TWI722760B

TWI722760B - 雷射系統

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Publication number: TWI722760B
Application number: TW109101094A
Authority: TW
Inventors: 西爾克蒂爾費爾德; 克里斯托夫帝爾柯恩; 托斯騰貝克; 朱利安赫爾斯特恩; 安德烈亞斯海梅斯; 克里斯蒂安林格爾; 費利克斯馬歇爾
Original assignee: 德商創浦雷射與系統科技有限公司
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2021-03-21
Also published as: TW202036094A; DE102019102511B4; WO2020156821A1; KR20210120045A; CN113366375A; DE102019102511A1; JP2022520002A; JP7377273B2

Abstract

本發明涉及一種雷射系統，包括兩個雷射光源、一具有兩個光學輸入通道和兩個光學輸出通道的饋送光學器件和一用於形成有用光分佈的光束成形光學器件。該些光學輸入通道為了進行饋入分別被設計成，使每一輸入光束組分別包括至少二束雷射束，並且該些光學輸出通道被設計成用於分別引導一輸出光束組。該饋送光學器件被設置成用來重新排列所饋入雷射束，以使每一輸出光束組分別具有來自第一光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束和具有來自第二光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束。

Description

雷射系統

本發明涉及一種用於產生有用光分佈的雷射系統或雷射裝置，該有用的光分佈由多束雷射束饋送輸入。

本發明系一個有利但並非排他的應用領域係用於產生有用光分佈，該光分佈具有線性光束輪廓，尤其系在輸出光束中；該光束沿傳播方向傳播，並在工作平面中具有沿著線方向延伸、非零強度的線狀光束橫截面。

這種線性光束輪廓例如應用於半導體或玻璃的表面加工，如TFT顯示器的製造、半導體的摻雜、太陽能電池的製造，以及建築美觀設計用途玻璃表面的生產製造等。這種線性光束輪廓垂直於待處理表面的線擴展方向上而被掃描，通過輻射可以例如觸發表面轉化過程(再結晶、熔化、擴散過程)並獲得所需的處理結果。

該雷射系統包括數個雷射光源，其用於提供所需的有用光分佈，以便產生高能量密度和/或空間上廣泛的線性強度分佈。例如，DE 10 2008 027 229 B4示出了一種用於多束雷射束成形和組合的裝置，該多束雷射束由數個雷射光源發射，並且各自在彼此分開的光通道中成組地行進部分路程，最終將該些雷射束合併並轉換為具有所需線性光束輪廓的光分佈。為了將其轉換成有用的光分佈，該些雷射束行進穿過數個光學元件，這些光學元件被來自各種雷射光源的雷射束照射；為能均勻照射該些光學元件，所有的雷射光源必須始終保持於運作狀態；如果一個雷射光源失效，或者如果要通過削弱或停用一個雷射光源來降低有用光分佈的強度，則該些光學元件將不能獲得均勻照明，而這將會影響有用光分佈的質量和均勻性。

本發明目的在於，當功率波動或停用單個雷射光源時，藉由本發明可以提高雷射系統的功能和有用光分佈的質量。

整個雷射系統係一個包括數個裝置和/或組件的設備；特別地，該雷射系統包括至少兩個用於提供雷射束的雷射光源以及一個用於雷射束的饋送光學器件，該饋送光學器件具有至少一用於雷射束的第一光學輸入通道和一第二光學輸入通道；此外，該饋送光學器件具有至少一第一光學輸出通道和一第二光學輸出通道，雷射束通過該第一光學輸出通道和第二光學輸出通道從該饋送光學器件射出，該從饋送光學器件射出的雷射束隨後在光束路徑中行進穿過一光束成形光學器件，該光束成形光學器件被設計為可從光學輸出通道的雷射束中形成所需的有用光分佈，其具有線性橫截面。。

第一、第二光學輸入通道各自被設計為使得輸入光束組可以被饋送輸入，其中輸入光束組可以分別包括至少二束雷射束，第一、第二光學輸出通道被設計成用於分別引導一輸出光束組，其中每組輸出光束組又可以包括至少二束雷射束。

