возможность параллельной механической обработки ([SIL13]). При этом был выявлен ряд факторов, влияющих на качество создаваемой голограммы и не ограниченных только качеством алгоритма фазового расчета. Такими факторами, например, являются рассеяние и отклонение оптической проекции в случае дисплеев типа LCoS из-за большой ширины полосы частот при применении фемтосекундных лазеров ([KUA09]; [JES1Q]; [HAS07]; [RON12]). Это также ограничивает практически достижимые скорости механической обработки и, в зависимости от схемы, также может быть причиной невозможности использования полной энергии лазерных импульсов и/или того, что достижимая точность параллельной механической обработки ниже по сравнению с однофокусной последовательной механической обработкой.[14] To create the smallest possible non-self-organizing structures using laser radiation, a single, sharply focused beam with a relatively large divergence is usually used. The resulting relatively high intensity maxima in the focal plane make it possible to create such structures with pulse energies in the nanoJoule range down to the lower microJoule range. To apply this technology to commercial machining speeds, the approach commonly used is to increase the pulse repetition rate and feed rate in beam delivery systems. Alternatively, adaptive beam shaping using high energy pulses can be used; PMS has proven to be effective for this purpose. Phase gratings applied to the display split the beam into hundreds or thousands of partial beams, thereby enabling parallel machining ([SIL13]). At the same time, a number of factors were identified that affect the quality of the created hologram and are not limited only by the quality of the phase calculation algorithm. Such factors are, for example, scattering and deflection of the optical projection in the case of LCoS displays due to the large bandwidth when using femtosecond lasers ([KUA09]; [JES1Q]; [HAS07]; [RON12]). This also limits the practically achievable machining speeds and, depending on the design, may also cause the full energy of the laser pulses to not be used and/or the achievable precision of parallel machining to be lower than that of single focus sequential machining.
Прочие нерешенные проблемы, относящиеся к микроструктурированию ультракороткоимпульсным излучениемOther Unsolved Problems Related to Ultrashort Pulsed Microstructuring
[15] Один из возможных путей увеличения относительной площади с помощью высокоэнергетических импульсов состоит в применении фотошаблонов и равномерного профиля пучка с плоской вершиной и в проецировании получаемого в результате распределения в уменьшенном масштабе. Однако зачастую профили пучков невозможно сделать равномерными или можно сделать равномерными только за долгий срок. В этом случае потребовался бы оптический гомогенизатор, предусматривающий наличие стабильного и определенного профиля пучка. Однако на практике профили пучков лазеров с ультракороткими высокоэнергетическими импульсами нестабильны во времени и очень часто имеют слишком большое отклонение от идеального гауссова профиля. Кроме того, изготовление фотошаблона и смена фотошаблона в ходе структурирования требует дополнительного времени.[15] One possible way to increase area ratio with high energy pulses is to use photomasks and a uniform flat top beam profile and to scale down the resulting distribution. Often, however, beam profiles cannot be made uniform, or can only be made uniform over a long period of time. In this case, an optical homogenizer would be required, providing for a stable and defined beam profile. However, in practice, the beam profiles of lasers with ultrashort high-energy pulses are unstable in time and very often deviate too much from the ideal Gaussian profile. In addition, the production of the photomask and the change of the photomask during structuring requires additional time.
[16] ПМС просто обеспечивают возможность ускорения смены фотошаблона. Фазомодулирующие ПМС также обеспечивают возможность влияния на профиль пучка лазера. Это позволяет программировать профили пучка и переключаться от одного к другому за доли секунды. Однако создаваемые выходные распределения зачастую отличаются от теоретически спрогнозированных. Применение контура управления, измеряющего создаваемый профиль выходного пучка, позволяет решить проблему фазовой погрешности и создавать профили пучков с возможностью применения для точного параллельного микроструктурирования.[16] SLMs simply provide the ability to speed up photomask change. Phase-modulating SLMs also provide the ability to influence the laser beam profile. This allows you to program beam profiles and switch from one to another in a fraction of a second. However, the output distributions generated often differ from those theoretically predicted. The use of a control loop that measures the generated output beam profile makes it possible to solve the problem of phase error and create beam profiles that can be used for precise parallel microstructuring.
[17] Большинство из известных на сегодняшний день схем данного типа существенно ограничивают функциональные возможности лазерной системы и зачастую выполняют только один конкретный тип механической обработки. Также до сих пор отсутствуют серийно производимые устройства, способные преодолеть погрешность в выходном распределении, возникающую из-за ошибочного фазового представления и низкого качества первичных лазерных пучков. В большинстве случаев также нужно указывать текущий вводный профиль пучка в качестве граничного условия для способов расчета, применяемых в таких схемах, несмотря на то, что было выявлено, что в этом нет необходимости. В оптимизированной схеме, в случае возникновения погрешности в выходном распределении из-за ошибочного входного распределения, она была бы устранена автоматически алгоритмом замкнутого контура. Данный факт можно учесть для создания монолитной электронной схемы типа «черный ящик» (англ. black box) с возможностью реализации разнообразных функций по расщеплению пучка / его формированию для первичного пучка любого типа и независимо от лазерного источника.[17] Most of the currently known schemes of this type significantly limit the functionality of the laser system and often perform only one specific type of machining. Also, there are still no mass-produced devices capable of overcoming the error in the output distribution arising from the erroneous phase representation and poor quality of the primary laser beams. In most cases, it is also necessary to specify the current input beam profile as a boundary condition for the calculation methods used in such schemes, although it has been found that this is not necessary. In the optimized circuit, if an error occurs in the output distribution due to an erroneous input distribution, it would be automatically eliminated by the closed loop algorithm. This fact can be taken into account to create a monolithic electronic circuit of the "black box" type with the possibility of implementing various functions for beam splitting / beam formation for a primary beam of any type and regardless of the laser source.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
[18] Согласно первому аспекту изобретения, предложен способ адаптивного расщепления по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС). Способ включает этапы, на которых создают частично когерентный первичный световой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, создают желаемое распределение поля в дальней зоне, не зависящее от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе первичного светового пучка с помощью пространственного модулятора света (ПМС), при этом первичный когерентный световой пучок направляют для отражения на отображающем элементе пространственного модулятора света, тем самым предотвращая формирование первичного когерентного светового пучка каким-либо движущимся элементом, выводят из первичного светового пучка, после прохождения им пространственного модулятора света, контрольный пучок и главный пучок, направляют распределение поля в дальней зоне, созданное ПМС в контрольном пучке, на сенсорную поверхность съемочной камеры и измеряют контрольный пучок посредством съемочной камеры. В первом варианте способ включает этапы, на которых проводят первичный пучок через первый фокусирующий элемент, выполненный с возможностью генерирования распределения поля в дальней зоне в главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения, и проецируют распределение поля в дальней зоне в контрольном пучке на сенсорную поверхность посредством первого фокусирующего элемента. Во втором варианте способ включает этапы, на которых проводят контрольный пучок через второй фокусирующий элемент, выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне только на сенсорную поверхность. И в первом, и во втором вариантах способ дополнительно включает этапы, на которых обеспечивают соответствие динамическому диапазону съемочной камеры посредством регулятора переменной интенсивности для управления интенсивностью входного контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности главного пучка, и конфигурируют замкнутый контур для обеспечения возможности фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, при котором выходной сигнал от съемочной камеры вводят в замкнутый контур для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого контроллером. При этом в первом варианте применяют первый фокусирующий элемент без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте применяют второй фокусирующий элемент без применения первого фокусирующего элемента.[18] According to a first aspect of the invention, there is provided a method for adaptively splitting an at least partially coherent primary light beam by means of a spatial light modulator (SLM). The method includes the steps of creating a partially coherent primary light beam from a collimated laser beam from a source included in the list, including: nanosecond laser, picosecond laser, femtosecond laser, creating the desired field distribution in the far zone, independent of the profile of the coherent primary light beam , by modulating the phase of the primary light beam using a spatial light modulator (SLM), while the primary coherent light beam is directed to reflect on the display element of the spatial light modulator, thereby preventing the formation of the primary coherent light beam by any moving element, output from the primary of the light beam, after passing through the spatial light modulator, the control beam and the main beam, direct the far-field distribution generated by the SLM in the control beam to the sensor surface of the camera, and measure the control beam by the camera. In the first embodiment, the method includes the steps of passing the primary beam through the first focusing element configured to generate the far field distribution in the main beam onto the focal plane of the first focusing element in the form of a real output distribution, and projecting the far field distribution in the control beam to the sensor surface through the first focusing element. In the second variant, the method includes the steps of passing the control beam through the second focusing element configured to project the field distribution in the far zone only onto the sensor surface. In both the first and second embodiments, the method further includes the steps of ensuring that the dynamic range of the imaging camera is matched by means of a variable intensity controller to control the intensity of the input pilot beam depending on the desired field distribution in the far field, regardless of the average power of the main beam, and configuring a closed loop for allowing phase calculation for the display element of the spatial light modulator, in which the output signal from the camera is entered into a closed loop for a plurality of iterations of the phase calculation algorithm performed by the controller. In this case, in the first variant, the first focusing element is used without using the second focusing element, and in the second variant, the second focusing element is used without using the first focusing element.
