[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

KR102700886B1 - 레이저 라인 조명 - Google Patents

레이저 라인 조명 Download PDF

Info

Publication number
KR102700886B1
KR102700886B1 KR1020197005521A KR20197005521A KR102700886B1 KR 102700886 B1 KR102700886 B1 KR 102700886B1 KR 1020197005521 A KR1020197005521 A KR 1020197005521A KR 20197005521 A KR20197005521 A KR 20197005521A KR 102700886 B1 KR102700886 B1 KR 102700886B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
unit
homogenizing
focusing
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020197005521A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190034589A (ko
Inventor
마틴 후온커
크리스토프 틸콘
스테판 도레
Original Assignee
트룸프 레이저 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 트룸프 레이저 게엠베하 filed Critical 트룸프 레이저 게엠베하
Publication of KR20190034589A publication Critical patent/KR20190034589A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102700886B1 publication Critical patent/KR102700886B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0652—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B23K26/0738—Shaping the laser spot into a linear shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
    • G02B19/0028—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed refractive and reflective surfaces, e.g. non-imaging catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
    • G02B19/0052—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a laser diode
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B23K2101/40—Semiconductor devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/54—Glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/56—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26 semiconducting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)

Abstract

레이저 시스템(1)은 대상체(7)의 라인 조명을 위해 작업면(WP)에서 레이저 라인(L)을 제공하도록 구성된다. 레이저 라인(L)은 상당한 길이에 걸쳐 제 1 방향(x)으로, 그리고 소면적에 걸쳐 제 2 방향(y)으로 연장된다. 레이저 시스템(1)은 전파 방향(z)을 따라 전파하는 세장형 입력 레이저 빔(13A)을 위한 기초로서 레이저 빔(3A)을 제공하기 위한 레이저 소스(3), 및 레이저 라인(L)을 형성하도록 세장형 레이저 빔(13A)을 균질화하기 위한 균질화 및 포커싱 유닛(60)을 포함한다. 레이저 시스템(1)은 특히, 개개의 추가의 레이저 시스템(1')의 또 다른 레이저 라인(L')에 스티칭될 수 있는 레이저 라인(L)을 제공하기에 적당하다.

