實現偏振輸出雷射束的高速強度變化的方法
2023-06-04 13:30:01 3
專利名稱：實現偏振輸出雷射束的高速強度變化的方法
技術領域：
本發明涉及光學系統，且明確地說涉及用於使偏振輸出雷射束的強度變化的雷射束光學系統及方法。
背景技術：
在許多雷射處理應用中，使用光學衰減器使偏振雷射束的強度變化(例如，衰減)。在一種常規方法中，使用旋轉波片(或者電光調製器(EOM))與後續偏振器的組合來產生具有可變強度的偏振雷射束。例如，在使用旋轉波片及後續偏振器的系統中，將所述旋轉波片及後續偏振器定位在雷射束的光束路徑中，並且將所述旋轉波片圍繞平行於所述光束路徑的軸旋轉，從而使偏振向量旋轉，此舉改變偏振雷射束離開所述後續偏振器的強度。在另一常規方法中，利用聲光調製器(AOM)來產生具有可變強度的偏振雷射束。在使用AOM的系 統中，聲電換能器(例如，壓電換能器)改變在介質(例如，玻璃，石英)中產生的聲波的強度，由此使入射在所述介質上並且由所述介質繞射的雷射束的強度變化。常規方法具有多個缺點。例如，包含旋轉波片及後續偏振器的光學衰減器在使光束強度變化時相對緩慢。儘管AOM可以使光束強度快速變化(在約100納秒或100納秒以下內)，但是實施AOM的系統通常是複雜的，所述系統的光學對準相對具有挑戰性，並且所述光束路徑相對長。此外，AOM通常具有低於90% (例如，約85%)的峰值繞射效率。需要可以使雷射束的強度快速變化的系統，所述系統的特徵為光學簡單性，並且具有相對高的峰值透射效率。
發明內容
實現偏振輸出雷射束的高速強度變化的優選方法需要產生沿著光束路徑的第一部分向工件上的目標位置傳播的輸入雷射束。所述方法還包含設置電流計系統，其包含與可旋轉驅動軸配合以使所述可旋轉驅動軸圍繞垂直於所述光束路徑的第一部分的旋轉軸旋轉的電流計驅動構件。所述電流計驅動構件控制所述可旋轉驅動軸的旋轉以提供所述可旋轉驅動軸在所選擇的角位置之間的高速轉變。緊固至所述可旋轉驅動軸的光入射敏感光學元件的角度實現光入射敏感光學元件的角度圍繞所述旋轉軸的旋轉。光入射敏感光學元件的角度包含平面光學薄膜，其經定位以與所述光束路徑的第一部分相交，以使得所述輸入雷射束以通過所述可旋轉驅動軸的角位置確定的入射角入射在所述平面光學薄膜上。所述平面光學薄膜從所述輸入雷射束產生偏振輸出雷射束，所述偏振輸出雷射束沿著所述光束路徑的第二部分向所述工件上的所述目標位置傳播。所述偏振輸出雷射束的特徵為隨所述輸入雷射束與所述平面光學薄膜之間的入射角而變化的強度。通過所述電流計驅動構件的所述可旋轉驅動軸的高速轉變改變所述輸入雷射束與所述平面光學薄膜之間的入射角，由此實現所述偏振輸出雷射束的強度的高速變化。額外的方面及優點將從優選實施例的以下詳細說明變得顯而易見，所述優選實施例的以下詳細說明參考附圖進行。
圖I是根據一個實施例的用於實現偏振輸出雷射束的高速強度變化的系統的示意性方塊圖。圖2是沿著圖I的線2-2所獲得的系統的各部分的仰視圖。圖3是表示圖I的系統的光入射敏感光學元件的角度的透射效率相對於所述光入射敏感光學元件的角度的平面光學薄膜與入射雷射束之間的入射角的曲線圖。
具體實施例方式圖I是展示系統100的實施例的硬體架構的示意性方塊圖，所述系統100用於選擇性地使輸入雷射束102衰減以產生變化強度(例如，功率級)的偏振輸出雷射束103。輸入雷射束102包含P-偏振光並且優選地排除大體上所有S-偏振光。通過常規雷射源(未圖 示)產生輸入雷射束102，所述常規雷射源例如(但不限於)紫外線(UV)雷射源(例如，355nm雷射)。系統100包含經定位以與光束路徑108的第一部分106相交的光入射敏感光學元件104的角度，輸入雷射束102沿著所述光束路徑108向工件(未圖示)上的目標位置傳播。