[19] В предпочтительном варианте осуществления способ дополнительно включает этапы, на которых осуществляют структурирование твердой поверхности посредством главного пучка и управляют структурированием путем настройки пространственного модулятора света для получения определенного профиля для первичного светового пучка.[19] In a preferred embodiment, the method further includes the steps of structuring the solid surface by the main beam and controlling the structuring by adjusting the spatial light modulator to obtain a specific profile for the primary light beam.
[20] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением первого варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента для этапа, на котором осуществляют структурирование твердой поверхности, так, чтобы фокальная плоскость соответствовала твердой поверхности.[20] In another preferred embodiment using the first embodiment, the method further includes adjusting the focal plane of the first focusing element for the step of structuring the hard surface so that the focal plane corresponds to the hard surface.
[21] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением первого варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента так, чтобы она соответствовала промежуточной плоскости, и отображают промежуточную плоскость в уменьшенном масштабе на твердую поверхность посредством проецирующей оптической схемы.[21] In another preferred embodiment using the first embodiment, the method further includes adjusting the focal plane of the first focusing element to match the intermediate plane, and displaying the intermediate plane on a reduced scale onto a solid surface by means of a projecting optical circuit.
[22] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением второго варианта, на этапе, на котором осуществляют структурирование, применяют распределение поля в дальней зоне для получения структур на твердой поверхности путем проецирования распределения поля в дальней зоне на твердую поверхность посредством фокусирующей оптической схемы.[22] In another preferred embodiment, using the second option, in the patterning step, the far field distribution is used to obtain patterns on the solid surface by projecting the far field distribution onto the solid surface by means of a focusing optical circuit.
[23] В другом предпочтительном варианте осуществления на этапе, на котором осуществляют выведение, применяют элемент расщепления пучка. Способ дополнительно включает этапы, на которых: объединяют элемент расщепления пучка, первый и второй фокусирующие элементы, пространственный модулятор света, регулятор переменной интенсивности и съемочную камеру в единый компактный корпус, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный когерентный световой пучок, осуществляют переключение между первым вариантом и вторым вариантом посредством устройства управления и регулируют регулятор переменной интенсивности посредством устройства управления.[23] In another preferred embodiment, a beam splitting element is used at the stage at which the removal is carried out. The method additionally includes the steps of: combining the beam splitting element, the first and second focusing elements, the spatial light modulator, the variable intensity controller and the shooting camera into a single compact body, the single compact body being made as an independent component with the possibility of being placed in the primary coherent light beam, switching between the first option and the second option by means of the control device, and adjusting the variable intensity controller by means of the control device.
[24] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением второго варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых: расщепляют первичный световой пучок на множество частичных главных пучков посредством пространственного модулятора света, индивидуально регулируют несколько из множества частичных главных пучков, углы разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света, и распределение интенсивности между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления. Распределением интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков управляют посредством контроллера, также выполненного с возможностью управления индивидуальным генерированием для каждого из множества частичных главных пучков, пространственного модулятора света и первичного светового пучка. Способ также включает в себя этап, на котором осуществляют структурирование твердой поверхности посредством множества частичных главных пучков.[24] In another preferred embodiment using the second embodiment, the method further includes the steps of: splitting the primary light beam into a plurality of partial main beams by a spatial light modulator, individually adjusting several of the plurality of partial main beams, separation angles between each of the plurality partial main beams after the plurality of partial main beams leave the spatial light modulator display element, and intensity distribution between the partial main beams of the plurality of partial main beams by phase control. The distribution of intensities between the partial main beams of the plurality of partial main beams is controlled by a controller also configured to control individual generation for each of the plurality of partial main beams, the spatial light modulator, and the primary light beam. The method also includes the step of structuring the solid surface with a plurality of partial main beams.
[25] В другом предпочтительном варианте осуществления твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитные материалы, кожа.[25] In another preferred embodiment, the hard surface includes any of the list, which includes metal, diamond, sapphire, glass, plastic, composite materials, leather.
[26] В другом предпочтительном варианте осуществления твердая поверхность представляет собой часть рабочего инструмента.[26] In another preferred embodiment, the hard surface is part of the working tool.
[27] В другом предпочтительном варианте осуществления рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.[27] In another preferred embodiment, the working tool is any one of an embossing roll, a stamping device, a metal tool, a watch component, a piece of jewelry, a packaging component.
[28] Согласно второму аспекту изобретения, предложено устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления целевого по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС), причем целевой частично когерентный первичный световой пучок представляет собой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер. Устройство содержит пространственный модулятор света, выполненный с возможностью создания желаемого распределения поля в дальней зоне, не зависящего от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе целевого первичного светового пучка, причем пространственный модулятор света также выполнен с возможностью получения первичного светового пучка от отображающего элемента пространственного модулятора света и, тем самым, предотвращения формирования первичного светового пучка каким-либо движущимся элементом; элемент расщепления пучка, расположенный в целевом первичном световом пучке после прохождения им пространственного модулятора света и выполненный с возможностью выведения из первичного светового пучка целевого контрольного пучка и целевого главного пучка; и съемочную камеру, расположенную в целевом контрольном пучке и дополнительно содержащую сенсорную поверхность, выполненную с возможностью измерения распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, при этом в первом варианте конфигурации устройство содержит первый фокусирующий элемент, выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, на сенсорную поверхность, и также выполненный с возможностью проведения первичного пучка и генерирования распределения поля в дальней зоне в главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения. Во втором варианте конфигурации устройство содержит второй фокусирующий элемент, расположенный в целевом контрольном пучке и выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света, только на сенсорную поверхность. И в первом, и во втором вариантах конфигурации устройство дополнительно содержит регулятор переменной интенсивности, расположенный в целевом контрольном пучке перед съемочной камерой и выполненный с возможностью обеспечения соответствия динамическому диапазону съемочной камеры путем управления интенсивностью входного целевого контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности главного пучка; схему замкнутого контура, выполненную с возможностью фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, содержащую контроллер, соединенный со съемочной камерой с возможностью приема выходного сигнала и выполненный с возможностью применения выходного сигнала для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого в контроллере. Устройство дополнительно содержит средства переключения, выполненные с возможностью переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации, при этом в первом варианте конфигурации применяют первый фокусирующий элемент без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте конфигурации применяют второй фокусирующий элемент без применения первого фокусирующего элемента.[28] According to a second aspect of the invention, there is provided an apparatus capable of adaptively splitting a target at least partially coherent primary light beam by a spatial light modulator (SLM), wherein the target partially coherent primary light beam is a beam from a collimated laser beam from a source, included in the list, including: nanosecond laser, picosecond laser, femtosecond laser. The device comprises a spatial light modulator configured to create a desired far field distribution independent of the profile of the coherent primary light beam by phase modulating the target primary light beam, wherein the spatial light modulator is also configured to receive the primary light beam from the display element a spatial light modulator and, thereby, preventing the formation of a primary light beam by any moving element; a beam splitter located in the target primary light beam after it has passed through the spatial light modulator and configured to extract the target pilot beam and the target main beam from the primary light beam; and a filming camera located in the target control beam and additionally containing a sensor surface configured to measure the distribution of the field in the far zone created by the spatial light modulator in the control beam, while in the first configuration variant the device contains the first focusing element configured to project the distribution field in the far zone, created by the spatial light modulator in the control beam, onto the sensor surface, and also configured to pass the primary beam and generate the far field distribution in the main beam to the focal plane of the first focusing element in the form of a real output distribution. In the second configuration variant, the device comprises a second focusing element located in the target control beam and configured to project the distribution of the field in the far zone, created by the spatial light modulator, only onto the sensor surface. In both the first and second configurations, the device further comprises a variable intensity controller located in the target pilot beam in front of the imaging camera and configured to match the dynamic range of the imaging camera by controlling the intensity of the input target pilot beam depending on the desired far field distribution. , regardless of the average power of the main beam; a closed loop circuit configured to phase calculation for the display element of the spatial light modulator, comprising a controller connected to the shooting camera with the ability to receive an output signal and configured to apply the output signal for multiple iterations of the phase calculation algorithm performed in the controller. The device further comprises switching means configured to switch between the first configuration option and the second configuration option, wherein in the first configuration option the first focusing element is used without using the second focusing element, and in the second configuration option the second focusing element is used without using the first focusing element.