Description

레이저 라인 조명
본 개시내용은 일반적으로 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히, 라인 형상의 조명을 광학적으로 제공하기 위한 레이저 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 개시내용은 일반적으로 라인 광학계 내에서의 빔 변환(beam transformation) 및 빔 균질화(beam homogenization)에 관한 것이다.
특정 응용에서는, 개개의 초점 구역에서 매우 균질한 라인-형상의 세기 분포를 제공하는 레이저 시스템이 이용된다. 이러한 초점 구역은 레이저 라인(형상) 초점, 또는 간단하게 레이저 라인으로서 또한 본원에서 지칭된다. 이러한 레이저 라인 초점을 이용하는 예시적인 응용들은 예를 들어, TFT 디스플레이에서 이용할 유리 기판 상에 퇴적된 실리카 층(silica layer)의 재결정화(recrystallization), 예를 들어, 솔라 셀(solar cell)의 레이저 기반 도핑, 및 예를 들어, 마이크로전자 디바이스 생산에서 이용된 레이저 리프트 오프(laser lift off) 공정 등의 레이저 프로세싱을 포함한다. 금속성 나노입자들을 변형시키기 위한 레이저 라인 초점을 인가하는 예시적인 공정이 예를 들어, WO 2015/036427 A1에 개시되어 있다.
개개의 레이저 시스템들은 더 작은 빔 직경의 방향으로 초점의 큰 깊이를 동시에 보장하면서, 빔 프로파일의 2 개의 직교적인 방향(즉, 빔 전파 방향에 대해 직교적임)으로 빔 직경들의 큰거나 매우 큰 종횡비(aspect ratio)를 갖는 세기 분포들을 제공하는 것을 목적으로 한다.
EP 1 896 893 B1은, 예를 들어, Nd-YAG-레이저 소스의 광의 변환에 기초하여 라인-형상의 세기 분포를 생성하기 위한 예시적인 광학적 구성을 개시하고 있다. 또한, EP 0 731 932 B1은 예시적인 광학적 구성이 출력 빔에 걸쳐 동일한 빔 품질 인자들을 갖는 출력 빔을 제공하도록, 다이오드 레이저 바(diode laser bar)의 빔 성형 또는 다이오드 레이저 바들의 적층체(stack)의 광의 빔 재적층(re-stacking)을 위한 예시적인 광학적 구성을 개시하고 있다. 펌프 레이저 빔을 제공하기 위한 광원들의 유사한 조합은 WO 2012/166758 A1에 개시되어 있다.
본 개시내용은 적어도 부분적으로, 이전의 시스템들의 하나 이상의 양태들을 개선시키거나 극복하는 것에 관한 것이다. 특히, 발명의 목적은 더 작은 빔 크기(beam extent)의 방향으로 큰 종횡비 및 초점의 큰 깊이를 갖는 라인-형상의 세기 분포를 갖는 레이저 빔을 제공하기 위한 광학계를 제공하는 것이다. 또한, 목적은 더 큰 빔 크기의 방향을 따라, 즉, 라인-형상의 세기 분포에 의해 형성된 "라인"을 따라 세기 분포의 큰 균질성을 달성하는 것이다. 일부 양태들에서, 또한, 발명의 목적은 라인-형상의 세기 분포들을 갖는 2 개 이상의 레이저 라인들을 배열함으로써, 그리고 특히, 적응 가능한 라인 길이를 갖는 레이저 라인을 제공함으로써 라인의 길이를 스케일링하는 것을 허용하는 레이저 시스템을 제공하는 것이다.
그 양태들의 일부 또는 전부는 독립항들의 발명의 요지들에 의해 다루어진다. 발명의 추가의 실시형태들은 종속항들에서 주어진다.
제 1 양태에서는, 대상체의 라인 조명을 위해 입력 레이저 빔을, 예를 들어, 레이저 시스템에서 이용될 수 있는, 공간적 코히어런스 및 시간적 코히어런스 중 적어도 하나가 감소한 변환된 빔으로 변환하기 위한 빔 변환 유닛이 개시된다. 빔 변환 유닛은 서로에 대한 거리에서 필수적으로 평행하게 연장되는 정면 및 후면을 제공하는 투명한 모놀리식(monolithical) 판-형상의 광학적 엘리먼트로 이루어진 변환 광학기기를 포함한다. 정면은 입력 레이저 빔을 수신하기 위하여, 전방 반사 표면적 바로 옆의 사전-변환된 방향으로 세장형으로 연장되는 입력 표면적을 포함하고, 후면은 출력 레이저 빔을 출사시키기 위하여, 후방 반사 표면적 바로 옆의 변환된 방향으로 세장형으로 연장되는 출력 표면적을 포함하고, 변환된 방향은 사전-변환된 방향과는 상이하다. 또한, 빔 변환 유닛은 출력 표면적을 통해 출사시키기 위한 변환 광학기기 내에서의 반사에 의해, 입력 표면적을 통해 변환 광학기기에 진입한 후에, 전방 반사 표면적 및 후방 반사 표면적이 입력 레이저 빔의 복수의 입력 빔 세그먼트(input beam segment)들을 안내하도록 구성되고, 여기서, 이웃하는 입력 빔 세그먼트들은 이들이 겪는 반사의 수에 있어서 상이한 출력 빔 세그먼트들로 재분류(re-sorting)됨으로써, 빔 변환 광학기기 내부의 출력 빔 세그먼트들까지의 상이한 광학적 경로 길이들을 제공한다.
또 다른 양태에서는, 예를 들어, 제 1 방향으로 연장되는 레이저 라인과 함께 대상체의 라인 조명에 이용될 수 있는, 공간적 코히어런스 및 시간적 코히어런스 중 적어도 하나가 감소한 변환된 빔을 제공하기 위한 레이저 시스템이 개시된다. 레이저 시스템은, 전파 방향을 따라 전파하는 입력 레이저 빔으로서 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(laser source), 및 서로에 대한 거리에서 필수적으로 평행하게 연장되는 정면 및 후면을 제공하는 투명한 모놀리식 판-형상의 광학적 엘리먼트로 이루어진 변환 광학기기를 포함하는 빔 변환 유닛을 포함한다. 정면은 입력 레이저 빔을 수신하기 위하여, 입력(제 1) 표면적을 포함하고, 후면은 출력 레이저 빔을 출사시키기 위하여, 출력(제 2) 표면적을 포함하고, 여기서, 변환 유닛은 입력 레이저 빔이 정면의 법선 벡터(normal vector)에 대하여 경사각(tilt angle) 미만으로 입력 표면적 상에 떨어지도록, 전파 방향에 대하여 배향된다. 경사각은, 입력 레이저 빔이 입력 표면적을 통해 변환 광학기기에 진입하고, 출력 표면적을 통해 출사시키기 위하여 변환 광학기기 내에서 정면의 전방 방사 표면적 및 후면의 후방 반사 표면적에서의 반사에 의해 안내되도록 선택된다. 또한, 이웃하는 입력 빔 세그먼트들은 겪었던 반사의 수에 의해 구별되는 출력 빔 세그먼트들로 재분류됨으로써, 출력 빔 세그먼트들까지의 상이한 광학적 경로 길이들을 제공한다.
또 다른 양태에서는, 대상체의 라인 조명을 위해 예를 들어, 레이저 시스템의 배열체에서 이용될 제 1 방향으로 연장되는 레이저 라인을 형성하도록 세장형 레이저 빔을 균질화하기 위한 균질화 및 포커싱 유닛이 개시된다. 균질화 및 포커싱 유닛은 제 2 방향으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트(short axis focussing element)를 포함하고, 그럼으로써, 그 초점면(focal plane)에서의 레이저 빔의 전파 방향으로 레이저 라인의 작업면(working plane)의 위치를 정의한다. 균질화 및 포커싱 유닛은 균질화 유닛의 초점면에서 세장형 레이저 빔을 따라 제 1 방향으로 배열된 세장형 레이저 빔의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 균질화 유닛을 더 포함한다. 또한, 전파 방향으로의 작업면의 위치는, 레이저 라인의 세기 분포가 각 변의 기울기에 의해 구획(delimit)되는 정체기(plateau)를 갖는 탑햇 형상(top-hat-shape)을 포함하도록, 균질화 유닛의 초점면의 위치와는 상이하게 선택된다. 특히, 정체기는 세기 분포의 반치전폭(full width at half maximum)의 최대로 95 %를 초과하여 연장될 수도 있다.
또 다른 양태에서는, 대상체의 라인 조명을 위해 작업면에 레이저 라인을 제공하기 위한 레이저 시스템이 개시되고, 레이저 라인은 상당한 길이에 걸쳐 제 1 방향으로, 그리고 소면적에 걸쳐 제 2 방향으로 연장된다. 레이저 시스템은 전파 방향을 따라 전파하는 세장형 입력 레이저 빔을 위한 기초로서 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스, 및 레이저 라인을 형성하기 위하여 세장형 레이저 빔을 균질화하기 위한 균질화 및 포커싱 유닛을 포함한다. 균질화 및 포커싱 유닛은, 제 2 방향으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트를 포함하고, 그럼으로써 그 초점면에서의 레이저 빔의 전파 방향으로 레이저 라인의 작업면의 위치를 정의하는 포커싱 유닛, 및 균질화 유닛의 초점면에서 세장형 레이저 빔을 따라 제 1 방향으로 배열된 세장형 레이저 빔의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 균질화 유닛을 포함하고, 여기서, 전파 방향으로의 작업면의 위치는, 레이저 라인의 세기 분포가 각 변의 기울기에 의해 구획되는 정체기를 갖는 탑햇 형상을 포함하도록, 균질화 유닛의 초점면의 위치와는 상이하게 선택된다. 특히, 정체기는 세기 분포의 반치전폭의 최대로 95 %를 초과하여 연장될 수도 있다.
또 다른 양태에서, 스티칭된 레이저 라인(stitched laser line)들의 조합을 갖는 대상체의 레이저 프로세싱을 위한 조합된 레이저 시스템은 본원에서 설명된 바와 같은 복수의 필수적으로 동일한 레이저 시스템들을 포함하고, 여기서, 이웃하는 레이저 시스템들은 적어도 기울기의 폭에 대응하는 거리만큼 제 1 방향으로 변위(displace)됨으로써, 개개의 천이 구역(transition zone)에서 이웃하는 기울기들을 오버레이(overlay)하고 제 1 방향으로 평탄한 개요 세기(flat summarized intensity)를 갖는 확장된 레이저 라인을 형성하는 것을 허용한다.
또 다른 양태에서, 제 1 방향으로 연장되는 스티칭된 레이저 라인을 형성하기 위하여 레이저 라인들을 스티칭하기 위한 방법은, 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들에 대하여, 장축 포커싱 엘리먼트(long axis focussing element)를 이용하여 초점면에서의 제 1 방향으로 배열된 개개의 세장형 레이저 빔들의 부분들을 겹쳐놓는 단계, 및 단축 포커싱 엘리먼트를 이용하여 제 2 방향으로 각각의 세장형 레이저 빔을 포커싱함으로써, 전파 반향으로, 개개의 초점 구역 내에서의 제 2 방향으로의 공통 작업면―전파 방향으로의 작업면의 위치는 초점면의 위치와는 상이하게 선택됨―을 정의하는, 세장형 레이저 빔을 포커싱하는 단계, 및 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들을 제 1 방향으로 나란하게 정렬시킴으로써, 공통 작업면에서, 개요 세기를 갖는 스티칭된 레이저 라인을 형성하는, 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들을 정렬하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 세장형 레이저 빔에 의해 형성된 레이저 라인의 길이를 적응시키기 위한 균질화 및 포커싱 유닛이 개시되고, 레이저 라인은 제 1 방향으로 연장된다. 균질화 및 포커싱 유닛은 균질화 유닛의 초점면에서 세장형 레이저 빔을 따라 제 1 방향으로 배열된 세장형 레이저 빔의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 균질화 유닛, 및 제 2 방향으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트를 포함하고, 그럼으로써 단축 포커싱 엘리먼트의 초점면에서의 레이저 빔의 전파 방향으로 레이저 라인의 작업면의 위치를 정의하는 포커싱 유닛을 포함한다.또한, 레이저 빔은 균질화 유닛과 포커싱 유닛 사이에서 제 1 방향으로 발사된다.
상기한 양태들은 참조로 본원에서의 설명에 편입되는, 독립항들에서 인용된 바와 같은 실시형태들과 연관된다. 개개의 종속항들에서 주어지고 개개의 양태와 연관된 실시형태들은 위에서 언급된 양태들 중의 또 다른 하 뿐만 아니라, 본 개시내용의 일부인 다른 양태들에 동일하게 적용될 것으로 당업자에 의해 이행될 것이라는 것이 주목된다.
일부 실시형태들에서, 레이저 시스템은 필수적으로 대칭적인 빔 파라미터 곱(beam parameter product)을 가지는 멀티모드 레이저 빔을 제공하도록 구성되는 레이저 소스를 포함한다.
일부 실시형태들에서, 레이저 시스템은 레이저 소스에 의해 방출된 멀티모드 레이저 빔을 변환하기 위한 빔 변환 유닛을 더 포함한다. 빔 변환은 빔 단면의 빔 세그먼트들의 재분류에 기초할 수도 있고, 이것은 모드 변환으로서 본원에서 또한 지칭된다. 빔 변환으로 인해, 빔 파라미터 곱, 및 특히, M2-값은 빔 전파 방향에 대해 직교적인 제 1 방향(x-방향)으로 증가하고, 그것은 빔 전파 방향 및 제 1 방향에 대해 직교적인 제 2 방향(y-방향)으로 감소한다. 모드 변환은 일 방향으로 빔 품질을 감소시킬 수도 있고, 동시에, 다른 직교 방향으로 빔 품질을 증가시킨다. 본 출원에서 제안하는 바와 같은 빔 변환은 특히, 빔 변환 유닛에 의해 출력되는 방사(radiation)의 공간적 및/또는 시간적 코히어런스를 감소시킬 수 있다.. 그 출력 방사는 본원에서 방사 빔으로서, 변환된 방사로서, 또는 간단하게, 레이저 빔으로서 지칭된다. 결과적으로, 빔 변환은 더 큰 수의 모드가 추가의 빔 균질화 단계에 기여할 때에 간섭(interference)을 감소시킬 수 있다.
