表面改性用光束均化器的制作方法

本发明涉及表面改性用光束均化器，更详细地，涉及能够改善向对象照射激光束的过程中因高能量产生的问题点的表面改性用光束均化器。
背景技术：
广泛使用如同具有高斯分布的普通激光束，将光束的分布不均匀的光束转换为整体均匀的光束分布的光束均化器。参照图1，左侧为示出普通的激光束的分布，右侧为示出借助光束均化器均质化的激光束的分布。如图所示，由于普通激光束的分布整体上形成高斯形态，光束的分布不均匀，因此存在不适合使用于表面改性等对象的加工工序中的问题。因此，可使用光束均化器，用于将这种激光束以整体上具有均匀的分布的形态形成来适用于多种工序。而且，如图2所示，上述光束均化器包括用于对从激光束照射单元10照射的激光束进行均质化的光学部。例如，上述光学部可包括排列透镜20a、20b和光学透镜30，上述排列透镜20a、20b将入射的激光束分割成多个细光束(beamlet)并用于确定形状，上述光学透镜30使通过上述排列透镜20a、20b的细光束聚集在对象s表面。而且，像这样，可通过将被上述排列透镜20a、20b均质化的形态的细光束照射在对象表面，来执行表面改性。但是，据报告，在如上所述的现有光束的均质化过程中存在多种问题。首先，如图3所示，在排列透镜20a、20b之间可发生空气击穿(airbreakdown)现象。这是指，当在上述排列透镜20a、20b之间激光束聚焦时，因在狭窄的面积聚集了大量的能量而在空气中产生等离子体的现象。在这种情况下，由于激光束的高能量使空气进入等离子体状态，激光束的图像不能正常传递，因此存在不能生成所需强度的均匀的光束的问题。作为另一问题点，如图4所示，当基于激光束照射在对象s的表面时发生的等离子体的冲击波透射对象s的同时，作为对此的反作用弹出电子及离子，从而使聚光透镜30的涂敷变质或损坏的现象。尤其，在金属碎片p与电子及离子一起弹出的情况下，存在可能对聚光透镜30施加很大的损坏的问题。因此，需要用于解决如上所述的问题点的解决方法。技术实现要素：(发明所要解决的问题)本发明用于解决上述的现有技术的问题点而提出的，目的在于提供表面改性用光束均化器，可解决向对象照射激光束的过程中因高能量发生的多种问题点。本发明的技术问题并不局限于上面提及的技术问题，从以下描述中，本
技术领域：
的技术人员可以清楚地理解未提及的其他技术问题。(解决问题所采用的措施)用于解决上述目的的本发明的表面改性用光束均化器第一排列透镜，将从激光束照射单元照射的激光束分割成多个细光束，并包括确定上述激光束的形状的多个小透镜(lenslet)；第二排列透镜，使借助上述第一排列透镜来分割的多个细光束透射，并包括与上述第一排列透镜对应的多个小透镜；聚光透镜，使透射上述第二排列透镜的多个细光束聚光在对象的表面；以及等离子体发生防止部，设置于上述第一排列透镜与上述第二排列透镜之间，防止在上述细光束的焦点区域发生等离子体。而且，上述等离子体发生防止部可包括真空腔，上述真空腔设置于上述第一排列透镜及上述第二排列透镜之间且内部由真空气氛形成。并且，上述等离子体发生防止部可包括气室，以上述气室以至少包围上述细光束的焦点区域的方式形成，在内部收容具有大于空气的等离子体发生临界值的等离子体发生临界值的填充气体。而且，上述气室可包括第一框架，上述第一框架设置于上述第一排列透镜及上述第二排列透镜的两侧，用于屏蔽上述第一排列透镜与上述第二排列透镜之间的空间。并且，上述气室可包括第二框架，上述第二框架沿着与上述第一排列透镜及上述第二排列透镜并排的方向设置而成，与上述第一框架一同屏蔽上述第一排列透镜与上述第二排列透镜之间的空间，具有光束透射性。而且，上述填充气体可包含氦及氖中的至少一种。并且，用于解决上述目的的本发明的另一形式的表面改性用光束均化器可包括：第一排列透镜，将从激光束照射单元照射的激光束分割成多个细光束，并包括确定上述激光束的形状的多个小透镜；第二排列透镜，使借助上述第一排列透镜来分割的多个细光束透射，并包括与上述第一排列透镜对应的多个小透镜；聚光透镜，使透射上述第二排列透镜的多个细光束聚光在对象的表面；以及损坏防止部，设置于上述聚光透镜与上述对象之间，防止上述聚光透镜因上述多个细光束照射上述对象的过程中所发生的能量而损坏。