TWI414386B - Optical fiber transmission laser system - Google Patents

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TWI414386B
TWI414386B TW101116011A TW101116011A TWI414386B TW I414386 B TWI414386 B TW I414386B TW 101116011 A TW101116011 A TW 101116011A TW 101116011 A TW101116011 A TW 101116011A TW I414386 B TWI414386 B TW I414386B
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Tomonari Yahata
Yoshiaki Aida
Ryotaro Togashi
Ryosuke Sato
Toshio Inami
Hideaki Kusama
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Showa Optronics Co Ltd
Japan Steel Works Ltd
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Description

光纖傳輸雷射光學系統 技術領域
本發明係有關以光纖來傳輸由振盪器輸出之雷射光，且可成形為線狀光束之光纖傳輸雷射光學系統，適用於薄膜矽之退火處理。
 背景技術
雷射光所形成之結晶化、表面改良技術係以雷射退火技術為眾所皆知。於雷射退火裝置上，大多係使用矩形狀或線狀之準分子雷射來作為由雷射振盪器所出射之雷射光。專利文獻1、2提出了使用準分子雷射之退火裝置。於此等之裝置上係使用正交配置有多數柱狀陣列透鏡之光學系統，藉由此光學系統，可將由雷射振盪器所出射之雷射光成形為一所謂細線狀分布之雷射光，該雷射光係在剖面之其中一方向上具有均勻之強度分布，且在與此正交的方向上具有極高之聚光特性。
如以上所述，在可將由雷射振盪器所出射之雷射光成形為線狀分布之光學系統上，由於雷射振盪器之出射位置與線狀分布雷射光之成形位置之相對位置關係固定，故進行退火處理或曝光處理的裝置之佈局、裝置面積、裝置體積之自由度將被限制。故，近年來出現了於雷射出射端安裝光纖，並藉由光纖來傳輸雷射光之光纖傳輸雷射光學系統。由於光纖傳輸雷射光學系統可藉由使用光纖來增加由 雷射振盪器所出射之雷射光之傳輸自由度，故類似上述裝置佈局的問題已逐漸解決。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平10-244392號公報
專利文獻2：日本特開平10-153746號公報
 發明概要
另一方面，由於雷射振盪器之性能日漸提升而其輸出提高，因此安裝於雷射振盪器出射端的光纖有受到損壞之虞。此損壞主要係在光纖的入射端產生，而入射的雷射光密度越高則越易產生損壞。於此，可舉出加大光纖之芯徑之方法來作為減少雷射光之輸入密度的方法之一。也就是說利用對應於雷射振盪器輸出的芯徑之光纖來進行雷射光之聚光，進而減少輸出密度。
