線光束形成裝置的製作方法
2023-05-15 15:34:11
本發明涉及一種線光束形成裝置，更具體地，該線光束形成裝置可以通過使用由多個反射鏡組成的單反射鏡組來沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第一方向(y軸)將雷射束分割成具有預定尺寸的子光束，並且可以沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第二方向(x軸)以規則的間隔排列這些子光束並出射。
背景技術：
近來，作為大功率uv雷射器的準分子雷射器或uvdpss(二極體泵浦固態)雷射器被用於使用雷射束分離基板上的薄膜的llo(雷射剝離)工藝，從而製造小型裝置，例如led(發光二極體)。此外，準分子雷射器或dpss雷射器被用於沉積非晶矽層後使其結晶以製造用作液晶面板中的開關裝置的ltps(低溫多晶矽)薄膜電晶體的工藝。
為了確保在需要高能量的工藝中緊密聚焦和高度分辨的束斑，需要減小束斑的尺寸。此外，光束的強度應均勻分布在光束中以進行均勻加工。
在美國專利號7286308中公開了一種使用稜鏡陣列交換長軸和短軸的光束質量的方法，以用於聚焦來自雷射二極體條的光。根據美國專利號7286308的方法，當使用稜鏡陣列時，由於複雜的製造、組裝和布置而難以製造精確的光學系統，並且光學系統的尺寸太大，因此實用性低。
此外，美國專利號5513201採用旋轉光路的裝置，以將光聚焦到雷射二極體陣列系統中的光纖，並且提出了使用透鏡、稜鏡和反射鏡來旋轉光路的方法。然而，由於複雜的製造、組裝和布置，仍然難以製造精確的光學系統，並且仍然存在光學系統的尺寸太大的問題。特別地，當使用柱面透鏡陣列時，存在焦距越大，光束損耗越大的問題。這導致焦距小，從而導致光學像差。
此外，需要超過預定電平的功率閾值的系統在雷射的最大輸出方面受限，因此在某些情況下需要組合兩個以上的雷射。因此，需要一種光學系統，其製造可以通過組合兩個以上的雷射而在整個區域中同時執行均勻處理的平頂線光束輪廓。然而，採用稜鏡陣列的美國專利號7286308或美國專利號5513201中公開的方法需要單獨的光學系統，因為在一個光學系統中難以組合兩個以上的雷射。
此外，需要構造一種在短軸(y軸)方向上保持較小的束斑尺寸並且在長軸(x軸)方向和短軸(y軸)方向上具有平頂輪廓的光學系統，以便產生高密度能量線光束並均勻分布光束的強度。
技術實現要素：
[技術問題]
本發明的目的是提供一種裝置，該裝置可用於任何能量來源的雷射，因此能夠減少維護成本，而且不僅可以簡單地製造，還可以減少光的損失，並且可以減小束斑尺寸的同時可以產生沿短軸和長軸的方向均勻的線光束。
然而，本發明的目的不限於上述內容，並且從下面的描述中其它目的可以對本領域技術人員顯而易見。
[技術方案]
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種線光束形成裝置，其用於在操作表面上形成線光束，該裝置包括：雷射源，其發射雷射束；以及單反射鏡組，其由多個反射鏡組成，其中單反射鏡組在線光束形成裝置中被布置成：通過重複執行接收雷射束、沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第一方向(y軸)分割雷射束以出射具有預定尺寸的子光束、以及在單反射鏡組中對其餘光束進行再反射以使其餘光束在第一方向(y軸)上移動預定尺寸的過程來順序地出射具有預定尺寸的子光束，並且沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第二方向(x軸)以規則的間隔排列子光束。
[有益效果]
