TWI352215B - Beam shaping module - Google Patents

Description

1352215 _ 年P月&日絛正替 ； 九、發明說明： , 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種光束整形模組，尤其是有關於一種利 用將光束分離後進行其中一者之能量反轉並重新結合之光 束整形模組。 【先前技術】 雷射光束整形對目前許多工業，醫學或學術研究上， Φ 佔有極其重要的一環。在工業上如半導體顯影製程、微電 路修補、微加工、切割、熔接、鑽孔、材料生成、光學資 料儲存等，在醫學上如美容、手術標記上等，在學術上如 • 核融合的研究。由於應用範圍極廣，因此凡是要求雷射具 ^ 有某些特定的強度分佈，都是雷射光束整形的研究範疇。 一般單模雷射光強度分佈在空間橫截面上為高斯分 佈，但在某些多模態的雷射光其光強度分佈則非常雜亂； 由於在某些應用上要求雷射光的強度分佈為均勻而且有銳 ^ 利的邊角，因此在雷射光束整型的技術上不斷的在改善現 有方法。 在目前現有技術上比較常見的整形方法有利用透鏡、 繞射元件、透鏡陣列及光導管等單一類型或組合類型的光 學元件。其中透鏡和繞射元件只適用於單模雷射，而對於 多模態雷射則必須使用透鏡陣列或是光導管。前述方法各 有其缺點，例如：使用透鏡整形所需的非球面鏡製作不易 且價格昂貴，光路要求對位精準，稍有偏差則預期的均勻 雷射強度分佈會有變形；使用繞射元件一樣有對位精準的 5 1352215 _ ⑽年f月％日條正替 ： 問題，如果要提升其效率需做高階繞射元件，增加製作難 ^ 度與成本；使用透鏡陣列在採用單模光源時會有干涉和繞 射效應，降低均化效果；採用光導管時，會因為其長度與 多次反射造成縮小系統與提升穿透率的困難。 美國專利第4,793,694號係以兩面反射鏡將入射光分 成三等分，之後再利用另外兩面反射鏡將三道光重合於一 平面上來做輻照度的均化；此種方法需微調反射鏡至適當 角度，並且需額外加上波片來調變此三道光的同調性，以 φ 避免干涉條紋影響均化效果；該案另一實施例則是利用單 一稜鏡將光分成三等分再於後方重合達成輻照度均化，但 此方法無法引入波片調變各道光之同調性，對於同調性良 • · 好之雷射光會產生干涉條紋，影響整體均化效果。 緣此，本案之發明人係研究出一種光束整形模組，其 係可避免上述習知技術之缺點。 【發明内容】 φ 本發明之主要目的係為提供一種光束整形模組，其係 利用偏極化分光器將雷射光束分離為兩道光束後，再以光 束結合器將其中一道光束之能量反轉並重新結合，進而達 成均勻雷射光束輸出之目的。 為達上述目的，本發明係提供一種光束整形模組，其 係接收由一光源所發出之偏振光，包含： 一分光器，係將該偏振光分為一第一光束與一第二光 束，且該第一光束與該第二光束之偏振方向係相互垂直； 一光束結合器，係將該第一光束與一第二光束進行光 6 1352215 束整形結合，該光束結合器具有四塊立方體玻璃，兩塊為 偏極化分光立方體玻璃，另兩塊為光學立方體玻璃，該二 偏極化分光立方體玻璃為對角放置，該二光學立方體玻璃 為對角放置；以及 其中，該光束結合器係將該第一光束與第二光束中之 一者的能量反轉。 為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更 進一步之了解與認同，茲配合圖示詳細說明如後。 【實施方式】 圖一係為本發明光束整形模組之結構示意圖，於圖一 中，光束整型模組1包含一偏極化分光器10、反射鏡12、 反射鏡14以及光束結合器16。 首先，光源8會產生具同調性之圓偏極化光束80並射 入偏極化分光器10,該偏極化分光器10係允許某偏極化 方向光束800通過，而與前述的光束800偏極化方向垂直 的光束802則會偏折到另一個方向，如此利用偏極化分光 器10可以將光束80分成兩個不同性質的光束800與光束 802，且光束800與光束802之偏極化方向係相互垂直，於 圖一中，該光束800與光束802係分別藉由相互平行設置 之反射鏡12與反射鏡14反射進入光束結合器16，該光束 結合器16係將該光束800(或光束802)之能量反轉後再與 另一光束802(或光束800)整形結合成一均勻輸出光束82。 再請參見圖二，其係顯示使用於本發明之光束結合器 16。於圖二中，光束結合器16分別由四塊立方體玻璃所組 7 丄叫215 丨6〇年丨月曰 ' ’其中兩塊為偏極化分光立方體玻螭16〇與162，另兩 ，-般光學立方體玻璃164與166，其功能可使光束不 偏折，光束結合器16的組成方式為偏極化分光立方體 ，160與162彼此相互為對角放置，而光學立方體玻填 與166為對角放置。而前述的兩塊偏極化分光立方體 螭160與162其功能與偏極化分光器1〇的功能相同。 在圖一中，光束802被偏極化分光破璃16〇與丨62偏

