TWI452338B - 射線成形裝置 - Google Patents

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TWI452338B
TWI452338B TW096143655A TW96143655A TWI452338B TW I452338 B TWI452338 B TW I452338B TW 096143655 A TW096143655 A TW 096143655A TW 96143655 A TW96143655 A TW 96143655A TW I452338 B TWI452338 B TW I452338B
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Description

射線成形裝置
本發明關於一種用於射線成形裝置，尤其是用於在一個工作平面中產生一個直線形強度分佈(28)的裝置。
【定義】
雷射射線的傳播方向是指雷射射線的平均傳 播方向，特別是在不是平面波或至少部分發散的情況下。在沒有其他說明時，光線、子射線或射線不是指理想的幾何光學射線，而是指一個實際的光線，例如具有高斯輪廓或變形的高斯輪廓的雷射射線，其不具有無限小的射線橫截面、而是具有擴展的射線橫截面。
在發明所屬之技術領域中所述類型的裝置已為人所熟知。這種裝置的典型雷射源例如是Nd－YAG雷射或激發物雷射。例如，不操作成單模雷射工作的Nd－YAG雷射具有約8至25的光束品質係數光束質量係數M2 。光束品質係數M2 是對雷射射線品質的一個量度。例如具有純高斯輪廓的雷射射線具有的光束品質係數M2 為1。光束品質係數M2 大致對應於雷射射線的模式數目。
光束品質係數M2 對雷射射線的聚焦能力有影響。對於具有高斯輪廓的雷射射線，聚焦區域中的密度d或射線腰部正比於要聚焦的雷射射線的波長λ，反比於聚焦透鏡的數值孔徑NA。對於聚焦區域中的雷射射線厚度有以下公式：
當雷射射線不具有高斯輪廓或具有大於1的光束品質係數M2 時，聚焦區域中最小密度或聚焦區域中之射線腰部正比於光束品質係數，如下式所示：
由此可見，光束品質係數愈大，雷射射線的聚焦愈差。在此應注意的是，在垂直於雷射射線傳播方向的兩個方向上光束品質係數可能有不同的大小。在這種情況下，在第一個方向(例如x方向)上的光束品質係數Mx 2 和在第二個方向(例如與第一個方向x垂直的y方向)上的光束品質係數My 2 被區分開。其可能會造成光束品質係數Mx 2 大於或小於光束品質係數My 2 。
在此應注意的是半導體雷射，特別是雷射二極體條，在所謂的快軸方向、即垂直於有效層的方向具有等於1或略大於1的光束品質係數My 2 ，而在與其垂直的所謂慢軸方向、即平行於有效層的方向上光束品質係數Mx 2 明顯更大，例如大於100。因而半導體雷射不被用作各種裝置的雷射源。
此外，在先前技術中雷射射線在聚焦之前在工作平面中被有規律地均勻化。此係例如利用具有多個透鏡的透鏡陣列來實現，雷射射線被這些透鏡分成多個子射線，其在工作平面中疊加。但子射線的數量不能任意增大，因為在數量過多的子射線的情況下，子射線在工作平面中相應疊加時由射線間的干涉形成高頻振蕩。這將導致工作平面中 射線品質變差。出現這種高頻振蕩的判據是雷射射線在一個垂直於傳播方向的方向上的空間連貫性。這種空間連貫性越差，在疊加時不出現高頻振蕩的情況下光線可以分裂成的子射線的數量越多。在特定條件下上述光束品質係數M2 或Mx 2 及My 2 可以作為空間連貫性的指示，使得在大的光束品質係數情況下，在特定條件時分裂成大數量的子射線是可行的。
本發明的目的在於提供一種如開始所介紹類型的裝置，借助於這種裝置雷射射線可以被更好地聚焦到一個線性聚焦區域中和/或可以被更好地均勻化。
上述目的係根據本發明藉由請求項第1項的前言部分、所述類型的裝置以完成。申請專利範圍之附屬項涉及本發明的較佳組態。