빔 변환 유닛의 일부 실시형태들에서, 2 개의 반사 표면들은, 레이저 빔의 빔 세그먼트들의 재분류가 반사 표면들에서의 레이저 빔의 반사들로 인해 발생하도록, 입사 레이저 빔에 대하여 배열된다. 일부 실시형태들에서, 반사 표면들은 투명한, 특히, 모놀리식 판-형상의 광학적 엘리먼트의 표면들을 이용하여 형성될 수도 있다. 판-형상의 광학적 엘리먼트의 두께는, (광학적 엘리먼트 내에서 개개의 빔 세그먼트들의 광학적 경로들을 정의하는) 특정 각도 배향에 대하여, 광학적 엘리먼트에서 출사하는 개별적인 빔 세그먼트들이 입사 레이저 빔의 코히어런스 길이보다 더 큰 광학적 경로 길이차를 경험하도록 선택된다.
이러한 구성들에서, 광학적 경로 길이의 결과적인 차이는, 그것이 모드 변환으로 인한 공간적 코히어런스 외에, 레이저 빔의 시간적 코히어런스를 또한 감소시키므로, 출력 빔의 균질성에 추가로 기여한다. 개별적인 빔 세그먼트들은, 시간적 코히어런스가 감소하도록, 변환 유닛 내를 상이한 시기간 동안 통과한다. 빔 세그먼트들 사이의 위상 관계가 적어도 부분적으로 소실되므로, 코히어런트 간섭(coherent interference)은 빔 세그먼트들이 초점 구역에서 중첩할 때에 더 적을 가능성이 있다.
라인-형상의 빔의 장축에 걸쳐 공간적 및 시간적 코히어런스가 감소하는 빔 변환 유닛의 출력 방사는 빔 균질화 유닛으로 입력되기에 적합하다. 여기에서, 균질화는 푸리에 평면(Fourier plane)에서 빔 세그먼트들을 겹쳐놓기 위한 푸리에 렌즈(Fourier lens)(장축 포커싱 엘리먼트)에 의해 달성된다. 겹쳐놓이는 빔 부분들의 임의의 코히어런스는 세기 피크(intensity peak)의 생성과 같이, 결과적인 레이저 라인의 세기 분포 내에 불규칙성을 초래할 수 있다. 간섭의 정도("간섭 콘트라스트(interference contrast)")는 간섭하는 방사의 임의의 공간적 및 시간적 코히어런스에 명확하게 종속된다. 간섭의 정도는 균질화된 방사에 기여하는 겹쳐놓인 모드의 수가 증가함에 따라 감소하고, 예컨대, 방사의 공간적 코히어런스가 감소함에 따라 감소한다. 또한, 간섭의 정도는 방사 부분들 사이의 위상 관계의 상쇄로 인해 방사의 시간적 코히어런스(코히어런스 길이)의 감소와 함께 감소한다. 따라서, 본원에서 제안하는 빔 변환 유닛은 특히, 균일한 레이저 라인들을 생성하기 위하여 이용될 수도 있다.
본원에서 개시하는 광기계적인 (간단한) 설정(setup)의 개념들의 장점들은 빔의 임의의 중간 초점 없이, 빔 변환 유닛의 거시적인 치수들로 인한 방사 세기 범위에서의 신축성, 및 빔 변환 유닛의 출사 개구부(exit aperture)에서의 회절에 의해 필수적으로 제한되는 빔 품질의 향상을 포함한다.
본원에서 개시된 개념들은 특히, 높은 파워(power)/높은 에너지 레이저 빔에 의한 높은-스루풋(high-throughput) 레이저 프로세싱, 특히, 유리 상에 퇴적되는 박막들의 어닐링(annealing)/재결정화, 반도체들의 어닐링, 및 클래딩(cladding)을 포함하는 레이저 프로세싱 응용들에 관련된다. 이용된 레이저 소스들은, 예를 들어, Yb-기반 고체 상태 레이저(solid state laser)들, 엑시머 레이저(excimer laser)들, 및 다이오드 레이저들을 이용하여 생성될 수 있는, (근)자외선으로부터 (근)적외선까지 연장되는 파장 범위에서의 코히어런트 방사를 제공할 수도 있다. 레이저 소스들은 예를 들어, cw-모드 또는 펄스 모드에서 동작될 수도 있다.
이 개시내용의 다른 특징들 및 양태들은 다음의 설명 및 첨부 도면들로부터 분명할 것이다.
본원에서 편입되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 개시내용의 예시적인 실시형태들을 예시하고, 설명과 함께, 개시내용의 원리들을 설명하도록 작용한다. 도면들에서:
도 1은 레이저 프로세싱을 위한 레이저 라인을 생성하기 위한 레이저 시스템의 개략적인 예시도이다;
도 2는 도 1의 레이저 시스템에서 이용될 수 있는 콜리메이션 유닛(collimation unit), 변환 유닛, 및 균질화 유닛을 위한 예시적인 광학적 실시형태들을 도시하는 사시도이다;
도 3a 내지 도 3c는 특히, 도 2의 콜리메이션 유닛에서 적용될 수 있는 콜리메이팅 광에 관련되는 실시형태들 및 원리들의 개략적인 예시도들이다;
도 4a 내지 도 4h는 특히, 도 2의 변환 유닛에서 적용될 수 있는 빔 변환에 관련되는 실시형태들 및 원리들의 개략적인 예시도들이다;
도 5a 및 도 5b는 특히, 도 2의 균질화 유닛에서 적용될 수 있는 빔 균질화에 관련되는 실시형태들 및 원리들의 개략적인 예시도들이다;
도 6a 내지 도 6d는 나란하게 배열되고, 비-초점 균질화의 원리들을 이용하는 복수의 레이저 시스템들의 배열에 관련되는 실시형태들의 개략적인 예시도들이다;
도 7은 레이저 라인들의 스티칭을 허용하는 단축 포커싱 엘리먼트의 제 1 실시형태의 사시도이다;
도 8a 내지 도 8c는 레이저 라인들의 스티칭을 허용하는 단축 포커싱 엘리먼트의 제 2 실시형태의 개략적인 예시도들이다; 그리고
도 9는 조합된(스티칭된) 레이저 라인을 형성하기 위하여 나란하게 배치된 2 개의 레이저 시스템들의 개략적인 예시도이다.
다음은 본 개시내용의 예시적인 실시형태들의 상세한 설명이다. 본원에서 설명되고 도면들에서 예시된 예시적인 실시형태들은 본 개시내용의 원리들을 교시하도록 의도되어, 당해 분야의 당업자들이 많은 상이한 환경들에서, 그리고 많은 상이한 응용들을 위하여 본 개시내용을 구현하고 이용하는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 예시적인 실시형태들은 특허 보호의 범위의 제한적인 설명인 것으로 의도되지 않고, 특허 보호 범위의 제한적인 설명으로서 고려되지 않아야 한다. 오히려, 특허 보호의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의될 것이다.
개시내용은 균질한 레이저 라인을 제공하기 위하여, 레이저 빔 내의 공간적 및 시간적 코히어런스가 감소되어야 한다는 인식에 부분적으로 기초한다.
개시내용은 추가로, 확장된 레이저 라인을 생성하기 위한 레이저 라인들의 조합이 조합되는 개별적인 레이저 라인들과 연관된 작업면의 적당한 선택에 의해 달성될 수 있다는 인식에 부분적으로 기초한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 예를 들어, 레이저 프로세싱 절차에 이용되는 레이저 라인을 생성하기 위한 레이저 시스템(1)은, 레이저 빔(3A)을 생성하기 위한 레이저 소스(3) 및 광학계(optical system; 5)를 포함한다. 광학계(5)는 레이저 빔(3A)을 수신하고, 연관된 초점 구역 내에서 레이저 라인(L)을 형성하는 것을 허용하는 방사 빔(5A)을 출력한다. 초점 구역에서의 방사 빔(5A)에 걸친 세기 분포는, 레이저 라인(L)이 원하는 크기로 주로, 예를 들어, x-방향으로 선형적으로 연장되는 반면, 레이저 라인(L)은 y-방향으로 폭이 크게 감소되도록 되어 있다. 여기서, x 및 y-방향들은 도 1에서 개략적으로 표시된 바와 같이, 서로에 대하여, 그리고 빔 전파 방향(빔 전파 방향은 z-방향을 따라 연장되는 것으로 가정됨)에 대하여 직교적으로 연장된다.
레이저 라인(L)은 예를 들어, 특정 재료, 예컨대, 유리 또는 반도체 재료와 같은 대상체(7) 상에 포커싱된다. 대상체(7)는 마운트(mount; 9)에 의해 지지되고, 일반적으로, 레이저 라인(L) 및 대상체(7)는 원하는 면적이 레이저 라인(L)에 의해 조명되도록, 서로에 대하여 이동될 수 있다. 도 1에서 추가로 표시된 바와 같이, 복수의 레이저 시스템들(1)은 레이저 라인들(L, L')의 시퀀스(sequence)로 구성된 연장된 레이저 라인을 함께 형성하기 위하여 서로의 바로 옆에 제공될 수 있다.
레이저 소스(3)는 예를 들어, Yb-기반 고체 상태 레이저들, 엑시머 레이저들, 및 다이오드 레이저들을 이용하여 생성될 수 있는, 구체적으로, 300 nm로부터 350 nm까지, 500 nm로부터 530 nm까지, 또는 900 nm로부터 1070 nm까지의 범위들에서와 같은 (근)자외선으로부터 (근)적외선까지 연장되는 파장 범위에서의 레이저 빔과 같은 코히어런트 방사를 생성하기 위한 소스일 수도 있다. 코히어런트 방사는 그 빔 품질에 의해, 예컨대, 각각 x 및 y-방향으로의 M2-값들에 의해 특징지어진다. 빔 품질은 대칭적일 수도 있고, 즉, x-방향 및 y-방향으로 필수적으로 동일한 M2-값들을 가질 수도 있거나, 그 M2-값들은 필수적으로 동일할 수도 있거나, 어느 한도까지 상이할 수도 있다. 본원에서 개시된 실시형태에서는, 차이가 있을 경우, 더 양호한 빔 품질이 x-방향보다는 y-방향으로 주어진다(예컨대, M2 x= aㆍM2 y)는 것이 가정된다.
레이저 빔(3A)은 섬유 투과 또는 자유 공간 투과를 이용하여 광학계(5)에 제공될 수도 있다. 레이저 소스(3)는 예를 들어, 섬유 결합된 다이오드 레이저 또는 멀티모드 고체 상태 레이저일 수도 있고, 이들 모두는 전파 방향 주위에서 필수적으로 대칭적인 빔 파라미터 곱들을 갖는 레이저 빔을 제공할 수 있다. 레이저 소스(3)는 예를 들어, 1030 nm의 중심 파장을 갖는 멀티모드 디스크 레이저일 수도 있다. 0.11의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지는 200 ㎛ 섬유는 10 mm mrad의 빔 파라미터 곱(BPP)을 갖는 레이저 빔(3A)을 생성하는 것을 허용할 수도 있다. 레이저 빔의 코히어런스 길이는 에 따라 결정될 수 있고, 은 고체 상태 레이저의 스펙트럼 폭일 수 있다. 위에서 예시적으로 언급된 디스크 레이저는 대략 0.5 mm의 코히어런스 길이 lc를 가진다.
초점 구역에서의 세기 분포의 균질성에 대한 시간적 코히어런스의 영향의 처음의 논의를 참조하면, 광학계(5)에서 mm-범위의 두께를 갖는 광학적 판을 이용하는 것은 도 4a 내지 도 4h와 관련하여 이하에서 설명하겠지만, 원하는 크기에서 시간적 코히어런스를 감소시키기에 충분한 빔 세그먼트들 사이의 광학적 경로 길이차를 생성할 수 있다.
도 1에서 별도의 박스들로 예시적으로 도시하는 바와 같이, 광학계(5)는 콜리메이션 유닛(11)(선택사항), 빔 변환 유닛(13), 균질화 유닛(15), 및 포커싱 유닛(17)(선택사항, 별도로 제공되거나, 예를 들어, 균질화 유닛(15)의 광학적 엘리먼트들에서 통합됨으로써, 균질화 및 포커싱 유닛(60)을 형성함)을 포함한다.
그 유닛들의 광학적 구성들은 레이저 빔(3A)으로부터, (예컨대, 단일 빔에 대한 60 또는 이중 빔 구성들에 대한 30과 같이, 10부터 100까지의 범위에서의) 높은 종횡비를 가지는 그 라인-형상의 세기 분포를 갖고, 동시에, 초점 구역에서의 더 작은 빔 직경의 방향으로 큰 깊이의 초점을 갖는 방사 빔(5A)을 생성하도록 설계된다.
변환을 단순화하고 개선시키기 위하여, 콜리메이션 유닛(11)은 빔 변환 유닛(13)을 위한 입력 빔 형상으로서, x 및 y-방향으로의 개개의 발산을 갖는 타원형 빔 형상을 제공하는데 이용될 수 있다. 빔 변환 유닛(13)은 빔 변환 유닛(13)의 출력 빔 형상을 형성하기 위하여, y-방향을 따라 배열되는 입력 빔 단면의 빔 세그먼트들을 x-방향으로 배열된 빔 세그먼트들로 재분류하도록 구성된다. 출력 빔은 이에 따라, 유리하게도, 예를 들어, 균질화 유닛(15)이 효율적으로 작동하는 것을 허용하도록 설계된다.
도 2 및 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 예시적인 콜리메이션 유닛(11)은, 복수의 렌즈들(21)(원통형 및 구형 렌즈들) 및 폴딩 미러(folding mirror)들(23)을 포함하는 폴딩된 아나모픽 광학적 배열체(folded anamorphic optical arrangement)를 포함한다. 예를 들어, 섬유(도시되지 않음)를 출사하는 레이저 빔(3A)은 타원형 형상을 가지는 세기 분포를 갖는 콜리메이팅된 레이저 빔(11A)으로 성형된다.
도 3a 및 도 3b는 각각 y-z-평면 및 x-y-평면에서의 일반적인 빔 성형 및 콜리메이팅을 예시한다. 예시적으로, y-방향으로의 콜리메이션 초점 길이 Fc,y는 x-방향으로의 콜리메이션 초점 길이 Fc,x보다 상당히 더 길게 표시된다. 레이저 빔(11A)에 대하여, 도 3c는 타원형의 장축이 y-방향으로 연장되고 타원형의 단축이 x-방향으로 연장되는 타원형 빔 프로파일(25)을 예시한다. 타원형 형상으로 인해, 레이저 빔(11A)의 발산 특성은, x 및 y-방향으로의 발산이 x 및 y-방향을 따라 개개의 빔 직경에 대하여 반대의 비율을 가지도록 되어 있다.