本發明的線光束形成裝置可以用作準分子雷射器(具有高光束髮散度的多模雷射束)、大功率dpss雷射器或雷射二極體；可以通過會聚光束來獲得高密度能量；可以獲得在長軸和短軸兩者中均具有均勻強度的光束輪廓；並且可以組合多個雷射束而不受入射光束特性的影響。
附圖說明
圖1是示意性地示出了根據本發明的實施方式的由兩個反射鏡組成的單反射鏡組中的光的入射、反射和出射的側視圖(圖1a)和平面圖(圖1b)。
圖2是示意性地示出了根據本發明的實施方式的由三個反射鏡組成的單反射鏡組中的光的入射、反射和出射的側視圖(圖2a)和平面圖(圖2b)。
圖3是示意性地示出了根據本發明的實施方式的由四個反射鏡組成的單反射鏡組中的光的入射、反射和出射的側視圖(圖3a)和平面圖(圖3b)。
圖4是示意性地示出了根據本發明的實施方式的包括相對於光軸傾斜的單反射鏡組的光學系統中的光的入射、反射和出射的平面圖。
圖5是示出了在第一方向(y軸)上增加光束的尺寸之後穿過單反射鏡組的光束的布置狀態的示意圖。
圖6a和圖6b是示出根據本發明的實施方式的通過單反射鏡組的光束出射路徑中的非反射塗層來使光損失最小化的光學系統的構造的視圖。
圖7是示出了根據本發明的實施方式的使用兩個單反射鏡組將入射光束分割為兩半並透過的光學系統的構造的平面圖(圖7a)和正視圖(圖7b)。
圖8是示出根據本發明的實施方式的使用多個相鄰光束作為入射光束的光學系統的構造的視圖。
圖9是示出根據本發明的實施方式的線光束形成裝置的構造的示意圖。
圖10示出了在第一方向(y軸)上增加光束的尺寸之後(圖10a)和光束隨後穿過單反射鏡組之後(圖10b)的光束輪廓。
圖11是示出根據本發明的實施方式的雷射脈衝持續時間展寬器的原理的視圖。
圖12是根據本發明的實施方式的使用柱面反射鏡陣列的雷射脈衝持續時間展寬器的示意圖。
圖13是根據本發明實施方式的使用單反射鏡組作為第二方向(x軸)均化器的光學系統的示意圖。
圖14a、圖14b和圖14c示出了根據本發明的實施方式的包括作為單反射鏡組的柱面反射鏡陣列的光學系統的示例。
具體實施方式
將參考附圖說明本發明的實施方式，以使本領域的技術人員可以容易地實現本發明。然而，如本領域技術人員將認識到的那樣，在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，所描述的實施方式可以以各種不同的方式進行修改。在附圖中，將省略與描述無關的部分，以便明確地描述本發明，並且在本說明書中將使用相似的附圖標記來描述相似的部分。
通過本說明書，除非另有明確說明，否則「包含」任何組件將被理解為暗示可包含其它組件，而不是排除任何其它組件。
由本文使用的術語「由…組成」或「包括」不應被解釋為必然地包括所有各種組件或各種步驟，而是解釋為它們可以不包括一些組件或步驟，或者可以進一步包括附加組件或步驟。
此外，包括在說明書中使用的諸如「第一」和「第二」的序數的術語可以用於描述其它組件，但是組件不應被解釋為限於這些術語。這些術語用於區分一個組件和另一個組件。例如，在不脫離本發明的範圍的情況下，「第一」組件可以被命名為「第二」組件，反之亦然。
本發明涉及一種線光束形成裝置，其包括使用雷射源來產生高密度能量線光束的光學系統。
光學系統的一大特徵在於，在與光束的行進方向(z軸)垂直的第一方向(y軸或短軸)和第二方向(x軸或長軸)上的光束強度分布不同。為了均勻地處理物質，需要均勻分布光束密度，為此，需要使用均化器來將光束準直為在第二方向(x軸)上具有均勻強度和適用於的系統的長度(5～1500mm)的光束。此外，為了有效地加工物質，需要製造高密度的能量線光束，為此，需要通過在第一方向(y軸)上集中或聚焦光束來減小束斑尺寸。
