专利名称：实现偏振输出激光束的高速强度变化的方法
技术领域：
本发明涉及光学系统，且明确地说涉及用于使偏振输出激光束的强度变化的激光束光学系统及方法。
背景技术：
在许多激光处理应用中，使用光学衰减器使偏振激光束的强度变化(例如，衰减)。在一种常规方法中，使用旋转波片(或者电光调制器(EOM))与后续偏振器的组合来产生具有可变强度的偏振激光束。例如，在使用旋转波片及后续偏振器的系统中，将所述旋转波片及后续偏振器定位在激光束的光束路径中，并且将所述旋转波片围绕平行于所述光束路径的轴旋转，从而使偏振向量旋转，此举改变偏振激光束离开所述后续偏振器的强度。在另一常规方法中，利用声光调制器(AOM)来产生具有可变强度的偏振激光束。在使用AOM的系 统中，声电换能器(例如，压电换能器)改变在介质(例如，玻璃，石英)中产生的声波的强度，由此使入射在所述介质上并且由所述介质绕射的激光束的强度变化。常规方法具有多个缺点。例如，包含旋转波片及后续偏振器的光学衰减器在使光束强度变化时相对缓慢。尽管AOM可以使光束强度快速变化(在约100纳秒或100纳秒以下内)，但是实施AOM的系统通常是复杂的，所述系统的光学对准相对具有挑战性，并且所述光束路径相对长。此外，AOM通常具有低于90% (例如，约85%)的峰值绕射效率。需要可以使激光束的强度快速变化的系统，所述系统的特征为光学简单性，并且具有相对高的峰值透射效率。
发明内容
实现偏振输出激光束的高速强度变化的优选方法需要产生沿着光束路径的第一部分向工件上的目标位置传播的输入激光束。所述方法还包含设置电流计系统，其包含与可旋转驱动轴配合以使所述可旋转驱动轴围绕垂直于所述光束路径的第一部分的旋转轴旋转的电流计驱动构件。所述电流计驱动构件控制所述可旋转驱动轴的旋转以提供所述可旋转驱动轴在所选择的角位置之间的高速转变。紧固至所述可旋转驱动轴的光入射敏感光学元件的角度实现光入射敏感光学元件的角度围绕所述旋转轴的旋转。光入射敏感光学元件的角度包含平面光学薄膜，其经定位以与所述光束路径的第一部分相交，以使得所述输入激光束以通过所述可旋转驱动轴的角位置确定的入射角入射在所述平面光学薄膜上。所述平面光学薄膜从所述输入激光束产生偏振输出激光束，所述偏振输出激光束沿着所述光束路径的第二部分向所述工件上的所述目标位置传播。所述偏振输出激光束的特征为随所述输入激光束与所述平面光学薄膜之间的入射角而变化的强度。通过所述电流计驱动构件的所述可旋转驱动轴的高速转变改变所述输入激光束与所述平面光学薄膜之间的入射角，由此实现所述偏振输出激光束的强度的高速变化。额外的方面及优点将从优选实施例的以下详细说明变得显而易见，所述优选实施例的以下详细说明参考附图进行。
图I是根据一个实施例的用于实现偏振输出激光束的高速强度变化的系统的示意性方块图。图2是沿着图I的线2-2所获得的系统的各部分的仰视图。图3是表示图I的系统的光入射敏感光学元件的角度的透射效率相对于所述光入射敏感光学元件的角度的平面光学薄膜与入射激光束之间的入射角的曲线图。
具体实施例方式图I是展示系统100的实施例的硬件架构的示意性方块图，所述系统100用于选择性地使输入激光束102衰减以产生变化强度(例如，功率级)的偏振输出激光束103。输入激光束102包含P-偏振光并且优选地排除大体上所有S-偏振光。通过常规激光源(未图 示)产生输入激光束102，所述常规激光源例如(但不限于)紫外线(UV)激光源(例如，355nm激光)。系统100包含经定位以与光束路径108的第一部分106相交的光入射敏感光学元件104的角度，输入激光束102沿着所述光束路径108向工件(未图示)上的目标位置传播。在一个实例中，光学元件104是偏振器，优选为薄膜偏振器。然而，如下文进一步详细描述，可以使用特征如下的任何其他光学元件随所述光学元件与入射光之间的入射角而变化的入射光透射效率。光学元件104包含由玻璃或者玻璃类材料制成的基板112，所述基板112上形成了平面光学薄膜114 (例如，光学涂层)。基板112可以是如图I中所描绘的相对平坦的板。或者，基板112可为楔形并且固定(例如，粘结)至第二楔形基板以形成立方体，其中平面光学薄膜114穿过所述立方体的中心对角地切割。平面光学薄膜114将输入激光束102分成对应于偏振输出激光束103的透射光分量，以及反射光分量118。偏振输出激光束103包含p-偏振光,所述p-偏振光具有如下文所描述的可变并且依赖于平面光学薄膜114与输入激光束102之间的入射角Θ i的强度级。优选地，偏振输出激光束103排除S-偏振光。反射光分量118还包含p-偏振光,所述p-偏振光具有与偏振输出激光束103的强度级的变化成反比关系而变化的强度级。如果输入激光束102除包含P-偏振光之外还包含S-偏振光,那么偏振输出激光束103及反射光分量118还可包含具有随入射角Θ i而变的可变强度级的S-偏振光。