TWI431321B - 形塑雷射光束的輪廓的光學系統及方法 - Google Patents

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Description

形塑雷射光束的輪廓的光學系統及方法
本發明大體上係有關於光束，特別是雷射光束，形塑的領域。更明確地，本發明係有關於一種光學系統，一種光學單元及一種用來形塑一進入的光束，特別是雷射光束，的方法。上述的光學系統，光學單元及方法對於產生一用於材料處理，譬如用於非晶形矽膜的方向性結構，的薄雷射光束特別有用。又，依據本發明的上述光學系統，光學單元及方法可被用在一固態環雷射上。
一般的雷射會產生光束其在宏觀尺度下看起來從光束的截片看時是與外形邊緣完全平行。然而，在微觀尺度下時，雷射光束具有固有的發散，該光束可被視為一束光線其中這些光束具有相對於彼此而言稍微不同的前進(propagation)方向。因此，該雷射光束強度的角度分布表現出一輪廓其在該雷射光束的主要前進方向(角度0度)上具有一最大值且在該最大值的兩側具有一坡度(角度≠0度)。由於雷射光束之自然的發散或角度散開的關係，雷射光束的邊緣並非是陡峭的而是有些模糊的。
對於許多光學應用而言，特別是半導體的退火之類的雷射應用，其需要一極低發散度的光束。
通常，一視場光闌(field－stop)被用來限制一光學系統的視野(參見Handbook of Optics,OSA,Eds.W.G.Driscoll and W.Vaughan,McGraw Hill,1978,p.2－52,W.J.Smith,Modern Optical Engineering,3r d Ed.,McGraw Hill,2000,Ch.6,p.141－143)。此方法係以空間濾波為根據，即一隔板或狹縫被用來降低該光學系統要將其成像之物件的大小。
詳言之，美國專利第5,721,416號揭示一種光學裝置用來從一高功率雷射光束產生一陡峭的(sharp)的照射光線於一照射平面上。此習知的裝置係根據空間濾波。此陡峭的照射光線包括長軸及短軸。該光學裝置包含一成像(imagining)及均質化的歪像設定光學系統用來將雷射光束在短軸的方向上之成像與均質化分開來。為了要將雷射光束在該短軸的方向上成像及均質化，一狹縫被均質地照射且該狹縫被成像在該照射平面上。因此，此習知的光學系統亦使用一狹縫來讓雷射光束陡峭。
儘管使用此一視場光闌的光學系統有相當好的效果，但使用一狹縫或視場光闌有數項缺點。缺點之一為當此一系統被使用在需要一高能量密度的光束的應用上時所產生的。由於高能量密度光束的關係，該視場光闌本體會被加熱到一極高的溫度而導致該視場光闌或狹縫的變形。因此，該光束的形塑變得不精確。又，為了要產生非常陡峭的邊緣之光束，該視場光闌或狹縫必需要用高精度機械加工的陡峭邊緣來製造，用以將進入的光線如所需地加以形塑。
美國專利第4,060,308號揭示一角度選擇性耦接件用來將光學能量耦接進入及/或離開光纖。該耦接件包含一光纖區段其以一種可容許複數個較高等級形式(mode)的光傳輸的光學激勵的方式加以更改，每一形式是由相對於光纖軸之一給定的前進角度所界定的。在一實施例中，該耦接區段包含一單股的玻璃纖維波導其沿著其長度逐漸變細。該逐漸變細的區段的存在可將一來自外部來源的輻射耦合進入該纖維的一給定的前進角度內。這文獻並未處理如何產生具有陡峭邊緣之雷射光束的技術問題。
由於已知系統及方法的前述缺點，所以對於一種無需依賴一光間濾波之形塑一進入的光束的光學系統與方法仍存在著需求。
因此，本發明的一個目的為提供一種用來形塑一具有以一角度分布之發散度的進入的光束的光學系統，其中該光學系統使用的物理效應不同於已知的先前技術。
本發明的一進一步的目的為提供一種用來形塑一具有以一角度分布之發散度的進入的光束的光學系統，其能夠用高功率及/或高能量密度來形塑該進入的光束。
本發明的另一個目的為提供一種用來形塑一具有一發散度之進入光線的光學系統，其中該熱衝擊與先前技術的解決方案比較起來被顯著地降低。
本發明的一進一步的目的為提供一種光學系統其能夠在一表面上產生具有一寬度及一長度的照明線其具有陡峭的邊緣。
仍為本發明的另一目的為提供一種光學系統其能夠在一表面上產生具有一寬度及一長度的照明線其具有長度一超過該寬度數百倍之高深寬比(aspect ratio)且具有陡峭的邊緣。
仍為本發明的一進一步的目的為提供一種光學系統用來產生一用於材料處理，特別是使用在一用於基材退火之雷射退火設備中，之薄的雷射光束。
本發明的一進一步的目的為提供一種光學系統用來產生一用於材料處理，特別是使用在一用於基材退火及雷射掃描之雷射退火設備中，之薄的雷射光束，其中該雷射光束。
本發明的一進一步的目的為提供一種用來形塑一具有以一角度分布之發散度的進入的光束的方法，其中該方法所使用的物理效應不同於已知的先前技術。
本發明的一進一步的目的為提供一種用來形塑一進入的光束的方法，該進入的光線具有以一角度分布之發散度及具有高功率及/或高能量密度。
本發明的一進一步的目的為提供一種用來形塑一具有一發散度的進入的光束的方法，其中該熱衝擊與先前技術的解決方案比較起來被顯著地降低。