雷射束以高斯型移動，束斑尺寸確定為束腰w0的兩倍。基於雷射波長λ、入射到透鏡中的光束的尺寸d、透鏡的焦距f和光束質量因子m2的關係，由下面的等式(1)確定通過透鏡聚焦的光束的束斑尺寸2w0。
參考等式(1)，可以考慮以下方法來減小束斑尺寸2w0。
第一種方法是增加入射到透鏡中的光束的尺寸d。在這種情況下，光學系統的尺寸增加，並且透鏡的像差也增加，因此在增加光束尺寸d方面存在限制，因此難以將束斑尺寸減小至預定水平以下。
第二種方法是使用具有短焦距f的透鏡。在這種情況下，透鏡的像差增加，因此在減小束斑尺寸方面存在限制。此外，透鏡和待加工對象之間的距離短，因此加工不方便。
第三種方法是保持光束尺寸d和透鏡的焦距f的同時減小光束質量因子m2。本發明是通過減小光束質量因子以減小束斑尺寸來克服改變透鏡的光束尺寸d和焦距f的方法中所產生的問題。
光束質量因子m2具有隨光束髮散度θ的增加而增加的特性。對於高斯tem00光束(m2＝1)和常規雷射束(m2>1)，光束因子m2和光束髮散度被定義為以下等式(2)和等式(3)。
因此，通過減小光束髮散度，可以減小光束質量因子，從而束斑尺寸也減小，進而可以獲得高密度能量光束。
常規雷射器的光束質量因子m2為2以下，但大功率雷射器的光束分散度非常大，因此大功率dpss雷射器或準分子雷射器的光束質量因子m2為25以上，對應於2mrad以上的光束髮散度。
在大功率雷射器中，假設光束的波長為0.5μm，光束尺寸為5mm，聚焦透鏡的焦距為100mm，則由聚焦透鏡所聚焦的束斑尺寸為300μm以上。如上所述，由於束斑尺寸越大，能量(或功率)密度則越小，從而無法加工基板或物質。經聚焦的束斑尺寸應為幾十微米或幾微米，以便獲得高密度能量。
在使用常規透鏡的光學系統中，根據擴展度守恆定律(擴展度＝光學系統的長度×光學系統的na(數值孔徑))，需要增加光束尺寸，以便減小雷射束髮散度。因此，不可能在不改變雷射束的光束尺寸的情況下減小光束髮散度。
因此，本發明旨在通過如下方法來使其不同於使用透鏡的光學系統：通過使用單反射鏡組重複反射雷射束來將雷射束移動預定距離的同時將其分割，從而產生預定尺寸的子光束。
為此，根據本發明的用於在操作表面上產生線光束的線光束形成裝置包括發射雷射束的雷射源和由多個反射鏡組成的單反射鏡組。單反射鏡組在線光束形成裝置中布置成，能夠通過重複執行以下工藝來順序地出射具有預定尺寸的子光束並且沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第二方向(x軸)排列子光束：通過接收雷射束並沿與雷射束的行進方向(z軸)垂直的第一方向(y軸)分割光束來出射具有預定尺寸的光束段，並且通過在單反射鏡組中反射其餘光束使其餘光束在第一方向(y軸)上移動預定距離。
在單反射鏡組前面還設置有光束轉換器，因此可以通過增加雷射束在第一方向(y軸)上的尺寸來減小穿過光束轉換器的雷射束在第一方向(y軸)上的光束髮散度。
光束轉換器可以是柱面透鏡組或其它光學系統。例如，假設從光源發射的原始光束(圖5的(a))的尺寸在第一方向(y軸)和第二方向(x軸)上為5mm，並且光束分散度在第一方向(y軸)和第二方向(x軸)上0.5°，則穿過光束轉換器的光束(圖5的(b))的尺寸可以在第一方向(y軸)上增加到25mm(5倍)，但是在第二方向(x軸)上保持為5mm，並且光束髮散度可以在第一方向(y軸)上減小到0.1°(1/5倍)，並且在第二方向(x軸)上保持為0.5°。
因此，與從光源發射的雷射束(圖5的(a))相比，入射至單反射鏡組的光束被轉換為在第二方向(x軸)上保持光束尺寸和光束髮散度，但是在第一方向(y軸)上光束尺寸增加，並且光束髮散度減小(圖5的(b))。