該饋送光學器件被設置成，在從輸入通道到輸出通道的過渡過程中，該些饋入的雷射束可以方便進行分類；特別地，藉由該饋送光學器件可使每一輸出光束組包括來自第一光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束和來自第二光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束。

因此，每組輸出光束組都包含來自兩個光學輸入通道的操作成果；特別地，在每組輸出光束組中都有來自每個輸入通道的雷射束，這使得當通過光學輸出通道的輻射減少時(例如當雷射光源之一被停用時)，每個光學輸入通道都還能被照亮，藉此可提高有用光分佈的質量和均勻性，尤其是在不同雷射光源的輻射功率相對於彼此發生變化或單個雷射光源完全不發光的情況下。

在本文中，光學通道(輸入通道、輸出通道)的特徵尤其在於：通道中的一雷射束群在空間上和/或在光學上與其他通道分開地被引導行進。光學通道可以包括數個光學有效元件(透鏡、反射鏡、光圈等)；尤其是，輸入通道可以是具有光學元件的饋送光學器件的一部分，光學元件可以照射一雷射束或一雷射束群，然後與其他雷射束或其他雷射束群彼此分開地運行；輸入光束組的不同雷射束被重新分配到饋送光學器件中的輸出光束組，以使每一輸出光束組包括來自第一光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束和來自第二光學輸入通道的輸入光束組的至少一雷射束。

該饋送光學器件基本上被設計成，所有輸入光束組中的雷射束都行進穿過饋送光學器件，而不會與該輸入光束組中的其他雷射束混合，並可被引導到一個輸出通道中，然後將雷射束從相應的輸入光束通道引導至輸出光束通道，而不與其他雷射束混合；在這樣的配置設計中，例如僅在光束成形光學器件中進行不同雷射束的混合(例如藉助均勻化光學器件、柱面透鏡陣列等)；基本上可以聯想到，經由相應光學輸入通道射入的不同雷射束可在饋送光學器件中彼此分離的光學子通道中運行，例如，光學上的混合可以藉由雷射束在饋送光學器件中彼此分離式的引導行進而被避免；但是，上述配置設計並非強制性的。

優選地，該饋送光學器件具有用於每一光學輸入通道的至少一光學元件，該光學元件用於光束重新導向和/或光束引導；該光學元件還在饋送光學器件中被設置成，僅能作用於一來自相應光學輸入通道的輸入光束組的雷射束，或僅能作用於一來自相應光學輸入通道的輸入光束組的雷射束子群；藉助於僅選擇性地作用於輸入光束組的雷射束或相應子群的光學元件，可以以上述方式在輸入光束組和輸出光束組之間對雷射束進行重新分配設置。

尤其有利的是，如果光學元件被設計和設置成，將光學元件選擇性作用到的雷射束或雷射束子群，而非是在同一光學輸入通道中光學元件沒有作用到的雷射束或雷射束子群，引導至另一光學輸出通道中；可以聯想到，例如光學元件選擇性地將一輸入光束組的其中之一雷射束，而非其他未被作用到的雷射束，引導到另一輸出通道。

該饋送光學器件優選地包括一或多個光束轉向元件和/或一或多個光束引導元件，藉由該些元件可定義從光學輸入通道到光學輸出通道的光束路徑。該光束路徑優選地具有方向變化，尤其是具有多個方向變化。特別有利的是，該光束路徑例如以Z形折疊幾次(類似於字母Z的形狀)，藉此可在緊湊的安裝空間中容納下較長光程；這使得例如可以使用在光束路徑中具有較低折光力和/或較長焦距的望遠鏡或其他光束成形光學器件，由於通常具有低折光力和/或長焦距的光學元件的像差往往較小，因此可以通過折疊光束路徑來提高光學精度。

在其他配置設計中，尤其是折疊的光束路徑在一個平面中運行，該平面垂直於隨後的光束成形光學器件中光束路徑行進的平面。在此，該光束成形光學器件還包括數個光學元件，通過該光學元件可以確定光束路徑；該光束路徑尤其同樣具有一或多個方向改變，優選地被折疊一次或多次；在此，折疊的光束路徑又可以被分配至一具有光束路徑運行的平面中。