本發明的一進一步的目的為提供一種方法其能夠在一表面上產生具有一寬度及一長度的照明線，其中該照明線具有陡峭的邊緣。
本發明的一進一步的目的為提供一種方法其能夠在一表面上產生具有一寬度及一長度的照明線，其中該照明線其具有長度一超過該寬度數百倍之高深寬比(aspect ratio)且該照明線具有陡峭的邊緣。
依據本發明的一個態樣，一種用來形塑一進入的光束的光學系統被提供，該進入的光束具有在至少一第一方向上有一角度分布之發散度，其中該光學系統包含至少一角度選擇性光學元件用來修剪在該至少第一方向上的角度分布。
依據本發明的另一態樣，一種用來形塑一入射光束的強度輪廓並形成一離開光束的強度輪廓之形塑光束的光學單元被提供，其中該入射光束在至少一側上具有一導因於該入射光束至少在一第一維度上的發散度的強度梯度，該形塑光束的光學單元形塑該離開光束使得該離開光束在該至少一側上具有一第二強度梯度，其中該第二梯度大於該第一梯度，該形塑光束的光學單元藉由至少一全內反射來形成該離開光束的強度輪廓。
依據本發明的另一態樣，一種用來形塑一進入的光束的方法被提供，該進入的光束具有在至少一第一方向上有一角度分布之發散度，該方法包含修剪在該第一方向上的角度分布。
依據本發明的方法係以使用一角度選擇裝置在降低該入射光束的發散度來作為基礎，其與使用空間選擇裝置，譬如一狹縫或視場光闌，是相反的。依據本發明的方法的優點在於，實體上陡峭的邊緣無需曝露在高能量強度中。因此，可大幅降低對於光學元件要能承受高功率雷射光束的要求。
在較佳的實施例中，本發明的系統及方法係根據全內反射(TIR)的角度選擇特性，即該光束前進於一具有較高折射係數的物質中到達一個與具有具有較低折射係數的物質界接的界面，且如果該入射角度大於一個被稱為全內反射角度的某一關鍵角度時該光束將被反射。該光束中以一相對於該光束的主要前進方向為≠0度的角度前進的那些光線(ray)將被至少部分地穿透該界面，且被修剪或截除。
在想要產生一具有梯形或矩形截面的光束的例子中，本發明可降低在一特定方向上的發散度(作為用美國專利第5,721,416號的視場光闌的一狹縫的取代物)且不響到在直角的(orthogonal)方向上的發散度。用於兩個(正交的)維度上之兩個此種裝置的組合可提供該光束之兩個(正交的)截面維度的發散度的獨立調整。
本發明的進一步特徵及優點從下面參考附圖的詳細說明中將會變得更加明顯。
圖1大體上顯示用來形塑一進入的光束12的光學系統或光學單元10。
有關於圖1的實施例所說明之本發明的原理對於本文中所描述之其它實施例同樣有效。
該進入的光束12前進於箭頭14所示的方向上。光束12在圖1中係由兩條平行於該進入的光束12的主要前進方向(箭頭14)延伸的線16及18以及由兩條並非平行於該前進方向(箭頭14)而是相對於該前進方向稍微發散的邊緣線(margin line)20及22來描繪。因此，該進入的光束12在第一方向x上具有一發散度，該第一方向x是在圖1所在的平面上。由於此發散度的關係，該進入的光束12表現出一如曲線圖24所示之角度上的強度分布，在該曲線圖中強度I相對關於角度α被描繪出來，其中該前進方向(箭頭14)被假定為0度。如曲線圖24所示，最大強度值是在角度α＝0度處，而強度在角度α≠0度處具有一坡度，即具有一有限的梯度。因此，該進入的光束12在x方向上不具有陡峭的邊緣，其邊緣是稍微量開的。
線20形成在該進入的光束12的一邊上的邊緣，線22形成該進入的光束12在該第一方向x上相反側上的相反邊緣。該x方向可以是該進入光線12的寬度維度。
所需要的是，該進入的光束12被形塑成為該二平行的線16及18形成該光束12在該第一方向或x維度上的兩個陡峭的邊緣。為了要該進入的光束12以此方式形塑，該光學系統或光學單元10即被提供。
該光學系統10包含至少一角度有選擇性的光學元件，此實施例中顯示有兩個，即角度選擇光學元件26及28。該角度選擇性光學元件26及28為角度選擇性的反射元件，即棱鏡30及32。棱鏡30包含三個表面34，36及38，其中表面34與36及表面34與38皆以45度角相交。因此，棱鏡30為一直角棱鏡，其中表面36及38形成直角邊而表面34形成斜邊。
應被瞭解的是，棱鏡30及/或32可用任何其它適合的光學元件來取代，例如，一桿，一板，一立方體，一多邊形的光學元件，一梯形，一平行四邊形等等。
表面36為該棱鏡30的進入表面，且表面38形成該離開表面。
相同地，棱鏡32包含三個表面40，42及44，其中表面40與42及表面42與44皆以45度角相交。棱鏡32的表面40形成一進入表面，且表面44為棱鏡32的該離開表面。
棱鏡30及32是用折射係數大於1的材質製成的。棱鏡30及32可用任何適當的材質製成，特別是二氧化矽，氟化鈣及類此者，它們對於光束12的波長是可穿透的。
該進入的光束12(較佳地已被準直過了)首先經由該進入表面36進入到該棱鏡30，較佳地是以直角進入用以避免光束偏轉。棱鏡30被設置及設計成可讓該進入的光束12以一接近該表面34的全內反射(TIR)角度之入射角來入射。該進入的光束12中以大於該TIR角度的角度入射到該表面34上的那些光線(ray)將在該表面34處被反射，就如同圖中所示之該進入的光束12的線16及18及22所示。被反射的光線被標示為16a，18a及22a。