在一個實例中，光學元件104是偏振器，優選為薄膜偏振器。然而，如下文進一步詳細描述，可以使用特徵如下的任何其他光學元件隨所述光學元件與入射光之間的入射角而變化的入射光透射效率。光學元件104包含由玻璃或者玻璃類材料製成的基板112，所述基板112上形成了平面光學薄膜114 (例如，光學塗層)。基板112可以是如圖I中所描繪的相對平坦的板。或者，基板112可為楔形並且固定(例如，粘結)至第二楔形基板以形成立方體，其中平面光學薄膜114穿過所述立方體的中心對角地切割。平面光學薄膜114將輸入雷射束102分成對應於偏振輸出雷射束103的透射光分量，以及反射光分量118。偏振輸出雷射束103包含p-偏振光,所述p-偏振光具有如下文所描述的可變並且依賴於平面光學薄膜114與輸入雷射束102之間的入射角Θ i的強度級。優選地，偏振輸出雷射束103排除S-偏振光。反射光分量118還包含p-偏振光,所述p-偏振光具有與偏振輸出雷射束103的強度級的變化成反比關係而變化的強度級。如果輸入雷射束102除包含P-偏振光之外還包含S-偏振光,那麼偏振輸出雷射束103及反射光分量118還可包含具有隨入射角Θ i而變的可變強度級的S-偏振光。反射光分量118沿著反射光束路徑120行進至雷射收集元件122，所述雷射收集元件122吸收反射光分量118以防止其到達所述工件。在第一實施例中，偏振輸出雷射束103沿著光束路徑108的第二部分124行進至經定位以與偏振輸出雷射束103相交的第二光學元件126。第二光學元件126是光束位移光學元件，其經設置以補償由光學元件104引入的下文更詳細描述的光束偏移127。在替代性第二實施例(未圖不)中,第二光學兀件126被省略，並且偏振輸出雷射束103繼續沿著光束路徑108的第二部分124行進至後續常規光學器件128 (例如，聚焦透鏡、光束定位器)，所述後續常規光學器件128調節偏振輸出雷射束103使之入射在所述工件上的目標位置處。以下描述針對所述第一實施例。第二光學元件126接收偏振輸出雷射束103並且沿著光束路徑108的第三部分129將偏振輸出雷射束103 (或者偏振輸出雷射束103的一部分)傳輸至光學器件128。類似於光學元件104，第二光學元件126可以是包含平面光學薄膜的光入射敏感光學元件的角度，所述平面光學薄膜將偏振輸出雷射束103的一些光與光束路徑108分離以產生反射光束130,而偏振輸出雷射束103的剩餘部分(由參考標號103』表不)通過第二光學兀件126沿著光束路徑108的第三部分129傳輸。在一個實例中，第二光學兀件126是薄膜偏振器。當第二光學元件126包含產生反射光束130的平面光學薄膜時，設置第二雷射收集元件132來吸收反射光束130。或者，第二光學元件126可以是經抗反射塗布的板，在這種情況下，不產生反射光束130，省略第二雷射收集元件132，並且大體上所有偏振輸出雷射束103通過第二光學元件126沿著光束路徑108的第三部分129傳輸。如圖I所示，光束路徑108的第二部分124相對於第一部分106偏移對應於光束偏移127的量。在系統100中設置第二光學元件126來使光束路徑108的第三部分129相對於第二部分124移置位移量134，所述位移量134的量值大體上等於光束偏移127且方向與光束偏移127相反，以使得光束路徑108的第三部分129與第一部分106對準。換句話說，視情況設置第二光學兀件126來補償由光學兀件104引入的光束偏移127。