而且，上述损坏防止部可包括外罩，上述外罩设置于上述细光束的照射途径，且内部形成有用于收容水的收容空间。并且，上述外罩可以倾斜形成，从上述聚光透镜越向上述对象方向，其截面积越少。而且，上述损坏防止部可包括：注入口，设置于上述外罩的前端部，向上述收容空间内部注入水；以及排出口，设置于上述外罩的后端部，排出上述收容空间的水，上述收容空间的水可从上述注入口向上述排出口方向流动。并且，可在上述收容空间内水的流动形成层流的范围下设定上述外罩前端的直径及后端的直径。(发明的效果)用于解决上述的技术问题的本发明的表面改性用光束均化器具有如下效果。第一，具有可防止在排列透镜之间因高能量而引起的空气击穿现象的优点。因此，可通过正确传递激光束的图像来生成所需强度的均匀的光束。第二，具有可通过基于激光束照射在对象的表面时发生的等离子体的冲击波反作用产生的电子、离子及对象的碎片来防止聚光透镜的变质或损坏的优点。本发明的效果并不局限于以上所提及的效果，从发明要求保护范围中，本
技术领域：
的技术人员可以清楚地理解未提及的其他效果。附图说明图1为分别示出普通激光束的分布和借助光束均化器均质化的激光束的分布的图。图2为示出光束均化器的各结构的图。图3为在现有的光束均化器中，示出在排列透镜之间发生空气击穿现象的形状的图。图4为在现有的光束均化器中，示出通过由激光束照射在对象的表面时发生的等离子体引起的冲击波的反作用电子、离子及对象的碎片弹向聚光透镜侧的图。图5为示出根据本发明的第一实施例的光束均化器的各结构的图。图6为示出根据本发明的第二实施例的光束均化器的各结构的图。图7为示出根据本发明的第三实施例的光束均化器的各结构的图。图8为示出根据本发明的第四实施例的光束均化器的各结构的图。图9为示出在各种气体包括空气下的空气击穿实验数据的曲线图。图10为示出根据本发明的第五实施例的光束均化器的各结构的图。图11为示出根据本发明的第六实施例的光束均化器的各结构的图。图12为示出在本发明的第六实施例的光束均化器中，根据流速的外罩的规格的图。具体实施方式以下，参照附图说明可具体实现本发明的目的的本发明的优选的实施例。在说明本实施例的过程中，对于相同的结构使用相同的名称及相同的附图标记，并省略其说明。如发明的
背景技术：
部分中所述，据报告现有的光束均化器具有两种问题点。其中之一是在排列透镜20a、20b之间发生空气击穿现象，另一种是当基于激光束照射在对象s的表面时发生的等离子体的冲击波透射对象s的同时，作为对此的反作用弹出电子及离子，从而使聚光透镜30的涂敷变质或损坏的现象。首先，为了减少空气击穿现象的风险，聚焦光束的大小必须很大，为此通过增加焦距或者增加排列透镜20a、20b的等分来减少小透镜的间距。但是，在这种情况下，存在最终生成的图像质量变差的问题。因此，为了提高图像质量，需要焦距既短又可防止空气击穿现象的方法。为此，本发明可包括提高图像质量的同时可防止空气击穿现象的等离子体发生防止部。上述等离子体发生防止部设置于多个排列透镜20a、20b之间，作为在细光束的焦点区域防止等离子体发生的结构要素，可由各种形态实现。以下，对具体实现上述等离子体发生防止部的本发明的各实施例进行说明。并且为了便于说明，在以下各实施例中，将激光照射单元所在的方向为前方，将对象所在的方向为后方。但是，当然本发明并不限定于如上所定义的方向。图5为示出根据本发明的第一实施例的光束均化器的各结构的图。如图5所示，根据本发明的第一实施例的光束均化器包括第一排列透镜20a、第二排列透镜20b、聚光透镜30、等离子体发生防止部。此时，上述等离子体发生防止部包括真空腔100。上述第一排列透镜20a将从激光束照射单元照射的激光束分割成多个细光束，尤其可包括确定上述激光束的形状的多个小透镜。例如，在小透镜的形状为四边形的情况下，最终生成的图像也为四边形。上述第二排列透镜20b与上述第一排列透镜10a隔开设置，使被上述第一排列透镜20a分割的多个细光束透射向聚光透镜30传递。并且，上述第二排列透镜20b可包括与上述第一排列透镜20a对应的多个小透镜。即，设置于上述第二排列透镜20b的小透镜的大小及数量与上述第一排列透镜20a的小透镜的大小及数量相同。上述聚光透镜30为将透射上述第二排列透镜20b的多个细光束聚光在对象s的表面的结构要素，通过上述聚光透镜30的多个细光束可与形成于对象s的表面的图像平面重叠并变得均匀。