TWI718428B - 光源及雷射操作的方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射操作的光源，含有：腔室，該腔室用於容納可離子化氣體；及點火源，該點火源用於在腔室中離子化氣體，以產生電漿。光源更含有雷射，該雷射用於將雷射能量輸入至電漿，使得在雷射輻射的衝擊下，電漿發射有效光，其中該有效光形成光源的輸出訊號；其中作成供應器用於耦合構件，該耦合構件用於將有效光耦合至傳輸光纖中。根據本發明之光源的情況中，至少一個攪模器係指派至光纖或多個光纖。

Description

光源及雷射操作的方法

本發明大致關於雷射操作的光源。

雷射操作的光源通常在光譜學或表面檢測中已知且被使用於例如量測之功能。在某些實例中，此等雷射操作的光源可包括用於容納氣體媒介的腔室，該氣體媒介係用於產生電漿。電漿在回應於以雷射輻射之激發之後，可發射在半導體工業以及其他工業中與各種製程有關的可使用之輻射。

存在對諸如此等應用中使用，可產生具有增進的均勻性之光的技術之需求。

本發明的實施例提供雷射操作的光源。

係揭露一種雷射操作的光源，該雷射操作的光源包括腔室，該腔室用於容納可離子化氣體；點火源，該點火源用於在腔室中離子化可離子化氣體以產生電漿；雷射，該雷射用於將雷射能量輸入至電漿。在雷射能量的衝擊下，電漿發射光(例如，具有介於400nm及950nm之間的波長)。一或更多個光纖配置成承載由電漿發射的光至一地點，用於 與製程連接使用。至少一個攪模器與一或更多個光纖相關聯。

在某些實例中，至少一個攪模器包括：第一攪模器，該第一攪模器配置成將一或更多個光纖彎曲成第一彎曲半徑；及第二攪模器，該第二攪模器配置成將一或更多個光纖彎曲成第二彎曲半徑。第一彎曲半徑可不同於(例如，大於)第二彎曲半徑。

雷射操作的光源(將在此處以下亦簡稱為光源)含有腔室，該腔室用於容納可離子化氣體，該氣體舉例而言可為鈍氣。光源進一步含有點火源，該點火源用於離子化腔室中的氣體，以產生電漿，其中點火源舉例而言，可藉由電極對的手段形成。然而，亦可能為其他點火源。光源進一步含有雷射，用於輸入雷射能量至電漿中，使得在雷射輻射的衝擊下，電漿產生有效光，其中該有效光形成光源的輸出訊號。為了傳送有效光至下游製程(例如，在光譜或表面檢測的情況中)，光源含有用於耦合有效光至傳送光纖的構件，該構件舉例而言可由光纖耦合器的手段形成。

以構造簡述各種光源的其中一個實施例，可由以下的方式實施。雷射操作的光源具有用於容納可離子化氣體的腔室、用於離子化腔室中氣體以產生電漿的點火源；用於輸入雷射能量至電漿中的雷射，使得在雷射輻射的衝擊下，電漿發射有效光，其中該有效光形成光源的輸出訊號；以及用於耦合有效光至至少一個傳送光纖中的構件。至少一個攪模器係指派至光纖及多個光纖。

在典型的實例中，攪模器係在一或更多個光纖中誘發模式混合的裝置。更具體而言，在典型的實例中，一種模式係配置成實體彎曲一或更多個光纖。攪模器可具有各種不同的實體配置，舉例而言包括本申 請案及此處討論的第2圖及第3圖中所顯示的配置。

在某些實例中，此處所述的概念可改善來自雷射操作的光源之光的光學品質。更具體而言，在典型實例中，改善的品質可藉由高的均勻化程度(例如，角度均勻性(angular homogeneity))體現。角度均勻性大致代表例如被傳遞至終端製程(例如，表面檢測製程)橫跨角度範圍之光強度中的均勻程度。角度的範圍可依照不同應用而改變，例如取決於光被傳遞通過之孔洞的大小及配置。在一個範例中，角度範圍大約14度(例如，介於約10度及20度之間)，但當然亦可能為其他角度範圍。

此處所揭露的一或更多個概念係基於雷射操作的光源實際上常常受到負面影響之知識，因為藉由光源發射的光由下游製程之需求量測(舉例而言，在光譜或表面檢測的情況中)，不含有足夠的角度均勻性。本發明因此基於改善藉由光源發射的光之角度均勻性的想法。為了此目的，本發明提供至少一個攪模器，該攪模器被指派至光纖，該光纖傳送由光源產生的光至下游製程。