該進入的光束12中以小於該TIR角度的角度入射到該表面34上的那些光線將(至少部分)被透射穿過該表面34。此即該進入的光束12之線20所示之光線的例子，亦即，在該進入的光束12的一側上的發散光線將被該第一棱鏡30所修剪或翦除。該被透射的光線被標示為20a。
應被瞭解的是，該進入的光束12之由發散線22所示的光線亦以一大於TIR角度的角度入射到該表面34上，因此將會在表面34處被反射。因此棱鏡30只將在該進入的光束12的一側(線20)上之在x方向或維度上的角度發散給修剪掉，而在另一側(線22)上的角度發散則為被棱鏡30修剪。
該第二棱鏡32則是用來形塑在該第一方向或x維度上的另一側。如圖1中所示，在被表面34所反射之後，線22及22a所示的光線將以小於表面42的TIR角度之角度入射到表面42上，因此其(至少部分地)被透射穿過表面42(如線22a所示)。因此，該進入的光束12之另一側的發散部分被棱鏡32所修剪掉。所得到的結果為一離開光束48其在第一方向或x維度上的角度分布都被修剪掉了。一曲線圖50顯示該離開光束48的角度強度分布。如此曲線圖50所示的，該角度分布的梯度大於該進入的光束12的角度分布的梯度。
應被瞭解的是，表面34及/或42可具有一平面形狀，但亦可以是一球面，一圓柱面，一非球面或其它形狀。
該進入的光束12入射到表面34上及表面42上的入射角度可藉由用於棱鏡30及32的轉動控制(如雙箭頭56，58所示)的致動器52及54來加以調整。棱鏡30及32的轉動角度的控制可被用來決定該進入的光束12的角度分布或光譜被棱鏡30及32修剪的多寡。棱鏡30及32兩者的轉動控制可將該進入的光束12的發散降低至任何所想要的數值。曲線圖50中的虛線60所示的角度強度分布其表現出之離開光束48的發散輪廓具有一更小的發散度，如果棱鏡30及32兩者都被轉動使得表面34及42上的入射角度更大一些的話即可獲得此結果。
該被透射的，亦即被修剪的，部分(線20a及22b)可被偵測器55，56所補捉以用於致動器52及54的回饋控制，用以調整棱鏡30及/或棱鏡32的相關位置以獲得所想要的光束形狀，其中對於光束12的兩側之光束形狀的控制可彼此獨立地實施。
此種轉動控制可被應用到下文中所述之的任何較佳實施例上，且對於熟習此技藝者而言很明顯的是，有其它的方法來控制TIR表面34及42上的入射角度(例如，改變一可將光束反射至棱鏡30或32中之鏡子的方向)存在且其可與本文中所述的實施例相結合。
又，棱鏡30及32的進入表面36及40以及離開表面38及44(它們與各自的光束部分較佳地係正交的)可被塗覆一抗反射性(AR)塗層用以降低在該系統10內的光學損失。
為了要提高角度分布的梯度，一使用TIR的角度濾波(angle filtering)可藉由將表面34及42塗上一適當的高反射性(HR)塗層來加強。
圖1所顯示的是有關於修剪或剪除在第一方向或x維度上的角度分布，圖2所顯示的則是一種光學系統10’用來形塑一在第二方向上或y維度上具有一角度分布之發散度的進入光束12，其中該第二方向與該第一方向或x維度是正交的。該第二維度y界定該進入的光束12的長度，其可為該進入的光束12在x維度上之寬度的百倍以上。例如，該進入的光束12其在x方向上的寬度小於約15微米，而該進入的光束12在該第二方向上的長度則至少約300公釐。
該光學系統10’包含兩個棱鏡30’及32’其被安排成TIR表面34’及42’與棱鏡30及32的TIR表面34及42是正交的。棱鏡30’及32’的修剪或剪除效果所根據原理與棱鏡30及32的修剪或剪除效果所依據的原理是相同的，因此其說明可參照上文所述。
該光學系統10可被安排成與光學系統10相串連，使得該離開光束48形成該光學系統10’的進入光束12。
曲線圖24’顯示該進入的光束12在第二方向或y維度上的角度強度分布，及曲線圖50’顯示該離開的光束48’之經過修剪的角度強度分布，其表現出該離開的光束48’在y方向上的兩側上有陡峭的邊緣。
在通過光學系統10及光學系統10’之後，光束12在兩個方向上或x及y維度上都已被形塑。
圖3顯示在一TIR表面，如表面34及42或34’及42’，上的一HR塗層的效果。圖3顯示一曲線圖，其中一塗了HR塗層的二氧化矽界面之反射比(以%表示)相關於入射角度(以度數表示)的關係被畫出。在約42.6224度的TIR關鍵角度處的100%反射比在約0.0005度的範圍內下降至30%的反射比。因此，一適當的HR塗層可加強TIR的濾波效果。
圖4顯示一種用來形塑一進入的光束62的前度輪廓的光學系統60的另一實施例，其所依據的原理與圖1及圖2中所示的實施例的角度濾波原理相同。光學系統60與光學系統10及10’之間的差異在於離開光束64的前進方向係平行於該進入的光束62的前進方向。這可藉由將兩個直角的棱鏡66及68相對於該進入的光束62安排成讓棱鏡66的斜邊70形成該進入的表面，及第一直角邊72形成棱鏡66的TIR表面用以修剪在該進入的光束62的一側上的角度發散，且一斜邊74形成該第二棱鏡68的進入表面及一第一直角邊76形成該第二棱鏡68的TIR表面來達成。棱鏡66及68的斜邊70與74不只形成棱鏡66及68各自的進入表面，而且還形成棱鏡66及68各自的離開表面，因此該離開光束64具有一平行於該進入的光束62的前進方向平行的前進方向。