[29] Согласно третьему аспекту изобретения предложено устройство, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, содержащее устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления целевого по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС). Устройство, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности в главном пучке, причем механическая обработка целевой твердой поверхности происходит в результате по меньшей мере настройки пространственного модулятора света с целью создания определенного профиля для первичного светового пучка.[29] According to a third aspect of the invention, there is provided an apparatus capable of machining a target hard surface, comprising an apparatus capable of adaptively splitting a target at least partially coherent primary light beam by a spatial light modulator (SLM). The device configured to machine the target hard surface is also configured to locate the target hard surface in the main beam, wherein the target hard surface is machined by at least adjusting the spatial light modulator to create a specific profile for the primary light beam.
[30] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено в первом варианте конфигурации, фокальная плоскость первого фокусирующего элемента (L1) выполнена с возможностью соответствия целевой твердой поверхности.[30] In another preferred embodiment, in which the adaptive splitting device is configured in the first configuration, the focal plane of the first focusing element (L1) is configured to correspond to a target hard surface.
[31] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено в первом варианте конфигурации, устройство дополнительно содержит отображающую оптическую схему, при этом первый фокусирующий элемент расположен так, чтобы фокальная плоскость соответствовала промежуточной плоскости, при этом отображающая оптическая схема выполнена с возможностью отображения промежуточной плоскости в уменьшенном масштабе на твердую поверхность.[31] In another preferred embodiment, in which the device capable of adaptive splitting is configured in the first configuration, the device further comprises a display optical circuit, wherein the first focusing element is located so that the focal plane corresponds to the intermediate plane, while displaying the optical scheme is configured to display the intermediate plane on a reduced scale onto a solid surface.
[32] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено во втором варианте конфигурации, устройство дополнительно содержит фокусирующую оптическую схему, при этом фокусирующая оптическая схема выполнена с возможностью проецирования желаемого распределения поля в дальней зоне главного пучка на твердую поверхность для механической обработки.[32] In another preferred embodiment, in which the device capable of adaptive splitting is configured in the second configuration, the device further comprises a focusing optical circuit, wherein the focusing optical circuit is configured to project a desired far-field distribution in the main beam far field onto hard surface for machining.
[33] В другом предпочтительном варианте осуществления устройство дополнительно содержит единый компактный корпус, выполненный с возможностью объединения элемента расщепления пучка, первого и второго фокусирующих элементов, пространственного модулятора света, регулятора переменной интенсивности и съемочной камеры, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный световой пучок; причем контроллер выполнен с возможностью управления средствами переключения для переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации и регулирования регулятора переменной интенсивности.[33] In another preferred embodiment, the device further comprises a single compact body configured to combine the beam splitter element, the first and second focusing elements, the spatial light modulator, the variable intensity controller, and the imaging camera, the single compact body being configured as an independent component with the possibility of being placed in the primary light beam; wherein the controller is configured to control the switching means for switching between the first configuration option and the second configuration option and adjusting the variable intensity controller.
[34] В другом предпочтительном варианте осуществления пространственный модулятор света выполнен с возможностью расщепления первичного светового пучка на множество частичных главных пучков и индивидуального регулирования нескольких из множества частичных главных пучков, углов разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света и распределения интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления, причем контроллер также выполнен с возможностью управления распределением между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем управления пространственными физическими свойствами каждого из множества частичных главных пучков, причем пространственные физические свойства представляют собой по меньшей мере одно из следующих: фазу и амплитуду, пространственный модулятор света и первичный световой пучок. Устройство также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности во множестве главных пучков.[34] In another preferred embodiment, the spatial light modulator is configured to split the primary light beam into a plurality of partial main beams and individually adjust several of the plurality of partial main beams, separation angles between each of the plurality of partial main beams after the plurality of partial main beams leave the display element. a spatial light modulator and intensity distribution between the partial main beams of the plurality of partial main beams by phase control, wherein the controller is also configured to control the distribution between the partial main beams of the plurality of partial main beams by controlling the spatial physical properties of each of the plurality of partial main beams, wherein the spatial physical properties are at least one of the following: phase and amplitude, spatial light modulator, and primary light beam. The device is also configured to locate the target hard surface in a plurality of main beams.
[35] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность представляет собой поверхность целевого тиснильного вала, при этом контроллер также выполнен с возможностью расположения поверхности целевого тиснильного вала в главном пучке.[35] In another preferred embodiment, the target solid surface is the surface of the target embossing roll, wherein the controller is also configured to position the surface of the target embossing roll in the main bundle.
[36] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитный материал, кожа.[36] In another preferred embodiment, the target hard surface includes any of a list of metal, diamond, sapphire, glass, plastic, composite material, leather.