反射光分量118沿着反射光束路径120行进至激光收集元件122，所述激光收集元件122吸收反射光分量118以防止其到达所述工件。在第一实施例中，偏振输出激光束103沿着光束路径108的第二部分124行进至经定位以与偏振输出激光束103相交的第二光学元件126。第二光学元件126是光束位移光学元件，其经设置以补偿由光学元件104引入的下文更详细描述的光束偏移127。在替代性第二实施例(未图不)中,第二光学兀件126被省略，并且偏振输出激光束103继续沿着光束路径108的第二部分124行进至后续常规光学器件128 (例如，聚焦透镜、光束定位器)，所述后续常规光学器件128调节偏振输出激光束103使之入射在所述工件上的目标位置处。以下描述针对所述第一实施例。第二光学元件126接收偏振输出激光束103并且沿着光束路径108的第三部分129将偏振输出激光束103 (或者偏振输出激光束103的一部分)传输至光学器件128。类似于光学元件104，第二光学元件126可以是包含平面光学薄膜的光入射敏感光学元件的角度，所述平面光学薄膜将偏振输出激光束103的一些光与光束路径108分离以产生反射光束130,而偏振输出激光束103的剩余部分(由参考标号103’表不)通过第二光学兀件126沿着光束路径108的第三部分129传输。在一个实例中，第二光学兀件126是薄膜偏振器。当第二光学元件126包含产生反射光束130的平面光学薄膜时，设置第二激光收集元件132来吸收反射光束130。或者，第二光学元件126可以是经抗反射涂布的板，在这种情况下，不产生反射光束130，省略第二激光收集元件132，并且大体上所有偏振输出激光束103通过第二光学元件126沿着光束路径108的第三部分129传输。如图I所示，光束路径108的第二部分124相对于第一部分106偏移对应于光束偏移127的量。在系统100中设置第二光学元件126来使光束路径108的第三部分129相对于第二部分124移置位移量134，所述位移量134的量值大体上等于光束偏移127且方向与光束偏移127相反，以使得光束路径108的第三部分129与第一部分106对准。换句话说，视情况设置第二光学兀件126来补偿由光学兀件104引入的光束偏移127。
图2是展示电流计系统200的系统100 (为了清楚起见排除收集元件122及132)的仰视图，所述电流计系统200与光学元件104配合来控制入射角Θ i并且因此控制偏振输出激光束103的强度级。电流计系统200包含与可旋转驱动轴204配合的电流计驱动构件202。常规电流计系统通常包含紧固至驱动轴以将激光束导引至工件上的不同目标位置的反射镜。例如，标题为“用于将聚焦光束定位在集成电路上的方法和设备(Method andApparatus for Positioning a Focused Beam on an Integrated Circuit)，，的美国专利4，532，402号描述一种常规电流计系统。然而，在电流计系统200中，用光学元件104替换常规反射镜以实现偏振输出激光束103的高速衰减，所述光学元件104通过安装座206(例如，安装极靴)紧固至驱动轴204的末端。响应于从处理器209接收的控制信号208，电流计驱动构件202使轴204及光学元件104围绕垂直于光束路径108的第一部分106的旋转轴210旋转。在图I中，旋转轴210延伸进出所述图的平面。处理器209根据将偏振输出激光束103的所选择的强度级与对应的轴204及光学元件104的角位置相关联的信息(例如，计算机程序)操作。当偏振输出激光束103的所选择的强度级是所需强度级时，处理器209传输控制信号208至电流计驱动构件202，所述控制信号208包含表示与所述所选择的强度级相关联的对应角位置的指令。电流计驱动构件202通过将轴204及光学元件104旋转至对应的角位置来对控制信号208作响应。电流计系统200操作来以相对高的速度且以准确的精度将轴204转变至由处理器209指示的对应的角位置。因此，通过将光学元件104紧固至轴204，电流计系统200能够快速改变在平面光学薄膜114与输入激光束102之间的入射角Θ 17并且准确地将光学元件104定位在与偏振输出激光束103的所选择的强度级相关联的对应的角位置处。在一个实例中，电流计系统200可在小于10毫秒(ms)(优选约200微秒(μ s))内使光学元件104在对应的角位置中的不同者之间旋转。通过改变入射角Θ i的程度，电流计系统200能够控制偏振输出激光束103的P-偏振光的强度级。如上文所描述，平面光学薄膜114操作来透射输入激光束102的一些P-偏振光并且反射输入激光束102的一些p-偏振光。