Brevet FR2737786A1 — publié le 19970214

Dispositif optique pour homogénéiser un faisceau laser La présente invention concerne un dispositif pour homogénéiser un faisceau laser. Elle trouve une application générale dans tout domaine technique utilisant un laser, et notamment dans le traitement de surface par laser, tel que le recuit de silicium amorphe, le nettoyage, le polissage et la préparation de surface, notamment. D'une façon générale, la répartition énergétique selon la section droite d'un faisceau laser, au moins dans l'ordre d'émission le plus bas, est d'allure gaussienne, en tout cas variable selon la section droite du faisceau. Or, pour obtenir, par exemple, un recuit optimal de silicium amorphe, il est nécessaire d'appliquer un faisceau laser ayant une répartition énergétique homogène et sensiblement uniforme. Cette homogénéité est surtout requise lorsque l'échantillon à traiter par laser est de grande taille (comme cela est décrit dans la Demande de Brevet français intitulée "Dispositif et procédé de traitement de surface par laser", déposée le même jour que la présente Demande sous le N" 95 , et dont le contenu fait partie intégrante de la présente Demande, à toutes fins utiles).Elle est également exigée lorsque le faisceau laser incident est une combinaison de plusieurs faisceaux laser émanant d'une chaîne de modules laser agencés en parallèle et/ou en série (comme cela est décrit dans la Demande de Brevet intitulée "Procédé et dispositif de commande d'une source laser à plusieurs modules laser pour optimiser le traitement de surface par laser", déposée le même jour que la présente Demande sous le N" 95 et dont le contenu fait partie intégrante de la présente Demande, à toutes fins utiles). On connaît déjà des moyens permettant d'homogénéiser un faisceau laser. q Toutefois, ces moyens sont, le plus souvent, compliqués, coûteux, difficiles à mettre en oeuvre et peu adaptés à des faisceaux de grande taille. La présente invention apporte justement une solution à ce problème. Elle porte sur un dispositif optique pour homogénéiser un faisceau laser. Selon une définition générale de l'invention, ledit dispositif comprend: - une pluralité de m x n lentilles frontales, convergentes, jointives, disposées en m lignes et n colonnes, perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau laser à traiter, et propres à découper ledit faisceau laser en m x n faisceaux laser ayant chacun une section transversale sensiblement uniforme, et une répartition énergétique sensiblement homogène, - au moins une lentille de collection, convergente, disposée perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau de lumière, en aval des lentilles frontales selon le sens du cheminement du faisceau laser, ladite lentille de collection étant propre à focaliser dans une zone déterminée d'un plan choisi les faisceaux issus des lentilles frontales. Un tel dispositif permet d'obtenir un faisceau homogène dans le champ proche. I1 trouve une application avantageuse lorsque le faisceau à homogénéiser est une combinaison de plusieurs faisceaux laser émanant d'une chaîne de modules laser mis en parallèle et/ou en série. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ciaprès et des dessins dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique des moyens essentiels de l'homogénéiseur selon l'invention; - la figure 2 est une variante de l'homogénéiseur selon 1 ' invention, - la figure 3 est un homogénéiseur à deux lentilles de collection selon l'invention; et - la figure 4 illustre l'assemblage des lentilles frontales de l'homogénéiseur selon l'invention. Sur la figure 1, la référence FLA désigne le faisceau laser à homogénéiser. Ce faisceau laser a une répartition énergétique non uniforme en section droite. I1 émane par exemple d'un laser ou d'une chaîne de modules laser mis en parallèle ou en série. Par exemple, ce faisceau laser est destiné au recuit du silicium amorphe par laser. Une application consiste à illuminer un panneau de grande taille de silicium amorphe pour la fabrication d'écrans plats à cristaux liquides. Ce faisceau laser est appliqué sur le plan cible CIB portant l'échantillon à traiter. Selon l'invention, le dispositif optique pour homogénéiser un faisceau laser comprend m x n lentilles frontales LF, convergentes, jointives, disposées en m lignes et n colonnes perpendiculairement (transversalement) à la direction de propagation du faisceau laser à traiter. m et n sont des nombres entiers, par exemple m et n sont égaux à 7. Les lentilles frontales sont agencées selon une matrice rectangulaire droite ou oblique; par exemple, elles sont régulièrement distribuées à l'intérieur d'un rectangle ou d'un parallélogramme. Ces lentilles découpent le faisceau laser FLA en m x n faisceaux laser ayant chacun une section transversale sensiblement uniforme et une répartition énergétique sensiblement homogène. I1 est prévu une lentille de collection LC, convergente, disposée perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau de lumière, en aval des lentilles frontales LF selon le sens de cheminement du faisceau laser. Cette lentille de collection est propre à focaliser, dans le plan cible CIB, les faisceaux issus des lentilles