TW201523706A - 模組化雷射設備 - Google Patents

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Abstract

本發明關於雷射設備，其包括複數雷射模組，各雷射模組均在工作平面中產生雷射線，複數雷射模組並列以致於由複數雷射模組產生的雷射線合併成單一雷射線，複數雷射模組中的各雷射模組包括：至少一雷射線產生機構，用於產生雷射線；以及雷射線整形機構，用於將雷射線整形，設備特徵在於雷射線整形機構包括微透鏡陣列，以致於由各雷射模組產生的最後雷射線在工作平面中具有功率密度輪廓，功率密度輪廓具有在最大功率密度的90%之寬度(L90)以及在最大功率密度的10%之寬度(L10)，L90/L10比例是在1/15與1/5之間。

Description

模組化雷射設備
本發明係關於大寬度基底的雷射退火設備，該設備包括由眾多並列的雷射模組形成，但無特別限定。
已知對沈積於平坦基底上的塗層執行局部快速雷射退火(雷射快閃加熱)。為達成此點，具有要被退火的塗層之基底會在雷射線下行進，或是雷射線在具有塗層的基底上行進。
雷射退火允許薄塗層被加熱至約數佰度的高溫，並保護下方基底。進行速度較佳的當然是儘可能高，有利的是至少每分鐘數米。
本發明特別關於使用雷射二極體的雷射。從價格及功率的觀點而言，雷射二極體是目前最佳的雷射源。
為了取得高行進速度實施的處理所需的每單位長度之功率，希望將很大量的雷射二極體之輻射集中於單一雷射線。在具有要退火之塗層的基底處，此雷射線的功率密度一般必須儘可能均勻，以致於使基底的所有點曝露於相同 的退火能量。
此外，將希望能夠高速地處理大寬度的基底，例如漂浮法製造的「巨型」(6m×3.21m)平板玻璃片。取得很長的雷射線之有關問題在於要製造一系統，所述系統允許雷射模組並列以致於線的長度可以隨意增加並避免需要單石光學組件而只要線本身。
已思及這些模組化雷射設備。因此，美國專利US 6,717,105揭示具有很簡單的設計之模組化雷射設備。在此雷射設備中，各模組(雷射振盪器1a、1b、1c)產生雷射光束，雷射光束在被整形之後由鏡(4a、4b、4c)以雷射線形式反射及投射而以直角進入基底(5)。用於將雷射光束整形的機構(3a、3b、3c)設計成在與基底交會處形成具有高頂帽形功率密度輪廓之雷射線，在高帽形功率密度輪廓中，具有很寬的中央部份，在陡斜下降側之此高頂的任一端，功率密度高且固定(請參見US 6,717,105的圖5)。藉由將陡峭側重疊以致產生具有儘可能均勻的功率密度分佈之單一結合線，而產生所述輪廓。
但是，產生此型式的高頂帽雷射線輪廓之雷射模組對於模組彼此相對定位時造成之可能誤差非常靈敏。具體而言，在疊加的橫向區中斜坡的高陡峭度意指假定模組之間的間隔太大時，在接合處容易形成功率密度裂縫，相反地，太緊密間隔的模組將導致功率密度過高之接合區。
申請人觀察到，藉由使設備的模組配備有微透鏡為基礎的、雷射線整形的光學系統，能夠將模組化雷射設備的靈敏度顯著地降低至各別雷射模組的定位誤差，所述光學系統未如先前技術的情形一般地產生「高頂帽」功率密度輪廓，相反地，「女巫帽」型輪廓，亦即，接近三角形且具有從其中心至其端部之穩定下降坡之輪廓。
本發明的標的是雷射設備，包括眾多雷射模組，各雷射模組均在工作平面中產生雷射線，這些雷射模組並列以致於由這些模組產生的雷射線合併成單一雷射線，各雷射模組包括：-至少一機構，用於產生雷射線，較佳地是雷射二極體線性陣列；以及-雷射線整形機構，用於將雷射線整形該設備特徵在於雷射線整形機構包括第一線性陣列微透鏡、聚光透鏡及設於聚光透鏡中的聚焦平面中之第二線性陣列微透鏡，以致於最終雷射線在工作平面中具有功率密度輪廓，所述功率密度輪廓具有最大功率密度的90%之寬度(L90)以及最大功率密度的10%之寬度(L10)，比例L90/L10是在1/15與1/5之間，較佳地在1/12與1/7之間，特別是在1/10與1/8之間。
因此，與先前技術相反，在本發明中，未尋求製造均發射具有包含儘可能大的有用功率高原的功率密度輪廓之雷射線的雷射模組。相反地，其尋求降低高功率中心區(L90)的程度至小於模組的雷射線的總長度的20%，較 佳地小於50%以及特別地小於10%，以及也降低最大功率區的任一側上的坡度值。這是因為各模組發射的功率密度輪廓之二側的坡度愈低，則當定位模組時造成的任何誤差對由線性陣列模組形成的結合功率密度輪廓的影響愈小。由各模組產生的線之功率輪廓的理想形狀因而是具有等於最大功率的高度(h)以及等於雷射線的長度之底部(b)。
理想上，功率密度輪廓的側邊的坡度因而等於此三角形的坡度(2h/b)。
但是，真實的功率密度輪廓與嚴格的三角形狀稍微不同。
較佳地，由各雷射模組產生的最終雷射線在工作平面中具有功率密度輪廓，所述功率密度輪廓在雷射線的中心具有最大功率密度，所述功率密度從中心穩定地下降至線的端部，下降坡度與具有相同的L10與L90之完美三角形輪廓的坡度相差最多20%，較佳地相差10%。所述之「下降坡度」於此代表在等於雷射線的長度的1/50之長度上觀察到的平均坡度。
雷射模組並列以致於導因於所有個別功率密度輪廓的總合之合併的雷射線之功率密度輪廓是具有代表設備的合併雷射線之總長度的至少90%之中央區的高頂帽輪廓，在該區中，功率密度最多變化10%，較佳地5%以及特別有利的是最多1%。