該饋送光學器件優選地被設計為，將該第一光學輸入通道和該第二光學輸入通道設置成可將不同方向的雷射束，例如相反方向，且特別是來自相反側面的雷射束，射入通道中。尤其是，該饋送光學器件具有自己的殼體，其中一第一光學輸入通道的光束入口及另一第二光學輸入通道的光束入口被設置在殼體的相對兩側。藉由這些措施可以相對於饋送光學器件將該些雷射光源彼此相對地設置在雷射系統中；還可以進一步為其他雷射光源提供其他光束入口，這些雷射光源尤其可以設置在殼體的其他自由側上；藉由雷射光源在空間上彼此分離間隔設置可以提高操作安全性，藉此可以例如進行冷卻和供電，並得以簡化維護工作。

進一步的配置設計中，該用於至少一光學輸出通道的饋送光學器件包括一路徑調整光學器件，其被設置為與該輸出通道的其他雷射束相比，可以改變至少一雷射束的光程；優選地，每個光學輸出通道都配置有這種路徑調整光學器件，該路徑調整光學器件尤其被設計為僅檢測收集輸出通道的一束雷射束，或僅檢測收集輸出通道的一雷射束子群；路徑調整光學器件可以具有例如偏轉鏡的組合，藉由它們可以定義出長度可調的附加路徑，而分別檢測收集到的雷射束或雷射束子群即可以行進穿過該可調的附加路徑。

有利地，該系統被模塊化建置且可被擴展，且尤其可以提供兩個以上的光學輸入通道；替代地或附加地，該饋送光學器件可以被設計為可以射出多於兩組的輸入光束組；有利地，將饋送光學器件設計成可以將輸入光束組的光束分成為幾組不同的輸出光束組；該饋送光學器件進一步優選地被設計為使得每組輸出光束組分別包括來自每一輸入光束組中的至少一雷射束；當停用一或多個雷射光源時，這種系統仍在很大程度上可以被均勻照明。

進一步的配置設計中，該光束成形光學器件具有一轉型光學器件，其用來檢測收集從光學輸出通道出射的雷射束，該轉型光學器件用來從檢測收集到的雷射束中形成具有線性延伸光束橫截面的光束包；在此可以聯想到，該轉型光學器件具有數個單獨而彼此分離的轉換元件，每一轉換元件分別分配給相應的輸出光束組，由於每組輸出光束組都含有來自數個輸入通道的操作成果，因此，即使一個雷射光源不發光，轉型光學器件也會被均勻照明。

但是，單獨而彼此分離的轉換元件的配置設計並非強制性的，也可以考慮在轉型光學器件之前將輸出光束組組合成一組合光束。在此，該光束成形光學器件可以另外包括一組合光學器件，該組合光學器件被設置為在轉型光學器件之前，將來自一個輸出通道的輸出光束組的雷射束或來自數個輸出通道的輸出光束組的雷射束匯成一組合光束。轉型光學器件優選地被設置成用來檢測收集該組合光束，並將其轉換為具有線形延伸光束橫截面的光束包。

進一步的配置設計中，在光束路徑下游可以再設置一均勻化光學器件，亦即將其設置在轉型光學器件之後，該均勻化光學器件用來檢測收集轉型光學器件的光束包並進一步將其重塑，以為該有用的光分佈提供所需特性。

可選地，輸出光束組的雷射束可以在光束成形光學器件中彼此獨立地光學成形；可以聯想到，該光束成形光學器件具有至少一個望遠鏡，特別是變形望遠鏡，該望遠鏡作用在光學輸出通道的一或多束雷射束上；特別地，該望遠鏡可以包括兩個在光束路徑中前後設置的會聚透鏡，其例如以所增焦距為距而間隔設置，從而使其彼此相對的焦平面重合(例如以開普勒望遠鏡的方式)；優選地，該望遠鏡被設計為變形望遠鏡，藉此可使該些雷射束在相應的通道中變形；特別地，該望遠鏡被設計成可以在沿著垂直於雷射束傳播方向的軸上引起成像比例的圓柱形失真；可以聯想到，例如每組輸出光束組或某些輸出光束組的光束成形光學器件在光束路徑中依次排列設置有兩個變形望遠鏡，它們可相對於兩個不同的失真方向(特別是相對於兩個垂直方向)發生作用，並藉此允許相對於兩個垂直軸而調整光束特性；其中，所提到的望遠鏡尤其是在光束路徑中被設置於轉型光學器件之前。