結果得到回應於攪模器之使用所導致的特別有利特徵。

本發明的顯著優點為回應於攪模器之使用，導致顯著地改善角度均勻性及光的均勻性之穩定度，使得基於光的不均勻性而在量測製程上之負面衝擊，及光源之光學品質之負面衝擊能夠被避免或至少減少。此舉在下游製程(例如，在半導體工業中)之品質具有極度正面功效。

本發明的另一優點為合適的攪模器能夠相對簡單地獲得且為節省成本之部件，部分亦為標準部件，使得光源的功能可靠性改善可藉由使用相對小量的設備來達成。

在一方面，角度均勻性(因此相對於在不同角度下藉由光 纖發射的光束之強度的均勻性)回應於攪模器之使用而改善。另一方面，在電漿之改變上角度均勻性的敏感性降低。

根據本發明，當個別攪模器被指派至光纖時理論上為足夠的。為了進一步改善光的均勻性，本發明進一步發展之優點提供以接續光纖之方向指派至光纖的至少第一攪模器及至少第二攪模器。攪模器的形狀、大小及設計可根據分別的需求在廣的範圍之中選定。在此方面，本發明的進一步發展之優點提供光纖的第一攪模器，在光纖上印壓包含較大第一曲率半徑之曲率，同時第二攪模器在光纖上印壓包含較小第二曲率半徑之曲率。結果發現以此方式可進一步改善光的均勻性。

關於攪模器之實施例，本發明的進一步發展之優點提供攪模器之至少一者以繞線裝置體現，其中光纖或多個光纖可以複數圈分別纏繞在繞線裝置四周，產生曲率，而改變光纖方向。此繞線裝置可以單純且節省成本之方式產生，且含有所欲功能之高效率，亦即光的均勻化。

本發明進一步發展之另一優點提供至少一個攪模器(特別為第二攪模器)以包含兩個夾持板的夾持裝置體現，在兩個夾持板之間可夾持光纖或多個光纖，使得在光纖或多個光纖上係或將印壓彎折過程。此等攪模器亦可以相對單純且節省成本之方式產生，且含有高效率。

本發明之進一步發展的範例優點提供第一攪模器以繞線裝置體現，該第一攪模器在光纖或多個光纖上印壓包含較大第一曲率半徑之曲率，同時第二攪模器安排在光的傳播方向中為第一攪模器之下游，且以夾持裝置體現，該第二攪模器在光纖或多個光纖上印壓包含較小曲率半徑之曲率。結果發現以此方式可達成特別良好的光的均勻性。然而，理論上亦可能從上述配置中交換攪模器，且將以繞線裝置體現的攪模器安排在以 夾持裝置體現的攪模器之下游。

不論攪模器之實施例，本發明之進一步發展之優點提供第一攪模器以光的傳播方向安排在第二攪模器之上游。

本發明的進一步發展之極度優點提供對指派有攪模器或多個攪模器之兩個光纖作成供應器(provision)，其中包含更大直徑之另一光纖係連接至光纖的上游。令人驚訝地，結果發現以此方式可進一步顯著改善光的均勻性，特別是對於角度的分佈。在另一光纖連接光纖的上游之情況的一方面，及在以繞線裝置體現的攪模器之情況的另一方面，初始指派一群集(constellation)，且在此群集之後，於光的傳播方向中接續為以夾持裝置體現的攪模器。

本發明的其他系統、方法、特徵及優點對技藝人士而言，在審查以下圖式及詳細說明之後將為顯而易見的。應注意所有此等額外系統、方法、特徵及優點均被包括在此說明書之中、本發明的範疇之中，且受到隨附申請專利範圍之保護。

2:光源

4:腔室

6:電漿

8:電極

10:電極

12:雷射

14:外殼

16:光纖安排器

18:光纖耦合器

20、20’:光纖

22:攪模器

24:攪模器

26:繞線裝置

28:網絡

30、30’:繞線元件

32:夾持裝置

34、34’:夾持板

36:箭號

38:另一光纖

40:下游製程

本發明將在以下藉由包含的高度圖解的圖式之手段更詳細的說明，其中圖示根據本發明之光源的範例實施例。在圖式中圖示以及申請專利範圍中所述的所有特徵，不論其申請專利範圍之結合且不論其依附關係以及分別的說明或圖示，將單獨且以任何彼此適當的結合，從而形成本發明之標的。