frontales. Avantageusement, m x n diaphragmes DI sont associés respectivement aux m x n lentilles frontales. Chaque diaphragme est disposé sensiblement dans le plan focal objet de la lentille associée et reçoit le faisceau de lumière issu de la lentille frontale associée afin de le filtrer spatialement. La référence "a" désigne la largeur d'une lentille frontale LF. La référence f désigne la distance focale (proche du tirage) entre une lentille frontale et le diaphragme associé DI. La référence F désigne la distance (qui peut être différente de la distance focale) entre un diaphragme DI et la lentille de collection LC. La référence A désigne la largeur du faisceau laser homogénéisé obtenu par l'homogénéiseur HO au niveau du plan CIB selon l'invention. La dimension A est égale à a x F / f. Chaque diaphragme DI comprend une ouverture de forme et dimensions choisies, par exemple circulaire. Un support ou masque MA maintient la pluralité de diaphragmes. Les lentilles frontales sont par exemple du type plan convexe ou biconvexe. Selon un aspect avantageux de l'invention, il est fait en sorte que la section transversale du faisceau de lumière issu de chaque lentille frontale est rectangulaire ou hexagonale, en aval des diaphragmes. Lorsque la lentille de collection LC est de petit diamètre, le dispositif optique est moins coûteux et présente moins d'aberrations optiques qu'avec une lentille de collection de grande taille. Sur la figure 2, la lentille de collection LC est disposée de telle sorte que le plan focal des lentilles LF n'est pas confondu avec celui de la lentille de collection LC. Cette variante confère une réduction de l'encombrement du dispositif homogénéiseur selon l'invention. La marche des rayons lumineux montre ici que le dispositif homogénéiseur selon l'invention n'est pas nécessairement afocal. En référence à la figure 3, la lentille de collection LC est remplacée par deux lentilles LC1 et LC2, convergentes, disposées perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau de lumière, en aval des lentilles frontales LF et des diaphragmes DI associés. Très avantageusement, ces lentilles de collection LC1 et LC2 sont mobiles en translation selon l'axe optique. Selon l'invention, on fait varier la distance d entre les deux lentilles LC1 et LC2 pour faire varier la focale résultante et obtenir au niveau du plan cible CIB une taille de faisceau homogénéisé adaptée à l'application choisie, par exemple la taille des panneaux à traiter dans le cas d'un recuit de silicium amorphe. I1 est à remarquer que les autres éléments optiques, à savoir les lentilles frontales LF, les diaphragmes DI et le plan cible CIB peuvent aussi être mobiles en translation selon l'axe optique. Le choix des distances relatives entre les différents éléments optiques permet non seulement d'adapter la taille du faisceau laser homogénéisé à l'application choisie (possibi lité de choisir le grandissement en faisant varier la distance d), mais aussi de réduire l'encombrement du dispositif homogénéiseur selon l'invention. I1 est à remarquer également que le choix de la distance d permet aussi d'ajuster l'énergie par unité de surface délivrée par le faisceau laser, comme cela est décrit dans la Demande de Brevet déposée par le Demandeur pour "Procédé et dispositif de commande d'une source laser à plusieurs modules laser pour optimiser le traitement de surface par laser" et déjà mentionnée ci-avant. Sur la figure 4, on a représenté la marche de plusieurs faisceaux à travers plusieurs lentilles frontales LF d'une même ligne m. Pour faciliter la compréhension de l'invention, seulement trois lentilles frontales sont schématisées les unes à côté des autres. Ces lentilles frontales sont par exemple de type plan convexe. La partie convexe reçoit le faisceau laser à traiter FLA. Le contour d'une lentille frontale est défini par exemple par les points A2, A'3, B'3 et B2 pour la lentille centrale LF2. Le faisceau laser à traiter Al est appliqué sur la lentille centrale LF2 au niveau du point A2. Ce faisceau traverse la lentille frontale LF2 jusqu'au point A3 pour être ensuite acheminé vers le point A4. I1 est à remarquer que le point A3 est légèrement décalé par rapport au point A'3. La partie convexe d'une lentille frontale comprend deux bords vifs tels que BV. Une rainure EN est ménagée sur chaque côté de la lentille. De même, un chanfrein CH est ménagé sur chaque bord plan de la lentille (côté aval). Lorsque deux lentilles frontales adjacentes sont accolées l'une à l'autre, la coopération des encoches EN respectives permet un collage desdites lentilles par application de colle, sans perturbation des propriétés optiques. La marche-du faisceau B1 à travers la lentille frontale centrale LF2 passe 'selon le point B2, le point B3 jusqu'au point B4. Il est à remarquer que le chemin lumineux n'est pas perturbé par les encoches ou rainures EN et le chanfrein CH. Les lentilles frontales sont de forme générale rectangulaire ou hexagonale avec des côtés d'une longueur de l'ordre de lcm. Par exemple, le faisceau à homogénéiser FLA est rectangulaire avec des côtés de l'ordre de 5 à 8 cm. En variante, chaque diaphragme comprend un coupleur d'entrée de fibre optique pour recevoir