圖2是展示電流計系統200的系統100 (為了清楚起見排除收集元件122及132)的仰視圖，所述電流計系統200與光學元件104配合來控制入射角Θ i並且因此控制偏振輸出雷射束103的強度級。電流計系統200包含與可旋轉驅動軸204配合的電流計驅動構件202。常規電流計系統通常包含緊固至驅動軸以將雷射束導引至工件上的不同目標位置的反射鏡。例如，標題為「用於將聚焦光束定位在集成電路上的方法和設備(Method andApparatus for Positioning a Focused Beam on an Integrated Circuit)，，的美國專利4，532，402號描述一種常規電流計系統。然而，在電流計系統200中，用光學元件104替換常規反射鏡以實現偏振輸出雷射束103的高速衰減，所述光學元件104通過安裝座206(例如，安裝極靴)緊固至驅動軸204的末端。響應於從處理器209接收的控制信號208，電流計驅動構件202使軸204及光學元件104圍繞垂直於光束路徑108的第一部分106的旋轉軸210旋轉。在圖I中，旋轉軸210延伸進出所述圖的平面。處理器209根據將偏振輸出雷射束103的所選擇的強度級與對應的軸204及光學元件104的角位置相關聯的信息(例如，電腦程式)操作。當偏振輸出雷射束103的所選擇的強度級是所需強度級時，處理器209傳輸控制信號208至電流計驅動構件202，所述控制信號208包含表示與所述所選擇的強度級相關聯的對應角位置的指令。電流計驅動構件202通過將軸204及光學元件104旋轉至對應的角位置來對控制信號208作響應。電流計系統200操作來以相對高的速度且以準確的精度將軸204轉變至由處理器209指示的對應的角位置。因此，通過將光學元件104緊固至軸204，電流計系統200能夠快速改變在平面光學薄膜114與輸入雷射束102之間的入射角Θ 17並且準確地將光學元件104定位在與偏振輸出雷射束103的所選擇的強度級相關聯的對應的角位置處。在一個實例中，電流計系統200可在小於10毫秒(ms)(優選約200微秒(μ s))內使光學元件104在對應的角位置中的不同者之間旋轉。通過改變入射角Θ i的程度，電流計系統200能夠控制偏振輸出雷射束103的P-偏振光的強度級。如上文所描述，平面光學薄膜114操作來透射輸入雷射束102的一些P-偏振光並且反射輸入雷射束102的一些p-偏振光。由平面光學薄膜114透射的p-偏振光的量取決於平面光學薄膜114與輸入雷射束102之間的入射角θ1換句話說，偏振輸出雷射束103的P-偏振光的強度級隨入射角Θ i而變化。在一個實例中，偏振輸出雷射束103的P-偏振光的強度級在入射角Θ i對應於布魯斯特角(Brewster’s angle)時最大。由平面光學薄膜114反射的P-偏振光的量也取決於入射角Θ i，但是與由平面光學薄膜114透射的P-偏振光的量反比變化。因此，在一個實例中，反射光分量118的P-偏振光的強度級在入射角Θi處於布魯斯特角時最小。圖3展不根據一個實例表不光學兀件104的p-偏振光透射效率相對於入射角Θ i的曲線300，在所述實例中光學元件104是薄膜偏振器並且輸入雷射束102的波長為約355nm。在圖3中，縱坐標軸(即，透射軸)在O. 0001到I範圍內變化，其中O. 0001表示O. 01%的P-偏振入射光被透射並且I對應於100%的P-偏振入射光被透射。在此實例中，布魯斯特角對應於約56. 6度的角度，並且當入射角Θ i處於布魯斯特角時， 光學元件104可操作來透射接近100% (例如，大於95%)的輸入雷射束102的P-偏振光。曲線300展示偏振輸出雷射束103的p-偏振光的強度級在入射角Θ I偏離(例如，小於)布魯斯特角時降低。例如，偏振輸出雷射束103的p-偏振光的強度級在入射角Q1為約25度時小於輸入雷射束102的P-偏振光的強度級的O. 1%。因此，電流計系統200可通過使光學元件104圍繞旋轉軸210旋轉至所選擇的角位置來快速且準確地使偏振輸出雷射束103衰減至所需的強度級。