TWI818300B - 射束變換器 - Google Patents
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Abstract
提供了一種用於將輸入雷射光束變換為具有降低的空間和/或時間相干性的經變換射束的射束變換器，尤其用在用於對物體進行線狀照射的雷射系統中，該物體呈透明板狀光學元件（14）的形式，該光學元件具有基本上彼此平行地延伸的正面和背面、具有入射面（16）和出射面並且具有多個用於偏轉射束的反射面，其中至少在該正面或該背面處設置有冷卻裝置（18，24）。
Description
本發明關於一種用於將輸入雷射光束變換為具有降低的空間和/或時間相干性的經變換射束的射束變換器，尤其用在用於對物體進行線狀照射的雷射系統中，該物體呈透明板狀光學元件的形式，該光學元件具有基本上彼此平行地延伸的正面和背面、具有入射面、具有出射面並且具有多個用於偏轉射束的反射面。
這樣的射束變換器例如是從WO 2018/019374 A1中已知的。其中描述了一種雷射系統，以便在工作面上提供雷射線從而對物體進行線狀照射。
此類雷射系統的示例性應用包括沈積在玻璃基底上的矽氧化物層的重結晶(如在TFT顯示器中)、雷射輔助的例如對太陽能電池的摻雜、以及在製造微電子設備時的雷射剝離方法。
在此類系統的情況下雷射線在第一方向上在顯著的長度上延伸並且在第二方向上僅在較短的路程上延伸。該雷射系統包括用於提供雷射光束(作為沿著擴展方向擴展的長形輸入雷射光束的基礎)的雷射源，以及用於使長形雷射光束均勻化以便形成雷射線的均勻化及聚焦單元。其中描述了一種射束變換器，以便將輸入雷射光束變形成經變換的射束，從而對物體進行線狀照射。該射束變換器具有透明的、一體式的、板狀的光學元件，該光學元件具有基本上彼此平行延伸的正面和背面。在正面處設置有用於使雷射光束入射的入射面。在背面處設置有用於使經變換的射束出射的出射面。該光學元件具有多個用於偏轉射束的反射面。
雖然此類射束變換器完全適合用於執行所希望的變換。但是，在實踐中已經顯示出，成像性能仍需改進。並非在所有條件下都能足夠精確地保持線寬度和所希望的(一般而言梯形的)射束輪廓。
在此背景下，本發明的基本目的之一係創造一種改進的射束變換器，利用該射束變換器可以實現改進的成像性能。
根據本發明，這個目的在根據上述所述類型的射束變換器的情況下以如下方式實現：至少在該正面或該背面處設置有冷卻裝置。
在工作中，雷射光束在該光學元件自身的每個介面層處並且在玻璃體中都被吸收。這導致對光學元件的不均勻的加熱。因為玻璃中的導熱較差，所以由於在玻璃體中的導熱只能非常有限地進行溫度平衡。這導致不均勻的成像行為。尤其並非在所有條件下都能足夠精確地保持線寬度和所希望的射束輪廓。
藉由根據本發明使用至少在該正面或該背面處、或較佳的是既在該正面處又在該背面處的冷卻裝置，可以使光學元件內部的溫度分佈大體上均勻化。由此顯著改進了成像行為。
根據本發明的另一個設計方案，該冷卻裝置至少在該光學元件的該正面或該背面處具有冷卻體。
根據本發明的另一個設計方案，該冷卻體由具有至少50W m-1 K-1的熱導率的良好導熱材料、較佳的是由銅或鋁製成。
由此實現了良好的散熱或均勻的溫度分佈。
根據本發明的另一個設計方案，在該光學元件的該正面和/或該背面與該冷卻體的表面之間佈置有由比製成該冷卻體的材料更軟的導熱材料形成的中間層。
根據本發明的另一個設計方案，該中間層由銦製成。
其優點係，藉由冷卻體與製成光學元件的玻璃體的熱膨脹係數的差異避免了對該光學元件的所反射的表面的損傷。
銦具有良好的熱導率，雖然小於銅的熱導率，但是由於低熔點，銦在室溫下或略微升高的溫度下已經具有非常低的流動張力並且是非常軟的。因此，由銦製成的中間層一方面保護光學元件的位於中間層下方的反射層，並且另一方面可以實現到貼靠的冷卻體的良好熱傳遞。總體上，藉由軟的、較佳的是由銦製成的中間層防止了對玻璃體的反射性塗層的損傷並且同時改進了對冷卻體的熱接觸。