本發明的一個有利方面是，可以將不同雷射光源饋入不同光學輸入通道中。由於相應的輸出通道承載著來自數個或所有輸入通道的雷射束，因此即使雷射光源出現故障，輸出通道仍會被均勻照明，因此，雷射光源可以彼此獨立操作。

本發明的有利方面還在於：每個雷射光源被設計為可以發射至少兩束分離(空間分離)的雷射束，然後尤其該二雷射光源被射入不同的光學輸入通道中，並由該雷射光源發射的至少二雷射束形成一輸入光束組。這種類型的雷射光源例如可以倍頻雷射器實現，其中，轉換殘留下的光束也同樣可以被饋入新的轉換中，因此可以提供兩束或更多束輸出光束。

10:雷射系統

12a:雷射光源

12b:雷射光源

14:雷射束

16a:輸入光束組

16b:輸入光束組

18a:第一光學輸入通道

18b:第二光學輸入通道

20:饋送光學器件

22a:光束入口

22b:光束入口

24a:第一光學輸出通道

24b:第二光學輸出通道

26a:輸出光束組

26b:輸出光束組

28:光束成形光學器件

30:望遠鏡

32:轉型光學器件

33:轉換元件

34:均勻化光學器件

35:組合光學器件

36:光束轉向元件或光束導向元件

38:光束路徑

40:光學元件

42:路徑調整光學器件

44:模塊殼體

L:有用光分

本發明將以參照附圖的方式搭配實施例進行更詳細的說明：

圖1所示係為用於解釋根據本創作發明雷射系統的光束路徑和功能組件的示意圖。

圖2所示係為具有緊湊設計的本創作發明雷射系統的透視圖。

在以下說明和附圖中，相同的符號用於相同或相應的特徵。

圖1及圖2示出了一雷射系統或雷射裝置，整體上以符號10表示。在示例中，該雷射系統10包括兩個用於發射雷射束14的雷射光源12a、12b，示例中每個雷射光源12a、12b被設計為可平行地發射兩束分開的雷射束14。

來自每一雷射光源12a、12b的雷射束14各自形成輸入光束組16a或16b。不言而喻，輸入光束組也可以由多個雷射光源饋送輸入，例如該多個雷射光源的每一雷射光源僅發射一束雷射束14；該些輸入光束組16a、16b分別經由第一光學輸入通道18a或第二光學輸入通道18b被射入一饋送光學器件20中；在此，該饋送光學器件20具有用於每個光學輸入通道18a或18b的相應光束入口22a或22b(參見圖2)。該些光學輸入通道18a和18b可以具有例如合適的光學元件40或光學裝置，其可將雷射束14耦入饋送光學器件20中。

該饋送光學器件20還具有一第一光學輸出通道24a和一第二光學輸出通道24b。在饋送光學器件20中，經由該第一光學輸入通道18a和第二光學輸入通道18b射入的雷射束14以下面更詳細描述的方式被引導至該些光學輸出通道24a和24b。在此，為該第一光學輸出通道24a和第二光學輸出通道24b分別提供了一雷射束14的輸出光束組26a或26b。

然後，由該光束成形光學器件28檢測收集從第一光學輸出通道24a及第二光學輸出通道24b射出的輸出光束組26a、26b，並將其轉換成所需有用光分佈L，在示例中該有用光分佈L具有線狀光束橫截面。

為了從輸出光束組26a、26b的雷射束14中形成線形有用光分佈L，光束成形光學器件28通常包括各種光學功能裝置；可以聯想到，例如輸出光束組26a、26b的雷射束14或其雷射束子群，首先行進穿過一或多個望遠鏡30，這種望遠鏡30可以特別是變形望遠鏡，從而以合適的方式預成型該光束橫截面。

在隨後的光束路徑38中，例如使雷射束14行進穿過一轉型光學器件32，該轉型光學器件32從輸出光束組26a、26b的雷射束14中形成具有細長光束橫截面的一或多個光束包，該預成型光束包例如與一均勻化光學器件34進行混合，並在強度分佈過程中進行平滑處理，從而可以提供所需有用光分佈L。