然而，於進行退火處理或曝光處理之雷射裝置上，進行處理之雷射光能量密度要高是很重要的，為了要便宜地提供已進行過退火處理之加工品，也必須提升產出量(throughput)。為提升產出量必須提高如上述之線狀分布雷射光之能量密度，且，為處理大面積則必須加大雷射光剖面長邊方向之尺寸。
惟，為了提高產出量，若將雷射光短邊方向之尺寸縮小來提高能量密度的話，則依照由光纖出射的雷射光之出 射角度，有時光學倍率會超過阿貝的繞射理論，於此情況下，就會產生能量損耗。除此之外，由於要避免光纖受損就必須加大芯徑，因此就無法將由雷射振盪器出射的雷射光成形為一短邊方向尺寸較小之線狀光束。
本發明乃為解決上述問題點而發明之，其目的在於提供一光纖傳輸雷射光學系統，其係即使傳輸由雷射振盪器所輸出的雷射光之光纖具有較大的芯徑，也可將由光纖出射的雷射光成形為一短邊方向尺寸較小的線狀光束。
為解決上述課題，本發明之光纖傳輸雷射光學系統1係具備有：第1光纖(3)，傳輸由雷射振盪器(2)所輸出的雷射光；準直透鏡(collimating lens)(4)，校準(collimate)由該第1光纖所出射之雷射光；陣列透鏡(5)，藉由複數單元將由該準直透鏡所出射的雷射光聚光為多點光點；複數第2光纖(6)，具有一相較於前述第1光纖較小之芯徑，使得藉由前述陣列透鏡聚光為多點光點之雷射光可入射，且出射端(6b)之軸線相互平行並排列成直線狀之一列；以及，線性光學系統(7~11)，將由該複數第2光纖所出射的雷射光成形為在照射面(12)呈直線狀的雷射光。
若藉由此構造，可藉由陣列透鏡將由第1光纖出射的雷射光聚光為多點光點，使光線入射到第2光纖且將第2光纖的出射端排成一列，藉此加大第1光纖之芯徑來減少其損壞，且，可獲得一長邊方向相對於短邊方向之尺寸比例較大之線狀光束。另外，利用改變陣列透鏡之光點數及第2光 纖之數目，也可自由設定線狀光束之短邊方向的尺寸。
另外，若藉由本發明之其中一側面，將前述第1光纖之芯徑設為A，將雷射光聚光於前述照射面之聚光透鏡的短邊方向NA(Numerical Aperture：開口數)設為N，前述照射面之雷射光的短邊方向尺寸設為C時，在滿足N<1的情形下符合C<A。
若藉由此構造，除了可將從聚光透鏡至照射面之距離設定成適當值之外，可任意選擇N，並可在滿足N<1的條件下形成一符合C<A的線狀光束。
另外，若藉由本發明之其中一側面，將前述第1光纖之芯徑設為A，前述第1光纖之NA設為B，前述第2光纖之芯徑設為L，前述第2光纖之NA設為K，前述準直透鏡之光束直徑設為D4，前述陣列透鏡之前述單元的外接圓之直徑設為D5時，將滿足D4/D5=(A×B)/(L×K)。。
若藉由此構造，可使由第1光纖出射的雷射光在不會產生能量損耗之情形下入射到第2光纖，而可獲得一強度(能量密度)更高之線狀光束。
另外，若藉由本發明之其中一側面，該線性光學系統包含有：第1柱狀透鏡(7)，使由前述第2光纖出射的雷射光沿著前述第2光纖之排列方向折射；第2柱狀透鏡(8)，使由前述第2光纖出射的雷射光沿著與前述第2光纖之排列方向正交的方向折射；柱狀陣列透鏡(9)，使由前述第1柱狀透鏡及前述第2柱狀透鏡出射的雷射光沿著前述第2光纖之排列方向折射；第3柱狀透鏡(10)，使由前述柱狀陣列 透鏡出射的雷射光，對前述柱狀陣列透鏡(9)利用科勒(Köhler)照明原理而沿著前述第2光纖之排列方向折射；以及，第4柱狀透鏡(11)，使由前述柱狀陣列透鏡出射的雷射光，利用對前述第2柱狀透鏡(8)之成像關係而沿著與前述第2光纖之排列方向正交的方向折射。