일반적으로, 레이저 빔(11A)은 빔 변환 유닛(13)의 양호하고 간결한 치수를 허용하도록 설계된다. 예를 들어, 레이저 빔(11A)의 x-방향으로의 빔 웨이스트(beam waist) 및/또는 y-방향으로의 빔 웨이스트는 빔 변환 유닛(13)에 근접하게, 또는 빔 변환 유닛(13) 내에 위치할 수도 있다. 예를 들어, 적어도 x-방향으로의 빔 웨이스트는 빔 변환 유닛(13)의 진입 개구부(entrance aperture)에 위치할 수도 있다. 완전함을 위하여, 레이저 빔(11A)의 타원형 형상은 빔의 원형 형상보다 빔 정렬 및 위치적 감도에 덜 민감할 수도 있고, 이에 따라, 빔 정렬 및 안정화에 대한 더 적은 척도(measure)를 요구할 수도 있다는 것이 주목된다.
도 2에서 점선 라인들에 의해 추가로 표시된 바와 같이, 2 개 이상의 레이저 빔들은 더 큰 빔 세기를 허용하기 위하여 빔 변환 유닛(13)을 위한 입력으로서 조합될 수도 있다.
도 2 및 도 4a 내지 도 4h를 참조하면, 빔 변환 유닛(13)은 콜리메이팅된 레이저 빔(11A)의 (입력) 빔 세그먼트들(27)을 재분류하기 위한 특정 반사 구성을 이용한다.
빔 변환의 기능은 2 개의 레이저 빔들(11A, 11A')이 빔 변환 유닛(13)으로 입력되는 경우에 대한 도 4a 및 도 4b에 대하여 예시된다. 도 4a에서 도시된 바와 같이, 제 1 입력 빔 세그먼트(271)는 레이저 빔(11A)의 (y-방향으로의) 최저 부분에 대응하는 반면, n 번째 입력 빔 세그먼트(27n)는 레이저 빔(11A)의 (y-방향으로의) 최고 부분에 대응한다.
도 4b는 임의의 추가의 광학기기를 통과하기 이전의 변환된 빔(13A)에 연관된 재분류된 (출력) 빔 세그먼트들(29)을 예시한다. 제 1 재분류된 빔 세그먼트(291)는 임의의 반사 없이 빔 변환 유닛을 통과한 제 1 입력 빔 세그먼트(271)에 대응하고, 즉, 빔 변환 유닛에서의 그 광학적 경로는 다른 재분류된 빔 세그먼트들에 대하여 가장 짧다. y-방향으로 서로의 바로 옆에 배열된 입력 빔 세그먼트들의 시퀀스는, 변환된 빔(13A)의 대향하는 횡방향 단부 부분을 형성하는 n 번째 입력 빔 세그먼트(27n)에 대응하는 n 번째 재분류된 빔 세그먼트(29n)에 이르기까지, 변환된 빔(13A)에서 x-방향을 따라 나란하게 재배열된다.
빔 변환 유닛(13) 내에서의 변환은 일반적으로, x-방향으로의 빔 품질을 감소시키고, 동시에, y-방향으로의 빔 품질을 증가시킨다.
도 4c 및 도 4d는 예시적인 변환 광학기기(31)에 기초한 빔 변환을 예시하고, 도 4e 및 도 4f는 변환 광학기기(31) 및 도포된 코팅의 측면도들을 예시한다.
변환 광학기기(31)는 두께 d를 갖는 고체 광학적 투과 판-유사 재료이다. 변환 광학기기(31)는 공통 에지(32)로부터 시작되는 2 개의 예를 들어, 직교성 장변들을 갖는 실질적으로 삼각형 형상인 정면(31A) 및 후면(31B)을 가진다. 2 개의 장변들의 배향은, 장착된 상태에서, 변환 광학기기(31)가 x 및 y-방향에 대하여 경사진다는 나타내기 위하여 도 4d 내지 도 4f에서 x' 및 y'에 의해 표시된다. 정면(31A) 및 후면(31B)은 서로에 대하여 필수적으로 평행하다. 예시적으로 도시된 삼각형 기저부 형상은 그것이 필요할 경우에만 재료를 제공하므로, 특히 간결한다는 것이 주목된다.
정면(31A)의 제 1 (입력) 표면적(33A)은, 예컨대, y-방향에 대하여 약간 경사진 y'-방향(이 문맥에서는, 사전-변환된 방향으로서 또한 지칭됨)으로 연장되는, 장변들 중의 하나를 따라 연장되고, 레이저 빔(11A)을 수신하는데 이용된다. 입력 표면적(33A)은 빔 변환 유닛(13)의 진입 개구부를 형성한다(또한, 도 4e를 참조). 후면(31B)의 제 2 (입력) 표면적(35A)은, 예컨대, x-방향에 대하여 약간 경사진 x'-방향(이 문맥에서는, 변환된 방향으로서 또한 지칭됨)으로 필수적으로 연장되는, 다른 장변을 따라 연장되고, 레이저 빔(13A)을 출사시키는데 이용된다. 출력 표면적(35A)은 빔 변환 유닛(13)의 출사 개구부를 형성한다(또한, 도 4f를 참조).
입력 및/또는 출력 표면적들(33A, 35A)은 도포된 반사-방지 코팅(anti-reflective coating)(34)을 가질 수도 있고, 입력 빔 크기 및 예상된 출력 빔 크기에 따라 치수가 정해지며, 예상 출력 빔 크기는 필수적으로 입력 빔 크기에 대응한다. 도면들에서 도시된 예시적인 실시형태에서, 입력 표면적(33A)은 출력 표면적(35A)에 대하여 판-유사 형상의 변환 광학기기(31)의 평면에서 직교적으로 연장된다. 입력 및 출력 표면적들(33A, 35A)은, x 및 y-방향에 대하여 심지어 경사진 배향에서도, 에지 영역들을 통과하는 인입 빔이 반사 없이 변환 광학기기(31)를 통해 투과되도록, 에지 영역(32A)에서 중첩된다.
진입 개구부 및 출사 개구부(입력 및 출력 표면적들(33A, 35A))의 바로 옆에서, 정면(31A) 및 후면(31B)은 개개의 제 3 (전방 반사) 및 제 4 (후방 반사) 표면적들(33B, 35B)을 포함한다. 예시적인 실시형태에서, 그 표면적들은 고 반사율 코팅(36)으로 코팅된다. 코팅은 정면(31A) 및 후면(31B)에서 적어도 한 번, 예시된 예의 경우에는, 그 제 1 입력 빔 세그먼트(271)를 제외하고, 레이저 빔(11A)을 반사시킨다. 반사의 수는 y-방향으로의 빔 세그먼트들(27)의 차수(order)와 함께 증가한다. 변환 광학기기(31) 내부의 이러한 다중 반사(multiple reflection)를 제공하기 위하여, 변환 광학기기(31)는 빔 전파 방향(z-방향)에 대해 직교적으로 연장되는 것이 아니라, 그 대신에, 진입 개구부(입력 표면적(33A))가 y-방향에 대하여 기울어지고 출사 개구부(출력 표면적(35A))가 x-방향에 대하여 기울어지도록 경사진다. 공통 에지(32)는 2 개의 방향의 경사에 대한 고정된 포인트인 것으로 고려될 수 있다. 최종적인 배향은 정면(31A)의 법선 벡터(n)와 전파 방향에 대해 수직으로 배향될 때의 그 정면(31A)의 법선 벡터(n) 사이의 각도()에 의해 특징지어진다.
도 4d에서, 3 개의 예시적인 광학적 경로들(37A, 37B, 37C)은 판-형상의 변환 광학기기(31)의 반사 표면들 상으로의 입력 빔(11A)의 이러한 경사진 입사에 대하여 예시된다. 광학적 경로(37A)는 반사를 포함하지 않지만, 광학적 경로들(37B, 37C)은 다수회 반사된다. 입사 각도()에 대하여, 변환 광학기기(31)는 에 대응하는 이웃하는 빔 세그먼트들 사이의 경로 길이차(D)를 생성한다. 다시 말해서, 반사들의 각각의 추가적인 쌍에 대하여, 그 경로 길이차(D)는 빔 변환 광학기기(31) 내부의 빔 세그먼트의 경로에 추가된다.
반사의 수가 증가함에 따라(그리고 이에 따라, 입력/재분류된 빔 세그먼트의 차수가 증가함에 따라), 재분류된 빔 세그먼트들(291 내지 29n) 내에서의 빔 단면이 빔의 발산으로 인해 선예도(sharpness)에 있어서 감소하고 있도록, 광학적 경로 길이는 증가한다. 이것은 재분류된 빔 세그먼트들(291 및 29n)을 비교할 때에 도 4b에서 x(및 y) 방향으로 보여질 수 있다.
요약하면, 변환 광학기기(31) 내에서의 입력 빔 부분들의 다중 반사 개념은, 변환된 빔(13A)이 출사 개구부에서, 그 더 큰 직경의 방향으로(도면들에서, x/x'-방향으로), 그 더 작은 직경의 방향(도면들에서, y/y'-방향)보다 더 큰 발산을 가지도록, 빔 세그먼트들을 재분류한다. 도 4e 및 도 4f에서 도시된 실시형태에서, 다중 반사 개념은 인입 레이저 빔(11A)(11A')에 대하여 변환 광학기기(31)의 배향을 기울임으로써, 그리고 반사 코팅(제 3 및 제 4 표면적들(33B, 35B)) 또는 반사-방지 코팅(진입/출사 개구부, 즉, 제 1 및 제 2 표면적들(33A, 35A))을 가지는 면적들을 제공함으로써 달성된다.
변환 광학기기(31)를 출사하는 빔(13A)의 빔 파라미터 곱(BPP)은 2 개의 방향(x 및 y)으로, 즉, 변환된 빔(13A)의 긴 치수 및 짧은 치수를 따라, 다음과 같이 주어지고,
BPPx(긴 치수) = BPPfiberㆍA 및 BPPy(짧은 치수) = BPPfiber / A,
여기서, 파라미터 A는 변환 유닛(13)의 분할 파라미터(즉, 변환 유닛(13)과 연관된 빔 세그먼트들(29)의 수)에 대응하고, 통상적으로 3부터 15까지, 또는 심지어 20 이상에 이르는 범위의 값들을 가진다. 그러나, 빔 파라미터 곱의 개선은 회절로 인해 짧은 치수에 대한 약 2의 M2-값으로 제한될 수도 있다.
도 4e 및 도 4f를 참조하면, 변환 광학기기(31)는 용융된 실리카와 같은 낮은 흡수율, 높은 투과율, 및 바람직하게는 낮은 열 팽창율의 재료들을 포함한다. 변환 광학기기(31)의 두께(d)는 예를 들어, 3 mm로부터 20 mm까지의 범위일 수도 있다. 정면(31A) 및 후면(31B)의 편평도(flatness)뿐만 아니라, 그 평행한 배향은 최대한으로 이하의 범위일 수도 있다. 요구된 스펙트럼 범위에서, 반사-방지 코팅은 99.9 % 투과 코팅일 수도 있고, 반사 코팅은 99.98 % 반사 코팅일 수도 있음으로써, 예컨대, 99 %부터 99.8 %까지의 범위인 투과를 제공할 수도 있다.
경사 구성에도 불구하고 빔의 효율적인 인-커플링(in-coupling)을 제공하기 위하여, 입력 표면적(33A)의 형상은 경사진 배향에 적응될 수도 있다. 예를 들어, 입력 표면적(33A)의 x'-방향으로의 폭(w)은 도 4e에서 전방 천이 라인(33T)에 의해 표시된 바와 같이 y'-방향으로 감소할 수도 있다. 예를 들어, 변환 광학기기(31)는 예리한 사다리꼴 형상의 입력 표면적(33A)을 포함하고, 예리한 사다리꼴은 긴 (그리고 y'-방향으로 더 낮은) 기저부 에지 상에 2 개의 인접한 예리한 각도를 가진다. 그것과 대조적으로, (도 4f에서 후방 천이 라인(35T)에 의해 표시된) y'-방향으로의 출력 표면적(35A)과 후방 반사 표면적(35B) 간의 천이는 변환된 방사의 개개의 배향을 정의하기 위하여 일정한 높이(y'-값)에 있을 수도 있다. 직사각형으로서 구성되는 출력 표면적(35A)의 높이(h)는 x'-방향을 따라 일정하도록 선택된다.
이 실시형태에서, 직사각형 출사 개구부의 상부 경계가 x-z-평면에 대해 평행하게 배향될 경우, 그리고 z-방향에 대한 개개의 각도()에서 정면(31A)의 법선 벡터(n)의 경사진 배향이 있을 경우, 전방 반사 표면적(33B)에 의해 제공된 반사 영역에 대하여 (y-방향으로 연장되는) 유효 전방 천이 라인을 가지는 가상적인 진입 개구부가 생성된다. 또한, 후방 반사 표면적(35B)에 의해 제공된 반사 영역에 대하여 (x-방향으로의) 유효 수평 후방 천이 라인을 가지는 가상적인 출사 개구부가 생성된다. 따라서, 정사각형-형상의 빔 세그먼트들(29)로의 인입 빔(11A)의 세그먼트화는 도 4b에서 예시적으로 도시되는 바와 같이 수행될 수 있다.
예시하는 실시형태가 대향 변들에서, 즉, 각각 변환 광학기기(31)의 정면(31A) 및 후면(31B) 상에 제공되는 (반사-방지 코팅된) 면적들(33A 및 35A)을 표시하지만, 일부 실시형태들에서는, 그 면적들이 동일한 변에서 제공될 수 있다는 것이 주목된다. 빔 변환 유닛(31')의 개개의 실시형태는 도 4g 및 도 4h에서 예시된다.
도 4g에서 예시된 바와 같이, 진입 개구부 및 출사 개구부는 빔 변환 유닛(31')의 삼각형-유사 기저부 형상의 (즉, x'-방향으로의) 하단 및 (즉, y'-방향으로의) 변을 따라 빔 변환 유닛(3)의 동일한 변(본원에서는, 정면(31A')으로서 지칭됨)에서 제공되는 반사-방지 코팅(34')의 넓이에 의해 정의된다. (도 4h에서 도시된) 정면(31A')뿐만 아니라 후면(31B')의 나머지 부분은 고 반사성 코팅(36')으로 코팅된다. 따라서, 콜리메이팅된 레이저 빔(11A)은 동일한 변에서, 즉, 정면(31A')을 통해 빔 변환 유닛(3)을 진입하고 출사할 것이다. 그러므로, 시스템은 더 간결한 방식으로 설계될 수 있다.
변환된 빔(13A)은 초점 구역(Z)에서 레이저 라인(L)의 긴 치수(x-방향, 장축)를 따라 높은 균질성을 갖는 탑햇 형상의 세기 프로파일을 생성하기 위하여 균질화 유닛(15)에서 균질화된다. 단일 레이저 라인(L)에 대한 이러한 균질화는 도 5a 및 도 5b와 관련하여 이하에서 간단하게 설명될 것이고, 예를 들어, 위에서 언급된 EP 1 896 893 B1에서 개시된 바와 같은 비-이미징(non-imaging) 또는 이미징 균질화기 구성에 기초할 수도 있다.
일부 실시형태들에서는, 레이저 라인들의 배열(arraying)이 수행되고, 이 배열은 이웃하는 레이저 라인들(L, L') 간의 평활한 천이(smooth transitioning)를 요구한다. 이것은 레이저 라인들의 "스티칭(stitching)"으로서 본원에서 지칭된다. 스티칭을 개선시키고 단순화하기 위하여, 도 6a 내지 도 6d와 관련하여 설명될 비-초점 개념이 개시된다. 또한, 스티칭을 추가로 개선시키고 단순화하기 위한 반사 포커싱 구성은 도 8a 내지 도 8c와 관련하여 개시된다. 반사 포커싱 구성은 몇몇 유닛들을 스티칭하기 위하여 필요한 빔 발산을 수용하는 것을 허용한다.