le faisceau de lumière issu de la lentille frontale associée, une fibre optique d'une longueur et d'un mode choisis (multimode par exemple), et un coupleur de sortie pour acheminer le faisceau de lumière ainsi conduit par la fibre optique vers la lentille de collection voulue, soit directement, soit à travers une matrice de lentilles frontales supplémentaires pour conserver l'homogénéité initiale. Dans ce cas, le faisceau issu de chaque fibre optique illumine avantageusement au moins deux lentilles frontales. I1 convient de remarquer ici que chaque fibre optique contribue pour sa part au transfert d'une portion de léner- gie laser. Dans le cas d'un laser de forte puissance, le dispositif selon l'invention permet ainsi de diviser et de transférer une énergie laser de forte puissance en une pluralité de portions d'énergie de moindre puissance. I1 en résulte une suppression des dommages que peuvent causer les effets de la forte puissance laser, notamment sur les éléments optiques du dispositif. I1 peut être avantageux que ces fibres optiques soient agencées en un faisceau au moins en partie croisé. C'est à dire que certaines au moins des fibres relient chacune un diaphragmeadtindices i,j à une lentille de collection n'ayant pas les mêmes valeurs de i et/ou de j. En principe ces croisements sont agencés pour que toute lentille de collection demeure alimentée depuis l'un des diaphragmes. En d'autres termes, le faisceau de fibres collectant les énergies des lentilles LFij peut les distribuer selon une répartition LMkl où certains au moins des k et 1 sont différentes des i et j. Ceci permet de rapprocher encore la distribution d'énergie en sortie des caractéristiques désirées pour celle-ci. A cet égard, il est question dans ce qui précède d'homogénéiser le faisceau laser obtenu en sortie. Bien que des applications importantes impliquent l'obtention d'un faisceau dont la densité d'énergie par unité de surface soit uniforme en section droite, il est clair que le mot "homogénéiser" n'implique pas nécessairement l'égalité de la densité d'énergie sur toute le section droite, mais s'étend au contraire à l'obtention de toute distribution voulue de cette densité d'énergie. Revendications 1. Dispositif optique pour homogénéiser un faisceau laser, caractérisé en ce qu'il comprend: - une pluralité de m x n lentilles frontales (LF), convergentes, jointives, disposées en m lignes et n colonnes, perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau laser, et propres à découper le faisceau laser à traiter en m x n faisceaux laser ayant chacun une section transversale sensiblement uniforme, et une répartition énergétique sensiblement homogène, - au moins une lentille de collection (LC), convergente, disposée perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau de lumière, en aval des lentilles frontales (LF) selon le sens du cheminement du faisceau laser, ladite lentille de collection (LC) étant propre à collecter dans un plan choisi (CIB) les faisceaux issus des lentilles frontales en vue d'obtenir un faisceau homogène dans le champ proche. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lentilles frontales sont agencées selon une matrice rectangulaire droite ou oblique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les lentilles frontales (LF) sont agencées de telle sorte que la section transversale du faisceau de lumière issu d'une lentille frontale (LF) est rectangulaire ou hexagonale. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre m x n diaphragmes (DI) associés respectivement aux m x n lentilles frontales (LF), chaque diaphragme (DI) étant disposé sensiblement dans le plan objet de la lentille frontale (LF) associée et propre à recevoir le faisceau de lumière issu de la lentille frontale (LF) associée, et possédant une ouverture de forme et dimensions choisies. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les diaphragmes (DI) réalisent un filtrage spatial adapté du faisceau de lumière qui les traverse. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens supports (MA) propres à supporter la pluralité de diaphragmes. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque diaphragme (DI) comprend un coupleur d'entrée de fibre optique propre à recevoir le faisceau de lumière issu de la lentille frontale associée, une fibre optique et un coupleur de sortie de fibre propre à acheminer le faisceau de lumière ainsi conduit par la fibre optique vers la lentille de collection (LC). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les fibres optiques sont agencées en un faisceau au moins en partie croisé. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lentilles frontales (LF) sont du type plan-convexe ou biconvexe. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque lentille (LF) comprend au moins une rainure (EN) ménagée sur un de ses côtés pour permettre l'assemblage par collage de ladite lentille avec une lentille adjacente. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau laser (FLA) émane d'un laser excimère. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux lentilles de collection (LC1, LC2) mobiles en translation selon l'axe optique du dispositif pour faire varier la focale résultante.