由平面光学薄膜114透射的p-偏振光的量取决于平面光学薄膜114与输入激光束102之间的入射角θ1()换句话说，偏振输出激光束103的P-偏振光的强度级随入射角Θ i而变化。在一个实例中，偏振输出激光束103的P-偏振光的强度级在入射角Θ i对应于布鲁斯特角(Brewster’s angle)时最大。由平面光学薄膜114反射的P-偏振光的量也取决于入射角Θ i，但是与由平面光学薄膜114透射的P-偏振光的量反比变化。因此，在一个实例中，反射光分量118的P-偏振光的强度级在入射角Θi处于布鲁斯特角时最小。图3展不根据一个实例表不光学兀件104的p-偏振光透射效率相对于入射角Θ i的曲线300，在所述实例中光学元件104是薄膜偏振器并且输入激光束102的波长为约355nm。在图3中，纵坐标轴(即，透射轴)在O. 0001到I范围内变化，其中O. 0001表示O. 01%的P-偏振入射光被透射并且I对应于100%的P-偏振入射光被透射。在此实例中，布鲁斯特角对应于约56. 6度的角度，并且当入射角Θ i处于布鲁斯特角时， 光学元件104可操作来透射接近100% (例如，大于95%)的输入激光束102的P-偏振光。曲线300展示偏振输出激光束103的p-偏振光的强度级在入射角Θ I偏离(例如，小于)布鲁斯特角时降低。例如，偏振输出激光束103的p-偏振光的强度级在入射角Q1为约25度时小于输入激光束102的P-偏振光的强度级的O. 1%。因此，电流计系统200可通过使光学元件104围绕旋转轴210旋转至所选择的角位置来快速且准确地使偏振输出激光束103衰减至所需的强度级。因为系统100包含可操作来使光学元件104快速旋转的电流计系统200，所以系统100实现比常规旋转波片及后续偏振器快得多的动态激光束衰减。此外，相较于AOM系统，系统100可实现较大的最大透射效率并且可用较小光学复杂性来实施，这样使得较容易对准系统100并且允许系统100具有较短的必要光束路径。当电流计系统200使入射角Q1变化时，光束偏移127的程度也变化。因此，系统100视情况包含与第二光学元件126配合来补偿光束偏移127的变化的第二电流计系统400。第二电流计系统400包含与可旋转驱动轴404配合的电流计驱动构件402。第二光学元件126通过安装座406 (例如，安装极靴)固定至驱动轴404的末端。响应于自处理器209接收的控制信号408，电流计驱动构件402使轴404及第二光学元件126围绕垂直于光束路径108的第二部分124的旋转轴410旋转，从而改变第二光学元件126与偏振输出激光束103之间的入射角θ2。当入射角θ2改变时，位移量134的程度改变。因此，处理器209根据使第二光学元件126的旋转与光学元件104的旋转协调的信息(例如，计算机程序)操作，以使得光束路径108的第三部分129保持与第一部分106对准。当处理器209传输控制信号208至电流计驱动构件202以使光学元件104旋转时，处理器209也传输控制信号408至电流计驱动构件402，所述控制信号408包含表示第二光学元件126的角位置的指令，并且电流计驱动构件402使第二光学元件126与光学元件104的旋转协调旋转，从而使光束路径108的第三部分129与第一部分106保持对准。此外，当第二光学元件126是类似光学元件104的光入射敏感光学元件的角度时，电流计系统400也可使第二光学元件126围绕旋转轴410旋转,从而增大系统100可以使偏振输出激光束103衰减的程度。当入射角Θ i由于光学元件104的旋转而改变时，反射光束路径120从其图I中的位置向左或向右移位。因此，在一个实施例中，激光收集元件122足够大，以使得反射光分量118在反射光束路径120的移位程度上入射在激光收集元件122上。在替代性实施例中，激光收集元件122与反射光束路径120的移位配合移动，从而确保反射光分量118入射在激光收集元件122上。此外，当第二光学元件126包含产生反射光束130的平面光学薄膜时，可根据激光收集元件122的实施例中的一者设计激光收集元件132来在其响应于入射角Θ 2的改变而移位时捕获反射光束130。对所属领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的基本原则的情况下，可对上文描述的实施例的细节作出许多改变。例如，预期可将反射光分量118代替偏振输出激光束103或者除偏振输出激光束103之外用作可变强度处理光束。因此，本发明的范围 应仅由随附权利要求书确定。
权利要求