本發明之許多態樣可參考以下圖式較佳地理解。圖式中的部件並非必須按照尺寸，取而代之地重點強調圖示本發明之原理。再者，在圖式中，類似的元件符號在數個視圖中表明相對應部分。

第1圖係概要圖，以高度圖解及方塊圖解的方式圖示根據本發明之光源的範例實施例。

第2圖係概要圖，以高度圖解的方式圖示第一攪模器之範例實施例，其中該攪模器使用於根據第1圖之光源的情況中。

第3圖係概要圖，以高度圖解的方式圖示第二攪模器之範例實施例，其中該攪模器使用於根據第1圖之光源的情況中。

根據本發明的雷射操作的光源2之範例實施例(其中在此範例實施例中供以產生可見光波長範圍之有效光)係在第1圖中以高度圖解之方式圖示。一般而言，此處所使用之「有效光」一詞或類似者，應廣泛視為包括當光被傳輸至製程時，有效用於製程之任何類型的光。範例包括半導體工業中的各種製程。在典型的實例中，若光係高度均勻化(例如，涵蓋適合用於所欲目的之角度範圍)、若光足夠地強用於所欲的目的、且若光大致在適合用於所欲目的之波長範圍之中，則光可考慮為有效用於特定製程。在某些實例中，舉例而言，適合用於所欲目的之波長範圍從約400nm延伸至950nm。在某些實例中，適合用於所欲目的之波長範圍介於400nm至765nm之間。

光源含有腔室4，該腔室4用於容納可離子化氣體，該氣體在圖示的範例實施例中以氙氣形成。光源2更含有點火源，該點火源用於離子化腔室4中的氣體，以產生電漿6，該電漿6在圖式中圖解表現，其中在此範例實施例中點火源由一對電極8、10形成。光源2更含有雷射12，用於輸入雷射能量至電漿6，使得電漿在雷射輻射的衝擊下發射有效光，其中該有效光形成光源2的輸出訊號。

儘管在上述範例實例中揭露氙氣作為腔室4內的氣體，在其他實例中，亦可使用除了氙氣之外或額外的氣體。一般而言，腔室4內的氣體可為在適當的條件下，能夠產生電漿的任何類型的氣體，該氣體將回應於雷射輻射而發射有效光。在某些實例中，氣體可包括一或更多個鈍氣。

除了有效光之外，電漿可能發射雜散輻射，然而，此雜散輻射根據本發明之上下文在此處考慮為不具有進一步益處，而且將因此不在此處進一步考慮此雜散輻射。為了阻擋雜散輻射，光源2例如在光源的燈外殼處14可包含相對應構件。

為了清楚起見，第1圖省略光源2的光學部件，該等光學部件特別供以光束轉向及光束成型雷射輻射以及發射的光。

儘管此處所揭露的為雷射操作的光源，在某些實例中，亦可替代使用非雷射操作的光源。光源2更含有用於耦合有效光至傳送光纖安排器16之構件，其中該構件含有光纖耦合器18，該光纖耦合器18在圖示的範例實施例中僅概要地安排。

為了傳送有效光，光纖安排器16含有光纖20、20’，該等光纖20、20’彼此平行引導，且若為可能的，引導具有實質上完全相同的均勻性及強度之相同有效訊號，舉例而言，此舉在下游製程中可為顯著重要的。在某些實例中，光纖被引導。在其他實例中，此等光纖單純地相對於彼此安排，以便跟隨實質上平行的路徑。

在第1圖顯示的安排中，兩個光纖20、20’通過第一及第二攪模器22、24。通過第一及第二攪模器22、24之光纖的數量可改變。舉例而言，在某些實例中，僅一個光纖可通過第一及第二攪模器22、24。 在某些實例中，超過兩個光纖20、20’可通過第一及第二攪模器22、24。

在典型的實例中，通過第一及第二攪模器22、24之光纖(例如，20、20’)實質上彼此類似。舉例而言，在典型的實例中，此等光纖之各者具有與另一者實質上相同的直徑。

根據範例，至少一個攪模器被指派至光纖20、20’。在圖示的範例實施例之情況中，第一攪模器22被指派至光纖20、20’，位於第二攪模器24所安排的光的傳播方向中。

在圖示的範例實施例之情況中，第一攪模器22印壓包含較大第一曲率半徑之曲率在光纖20、20’上，同時第二攪模器24印壓包含較小第二曲率半徑之曲率在光纖20、20’上。一般而言，較大第一半徑比較小第二半徑更大。較大第一半徑及較小第二半徑之實際尺寸舉例而言可取決於光纖的尺寸。在一個範例實例中，較大半徑大約150mm且較小半徑為幾個mm(例如3mm)。當然，此等特定值亦可改變。在某些實例中，舉例而言較大半徑之範圍可從125mm至175mm，且較小半徑可從1mm改變至5mm。