根據本發明的另一個設計方案，該中間層具有0.02至1mm的厚度、或較佳的是約0.1mm的厚度。
利用這樣的厚度，產生了在光學元件與貼靠的冷卻體之間的最優熱傳遞和由於銦相對於銅較差的熱導率造成的低熱損耗之間的良好折中，同時充分保護了光學元件的反射作用。
根據本發明的另一個設計方案，該冷卻體具有用於送入和排出冷卻液體的端口。
由此保證了特別有效的冷卻。
根據一個替代的實施方式，該冷卻體具有用於被動冷卻的冷卻肋片。該等冷卻肋片例如可以成角度地向外突出，如典型地在電子電路中的構造元件冷卻器中已知的。然而，即使在沒有設置額外的冷卻肋片或藉由冷卻液體的主動冷卻時，在該正面和/或背面上的由良好導熱材料形成的層也可以用作實現向環境散熱的冷卻體。
根據本發明的一個替代的實施方案，該冷卻裝置具有用於產生冷卻空氣流的器件、熱管或珀耳帖元件。利用此類冷卻裝置還可以確保對光學元件的表面的有效冷卻。然而，與額外的冷卻液體流過相關的借助於冷卻體的冷卻係成本特別低廉且特別有效的較佳的設計方案。
10、10a、10b、10c:射束變換器
12:殼體
14:光學元件
16:入射面
18:冷卻體
20:冷卻劑管線
22:冷卻劑管線
24:冷卻體
26:冷卻劑管線
28:冷卻劑管線
30:緊固元件
32:正面
33:長邊
34:背面
35:長邊
36:出射面
37:邊緣
38:中間層
40:中間層
42:熱管或珀耳帖元件
44:冷卻空氣管線
46:吹風機
48:冷卻肋片
不言而喻，在不脫離本發明範圍的情況下，本發明的以上提到的該等特徵以及仍將在以下說明的特徵不僅能夠在相應給出的組合中使用，而且還可以在其他組合中或者單獨地使用。本發明的其他特徵和優點從參照附圖對較佳的實施例的後續說明得出。在附圖中：圖1示出本發明的射束變換器之立體圖；圖2示出從正面看的根據圖1光學元件之簡化側視圖；圖3示出從背面看的光學元件之視圖；圖4示出穿過光學元件之簡化橫截面，該光學元件在正面和背面上具有冷卻體並且具有佈置在該等冷卻體上的緊固元件，其中為了簡化起見沒有展示在冷卻體內部的冷卻通道；圖4a示出根據圖4的射束變換器之替代實施方案，其中僅以橫截面展示光學元件以及呈熱管或珀耳帖元件形式的冷卻元件；圖4b示出射束變換器之另一種變化，其中與呈冷卻空氣管線形式的冷卻裝置相關地展示光學元件，該冷卻裝置藉由吹風機來饋送；圖4c示出射束變換器之另一種變形，其中僅展示一個冷卻體，該冷卻體設有用於被動冷卻的向外成角度地突出的冷卻肋片；圖5a示出長形雷射光束的短軸的所測量長度隨時間變化之圖示，基於以分鐘計的時間以微米記錄，沒有冷卻；圖5b示出根據圖5a之圖示，但是在正面以及在背面都具有冷卻器，具有借助於冷卻劑流過冷卻體而進行的主動冷卻。
在圖1中以透視方式展示了根據本發明的射束變換器並且總體上用標號10對其進行標注。
射束變換器10係雷射系統的一部分，該雷射系統被形成為用於在工作面處提供線狀雷射光束以便照射物體，如具體地在WO 2018/019374 A1中所描述的，該文獻藉由引用完全結合在本文中。
然後，雷射線在第一方向上在顯著的長度上延伸並且在第二方向上僅以較短的擴展長度延伸。該雷射系統具有：雷射源，以便提供雷射光束來作為沿著擴展方向擴展的長形輸入雷射光束的基礎；以及均勻化及聚焦單元，用於使長形雷射光束均勻化以及聚焦，以便形成雷射線。在此，可以彼此並排佈置多個雷射系統，以便共同形成由一系列雷射線形成的擴展的雷射線。在此類雷射系統的情況下，光學系統的一部分係射束變換器，該射束變換器用於將輸入雷射光束變換成具有降低的空間和/或時間相干性的經變換的射束。
根據WO 2018/019374 A1，這關於一種透明的、板狀的光學元件，該光學元件具有基本上彼此平行延伸的正面和背面、具有在正面處的入射面和在背面處的出射面、並且具有多個用於偏轉射束的反射面。此類射束變換器的構造和工作方式係已知的。在此，具體內容可以參考WO 2018/919374 A1。