該轉型光學器件32原則上可以具有數個分開的轉換元件33(參見圖1)，可以聯想到，例如轉換元件33分別只作用於一輸出光束組26a、26b的雷射束14上；但是，此配置設計並非必需的，該轉型光學器件32還可以包括所有用於輸出光束組26a、26b的雷射束14的共同轉換元件，在這種情況下，該光束成形光學器件28可以在轉型光學器件32的上游具有一組合光學器件35，其將不同輸出光束組26a、26b的雷射束14匯集成一組合光束；根據一配置設計形式(參見圖1)，該光束成形光學器件28還可以具有一組合光學器件35，其用來組合相應輸出通道24a、24b的輸出光束組26a、26b的雷射束14。

該饋送光學器件20具有數個光束轉向元件和/或光束引導元件36，藉由該些元件可在饋送光學器件20中定義出一光束路徑38。示例中，該光束路徑38被折疊幾次，藉此可在緊湊的安裝空間中形成較長的光程，並為光學元件(未示出)提供了足夠的空間來形成光束特性。

該饋送光學器件20被設計成，使得輸入光束組16a、16b的雷射束14首先彼此分開運行，且與另一輸入光束組的雷射束14彼此分開運行。示例中，該饋送光學器件20還包括一用於光束重新導向和/或光束引導的光學元件40(在此為偏轉鏡)，其僅作用於相應輸入光束組16a、16b中的一雷射束14。

該光學元件40被設計成，使得其將作用到的雷射束14偏轉到另一光學輸出通道24a或24b中，而非將未被光學元件40作用到的輸入光束組16a或16b的雷射束14進行偏轉，藉此實現了每一輸出光束組26a、26b分別都包括來自第一光學輸入通道18a的輸入光束組16a的至少一雷射束14和來自第二光學輸入通道18b的輸入光束組16b的至少一雷射束14。在此，該饋送光學器件20被設計成，被分組在二輸入光束組16a、16b的雷射束14可被重新排列，並使得它們可以在光學輸出通道24a、24b的相應輸出光束組26a、26b中以不同的配對方式運行。

該饋送光學器件20還可以包括一路徑調整光學器件42，與其他雷射束14相比，通過該路徑調整光學器件42可以改變至少一雷射束的光程；藉此，例如在脈衝雷射光源12a、12b的操作中，賦予雷射系統10所需時間成為可能。

如圖2所示，雷射系統10尤其是具有模塊化設計，特別地，饋送光學器件20和/或光束成形光學器件28可各自具有屬於自己的模塊殼體44。藉由該模塊化結構能夠以較小的安裝空間建構緊湊的系統。在此，特別有利的是，該饋送光學器件20和該光束成形光學器件28中的光束路徑38彼此非線性地前後連接，而是以成角度或折疊的方式前後相隨配置；示例中，該饋送光學器件20的光束路徑38被折疊幾次並且在一平面中延伸(參見圖1)，因此，該饋送光學器件20的模塊殼體44可以成形為平的、長方體的或盒狀的殼體(即垂直於上述平面的延伸範圍小於平行於該平面的延伸範圍)，然後可以依次將光學輸出通道24a、24b中提供的雷射束14(輸出光束組26a、26b)偏轉到另一個方向。藉此，光束成形光學器件28可以例如具有一在一平面上延伸的光束路徑38，該平面大致垂直於饋送光學器件20的光束路徑38(參見圖1)。

示例中，該些第一光學輸入通道18a和第二光學輸入通道18b的光束入口22a、22b被設置在饋送光學器件20的模塊殼體44的不同側上，例如，雷射光源12a、12b可以相對於該饋送光學器件20而設置，並沿相反的光束方向發射；當然，也可以設置各種雷射光源，使它們各自的光束方向彼此圍成銳角或鈍角；該些雷射光源也可以佈置成具有平行的光束方向，並例如彼此垂直交錯設置。一般而言，不同的雷射光源12a、12b被佈置成使得它們的殼體彼此間隔設置，因此，可以在兩個雷射光源其中之一進行操作而不會影響另一雷射光源，而且藉此可使整體結構變得更為緊湊。