如圖1至圖3所示，單反射鏡組包括：第一反射鏡m11、m21、m31，其接收與第一方向(y軸)保持水平(入射角為0°)的狀態入射的雷射束，使子光束穿過出射部，並且反射其餘光束；和第二反射鏡m12、m23、m34，其反射回從第一反射鏡反射的光束，其中第一反射鏡可以在雷射束的行進方向(z軸)上與第二反射鏡間隔開，並且可以設置成在第一方向(y軸)上相對於第二反射鏡偏移出射部的長度d。可以通過調節出射部的長度d來調整在第一方向(y軸)上子光束的長度。
也就是說，可以通過第一反射鏡和第二反射鏡的第一方向(y軸)上的高度差來調節所出射的子光束在第一方向(y軸)上的長度。當第一方向(y軸)上的第一反射鏡和第二反射鏡之間的高度差變大時，子光束在第一方向(y軸)上的長度變大，並且當高度差變小時，第一方向(y軸)上的長度變小。
出射部可以是填充有空氣的空間。在這種情況下，子光束穿過該空間。
然而，在圖1至圖3所示的單反射鏡組中，當光束穿過出射部時，由反射鏡的邊緣處的細小裂縫或角部引起的不規則反射可能會導致光的損失。提供如圖6a所示的以下裝置來解決這個問題。
也就是說，光束穿過的出射部不是填充有空氣的空間，而是出射側的反射鏡(即第一反射鏡)的一部分，並且該部分塗覆有ar(抗反射)層，其改善了該部分的透射率，由此可以防止邊緣處的光的損失。
然而，如圖6b所示，當光束穿過具有不同折射率的表面時，光束根據斯涅耳定律而發生折射。因此，射出的光束可能會移位。因此，為了防止這種問題，在子光束的出射路徑中另外設置有折射校正構件g1。折射校正構件g1由與塗覆有ar層的出射部m1'相同厚度的相同的材料製成，並且以與出射部相同的角度傾斜，但是以相反的方向傾斜，因此可以將光束出射到準確的位置。
同時，根據本發明，可以通過調整雷射束在第二方向(x軸)上的入射角度和單反射鏡組的角度，來調節子光束在第二方向(x軸)上的間隙和出射光束在第二方向(x軸)上的總長度。也就是說，當角度增加時，子光束在第二方向(x軸)上的間隙和光束的總長度增加，並且當角度減小時，子光束在第二方向(x軸)上的間隙和光束的總長度減小。
入射到單反射鏡組的各反射鏡的雷射束不是以垂直於第二方向(x軸)的直角入射到第一反射鏡，而是以預定的角度入射，所以每次在單反射鏡組中發生反射或再反射(一個周期)時，光束在第一方向(y軸)上偏移預定距離d，例如5mm，並且偏移的部分光束穿過具有長度d的空間(即出射部)出射，由此產生在第一方向(y軸)上具有預定尺寸d(例如5mm)的子光束。
此外，子光束沿第二方向(x軸)以規則的間隙「w」(例如5mm)排列，因此總長度增加到25mm。因此，穿過單反射鏡組的光束從5mm(x軸)×25mm(y軸)變為25mm(x軸)×5mm(y軸)，但是在第二方向(x軸)和第一方向(y軸)上保持光束髮散度，所以第一方向(y軸)的光束髮散度為0.1°。
作為結果，與原始雷射束相比，穿過光束轉換器和單反射鏡組的光束具有在第一方向(y軸)上相同的尺寸，但是光束髮散度減小到1/5。此外，其在第二方向上的尺寸增加，但是保持光束髮散度。
從第一反射鏡直接反射的光束可以被發射到第二反射鏡並被反射回第一反射鏡，或者可以通過單反射鏡組中的至少一個附加反射鏡被發射到第二反射鏡並被反射回到第一反射鏡。
也就是說，如圖1a和1b所示，當單反射鏡組由彼此面對的兩個反射鏡組成時，發射到第一反射鏡的光束的一部分作為子光束而出射到外部，其餘光束從第一反射鏡反射，直接發射到第二反射鏡，然後被反射回第一反射鏡，通過重複該過程而實現光束的分割和移動。
單反射鏡組還可以包括除了第一反射鏡和第二反射鏡之外的一個或多個反射鏡。
如圖2和圖3所示，當通過添加除了第一反射鏡和第二反射鏡之外的一個或兩個反射鏡而由三個或四個反射鏡組成單反射鏡組時，發射到第一反射鏡的光束的一部分作為子光束而出射，其餘光束從第一反射鏡被反射後通過附加反射鏡而被發射到第二反射鏡，然後被反射回第一反射鏡，通過重複該過程而實現光束的移動和分割。