[37] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность является частью целевого рабочего инструмента. [38] В другом предпочтительном варианте осуществления целевой рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.[37] In another preferred embodiment, the target hard surface is part of the target working tool. [38] In another preferred embodiment, the target working tool is any one of an embossing roll, a stamping device, a metal tool, a watch component, a jewelry piece, a packaging component.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
[39] Более ясное представление об изобретении можно получить из раздела «Предпочтительные варианты осуществления изобретения» и примеров на фигурах, из которых:[39] A clearer understanding of the invention can be obtained from the section "Preferred embodiments of the invention" and examples in the figures, of which:
[40] Фиг. 1 изображает конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения;[40] FIG. 1 shows the configuration of an SLM module according to one embodiment of the invention;
[41] Фиг. 2 изображает еще одну конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения;[41] FIG. 2 shows another configuration of the SLM module according to one embodiment of the invention;
[42] Фиг. 3 изображает альтернативную конструкцию модуля ПМС с применением зеркала по одному из примеров осуществления изобретения;[42] FIG. 3 depicts an alternative SLM module design using a mirror according to one embodiment of the invention;
[43] Фиг. 4 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен перед дисплеем ПМС, по одному из примеров осуществления изобретения;[43] FIG. 4 shows a further alternative design of the SLM module, in which the focusing element is located in front of the SLM display, according to one embodiment of the invention;
[44] Фиг. 5 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен перед дисплеем ПМС, и включающего в себя только одно зеркало, по одному из примеров осуществления изобретения;[44] FIG. 5 shows a further alternative design of the SLM module, in which the focusing element is located in front of the SLM display, and includes only one mirror, according to one embodiment of the invention;
[45] Фиг. 6 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен за полупрозрачным зеркалом, по одному из примеров осуществления изобретения; [46] Фиг. 7 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен за полупрозрачным зеркалом, и включающего в себя только одно зеркало, по одному из примеров осуществления изобретения;[45] FIG. 6 depicts a further alternative design of the SLM module, in which the focusing element is located behind a translucent mirror, according to one embodiment of the invention; [46] FIG. 7 depicts a further alternative design of an SLM module in which the focusing element is located behind a translucent mirror and includes only one mirror, according to one embodiment of the invention;
[47] Фиг. 8 изображает модуль ПМС в качестве компонента микроструктурирующего устройства по одному из примеров осуществления изобретения;[47] FIG. 8 depicts a PMS module as a component of a microstructuring device according to one embodiment of the invention;
[48] Фиг. 9 изображает другой модуль ПМС в качестве компонента микроструктурирующего устройства по одному из примеров осуществления изобретения;[48] FIG. 9 shows another PMS module as a component of a microstructuring device according to one embodiment of the invention;
[49] Фиг. 10 изображает пример применения согласно изобретению, в котором параллельное структурирование канавок выполняют со сравнительно малым разносом импульсов;[49] FIG. 10 shows an example of an application according to the invention in which parallel groove structuring is carried out with a relatively small pulse spacing;
[50] Фиг. 11 изображает другой модуль ПМС в виде управляемого расщепителя пучка по одному из примеров осуществления изобретения;[50] FIG. 11 shows another PMS module in the form of a controlled beam splitter according to one embodiment of the invention;
[51] Фиг. 12 изображает дополнительный пример применения согласно изобретению, в котором параллельное структурирование канавок выполняют со сравнительно большим разносом импульсов;[51] FIG. 12 shows a further application example according to the invention, in which parallel groove structuring is carried out with a relatively large pulse spacing;
[52] Фиг. 13 изображает дополнительные примеры применения согласно изобретению, в которых осуществляют структурирование профилей с 2-мерным выходным распределением;[52] FIG. 13 shows additional examples of applications according to the invention in which profiles are patterned with a 2-dimensional output distribution;
[53] Фиг. 14а и 14b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности, перпендикулярных направлению распространения, при структурировании с наклонным 2-мерным выходным распределением;[53] FIG. 14a and 14b show additional application examples according to the invention for surface profiles perpendicular to the direction of propagation when patterning with an oblique 2D output distribution;
[54] Фиг. 15а и 15b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности при структурировании со сравнительно малым разносом импульсов;[54] FIG. 15a and 15b show additional application examples according to the invention for surface profiles in structuring with relatively small pulse spacing;
[55] Фиг. 16а и 16b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности при структурировании со сравнительно большим разносом импульсов; и[55] FIG. 16a and 16b show further examples of applications according to the invention for surface profiles in structuring with comparatively large pulse spacings; And
[56] Фиг. 17 изображает пример устройства, выполненного с возможностью механической обработки поверхности тиснильного вала.[56] FIG. 17 shows an example of a device capable of machining the surface of an embossing roll.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Цель изобретенияPurpose of the invention
[57] Цель изобретения состоит в упрощении для пользователя процесса формирования пучка и, в частности, расщепления пучка лазерного излучения. Дополнительной целью изобретения, далее по тексту именуемого «модуль ПМС», является создание устройства и способа с возможностью включения в любой оптический тракт, со сравнительно высокой степенью компактности и индивидуальным набором функциональных возможностей, независимо от места применения. Другая цель изобретения состоит в обеспечении возможности расщепления коллимированного первичного пучка любого типа (лазерного источника) с относительно высокой точностью, независимо от профиля пучка, фазового положения, ширины полосы частот / длительности импульса и мощности лазера.[57] The purpose of the invention is to simplify for the user the process of beam formation and, in particular, the splitting of the laser beam. An additional objective of the invention, hereinafter referred to as the "PMS module", is to create a device and method that can be included in any optical path, with a relatively high degree of compactness and an individual set of functionality, regardless of the place of application. Another object of the invention is to enable the splitting of any type of collimated primary beam (laser source) with relatively high accuracy, regardless of beam profile, phase position, bandwidth/pulse width and laser power.
[58] Одно из преимуществ, обеспечиваемых изобретением, состоит в том, что любое ограничение для модуля ПМС можно спрогнозировать за счет понимания свойств его основного элемента - дисплея ПМС как такового. Другое преимущество состоит в возможности расщепления пучка с очень малыми потерями. Так, входное излучение нужно будет просто модулировать по фазе, при этом данную функцию также можно реализовать с помощью одновременного модулирования по амплитуде или только с помощью него. Еще одно преимущество состоит в том, что изобретение обеспечивает возможность переключения между реальным выходным распределением в фокальной плоскости линзы, т.е. плоскости Фурье, и распределением поля в дальней зоне, т.е. дифракционной картиной, возникающей на бесконечном расстоянии. Еще одно преимущество состоит в возможности достижения сравнительно высокой степени точности создаваемого выходного распределения, а также распределения мощности между разными частичными пучками, за счет применения в изобретении решения на основе замкнутого контура для расчета фазовых значений, не зависящего от вводного профиля или профиля первичного пучка лазерного источника соответственно.[58] One of the advantages provided by the invention is that any limitation for the SLM module can be predicted by understanding the properties of its main element - the SLM display as such. Another advantage is the possibility of beam splitting with very low losses. Thus, the input radiation will simply need to be modulated in phase, while this function can also be implemented using simultaneous amplitude modulation or only with it. Another advantage is that the invention provides the possibility of switching between the actual output distribution in the focal plane of the lens, i.e. Fourier plane, and the distribution of the field in the far zone, i.e. diffraction pattern at an infinite distance. Another advantage is the possibility of achieving a relatively high degree of accuracy in the generated output distribution, as well as in the distribution of power between different partial beams, by using a closed-loop solution for calculating phase values in the invention, independent of the input profile or the profile of the primary beam of the laser source. respectively.
[59] Предложенный модуль ПМС позволяет более эффективно использовать мощность лазера за счет возможности параллельной механической микрообработки и механической обработки твердых поверхностей посредством множества пучков. Это можно осуществлять на рабочей станции посредством совместно используемой выходной оптики или на множестве систем одновременно, причем каждая из множества систем использует расщепленный первичный пучок, общий для всех систем механической обработки. Параллельная механическая обработка позволяет сократить продолжительность процесса в случае механической обработки крупных поверхностей и объемов линейно с помощью указанного числа частичных пучков. Применение общей выходной оптики для всех частичных пучков позволяет ускорить создание канавок, решетчатых структур и иных часто повторяющихся регулярных структур. Модуль ПМС согласно изобретению обеспечивает возможность одновременной и точной механической обработки с большим числом частичных пучков, например, с 1000 и более пучками.[59] The proposed PMS module allows more efficient use of laser power due to the possibility of parallel mechanical micromachining and machining of hard surfaces through multiple beams. This can be done at a workstation via shared output optics, or on multiple systems simultaneously, with each of the multiple systems using a split primary beam common to all machining systems. Parallel machining makes it possible to reduce the process time in the case of machining large surfaces and volumes linearly with the specified number of partial beams. The use of a common output optics for all partial beams makes it possible to speed up the creation of grooves, lattice structures, and other frequently repeated regular structures. The PMS module according to the invention enables simultaneous and precise machining of a large number of partial beams, for example 1000 or more beams.
[60] С учетом вышеуказанных целей и свойств, предложенный модуль ПМС позволяет существенно улучшить производственные показатели устройства лазерной механической микрообработки / структурирования с одновременным сохранением компактного размера устройства и высокой стабильности режима работы. Это позволит снизить себестоимость и сроки изготовления при промышленном применении.[60] In view of the above goals and properties, the proposed PMS module can significantly improve the performance of the laser micromachining / structuring device while maintaining the compact size of the device and high stability of the operation mode. This will reduce the cost and production time in industrial applications.