按照請求項1，所述裝置尚包括射線變換裝置，其設置在該裝置中，使得其可以變換雷射射線或雷射射線的子射線，使得在第一方向上的光束品質係數被增大，而在第二個方向上的光束品質係數被減小。
在此所述之射線變換裝置可以如此變換雷射射線或雷射射線的子射線，使得在雷射射線或每個子射線的第一個方向上的光束品質係數和/或空間連貫性與第二個方向上的光束品質係數和/或空間相關性互換。
明顯的是，經由這種方式，對於兩個方向中的一個方 向上的光束品質係數可以明顯小於射線變換之前，而對於兩個方向中的另一個方向上的光束品質係數在射線變換之後可以明顯大於其在射線變換之前的光束品質係數。將雷射射線其理由係因為將雷射分成多個子射線。這種分裂可以在射線變換裝置中進行，或者也可以在射線變換裝置前面單獨設置的射線分裂裝置中進行。明顯的是，在垂直於傳播方向的兩個方向中的一個方向上光束品質係數可以被減小，特別是可以除以子射線的數目。
經由本發明所述裝置可以實現在一個方向上的光束品質係數明顯減小並且不比1大很多，同時在另一方向上的光束品質係數相對於射線變換前的情況被增大。但是如果要產生一個很細的直線，重要的是在垂直於直線縱向延伸方向的方向上能實現在一個非常小的射線腰部上的極好聚焦。在這種方向上有很小光束品質係數的情況下，從而可以獲得一個很細的直線形輪廓。特別是同時可以產生一個非常確定的具有“鍾形”輪廓的強度分佈。同時在直線縱向延伸方向上光束品質係數被明顯放大已被證實是沒有壞處的，因為在直線的縱向延伸方向上不需要或不要求強的聚焦。相反，由於在直線縱向延伸方向上光束品質係數的放大通常顯著減小了這個方向上的空間連貫性。這意味著為了進行均勻化，可以應用在這個縱向延伸方向上排列有很多相互相鄰設置的透鏡的透鏡陣列，而不會形成不希望的干涉效應，例如工作平面中的高頻振蕩。從而經由本發明所述裝置還可以獲得在直線縱向延伸方向上更好的均勻 性。
可能的是射線變換裝置可以將雷射射線或各子射線相對於雷射傳播方向旋轉不等於0∘的角度、特別是90∘的角度。另一種方式是，射線變換裝置也可以如此變換各子射線，使得一個要被變換的子射線的橫截面被移到一個橫截面中，這個橫截面相對於這個要被變換的子射線的橫截面以一個與雷射射線傳播方向平行的平面互為鏡像。通過這兩種射線變換裝置的實施方式，可以實現在與傳播方向垂直的兩個方向上的光束品質係數的互換。
例如在此種狀況下，射線變換裝置可以包括至少一個柱面透鏡陣列，其圓柱軸與第一個方向和第二個方向的夾角為45∘。另一種方式，也可以採用兩個前後排列的、具有相互平行或交叉的柱面透鏡的柱面透鏡陣列，其圓柱軸與第一個方向和第二個方向之間的夾角個別為45∘或－45∘。當每個子射線穿過這個柱面透鏡陣列或這些柱面透鏡陣列時，子射線旋轉90∘或以一個平行於傳播方向的平面互為鏡像。
此種形式的射線變換裝置已為人所熟知，例如由EP1006382A1、EP1617275A1和EP1528425A1。但其中半導體雷射之不均勻雷射射線在快軸方向具有非常小的光束品質係數My 2 ，和在慢軸方向上非常大的光束品質係數Mx 2 ，雷射射線被如此變換，使得射線變換之後的雷射射線和相應的準直度在兩個方向上具有可比的射線質量。在本發明中，這些已知的射線變換裝置被用來產生相反的作 用。雷射射線在變換之前在兩個方向上具有沒有很大區別或至少接近相等的光束品質係數My 2 或Mx 2 ，雷射射線被如此變換，使得在射線變換之後兩個方向中的一個方向上的光束品質係數明顯不同於兩個方向中的另一方向上的光束品質係數。
存在以下可能：雷射源被構造成Nd－YAG雷射或激發物雷射。其中Nd－YAG雷射例如工作在基頻或兩倍頻或三倍頻等頻率上。
本發明進一步特徵與優點係根據下列對於較佳實施例之敘述而將會明顯。
如圖1簡要所示，本發明所述裝置包括雷射源1、射線分裂裝置2、射線變換裝置3、射線合併裝置4、均勻化裝置5和透鏡系統6，所述透鏡系統可以在工作平面7中產生雷射射線的線性強度分佈。