形成反轉光束802,，而光束8〇〇則直接通過光束結合器 16，故反轉光束802,的能量強度峰值和谷值可以分別和光 的能量強度谷值與峰值相加成。經過這樣的加成 设’可以形成平頂型光束82。

為達成光束整型的目的，本發明更提供另一種實施方 如圖三所示。在圖三_各元件之功能係類似於圖一之 p例，所不_是’圖三中之錢9係產生具同調性之 線偏極化光束90，而該線偏極化光束9〇會先通過一四分 之一波長鏡片18’經由該四分之—波長鏡片18後，該線 偏極化光束90會轉變成圓偏極化光束％。 該偏極化分光H 1G係允許某偏極化方向光束通 過，而與前述的光束920偏極化方向垂直的光束922則會 偏折到另一個方向，如此利用偏極化分光器1〇可以將光束 92分成兩個不同性質的光束92〇與光束922，且光束 與光束922之偏極化方向係相互垂直，於圖三中，該光束 920與光束922係分別藉由反射鏡12與反射鏡14反射進 入光束結合器16，該光束結合器16係將該光束92〇(或光 束922)之能量反轉後再與另—光束922(或光束92〇)整形結 丄妁2215 . 人 年$月％日條正替 . 合成—均勻輸出光束94。 ^又，為達成光束整型的目的，本發明更提供另一種實 二方^如圖四所不。在圖四中各元件之功能係類似於圖 二之實施例，所不同的是，圖四中係於光源9與四分之一 波長鏡片18之間更設有一擴束器19，該擴束器19之功能 係為擴大光斑；當光源9產生具同調性之線偏極化光束卯 後、，該線偏極化光束90會先通過該擴束器19被擴大，再 通過四分之一波長鏡片18,當經過該四分之一波長鏡片18 • 後，該線偏極化光束90會轉變成圓偏極化光束92。之後， 該光束之能量轉換過程便如同前述圖三之實施例所示，於 _ 此係不再贅述。 ' 、為達成光束整型的目的，本發明更提供另一種實施方 式，如圖五所示。在圖五中，光源9經過光纖2〇被分成二 束光，分別利用光纖20從上方及左方導入光束結合器16。 若光源9從光纖20出光後偏振態保持不變，則利用偏振態 轉換元件（或過濾元件）17將其中一個出光的偏振態轉成 φ 與另一個出光的偏振態垂直。之後，該光束之能量轉換過 程便如同前述圖三之實施例所示，於此係不再贅述。 為達成光束整型的目的，本發明更提供另一種實施方 式，如圖六所示。在圖六光源9經過光纖20被分成二束光， 分別利用光纖20從上方及左方導入光束結合器丨6。若光 源9從光纖20出光後沒有偏振性，則利用偏振態轉換元件 (或過濾元件）1 7，分別將二個出光的偏振態過濾成互相 垂直。之後，s亥光束之能量轉換過程便如同前述圖三之實 施例所示，於此係不再贅述。 9 1352215 _ 年$月％日修正替 於本發明中，係使用具同調性質之光源（例如雷射光 源），此外，可視需求之不同使用圓偏極化或線偏極化光 源；又，該偏極化分光器可以是稜鏡或透鏡。 由於本案之光束整形模組使用偏極化光束結合器，故 不需進行高精度加工，而利用偏振垂直結合光束也不會有 光源干涉問題，此外本案之輸出為平行光，因此在調變光 型上的便利性亦大於前案，又本案之元件基本上都是方形 元件且可和偏振波片整合，因此也有著組裝方便之優點； 因此，本案係能以簡單的裝置來達到平頂型光束整型的目 的。 唯以上所述者，僅為本發明之最佳實施態樣爾，當不 能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵 蓋之範圍内，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至 禱。 【圖式簡單說明】 圖一係為本發明光束整形模組之示意圖； 圖二係為本發明光束整形模組將入射光能量轉換並結合之 不意圖， 圖三係為本發明光束整形模組之示意圖，其係顯示另一實 施例； 圖四係為本發明光束整形模組之示意圖，其係顯示另一實 施例； 圖五係為本發明光束整形模組之示意圖，其係顯示另一實 10 1352215 I卯年f肖7/(?日條正替 施例；以及 圖六係為本發明光束整形模組之示意圖，其係顯示另一實 施例。 【主要元件符號說明】 1-光束整型模組 8 -光源 9- 光源 10- 偏極化分光器 12-反射鏡 14-反射鏡 16- 光束結合器 17- 偏振態轉換元件 18- 四分之一波長鏡片 19- 擴束器 20- 光纖 80-圓偏極化光束 82-光束 90-線偏極化光束 92 -圓偏極化光束 94-光束 160-偏極化分光立方體玻璃 162 -偏極化分光立方體玻璃 164-光學立方體玻璃 166-光學立方體玻璃 1352215 年Γ月％日修正替 800-光束 802-光束 802’-反轉光束 920-光束 922-光束