Структура и функционирование итеративного алгоритма преобразования Фурье (ИАПФ) - Модуль замкнутого контура (ЗК) Обязательные требования к входному пучкуStructure and operation of the iterative Fourier transform algorithm (AFFT) - Closed loop modulus (CL) Mandatory requirements for the input beam
[61] Первичный лазерный пучок, применяемый во всех аспектах настоящего изобретения, должен соответствовать ряду критериев для того, чтобы можно было использовать функциональные возможности модуля ПМС. Первый критерий состоит в том, что первичный пучок на входе модуля ПМС должен быть коллимированным или параллелизованным. Специалисту в данной области техники известно о том, что длина когерентности пучка для элементов волновой оптики и оптических решеток должна быть приблизительно равна периоду решетки. Поскольку в настоящем изобретении применяется ультракороткоимпульсное излучение, зависящая от времени длина когерентности также может быть очень короткой, например, всего несколько микрометров.[61] The primary laser beam used in all aspects of the present invention must meet a number of criteria in order to use the functionality of the SLM module. The first criterion is that the primary beam at the input of the PMS module must be collimated or parallelized. One skilled in the art will recognize that the beam coherence length for wave optics and optical gratings should be approximately equal to the grating period. Since ultrashort pulsed radiation is used in the present invention, the time-dependent coherence length can also be very short, eg only a few micrometers.
[82] Специалисту в данной области техники также известно о том, что если дисплей ПМС модуля ПМС содержит элемент на основе технологии «жидкие кристаллы на кремнии» (LCoS), входное излучение должно по своей сути соответствовать определенным состояниям поляризации относительно ориентации дисплея ПМС. Его можно отрегулировать путем установки серийно выпускаемых конструктивных элементов перед модулем ПМС. Поэтому данный вопрос не будет дополнительно рассматриваться в настоящем документе. Также известно, что функциональные возможности технологии LCoS в значительной степени зависят от длины волны.[82] One of ordinary skill in the art also recognizes that if the LCP display of an LCP module contains a liquid crystal on silicon (LCoS) element, the input radiation must inherently conform to certain polarization states with respect to the orientation of the LCP display. It can be adjusted by installing commercially available structural elements in front of the PMS module. Therefore, this issue will not be considered further in this paper. It is also known that the functionality of LCoS technology is highly wavelength dependent.
[63] Также общеизвестно, что пользователь модуля ПМС может выбирать и регулировать диаметр пучка, среднюю оптическую силу или энергию импульса, при условии, что пользователь не превысит предел физического разрушения какого-либо компонента в составе модуля ПМС.[63] It is also well known that the user of the SLM module can select and adjust the beam diameter, average optical power or pulse energy, provided that the user does not exceed the limit of physical destruction of any component in the SLM module.
Структура модуля ПМСStructure of the PMS module
[64] Из нижеследующего описания будет понятно, что с помощью предложенных способа и устройства пользователь может расщеплять первичный входной пучок, соответствующий вышеуказанным критериям, на произвольное число выходных пучков и применять их по своему усмотрению. Пользователь или управляющий процесс могут управлять пространственным распределением выходных пучков и распределением их интенсивностей в зависимости от времени. Изобретение также позволяет применять как реальное промежуточное распределение, так и просто угловое распределение, в зависимости от того, какое задание на механическую обработку нужно выполнить. Изобретение позволяет делать это при отсутствии точной информации о профиле первичного входного пучка или длине его когерентности. Изобретение не предусматривает каких-либо других обязательных требований к первичному входному пучку, кроме указанных выше. Любые отклонения выходного главного пучка, возникающие из-за недостатка информации, позволяет компенсировать алгоритм замкнутого контура, применяемый для оптимизации выходного распределения.[64] From the following description, it will be understood that using the proposed method and apparatus, the user can split the primary input beam that meets the above criteria into an arbitrary number of output beams and apply them at his discretion. The user or control process can control the spatial distribution of the output beams and the distribution of their intensities as a function of time. The invention also allows the use of both a real intermediate distribution and a simple angular distribution, depending on which machining task is to be performed. The invention makes it possible to do this in the absence of precise information about the profile of the primary input beam or its coherence length. The invention does not provide for any other mandatory requirements for the primary input beam, in addition to those indicated above. Any deviations in the output main beam due to lack of information can be compensated for by the closed loop algorithm used to optimize the output distribution.
[65] Изобретение обеспечивает возможность создания оптической системы типа «черный ящик» с возможностью включения в оптические тракты любых типов для механической микрообработки.[65] The invention provides the possibility of creating a "black box" type optical system with the possibility of being included in optical paths of any type for mechanical micromachining.
[66] Фиг. 1 изображает конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения, позволяющую реализовать раскрытые выше признаки изобретения. Зеркало М1 направляет излучение из первичного пучка, исходящего из лазерного источника, не показанного на Фиг. 1, но условно обозначенного номером позиции 100 и соответствующей стрелкой на чертеже, под сравнительно острым углом на отражающую головку 101 ПМС. Головка 101 ПМС считается центральным элементом модуля ПМС. Головка 101 ПМС содержит дисплей ПМС, явным образом не указанный на Фиг. 1, выполненный с возможностью применения фазовых значений формирования пучка к входному первичному лазерному пучку. Дисплей ПМС может, например, быть реализован на основе технологии LCoS, что также явно не указано на Фиг. 1. Как известно специалисту в данной области техники, дисплеи типа LCoS создают эффекты, влияющие на поляризацию излучения и, тем самым, на эффективность дифракции. Для компенсации данного эффекта, модуль ПМС содержит дополнительный поляризационный расщепитель 102 пучка, помещенный за дисплеем ПМС, отфильтровывающий неправильно поляризованное и/или недифрагированное излучение. Модуль ПМС также содержит полупрозрачное выводящее зеркало М2. Поляризационный расщепитель 102 пучка установлен в оптическом тракте перед выводящим зеркалом М2, благодаря чему распределение после отражения на дисплее ПМС гарантированно появится таким же образом на ПЗС-камере 104, расположенной в оптическом тракте контрольного пучка, отделенного от первичного пучка полупрозрачным зеркалом М2, и в плоскости 103 Фурье, где возникает реальное выходное распределение, или в бесконечности, в зависимости от конкретного случая. Полупрозрачное зеркало М2 может быть выполнено, например, в виде зеркала с диэлектрическим отражающим покрытием и плоскопараллельной подложкой, проницаемой для света с длиной волны первичного пучка. Качество поверхности зеркала М2 предпочтительно соответствует отраслевому стандарту для прозрачной оптики и стеклянных поверхностей. Таким образом, контрольный пучок, выведенный/отделенный на зеркале М2, можно применять для анализа пучка без чрезмерных потерь мощности, несмотря на относительно высокое потребление мощности пучка в условиях механической микрообработки. Регулятор 105 переменной интенсивности в оптическом тракте перед ПЗС-камерой 104 выполнен с возможностью приведения интенсивностей в соответствие с динамическим диапазоном ПЗС-камеры 104 для обеспечения возможности ее применения оптимальным образом и независимо от средней мощности первичного пучка, выходного распределения и/или коэффициентов расщепления пучка. Регулятор 105 переменной интенсивности может, например, быть выполнен в виде НС- (нейтрально-серого, англ. Neutral Density (ND)) фильтра.[66] FIG. 1 depicts a configuration of an SLM module according to one exemplary embodiment of the invention in order to implement the features of the invention disclosed above. Mirror M1 directs radiation from the primary beam from a laser source, not shown in FIG. 1, but symbolically indicated by the
[67] В настоящем разделе «Осуществление изобретения» речь идет о головке 101 ПМС, применяемой в режиме, котором она отражает излучение из первичного пучка, при этом в дополнительном предпочтительном варианте осуществления возможно применение головки ПМС, работающей как передатчик для первичного пучка.[67] In this section, "Carrying out the invention" we are talking about the
[68] Изображение, регистрируемое ПЗС-камерой 104, в любом случае должно представлять собой результат преобразования Фурье входного распределения. Поэтому, сенсорная поверхность (не показана на Фиг. 1) ПЗС-камеры 104 должна быть расположена в фокальной плоскости фокусирующего оптического элемента, например, первого фокусирующего элемента L1 и второго фокусирующего элемента L2. В примере на Фиг. 1 первый фокусирующий элемент L1 и второй фокусирующий элемент L2 никогда не помещают вместе, т.е. одновременно, в оптический тракт между головкой 101 ПМС и ПЗС-камерой 104. ПЗС-камера 104 предпочтительно центрирована по оптической оси контрольного пучка, выведенного полупрозрачным зеркалом М2.[68] The image captured by the
[69] ПЗС-камера 104 позволяет получить замер выходного распределения, который, в свою очередь, может служить в качестве данных, вводимых в замкнутый контур управления на основе итеративного алгоритма преобразования Фурье (ИАПФ) для оптимизации фазового распределения, сгенерированного головкой 101 ПМС. Как сказано выше, для этого нужно измерить выходное распределение с помощью ПЗС-камеры 104 и ввести его в алгоритм, исполняемый в центральном процессоре 106 контроллера, в составе граничных условий ИАПФ. Алгоритм ИАПФ не будет детально рассматриваться в настоящем документе, так как его описание можно найти в специальной литературе известного уровня техники. Рассчитанные фазовые значения далее применяют к дисплею ПМС.[69] The
Конфигурация модуля ПМСPMS module configuration
[70] Модуль ПМС может быть выполнен в любой из двух аппаратных конфигураций для обеспечения возможности переключения между угловым распределением и реальным промежуточным распределением. Переключение между указанными конфигурациями, как и изменение настроек фильтра для регулятора переменной интенсивности, можно осуществлять вручную или с помощью автоматизированных средств переключения.[70] The SLM module can be implemented in either of two hardware configurations to enable switching between angular distribution and actual intermediate distribution. Switching between these configurations, as well as changing the filter settings for the variable intensity controller, can be done manually or using automated switching tools.