參考圖3a和圖3b詳細說明由四個反射鏡組成的單反射鏡組中的光束的移動和分割。
通過光束轉換器在第一方向(y軸)上增大尺寸和減小光束髮散度的光束以不垂直於第二方向(x軸)的預定角度入射到單反射鏡組。每次發生反射或再反射(一個周期)時，光束在第一方向(y軸)上移動預定距離d(5mm)。
此外，如圖3a所示，當反射鏡m33和m34被布置成在單反射鏡組中彼此偏移d(5mm)時，雷射束在第一方向(y軸)上向下移動d(5mm)，並且在第一方向(y軸)上被分割成尺寸'd'(5mm)的子光束出射至反射鏡m31外。通過重複該過程，與入射至單反射鏡組之前的原始雷射束相比，光束尺寸從5mm(x軸)×25mm(y軸)變為25mm(x軸)×5mm(y軸)，但是在第一方向(y軸)和第二方向(x軸)上保持光束髮散度。此外，通過調整與光束在第一方向上的移動距離相對應的空間d(即，出射部的長度)，可以調整出射光束在第一方向(y軸)上的尺寸。
因此，根據這種方法，通過將雷射束在第一方向(y軸)上移動預定距離，然後在相同的高度或位置處使一部分光束穿過，可以減小第一方向(y軸)上的光束髮散度。
此外，參考圖2a至圖2b詳細說明由三個反射鏡組成的單反射鏡組中的光束的移動和分割。
根據如圖2a所示的單反射鏡組，通過調整反射鏡m21的位置和反射鏡m22的角度並重複執行使雷射束被發射到反射鏡m23後被反射的過程，雷射束在第一方向上移動距離d。因此，穿過反射鏡m21的出射部的雷射束以與圖3a和圖3b所示的光學系統中相同的形狀平行地出射。
此外，如圖1a所示，可以用由兩個反射鏡組成的單反射鏡組實現提供相同效果的光學系統。參考圖1，當反射鏡m11和m12以相同的角度向上或向下傾斜並且反射鏡m12相對於反射鏡m11向下或向上移動d時，穿過反射鏡m11的出射部的雷射束以與圖3所示的光學系統中的相同形狀被平行地出射。
如圖4所示，通過相對於入射光束而傾斜單反射鏡組的光學系統，而不是傾斜入射光束的角度並發射到單反射鏡組的光學系統，也可以得到同樣的效果。
穿過上述單反射鏡組的光學系統的雷射束不僅減小了在第一方向(y軸)上的光束髮散度，而且形成了在第一方向(y軸)上具有均勻強度的平頂輪廓。
當沿第二方向(x軸)在單反射鏡組後面額外安裝均化器以透射沿第二方向(x軸)排列的子光束時，形成沿第一方向(y軸)和第二方向(x軸)具有均勻強度的平頂輪廓。當穿過單反射鏡組的光學系統的平行光束穿過作為第二方向(x軸)的柱面透鏡陣列的均化器時，它們成為在第二方向上具有均勻的強度和適合於系統的長度的線光束。此外，光束僅在第二方向(x軸)發散的同時混合，並且在第一方向上保持平行關係，因此在第一方向(y軸)上也形成具有均勻強度的平頂輪廓。這是因為單反射鏡組的光學系統起到柱面透鏡陣列的作用，使得沿第一方向(y軸)以預定大小分割的子光束在相同高度處混合。此外，與作為柱面透鏡陣列的均化器不同，穿過單反射鏡組的光學系統的光束作為平行子光束而出射，因此它們不在第一方向(y軸)上發散。
根據本發明的實施反射，如圖7a和7b所示，另外提供了具有與上述單反射鏡組結構相同的附加單反射鏡組，並且附加單反射鏡組和單反射鏡組布置成在第二方向(x軸)上形成相反的角度以對入射光束分為兩半，並分別執行再反射和出射的過程。