若藉由此構造，可將由複數第2光纖出射的雷射光成形為一在長邊方向及短邊方向皆具有均勻強度分布之線狀光束。
另外，若藉由本發明之其中一側面，可將光纖傳輸雷射光學系統適用於雷射退火裝置之構造上。若藉此裝置，可藉由短邊方向尺寸較小(能量密度較高)而長邊方向尺寸較大之線狀雷射光來實現產出量較高之退火處理。
如以上所述，藉由本發明，可在不產生能量損耗之情形下，將由光纖出射的雷射光成形為一短邊方向尺寸較小之線狀光束。
圖式簡單說明
第1(A)(B)圖為本實施形態之光纖傳輸雷射光學系統之概略圖。
第2圖為第1圖所示之光纖傳輸雷射光學系統之立體圖。
第3(A)(B)圖為第2光纖之入射端及出射端之配置圖。
第4(A)(B)圖為表示照射面上之光強度分布之圖表。
 用以實施發明之形態
以下，將一邊參照圖式一邊說明本發明之實施形態。
第1圖為本實施形態之光纖傳輸雷射光學系統1之示意圖，其中(A)顯示光學系統之正面，(B)顯示光學系統之側面。如第1、2圖所示，光纖傳輸雷射光學系統1具有於雷射出射端安裝有第1光纖3的振盪器2。此第1光纖3具有一較大之芯徑，即使讓由雷射振盪器2出射的雷射光入射也不會受到損壞，且可讓雷射光由其出射端以一擴散角度出射。於第1光纖3之出射側配置有準直透鏡4，可藉由準直透鏡4讓由第1光纖3出射的雷射光形成一平行光。
於準直透鏡4之出射側配置有球面陣列透鏡5。此球面陣列透鏡5係使由在平面觀視下呈正方形之球面透鏡所構成之單元5a，沿著於平面上相互正交之X軸及Y軸方向連續配置，而配置成於X軸方向及Y軸方向皆呈複數列之矩陣狀。於本實施形態上，球面陣列透鏡5係由於X軸方向及Y軸方向各配置成3列之9個單元5a所構成。入射到球面陣列透鏡5之平行光係藉由各單元5a來聚光而形成複數個(於此為9個)之光點。
於球面陣列透鏡5之出射端，配置有具有相較於第1光纖3較小之芯徑的第2光纖6，且第2光纖6之數量對應到藉由球面陣列透鏡5所形成之光點數(於本實施形態上為正方形的3行3列，合計9條)。如第3(A)圖所示，第2光纖6之入射端6a位於各光點之形成位置，亦即，位於陣列透鏡之焦點上。換言之，第2光纖6之入射端6a在平面觀視下分別配置於各 單元5a之中心。
另外，第2光纖6之入射端6a係配置成其軸線與光軸平行。又，於此所謂與光軸平行乃意味並非通過各單元5a之實際光束的中心，而係與各單元5a之旋轉對稱軸(於此將此稱之為光軸)平行。藉由各單元5a所聚光之雷射光，係由配置於光點位置之入射端6a入射到第2光纖6，而於第2光纖6中傳導。
又，藉由球面陣列透鏡5形成光點之際，入射到第2光纖6之雷射光角度不會超過第2光纖6之NA，另外，光點直徑不會超過第2光纖6之芯徑。
於此，若將第1光纖3之芯徑設為A，第1光纖3之NA設為B，第2光纖6之芯徑設為L，第2光纖6之NA設為K，則其關係為A>L且B>K。另外，若準直透鏡4之光束直徑設為D4，球面陣列透鏡5之各單元5a的外接圓之直徑設為D5時，將滿足下列式子(1)。
D4/D5=(A×B)/(L×K)......(1)
藉由將第2光纖6之芯徑及NA設定為如此，可使由第1光纖3出射的雷射光在不會產生能量損耗之情形下入射到第2光纖6。