일부 실시형태들에서, 균질화 유닛(15)은 멀티-렌즈 엘리먼트 및 x-방향으로 활성인 포커싱 엘리먼트를 포함할 수도 있다. y-방향으로의 포커싱은, (단축에서의 라인 두께를 정의하는) y-방향으로만 활성이고 그 초점에 있어야 할 작업면의 위치를 결정하는 포커싱 엘리먼트를 포함하는 추가의 포커싱 유닛(17)에 의해 추가로 수행될 수도 있다. 이에 따라, 결과적인 초점 구역(Z)에서는, y-방향으로 큰 깊이의 초점을 가지는, x-방향으로 균질하게 연장되는 세기 분포가 획득된다.
멀티-렌즈 엘리먼트에 관하여, 예를 들어, 단일 패싯형 적분기(single faceted integrator)(비-이미징 균질화기) 또는 더블 스텝 패싯형 적분기(double step faceted integrator)(이미징 균질화기)는 탑햇 형상을 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 일반적으로, 이미징 균질화기는 더 양호한 균질성을 제공할 수도 있다. 적분기눈 x-방향으로의 포커싱을 제공하기 위하여 배향되는, 예를 들어, 0.5 mm 미만부터 5 mm 이상까지의 크기 범위의 원통 렌즈들의 마이크로 렌즈 어레이들일 수도 있다. 따라서, 마이크로 렌즈들 사이의 피치(pitch)는 0.5 mm로부터 4 mm 까지와 같이, 0.5 mm로부터 5 mm까지의 범위일 수도 있다. 예를 들어, 균질화기의 개구수(NA)는 0.05로부터 0.15까지의 범위일 수도 있다.
x-방향으로 활성인 장축 포커싱 엘리먼트에 관하여, 푸리에 렌즈는 작업면에서 x-방향으로 개별적인 빔 부분들을 중첩시키기 위하여 이용될 수도 있다. 포커싱 엘리먼트는 원거리 필드(far field)로의 근거리 필드(near field)의 1 차원 변환에 대응함으로써, 빔 세그먼트들의 감소된 간섭을 필수적으로 갖지 않거나 갖는 감소된 코히어런스로 인해, 초점면에서의 각각의 렌즈 엘리먼트의 세기 분포들을 겹쳐놓는다. x-방향으로 활성인 장축 포커싱 엘리먼트(예컨대, 푸리에 렌즈)의 초점 길이는 0.5 m로부터 10 m까지의 범위일 수도 있다. 이것은 (라인의 장축에서) 최대 0.5 m 이상의 길이를 가지는 레이저 라인들의 생성을 허용한다.
일부 실시형태들에서, 포커싱 엘리먼트의 초점 길이는 작업면까지의 거리보다 더 작거나 더 크게(예컨대, 1.x 내지 2 배 더 작거나 더 큼) 선택된다. 이에 따라, 레이저 라인(L)의 변(에지)에서의 기울기의 제어 및 회절 피크의 감소가 달성될 수 있고, 세기 분포의 개개의 과장이 회피될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 2 개의 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B)(각각이 복수의 렌즈 엘리먼트들(42)을 포함함) 및 푸리에 렌즈(43)를 포함하는 균질화 유닛(15)의 실시형태를 개략적으로 예시한다. 구체적으로, 도 5a는 x-방향으로 활성인(즉, y-방향으로 활성인 (단축) 포커싱 유닛(17)의 임의의 포커싱 엘리먼트를 갖지 않는) 광학적 엘리먼트들을 예시한다. 따라서, 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B)은 예를 들어, 공통 초점 길이(f)를 가지고, 푸리에 렌즈(43)는 x-방향(라인의 장축)으로의 초점 길이(F)를 가진다. 도 5b는 푸리에 렌즈(43)의 초점 길이(F)에 의해 정의된 푸리에 평면(FP)에서 달성될 수 있는, x-방향으로의 세기 분포(45)의 탑햇 형상을 개략적으로 예시한다. 특정 응용들에서, 푸리에 평면(FP)는 대상체(7)가 위치하는 작업면으로서 이용될 수도 있다.
멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B) 중의 제 1 멀티-렌즈 엘리먼트는, 변환된 빔(13A)이 x 및 y-방향으로 통상적으로 넓어지도록, 변환 광학기기(31)의 출사 개구부에 대하여 약간의 거리를 두고 배치되된다는 것이 주목된다. 또한, 제 1 멀티-렌즈 엘리먼트(41A)의 각각의 렌즈 엘리먼트(42)는 넓어진 빔 세그먼트들(29)보다 더 작다. 예를 들어, 40 개의 렌즈 엘리먼트들(42)은 10 개의 빔 세그먼트들(29)을 커버할 수도 있다. 이미징 균질화기에서의 임의의 간섭을 감소시키기 위하여, 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B)은 그 공통 초점 길이(f)보다 더 큰 거리에 의해 분리될 수도 있다. 예를 들어, 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B) 사이의 거리는 1ㆍf로부터 1.3ㆍf까지의 범위일 수도 있다. 푸리에 렌즈(43)는 초점 구역에서, 특히, 빔 라인들(44)에 의해 표시되는 바와 같은 푸리에 평면(FP)에서 다양한 렌즈 엘리먼트들(42)의 이미지들을 겹쳐놓는다.
도 5b에서 도시된 세기 분포(45)의 탑햇 형상을 다시 참조하면, 그 분포의 탑햇 형상의 크기를 구획하는 사이드 플랭크(side flank)(46)(또한, 본원에서 기울기라고 본원에서 지칭됨)는 x-방향으로의 세기의 고속 강하에 대응하여 매우 급격하고, 예컨대, 필수적으로 10 %까지의 세기의 감소는 5 mm 미만 내에서 달성된다. 이것은 다수의 레이저 라인들의 스티칭이 수행되지 않을 경우라면 수용 가능하지만, 이러한 급격한 기울기는 이웃하는 레이저 라인들의 스티칭에 덜 적합할 수도 있다. 이하에서 설명하는 비-초점 설정을 고려하여 명확해지는 바와 같이, 이웃하는 평탄한-상단-형상의 세기 분포들 사이에서 평활한 전이가 생성되어야 할 때에, 급격한 기울기들은 배치하기가 더 어려울 수도 있다. 따라서, 특히 스티칭에 적합한 실시형태들에서, 기울기들 중의 적어도 하나는 적어도 약 5 mm를 초과하여, 그리고 약 60 mm 미만으로 연장되고, 예를 들어, 약 10 mm로부터 약 40 mm까지의 범위에서 연장된다.
변환된 빔(13A)의 (y-방향으로의) 짧은 치수를 따라, 예를 들어, 30 ㎛ 내지 100 ㎛의 FWHM을 갖는 준-가우스-타입(quasi-Gauss-type) 세기 분포는 개개의 원통형 포커싱 엘리먼트들에 의해 달성될 수 있다(예시적인 구성들은 도 7 및 도 8a 내지 도 8c와 관련하여 논의됨). 포커싱 엘리먼트(렌즈 또는 미러)는 통상적으로 80 mm 내지 200 mm의 초점 길이를 가지고, 따라서, 푸리에 평면(FP) 바로 앞에 배치되고, 필수적으로 레이저 라인(L)의 완전 길이를 따라 연장된다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 비-초점 균질화 개념은, x-방향으로 활성인 장축 포커싱 엘리먼트의 초점면으로부터(예컨대, 도 5a에서의 푸리에 렌즈(43)의 푸리에 평면(FP)로부터) 작업면을 변위시키면 개별적인 레이저 라인(L)의 횡방향 단부들에서의 기울기를 감소시킨다는 인식에 기초한다. 따라서, x-방향으로의 이웃하는 레이저 라인들(L, L')의 정렬에 대한 공차(tolerance)는 증가한다. 또한, 덜 급격한 기울기는 더 폭넓은 스티칭 구역을 초래하여, 덜 임계적인 위치결정 공차로 귀착된다. 추가적으로, 예컨대, 푸리에 평면(FP) 앞에, 원거리 필드로부터 멀어지도록 최후의 포커싱 렌즈를 위치시키는 것은 에지들에서의 더 적은 회절 효과들로 귀착될 수도 있고, 이에 따라, 이웃하는 레이저 라인들의 더 평활한 중첩을 허용할 수도 있다.
구체적으로, 도 6a는 개개의 레이저 시스템들에 의해 생성되고 x-방향으로 연장되는 몇몇 레이저 라인들(L1, L2, L3)을 스티칭하기 위하여 이용된 레이저 라인들의 세기 분포를 예시한다. 각각의 레이저 라인(L1, L2, L3)은, 탑햇 형상이 예를 들어, 25 mm 내에서 필수적으로 10 %까지의, 예를 들어, 세기의 필수적으로 선형 감소로 귀착되는 각 변의 기울기(53L, 53R)에 의해 구획되는 사다리꼴-유사 세기 분포(51)에 필수적으로 대응한다.
도 6b는 도 6c와 관련하여 설명되는 바와 같이, 포커싱 엘리먼트의 초점 구역으로부터 오프셋된 개개의 작업면에서 달성될 수 있는 x-방향으로의 세기 분포(54)의 탑햇 형상을 개략적으로 예시한다.
일부 실시형태들에서, 비-초점 균질화 개념은, 탑햇 프로파일의 정체기는 세기 분포의 반치전폭(FWHM)의 최대 95 %를 초과하여 연장되도록, 광학적 엘리먼트들의 초점 길이 및 그것들 사이의 거리의 적당한 선택에 의해 포커싱 엘리먼트의 초점 구역으로부터 멀어지도록 작업면을 이동시킨다. 그 다음으로, 천이 구역(57)뿐만 아니라, 각각의 기울기(53L, 53R)는 세기 분포의 FWHM의 적어도 2.5 % 이상, 예컨대, 세기 분포의 FWHM의 10 %와 같이 5 % 이상을 초과하여 연장된다. 따라서, x-방향으로의 정렬에 대한 바람직한 둔감성(insensitivity)이 제공된다.
이웃하는 세기 분포들(51)은 방향은 반대지만 필수적으로 동일한 기울기들(53L, 53R)과 중첩하므로, 동일한 것의 겹쳐놓기는 도 6a에서의 파선 라인으로 표시된 바와 같이 필수적으로 평탄한 개요 세기(55)로 귀착된다. 이웃하는 세기 분포들(51) 사이의 천이 구역들(57)에서의 조절은 x-방향으로의 그 위치에 대한 기울기들(53L, 53R)의 스티프니스(steepness) 및 레이저 라인들(L1, L2, L3)의 정렬의 정밀도에 종속된다.
균질화 및 포커싱 유닛(60)에서 구현된 예시적인 비-초점 설정에 대하여, 도 6c는 x-방향으로 활성인 그 광학적 엘리먼트들을 예시하는 반면, 도 6d는 y-방향으로 활성인 그 광학적 엘리먼트들을 예시한다. 예시적으로, 도 6c는 이미징 균질화기를 이용한 광학적 설정을 예시한다. 그러나, 또한 비-이미징 균질화기도 레이저 라인들(L1, L2, L3)의 스티칭을 개선시키기 위하여 기초적인 개념을 적용할 수 있다는 것이 확인될 것이다.
도 6c를 참조하면, 균질화 및 포커싱 유닛(60)은 예시적인 멀티-렌즈 엘리먼트들로서의 원통 렌즈들의 2 개의 마이크로 렌즈 어레이들(61A, 61B), 및 x-방향으로 활성인 포커싱 엘리먼트로서의 초점 길이(F)를 갖는 장축 포커싱 엘리먼트(예를 들어, 푸리에 렌즈(63))를 포함한다. 마이크로 렌즈 어레이들(61A, 61B) 및 장축 포커싱 엘리먼트(63)는 도 5a에서 도시된 구성과 유사한 균질화 유닛을 구성하는 것으로 고려될 수 있다. 본원에서의 장축 포커싱 엘리먼트(63)는 푸리에 렌즈로서 지칭되지만, 원칙적으로, 또한 반사 구성이 구현될 수도 있다.
도 6d를 참조하면, 균질화 및 포커싱 유닛(60)은 y-방향으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트(65)를 더 포함한다.
단축 포커싱 엘리먼트(65)는 필수적으로, 마이크로 렌즈 어레이들(61A, 61B) 및 푸리에 엔즈(63)에 의해 제공된 바와 같은 확대된 빔에 걸쳐 연장된다. 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 통상적으로, 초점 길이(F)의 1 % 내지 10 %와 같이, 초점 길이(F)보다 상당히 더 작은 초점 길이(fy)를 가진다. 예를 들어, 초점 길이(F)는 약 2000 mm일 수도 있고, 초점 길이(fy)는 80 mm로부터 250 mm까지의 범위, 예컨대, 약 150 mm일 수도 있다.
단축 포커싱 엘리먼트(65)는 (단지, 즉, 필수적으로 x-방향으로 활성이 아니고, 예컨대, y-방향으로 원통 축을 갖는) y-방향으로 활성이도록 정렬되는 (원통형) 포커싱 렌즈 및/또는 (원통형) 포커싱 미러, 또는 복수의 그 광학적 엘리먼트들을 포함할 수도 있다.
도 7에서 도시된 예시적인 실시형태에서, 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 포물면 반사기(70)로서 구성된다. 포물면 반사기(70)는 레이저 빔의 세장형 형상을 따라 단축 방향으로의 초점 길이(fy)의 거리에서 예를 들어, 90°의 각도 미만으로 레이저 빔을 포커싱하기 위하여 y-z-평면에서 포물선 형상을 가지는 높은 반사 표면(71)을 가진다.
반사 원통 광학기기를 이용하는 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 추가의 실시형태는 도 8a 내지 도 8c와 관련하여 이하에서 예시될 것이다.