由於單反射鏡組和附加反射鏡組在第二方向(x軸)上以相反的角度傾斜，入射的雷射束被分割成兩個光束，並且兩個光束在第二方向(x軸)上沿相反方向行進。單反射鏡組和附加反射鏡組在第一方向(y軸)上同樣沿相反方向移動雷射束，因此在第一方向(y軸)上的相同的高度(在入射光束的中心)處出射沿第二方向(x軸)排列的雷射束。根據這種方法，由反射鏡反射的次數減少，所以減少了由於反射鏡反射率而產生的光損失。此外，入射光束和出射光束的高度相同，因此很容易排列雷射束。因此，當由如圖1a和圖1b所示的兩個彼此面對的單反射鏡組的光學系統構成單反射鏡組和附加反射鏡組時，可以實現由四個反射鏡組成的光學系統。根據該光學系統，可以使由反射鏡反射的次數最小化，從而能夠使由於反射鏡反射率而產生的光損失最小化。例如，如果反射鏡反射率為99.8％，並且分成兩半的雷射束分別被反射十次，則光損失為2％。或者，如果反射鏡反射率為99.5％，則光損失小於5％。
如上所述，穿過上述單反射鏡組中的預定距離d的雷射束在第一方向(y軸)上穿過相同的高度，因此在第一方向(y軸)上尺寸減小，但是發散度被保持。此外，在第二方向(x軸)上，雷射束通過被反射鏡重複反射而向側方移動預定長度「w」從而被分割成子光束，因此長度增加，但是發散度被保持。當在第一方向(y軸)上設置聚焦透鏡時，與現有的不使用本發明的單反射鏡組的光學系統相比，可以顯著地減小束斑尺寸並獲得高密度能量。
根據本發明的另一個實施方式，如圖8所示，可以將多個相鄰的雷射束(入射雷射束1和入射雷射束2)以相同的角度在相同位置入射到單反射鏡組。
這是為了在一個雷射束不足以加工物質的情況下克服雷射器的最大輸出的限制。在現有的光學系統中，為了組合多個雷射束，需要特定的附加光學系統，或者由於偏振，可組合的光束的數量有限，或者由於光學部件的吸收或反射而引起光損失，這種光學部件例如為分束器，其設置在光學系統之前用以在相同位置出射雷射束。
當組合具有不同的入射角的多個雷射束時，入射角可能會取決於柱面透鏡陣列的na。因此，當通過如圖8所示的方法簡單地組合多個雷射束時，雷射束可以組合，而不管設置在單反射鏡組光學系統後面的柱面透鏡陣列的光學特性。當兩個以上雷射器彼此相鄰地輻射到單反射鏡組的光學系統時，雷射束以相同的角度在同一位置從單反射鏡組出射。
根據本發明的實施方式，可以通過調整雷射束在單反射鏡組中行進的距離來調節子光束的出射間隔，從而調整雷射脈衝持續時間。
例如，如圖11所示，通過調整單反射鏡組的光學系統中的反射鏡之間的間隔，可以調整雷射脈衝持續時間。第一子光束「雷射束1」從單反射鏡組的光學系統中出射後第二子光束「雷射束2」發生對應於單反射鏡組的光學系統中的反射長度l的時長「τ」的延遲，然後從單反射鏡組的光學系統出射。以相同的方式，第三子光束「雷射束3」發生時長「2τ」的延遲，第四子光束「雷射束4」發生時長「3τ」的延遲，第五子光束「雷射束5」發生時長「4τ」的延遲，然後它們從單反射鏡組出射。延遲時間取決於單反射鏡組的光學系統的反射長度l和光速，τ＝l/v。因此，通過設置在單反射鏡組的光學系統後面的均化器將經延遲出射的子光束混合，因此雷射脈衝持續時間增加。
一般來說，短的雷射脈衝持續時間在需要操作面上的峰值能量(或功率)的工藝中是有利的。對於這樣的工藝，單反射鏡組的光學系統中的反射長度應該保持儘可能短。例如，當單反射鏡組的光學系統中的反射長度為30mm時，從單反射鏡組的光學系統出射的子光束的延遲時間不超過0.1ns，比常規原始雷射脈衝持續時間15～20ns更短。因此，當單反射鏡組的光學系統中的反射時間保持較短時，其不影響雷射脈衝持續時間。
然而，在物質或界面可能被高峰值能量(或功率)損壞的工藝中，或在需要雷射脈衝持續時間較長的工藝中，需要用於增加雷射脈衝持續時間的展寬器。矽基板的退火或平版印刷工藝需要雷射脈衝持續時間展寬器，其中需要至少30ns的雷射脈衝持續時間，長於原始雷射脈衝持續時間15ns至20ns。因此，單反射鏡組的光學系統中的反射距離應至少為1m以上。當單反射鏡組光學系統中的反射鏡之間的距離大並且光束髮散度大時，雷射束的尺寸在被反射鏡反射的同時逐漸增大，因此一部分雷射束不能穿過單反射鏡組的光學系統，使得光損失增加。