雷射源1可以構造成例如二倍頻的Nd－YAG雷射或激發物雷射。圖6顯示，由雷射源1輸出的雷射射線8具有例如圓形的橫截面。圖6亦顯示，雷射射線8不僅在x方向、而且在y方向上都具有光束品質係數Mx 2 ＝My 2 ＝4。
射線分裂裝置2由圖2a和圖2b詳細示出。射線分裂裝置2的前面連接有一個由交叉的兩側柱面透鏡10和11組成的望遠鏡9。望遠鏡9在x方向上擴展雷射射線8並在y方向上使雷射射線8變窄(見圖2a和圖2b)。
射線分裂裝置2係體現為柱面透鏡陣列，其中該柱面透鏡陣列的圓柱軸在y方向上延伸。特別是射線分裂裝置在輸入面上有一個由凸圓柱面12組成的陣列，在輸出面上有一個由凹圓柱面13組成的陣列。經由對應選擇這些圓柱面的焦距並經由對應選擇其間隔可以實現從射線分裂裝置2輸出四個在x方向上相互間隔的子射線14。圖2c顯示，這些子射線14具有正方形的橫截面。
當然也可以存在多於或少於四個圓柱面12，13，從而出現多於或少於四個的子射線14。例如可以有8個或13個圓柱面12，13。
由圖2c可見，每個子射線14在x方向上具有光束品質係數Mx 2 ＝1，而在y方向上具有光束品質係數My 2 ＝4。對於x方向，所有4個子射線14共同給出一個光束品質係數Mx 2 ＝4。
經由這種方式，分裂成各個子射線14的雷射射線進入射線變換裝置3，由圖3a至圖3c顯示。射線變換裝置3同樣包括一個柱面透鏡陣列，在射線變換裝置3的輸入面上有一個由凸圓柱面15組成的陣列，在輸出面上有一個由凸圓柱面16組成的陣列。圓柱面15，16的圓柱軸在此向y方向或x方向傾斜一個角度α，為45∘。在穿過射線變換裝置3時，各子射線14如此變換，使其相對於一個平面鏡像出現，其平面平行於傳播方向z。圖2c和圖3d中顯示子射線14如何變換成變換後的子射線17。這裏在圖2c左側的子射線14或者在圖3d左側的子射線17在其每 個邊旁邊有一個字母a，b，c，d。可以看出，這些字母a，b，c，d按照一種圖樣進行互換，此圖樣對應於以這些子射線14，17的對角線平面所形成的鏡像。這種變換也可描述為圍繞z方向旋轉90∘，接著使邊a，c互換。
由圖3d可見，子射線17的光束品質係數不同於子射線14的光束品質係數，特別是對於每個子射線17，x方向的光束品質係數Mx 2 ＝4，y方向的光束品質係數My 2 ＝1。對於所有4個子射線，x方向上總的光束品質係數Mx 2 等於16。
穿過射線變換裝置3之後，各子射線17照射到射線合併裝置4上。對應於射線分裂裝置2，射線合併裝置4由其輸入面上的凹圓柱面18的陣列和其輸出面上的凸圓柱面19的陣列構成。在射線合併裝置4後面，在射線路徑中設置了另一個望遠鏡20，其經由相應設置的柱面透鏡21，22在y方向上擴展射線。
圖4c顯示在通過射線合併裝置4和望遠鏡20之後雷射射線23的橫截面。可見，雷射射線23是具有正方形橫截面的單個雷射射線。特別是這裏x方向上的光束品質係數Mx 2 等於16，而y方向上的光束品質係數My 2 等於1。
這個雷射射線23通過均勻化裝置5(參見圖5a和圖5b)，其構造成兩個前後排列的柱面透鏡24，25的陣列。這裏柱面透鏡24，25的陣列中所設置的相互間隔約為柱面透鏡在z方向上的焦距。基於射線變換和與此相聯繫的光束品質係數從4增大到16，在x方向上可以相鄰地排列 直至16個柱面透鏡24，25，而在工作平面7中不會出現不希望的干涉效應。
在通過均勻化裝置5之後，雷射射線通過透鏡排列6，其構造成兩個相互間有一定距離的柱面透鏡26，27，其中柱面透鏡26的圓柱軸在y方向上延伸，而柱面透鏡27的圓柱軸在x方向上延伸。經由透鏡系統6，不僅雷射射線被聚焦，使得在工作平面7中形成一個直線形的強度分佈28(見圖7)，而且由於柱面透鏡24，25而在不同的和/或相同的方向上傳播的雷射射線的各個子射線在工作平面7中疊加。這是已知的均勻化原理，其採用柱面透鏡陣列和後接的用作物鏡並在工作平面中疊加雷射射線的透鏡。透鏡系統6用作聚焦裝置並且幫助實現了均勻化。