上述等离子体发生防止部设置于上述第一排列透镜20a与上述第二排列透镜20b之间，起到在上述细光束的焦点区域防止等离子体发生的作用。而且，在本实施例的情况下，上述等离子体发生防止部包括真空腔100，上述真空腔100设置于上述第一排列透镜20a与上述第二排列透镜20b之间且内部的空间102由真空气氛形成。即，上述真空腔100在上述第一排列透镜20a及上述第二排列透镜20b之间以包围多个细光束焦点区域的方式设置，并借助真空泵110等来使内部的空间102由真空气氛形成。像这样，在本实施例中，由于上述真空腔100的内部由真空气氛形成，细光束的聚焦的区域中空气分子变得稀薄，从而，因高输出光束而空气分子转换为等离子体状态的概率降低。因此，在本实施例的情况下，可有效防止空气击穿现象。另一方面，上述真空腔100不仅可由除了本实施例之外的多种形态形成，而且还可由各种方式适用保持内部的真空状态的方法。接着，对上述等离子体发生防止部的另一形态进行说明。图6为示出根据本发明的第二实施例的光束均化器的各结构的图。在图6中所示的本发明的第二实施例的情况下，上述等离子体发生防止部包括气室200的方式与前述的第一实施例不同。上述气室200以至少包围上述细光束的焦点区域的方式形成，内部收容有具有大于空气的等离子体发生临界值的等离子体发生临界值的填充气体g。即，在本实施例中，在气室200中填充可在各排列透镜20a、20b之间发生空气击穿现象的临界值高的特定填充气体g来防止等离子体发生。其中，对于上述填充气体g进行后述。尤其，在本实施例中，上述气室200设置于上述第一排列透镜20a及上述第二排列透镜20b的两侧，呈包括用于屏蔽上述第一排列透镜20a与上述第二排列透镜20b之间的空间第一框架202的形态。即，上述第一框架202借助上述第一排列透镜20a及上述第二排列透镜20b来内部空间被屏蔽，从而可向上述气室200内被供给填充气体g。另一方面，虽未图示，但是便于保持和维护，上述气室200可包括向上述气室200中注入及排出填充气体g的注入口及排出口。而且，图7为根据本发明的第三实施例的光束均化器的各结构的图，图8为示出根据本发明的第四实施例的光束均化器的各结构的图。首先，在图7中示出的第三实施例的情况下，与前述的第二实施例整体上相同。但是，上述气室200与上述第一排列透镜20a及上述第二排列透镜20b并排的方向设置，不同之处在于，还包括上述第一框架202的同时用于屏蔽上述第一排列透镜20a与上述第二排列透镜20b之间的空间的第二框架204。尤其，上述第二框架204以具有光束透射性的方式形成，从而可使激光束顺利进行。而且，在图8中示出的第四实施例的情况下，同样地，与第三实施例相同，气室200具有包括第一框架202及第二框架204的形态。但是，在本实施例的情况下，不同之处在于，第一框架202及第二框架204仅包围多个细光束焦点区域。在这种情况下，不仅可以小型化上述气室200，而且具有可使所供给的填充气体g的量最小化的优点。如上所述，可由多种形态来形成上述气室200，以下对可适用于各实施例的填充气体g进行说明。在图9中，示出在各种气体包括空气下的空气击穿实验数据的曲线图。尤其，在本实验中使用了发振248nm的krf激光。如曲线图所示，观察以1气压＝约1000mbar为基准可发生击穿的各气体的临界值，可确认氢、氦、氖大于空气的击穿临界值。尤其，看曲线图的整体趋向时，在氦和氖的情况下，击穿临界值明显高于1气压下的空气。在排列透镜20a、20b之间击穿临界值越高，在激光照射强度中也不会发生击穿现象。因此，作为可适用于各实施例的填充气体g，临界值与空气相比没有显著差异，且处理有爆炸风险的氢之外，可适用氦或氖。如上所述，本发明具有借助多种形态的等离子体发生防止部来防止空气击穿现象的同时，可提高图像质量的优点。以下，对用于防止当基于激光束照射在对象s的表面时发生的等离子体的冲击波透射对象s的同时，作为对此的反作用弹出电子及离子，从而使聚光透镜30的涂敷变质或损坏的现象的方法进行说明。图10为示出根据本发明第五实施例的光束均化器的各结构的图。