1.一种实现偏振输出激光束的高速强度变化的方法，其包括 产生输入激光束，其沿着光束路径的第一部分向工件上的目标位置传播； 设置电流计系统，其包含与可旋转驱动轴配合来使所述可旋转驱动轴围绕垂直于所述光束路径的所述第一部分的旋转轴旋转的电流计驱动构件，所述电流计驱动构件使所述可旋转驱动轴围绕所述旋转轴旋转，从而提供所述可旋转驱动轴在所选择的角位置之间的高速转变；以及 将光入射敏感光学元件的角度紧固至所述可旋转驱动轴，从而实现所述光入射敏感光学元件的角度围绕所述旋转轴的旋转，所述光入射敏感光学元件的角度包含平面光学薄膜，所述平面光学薄膜经定位以与所述光束路径的所述第一部分相交，以使得所述输入激光束以由所述可旋转驱动轴的角位置确定的入射角入射在所述平面光学薄膜上，所述平面光学薄膜从所述输入激光束产生沿着所述光束路径的第二部分向所述工件上的所述目标位置传播的偏振输出激光束，所述偏振输出激光束的特征为随所述输入激光束与所述平面光学薄膜之间的所述入射角而变化的强度，由所述电流计驱动构件提供的所述可旋转驱动轴的所述高速转变改变所述输入激光束与所述平面光学薄膜之间的所述入射角，由此实现所述偏振输出激光束的所述强度的高速变化。
2.根据权利要求I所述的方法，其中所述平面光学薄膜将所述输入激光束分成第一及第二光分量，由此产生所述偏振输出激光束，所述偏振输出激光束对应于所述第一光分量。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述平面光学薄膜通过透射所述第一光分量穿过所述平面光学薄膜并且通过使所述第二光分量从所述平面光学薄膜反射来将所述输入激光束分成所述第一及第二光分量。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括设置经定位以与从所述平面光学薄膜反射的所述第二光分量相交的激光收集元件，所述激光收集元件吸收所述第二光分量以抑制其到达所述工件。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述光入射敏感光学元件的角度是薄膜偏振器。
6.根据权利要求I所述的方法，其中所述光入射敏感光学元件的角度引入所述光束路径的所述第一与第二部分之间的光束偏移，所述方法进一步包括定位光束位移光学元件来与所述光束路径的所述第二部分相交，以使得所述偏振输出激光束入射在所述光束位移光学元件上，所述光束位移光学元件沿着所述光束路径的第三部分向所述目标位置传输所述偏振输出激光束的至少一部分，并且所述光束位移光学元件使所述光束路径的所述第三部分相对于所述光束路径的所述第二部分移置补偿所述光束路径的所述第一与第二部分之间的所述光束偏移的位移量。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述电流计驱动构件是第一电流计驱动构件，所述可旋转驱动轴是第一可旋转驱动轴，所述平面光学薄膜与所述输入激光束之间的所述入射角是第一入射角，并且所述旋转轴是第一旋转轴，所述方法进一步包括设置第二电流计驱动构件，所述第二电流计驱动构件与第二可旋转驱动轴配合来使所述第二可旋转驱动轴围绕垂直于所述光束路径的所述第二部分的第二旋转轴旋转，所述光束位移光学元件紧固至所述第二可旋转驱动轴以实现所述光束位移光学元件围绕所述第二旋转轴的旋转，并且所述第二电流计驱动构件使所述第二可旋转驱动轴与所述光束位移光学元件围绕所述第二旋转轴旋转来调整所述光束位移光学元件与所述偏振输出激光束之间的第二入射角。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述光束路径的所述第一与第二部分之间的所述光束偏移的程度随所述第一入射角而变并且所述光束路径的所述第二与第三部分之间的所述位移量随所述第二入射角而变，所述第二电流计驱动构件使所述第二可旋转驱动轴与所述光束位移光学元件围绕所述第二旋转轴旋转，由此响应于所述光束偏移的改变调整所述位移量。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述光束位移光学元件是经抗反射涂布的板。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述光束位移光学元件是薄膜偏振器。
全文摘要
本发明提供一种实现偏振输出激光束(103)的高速强度变化的方法，所述方法包含将光入射敏感光学元件(104)的角度紧固至提供所述光入射敏感光学元件的角度在不同角位置之间高速转变的电流计系统(200)。由所述电流计系统提供的所述高速转变使在输入激光束(102)与所述光入射敏感光学元件的角度之间的入射角θ1变化，由此提供由所述光入射敏感光学元件的角度产生的所述偏振输出激光束的强度的高速变化。
文档编号H01S3/101GK102934299SQ201180026750
公开日2013年2月13日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年4月2日
发明者杰恩·克雷能特 申请人:伊雷克托科学工业股份有限公司