一曲線圖78顯示該進入的光束62的角度強度分布，及曲線圖80顯示該離開的光束64的角度強度分部其表現出在一維度上(即圖4所在的平面)的兩側有陡峭的邊緣。
圖5顯示用來形塑一進入的光束92的光學系統90的另一實施例，其亦使用一角度有選擇性的光學元件，特別是使用TIR來修剪該進入的光束92之角度分布96的角度有選擇性的反射元件94。該光學元件94為一高度平面的平行板或桿98其包含折射率高於環境媒體100(譬如，空氣)的折射率之光學媒體。該光學元件98的媒體可包含能夠讓該進入的光束92的波長透射穿過之任何適當的材質。
該光學元件98具有兩個TIR表面102及104它們都被塗上一HR塗層。該光學元件98剪除了在該進入的光束92的一側上(即在線106所示的一側上)的角度分布96，而在由線108所示的另一側上的角度分布則未被翦除。每一側該進入的光束92入射到表面102或104時，該進入的光束92中以一低於TIR的關鍵角度入射到表面102及104上的那些光線都將至少部分地被透射穿過表面104及102且可被一光束收集器，譬如一水冷式光束收集器101，所吸收。一離開光束112從該光學元件98的離開表面110出現，其具有一表現出在該離開的光束112的一側上具有一陡峭的邊緣之角度強度分布。
此實施例使用複數TIR來形塑該光束92(在此處為四摺)。
圖6顯示該光學系統9修改成為光學系統90’的形式，其包含平行四邊形形式的另一光學元件118，其被安排成與該光學元件98串接且相對於光學元件98被轉90度。當光學元件98翦除在該進入的光束92的一側上的角度分布96時，該光學元件118則翦除在該光束92的另一側上或更精確地為該離開光束112的角度分布，使得一前度分布如圖6所示地被產生，其中最終的離開光束112’在其兩側都具有陡峭的邊緣。
應被理解的是，示於圖5及圖6中的光學元件98及/或光學元件118可被提供一與圖1及2所示的實施例類似的轉動控制用來調整離開光束112及/112’的輪廓形狀。
又，表面102，104以及光學元件118之相應的TIR表面可被塗覆一HR塗層，且光學元件98的進入與離開表面109及110以及光學元件118的相應進入與離開表面亦可被塗覆一HR塗層。
圖7顯示一用來形塑一進入的光束132之光學系統130，該進入的光束具有在至少一第一方向上的角度分布之發散度。一曲線圖134顯示該進入的光束132之角度強度分布。
光學系統130包含四個角度有選擇性的光學元件，特別是角度有選擇性的反射元件，在此例子中為四個直角的棱鏡136，138,140,142。
棱鏡136及138被安排成與圖1中之光學系統類似的形式。棱鏡136及138的斜邊被安排為TIR表面。
在該進入的光束132的前進方向上，棱鏡140被安排在棱鏡138之後，且棱鏡140之後接著的是棱鏡142，光束132從棱鏡142處再次被導入到棱鏡136中。
該進入的光束132首先在棱鏡136的進入表面144的一邊緣區域內進入棱鏡136的表面144。離開棱鏡136的TIR表面146，該光束132依照圖7中的箭頭所示的路徑通過從棱鏡136至142的四個棱鏡。如圖7所示，該光束132通過每一個棱鏡三次，直到一離開光束148從棱鏡142出現在平行於該進入的光束132的前進方向的方向上為止。為了要將該離開光束從系統130中耦接觸來，棱鏡136及138被彼此間隔開來一段足以讓該離開光束148通過棱鏡136及138的距離。
該光學系統130使用複數TIR來加強在一方向或X維度上之角度分布的修剪或翦除效果。詳言之，光學系統130修剪或翦除在兩側150及152上於一方向或X維度上的角度分布，如曲線圖154所示。
應被理解的是，棱鏡136至142的TIR表面可被塗上一HR塗層，而棱鏡136至142的進入與離開表面可被塗上一抗反射塗層用以避免在該光學系統130內的光學損失。
圖8顯示一光學系統130’其為光學系統130的修改版，其不同處在於兩個棱鏡140及142被一向後反射棱鏡156所取代藉以減少進入及離開表面的數目，藉以降低在該光學系統130’內的光學損失。
圖9顯示一光學系統130”其為圖7或8中之光學系統130或130’的進一步修改。在光學系統130”的例子中，光學系統130的兩個棱鏡140及142或光學系統130’的向後反射棱鏡156被兩面鏡子158，160所取代。應被注意的是，鏡子158及160對於光束的形塑並無貢獻，因為鏡子158及160沒有角度濾波的作用。鏡子158及160只是被用作為褶疊鏡。
圖10顯示應來形塑一進入的光束192的光學系統或單元190的另一實施例。
光學系統190再次使用TIR來對該進入的光束192在一方向上，如光束192的x方向或y方向，之角度分布194實施角度濾波。
該光學系統190包含一第一光學元件196其具有兩個平行的TIR表面198及200它們將在該進入的光束192的一側上的角度分布194加以修剪如曲線圖202所示，其顯示出離開光束204的角度分布。
