УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЛАЗЕР С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
APPARATUS FOR GENERATING LASER RADIATION AND LASER HAVING SAID APPARATUS

Изобретение касается устройства для формирования лазерного излучения в соответствии с ограничительными частями п.1 и 2, а также лазера соответствии с ограничительной частью п. 12 формулы.
Определения. «В направлении распространения лазерного излучения» означает среднее направление распространения лазерного излучения, в частности, если оно не является плоской волной или является, по меньшей мере, расходящимся. Под «лазерным лучом», «световым лучом», «частичным лучом» или «лучом», если это не указано особо, подразумевается не идеализированный луч геометрической оптики, а реальный световой луч, например лазерный луч гауссова профиля или модифицированного гауссова профиля или Top-Hat-профиля, который имеет не бесконечно малое, а вытянутое сечение. Под Тор-Hat-распределением или Top-Hat-распределением интенсивности или Top-Hat-профилем подразумевается распределение интенсивности, которое в отношении, по меньшей мере, одного направления описывается, в основном, прямоугольной функцией (rect(x)). При этом реальные распределения интенсивностей, имеющие отклонения от прямоугольной функции в процентном диапазоне или спадающие фронты, могут называться также Top-Hat-распределением или Top-Hat-профилем.
Устройство для формирования лазерного излучения описанного выше рода и лазер описанного выше рода известны из WO 2008/006460 A1. В нем в качестве гомогенизатора предусмотрена линзовая матрица, линзы которой имеют разную ширину. В частности, ширина линз уменьшается от края к середине. За счет этого достигается Top-Hat-угловое распределение с трапециевидно спадающими фронтами проходящего через гомогенизаторы лазерного излучения. Несколько лазерных модулей с такими гомогенизаторами могут располагаться рядом друг с другом так, что их лазерные излучения в рабочей плоскости перекрываются в однородное линейное распределение интенсивности.
Недостатком этого уровня техники является тот факт, что требуется Top-Hat-угловое распределение с трапециевидно спадающими фронтами. Для его достижения гомогенизаторы приходится выполнять сложными, причем межцентровые расстояния (питч) между линзами уменьшаются снаружи внутрь.
Задачей, лежащей в основе настоящего изобретения, является создание устройства для формирования лазерного излучения описанного выше типа и лазера описанного выше типа, которые, в частности в отношении выполнения гомогенизаторов, имели бы более простую и/или недорогую конструкцию и обеспечивали бы высокую линейную однородность распределения интенсивности по всей рабочей плоскости.
Согласно изобретению, это достигается посредством устройства для формирования лазерного излучения описанного выше рода с отличительными признаками п.1 и/или посредством устройства для формирования лазерного излучения описанного выше рода с отличительными признаками п.9, а также посредством лазера описанного выше рода с отличительными признаками п.17 формулы. Зависимые пункты касаются предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
По п.1 предусмотрено, что для линз линзовой матрицы справедливо следующее условие:
2,
2·F·NA(50%)=M·P
2
где М=1, 2, 3,…, причем F обозначает фокусное расстояние каждой из линз, Р - межцентровое расстояние между линзами, a NA(50%) - числовую апертуру каждой из линз, определяемую посредством того угла, при котором интенсивность проходящего через линзы света уменьшилась наполовину.
По п.9 также предусмотрено, что средства перекрытия включают в себя линзовую матрицу с множеством линз, причем для линз линзовой матрицы выполняется условие:
2,
2·F·NA(50%)=M·P
2
где М=1, 2, 3,…, причем F обозначает фокусное расстояние каждой из линз, Р - межцентровое расстояние между линзами, a NA(50%) - числовую апертуру каждой из линз, определяемую посредством того угла, при котором интенсивность проходящего через линзы света уменьшилась наполовину.
Указанные признаки служат для того, чтобы обеспечить однородное перекрытие отдельных частичных лучей или групп частичных лучей по всей рабочей плоскости без необходимости того, чтобы фронты угловых распределений трапециевидно спадали, или без необходимости того, чтобы гомогенизаторы имели изменяющиеся межцентровые расстояния между линзами. Согласно настоящему изобретению очень высокая однородность достигается при указанном соотношении между геометрическим расположением линз линзовой матрицы и числовой апертурой каждой линзы, соответствующей 50% интенсивности проходящего света. Для данного изобретения гомогенизаторы могут быть выполнены из равномерно распределенных одинаковых линз.
Благодаря изобретению можно создавать, в принципе, однородные линейные распределения интенсивности лазерного излучения произвольной длины. Кроме того, качество однородности нарушается только за счет производственных допусков при изготовлении линзовых матриц для гомогенизаторов и/или средств перекрытия. Большая однородность может достигаться без сложной настройки.
За счет соблюдения вышеуказанного условия и одновременного наличия обратной связи, обеспечиваемой средствами управления в устройстве по п. 9, можно достичь очень однородных распределений интенсивностей.