在本發明的設備中，各模組的三角輪廓的有用功率區 的小寬度(L90)由二相鄰模組產生之個別雷射線的很大重疊補償。
具體而言，為了從個別的三角形「女巫帽」輪廓產生高頂帽合併輪廓，對於最終輪廓的幾乎所有點不可少的是導因於增添部份地重疊之至少二個別輪廓。
在本發明的較佳實施例中，雷射模組並列以致於由雷射模組產生的雷射線之各端位於相鄰模組所產生的雷射線之中心的極近處。因此，在功率密度是固定之合併輪廓的中心部份中，雷射線的各點較佳地由二不同的鄰近雷射模組分別產生的二三角形雷射輪廓中的某些形成。
此合併輪廓的方式相當不同於先前技術中使用的方式，在先前技術中，通常尋求產生及合併眾多個別的「高頂帽」輪廓，其中，個別輪廓的重疊區通常不代表比數個百分比之雷射線的總長度還多。
在本發明的設備的一實施例中，其中，n個均產生具有實質三角形的功率密度輪廓之長度Li的雷射線之模組並列，以形成單一「高頂幅」輪廓(請參見圖1)，此單一線的總長度(Lg)等於Lg=(n+1)×0.5Li。
整體長度Lg因而較佳地等於各別模組個別地產生的雷射線之長度的一半之倍數。
從先前技術中可知道允許雷射線被給予高頂帽功率密度輪廓之透鏡系統。舉例而言，在專利申請案US 2012/0127723中，說明此系統。其包括與尺寸較大的聚光 鏡(5)結合之第一微透鏡陣列(4)，各聚光鏡(5)均從眾多微透鏡接收光。在聚焦平面(8)，各聚光鏡均產生高頂帽功率密度輪廓(9)，高頂帽功率密度輪廓(9)具有相當寬的中央部份以及具有相當陡峭的坡度之下降側(10)。
在本發明中，允許取得三角形輪廓之微透鏡陣列設於形成高頂帽功率密度輪廓之聚光鏡的聚焦平面中。微透鏡陣列包括N個具有聚焦長度D之圓柱微透鏡的線性陣列。
如同參考圖1之下述說明所述般，由此線性陣列微透鏡整形之雷射線的功率密度輪廓隨著相對於微透鏡陣列之距離而變。在線性微透鏡陣列的極近處，其為高頂帽形狀。隨著離開線性陣列的距離，其在形狀上變得愈來愈是三角形。
如同所知般，藉由下述公式，可以計算其具有三角形的確切距離(D)：D=N×F其中，假定相對於微透鏡陣列與形成高頂帽功率密度的聚光鏡之間的距離，微透鏡陣列具有可忽略的尺寸，N代表微透鏡的數目，以及，F代表各微透鏡的焦距。
有利地，工作平面(基底)設於等於D±15%的距離，較佳地等於D±5%的距離，理想上精確地在離線性微透鏡陣列之距離D。
對於習於此技藝者而言，當然能夠及容易地藉由上述 公式而選取適用於在給定距離D取得三角形功率密度輪廓之線性陣列透鏡。
本發明的模組化雷射設備較佳地包括至少5個模組，特別是至少10個模組。
雷射模組有利地並列，以致於產生的雷射線合併成總長度大於1.2m、較佳地大於2m、特別是大於3m之單一雷射線。
考慮具有3.21m的寬度之「巨型」基底的雷射處理，在功率密度實質上固定之雷射線的中央部份較佳地具有在3.20與3.22m之間的長度。
此外，雷射模組組合及安裝於雷射設備上，以致於產生的雷射線以小角度、典型上相對於基底的法線為小於20°及較佳地小於10°，切割基底、或是工作平面。設備可以設計成雷射模組維持固定的，而要處理的基底在線性陣列模組之下方或上方行進，通常是在垂直於雷射線的主軸之方向上。關於變異，設備可以設計成基底維持固定，而雷射模組的線性陣列在基底上方或下方行進並將雷射線投射於其上。
1‧‧‧線性陣列微透鏡
2‧‧‧聚光鏡
3‧‧‧第二線性陣列微透鏡
4‧‧‧聚焦平面
5‧‧‧點
6‧‧‧線
現在，將參考附圖，說明本發明，其中：圖1是光學系統的說明圖，所述光學系統允許取得具有三角形功率密度輪廓之雷射線；以及圖2說明如何合併眾多三角形功率密度輪廓以取得具 有高頂帽形狀的合併輪廓。
在圖1中，線性陣列微透鏡1及聚光鏡2在後者的聚焦平面4中造成具有高頂帽密度輪廓A的雷射線。第二線性陣列微透鏡3精準地設於聚光鏡2的聚焦平面4中。線性陣列微透鏡3的各透鏡產生首先收歛、然後發散於焦點之外的光束。位於線性陣列微透鏡的端部之二微透鏡的光束在點5交會。雷射線的二最外邊光束交會的此點5位於直線6上，平行於線性陣列微透鏡3，其中，雷射線的功率密度輪廓具有三角形輪廓B。此直線6是在離線性陣列微透鏡3距離D處。要處理的基底(未顯示)必須設置成直線6位於該基底的平面中。在大於D的距離D’處，功率密度輪廓C的形狀再度地趨近高頂帽的形狀。
設於聚光鏡2的聚焦平面中的雷射線整形機構(包括第一線性陣列透鏡1、聚光鏡2及第二線性陣列3)，在設於線性陣列微透鏡1的一或更多微透鏡之後的一或更多個別雷射源故障的情形中，會保護系統免於照射強度均勻性的缺陷。具體而言，源於模組的所有雷射源之光會混合於聚光鏡2中，然後由陣列透鏡3整形。設於第一線性陣列的微透鏡之微透鏡之後的雷射二極體故障會造成雷射線的功率降低，但是，不會造成強度均勻性缺陷。
圖2顯示根據本發之由並列的四模組(未顯示)產生的四雷射線的功率密度輪廓1a、1b、1c、1d。四輪廓在形 狀上相同。各輪廓均具有最大的功率密度2、在90%的最大功率密度之寬度L90、以及在10%的最大功率密度之寬度L10。虛線輪廓3對應於導因於個別三角形輪廓的添加之功率密度輪廓。此輪廓具有高頂帽形狀。雷射模組(未顯示)設置成在整體輪廓3的高原部份中，輪廓的各點導因於二相鄰雷射模組的輪廓之添加。
1‧‧‧線性陣列微透鏡
2‧‧‧聚光鏡
3‧‧‧第二線性陣列微透鏡
4‧‧‧聚焦平面
5‧‧‧點
6‧‧‧線