該光學元件196被形成為一矩形板其具有兩片彼此平形用來褶疊通過該光學元件196的光束的表面206及208。光束192在該光學元件196內的光束路徑是用小箭頭來標示。離開光束204從該光學元件196的離開表面210出現。該光學元件196只度於修剪在該進入的光束192的一側上的角度分布是有效的。為了要修剪在相反側上的角度分布，一第二光學元件212被提供，其具有兩個用來修剪在該進入的光束192的相反側上之角度分布的TIR表面214及216。光學元件212被安排成與該光學元件196相串接，其中該離開光束204為該光學元件212的進入光束。
一最終的離開光束218表現出如曲線圖220所示的角度分布。
光學元件212可被設計成與光學元件196相同，其中該光學元件212相對於該光學元件196在該圖所在的平面上被轉90度。
圖11顯示一光學系統230的另一實施例，其使用了光學系統190的複數個光學元件196及214用以進一步加強該離開光束的角度分布的梯度。該進入的光束192通過光學元件196，212，232，234並以離開光束236離開光學元件234。
依據圖10，光束192通過光學元件196至234中的每一光學元件數次，因此可藉由複數TIR來進一步加強該離開光束236的強度分布的梯度。又，光學系統230容許該離開光束236不只前進於與該進入的光束192相同的方向上且沒有方向上的偏移。
圖12顯示使用圖11中的光學系統230但具有一主動媒體238安排在光學元件196，212，232及234之間的光學系統230’。以此方式，光學系統130’可被用作為一環形雷射其產生的雷射束在一方向上的發散度被降低。一部分反射器240可被用作為輸出耦接件。藉由使用一三維度的結構，可降低在兩個正交的方向上(x及y)的發散。
應被瞭解的是，以上所描述的每一實施例可彼此結合於正交的平面上，用以減小一進入的光束，特別是具有任何矩形輪廓的進入光束，在該光束的兩個方向上(x及y)的發散。
如前文提及的，上述的實施例可包含HR塗層用以加強角度分部的坡度的梯度及AR塗層用以降低在系統中之光學損失。
又，如在參照圖1時已說明的(偵測器55，56，致動器52，54)，以上所述的每一實施例都可配備一主動穩定技術用以自動調整該TIR主動光學元件(譬如棱鏡或板子等等)的角度分布。例如，在一TIR表面被透射穿過之該進入的光束的一部分可被一像是光二極體，一維度或二維度的光二極體陣列或CCD照相機之光敏裝置(譬如，偵測器55，56)所接收。來自此裝置的資訊被用作為某些像是壓電馬達或步進馬達(例如圖1中的致動器52及54)的主動機械式元件的回饋訊號，用以調整該角度分布的坡度。
以上所述的光學系統最好是被使用在一退火設備或其它的材料處理設備及技術中，如用於非晶形矽膜的方向性結晶，在這些設備中依據本發明的原理被形塑的照射線被掃掠過一待處理的基材。
在下文中，用來校正色散(dispersion)及正交發散(orthogonal divergence)影響的方法將參照圖13至16加以說明。
如果將被形成的光束不是單色的話，則在光學元件的主體物質內的色散(例如在圖1中的光學系統10的棱鏡30及32)及在塗層內的色散(如果有的話)亦需加以考量。
圖13顯示一經過塗覆的TIR界面(例如圖1中的TIR表面34)典型的色散。
反射性的角度相依性對於不同的波長而言是大體相同的，但反射性曲線因為該光學物質的色散的關係而被偏移至稍微不同的角度。
全內反射的關鍵角度αT I R 被表示為sin αT I R (λ)＝1/n(λ)其中n(λ)為各波長下的折射係數，及該關鍵角度(與反射曲線)大體上在較短的波長時偏移至較小的角度，如圖13中所見
如果沒有校正機構存在的話，此色散影響將嚴重地限制了一發散降低元件(如圖1中的棱鏡30或32)的角度解析度(resolution)，如在上文中關於非單色輻射的實施例中所描述的。然而，校正可在光束通過實際的發散降低元件，例如通過棱鏡30及32或圖5中的桿或板98，之前及之後藉由使用色散棱鏡來實施。在校正棱鏡上(及在該實際的發散降低元件的進入表面上)的入射角必需加以選擇使得具有不同波長的光束在通過最後的校正棱鏡之後沿著相同的方向前進，但各波長係以各自的TIR角度入射在該TIR表面上。
入射角有許多組合選擇用以達到色散校正。然而，應注意到的是在該發散降低元件本身的進入表面上的折射的色散作用並不足以達到上述的目的。其原因在於，大的入射角的色散效果較大，且對於一小於TIR關鍵角度的單一折射而言，單一折射的色散效果並不足夠。因此，一用於該發散降低元件之色散元件是必要的。相同地，在該發散降低元件的離開表面處的折射的色散設不足以補償的，因此需要另一色散元件。
對於用來降低在該角度光譜的兩側上的發散的兩個元件246，248而言，可使用總共四個校正棱鏡250，252，254，256，如圖14所示。
為了校正色散影響，除了棱鏡以外的色散元件，譬如折射或透射格子板等，亦可被使用。
用於多色輻射的色散影響的校正在以前已被描述過了。此一校正是必要的因為全內反射的關鍵角度與折射率有關，因而與該輻射的波長相關聯。