工作平面7中的直線形強度分佈28被舉例顯示於圖7。直線形強度分佈28在此簡要顯示，並且可以具有在10mm與1000mm之間的長度1(例如約100mm)和在1 μm與100 μm之間的寬度d(例如約10 μm)。可見，採用本發明所述裝置也可在應用一個多模式雷射源的情況下產生一個具有很小的尺寸和必要時具有更大景深的聚焦範圍。存在強度分佈28的尺寸小於10 μm的可能性。這例如取決於所用透鏡的數值孔徑。
在y方向上，也就是在與直線形強度分佈28的縱向延伸方向垂直的方向上，雷射射線可具有高斯分佈或鍾形分佈或任意的其他分佈。
圖8顯示射線合併裝置的另一實施方式。該射線合併 裝置包括透鏡裝置29，其作為傅立葉透鏡或傅立葉透鏡組。其代表，射線變換裝置3的輸出平面30設置在透鏡裝置29的輸入側的傅立葉平面或焦平面上，並且均勻化裝置5的輸入平面31被設置在透鏡裝置29的輸出側的傅立葉平面或焦平面上。將射線變換裝置3的輸出平面30中的強度分佈作傅立葉變換到均勻化裝置5的輸入平面31中。
同時各子射線17(在圖8中示出其中的兩個)在均勻化裝置5的輸入平面31中相互疊加。由於每個子射線7從不同的方向落入到輸入平面31中，均勻化裝置5的柱面透鏡24，25的數目可以減少，特別是減少一個因數，這個因數對應於子射線的數目，並從而對應於射線變換裝置3的圓柱面16的數目。
透鏡裝置29可以構造成單個透鏡或多個透鏡。當透鏡裝置29由多個透鏡構成時，其設置在所述裝置中，使得射線變換裝置3的輸出平面30位於透鏡裝置29的輸入側系統焦平面中，並且均勻化裝置5的輸入平面31位於透鏡裝置29的輸出側系統焦平面中。
此外透鏡裝置29的此些透鏡可體現為圓柱軸在Y方向上延伸的柱面透鏡。
圖8中用虛線表示用於在Y方向上準直雷射射線的透鏡裝置32。該些透鏡裝置32是可選擇的，並且可設置在射線變換裝置3與雷射件29之間。透鏡裝置32可以體現為單個透鏡或多個透鏡。此外透鏡裝置32的此種透鏡可 體現為圓柱軸在x方向上延伸的柱面透鏡。
1‧‧‧雷射源
2‧‧‧射線分裂裝置
3‧‧‧射線變換裝置
4‧‧‧射線合併裝置
5‧‧‧均勻化裝置
6‧‧‧透鏡系統
7‧‧‧工作平面
8‧‧‧雷射射線
9‧‧‧望遠鏡
10‧‧‧柱面透鏡
11‧‧‧柱面透鏡
12‧‧‧凸圓柱面
13‧‧‧凹圓柱面
14‧‧‧子射線
12‧‧‧圓柱面
13‧‧‧圓柱面
14‧‧‧子射線
15‧‧‧凸圓柱面
16‧‧‧凸圓柱面
17‧‧‧子射線
18‧‧‧凹圓柱面
19‧‧‧凸圓柱面
20‧‧‧望遠鏡
21‧‧‧柱面透鏡
22‧‧‧柱面透鏡
23‧‧‧雷射射線
24、25、26、27‧‧‧柱面透鏡
28‧‧‧強度分佈
29‧‧‧透鏡裝置
30‧‧‧輸出平面
31‧‧‧輸入平面
32‧‧‧透鏡裝置
附圖中：圖1顯示本發明所述裝置的簡要結構；圖2a顯示根據本發明所述裝置的射線分裂裝置的側視圖；圖2b顯示圖2a所示射線分裂裝置的俯視圖；圖2c顯示雷射射線通過圖2a禾。圖2b所示之射線分裂裝置後的橫截面；圖3a顯示根據本發明所述裝置的射線變換裝置的側視圖；圖3b顯示根據圖3a所示射線變換裝置的頂視圖；圖3c顯示根據圖3a所示射線變換裝置的透視圖；圖3d顯示雷射射線通過圖3a至圖3c所示之射線變換裝置後的橫截面；圖4a顯示根據本發明所述裝置的射線合併裝置的側視圖；圖4b顯示根據圖4a所示之射線合併裝置的俯視圖；圖4c顯示雷射射線通過圖4a和圖4b所示之射線合併裝置後的橫截面；圖5a顯示根據本發明所述裝置的均勻化和聚焦裝置的側視圖；圖5b顯示圖5a所示均勻化和聚焦裝置的頂視圖； 圖6顯示雷射射線在通過本發明裝置之前的橫截面；圖7顯示雷射射線在工作平面中或通過本發明所述裝置後的橫截面；圖8顯示根據本發明所述裝置的射線變換裝置、均勻化裝置和射線合併裝置的第二實施方式的側視圖。在某些圖中為了更好的位向而以笛卡爾座標系統敘述。
17‧‧‧子射線

Claims (32)