Claims (7)

  1. 一種雷射設備，包括複數雷射模組，各雷射模組均在工作平面中產生雷射線，該複數雷射模組並列以致於由該複數模組產生的雷射線合併成單一雷射線，該複數雷射模組中的各雷射模組包括：至少一雷射線產生機構，用於產生雷射線；以及雷射線整形機構，用於將該雷射線整形，該設備特徵在於該雷射線整形機構包括第一線性陣列微透鏡(1)、聚光鏡(2)、及設於該聚光鏡(2)的聚焦平面中之第二線性陣列微透鏡(3)，以致於由各雷射模組產生的最後雷射線在工作平面中具有功率密度輪廓，該功率密度輪廓具有在最大功率密度的90%之寬度(L90)以及在該最大功率密度的10%之寬度(L10)，L90/L10比例是包括在1/15與1/5之間，以及，該複數雷射模組並列以致於由該複數模組產生的該雷射線合併成具有大於1.2m的總長度之單一雷射線。
  2. 如申請專利範圍第1項之雷射設備，其中，該L90/L10比例是包括在1/12與1/17之間，較佳地在1/10與1/8之間。
  3. 如申請專利範圍第1及2項中任一項之雷射設備，其中，由各雷射模組產生的該最終雷射線在工作平面中具有在該雷射線的中心具有最大功率密度之功率密度輪廓，該功率密度從該線的該中心至端部降低，該降低的坡度與具有相同的L10和L90之完美三角形輪廓的坡度最多 相差20%、較佳地相差10%。
  4. 如申請專利範圍第1項之雷射設備，其中，該複數雷射模組並列，以致於導因於所有個別的功率密度輪廓之總合的該合併的雷射線之該功率密度輪廓是具有代表該設備的該合併雷射線的總長度的至少90%之中央區之高頂帽輪廓，在該區中，該功率密度最多變化10%、較佳地最多5%、及特別有利的是最多1%。
  5. 如申請專利範圍第1項之雷射設備，其中，該雷射模組並列，以致於由雷射模組產生的雷射線的各端部位於該相鄰模組產生的該雷射線之中心的極近處。
  6. 如申請專利範圍第1項之雷射設備，其中，該雷射設備包括至少5模組、較佳地至少10模組。
  7. 如申請專利範圍第1項之雷射設備，其中，該雷射模組並列，以致於由該複數模組產生的該雷射線合併成總長度大於2m、特別是大於3米之單一雷射線。
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