因為系統100包含可操作來使光學元件104快速旋轉的電流計系統200，所以系統100實現比常規旋轉波片及後續偏振器快得多的動態雷射束衰減。此外，相較於AOM系統，系統100可實現較大的最大透射效率並且可用較小光學複雜性來實施，這樣使得較容易對準系統100並且允許系統100具有較短的必要光束路徑。當電流計系統200使入射角Q1變化時，光束偏移127的程度也變化。因此，系統100視情況包含與第二光學元件126配合來補償光束偏移127的變化的第二電流計系統400。第二電流計系統400包含與可旋轉驅動軸404配合的電流計驅動構件402。第二光學元件126通過安裝座406 (例如，安裝極靴)固定至驅動軸404的末端。響應於自處理器209接收的控制信號408，電流計驅動構件402使軸404及第二光學元件126圍繞垂直於光束路徑108的第二部分124的旋轉軸410旋轉，從而改變第二光學元件126與偏振輸出雷射束103之間的入射角θ2。當入射角θ2改變時，位移量134的程度改變。因此，處理器209根據使第二光學元件126的旋轉與光學元件104的旋轉協調的信息(例如，電腦程式)操作，以使得光束路徑108的第三部分129保持與第一部分106對準。當處理器209傳輸控制信號208至電流計驅動構件202以使光學元件104旋轉時，處理器209也傳輸控制信號408至電流計驅動構件402，所述控制信號408包含表示第二光學元件126的角位置的指令，並且電流計驅動構件402使第二光學元件126與光學元件104的旋轉協調旋轉，從而使光束路徑108的第三部分129與第一部分106保持對準。此外，當第二光學元件126是類似光學元件104的光入射敏感光學元件的角度時，電流計系統400也可使第二光學元件126圍繞旋轉軸410旋轉,從而增大系統100可以使偏振輸出雷射束103衰減的程度。當入射角Θ i由於光學元件104的旋轉而改變時，反射光束路徑120從其圖I中的位置向左或向右移位。因此，在一個實施例中，雷射收集元件122足夠大，以使得反射光分量118在反射光束路徑120的移位程度上入射在雷射收集元件122上。在替代性實施例中，雷射收集元件122與反射光束路徑120的移位配合移動，從而確保反射光分量118入射在雷射收集元件122上。此外，當第二光學元件126包含產生反射光束130的平面光學薄膜時，可根據雷射收集元件122的實施例中的一者設計雷射收集元件132來在其響應於入射角Θ 2的改變而移位時捕獲反射光束130。對所屬領域的技術人員顯而易見的是，在不脫離本發明的基本原則的情況下，可對上文描述的實施例的細節作出許多改變。例如，預期可將反射光分量118代替偏振輸出雷射束103或者除偏振輸出雷射束103之外用作可變強度處理光束。因此，本發明的範圍 應僅由隨附權利要求書確定。
權利要求
1.一種實現偏振輸出雷射束的高速強度變化的方法，其包括 產生輸入雷射束，其沿著光束路徑的第一部分向工件上的目標位置傳播； 設置電流計系統，其包含與可旋轉驅動軸配合來使所述可旋轉驅動軸圍繞垂直於所述光束路徑的所述第一部分的旋轉軸旋轉的電流計驅動構件，所述電流計驅動構件使所述可旋轉驅動軸圍繞所述旋轉軸旋轉，從而提供所述可旋轉驅動軸在所選擇的角位置之間的高速轉變；以及 將光入射敏感光學元件的角度緊固至所述可旋轉驅動軸，從而實現所述光入射敏感光學元件的角度圍繞所述旋轉軸的旋轉，所述光入射敏感光學元件的角度包含平面光學薄膜，所述平面光學薄膜經定位以與所述光束路徑的所述第一部分相交，以使得所述輸入雷射束以由所述可旋轉驅動軸的角位置確定的入射角入射在所述平面光學薄膜上，所述平面光學薄膜從所述輸入雷射束產生沿著所述光束路徑的第二部分向所述工件上的所述目標位置傳播的偏振輸出雷射束，所述偏振輸出雷射束的特徵為隨所述輸入雷射束與所述平面光學薄膜之間的所述入射角而變化的強度，由所述電流計驅動構件提供的所述可旋轉驅動軸的所述高速轉變改變所述輸入雷射束與所述平面光學薄膜之間的所述入射角，由此實現所述偏振輸出雷射束的所述強度的高速變化。