  1. 一種用於射線成形之裝置，包括：雷射源(1)，該雷射源可以發射多模式雷射射線(8)，其中不僅在垂直於雷射射線(8)傳播方向(z)的第一個方向(x)上光束品質係數(Mx 2 )大於1，而且在垂直於傳播方向(z)的第二個方向(y)上光束品質係數(My 2 )也大於1，其特徵在於，所述裝置尚包括射線變換裝置(3)，其設置在該裝置中，使其可以變換雷射射線(8)或雷射射線(8)的子射線(14)，使得在第一個方向(x)上的光束品質係數(Mx 2 )被增大，而在第二個方向(y)上的光束品質係數(My 2 )被減小；其中，射線變換裝置(3)可以將雷射射線(8)或各子射線(14)圍繞雷射射線(8)的傳播方向(z)旋轉一個不等於0°的角度；且其中，雷射源(1)並不體現成半導體雷射。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其係用於在一工作平面中製造一線性密度分布(28)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，射線變換裝置(3)將雷射射線(8)或雷射射線(8)的子射線(14)變換成使得雷射射線(8)或每個子射線(14)在所述第一個方向(x)上的光束品質係數(Mx 2 )和/或空間連貫性與在所述第二個方向(y)上的光束品質係數(My 2 )和/或空間連貫性互換。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，射線變換裝置(3)可以將雷射射線(8)或各子射線(14)在雷射射線(8)傳播方向(z)上旋轉90度角度。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的裝置，其中，該射線變換裝置(3)可以將雷射射線(8)或各子射線(14)作變換，使得所變換的子射線(14)的橫截面轉換成該橫截面相對於變換前子射線(14)的橫截面以一個平行於鐳射射線(8)傳播方向(z)的平面成相互鏡像地出現。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，射線變換裝置(3)包括至少一個柱面透鏡陣列，其圓柱軸與第一個方向(x)及第二個方向(y)形成45°之角度(α)。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括一個用於將雷射射線(8)分成多個子射線(14)的射線分裂裝置(2)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的裝置，其中，射線變換裝置(3)在雷射射線(8)的傳播方向(z)上設置在射線分裂裝置(2)的後面。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的裝置，其中，射線分裂裝置(2)是射線變換裝置(3)的一部分。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的裝置，其中，射線分裂裝置(2)包括至少一個柱面透鏡陣列。
  11. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括用於將雷射射線(8)聚焦到一個工作 平面(7)中的聚焦裝置。
  12. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括用於均勻化雷射射線(8)的均勻化裝置(5)。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的裝置，其中，所述均勻化裝置(5)包括至少一個柱面透鏡陣列。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的裝置，其中，所述裝置包括一個透鏡系統(6)，該透鏡系統可有助於雷射射線(8)的聚焦和/或均勻化。