在圖示的範例實施例之情況中，第一攪模器22以繞線裝置體現，在第一攪模器22四周可將光纖20、20’纏繞複數圈用於產生曲率，而交替光纖方向。在某些實例中，各個光纖可包覆在繞線裝置之四周不只一次。再者，在某些實例中，一個光纖可以第一方向(例如，順時鐘)包覆在繞線裝置四周，而另一光纖以與第一方向相反的第二方向(例如，逆時鐘)包覆在繞線裝置四周。

第2圖顯示相對應繞線裝置26的範例實施例，該實施例含有透過網絡28彼此連接的兩個繞線元件30、30’。在某些實例中，繞線裝置 26係以單一實體片段形成。在某些實例中，繞線裝置係從彼此實體附接的不同片段形成。從第2圖可見，為了清楚起見，在第二圖中圖示為單一光纖之光纖20、20’，可以交替曲率纏繞在繞線裝置26四周。為了清楚起見，在第2圖中僅圖示單一繞線。在現實中，光纖20、20’以複數圈纏繞在繞線裝置26四周。

在典型的實例中，存在一片(未)圍繞光纖的部分，該部分纏繞在繞線裝置四周，以幫助確保光纖跟隨沿著繞線裝置26的外部輪廓之指示的路徑。

根據第2圖的繞線裝置26之實施例僅為範例。亦可使用其他繞線裝置。整體的繞線裝置可具有不同尺寸，且繞線裝置的部件相對於其他部件可具有不同尺寸。繞線裝置的整體形狀亦可不同於第2圖所顯示者。舉例而言，在某些實例中，繞線裝置可具有心形。在某些實施例中，繞線裝置可具有腎形。

第3圖顯示第二攪模器24的範例實施例，第二攪模器24在此範例實施例的情況中以夾持裝置32體現，該夾持裝置32包含兩個夾持板34、34’，在兩個夾持板34、34’之間所夾持的光纖20、20’為了清楚起見，再次於第3圖中圖示為單一光纖，使得包含較小第二曲率半徑的彎折過程係或將被壓印在光纖20、20’上。

如第3圖之箭號36之手段建議，藉由在夾持板34、34’之間夾持光纖20、20’之手段所選擇的力量，可選擇使得光纖20、20’變形的何種強度，因此造成第二曲率半徑之何種大小。此舉提供光源2之光的均勻化特性之最佳化，其中該光從光纖遞送至下游製程。

在圖示的範例中，上部夾持板的內表面及下部夾持板的內 表面具有輪廓，以跟隨沿著光纖通過夾持裝置32之方向的實質上正弦曲線路徑之剖面。上部夾持板之內表面所跟隨之正弦曲線路徑配置成使得該內表面能夠與下部夾持板之內表面所跟隨之互補正弦曲線路徑緊密配合。在典型的實施例中，夾持裝置32的整體長度大約2-3cm。在範例配置中的正弦曲線路徑具有四個峰部。然而，峰部的數量可改變，舉例而言，可介於1個峰部至7個峰部或更多。在各種實例中，正弦曲線路徑的週期及振幅可改變。舉例而言，在某些實例中，正弦曲線路徑的週期可介於約0.5cm及2cm之間。再者，在某些實例中，振幅可高達1cm。再者，在各種實例中，路徑可全然非正弦曲線，取而代之地，路徑可為鋸齒狀圖案、方形圖案或類似者。

在圖示的範例實施例中，包含較大直徑的另一光纖38係連接於光纖20、20’的上游。在典型的實例中，單一光纖38係以光纖耦合器連接至光纖20、20’對。一般而言，光纖耦合器係在光纖系統中使用的裝置，而具有一或更多個輸入光纖及一或數個輸出光纖。