Дополнительно может быть предусмотрено, что для лазерного излучения и линз линзовой матрицы справедливо следующее условие:
,
0
0
2
2
где w обозначает расстояние в рабочей плоскости между максимальной интенсивностью и уменьшившейся до 1/е интенсивностью созданного одной из линз распределения интенсивности, a d - расстояние в рабочей плоскости между максимальными интенсивностями созданных двумя соседними линзами распределений интенсивностей. Предпочтительным в этом варианте является, с одной стороны, то, что гауссоподобные угловые распределения частичных лучей или групп частичных лучей могут перекрываться так, что возникают однородные линии. Требование w/d>1,1 необязательно соблюдать так же строго, как требование 2·F·NA(50%)=М·Р, поэтому конструкция такого устройства может быть более простой.
Другие признаки и преимущества изобретения поясняются с помощью нижеследующего описания предпочтительных примеров его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
- фиг. 1: схематичный вид сверху первого варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение интенсивности одной группы частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 2: схематичный вид сверху первого варианта устройства, причем поясняется распределение полной интенсивности всех групп частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 3: схематичный вид сверху второго варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение полной интенсивности всех групп частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 4: схематичный вид сверху третьего одного варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение интенсивности одной группы частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 5: схематичный вид сверху третьего варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение полной интенсивности всех групп частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 6: схематичный вид сверху четвертого варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение интенсивности одной группы частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 7: схематичный вид сверху четвертого варианта устройства для формирования лазерного излучения, причем поясняется распределение полной интенсивности всех групп частичных лучей в рабочей плоскости;
- фиг. 8: схематичный подробный вид сверху лазера с пятым вариантом устройства для формирования лазерного излучения;
- фиг. 9: схематичный подробный вид сбоку лазера из фиг. 8.
На фигурах одинаковые или функционально одинаковые детали или световые лучи или распределения интенсивностей обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Кроме того, на некоторых фигурах для наглядности обозначена декартова система координат.
Изображенный на фиг. 1 и 2 вариант устройства включает в себя гомогенизаторы 1 и средства перекрытия 2. При этом средства перекрытия 2 расположены в направлении Z распространения формируемого лазерного излучения 3 за гомогенизаторами 1.
Гомогенизаторы 1 выполнены в виде единой линзовой матрицы и включают в себя большое число расположенных рядом друг с другом в направлении X линз 4. При этом речь может идти о цилиндрических линзах с проходящими в направлении Y осями, а также о сферических линзах.
Средства перекрытия 2 выполнены также в виде единой линзовой матрицы и включают в себя большое число расположенных рядом друг с другом в направлении X линз 5. При этом речь также может идти о цилиндрических линзах с проходящими в направлении Y осями, а также о сферических линзах. Линзы 5 могут иметь одинаковое фокусное расстояние F.
В изображенном примере средства перекрытия 2 содержат пять линз 5. Можно также вполне предусмотреть большее, в частности заметно большее, число линз 5, причем тогда соответственно больше и число линз 4 гомогенизаторов 1.
1
2
1
2
В изображенном примере ширина линз 5 средств перекрытия 2 в три раза больше ширины линз 4 гомогенизаторов 1, так что каждой из линз 5 средств перекрытия 2 соответствуют три линзы 4 гомогенизаторов 1. Соответственно к межцентровому расстоянию (питч) Р между линзами 4 и межцентровому расстоянию Р между линзами относится отношение 3·P=Р (фиг. 1).
Можно также предусмотреть меньшие или большие линзы 4 гомогенизаторов 1. В частности, существует возможность придания большего числа линз 4 гомогенизаторов 1 каждой из линз 5 средств перекрытия 2.
В изображенном примере формируемое лазерное излучение 3 при попадании на гомогенизаторы 1 должно иметь линейное распределение интенсивности, причем длина линии этого линейного распределения интенсивности в направлении X приблизительно соответствует длине гомогенизаторов 1 в направлении X.
Лазерное излучение 3 расщепляется линзами 4 гомогенизаторов 1 на большое число частичных лучей 6. Каждая группа 7 из трех частичных лучей 6 проходит через одну из линз 5 средств перекрытия 2. В рабочей плоскости 8, расположенной на расстоянии D от линз 5 средств перекрытия 2, соответствующем фокусному расстоянию F линз 5, три частичных луча 6 каждой группы 7 перекрываются с формированием линейного распределения 9 интенсивности (фиг. 1).
Распределение 9 интенсивности имеет, в основном, форму Top-Hat-распределения, которое имеет, однако, не бесконечно крутые, а сравнительно умеренно спадающие фронты 10 (фиг. 1). Форма распределения 9 интенсивности задается формой гомогенизаторов 1, в частности формой каждой из отдельных линз 4.
На фиг. 2 гомогенизаторы 1 и средства перекрытия 2 выполнены и расположены таким образом, что в рабочей плоскости 8 распределения 9 интенсивности отдельных групп 6 частичных лучей 7 перекрыты соответственно на 50% максимальной интенсивности отдельных распределений 9 интенсивности. В результате возникает очень однородное распределение 11 полной интенсивности.