射束變換器內部的變換一般降低X方向(縱向射束延伸的方向)上的射束品質並且同時改進雷射光束在Y方向(「寬度」)上的射束品質，而Z方向係雷射光束的傳播方向。
根據圖1，本發明的射束變換器10具有殼體12，透明的、板狀的、一體式光學元件被接納在該殼體中，該光學元件總體上用14標注。板狀的光學元件14具有彼此平行延伸的正面和背面、具有在正面處的入射面16和在背面處的出射面(在圖1中不可見)。
根據圖2和圖3，光學元件14具有基本上三角形的形狀，具有從共用的邊緣37出發的兩個正交的長邊33、35。在正面32處形成基本上矩形的入射面16(圖2)，而在背面34處(圖3)形成基本上矩形的出射面36，該出射面垂直於入射面16延伸。入射面16和出射面36在鄰接共用邊緣37的邊緣區域中相交。入射面16和出射面36設有減反射塗層。
相反，正面32和背面34在外部用高反射塗層塗覆。由此，對於穿過連接在上游的、變形式(anamorphische)光學元件傾斜入射的、橢圓形展寬的雷射光束而言，在射束再次從出射面36出射之前，在光學元件14內部產生了多重反射。然而，在入射面16與出射面36之間的重疊區域中垂直入射的雷射光束在沒有反射的情況下直接從出射面36出射。
根據本發明，現在不僅在正面32處而且在背面34處分別設置有冷卻體18或24(圖1)，該冷卻體分別在整個正面32或整個背面34上延伸，其中僅入射面16和出射面36係例外。冷卻體18、24由銅製成並且分別被冷卻劑流過。在圖1中，在正面處可以辨認出冷卻體18的相關的冷卻劑管線20、22並且在背面處可以辨認出冷卻體24的冷卻劑管線26、28。
在光學元件14自身的每個介面層處和玻璃體中會吸收雷射光束並且導致光學元件14不均勻加熱。因為玻璃中的導熱非常差，所以由於在光學元件14中的導熱而只能有限地進行溫度平衡。根據本發明，現在藉由冷卻體18、24產生了溫度平衡，由此部分排出能量並且使得其餘能量均勻地分佈在整個光學元件14上。
由於玻璃具有非常低的熱膨脹係數，但是較佳的是由銅製成的冷卻體具有高得多的熱膨脹係數，所以在溫度變化時在光學元件14與冷卻體18、24之間產生了相對運動。因為介面分別設有高反射層，所以該等高反射層可能被相對運動所損傷。為了避免這種情況，在正面32上的冷卻體18之間以及在背面34的冷卻體24之間分別設置有中間層38、40(圖4)，該中間層由厚度為約0.1mm的薄銦箔製成。銦具有157℃的熔化溫度。銦的熱導率為約81.6W m-1 K-1，雖然小於銅的熱導率(398W-1 K-1)，但是銦可以藉由其在室溫下約1MPa的非常低的流動張力實現對兩側接觸面的良好適配。銦係非常軟的，使得銦箔適配表面不平整性並且在溫度波動時產生良好的平衡。冷卻體18、24與光學元件14之間的接觸面於係被最大化，其中同時保護在正面32處和背面34處的敏感的反射塗層免受損傷(已經觀察到，在根據圖4的圖示中，為了清晰可辨，由銦形成
的中間層38、40的厚度相對於冷卻體18、24的厚度被展示為明顯過大；此外，在該圖中為了簡化的目的沒有展示在冷卻體18、24中的冷卻劑通道，冷卻劑管線20、22和26、28連接到該等冷卻劑通道)。
呈U形凸緣形式的包繞的緊固元件30用於緊固這兩個冷卻體18、24，該凸緣分別在側面與冷卻體18、24擰接。
應理解的是，在使用多個彼此並排佈置的雷射系統時，可以彼此並排佈置多個射束變換器10，以便實現加長的線狀射束，如從WO 2018/019374 A1中已知的。
替代地，替代於冷卻體18、24，冷卻裝置還可以具有其他冷卻器件。為此，在正面32處和背面34處可以設置有多個熱管或珀耳帖元件42，如示例性地在圖4a中展示的。射束變換器在此總體上用10a標注。