但即便是對於絕對單色輻射而言，如上文所述之發散降低只有在該進入的光束的角度光譜在垂直於該入射平面的方向上是非常的窄的情況下才有良好的效果。否則的話，該TIR界面表面的傾斜角度β及在該正交的(orthogonal)方向上的指向角度γ一起決定在該TIR界面表面上的入射角α，其大於角度β(參見圖15)。這些角度的關係為sin2 α＝sin2 γ＋sin2 β cin2 γ
上述的這些角度被示於圖15中，其中該矩形代表該TIR表面。
這表示入射角度α與正交的角度γ有關，且每一正交的角度γ都需要一不同的傾斜角度β來覆蓋一特定的正交的發散範圍。此情況類似於多色輻射的色散影響，因此與色散影響相同的校正機制可被用來校正該正交發散影響。這可參照圖16來如下文所述地加以說明：使用上述的術語來考量在一單一表面的折射，在傾斜β的平面上看到的投影，在此投影中之折射的被投影角度β ’與正交的入射角度γ有關且折射定率可被重寫成一經過修正的形式(相關於被投射的角度及相關的正交角度γ)：
其中有效折射率n(γ)與正交角度γ的相關關係係如下所示：
使用此修改後的折射定率，任何正交角度γ的光束都可如平常一般地在投影中被追蹤且唯一的不同是在該折射率n，其現在與該正交的入射角度γ有關且亦與波長λ有關。不論何種情形，都可如上所述地校正色散影響(參見圖14)，且任何折射性色散校正的裝置都可被用於正交發散的校正上。
10．．．光學系統
10’．．．光學系統
12．．．進入的光束
14．．．前進方向
16．．．線
16a．．．被反射的光線
18．．．線
18a．．．被反射的光線
20．．．邊緣線
20a．．．被透射的光線
22．．．邊緣線
22a．．．被反射的光線
22b．．．透射的部分
24．．．曲線圖
24’．．．曲線圖
26．．．角度選擇性光學元件
28．．．角度選擇性光學元件
30．．．棱鏡
30’．．．棱鏡
32．．．棱鏡
32’．．．棱鏡
34．．．表面
34’．．．TIR表面
36．．．進入表面
38．．．離開表面
40．．．進入表面
42．．．表面
42’．．．TIR表面
44．．．離開表面
48．．．離開光束
48’．．．離開光束
50．．．曲線圖
50’．．．曲線圖
52．．．致動器
54．．．致動器
56．．．轉動控制
58．．．轉動控制
60．．．光學系統
62．．．進入的光束
66．．．直角棱鏡
68．．．直角棱鏡
70．．．斜邊
72．．．第一直角邊
74．．．斜邊
76．．．第一直角邊
78．．．曲線圖
80．．．曲線圖
90．．．光學系統
92．．．進入的光束
94．．．角度選擇性反射元件
96．．．角度分布
98．．．板子
100．．．環境媒體
102．．．TIR表面
104．．．TIR表面
106．．．一側
108．．．另一側
109．．．離開表面
110．．．離開表面
112．．．離開光束
112’．．．離開光束
114．．．角度強度分布
118．．．光學元件
120．．．強度分布
130．．．光學系統
130’．．．光學系統
130”．．．光學系統
132．．．進入的光束
134．．．曲線圖
136．．．直角棱鏡
138．．．直角棱鏡
140．．．直角棱鏡
142．．．直角棱鏡
144．．．進入表面
146．．．TIR表面
148．．．離開光束
150．．．角度分布的一側
152．．．角度分布的一側
154．．．曲線圖
156．．．向後反射棱鏡
158．．．鏡子
160．．．鏡子
190．．．光學系統
192．．．進入的光束
194．．．角度分布
196．．．第一光學元件
198．．．TIR表面
200．．．TIR表面
202．．．曲線圖
204．．．離開光束
206．．．表面
208．．．表面
210．．．離開表面
212．．．第二光學元件
214．．．TIR表面
216．．．TIR表面
218．．．離開光束
230．．．光學系統
230’．．．光學系統
232．．．光學元件
234．．．光學元件
236．．．離開光束
238．．．主動媒體
240．．．部分反射器
246．．．光學元件
248．．．光學元件
250．．．校正棱鏡
252．．．校正棱鏡
254．．．校正棱鏡
256．．．校正棱鏡
本發明的示範性實施例被示於附圖中且將於下文中加以詳細說明，在附圖中：圖1顯示一依據較佳的實施例之用來形塑具有一發散度的進入的光束的光學系統，其示範出本發明的原理；圖2顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一實施例；圖3為一曲線圖其顯示一高折射塗層對於全內反射(TIR)表面的影響；圖4顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖5顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖6顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖7顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖8顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖9顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖10顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例；圖11顯示用來形塑一進入的光束之光學系統的另一較佳實施例，其中圖11中的系統為圖10中的光學系統的一堆疊配置；圖12為圖11中的光學系統被用作為一環形雷射的修改；圖13為反射係數以波長及TIR界面的入射角度所表示的函數的一3D標繪圖；圖14顯示一用來形塑一進入的光束的光學系統，其中用來校正色散影響的要求已被符合；圖15為一TIR界面的設計，其表現出正交發散(orthogonal divergence)在光束形塑上的影響；及圖16顯示另一個設計用來說明正交發散在光束形塑上的影響。