第2光纖6係分別配置成緩和地彎曲，為了於照射面12獲得線狀之雷射光，如第3B圖所示，其出射端6b係排列成與Y軸平行的一列直線狀。另外，第2光纖6之出射端6b，係配置成其軸線相互平行且於本實施形態上以等間隔配置之。
從第2光纖6出射的雷射光將藉由用以沿著長邊方向(Y軸方向)校準之柱狀透鏡7、及用以沿著短邊方向(X軸方向)校準之柱狀透鏡8，校準為長圓剖面形狀之平行光。
為了於長邊方向上獲得在照射面12上均勻之能量分布，藉由柱狀透鏡8校準為長圓剖面形狀的雷射光，係入射到利用了科勒照明原理之柱狀陣列透鏡9及柱狀陣列透鏡10。照射到照射面12之雷射光之長邊方向尺寸M係藉由將取決於柱狀陣列透鏡9之焦點距離與柱狀陣列透鏡10的焦點距離之光學倍數，乘上柱狀陣列透鏡9之單元尺寸而決定。
藉由柱狀透鏡8校準為長圓剖面形狀的雷射光，在短邊方向上係依據柱狀透鏡8與柱狀透鏡11之成像關係來聚光。照射到照射面12之雷射光之短邊方向的尺寸C，係藉由將取決於柱狀透鏡8之焦點距離與柱狀透鏡11的焦點距離之光學倍數，乘上第2光纖6之芯徑而決定。又，照射到照射面12之雷射光之短邊方向的尺寸C，其關係為C<L<A。
若藉由如此構造之光纖傳輸雷射光學系統1，當將沿著短邊方向而對照射面12聚光雷射光之柱狀透鏡11的短邊方向之NA設為N時，若從柱狀透鏡11至照射面12之距離已設定為適當值的話，可藉由在滿足N<1的範圍內變更N來選擇照射到照射面12之雷射光的短邊方向的尺寸C，且可使尺寸C小於A而不會產生能量損耗。
若藉由如此構造之光纖傳輸雷射光學系統1，可在照射面12獲得一如第4圖所示之光強度分布。又，第4(A)圖顯示 雷射光之短邊方向(X軸方向)之光強度分布，第4(B)圖顯示雷射光之長邊方向(Y軸方向)之光強度分布。如第4圖所示，若藉由實施形態之光纖傳輸雷射光學系統1，可在照射面12獲得一涵蓋短邊方向之尺寸C顯示大致均勻的光強度分布、且涵蓋長邊方向之尺寸M顯示大致均勻的光強度分布之雷射光。
如此一來，以準直透鏡4來校準從第1光纖3出射之雷射光，並以球面陣列透鏡5使雷射光往芯徑較小之第2光纖6入射，且，將芯徑較小之第2光纖6之出射端6b排列成一列而成直線狀，在出射端6b之排列長邊方向(Y軸方向)上利用科勒照明原理，而在出射端6b之排列短邊方向(X軸方向)上則利用2片透鏡之成像關係，即可獲得一線狀光束，此線狀光束係於照射面12上具有不使用從球面陣列透鏡5至第2光纖6之光學系統便無法獲得之形狀及均勻之強度分布。
可將如此之雷射光照射到照射面12之光纖傳輸雷射光學系統1，係適合作為進行薄膜矽之退火處理之裝置。
以上雖為本發明之具體實施形態之說明內容，但本發明並非限定於上述實施形態。譬如，於本實施形態上，雖將單元5a配列成3行×3列來構成球面陣列透鏡5，但也可排列成除此之外的行列數。另外，各單元5a並非限定於正方形，也可為長方形或六角形等形狀。再者，其他構件之具體形狀或配置等皆可於不脫離本發明之宗旨範圍內進行適當變更。
1‧‧‧光纖傳輸雷射光學系統
2‧‧‧雷射振盪器
3‧‧‧第1光纖
4‧‧‧準直透鏡
5‧‧‧球面陣列透鏡
5a‧‧‧單元
6‧‧‧第2光纖
6a‧‧‧入射端
6b‧‧‧出射端
7‧‧‧柱狀透鏡(第1柱狀透鏡)
8‧‧‧柱狀透鏡(第2柱狀透鏡)
9‧‧‧柱狀陣列透鏡
10‧‧‧柱狀透鏡(第3柱狀透鏡)
11‧‧‧柱狀透鏡(第4柱狀透鏡)
12‧‧‧照射面
A‧‧‧第1光纖3之芯徑
B‧‧‧第1光纖3之NA
L‧‧‧第2光纖6之芯徑
K‧‧‧第2光纖6之NA