도 6c 및 도 6c를 다시 참조하면, 각각의 탑햇 형상의 세기 분포의 변의 기울기를 감소시키고, 이에 따라, 본원에서 개시된 바와 같은 레이저 라인들의 특정 스티칭을 허용하기 위하여, 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 초점 길이(F)의 20 %부터 90 %까지의 범위, 또는 120 % 내지 200 % 범위인 (도 6d에서 파선 라인에 의해 표시된) 푸리에 렌즈(63)로부터의 비-초점 거리(66)로 배열된다. 즉, 단축 포커싱 엘리먼트들(65)의 위치는 동일한 평면에서 푸리에 렌즈(63)의 초점 및 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 초점을 위치시키기 위하여 요구될 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 위치로부터 이탈한다. 예를 들어, 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 푸리에 렌즈(63)로부터 0.5ㆍF의 거리에 배치된다. 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 이러한 위치는 초점 길이(F)의 약 55 %만큼 푸리에 렌즈(63)의 푸리에 평면(FP)의 위치와는 상이한 작업면(WP)의 위치로 귀착될 것이다. 이 위치차는 2 개의 이웃하는 레이저 시스템들(1, 1')의 세기 분포들을 스티칭하기에 적합한 방법으로 변 기울기를 감소시키는데 충분하다.
다시 말해서, 작업면(WP)은 초점 길이(F)의 약 30 %부터 80 %까지, 또는 130 %부터 180 %까지의 범위인, 푸리에 렌즈(63)로부터의 거리를 가진다. 그것에 기초하여, 그리고 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 초점 길이(fy)를 알면, 푸리에 렌즈(63)에 대한 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 위치는 예를 들어, 위에서 주어진 범위에서 속하도록 결정될 수 있다.
단축 포커싱 엘리먼트(65)의 예로서, 도 8a 내지 도 8c는, y-방향으로 인입 레이저 광을 포커싱하고, 이에 따라, 작업면(WP)에서 (도면에서, x-방향으로의) 라인 길이(ll)를 갖는 라인 초점(81)을 제공하는 것을 허용하는 광학적 포커싱 시스템(80)을 예시한다. 라인 길이(ll)는 도 6a를 참조하면, 각 변에서 천이 구역들(57)의 나머지 2 개의 절반 및 반치전폭(FWHM)을 포함한다.
광학적 포커싱 시스템(80)은 구체적으로, 광학적 포커싱 시스템(80)의 횡방향 시스템 폭(ws)을 지나서 적어도 하나의 단부에서 연장되는 라인 길이(ll)를 제공하도록 설계된다. 시스템 폭(ws)은 통상적으로, 광학적 포커싱 시스템(80)을 둘러싸는 하우징(83)의 크기에 의해 주어진다. 통상적으로, 하우징(83)은 레이저 광이 조사되어야 할 대상체(87) 상으로 출사하는 출사 윈도우(exit window; 85)를 가진다. 대상체(87)는 예컨대, 마운트(89)의 상단에 배치된다. 광학적 포커싱 시스템(80) 및/또는 마운트(89)는 대상체(87) 상에서의 레이저 라인의 적당한 배향을 허용하기 위하여 헥사포드 로봇(hexa-pod robot)(도시되지 않음)과 같은 하나 이상의 멀티-축 로봇에 장착될 수도 있다.
라인 길이(ll)가 시스템을 지나서 연장되게 하면 레이저 라인들의 스티칭을 허용하고, 이에 따라, 도 9에서 예시되는 바와 같이, 필수적으로 동일한 광학적 포커싱 시스템들(80)의 하우징들(83)을 변에 간단하게 위치시킴으로써 조합된 레이저 라인(91)을 생성한다. 각각의 라인 길이(ll) 및 기울기들(뿐만 아니라, 각각의 레이저 시스템의 방출된 광 세기)를 적응시키는 것은 도 6a에서 예시된 바와 같이, 균질한 세기를 갖는 조합된 레이저 라인(91)을 형성하는 것을 허용한다.
도 9에서, 레이저 라인(세그먼트들)을 형성하는 빔의 x-방향으로의 발산은 각도()에 의해 표시된다. 이 빔 발산은 레이저 시스템들을 나란하게 위치시킬 수 있는 것을 허용한다. 하우징들(83) 사이의 요구된 최소 거리(dmin)와, 출사 윈도우(85)로부터 작업면(WP)까지의 거리(자유 작업 거리(working distance)(WD)로서 본원에서 지칭됨)가 해당 각도()를 정의한다.
그러나, 요구된 빔 발산으로 인해, 원통형 렌즈로 포커싱하는 것은 원통형 렌즈의 외부 단부들에서의 빔의 기울어진 입사 각도 때문에 실현 가능하지 않고, 이것은 초점 수차(focus aberration)를 초래할 것이다.
반면, 도 8a 내지 도 8c에서 예시된 광학적 포커싱 시스템(80)의 구성은 그 초점 수차에 덜 민감하다. 광학적 포커싱 시스템(80)은 y-방향으로의 빔 발산에 영향을 주기 위한 2 개의 원통 미러들의 세트를 포함하고, 원통 미러들의 원통 축들은 x-방향으로 연장된다. 구체적으로, 푸리에 렌즈(63)의 하류에서는, y-방향으로 콜리메이팅되고 x-방향으로 발산하는 빔(93)이 형성된다. (반경 R1<0인) 발산하는 (볼록) 원통형 미러(95A)는 빔(93)을 각도() 미만으로 X-Z-평면으로부터, 발산하는 (볼록) 원통형 미러(95A)로부터 거리(l2)에 장착되는 (반경 R2>0인) 포커싱 (오목) 원통형 미러(95B) 상으로 반사시킨다. 2 개의 원통 미러들의 포커싱 파워(focussing power)는, 작업면(WP)이 포커싱 (오목) 원통형 미러(95B)로부터의 거리(l1)에 있음으로써, 포커싱 (오목) 원통형 미러(95B)가 빔(93)을 각도() 미만으로 반사시키도록 선택된다. 각도()에 따라서는, (도 1에서의 방사 빔(5A)에 대응하는) 출사하는 빔(93A)은 x-z-평면에 대한 각도 미만에서 전파할 수도 있다.
광학적 경로 길이 수정 유닛은 광학적 빔 경로의 추가의 폴딩(folding)을 제공할 수도 있고, 일반적으로, 레이저 시스템은 원하는 입사 각도()를 보장하기 위하여 대상체(87)에 대하여 사전-배치될 수도 있거나 자유롭게 배치 가능할 수도 있다. 입사 각도()는 예컨대, 평면에서 연장되는 대상체(87)의 표면 법선(n)에 대하여 도 8c에서 예시적으로 표시된다.
예시적인 파라미터 값들은 각도()에 대하여, 약 40°로부터 약 60°까지의 범위, 및 각도()에 대하여, 약 20°로부터 약 30°까지의 범위를 포함한다. 광학적 포커싱 시스템(80)은 90 mm로부터 300 mm까지의 범위에서 2 개의 원통 미러들의 조합된 포커싱 파워(fy)를 가질 수 있어서, 예컨대, 거리(l1)는 약 200 mm로부터 약 1200 mm까지의 범위가 되고, 거리(l2)는 약 70 mm로부터 약 400 mm까지의 범위가 된다. 그 파라미터 범위들은 추가로, 약 1.7부터 약 2.3까지의 범위의 비율(), 및 약 1.6부터 약 2.1까지의 범위의 2 개의 원통 미러들의 곡률의 비율(R1/R2)(예컨대, R1=410 mm 및 R2=230 mm에 대하여, 곡률은 도 8c에서 도시된 y-z-평면에 있지만 필수적으로 x-방향에는 선형 확장부가 있음)에 대응한다. 특히, 파라미터들(fy, l2, 및 )은 레이저 시스템의 특정 응용을 고려하여 선택될 수 있는 독립적인 파라미터들이다.
도 8c에서 알 수 있는 바와 같이, 특히, 발산하는 (볼록) 원통형 미러(95A)는, 하우징(83)이 통상적으로 그 미러를 커버하고 작업면(83)까지의 거의 동일한 거리에서 출사 윈도우(85)를 제공함으로써, 광학적 포커싱 시스템(80)과 대상체(87)/작업면(WP) 사이에서 자유 작업 거리(WD)를 정의하도록, 작업면(WP)에 근접하게 배치된다. 자유 작업 거리(WD)에 대한 예시적인 값들은 예컨대, 약 10 mm로부터 약 1000 mm까지의 범위이다.
광학적 포커싱 시스템(80)은 순수하게 원통형 컴포넌트들을 이용하여 y-방향으로 회절 제한된 포커싱을 제공한다. 이것은 포물면 미러들과 비교하여, 비용 효과적이다. 추가적으로, 반사 설계는 (렌즈 실시형태들과 비교하여) 커플링 수차를 전혀 또는 거의 가지지 않고, 빔(93)의 매우 높은 투과를 제공한다.
레이저 라인들을 스티칭하기 위하여, 본원에서 개시된 실시형태들은 x-방향으로의 각각의 라인의 일정한 빔 발산을 가지는 것을 허용하여, 이웃하는 하우징들이 충돌하지 않는다. 스티칭을 위한 대응하는 제한 조건은 하우징(83)의 폭(ws)과 동일하거나 하우징(83)의 폭(ws)보다 더 커야 할 (작업면에서의) FWHM-라인 길이 FWHM으로서 식별될 수 있다. x-방향으로의 라인 발산으로 인해, 렌즈 기반 텔레센트릭(telecentric) 설계는, 반사 포커싱을 이용함으로써 감소될 수 있거나 심지어 회피될 수 있는 단점들을 가질 수도 있다는 것이 발명자들에 의해 인식되었다.
따라서, 균질화 및 포커싱 유닛, 및 특히, 푸리에 렌즈(63)는 요구된 최소 발산을 제공하도록 구성된다. 일반적으로, 그 요구된 빔 발산은 자유 작업 거리(WD), 원하는 FWHM-라인 길이 FWHM, 및 천이 구역(들)(57)의 원하는 길이에 종속된다. 예를 들어, 각도()는 FWHM-라인 길이 FWHM 및 자유 작업 거리(WD)의 비율에 비례적인 것으로서 근사화될 수 있다.
스티칭된 레이저 라인들의 라인 길이(ll)를 적응시키기 위한 위에서 언급된 필요성은, 푸리에 렌즈(63)와 광학적 포커싱 시스템(80) 사이의 광학적 경로 길이를 적응시키도록 구성되는 광학적 경로 길이 수정 유닛(100)에 의해 다루어질 수 있다. 광학적 경로 길이 수정 유닛(100) 내에서, 빔은 예를 들어, y-방향으로 콜리메이팅되지만, 빔은 x-방향으로 발산한다. 그 다음으로, 광학적 경로 길이 수정 유닛(100)은 예를 들어, (화살표(103)에 의해 표시된) 병진 스테이지(translation stage) 상에 배치된 폴딩 미러(101)를 가지는 빔 폴딩 구성을 포함한다. 따라서, 폴딩 미러를 이동시킬 때, 광학적 경로 길이 수정 유닛(100) 내에서의 광학적 경로는 확장될 수 있고, 라인 길이(ll)는 증가할 것이고, 그 반대도 마찬가지이다. 도 8a는 연속적인 라인들에 의해 광학적 경로 길이 수정 유닛(100)에서의 긴 광학적 경로 길이의 세팅을, 그리고 파선 점선 라인들에 의해 짧은 광학적 경로 길이의 세팅을 예시한다.
예컨대, 균질화(그리고 특히, 레이저 라인들의 스티칭)에 관련되는 본원에서 개시된 양태들의 적어도 일부는, 예컨대, 도 4c 내지 도 4h와 관련하여 본원에서 개시된 바와 같은 모놀리식 판-형상의 광학적 엘리먼트 대신에, 당해 분야에서 알려진 변환 광학기기를 이용하는, 라인 형상 조명을 위한 알려진 레이저 시스템들에서 또한 구현될 수도 있다는 것이 주목된다. 또한, 도 8a 내지 도 8c에서 예시된 짧은 치수 포커싱 시스템은 레이저 라인의 특정 스티칭 형상 및/또는 크기를 제공하기 위하여 라인 형상 조명용의 알려진 레이저 시스템들에서 또한 구현될 수도 있다.
이 양태에서는, 대상체의 라인 조명을 위해 (예를 들어, 레이저 시스템들의 배열체에서 이용될 제 1 방향으로 연장되는 레이저 라인을 형성하도록 세장형 레이저 빔을 균질화하기 위한) 균질화 및 포커싱 유닛은:
제 2 방향으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트를 포함하고, 그럼으로써, 그 초점면에서의 레이저 빔의 전파 방향으로 레이저 라인의 작업면의 위치를 정의하는 포커싱 유닛; 및
균질화 유닛의 초점면에서 세장형 레이저 빔을 따라 제 1 방향으로 배열된 세장형 레이저 빔의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 균질화 유닛―빔은 균질화 유닛과 포커싱 유닛 사이에서 제 1 방향으로 발산함―을 포함할 수도 있다.
각각의 레이저 라인은 개개의 균질화 및 포커싱 유닛의 임의의 구조적인 컴포넌트를 지나서 작업면에서 연장될 수 있으므로, 발산 빔은 나란하게 배치된 균질화 및 포커싱 유닛들에 의해 생성된 레이저 라인들의 스티칭을 허용한다.
일부 실시형태들에서, 균질화 및 포커싱 유닛은 균질화 유닛과 포커싱 유닛 사이에 배치된 광학적 경로 길이 수정 유닛을 더 포함하고, 여기서, 광학적 경로 길이 수정 유닛은 균질화 유닛과 포커싱 유닛 사이의 광학적 경로 길이를 적응시키도록 구성된다. 작업면의 위치가 유지되는 동안에, 제 1 방향으로 발산하는 빔은 더 많이(또는 더 적게) 확산할 것이므로, 광학적 경로 길이를 변경하면 작업면에서의 레이저 라인의 라인 길이에 영향을 준다. 일부 실시형태들에서, 광학적 경로 길이 수정 유닛은 병진 스테이지 상에 배치된 폴딩 미러를 가지는 빔 폴딩 구성을 포함한다. 병진 스테이지와 함께 폴딩 미러의 위치를 이동시키면, 광학적 경로 길이 수정 유닛 내에서, 그리고 이에 따라, 균질화 유닛과 포커싱 유닛 사이에서 광학적 경로 길이를 변화시킬 것이다.
본원에서 개시된 예시적인 실시형태들에서는, 좌표들(x, y, 및 z)에 대해 참조가 행해졌다. 당업자는 그 좌표들이, 시스템의 개개의 부분들 및 빔 전파 방향에 관련되지만, 광학적 빔 경로의 폴딩으로 인해, 공통적인 직교 좌표계로 정렬되지 않을 수도 있는 직교 좌표계들을 지칭할 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 일반적으로, x 및 y-방향들은 실제적인 전파 방향(z-방향)에 대해 직교적이고 서로에 대해 직교적인 것으로 고려될 수 있다.
이 발명의 바람직한 실시형태들이 본원에서 설명되었지만, 개선들 및 수정들은 다음의 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않으면서 편입될 수도 있다.