  15. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，所述裝置包括一個射線合併裝置(4)，該射線合併裝置可以在射線變換裝置(3)變換後與各子射線(17)合併在一起。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的裝置，其中，所述射線合併裝置(4)包括至少一個柱面透鏡陣列。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的裝置，其中，所述射線合併裝置包括透鏡裝置(29)，其設置在射線變換裝置(3)後面，使得其可以對從射線變換裝置(3)輸出的雷射射線(8)的強度分佈進行傅立葉變換。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中，透鏡裝置(29)被設置在射線變換裝置(3)與均勻化裝置(5)之間，使得其可以將射線變換裝置(3)的輸出平面(30)中的雷射射線(8)的強度分佈傅立葉變換到均勻化裝置(5)的輸入平面(31)中。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中，所述透鏡裝置(29)被設置在射線變換裝置(3)後面，使得其可以將各個由射線變換裝置(3)輸出的子射線(17)疊加。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的裝置，其中，所述透鏡裝置(29)被設置在射線變換裝置(3)後面，使得其可以將各個由射線變換裝置(3)輸出的子射線(17)疊加。
  21. 如申請專利範圍第17項所述的裝置，其中，所述透鏡裝置(29)包括一個或多個透鏡。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的裝置，其中，所述透鏡裝置(29)包括一個或多個透鏡，其形成一柱面透鏡或柱面透鏡組。
  23. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，在射線變換之前雷射源(1)的雷射射線(8)在垂直於雷射射線(8)傳播方向(z)的第一個方向(x)上光束品質係數(Mx 2 )大於2，而且在垂直於傳播方向(z)的第二個方向(y)上光束品質係數(My 2 )也大於2。
  24. 如申請專利範圍第23項之裝置，其中，光束品質係數(Mx 2 )大於4。
  25. 如申請專利範圍第24項之裝置，其中，光束品質係數(Mx 2 )大於6。
  26. 如申請專利範圍第23項之裝置，其中，光束品質係數(My 2 )大於4。
  27. 如申請專利範圍第26項之裝置，其中，光束品質係數(My 2 )大於6。
  28. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，在射線變換之前雷射源(1)的雷射射線(8)在垂直於雷射射線(8)傳播方向(z)的第一個方向(x)上的光束品質係數(Mx 2 )是在垂直於傳播方向(z)的第二個方向(y)上的光束品質係數(My 2 )的最多10倍。
  29. 如申請專利範圍第28項所述的裝置，其中，光束品質係數(Mx 2 )是光束品質係數(My 2 )的最多5倍。
  30. 如申請專利範圍第29項所述的裝置，其中，光束品質係數(Mx 2 )是光束品質係數(My 2 )的最多2倍。
  31. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，在射線變換之前雷射源(1)的雷射射線(8)在垂直於雷射射線(8)傳播方向(z)的第一個方向(x)上的光束品質係數(Mx 2 )等於在垂直於傳播方向(z)的第二個方向(y)上的光束品質係數(My 2 )。
  32. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的裝置，其中，雷射源(1)係體現成Nd-YAG雷射或激發物雷射。
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