如图10所示，本发明包括损坏防止部300，上述损坏防止部300设置于聚光透镜30与对象s之间，可通过借助多个细光束照射在上述对象的过程中所发生的能量来防止上述聚光透镜30损坏。而且，上述损坏防止部可包括外罩302，上述外罩302设置于上述细光束的照射途径，且内部形成有用于收容水w的收容空间。像这样，在上述聚光透镜30与对象s之间填充水w的情况下，水起到惯性篡改层(inertialtamperinglayer)作用，使因激光束发生的热量急速冷却，并可减少对象s的内部应力。即，水w通过暂时困住激光表面改性时可发生的等离子体来有助于对对象s表面施加压力，且可防止由电子、离子及碎片引起的聚光透镜30的损坏和图像质量降低。在本实施例的情况下，上述外罩302呈屏蔽整个上述对象s与上述聚光透镜30之间区域的形态，因此，可使覆盖整个激光束的进行途径。图11为示出本发明的根据第六实施例的光束均化器的各结构的图。在图11中示出的本发明的第六实施例的情况下，与前述的第五实施例相同，损坏防止部300包括用于收容水w的外罩302，上述外罩302的具体形状不同，并且不同之处在于上述水w以一方向流动。具体地，在本实施例中，上述外罩302倾斜形成，以使从上述聚光透镜30朝向上述对象s方向截面积减少，在前端部形成有向收容空间内部注入水的注入口310，后端部形成有将上述收容空间的水排出的排出口320。从而，上述收容空间的水w可从上述注入口310流向上述排出口320方向。尤其，在本实施例中，上述注入口310形成于上述外罩302的前端部周围并使水w从侧方向流入，上述排出口320形成于上述外罩302的后端部周围并使水w通过上述外罩302与上述对象s之间来从侧方向排出。此时，上述外罩302可呈圆形截面，如图12所示，其具体的规格，即，上述外罩302前端的直径d1及后端的直径d2可在上述收容空间中水的流动形成层流(laminarflow)的范围下设定。这是因为，通过使在上述收容空间中流动的水w流动均匀，来将细光束的照射也均匀地形成，从而提高图像质量。为此，上述外罩302前端的直径d1及后端的直径d2可利用雷诺数(reynoldsnumber)来导出。上述雷诺数是指区分层流(laminarflow)及湍流(turbulentflow)的无量纲数，如下述表所示，在2300以下的情况下可判断为层流。re<2300层流2300<re<4000湍流4000<re湍流并且，上述雷诺数可通过如下所示的数式来导出。另一方面，根据质量守恒方程(mass-conservationequation)a1v1＝a2v2(a:截面积，v：流速)，整理上述式，代入质量守恒方程式根据如下过程导出对应于外罩302前端的直径d1的外罩302后端的直径d2。对于下面描述的过程，例示将外罩302前端的直径d1设定为3cm的情况。d1＝3cm而且，通过上述过程，根据水w的流速导出的外罩302后端部直径d2如下。v1[cm/s]123456d2，min[cm]0.450.91.41.82.42.7即，假设形成注入口310的外罩302的前端部直径d1为3cm的情况下，随着将外罩302前段部中的水w的速度从1cm/s增加到6cm/s，形成有排出口320的外罩302后端部中的流速v2也发生变化，由此可导出使雷诺数为2300以下的最小外罩302后端部的直径d2。结果，在本实施例中，外罩302的规格可在上述收容空间中的水的流动形成层流的范围下设定。如上所述，本发明可有效防止当基于激光束照射在对象s的表面时发生的等离子体的冲击波的反作用聚光透镜30使聚光透镜30的涂敷变质或损坏的现象。如上所述，观察了根据本发明的优选的实施例，除了以上说明的实施例之外，对于本
技术领域：
的普通技术人员而言，在不脱离本发明的要旨或范畴下，还可由其他特定形态具体化的事实是显而易见的。因此，应理解的是，上述的实施例是例示性的而非限制性的，因此，本发明并不限定于上述的说明，还可根据所附的发明要求保护范围及其等同范围下进行变更。(附图标记的说明)10：激光束照射单元；20a：第一排列透镜；20b：第二排列透镜；30：聚光透镜；100：真空腔；110：真空泵；200：气室；202：第一框架；204：第二框架；300：损坏防止部；302：外罩；310：注入口；320：排出口；s：对象；g：填充气体；w：水。当前第1页12