10．．．光學系統
12．．．進入的光束
14．．．前進方向
16．．．線
16a．．．被反射的光線
18．．．線
18a．．．被反射的光線
20．．．邊緣線
20a．．．被透射的光線
22．．．邊緣線
22a．．．被反射的光線
22b．．．透射的部分
24．．．曲線圖
26．．．角度選擇性光學元件
28．．．角度選擇性光學元件
30．．．棱鏡
32．．．棱鏡
34．．．表面
36．．．進入表面
38．．．離開表面
40．．．進入表面
42．．．表面
44．．．離開表面
48．．．離開光束
50．．．曲線圖
52．．．致動器
54．．．致動器
55．．．偵測器
56．．．轉動控制
58．．．轉動控制
60．．．光學系統

Claims (48)

  1. 一種經組態以形塑一進入的光束的光學系統，該進入的光束具有一主要前進方向與至少在一第一方向上有一角度分布的一發散度，該光學系統包含：至少一角度選擇性光學元件，經組態以藉由該進入的光束之至少一全內反射來修剪該進入的光束在該至少第一方向上的該角度分布，其中該至少一角度選擇性光學元件經組態以至少部分地截除該進入的光束相對於該主要前進方向而前進於一非零角度的多個光線。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該至少一角度選擇性光學元件只修剪在該至少一第一方向上的角度分布。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該至少一角度選擇性光學元件修剪在一第二方向上的角度分布。
  4. 如申請專利範圍第3項之光學系統，其中該第二方向至少大致垂直於該第一方向。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該至少一角度選擇性光學元件只修剪在該第一方向上的角度分布，該光學系統更包含至少一第二角度選擇性元件用來修剪在一第二方向上的角度分布。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該至少一角度選擇性光學元件包含至少一角度選擇性反射元件。
  7. 如申請專利範圍第6項之光學系統，其中該至少 一角度選擇性反射元件與該至少一角度選擇性反射元件的環境比較起來具有一增加的光學密度，及其中該進入的光束打到該至少一角度選擇性反射元件對該環境的至少一表面上。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學系統，其中該至少一角度選擇性反射元件係相對於該進入的光束被設置，使得該進入的光束以一個大致是全內反射的關鍵角度的角度打到該至少一表面上。
  9. 如申請專利範圍第7項之光學系統，其中該至少一表面為一平面，一球面，一圓柱面，一非球面，及它們的一片段的至少一者。
  10. 如申請專利範圍第7項之光學系統，其中該至少一表面被覆蓋了高反射性塗層。
  11. 如申請專利範圍第6項之光學系統，其中該至少一角度選擇性反射元件具有一進入表面，及其中該至少一角度選擇性反射元件被設置成致使該進入表面係大致垂直於該進入的光束。
  12. 如申請專利範圍第11項之光學系統，其中該進入的表面被覆蓋一抗反射塗層。
  13. 如申請專利範圍第6項之光學系統，其中至少一角度選擇性反射元件具有一離開面，及其中該至少一角度選擇性反射元件被設置成致使一從該離開面出現的離開光束至少大致垂直於該離開面。
  14. 如申請專利範圍第13項之光學系統，其中該離 開面被覆蓋高反射性塗層。
  15. 如申請專利範圍第6項之光學系統，其中該至少一角度選擇性反射元件包含了一棱鏡，一桿，一立方體，一梯形體，一具有多邊形截面，一梯形截面，一平形四邊形截面的至少一者的本體，中的至少一者。
  16. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該光學系統能夠修剪在該進入的光束的該第一方向上的角度分布，該進入的光束具有一在一第二方向上的擴展(expansion)其比該進入的光束在該第一方向上的擴展大數百倍。
  17. 如申請專利範圍第16項之光學系統，其中在該第一方向上的該擴展小於約15微米。
  18. 如申請專利範圍第17項之光學系統，其中在該第一方向上的該擴展小於約10微米。
  19. 如申請專利範圍第18項之光學系統，其中在該第一方向上的該擴展小於約8微米。