[71] В первой аппаратной конфигурации, именуемой в настоящем документе «конфигурация 1» и раскрытой на Фиг. 1, первый фокусирующий элемент L1 помещен в оптический тракт.L1 фокусирует лазерное излучение на сенсорной поверхности ПЗС-камеры 104, помещенной на расстоянии фокальной длины f(L1) L1 и за полупрозрачным зеркалом М2. Кроме того, ПЗС-камера 104 помещена в плоскости главного выходного пучка, перпендикулярной направлению распространения главного выходного пучка, т.е. в плоскости фотошаблона. В примере на Фиг. 1 первый фокусирующий элемент L1 расположен перед поляризационным расщепителем 102 пучка. В альтернативном варианте, не проиллюстрированном на Фиг. 1, первый фокусирующий элемент L1 может быть расположен за поляризационным расщепителем 102 пучка. В конфигурации на Фиг. 1 второй фокусирующий элемент L2 с фокальной длиной f(L2) не расположен в каком-либо оптическом тракте. Распределение, регистрируемое ПЗС-камерой 104, идентично и зеркально относительно плоскости фотошаблона. Конфигурация 1 позволяет фокусировать главный пучок, отражаемый от зеркала М2, в реальном промежуточном распределении.[71] In the first hardware configuration, referred to herein as "
[72] На Фиг. 2 представлена конфигурация 2, по большей части идентичная конфигурации 1 на Фиг. 1, за исключением того, что второй фокусирующий элемент L2 расположен в оптическом тракте контрольного пучка, выведенного через полупрозрачное зеркало М2. Сенсорная поверхность (также не показанная на Фиг. 2) ПЗС-камеры 104 в данном случае помещена в фокальную плоскость второго фокусирующего элемента L2, т.е. на расстоянии фокальной длины f(L2) фокусирующего элемента L2. Таким образом, в конфигурации 2 L1 не расположен в каком-либо оптическом тракте. За счет конфигурации 2, не происходит фокусирование главного выходного пучка, отраженного от зеркала М2, в промежуточное распределение. Целевое распределение дифракционной решетки сформировано в бесконечности в виде углового распределения. Первичный входной пучок расщеплен на множество частичных главных пучков.[72] FIG. 2 shows
Альтернативные конструкцииAlternative designs
[73] Изобретение можно осуществить в разнообразных альтернативных конструкциях с теми же функциональными возможностями. Можно считать, что каждая из этих разнообразных альтернативных конструкций имеет ряд недостатков и преимуществ по сравнению с конфигурациями 1 и 2.[73] The invention can be implemented in a variety of alternative designs with the same functionality. Each of these various alternative designs can be considered to have a number of disadvantages and advantages over
[74] Фиг. 3 изображает альтернативную конструкцию, содержащую только одно диэлектрическое зеркало М - зеркало М1 на Фиг. 1 и 2 здесь не применяют. Диэлектрическое зеркало М должно соответствовать всем вышеуказанным требованиям. Положения для первого фокусирующего элемента L1 и второго фокусирующего элемента L2 могут быть идентичны раскрытым на Фиг. 1 и 2 - непосредственно перед диэлектрическим зеркалом М или за ним. Одно преимущество данной конструкции перед конструкцией на Фиг. 1 состоит в присущей ей большей компактности. При этом угол между входным пучком и выходным пучком является фиксированным. Конструкция на Фиг. 3 находится в режиме, схожем с режимом конфигурации 2 - для облегчения понимания скажем, что она выполнена в конфигурации 2. Для переключения в конфигурацию 1, первый фокусирующий элемент L1 необходимо расположить в оптическом тракте, а второй фокусирующий элемент L2 необходимо удалить из оптического тракта. Стрелки рядом с элементами L1 и L2 символизируют эти действия.[74] FIG. 3 shows an alternative design containing only one dielectric mirror M - mirror M1 in FIG. 1 and 2 do not apply here. The dielectric mirror M must meet all the above requirements. The positions for the first focusing element L1 and the second focusing element L2 may be identical to those disclosed in FIG. 1 and 2 - directly in front of the dielectric mirror M or behind it. One advantage of this design over the design of FIG. 1 lies in its inherent greater compactness. In this case, the angle between the input beam and the output beam is fixed. The structure in Fig. 3 is in a mode similar to configuration 2 - for ease of understanding, let's say that it is made in
[75] Фиг. 4 изображает дополнительную альтернативную конструкцию в конфигурации 1. В данной альтернативной конструкции первый фокусирующий элемент L1 расположен на некотором расстоянии перед дисплеем ПМС, при этом, как и на Фиг. 1, применены два зеркала М1 и М2. Оба фокусирующих элемента L1 и L2 выполнены с возможностью перемещения, что символизируют стрелки рядом с элементами. Данная альтернативная конструкция не обладает какими-либо очевидными преимуществами. Одно потенциальное отличие от конструкции на Фиг. 1 состоит в том, что фокальная длина для первого фокусирующего элемента L1, представленная в виде f(L1)=a+b на данной фигуре, может быть больше, чем, например, на Фиг. 1, что, в свою очередь, снижает разрешение выходного распределения.[75] FIG. 4 shows a further alternative design in
[76] Фиг. 5 изображает конструкцию, схожую с конструкцией на Фиг. 4, однако выполненную в конфигурации 2, причем также с применением только одного зеркала М. Свойства, указанные для Фиг. З, имеют место и в данном случае: устройство может быть выполнено более компактным, однако с ограничением углов сведения и расщепления лазерного пучка на входе и выходе модуля ПМС.[76] FIG. 5 shows a construction similar to that in FIG. 4, but in
[77] Фиг. 6 изображает конструкцию в конфигурации 2, в которой за полупрозрачным зеркалом М2 расположен третий фокусирующий элемент L3 (например, линза) с фокальной длиной f(L3). Для большей ясности, L1 не показан на Фиг. 6, так как он удален из оптического тракта в данной схеме. Второй фокусирующий элемент L2 может быть введен в оптический тракт, что символизируют стрелки рядом со вторым фокусирующим элементом L2. Преимущество состоит в том, что второй фокусирующий элемент L2 можно зафиксировать в оптическом тракте, т.е. его больше не нужно будет перемещать при переключении между конфигурациями путем перемещения L3.[77] FIG. 6 shows the construction in
[78] Фиг. 7 изображает конструкцию, схожую с конструкцией на Фиг. 6, но с единственным зеркалом М для придания устройству большей компактности.[78] FIG. 7 shows a construction similar to that in FIG. 6, but with a single mirror M to make the device more compact.