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Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 1. 一種光束整形模組，係接收由 包含 1丨卯年浐月姊日鉻ΓΡ辞 光源所發出之偏振光， -：光器’係將該偏振光分為一第一光束與一第二光 ^ ’且該第—光束與該第二光束之偏振 直；以及 仰江土 一 3=器」係將該第：光束與-第二光束進行光束 正人口 ο»亥光束結合器具有四塊立方體玻璃，兩塊為 偏極化分光立方體玻璃，另兩塊為光學立方體玻璃，該二 偏極化分光立方體玻璃為對角放置，該二光學立 為對角放置； 敬埤 其中’該光束結合器係將該第—光束與第二 者的能量反轉。 2. 如申請專·㈣丨項之光束整賴組，其巾該 為偏極化分絲，其作用為將分光之第-光束與第二; 束之偏振方向轉換成相互垂直光束並導入一反射單元， =反射單，係包含-第—反射鏡與—第二反射鏡，其係 为別將該第-光束與第二光束反射至該光束結合器。、、 3. 如申請專利範圍第2項之光束整形模組，其中該第 射鏡與第二反射鏡係彼此平行設置。 4. 如申請專利範圍第！項之光束整形模組，其中 。。 為光纖，其作用為將光束導入光束結合器。 5. 如申請專利範圍第4項之光束整形模組，其中該 ^包含至少一偏振態轉換元件，其作用為將光束之 態轉換成互相垂直。 振 13 ~~~~- 6.如申請專職圍第4項之光束整频組 更包含至少-偏振態過濾元件，其作 : 態過濾成互相垂直。 巧肝九束之偏振 1項之光束整形模組，其中該光源係 .如申請專利範圍第7項之光束整形模組，更包含—極化 轉換單元，該極化轉換單元係將偏振光由線性偏極化轉 換為圓偏極化。

   9·如：請專利範圍第8項之光束整形模組，其中該極化轉 換單元係為一四分之一波長片。 10·如申請專利範圍第丨項之光束整形模組，其中該光源係 為具同調性質之光源。 11. 如申請專利範圍第丨項之光束整形模組，其中該光源係 為圓偏極化或線性偏極化之光源。 12. 如申請專利範圍第2項之光束整形模組，其中該分光器 係為稜鏡與透鏡中之一者。

   .如申請專利範圍第 為雷射光源。 13. 如申請專利範圍第7項之光束整形模組，更包含一擴 束為’ §亥擴束器係設於該光源與該偏極化分光器之間， 以擴大偏振光之光束。 14 1352215 _ 咿年t月％日條正替 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（一）圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 1-光束整形模組 8-光源 10-偏極化分光器 12-反射鏡

   14-反射鏡 16-光束結合器 80-圓偏極化光束 82-光束 800-光束 802-光束 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：