  20. 如申請專利範圍第16項之光學系統，其中在該第二方向上的該擴展至少約300公釐。
  21. 如申請專利範圍第20項之光學系統，其中在該第二方向上的該擴展至少約500公釐。
  22. 如申請專利範圍第21項之光學系統，其中在該第二方向上的該擴展至少約700公釐。
  23. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該至少一角度選擇性光學元件為一第一角度選擇性光學元件其修剪在該角度分布的一第一側上的角度分布，且更包含該至 少一第二角度選擇性光學元件其修剪在與該第一側相反的第二側上的角度分布。
  24. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該進入的光束與該至少一角度選擇性光學元件之間的相對位置是可調整的。
  25. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其更包含至少三個角度選擇性光學元件。
  26. 一種用來形塑一入射光束的強度輪廓並形成一離開光束的強度輪廓之形塑光束的光學單元，其中該入射光束在至少一側上具有一導因於該入射光束至少在一第一維度上的發散度的強度梯度，該形塑光束的光學單元形塑該離開光束使得該離開光束在該至少一側上具有一第二強度梯度，其中該第二梯度大於該第一梯度，該形塑光束的光學單元藉由至少一全內反射來形成該離開光束的強度輪廓。
  27. 如申請專利範圍第26項之形塑光束的光學單元，其更包含一分束器。
  28. 如申請專利範圍第27項之形塑光束的光學單元，其中該分束器如一固態環雷射中的輸出耦合件般地作用。
  29. 如申請專利範圍第26項之形塑光束的光學單元，其中該形塑光束的光學單元作用在該入射光束的一角度分布上。
  30. 如申請專利範圍第26項之形塑光束的光學單元 ，其中該入射光束具有一在該第一維度上的擴展其界定一寬度及一在一橫貫該第一維度的第二維度上並界定一長度的擴展，及其中該離開光束具有一在該第一維度上的擴展其界定一寬度及一在一橫貫該第一維度的第二維度上並界定一長度的擴展，其中該離開光束的寬度偏離該入射光束的寬度至少20%，其中該等光束的寬度是由在最大強度的一半下的全部寬度所界定的。
  31. 如申請專利範圍第30項之形塑光束的光學單元，其包含至少一光學元件其由長度L之桿狀本體所形成且其截面為一多邊形，一棱形，一方形形狀的截面，及一梯形，的至少一者。
  32. 如申請專利範圍第31項之形塑光束的光學單元，其中該至少一光學元件可被至少一致動器相關於一垂直該入射光束的軸調整。
  33. 如申請專利範圍第27項之形塑光束的光學單元，其中該分束器將該入射光束分成該離開光束及一額外的光束。
  34. 如申請專利範圍第33項之形塑光束的光學單元，其中該額外的光束被一額外的光束收集器所吸收。
  35. 如申請專利範圍第34項之形塑光束的光學單元，其中該光束收集器為一水冷式光束收集器。
  36. 如申請專利範圍第26項之形塑光束的光學單元，其中該形塑光束的光學單元藉由一連串的全內反射來形成該離開光束的強度輪廓。
  37. 如申請專利範圍第26項之形塑光束的光學單元，其更包含至少一波長靈敏的光學元件用來校正色散所誘發之該入射光束的色散角度擴散(angular spread)。
  38. 如申請專利範圍第37項之形塑光束的光學單元，其中該波長靈敏的光學元件亦校正自該離開光束中的角度擴散，其係導因於該入射光束在垂直於該第一維度的維度上的角度擴散。
  39. 一種用來形塑光束的方法，包含：形塑一進入的光束，該進入的光束具有一主要前進方向與在一第一方向上有一角度分布之一發散度，上述形塑該進入的光束是藉由該進入的光束的至少一全內反射來修剪在該第一方向上的該角度分布以及藉由至少部分地截除該進入的光束相對於該主要前進方向而前進於一非零角度的多個光線。
  40. 如申請專利範圍第39項的方法，其更包含校正色散對於該全內反射的影響。
  41. 如申請專利範圍第39項的方法，其更包含校正該進入的光束的正交發散對於該全內反射在一與該第一方向正交的方向上的影響。
  42. 如申請專利範圍第41項的方法，其更包含對於一具有矩形輪廓的雷射光束而言校正該進入的光束在該第一方向上及在與該第一方向正交的第二方向上的發散。
  43. 如申請專利範圍第41項的方法，其被用來減少在一固態環雷射內的發散。
  44. 一種用來製造一用於物質處理的薄的雷射束的光學系統，其包含申請專利範圍第1項的光學系統。
  45. 如申請專利範圍第44項的光學系統，其被用於非晶形矽膜的方向性結晶化上。
  46. 一種用於一進入的光束的色散及發散校正上的裝置，其使用申請專利範圍第1項的光學系統。
  47. 一種用來校正一具有矩形輪廓的雷射光束的正交方向上的發散的裝置，其使用申請專利範圍第1項的光學系統。
  48. 一種用來減少在一固態環雷射中的發散之裝置，其使用申請專利範圍第1項的光學系統。
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