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述平面光學薄膜將所述輸入雷射束分成第一及第二光分量，由此產生所述偏振輸出雷射束，所述偏振輸出雷射束對應於所述第一光分量。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述平面光學薄膜通過透射所述第一光分量穿過所述平面光學薄膜並且通過使所述第二光分量從所述平面光學薄膜反射來將所述輸入雷射束分成所述第一及第二光分量。
4.根據權利要求3所述的方法，其進一步包括設置經定位以與從所述平面光學薄膜反射的所述第二光分量相交的雷射收集元件，所述雷射收集元件吸收所述第二光分量以抑制其到達所述工件。
5.根據權利要求I所述的方法，其中所述光入射敏感光學元件的角度是薄膜偏振器。
6.根據權利要求I所述的方法，其中所述光入射敏感光學元件的角度引入所述光束路徑的所述第一與第二部分之間的光束偏移，所述方法進一步包括定位光束位移光學元件來與所述光束路徑的所述第二部分相交，以使得所述偏振輸出雷射束入射在所述光束位移光學元件上，所述光束位移光學元件沿著所述光束路徑的第三部分向所述目標位置傳輸所述偏振輸出雷射束的至少一部分，並且所述光束位移光學元件使所述光束路徑的所述第三部分相對於所述光束路徑的所述第二部分移置補償所述光束路徑的所述第一與第二部分之間的所述光束偏移的位移量。
7.根據權利要求6所述的方法，其中所述電流計驅動構件是第一電流計驅動構件，所述可旋轉驅動軸是第一可旋轉驅動軸，所述平面光學薄膜與所述輸入雷射束之間的所述入射角是第一入射角，並且所述旋轉軸是第一旋轉軸，所述方法進一步包括設置第二電流計驅動構件，所述第二電流計驅動構件與第二可旋轉驅動軸配合來使所述第二可旋轉驅動軸圍繞垂直於所述光束路徑的所述第二部分的第二旋轉軸旋轉，所述光束位移光學元件緊固至所述第二可旋轉驅動軸以實現所述光束位移光學元件圍繞所述第二旋轉軸的旋轉，並且所述第二電流計驅動構件使所述第二可旋轉驅動軸與所述光束位移光學元件圍繞所述第二旋轉軸旋轉來調整所述光束位移光學元件與所述偏振輸出雷射束之間的第二入射角。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述光束路徑的所述第一與第二部分之間的所述光束偏移的程度隨所述第一入射角而變並且所述光束路徑的所述第二與第三部分之間的所述位移量隨所述第二入射角而變，所述第二電流計驅動構件使所述第二可旋轉驅動軸與所述光束位移光學元件圍繞所述第二旋轉軸旋轉，由此響應於所述光束偏移的改變調整所述位移量。
9.根據權利要求6所述的方法，其中所述光束位移光學元件是經抗反射塗布的板。
10.根據權利要求6所述的方法，其中所述光束位移光學元件是薄膜偏振器。
全文摘要
本發明提供一種實現偏振輸出雷射束(103)的高速強度變化的方法，所述方法包含將光入射敏感光學元件(104)的角度緊固至提供所述光入射敏感光學元件的角度在不同角位置之間高速轉變的電流計系統(200)。由所述電流計系統提供的所述高速轉變使在輸入雷射束(102)與所述光入射敏感光學元件的角度之間的入射角θ1變化，由此提供由所述光入射敏感光學元件的角度產生的所述偏振輸出雷射束的強度的高速變化。
文檔編號H01S3/101GK102934299SQ201180026750
公開日2013年2月13日 申請日期2011年3月17日 優先權日2010年4月2日
發明者傑恩·克雷能特 申請人:伊雷克託科學工業股份有限公司