透過光纖耦合器18，光源2的有效光因此開始耦合至包含較大直徑的另一光纖38，且光源2的有效光從此光纖38傳送至光纖20、20’中。

發現在第1圖所顯示的安排中，在使用兩個攪模器22、24以及連接於上游且包含較大直徑的光纖38之情況下，跟隨著特別良好均勻性的光，該光適用於表面均勻性及光的角度均勻性。一般而言，表面均勻性指稱例如被傳遞至終端製程(例如，表面檢測製程)之光強度，橫跨角度範圍的均勻程度。以此方式均勻化的光係供應至例如在半導體工業中的下游製程。下游製程在第1圖中以元件符號40表示。下游製程實際上可為利 用傳遞至下游製程之光的任何製程。範例包括例如用於量測製程的光譜或表面檢測。

已經說明本發明的數個實施例。然而，應理解可作成各種修改而並未悖離本發明之精神及範疇。

其他實例係包括於申請專利範圍之範疇之中。

2:光源

4:腔室

6:電漿

8:電極

10:電極

12:雷射

14:外殼

16:光纖安排器

18:光纖耦合器

20、20’:光纖

22:攪模器

24:攪模器

38:另一光纖

40:下游製程

Claims (20)

1. 一種光源，其包含：一電漿腔室，其經組態以容納一電漿；一雷射，其經組態以將雷射能量輸入至該電漿以產生光；一光纖，其經組態以將該光傳輸(transmit)至一下游製程；及一攪模器(mode scrambler)，其經組態以允許在該光纖中的模式混合(mode mixing)以增加穿越(traveling through)該光纖之該光的均勻性(homogeneity)。
2. 如請求項1所述之光源，其進一步包含：另一光纖；另一攪模器；該攪模器及該另一攪模器與該光纖及該另一光纖相關聯。
3. 如請求項2所述之光源，其進一步包含：一第三光纖，其中該第三光纖包含相較於該光纖及該另一光纖兩者之直徑之一更大直徑且係組態以與該光纖及該另一光纖光學通訊且連接至該光纖及該另一光纖之上游。
4. 如請求項1所述之光源，其中該電漿包含一可離子化氣體。
5. 如請求項4所述之光源，其中該可離子化氣體包含氙氣。
6. 如請求項1所述之光源，其進一步包含一光纖耦合器，其經組態以耦合該光至該光纖中。
7. 如請求項1所述之光源，其中增加該光之該均勻性包含施加一表面均勻性及一角度均勻性至該光。
8. 如請求項1所述之光源，其中該光係組態以具有介於大約400nm及950nm之間的一波長。
9. 如請求項1所述之光源，其中：該攪模器包含一繞線裝置；該光纖係組態以複數繞線(windings)纏繞在該繞線裝置四周；及該複數繞線包含一第一半徑及一第二半徑。
10. 如請求項1所述之光源，其中：該攪模器包含一夾持裝置，該夾持裝置包含多個夾持板；該光纖係組態以被夾持在該等夾持板之間；及該等夾持板係組態以給予(impart)一曲流路徑(meandering course)於該光纖上。
11. 如請求項1所述之光源，其中該攪模器包含一繞線裝置，其經組態以給予曲率於該光纖上，其中該光纖係以複數繞線纏繞。
12. 如請求項11所述之光源，其中該等繞線包含一第一半徑及一第二半徑。
13. 如請求項11所述之光源，其中該光纖係組態以交替(alternating)曲率纏繞該繞線裝置。
14. 如請求項11所述之光源，其進一步包含一圍繞片，其經組態以纏繞在該光線及該繞線裝置四周以確保該光纖跟隨該繞線裝置之輪廓(contours)。
15. 如請求項11所述之光源，其中該繞線裝置包含一心形或一腎形。
16. 一種雷射操作的方法，其包含：輸入雷射能量至一電漿以產生光；以一光纖傳輸該光至一下游製程；及以一攪模器在該光纖中模式混合該光以增加穿越該光纖之該光的均勻性。
17. 如請求項16所述之方法，其中增加該光之該均勻性包含施加一表面均勻性及一角度均勻性至該光。
18. 如請求項16所述之方法，其進一步包含使用一光纖耦合器以耦合該 光至該光纖中。
19. 如請求項16所述之方法，其進一步包含：以該攪模器壓印曲率於該光纖上，其中該攪模器包含一繞線裝置及該等曲率包含繞線。
20. 如請求項16所述之方法，其進一步包含：以該攪模器壓印曲率於該光纖上，其中該攪模器包含一夾持裝置及該等曲率包含一曲流路徑。

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