因此，單反射鏡組中的多個反射鏡中的一個或多個可以是柱面反射鏡陣列。
例如，如圖12所示，當使用柱面反射鏡陣列代替平面鏡時，可以防止雷射束在單反射鏡組的光學系統中反射時其尺寸增大。柱面反射鏡陣列的曲率被設置為使得柱面反射鏡陣列的焦距為單反射鏡組的光學系統的長度的1/2。平行的入射雷射束被柱面反射鏡陣列1反射後聚焦在單反射鏡組的光學系統的中心，然後被發射到柱面反射鏡陣列2。柱面反射鏡陣列2將雷射束平行地反射到具有相同焦距的柱面反射鏡陣列1，然後雷射束的子光束從單反射鏡組出射。子光束通過設置在單反射鏡組的光學系統後面的均化器混合，因此脈衝持續時間也增加。
因此，當單反射鏡組中的反射鏡被柱面反射鏡陣列代替時，可以實現雷射脈衝持續時間展寬器的光學系統。
從單反射鏡組出射的具有預定尺寸的子光束沿第二方向(x軸)以規則的間隔排列。因此，如圖13所示，當第二方向(x軸)聚焦透鏡(例如第二方向(x軸)柱面透鏡)位於單反射鏡組的前面時，從單反射鏡組以預定尺寸出射的子光束以預定角度向前發散。
通過在單反射鏡組後面設置第二方向(x軸)的準直透鏡，可以將以預定角度發散的子光束製成平行光束，因此可以在第二方向(x軸)上形成具有均勻強度的平頂輪廓。
然而，如圖13所示的聚集並從單反射鏡組出射的光束開始發散的位置取決於單反射鏡組中的反射次數。因此，如圖14a所示，當單反射鏡組由柱面反射鏡陣列組成時，光束聚焦在與柱面透鏡陣列類型的均化器中相同的位置處，然後發散，從而可以實現第二方向(x軸)均化器的光學系統。
設置在單反射鏡組的光學系統前面的聚焦透鏡的焦距被設定為單反射鏡組的光學系統的中心。此外，柱面反射鏡陣列的曲率被設定為使得柱面反射鏡陣列的焦距是單反射鏡組的光學系統的長度的1/2。因此，通過聚焦透鏡聚焦在單反射鏡系統的中心後發散的光束通過柱面反射鏡陣列1以平行光束反射到柱面反射鏡陣列2。柱面反射鏡陣列2將光束聚焦在單反射鏡組的光學系統的中心，並將光束反射到具有相同焦距的柱面反射鏡陣列1，然後將子光束從單反射鏡組的光學系統中出射。以這種方式反射並穿過單反射鏡組的光學系統的平行光束被聚焦在單反射鏡組的光學系統的中心並發散，因此它們以與藉助柱面透鏡陣列的均化器的相同方式形成具有均勻亮度的線光束。
因此，如上所述，在第一方向(y軸)上，高斯分布同樣形成平頂，因此單反射鏡組在沒有另外的均化器的情況下也可以在第一方向(y軸)和第二方向(x軸)上起到均化器光學系統的作用。
圖14a儘管示出了其中兩個柱面反射鏡陣列具有相同焦距的光學系統，但是可以使兩個柱面反射鏡陣列的焦距不同。
如圖14b所示，當兩個柱面反射鏡陣列的焦距不同時，由柱面反射鏡陣列2形成的焦點可以不形成在單反射鏡組的光學系統的中心。
或者，如圖14c所示，由於與柱面反射鏡陣列的焦距的預定距離，可以在單反射鏡組的光學系統的後面形成焦點。在這種情況下，即使使用平面鏡代替圖14b中的柱面反射鏡陣列1，也可以實現光學系統。即使柱面反射鏡陣列和平面鏡被切換，效果也是相同的。該光學系統允許去除一個柱面反射鏡陣列，因此可以簡單地配置光學系統並減少由柱面反射鏡陣列引起的像差。
設置在單反射鏡的光學系統後面的第二方向(x軸)柱面透鏡陣列是具有三個功能的場透鏡。
第一個是增加線光束的均勻性。第二個是使在穿過光束轉換器的光學系統之後從單反射鏡組的光學系統中出射的光束在穿過柱面透鏡陣列之後變成平行光束。第三個是通過調整柱面透鏡陣列的位置來調節線光束的尺寸。當柱面透鏡陣列位於由柱面反射鏡陣列形成的焦點前面時，線光束的長度增加至設計值以上，並且當其被定位在焦點後面時，線光束的長度減少至設計值以下。