Claims (40)

  1. 제 1 방향(x)으로 연장되는 레이저 라인(L)을 형성하도록 세장형 레이저 빔(13A)을 균질화하기 위한 균질화 및 포커싱 유닛(60)으로서,
    제 2 방향(y)으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트(short axis focussing element; 65)를 포함하고, 그럼으로써 해당 초점면에서의 상기 레이저 빔(13A)의 전파 방향(z)으로 상기 레이저 라인(L)의 작업면(WP)의 위치를 정의하는 포커싱 유닛(17); 및
    균질화 유닛(15)의 초점면(FP)에서 상기 세장형 레이저 빔(13A)을 따라 상기 제 1 방향(x)으로 배열되는 상기 세장형 레이저 빔(13A)의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 상기 균질화 유닛(15)을 포함하고,
    상기 전파 방향(z)으로의 상기 작업면(WP)의 위치는, 상기 레이저 라인(L)의 세기 분포(51, 54)가 각 변의 기울기(53L, 53R)에 의해 구획(delimit)되는 정체기(plateau)를 갖는 탑햇 형상(top-hat-shape)을 포함하도록, 상기 균질화 유닛(15)의 상기 초점면(FP)의 위치와는 상이하게 선택되는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 균질화 유닛(15)은,
    상기 제 1 방향(x)으로 연장되고 상기 제 1 방향(x)으로 활성인 적어도 하나의 멀티-렌즈 엘리먼트(41A, 41B); 및
    장축 포커싱 엘리먼트(long axis focusing element; 43)의 초점면(FP)에서 상기 제 1 방향(x)으로 상기 멀티-렌즈 엘리먼트(41A, 41B)의 개개의 렌즈 엘리먼트들과 연관된 개별적인 빔 부분들을 겹쳐놓기 위하여 상기 제 1 방향(x)으로 활성인 상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)를 포함하는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 작업면(WP)은 상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)의 초점 길이(F)의 30 %부터 80 %까지, 또는 130 %부터 180 %까지의 범위인, 상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)로부터의 거리를 가지거나; 또는
    상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)는 초점 길이(F)를 가지고, 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 상기 균질화 유닛(15)으로부터 비-초점 거리(66)를 두고 배치되고, 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)는 상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)로부터의 상기 초점 길이(F)의 20 %부터 90 %까지, 및 120 %부터 200 %까지의 범위 내에 배치되는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균질화 유닛(15)은, 상기 제 1 방향(x)으로 연장되고 상기 제 1 방향(x)으로 활성인 2 개의 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B)을 포함하거나, 또는
    상기 멀티-렌즈 엘리먼트들(41A, 41B)은 공통 초점 길이(f)를 가지고, 해당 공통 초점 길이(f)보다 더 큰 거리만큼 빔 전파 방향(z)으로 분리되는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)는, 폴딩된 광학적 경로 및 공통 초점 길이(fy)를 제공하도록 구성된 반사 원통형 광학적 엘리먼트들을 포함하고,
    상기 반사 원통형 광학적 엘리먼트들은 상기 제 1 방향(x)으로 연장되는 원통 축을 가지는, 볼록 원통형 미러(95A) 및 오목 원통형 미러(95B)를 포함하는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균질화 유닛(15)과 상기 포커싱 유닛(17) 사이의 상기 레이저 빔(13A)의 광학적 경로에 배치되고, 상기 균질화 유닛(15)과 상기 포커싱 유닛(17) 사이의 광학적 경로 길이를 적응시키도록 구성된 광학적 경로 길이 수정 유닛(100)을 더 포함하는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광학적 경로 길이를 적응시키는 것은, 상기 레이저 빔의 상기 제 1 방향(x)으로의 발산으로 인해, 상기 작업면(WP)에서의 상기 레이저 라인(L)의 라인 길이(ll)에 영향을 주고, 상기 작업면(WP)의 위치는 유지되거나, 또는
    상기 광학적 경로 길이 수정 유닛(100)은, 병진 스테이지(translation stage) 상에 배치된 폴딩 미러(folding mirror; 101)를 가지는 빔 폴딩 구성을 포함하고, 상기 폴딩 구성은, 상기 병진 스테이지와 함께 상기 폴딩 미러(101)의 위치를 이동시키면 상기 광학적 경로 길이 수정 유닛(100) 내에서, 그리고 이에 따라, 상기 균질화 유닛과 상기 포커싱 유닛 사이에서 상기 광학적 경로 길이를 변화시키도록 구성되는, 균질화 및 포커싱 유닛(60).
  8. 대상체(7)의 라인 조명을 위해 작업면(WP)에서 레이저 라인(L)을 제공하기 위한 레이저 시스템(1)으로서,
    상기 레이저 라인(L)은 상당한 길이에 걸쳐 제 1 방향(x)으로, 그리고 소규모(small extent)에 걸쳐 제 2 방향(y)으로 연장되고,
    상기 레이저 시스템(1)은,
    레이저 빔(3A)을, 전파 방향(z)을 따라 전파되는 세장형 입력 레이저 빔(13A)을 위한 기초로서 제공하기 위한 레이저 소스(3); 및
    상기 레이저 라인(L)을 형성하도록 상기 세장형 레이저 빔(13A)을 균질화하기 위한, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 균질화 및 포커싱 유닛(60)을 포함하고,
    상기 균질화 및 포커싱 유닛(60)은,
    상기 제 2 방향(y)으로 활성인 단축 포커싱 엘리먼트(65)를 포함하고, 그럼으로써, 해당 초점면에서의 상기 레이저 빔(13A)의 상기 전파 방향(z)으로 상기 레이저 라인(L)의 상기 작업면(WP)의 위치를 정의하는 포커싱 유닛(17); 및
    균질화 유닛(15)의 초점면(FP)에서 상기 세장형 레이저 빔(13A)을 따라 상기 제 1 방향(x)으로 배열되는 상기 세장형 레이저 빔(13A)의 부분들을 겹쳐놓도록 구성된 균질화 유닛(15)을 포함하고,
    상기 전파 방향(z)으로의 상기 작업면(WP)의 위치는, 상기 레이저 라인(L)의 세기 분포(51, 54)가 각 변의 기울기(53L, 53R)에 의해 구획되는 정체기를 갖는 탑햇 형상(top-hat-shape)을 포함하도록, 상기 균질화 유닛(15)의 상기 초점면(FP)의 위치와는 상이하게 선택되는, 레이저 시스템(1).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저 소스(3)의 상기 레이저 빔(3A)을 상기 세장형 레이저 빔(13A)으로 변환하기 위한 변환 유닛(13) ―
    상기 변환 유닛(13)은 서로에 대해 거리(d)를 두고 평행하게 연장되는, 정면(31A) 및 후면(31B)을 제공하는 투명한 모놀리식(monolithic) 판-형상의 광학적 엘리먼트로 이루어진 변환 광학기기(31)를 포함하고,
    상기 정면(31A)은 입력 레이저 빔(11A)을 수신하기 위하여, 전방 반사 표면적(33B) 바로 옆의 사전-변환된 방향(y')으로 세장형으로 연장되는 입력 표면적(33A)을 포함하고,
    상기 후면(31B)은 출력 레이저 빔(13A)을 출사시키기 위하여, 후방 반사 표면적(35B) 바로 옆의 변환된 방향(x')으로 세장형으로 연장되는 출력 표면적(35A)을 포함하고, 상기 변환된 방향(x')은 상기 사전-변환된 방향(y')과는 상이하고,
    상기 변환 유닛(13)은, 상기 입력 표면적(33A)을 통해 상기 변환 광학기기(31)에 진입한 후에, 상기 변환 광학기기(31) 내에서의 반사에 의해, 상기 전방 반사 표면적(33B) 및 상기 후방 반사 표면적(35B)이 상기 입력 레이저 빔(11A)의 복수의 입력 빔 세그먼트(input beam segment)들(27)을 안내하여 상기 출력 표면적(35A)을 통해 출사시키도록 구성되고, 이웃하는 입력 빔 세그먼트들(27)은 이들이 겪은 반사의 수가 상이한 출력 빔 세그먼트들(29)로 재분류(re-sorting)됨으로써, 상기 변환 광학기기(31) 내부의 상기 출력 빔 세그먼트들(29)까지의 상이한 광학적 경로 길이들을 제공함 ―, 및
    상기 제 1 또는 상기 제 2 방향(x, y)을 따라 세장형으로 되도록 상기 레이저 소스(3)의 상기 레이저 빔(11A)을 성형하기 위한 아나모픽 콜리메이션 유닛(11)
    중의 적어도 하나를 더 포함하는, 레이저 시스템(1).
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기울기(53L, 53R) 중의 적어도 하나는 적어도 5 mm 초과, 그리고 60 mm 미만으로 연장되는, 레이저 시스템(1).
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 균질화 유닛(15)은 상기 포커싱 유닛(17)에서, 상기 제 1 방향(x)으로 발산하는 빔을 제공하도록 구성되고, 빔 발산은 상기 레이저 라인(L)이 상기 작업면(WP)에서 상기 제 1 방향(x)으로 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 규모(extent)보다 더 큰 라인 길이(ll)를 가지도록 선택되거나, 또는
    상기 작업면(WP)에서의 상기 제 1 방향(x)으로의 상기 세기 분포(51, 54)의 반치전폭(full width at half maximum; FWHM)은 적어도, 상기 제 1 방향(x)으로의 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 연장부만큼 크거나, 또는
    상기 빔은 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 상류에서 상기 제 2 방향(y)으로 콜리메이팅되는, 레이저 시스템(1).
  12. 스티칭된 레이저 라인들(L, L')의 조합으로 대상체(7)를 레이저 프로세싱하기 위한 조합된 레이저 시스템으로서,
    제 8 항에 기재된 복수의 동일한 레이저 시스템들(1, 1')을 포함하고,
    이웃하는 레이저 시스템들(1, 1')은 적어도 상기 기울기(53L, 53R)의 폭에 대응하는 거리만큼 상기 제 1 방향(x)으로 변위됨으로써, 개개의 천이 구역(57)에서 이웃하는 기울기들(53L, 53R)을 오버레이(overlay)하고, 상기 제 1 방향(x)으로 평탄한 개요 세기(flat summarized intensity)(55)를 갖는 연장된 레이저 라인을 형성하는 것을 허용하는, 조합된 레이저 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이웃하는 레이저 시스템들(1, 1')의 각각은 상기 레이저 라인(L)이 연장되는 상기 제 1 방향(x)으로 발산하는 레이저 빔(5A)을 출력하도록 구성되고, 상기 발산은 상기 레이저 라인(L)이 상기 작업면(WP)에서 상기 제 1 방향(x)으로 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 규모보다 더 큰 라인 길이(ll)를 가지도록 선택되거나, 또는
    상기 레이저 라인(L)의 세기 분포(51, 54)의 반치전폭(FWHM)은 적어도, 상기 제 1 방향(x)으로의 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65)의 연장부만큼 큰, 조합된 레이저 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저 시스템 각각에 대해, 상기 레이저 빔(13A)은 상기 균질화 유닛(15)과 상기 포커싱 유닛(17) 사이에서 상기 제 1 방향(x)으로 발산하고,
    상기 레이저 빔(13A)의 발산은 상기 레이저 라인(L)이 상기 작업면(WP) 상으로의 상기 균질화 및 포커싱 유닛(60)의 임의의 구조적 컴포넌트의 임의의 투영을 지나 상기 작업면(WP)에서 상기 제 1 방향(x)으로 연장되도록 선택되거나, 또는
    상기 레이저 빔(13A)의 발산은 상기 레이저 라인(L)을 나란하게 배치되는 개개의 균질화 및 포커싱 유닛에 의해 생성된 또 다른 레이저 라인(L')과 스티칭하도록 선택되는, 조합된 레이저 시스템.
  15. 제 1 방향(x)으로 연장되는 스티칭된 레이저 라인을 형성하기 위하여 레이저 라인들(L, L')을 스티칭하기 위한 방법으로서,
    적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들(13A)에 대하여, 장축 포커싱 엘리먼트(43)를 이용하여 초점면(FP)에서의 상기 제 1 방향(x)으로 배열되는 개개의 세장형 레이저 빔들(13A)의 부분들을 겹쳐놓는 단계,
    단축 포커싱 엘리먼트(65)를 이용하여 제 2 방향(y)으로 각각의 세장형 레이저 빔(13A)을 포커싱함으로써, 전파 방향(z)으로, 개개의 초점 구역 내에서의 상기 제 2 방향(y)으로의 공통 작업면(WP) ― 상기 전파 방향(z)으로의 상기 작업면(WP)의 위치는 상기 초점면(FP)의 위치와는 상이하게 선택됨 ― 을 정의하는, 상기 각각의 세장형 레이저 빔(13A)을 포커싱하는 단계, 및
    상기 제 1 방향(x)으로 나란하게 상기 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들(13A)을 정렬함으로써, 상기 공통 작업면(WP)에서, 개요 세기(55)를 갖는 상기 스티칭된 레이저 라인을 형성하는, 상기 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들(13A)을 정렬하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    개개의 작업면들(WP)의 위치들은, 개개의 상기 레이저 라인들(L, L')의 세기 분포들(51, 54)이 각 변의 기울기들(53L, 53R)에 의해 구획되는 정체기를 가지는 탑햇 형상을 포함하도록 선택되고; 상기 적어도 2 개의 세장형 레이저 빔들(13A)을 정렬하는 단계는, 이웃하는 레이저 라인들(L, L')의 기울기들을 중첩하여, 천이 구역(57)에서, 상기 정체기 내의 세기 분포에 필적하는(comparable) 세기 분포에 도달하게 하는 단계를 포함하거나, 또는
    상기 방법은, 상기 레이저 라인들(L, L')의 라인 길이들(ll)이, 상기 기울기들이 상기 천이 구역(57) 내에서 중첩하는 것과 같도록, 개개의 상기 장축 포커싱 엘리먼트(43)와 개개의 상기 단축 포커싱 엘리먼트(65) 사이의 광학적 경로 길이들 중의 적어도 하나를 적응시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 삭제
  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 삭제
  38. 삭제
  39. 삭제
  40. 삭제
KR1020197005521A 2016-07-27 2016-07-27 레이저 라인 조명 Active KR102700886B1 (ko)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2016/067956 WO2018019374A1 (en) 2016-07-27 2016-07-27 Laser line illumination