N‧‧‧於照射面12上聚光雷射光之透鏡短邊方向之NA
C‧‧‧於照射面12中之雷射光的短邊方向之尺寸
M‧‧‧於照射面12中之雷射光的短邊方向之尺寸
D4‧‧‧準直透鏡4的光束直徑
D5‧‧‧球面陣列透鏡5之單元5a的外接圓之直徑
第1(A)(B)圖為本實施形態之光纖傳輸雷射光學系統之概略圖。
第2圖為第1圖所示之光纖傳輸雷射光學系統之立體圖。
第3(A)(B)圖為第2光纖之入射端及出射端之配置圖。
第4(A)(B)圖為表示照射面上之光強度分布之圖表。
3‧‧‧第1光纖
4‧‧‧準直透鏡
5‧‧‧球面陣列透鏡
5a‧‧‧單元
6‧‧‧第2光纖
6a‧‧‧入射端
6b‧‧‧出射端
7‧‧‧柱狀透鏡(第1柱狀透鏡)
8‧‧‧柱狀透鏡(第2柱狀透鏡)
9‧‧‧柱狀陣列透鏡
10‧‧‧柱狀透鏡(第3柱狀透鏡)
11‧‧‧柱狀透鏡(第4柱狀透鏡)
12‧‧‧照射面

Claims (5)

  1. 一種光纖傳輸雷射光學系統，其特徵在於具備：第1光纖，傳輸由雷射振盪器所輸出的雷射光；準直透鏡(Collimating Lens)，校準由該第1光纖所出射之雷射光；陣列透鏡，藉由複數單元將由該準直透鏡所出射的雷射光聚光為多點光點；複數第2光纖，具有一相較於前述第1光纖較小之芯徑，使得藉由前述陣列透鏡聚光為多點之雷射光可入射，且出射端之軸線相互平行並排列成直線狀之一列；以及線性光學系統，將由該複數第2光纖所出射的雷射光成形為在照射面呈直線狀的雷射光。
  2. 如申請專利範圍第1項之光纖傳輸雷射光學系統，其中將前述第1光纖之芯徑設為A，將雷射光聚光於前述照射面之聚光透鏡的短邊方向NA設為N，前述照射面之雷射光的短邊方向尺寸設為C時，在滿足N<1的情形下符合C<A。
  3. 如申請專利範圍第1項之光纖傳輸雷射光學系統，其中將前述第1光纖之芯徑設為A，前述第1光纖之NA設為B，前述第2光纖之芯徑設為L，前述第2光纖之NA設為K，前述準直透鏡之光束直徑設為D4，前述陣列透鏡之前述單元的外接圓之直徑設為D5時，將滿足D4/D5=(A×B)/(L×K)。
  4. 如申請專利範圍第2項之光纖傳輸雷射光學系統，其中將前述第1光纖之芯徑設為A，前述第1光纖之NA設為B，前述第2光纖之芯徑設為L，前述第2光纖之NA設為K，前述準直透鏡之光束直徑設為D4，前述陣列透鏡之前述單元的外接圓之直徑設為D5時，將滿足D4/D5=(A×B)/(L×K)。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之光纖傳輸雷射光學系統，其中前述線性光學系統包含有：第1柱狀透鏡(Cylindrical Lens)，使由前述第2光纖出射的雷射光沿著前述第2光纖之排列方向折射；第2柱狀透鏡，使由前述第2光纖出射的雷射光沿著與前述第2光纖之排列方向正交的方向折射；柱狀陣列透鏡，使由前述第1柱狀透鏡及前述第2柱狀透鏡出射的雷射光沿著前述第2光纖之排列方向折射；第3柱狀透鏡，使由前述柱狀陣列透鏡出射的雷射光，對前述柱狀陣列透鏡利用科勒(Köhler)照明原理而沿著前述第2光纖之排列方向折射；以及第4柱狀透鏡，使由前述柱狀陣列透鏡出射的雷射光，對前述第2柱狀透鏡利用成像關係而沿著與前述第2光纖之排列方向正交的方向折射。
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