Условие, при котором по существу отсутствуют колебания для перекрытия отдельных распределений 9 интенсивности в распределении 11 полной интенсивности, можно записать как
2
2·F·NA(50%)=P
При этом NA(50%) обозначает числовую апертуру каждой из линз 5, определяемую углом, при котором интенсивность проходящего через линзы 5 света уменьшается наполовину.
Дополнительное условие заключается в том, чтобы интенсивности отдельных групп 7 частичных лучей 6 в рабочей плоскости 8 были одинаковы. Этого можно достичь с помощью устройства, изображенного на фиг. 8 и 9.
В этом лазере между гомогенизаторами 1 и средствами перекрытия 2 расположены светоделители 12, причем их число соответствует числу линз 5 средств перекрытия 2. Посредством светоделителей 12 соответственно небольшая часть 13 света группы 7 частичных лучей 6 отклоняется от направления Z распространения вверх, на фиг. 9, или в направлении Y.
Эти части 13 лазерного излучения 3 попадают на сенсоры 14, которые могут определять интенсивность каждой из групп 7 частичных лучей 6. Далее лазер включает в себя компараторы 15, которые могут сравнивать между собой определяемые сенсорами 14 интенсивности отдельных групп 7 частичных лучей 6. Компараторы 15 могут управлять блоком питания одного или нескольких, схематично изображенных на фиг. 9 источников 17 лазерного излучения таким образом, что интенсивности групп 7 частичных лучей 6 уравниваются.
Этим можно достичь того, что через каждую из линз 5 средств перекрытия 2 проходит лазерное излучение одинаковой мощности. Это приводит к очень однородному линейному распределению 11 полной интенсивности, изображенному на фиг. 2.
На фиг. 8 и 9 штриховыми линиями обозначены светоделители 12′ и сенсоры 14′, которые могут быть предусмотрены в качестве альтернативы обозначенным сплошными линиями светоделителям 12 и сенсорам 14 за средствами перекрытия 2.
Сенсоры 14 могут быть выполнены в виде фотодиода, фоторезистора, фототранзистора, фотоэлемента и т.п.
Светоделители 12′, сенсоры 14′ и компараторы 15 образуют в совокупности средства управления, которые обеспечивают одинаковую мощность или интенсивность групп 7 частичных лучей 6 в рабочей плоскости 8. Эти средства управления могут быть также предусмотрены во всех вариантах на фиг. 2-7.
В вариантах на фиг. 1 и 2 линзы 4 гомогенизаторов 1 выполнены таким образом, что диаграмма направленности или угловое распределение групп 7 частичных лучей 6 имеет умеренно спадающие фронты. Перекрытие на расстоянии D=F за линзами 5 дает тогда изображенные на фиг. 1 и 2 распределения 9 интенсивности.
Однако согласно изобретению можно также выполнить линзы 4 гомогенизаторов 1 таким образом, чтобы диаграмма направленности или угловое распределение групп 7 частичных лучей 6 имела/имело приблизительно бесконечно круто спадающие фронты или сильно приближались к идеальному Top-Hat-угловому распределению. В этом случае рабочая плоскость 8 выбирается не на расстоянии D=F за линзами 5, а на расстоянии D=F+δ. При этом дополнительное расстояние 8 выбирается так, чтобы в рабочей плоскости 8 перекрытое распределение 9 интенсивности отдельных групп 7 частичных лучей 6 имело менее круто спадающие фронты 10.
На фиг. 3 изображен вариант, в котором средства перекрытия 2 отсутствуют. Перекрытие групп 7 частичных лучей 6 происходит в дальнем поле, т.е. на большом удалении от гомогенизаторов 1.
На фиг. 4 и 5 изображен вариант, в котором фокусное расстояние F линз 5 средств перекрытия 2 больше, чем в варианте на фиг.1 и 2. Вследствие этого распределение 9 интенсивности отдельных групп 7 частичных лучей 6 в рабочей плоскости 8 шире. Если выполнено условие
2,
2·F·NA(50%)=M·P
где М=1, 2, 3,…, то, тем не менее, возникает лишенное колебаний перекрытие распределений 9 интенсивности - распределение 18 полной интенсивности (фиг. 5). На фиг. 4 и 5 изображен случай, когда М=2.
В варианте на фиг. 6 и 7 линзы 4 гомогенизаторов 1 выполнены таким образом, что диаграмма направленности или угловое распределение групп 7 частичных лучей 6 имеет, правда, умеренно спадающие фронты, однако не имеет угловых диапазонов постоянной интенсивности. Перекрытие на расстоянии D=F за линзами 5 дает тогда изображенные на фиг. 6 и 7 распределения 19 интенсивности без выраженного пологого участка, схожие с гауссовым распределением.
Условием перекрытия с образованием распределения 20 полной интенсивности с неоднородностями менее 1% является следующее:
.
0
2
При этом w обозначает расстояние в рабочей плоскости 8 между максимальной интенсивностью и интенсивностью, уменьшившейся до 1/е, в распределении 19 интенсивности, создаваемом одной из линз 5, a d - расстояние в рабочей плоскости 8 между максимальными интенсивностями распределений 19 интенсивности, создаваемых двумя соседними линзами 5.