Потери в оптическом трактеLoss in the optical path
[79] Одно из преимуществ предложенного модуля ПМС состоит в возможности формирования пучка по существу без потерь. Следовательно, нет нужды в применении поглощающих фотошаблонов или рассеивающих фотошаблонов для получения желаемого выходного распределения. Формирование пучка осуществляют исключительно посредством фазового распределения, применяемого к головке ПМС. При этом специалисту в данной области техники будет понятно, что на практике небольшие потери лазерного пучка в оптических трактах неизбежны.[79] One of the advantages of the proposed SLM module is the ability to form a beam essentially without loss. Therefore, there is no need to use absorbing photomasks or scattering photomasks to obtain the desired output distribution. Beam shaping is carried out solely by the phase distribution applied to the ICP head. In this case, it will be clear to a person skilled in the art that, in practice, small losses of the laser beam in optical paths are inevitable.
[80] При применении идеальных оптических элементов, будут возникать только потери от рассеяния на дифракционной решетке ПМС, причем только при дифракции высоких порядков, так как искомое целевое распределение имеет место исключительно в первом порядке дифракции.[80] When using ideal optical elements, only losses from scattering on the diffraction grating of the SLM will occur, and only for high-order diffraction, since the desired target distribution occurs exclusively in the first order of diffraction.
Области применения и возможные варианты примененияApplications and possible applications
Параллельное микроструктурирование / параллельное структурированиеParallel microstructuring / parallel structuring
[81] Предложенные способ и устройство выполнены с возможностью применения в составе любого оптического тракта при наличии достаточного для этого физического пространства и соблюдения вышеуказанных условий для лазерного пучка. Фиг. 8 изображает пример системы микроструктурирования путем проекционного экспонирования, в которой плоскость фотошаблона в оптическом тракте заменена реальным выходным распределением 103 модуля 800 ПМС, выполненного в конфигурации 1. На вход модуля 800 ПМС поступает первичный лазерный пучок 801 из лазерного источника 802. Реальное выходное распределение 103 проецируют на заготовку 803 посредством микроскопа 804 головки 805 механической микрообработки, также именуемой «средство параллельного микроструктурирования». Заготовка 803 закреплена на координатном столике 806, выполненном с возможностью перемещения заготовки 803 по меньшей мере в плоскости X-Y перпендикулярно проецируемому световому пучку. Вторая съемочная камера 807 выполнена с возможностью контроля главного пучка, проецируемого на заготовку 803, а также с возможностью функционирования в составе устройства автофокусировки. Специалисту в данной области техники известен способ функционирования оптических систем и их параметры для проекционной фотолитографии. Объем знаний специалиста в данной области техники по существу включает в себя параметры применимого фазового распределения без каких-либо ограничений для модуля 800 ПМС. Центральный процессор 106 контроллера также выполнен с возможностью управления расположением фокусирующих элементов L1 и L'', а также регулятора 105 переменной интенсивности.[81] The proposed method and device are designed to be used as part of any optical path, provided there is sufficient physical space for this and compliance with the above conditions for the laser beam. Fig. 8 depicts an example of a projection exposure microstructuring system in which the plane of the photomask in the optical path is replaced by the
[82] Фиг. 9 изображает пример включения модуля 800 ПМС в состав системы фокусированной механической обработки. В данном частном случае модуль 800 ПМС выполнен в конфигурации 2. Это позволяет увеличить число частичных главных пучков, которые можно применить для лазерной механической обработки. В идеале, для большинства оптических трактов и оптики, применяемой в такой системе, модуль 800 ПМС предпочтительно должен быть расположен как можно ближе к конечной оптике; в данном примере ею будет головка 805 механической микрообработки, во избежание каких-либо ограничений, обусловленных ее апертурой.[82] FIG. 9 depicts an example of incorporating a
[83] Увеличенное число фокальных точек обеспечивает полезный эффект, состоящий в повышении скоростей процесса лазерной механической обработки, в основе которого лежат сфокусированные пучки, пропорционально числу частичных главных выходных пучков, а также в возможности оптимизации использования мощности лазера. Переключение между распределением частичных пучков и фокальным распределением может происходить со скоростью, соответствующей частоте регенерации изображения на дисплее головки 101 ПМС, без участия какой-либо движущейся части. Специалисту в данной области техники известно, что модуляция по фазе позволяет корректировать моды Цернике, что, в свою очередь, повысит качество фокуса. Если ошибочное фазовое положение первичного пучка также известно, можно улучшить качество всех частичных главных пучков посредством модуля 800 ПМС. Модуль 800 ПМС не влияет на коэффициенты масштабирования отображения и на диаметры пучков.[83] The increased number of focal points provides the beneficial effect of increasing the speeds of the laser machining process based on focused beams in proportion to the number of partial main output beams, as well as the possibility of optimizing the use of laser power. Switching between partial beam distribution and focal distribution can occur at a rate corresponding to the refresh rate of the image on the
Примеры структурирования для параллельной механической микрообработкиStructuring Examples for Parallel Machining
[84] Параллельное микроструктурирование посредством множества частичных главных пучков с индивидуальным управлением энергией импульса или мощностью пучка обеспечивает возможности структурирования, аналогичные возможностям при применении отдельных пучков. Фиг. 10 схематически изображает разнос dx пучка для импульсного первичного пучка, расщепляемого на n × m частичных выходных пучков. Символы р1, р2, р3 и т.д. обозначают последовательность импульсов во времени. Заготовку перемещают по оси х прямоугольного распределения, причем разнос dx имеет место между двумя лазерными импульсами. Так можно создать набор из n линий, причем каждую линию облучают несколько раз, обычно с небольшим перекрытием. В результате возникает профиль линий постоянной глубины по длине линии в направлении v, при этом набор линий имеет распределение f(x) максимальных глубин, как показано на Фиг. 15b.[84] Parallel microstructuring by means of a plurality of partial main beams with individual control of pulse energy or beam power provides structuring capabilities similar to those using single beams. Fig. 10 schematically depicts the beam spacing dx for a pulsed primary beam split into n × m partial output beams. Symbols p1, p2, p3, etc. denote the sequence of pulses in time. The workpiece is moved along the x-axis of a rectangular distribution, with a spacing dx occurring between two laser pulses. In this way, a set of n lines can be created, with each line being irradiated several times, usually with little overlap. This results in a profile of lines of constant depth along the length of the line in the v direction, with the set of lines having a distribution f(x) of maximum depths as shown in FIG. 15b.
[85] Работа с таким малым разносом импульсов также обеспечивает возможность так называемого «поверхностного съема», как показано на Фиг. 15а. В данном случае заготовку перемещают относительно лазера согласно направлению v1 подачи так, чтобы обеспечить охват поверхности, ограниченной соседними частичными пучками. Это позволяет создавать 2.5-мерные рельефы поверхности.[85] Operating with such a small pulse spacing also allows for so-called "surface pickup" as shown in FIG. 15a. In this case, the workpiece is moved relative to the laser according to the feed direction v1 so as to cover the surface defined by adjacent partial beams. This allows you to create 2.5-dimensional surface reliefs.
[86] Еще один потенциальный подход к параллельному микроструктурированию состоит в разнесении частичных пучков на интервал dx, как показано на Фиг. 12. Интервал, проходимый за время между отдельными импульсами, будет несколько больше dx, в связи с чем действительный интервал между отдельными импульсами составит dn. В частном примере на Фиг. 12 число импульсов между двумя частичными пучками с разносом dx составит m=5. Применение данной стратегии механической обработки позволяет сократить действительный интервал между отдельными импульсами. Продолжительность структурирования для простых решеток можно значительно сократить путем применения оптимизированных соотношений между dx, dn и m.[86] Another potential approach to parallel microstructuring is to space the partial beams by dx, as shown in FIG. 12. The interval traversed in the time between individual pulses will be somewhat greater than dx, and therefore the actual interval between individual pulses will be dn. In the particular example in Fig. 12, the number of pulses between two partial beams with a spacing dx will be m=5. The application of this machining strategy makes it possible to reduce the actual interval between individual pulses. The structuring time for simple lattices can be significantly reduced by applying optimized relationships between dx, dn and m.