在根據圖4b的另一個變體中，射束變換器總體上用10b標注。為了冷卻光學元件14，在此距正面32和背面34一定距離地分別設置冷卻空氣管線44，經由吹風機46為冷卻空氣管線供應冷卻空氣。來自冷卻空氣管線44的冷卻空氣經由所指配的噴嘴在朝向光學元件14的方向上出現，以便冷卻正面32和背面34。
圖4c示出總體上用10c標注的射束變換器的另一個變體。在此，僅展示了在正面處的冷卻體18。這個冷卻體被形成為被動冷卻體，在該冷卻體處設置有多個成角度地向外突出的冷卻肋片48。
總體上，使用根據圖4的主動冷卻體(冷卻劑管線連接到該冷卻體)或者在適當時根據圖4c的被動冷卻體係較佳的，因為這產生了特別高強度且均勻的冷卻並且構造比使用熱管或珀耳帖時更簡單且成本更低廉。
在圖5a、5b中，在正面處以及背面處對比地展示了射束變換器10的主動冷卻的效果。圖5a示出在沒有冷卻器的情況下在加工平面中長形雷射光束的短軸的所測量寬度(FWHM=在輪廓一半高度處的射束寬度)，而圖5b示出在有冷卻器的情況下在加工平面中長形雷射光束的短軸的所測量寬度
(FWHM=在輪廓一半高度處的射束寬度)。在此看到，在沒有冷卻的形式中，線的寬度在1-2分鐘的時間範圍內劇烈變化。當線的寬度變化時，功率密度也變化，因為輻射分佈到更小或更大的面積上。這係不希望的。
不均勻的加熱導致兩側反射鏡表面的(局部)變形，最終還導致折射率的改變。出射的射束由此改變其形狀和大小。因為這種幾何形狀將映射到加工平面上，所以由此線在加工平面中的幾何形狀也發生改變，主要是線寬度還有梯形的射束輪廓。
在根據圖5b的經冷卻的實施方案中可以清楚地看到顯著改進。
前述揭示內容未意欲將本發明限制在所揭示之精確形式或特定使用領域。如此，根據本發明，無論本文明確描述或暗示，可預期本發明之各種替代具體實施例及/或修改。
本發明雖以各種實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:射束變換器
2:殼體
14:光學元件
16:入射面
18:冷卻體
20:冷卻劑管線
22:冷卻劑管線
24:冷卻體
26:冷卻劑管線
28:冷卻劑管線
30:緊固元件
Claims (11)
- 一種用於將輸入雷射光束變換為具有降低的空間和/或時間相干性的經變換射束的射束變換器，尤其用在用於對物體進行線狀照射的雷射系統中，該物體呈透明板狀光學元件(14)的形式，該光學元件具有基本上彼此平行地延伸的正面(32)和背面(34)、具有入射面(16)和出射面並且具有多個用於偏轉射束的反射面，其特徵在於一冷卻裝置，至少設置在該正面(32)或該背面(34)處。
- 如請求項1所述之射束變換器，其中該冷卻裝置至少在該正面(32)或該背面(34)處具有冷卻體(18，24)。
- 如請求項2所述之射束變換器，其中該冷卻體(18，24)由具有至少50W m-1 K-1的熱導率的導熱材料、較佳的是由銅或鋁製成。
- 如請求項2或3所述之射束變換器，其中在該光學元件(14)的該正面和/或該背面(32，34)與該冷卻體(18，24)的表面之間佈置有由比製成該冷卻體(18，24)的材料更軟的導熱材料形成的中間層(38，40)。
- 如請求項4所述之射束變換器，其中該中間層(38，40)由銦製成。
- 如請求項4所述之射束變換器，其中該中間層(38，40)具有0.02mm至1mm的厚度。
- 如請求項6所述之射束變換器，其中該中間層(38，40)具有約0.1mm的厚度。
- 如請求項2所述之射束變換器，其中該冷卻體(18，24)具有用於被動冷卻的冷卻肋片(48)。
- 如請求項2所述之射束變換器，其中該冷卻體(18，24)具有用於送入和排出冷卻液體的端口。
- 如請求項1所述之射束變換器，其中在該光學元件(14)的該正面(32)以及該背面(34)處都設置有冷卻裝置。
- 如請求項1或10所述之射束變換器，其中該冷卻裝置具有用於產生冷卻空氣流的器件(44，46)、熱管或珀耳帖元件(42)。
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