如圖9所示，根據本發明的包括單反射鏡組的線光束形成裝置可以由五個光學系統組成。該裝置包括：中繼光學系統2，其將來自雷射源1的原始雷射束移動到線光束光學系統，而不改變光束尺寸和光束髮散度；光束整形光學系統3，其通過在雷射束入射到單反射鏡組之前，增加原始雷射束在第一方向(y軸)上的尺寸，來減小短軸(y軸)上的光束髮散度；單反射鏡組光學系統4，其減少第一方向(y軸)上的光束長度，同時保持已在第一方向(y軸)上減小的光束髮散度；以及均化器光學系統5，其使得在第二方向(x軸)和第一方向(y軸)上的強度均勻。最後，需要聚焦光學系統6，其通過在第一方向(y軸)上聚焦光束來減小束斑尺寸。聚焦光學系統可以使用一個透鏡或者一個或多個透鏡組使束斑尺寸變為幾微米到幾十微米。
中繼光學系統2是遠心光學系統。使用一個透鏡或一個透鏡組可以在2f處即透鏡的焦距的兩倍處獲得具有與原始雷射束相同光束尺寸和光束髮散度的圖像。雙重遠心光學系統使用兩個透鏡或兩個透鏡組。雙重遠心光學系統對原始雷射束的位置不敏感，因此當雷射束和光束整形光學系統3之間的距離較大時是有用的。
光束整形光學系統3，其在光束入射到單反射鏡組的光學系統之前改變光束的尺寸，一般採用柱面透鏡陣列來使得光束尺寸在第二方向(x軸)和第一方向(y軸)上不同。
在本發明中，作為光束轉換器，其為了減小第一方向(y軸)上的光束髮散度，可以增加第一方向(y軸)上的光束尺寸，並維持第二方向(x軸)上的長度或為了使得光束可以容易地通過單反射鏡組光學系統4而改變第二方向(x軸)上的長度。
上述的單反射鏡組光學系統4可以減小第一方向(y軸)上的長度和光束髮散度，組合多個雷射束，並且形成平頂輪廓以在第一方向(y軸)上獲得均勻的強度。
需要一種使得已穿過單反射鏡組光學系統4的雷射束的強度在第二方向(x軸)上均勻的光學系統。為此，可以使用均化器光學系統5。均化器光學系統5可以由第二方向(x軸)上的柱面透鏡陣列和準直透鏡構成。
由柱面透鏡陣列分割的雷射束通過準直透鏡組合成所需長度，從而形成具有均勻強度的線光束。
最後，聚焦光學透鏡6由一個透鏡或一個或多個透鏡組構成，並將束斑尺寸縮小或減小到幾至幾十微米。當已穿過單反射鏡光學系統4和均化器5的平頂輪廓的雷射束由透鏡聚焦時，在焦點表面上獲得正弦函數的強度分布。sinc函數的強度分布類似於高斯分布，因此它對於具有高損傷閾值的物質或界面是有用的。然而，根據雷射加工類型，在加工表面上需要平頂輪廓。因此，當將縮小成像光學系統應用於已穿過光學反射鏡組光學系統的平頂輪廓的雷射束時，可以在成像面上形成平頂輪廓的幾至幾十微米的線光束。
圖10示出了上述光學系統的模擬結果。從圖中可以看出，已穿過光束整形光學系統的雷射束(圖10a)在第一方向(y軸)和第二方向(x軸)上顯示高斯強度分布，但是已穿過單反射鏡組光學系統和柱面透鏡陣列的雷射束(圖10b)不僅在第二方向(x軸)上而且在第一方向(y軸)上均顯示平頂強度分布。
[工業實用性]
如上所述，本發明的包括單反射鏡組的線光束形成裝置可以提供可以使用一個雷射或者可以簡單地組合多個雷射的光學系統。此外，該裝置可以作為在雷射束的短軸(y軸)方向上形成平頂輪廓的均化器來操作。此外，通過在單反射鏡組中重複反射光束並順序地出射子光束的過程，裝置可以出射具有預定尺寸的子光束，同時沿著短軸方向(y軸)以預定距離移動光束並且沿著長軸(x軸)方向以規則的間隔排列子光束。此外，通過設置在單反射鏡組前面的光束轉換器而在短軸方向(y軸)上增加長度並減小光束髮散度，然後將光束入射到單反射鏡組中，從而可以減小短軸(y軸)方向上的光束髮散度以確保高密度能量光束。此外，通過在長軸(x軸)方向上另外提供柱面透鏡陣列或類似於柱面透鏡陣列的均化器，可以實現在長軸(x軸)和短軸(y軸)兩個方向上的平頂輪廓，因此預期該裝置可用於各種領域。