[87] Еще одна возможность заключается в наклоне периодического распределения выходного пучка относительно направления подачи на угол «альфа», как проиллюстрировано на Фиг. 13. Так каждый частичный пучок сможет создавать линию с постоянной глубиной съема или дозой облучения, при этом, в зависимости от угла «альфа», отдельные следы облучения также могут перекрывать друг друга перпендикулярно направлению v2 подачи. Видимый интервал dy' между импульсами тем больше, чем больше угол наклона «альфа». Задавая пространственное распределение частичных пучков в направлениях х и у на основе dx и dy соответственно, можно генерировать видимое распределение интенсивностей в одном измерении. Таким образом, можно создавать профиль f(x) сечения любого типа за один проход - см. также Фиг. 14а и 14b. Если все линии в выходном распределении будут идентичны друг другу, то будут одновременно созданы л идентичных профилей - см. Фиг. 14а.[87] Another possibility is to tilt the periodic distribution of the output beam with respect to the feed direction by an angle "alpha", as illustrated in FIG. 13. Thus, each partial beam can create a line with a constant removal depth or radiation dose, while, depending on the angle "alpha", individual radiation marks can also overlap each other perpendicular to the feed direction v2. The visible interval dy' between pulses is the greater, the greater the tilt angle "alpha". By specifying the spatial distribution of partial beams in the x and y directions based on dx and dy respectively, one can generate an apparent intensity distribution in one dimension. In this way it is possible to create any type of section profile f(x) in a single pass - see also FIG. 14a and 14b. If all the lines in the output distribution are identical to each other, l identical profiles will be created at the same time - see FIG. 14a.
[88] При применении импульсного пучка в работе, структурирование вдоль частичного пучка позволяет поставить глубину съема или интенсивность облучения в периодическую зависимость f(x). Для этого направление подачи, число частичных главных пучков вдоль линии и их интервал должны иметь постоянное отношение. Фиг. 16а изображает профиль А вдоль левой линии в направлении v3, как проиллюстрировано видом в поперечном разрезе на Фиг. 16b. Энергия импульса частичных пучков вдоль этой линии постоянно уменьшается.[88] When using a pulsed beam in operation, structuring along a partial beam allows you to put the removal depth or irradiation intensity in a periodic dependence f(x). To do this, the feed direction, the number of partial main beams along the line and their spacing must have a constant ratio. Fig. 16a shows the profile A along the left line in the v3 direction, as illustrated by the cross-sectional view in FIG. 16b. The momentum energy of partial beams along this line constantly decreases.
Структурирование поверхности тиснильного валаStructuring the surface of the embossing roller
[89] Фиг. 17 иллюстрирует пример устройства с возможностью применения для структурирования тиснильного рисунка 1700 на рабочем инструменте, в частности - на поверхности тиснильного вала. Модуль 800 ПМС вводит первичный световой пучок, т.е. коллимированный и по меньшей мере частично когерентный свет от лазерного источника 802, и направляет, на своем выходе, главный пучок на поверхность тиснильного вала. Есть несколько возможных вариантов регулирования относительного положения модуля 800 ПМС и тиснильного вала. В иллюстрируемом примере модуль 800 ПМС можно перемещать согласно указанному направлению х, при этом тиснильный вал также можно вращать с помощью мотора 1701, как указано круговыми стрелками. Контроллер 106 также выполнен с возможностью регулирования относительного положения модуля 800 ПМС и тиснильного вала, то есть соответствующего управления модулем 800 ПМС, лазерным источником 802 и мотором 1701 для тиснения тиснильного рисунка 1700 на поверхности тиснильного вала.[89] FIG. 17 illustrates an example of a device that can be used to structure an
Расщепление пучкаbeam splitting
[90] Фиг. 11 иллюстрирует принцип функционирования при расщеплении / разделении пучка. Модуль 800 ПМС в конфигурации 2 расположен у выхода источника 802 лазерного пучка. В отношении первичного лазерного пучка 801 установлены только вышеуказанные ограничения. Дифракция первичного лазерного пучка 801 происходит на рассчитанной, как раскрыто выше, фазовой решетке на m частичных главных пучков с их последующим отклонением на m по-разному ориентированных зеркал М1-Mm. Далее указанные зеркала отражают соответствующие частичные пучки на m разных рабочих станций, экспонирующих устройств и/или измерительных станций или поглотителей пучков (блок 1 - блок m). Распределением мощности между частичными пучками, их числом и углами выхода можно управлять во времени путем переключения фазовых значений на головке 101 ПМС. Это позволяет повысить эффективность использования мощности лазера и выполнять разные задачи с помощью единственного лазерного источника. Как уже было сказано выше, модуль 800 ПМС также позволяет корректировать аберрационные моды Цернике и тем самым способствовать повышению качества каждого из частичных пучков.[90] FIG. 11 illustrates the operating principle for splitting/beam splitting.
ЛитератураLiterature
Claims (21)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18193276.5 | 2018-09-07 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021107049A RU2021107049A (en) | 2022-10-07 |
RU2796474C2 true RU2796474C2 (en) | 2023-05-24 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3538335A (en) * | 1968-11-27 | 1970-11-03 | Gen Electric | Light intensity controller for photosensitive pickup tubes |
EP2327503A1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-06-01 | Boegli-Gravures S.A. | Method and device for structuring a solid body surface with a hard coating with a first laser with pulses in the nanosecond field and a second laser with pulses in the pico- or femtosecond field |
RU2510069C2 (en) * | 2012-05-17 | 2014-03-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical device with multi-aperture fourier-transforming optical elements for single-step recording of multiple microholograms |
RU155643U1 (en) * | 2015-04-17 | 2015-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | DEVICE FOR LASER MARKING OF METALS AND ALLOYS |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3538335A (en) * | 1968-11-27 | 1970-11-03 | Gen Electric | Light intensity controller for photosensitive pickup tubes |
EP2327503A1 (en) * | 2009-11-25 | 2011-06-01 | Boegli-Gravures S.A. | Method and device for structuring a solid body surface with a hard coating with a first laser with pulses in the nanosecond field and a second laser with pulses in the pico- or femtosecond field |
RU2510069C2 (en) * | 2012-05-17 | 2014-03-20 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Optical device with multi-aperture fourier-transforming optical elements for single-step recording of multiple microholograms |
RU155643U1 (en) * | 2015-04-17 | 2015-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | DEVICE FOR LASER MARKING OF METALS AND ALLOYS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7072566B2 (en) | Ultrashort-pulse laser-working method and apparatus and structural bodies produced by using the same | |
JP6856765B2 (en) | Methods and equipment for forming radiation for laser machining | |
JP4761432B2 (en) | Laser processing equipment | |
JP4716663B2 (en) | Laser processing apparatus, laser processing method, and structure manufactured by the processing apparatus or processing method | |
US20210237199A1 (en) | Adaptive Laser Beam Shaping | |
KR102132846B1 (en) | Machining device and method for laser machining a surface | |
US11312067B2 (en) | System and method for sub micron additive manufacturing | |
CN104907691B (en) | Laser processing device and laser processing | |
EP2005251B1 (en) | Device and method of controlling a device for microstructuring a storage medium | |
KR101020149B1 (en) | Micro patterning equipment of 3-dimension | |
JP4647965B2 (en) | Laser processing method, laser processing apparatus, and structure manufactured thereby | |
KR20160127462A (en) | Laser apparatus and method of manufacturing the same | |
US11320661B2 (en) | Device for changing the shape of a light beam | |
US20210001540A1 (en) | System and method for submicron additive manufacturing | |
RU2796474C2 (en) | Adaptive laser beam formation | |
JP4456881B2 (en) | Laser processing equipment | |
CN112388159A (en) | System and method for three-dimensional parallel processing and monitoring of fractional Fourier holographic femtosecond laser | |
JP4477893B2 (en) | LASER PROCESSING METHOD AND DEVICE, AND STRUCTURE MANUFACTURING METHOD USING LASER PROCESSING METHOD | |
KR101421091B1 (en) | Micro-pattern processing device and method using ultra-short pulse laser | |
CN112817158A (en) | Large-breadth controllable polarization pattern generation device and method | |
KR20230117235A (en) | device for influencing the laser beam | |
CN112817178A (en) | Focus servo system | |
CN112817168A (en) | Imaging detection assembly | |
Andrés et al. | Diffractive optics for processing ultrashort light pulses |