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190034589A KR20190034589A (ko) 2019-04-02
KR102700886B1 true KR102700886B1 (ko) 2024-08-29

Family

ID=56684610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197005521A Active KR102700886B1 (ko) 2016-07-27 2016-07-27 레이저 라인 조명

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11407062B2 (ko)
EP (2) EP4331768A3 (ko)
KR (1) KR102700886B1 (ko)
CN (2) CN115121940A (ko)
PL (1) PL3491450T3 (ko)
WO (1) WO2018019374A1 (ko)

Families Citing this family (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4331768A3 (en) 2016-07-27 2024-04-24 TRUMPF Laser GmbH Laser line illumination
US10875094B2 (en) * 2018-03-29 2020-12-29 Vulcanforms Inc. Additive manufacturing systems and methods
DE102018115126B4 (de) * 2018-06-22 2020-02-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung zur Umwandlung eines Eingangslaserstahls in einen linienartigen Ausgangsstrahl sowie Lasersystem mit einer solchen optischen Anordnung
DE102018115102B4 (de) 2018-06-22 2024-09-26 TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE Lasersystem
KR20200033387A (ko) * 2018-09-20 2020-03-30 삼성전자주식회사 광 재배열 장치, 이를 포함하는 시스템 및 광 재배열 장치의 제공 방법 장치
CN109378284B (zh) * 2018-10-24 2020-11-17 京东方科技集团股份有限公司 激光设备及其工作方法
GB2580052B (en) * 2018-12-20 2021-01-06 Exalos Ag Source module and optical system for line-field imaging
DE102019102512A1 (de) 2019-01-31 2020-08-06 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Lasersystem
DE102019206976B3 (de) * 2019-05-14 2020-11-12 Trumpf Laser Gmbh Optisches System zum Erzeugen zweier Laserfokuslinien sowie Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werkstücks
DE102019118676B4 (de) * 2019-07-10 2021-10-21 Innovavent Gmbh Optisches System zur Homogenisierung der Intensität von Lichtstrahlung und Anlage zur Bearbeitung einer Halbleitermaterialschicht
DE102019214684A1 (de) 2019-09-25 2021-03-25 Q.ant GmbH Verfahren zum Herstellen von Mikrostrukturen an einem optischen Kristall
DE102020108648A1 (de) 2020-03-30 2021-09-30 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung und Lasersystem
DE102020108647A1 (de) 2020-03-30 2021-09-30 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung und Lasersystem
KR20210131510A (ko) * 2020-04-23 2021-11-03 삼성디스플레이 주식회사 라인 빔 형성 장치
DE102020121440B4 (de) 2020-08-14 2025-01-09 TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102020122410B3 (de) 2020-08-27 2021-11-04 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Fokussiervorrichtung und Verfahren zum Fokussieren einer Objektivlinse
DE102020122484B4 (de) 2020-08-27 2022-03-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Strahltransformator
DE102020126267A1 (de) 2020-10-07 2022-04-07 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102020126269B4 (de) 2020-10-07 2024-10-31 TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102020130651B3 (de) 2020-11-19 2022-05-05 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
KR20220099191A (ko) * 2021-01-05 2022-07-13 삼성디스플레이 주식회사 레이저 결정화 장치
DE102021113406B4 (de) 2021-05-25 2025-03-27 TRUMPF Laser- und Systemtechnik SE Vorrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer definierten Laserbeleuchtung auf einer Arbeitsebene
DE102021205679A1 (de) 2021-06-04 2022-12-08 Q.ant GmbH Verfahren zum Herstellen von Mikrostrukturen an einem Diamant-Kristall
DE102021206956A1 (de) 2021-07-02 2023-01-05 Q.ant GmbH Verfahren zum Bilden von freistehenden Mikrostrukturen an einem Diamant-Kristall und Diamant-Kristall
DE102021121230A1 (de) 2021-08-16 2023-02-16 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Anordnung und Lasersystem
DE102021125623B3 (de) 2021-10-04 2023-03-02 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102021125621B3 (de) 2021-10-04 2023-03-02 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102021131456A1 (de) 2021-11-30 2023-06-01 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Linienoptiksystem
DE102021133903A1 (de) 2021-12-20 2023-06-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
KR102711005B1 (ko) * 2021-12-24 2024-09-27 한화시스템 주식회사 광학소자를 이용하여 분광소자를 정렬하는 장치 및 방법
DE102022104082A1 (de) 2022-02-22 2023-08-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Linienoptiksystem
DE102022104083A1 (de) 2022-02-22 2023-08-24 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Linienoptiksystem
DE102022105342A1 (de) 2022-03-08 2023-09-14 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102022108300A1 (de) 2022-04-06 2023-10-12 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung zum Erzeugen einer definierten Laserlinie auf einer Arbeitsebene
DE102022111572A1 (de) 2022-05-10 2023-11-16 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Messvorrichtung zum Vermessen eines Laserlinienstrahls
US20230418081A1 (en) * 2022-06-27 2023-12-28 Applied Materials Israel Ltd. Light source system and method
DE102022126017A1 (de) 2022-10-07 2024-04-18 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Strahlformungseinrichtung und Lasersystem

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001156017A (ja) 1999-11-29 2001-06-08 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザー装置及びレーザー光を用いた熱処理方法並びに半導体装置の作製方法
JP2009269089A (ja) * 2008-05-02 2009-11-19 Leister Process Technologies レーザ駆動方法及びその装置
US20120057345A1 (en) 2010-09-07 2012-03-08 Coherent, Inc. Line-projection apparatus for arrays of diode-laser bar stacks

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9324589D0 (en) 1993-11-30 1994-01-19 Univ Southampton Beam shaping device
DE19632460C1 (de) * 1996-08-12 1997-10-30 Microlas Lasersystem Gmbh Optische Vorrichtung zum Homogenisieren von Laserstrahlung und Erzeugen von mehreren Beleuchtungsfeldern
JPH11186189A (ja) * 1997-12-17 1999-07-09 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザー照射装置
TW444247B (en) * 1999-01-29 2001-07-01 Toshiba Corp Laser beam irradiating device, manufacture of non-single crystal semiconductor film, and manufacture of liquid crystal display device
TW528879B (en) * 2001-02-22 2003-04-21 Ishikawajima Harima Heavy Ind Illumination optical system and laser processor having the same
JP3666435B2 (ja) * 2001-09-28 2005-06-29 松下電器産業株式会社 光照射装置と光加工装置およびその加工方法
US6765725B1 (en) * 2001-10-11 2004-07-20 Boston Laser, Inc. Fiber pigtailed high power laser diode module with high brightness
US6773142B2 (en) * 2002-01-07 2004-08-10 Coherent, Inc. Apparatus for projecting a line of light from a diode-laser array
CN100427995C (zh) * 2004-03-06 2008-10-22 Limo专利管理有限及两合公司 用于使光均匀化的装置和用这种装置进行照明的结构
DE112005003207B4 (de) * 2004-12-22 2014-10-16 Carl Zeiss Laser Optics Gmbh Optisches Beleuchtungssystem zum Erzeugen eines Linienstrahls
WO2006066687A1 (en) * 2004-12-22 2006-06-29 Carl Zeiss Laser Optics Gmbh Optical system for creating a line focus, a scanning system for producing a scanning beam focus and a method for laser processing of a substrate
TW200741883A (en) * 2006-04-21 2007-11-01 Zeiss Carl Laser Optics Gmbh Apparatus for laser annealing of large substrates and method for laser annealing for large substrates
US20070268572A1 (en) * 2006-05-20 2007-11-22 Newport Corporation Multiple emitter coupling devices and methods with beam transform system
EP1896893B1 (de) 2006-06-02 2013-08-14 LIMO Patentverwaltung GmbH & Co. KG Vorrichtung zur strahlformung
DE102008033358B4 (de) * 2007-07-19 2014-04-03 Coherent Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Umverteilung des Strahlparameter-Produktes eines Laserstrahls
DE102007044298B3 (de) * 2007-09-17 2009-02-26 Coherent Gmbh Verfahren und Anordnung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einem linienhaften Strahlquerschnitt
DE102008027231B4 (de) * 2008-06-06 2016-03-03 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Strahlformung
DE102009044751B4 (de) 2008-12-04 2014-07-31 Highyag Lasertechnologie Gmbh Spiegel-Objektiv für Laserstrahlung
DE102009021251A1 (de) * 2009-05-14 2010-11-18 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur Formung von Laserstrahlung sowie Laservorrichtung mit einer derartigen Vorrichtung
DE102009059894B4 (de) * 2009-12-21 2013-03-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Optische Anordnung zum optischen Pumpen eines aktiven Mediums
JP5241785B2 (ja) * 2010-08-24 2013-07-17 三菱電機株式会社 光ビーム再配置光学系、光学素子および光源装置
US10095016B2 (en) * 2011-01-04 2018-10-09 Nlight, Inc. High power laser system
EP2478990B1 (de) * 2011-01-21 2019-04-17 Leister Technologies AG Verfahren zum Einstellen eines Laserlichtspots zur Laserbearbeitung von Werkstücken sowie Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens
US8830587B2 (en) 2011-05-31 2014-09-09 Corning Incorporated Method and apparatus for combining light sources in a pump laser array
JP5909369B2 (ja) * 2012-01-16 2016-04-26 浜松ホトニクス株式会社 レーザ光整形用光学部品の設計方法、及び、レーザ光整形用光学部品の製造方法
CN202904125U (zh) * 2012-05-23 2013-04-24 武汉凌云光电科技有限责任公司 线性光束的全反射法整形器
JP5980043B2 (ja) * 2012-08-22 2016-08-31 住友重機械工業株式会社 レーザ照射装置
EP3044176A1 (en) 2013-09-10 2016-07-20 Saint-Gobain Glass France Laser process for the modification of metallic nanoparticles on large size glass substrates
FR3012226B1 (fr) 2013-10-18 2015-10-30 Saint Gobain Appareil laser modulaire
FR3012264B1 (fr) * 2013-10-21 2017-04-21 Saint Gobain Appareil laser modulaire
WO2015191659A1 (en) 2014-06-13 2015-12-17 TeraDiode, Inc. Optical alignment systems and methods for wavelength beam combining laser systems
EP4331768A3 (en) 2016-07-27 2024-04-24 TRUMPF Laser GmbH Laser line illumination

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001156017A (ja) 1999-11-29 2001-06-08 Semiconductor Energy Lab Co Ltd レーザー装置及びレーザー光を用いた熱処理方法並びに半導体装置の作製方法
JP2009269089A (ja) * 2008-05-02 2009-11-19 Leister Process Technologies レーザ駆動方法及びその装置
US20120057345A1 (en) 2010-09-07 2012-03-08 Coherent, Inc. Line-projection apparatus for arrays of diode-laser bar stacks

Also Published As

Publication number Publication date
EP4331768A2 (en) 2024-03-06
PL3491450T3 (pl) 2024-06-24
US20220297232A1 (en) 2022-09-22
CN109477970B (zh) 2022-06-28
CN115121940A (zh) 2022-09-30
EP3491450B1 (en) 2024-02-28
US20190151987A1 (en) 2019-05-23
US11759886B2 (en) 2023-09-19
WO2018019374A1 (en) 2018-02-01
CN109477970A (zh) 2019-03-15
US11407062B2 (en) 2022-08-09
EP3491450A1 (en) 2019-06-05
KR20190034589A (ko) 2019-04-02
EP4331768A3 (en) 2024-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102700886B1 (ko) 레이저 라인 조명
US11256076B2 (en) High power laser system
US7486444B2 (en) Beam homogenizer and laser irradiation apparatus
US7830608B2 (en) Multiple emitter coupling devices and methods with beam transform system
KR101676499B1 (ko) 빔 형성 장치 및 방법
US10838217B2 (en) Laser diode collimator and a pattern projecting device using same
US20070268572A1 (en) Multiple emitter coupling devices and methods with beam transform system
KR101738155B1 (ko) 라인 빔 형성 장치
WO2019149352A1 (en) Laser diode based line illumination source and laser line illumination
KR20140104973A (ko) 레이저 처리 장치를 위한 다중 빔 결합기
CA2957343A1 (en) Device for shaping laser radiation
KR102666258B1 (ko) 레이저 머시닝 시스템
US9547176B2 (en) Device for generating laser radiation having a linear intensity distribution
US11105961B2 (en) Apparatus for generating a line-shaped intensity distribution of a laser radiation
KR20190001631A (ko) 균질화된 레이저 빔의 사이즈를 가변시키는 광학 시스템
US11333897B2 (en) Apparatus for forming a homogeneous intensity distribution with bright or dark edges
JP7431756B2 (ja) 光学配置とレーザシステム
WO2013148487A1 (en) High power laser system
CN116457135A (zh) 用于在工作平面上生成限定的激光照射的设备
KR102833274B1 (ko) 레이저 방사선용 변환 기기
CN112513706A (zh) 用于激光辐射的转变设备
KR20220027876A (ko) 레이저 방사선용 변환 기기
TW202417934A (zh) 用於將輸入雷射光束轉換成線狀輸出射束之光學組件

Legal Events

Date Code Title Description
PA0105 International application

Patent event date: 20190225

Patent event code: PA01051R01D

Comment text: International Patent Application

PG1501 Laying open of application
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20210723

Comment text: Request for Examination of Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20231128

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20240716

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20240827

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20240827

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration