АДАПТИВНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА Российский патент 2023 года по МПК B23K26/67 G01J1/42 

Область техники, к которой относится изобретение

[1] Изобретение относится к области адаптивного формирования пучка когерентного или частично-когерентного излучения при параллельном прямом структурировании, микроструктурировании и расщеплении пучка, а также для машинной обработки материалов в промышленности, с применением фазомодулирующего пространственного модулятора света (ПМС) для формирования пучка.

Уровень техники

[2] Ниже указан ряд публикаций, описывающих уровень техники изобретения.

[3] Способы адаптивного формирования пучка лазерного излучения посредством пространственных модуляторов света (ПМС) раскрыты в относительно небольшом числе публикаций профессиональной и научной литературы. Одной из наиболее примечательных публикаций в данной области является работа [SIL13] (см. раздел «Литература» в конце описания) Матти Силвеннойнена (Matti Silvennoinen) от 2014 года. Для раскрытого в ней способа действия характерно следующее:

• применение ультракоротких импульсов излучения (ширина импульса <500 пс);

• применение фазомодулирующего ПМС для формирования пучка;

• прямое структурирование посредством отображения множества частичных пучков, фокусируемых в промежуточной плоскости (плоскости Фурье); и

• применение замкнутого контура для итеративного определения фазы и ее отображения на дисплее ПМС, причем алгоритм замкнутого контура (3K) выполнен с возможностью измерения распределения выходного пучка в каждом цикле итерации посредством съемочной камеры и повторного ввода его, в качестве входных данных, в итеративный алгоритм фазового расчета. Указанные алгоритмы будут обозначаться в настоящем документе аббревиатурой «3K».

[4] Раскрытый способ действия требует, чтобы выходное распределение или профиль первичного лазерного пучка был известен в месте расположения дисплея ПМС. Его измерение требует по меньшей мере дополнительных усилий и времени, а также изменения оптической схемы тракта пучка, что является недостатком с производственной точки зрения.

[5] Характер раскрытой схемы недостаточно монолитен, а именно - частичный вывод пучка для измерения съемочной камерой, что является существенным для 3К, является частью конечной оптической группы и происходит у последнего наклонного зеркала. Поэтому оптическая схема и способ ее эксплуатации являются недостаточно гибкими. Адаптивное формирование пучка может быть реализовано только для системы микроструктурирования целиком, но не для пучка как такового. К сожалению, в случае промышленного применения данная характеристика является настоящей проблемой, которую трудно преодолеть, так как концепцию системы необходимо приспосабливать под каждое конкретное задание на механическую обработку и останавливать производство на этот период.

[6] Кроме того, в системе не применяется преобразующая линза для создания промежуточного распределения, которое, в свою очередь, можно проецировать в уменьшенном масштабе. Промежуточное распределение получается путем добавления сферических фазовых составляющих к исходному фазовому распределению, воспроизводимому на ПМС, и действует как виртуальная линза. Это обеспечивает преимущество, состоящее в том, что недифрагированные компоненты пучка не будут собраны в нулевом порядке, а будут распределены по всему выходному распределению, благодаря чему их затмят другие компоненты - по меньшей мере, в большинстве случаев распределения интенсивности. Недостаток данного способа состоит в том, что некоторая информация может быть потеряна в фазовом представлении; см. Фиг. 3А в [SIL13]. Это происходит из-за возрастания пространственных частот в фазовом представлении в направлении границ, обусловленного сферическим слагаемым, до тех пор, пока они не превысят разрешение дисплея ПМС. Это также устанавливает нижний предел фокальной длины этих сферических слагаемых, составляющий приблизительно 500 мм для размера пикселя 20×20 мкм². До этого нижнего предела фокальной длины, дисплей ПМС не содержит полезной фазовой информации, в связи с чем возрастает выдача содержимого нулевого порядка. В этом состоит противоречие с изначально указанным преимуществом. Кроме того, потеря информации в направлении границ может быть причиной неупорядоченной дифракции лазерного излучения, когда дифракция излучения происходит под углами, не обусловленными исходным периодом решетки, и не может быть скорректирована с помощью 3К.

[7] В [ВЕС11] раскрыта еще одна разработка, также представляющая собой способ на основе 3К для расщепления пучка. Способ называется «Модифицированный итеративный алгоритм преобразования Фурье» (МИАПФ, англ. modified iterative Fourier-transformation Algorithm (MIFTA)). Способ можно описать следующим образом:

• выводят часть пучка после преобразующей линзы посредством расщепителя пучка с низким коэффициентом расщепления, затем измеряют ее посредством камеры на приборах с зарядовой связью (ПЗС-камеры, англ. charge coupled device (CCD) camera) и применяют в качестве вводных данных для цикла итерации МИАПФ;

• применяемая схема является монолитной и обеспечивает возможность расщепления пучка на отдельные подпучки, независимые от лазерной схемы как таковой; и

• пучки полученных профилей проецируют в уменьшенном масштабе на поверхность подложки для достижения прямого микроструктурирования.

[8] В указанной схеме применяют только наносекундное лазерное излучение. Публикация умалчивает о том, применим ли раскрытый способ действия и к ультракороткоимпульсному лазерному излучению. Ультракороткоимпульсное лазерное излучение, т.е. пико- и фемтосекундное лазерное излучение может проявлять себя по другому на оптических решетках из-за более короткой зависящей от времени длины когерентности и большей ширины полосы частот при дифракции на оптических решетках.

[9] Дисплеем применяемого ПМС управляют бинарным способом, следствием чего является колебание жидких кристаллов вокруг их оси вращения, в связи с чем происходит изменение фазового положения лазера со временем, что, в свою очередь, влияет на результат механической обработки. Согласно публикации, решение данной проблемы состоит в выполнении множества воздействий и в сдвигании фазового положения в промежутке между воздействиями перпендикулярно направлению распространения лазерного пучка. Данное решение существенно увеличит продолжительность обработки, так как диапазон частоты смены кадров ПМС составляет только несколько десятков Гц, что значительно сужает область промышленного применения из-за увеличения продолжительности структурирования на несколько порядков, делая невозможным структурирование посредством излучения.

[10] Указанную схему можно применять только для получения реальных промежуточных распределений из-за наличия только одной преобразующей линзы. Физическое разнесение каждого из множества частичных главных пучков невозможно из-за наличия единственной преобразующей линзы. В случае удаления единственной преобразующей линзы, одновременное отслеживание создаваемого выходного распределения стало бы невозможно.

[11] В документах [KUA08], [KUA09], [KUA09_2] и [JIN15] исследователи, работающие с Чжень Куаном (Zhen Kuang) и Уолтером Перри (Waiter Perrie), раскрывают несколько вариантов применения фазомодулирующих ПМС для параллельного микроструктурирования. В этих работах авторы применяют:

• ультракоротко импульсный лазер для микроструктурирования;

• фазомодулирующий ПМС с пикселями, управляемыми аналоговыми сигналами;

• схему с проекцией промежуточных распределений или распределений поля в дальней зоне в уменьшенном масштабе;

• светорасщепляющие фазовые решетки; и

• раскрывают то, как можно применять указанные методики с разнообразными материалами и источниками излучения для модифицирования и структурирования поверхностей.

[12] Во всех раскрытых примерах применяют фазовые решетки, расщепляющие пучки с коэффициентами менее 1:200. Это может быть связано с тем, что, в случае ультракороткоимпульсного излучения, распределение мощности в частичных пучках в реальном выходном распределении, получаемом посредством ПМС на основе технологии LCoS («жидкие кристаллы на кремнии», англ. Liquid Crystais on Silicon), отлично от теоретического распределения. Это приводит к снижению точности съема в глубине между областями, подвергаемыми параллельной механической обработке. Истоки данного явления до сих пор не изучены. Предполагается, что возможно перекрытие фазовой информации или перекрестные помехи между пикселями дисплея ПМС, а также особый характер когерентности применяемого лазерного излучения. Так как данные ошибки до сих пор полностью не изучены, их невозможно компенсировать во время расчета фазовых значений. В случае необходимости более высоких коэффициентов расщепления и большей надежности в части интенсивностей съема материала между пучками, необходимо применение контура управления по измеренному профилю пучка в качестве входного значения.

Лазерная микрообработка

[13] Лазерная микрообработка позволяет осуществлять быструю и гибкую механическую обработку фотошаблонов, фотооригиналов и модифицирование специфических поверхностей, а также фокусированную механическую обработку некоторых твердых веществ пико- и фемтосекундным лазерным излучением, т.е. так называемым «ультракороткоимпульсным» излучением. Дополнительным преимуществом применения ультракоротких импульсов является широкий спектр материалов, пригодных для механической обработки. Таким образом, можно создавать микронные и субмикронные структуры, в частности - в стеклах, металлах, металлоидах, твердых покрытиях и пластмассах.

[14] Для создания наименьших из возможных не-самоорганизующихся структур с помощью лазерного излучения, обычно применяют единственный резко сфокусированный пучок со сравнительно большой расходимостью. Возникающие в результате сравнительно высокие максимумы интенсивности в фокальной плоскости позволяют создавать такие структуры с энергиями импульсов в наноджоулевом диапазоне вплоть до нижнего микроджоулевого диапазона. Для применения данной технологии с промышленными скоростями механической обработки обычно использовали подход, состоящий в увеличении частоты повторения импульсов и скорости подачи в системах проведения пучка. В качестве альтернативы, возможно применение адаптивного формирования пучка с использованием высокоэнергетических импульсов; ПМС проявили себя эффективными для данной цели. Фазовые решетки, применяемые к дисплею, расщепляют пучок на сотни или тысячи частичных пучков, тем самым обеспечивая возможность параллельной механической обработки ([SIL13]). При этом был выявлен ряд факторов, влияющих на качество создаваемой голограммы и не ограниченных только качеством алгоритма фазового расчета. Такими факторами, например, являются рассеяние и отклонение оптической проекции в случае дисплеев типа LCoS из-за большой ширины полосы частот при применении фемтосекундных лазеров ([KUA09]; [JES1Q]; [HAS07]; [RON12]). Это также ограничивает практически достижимые скорости механической обработки и, в зависимости от схемы, также может быть причиной невозможности использования полной энергии лазерных импульсов и/или того, что достижимая точность параллельной механической обработки ниже по сравнению с однофокусной последовательной механической обработкой.

Прочие нерешенные проблемы, относящиеся к микроструктурированию ультракороткоимпульсным излучением

[15] Один из возможных путей увеличения относительной площади с помощью высокоэнергетических импульсов состоит в применении фотошаблонов и равномерного профиля пучка с плоской вершиной и в проецировании получаемого в результате распределения в уменьшенном масштабе. Однако зачастую профили пучков невозможно сделать равномерными или можно сделать равномерными только за долгий срок. В этом случае потребовался бы оптический гомогенизатор, предусматривающий наличие стабильного и определенного профиля пучка. Однако на практике профили пучков лазеров с ультракороткими высокоэнергетическими импульсами нестабильны во времени и очень часто имеют слишком большое отклонение от идеального гауссова профиля. Кроме того, изготовление фотошаблона и смена фотошаблона в ходе структурирования требует дополнительного времени.

[16] ПМС просто обеспечивают возможность ускорения смены фотошаблона. Фазомодулирующие ПМС также обеспечивают возможность влияния на профиль пучка лазера. Это позволяет программировать профили пучка и переключаться от одного к другому за доли секунды. Однако создаваемые выходные распределения зачастую отличаются от теоретически спрогнозированных. Применение контура управления, измеряющего создаваемый профиль выходного пучка, позволяет решить проблему фазовой погрешности и создавать профили пучков с возможностью применения для точного параллельного микроструктурирования.

[17] Большинство из известных на сегодняшний день схем данного типа существенно ограничивают функциональные возможности лазерной системы и зачастую выполняют только один конкретный тип механической обработки. Также до сих пор отсутствуют серийно производимые устройства, способные преодолеть погрешность в выходном распределении, возникающую из-за ошибочного фазового представления и низкого качества первичных лазерных пучков. В большинстве случаев также нужно указывать текущий вводный профиль пучка в качестве граничного условия для способов расчета, применяемых в таких схемах, несмотря на то, что было выявлено, что в этом нет необходимости. В оптимизированной схеме, в случае возникновения погрешности в выходном распределении из-за ошибочного входного распределения, она была бы устранена автоматически алгоритмом замкнутого контура. Данный факт можно учесть для создания монолитной электронной схемы типа «черный ящик» (англ. black box) с возможностью реализации разнообразных функций по расщеплению пучка / его формированию для первичного пучка любого типа и независимо от лазерного источника.

Сущность изобретения

[18] Согласно первому аспекту изобретения, предложен способ адаптивного расщепления по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС). Способ включает этапы, на которых создают частично когерентный первичный световой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, создают желаемое распределение поля в дальней зоне, не зависящее от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе первичного светового пучка с помощью пространственного модулятора света (ПМС), при этом первичный когерентный световой пучок направляют для отражения на отображающем элементе пространственного модулятора света, тем самым предотвращая формирование первичного когерентного светового пучка каким-либо движущимся элементом, выводят из первичного светового пучка, после прохождения им пространственного модулятора света, контрольный пучок и главный пучок, направляют распределение поля в дальней зоне, созданное ПМС в контрольном пучке, на сенсорную поверхность съемочной камеры и измеряют контрольный пучок посредством съемочной камеры. В первом варианте способ включает этапы, на которых проводят первичный пучок через первый фокусирующий элемент, выполненный с возможностью генерирования распределения поля в дальней зоне в главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения, и проецируют распределение поля в дальней зоне в контрольном пучке на сенсорную поверхность посредством первого фокусирующего элемента. Во втором варианте способ включает этапы, на которых проводят контрольный пучок через второй фокусирующий элемент, выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне только на сенсорную поверхность. И в первом, и во втором вариантах способ дополнительно включает этапы, на которых обеспечивают соответствие динамическому диапазону съемочной камеры посредством регулятора переменной интенсивности для управления интенсивностью входного контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности главного пучка, и конфигурируют замкнутый контур для обеспечения возможности фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, при котором выходной сигнал от съемочной камеры вводят в замкнутый контур для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого контроллером. При этом в первом варианте применяют первый фокусирующий элемент без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте применяют второй фокусирующий элемент без применения первого фокусирующего элемента.

[19] В предпочтительном варианте осуществления способ дополнительно включает этапы, на которых осуществляют структурирование твердой поверхности посредством главного пучка и управляют структурированием путем настройки пространственного модулятора света для получения определенного профиля для первичного светового пучка.

[20] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением первого варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента для этапа, на котором осуществляют структурирование твердой поверхности, так, чтобы фокальная плоскость соответствовала твердой поверхности.

[21] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением первого варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента так, чтобы она соответствовала промежуточной плоскости, и отображают промежуточную плоскость в уменьшенном масштабе на твердую поверхность посредством проецирующей оптической схемы.

[22] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением второго варианта, на этапе, на котором осуществляют структурирование, применяют распределение поля в дальней зоне для получения структур на твердой поверхности путем проецирования распределения поля в дальней зоне на твердую поверхность посредством фокусирующей оптической схемы.

[23] В другом предпочтительном варианте осуществления на этапе, на котором осуществляют выведение, применяют элемент расщепления пучка. Способ дополнительно включает этапы, на которых: объединяют элемент расщепления пучка, первый и второй фокусирующие элементы, пространственный модулятор света, регулятор переменной интенсивности и съемочную камеру в единый компактный корпус, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный когерентный световой пучок, осуществляют переключение между первым вариантом и вторым вариантом посредством устройства управления и регулируют регулятор переменной интенсивности посредством устройства управления.

[24] В другом предпочтительном варианте осуществления с применением второго варианта, способ дополнительно включает этапы, на которых: расщепляют первичный световой пучок на множество частичных главных пучков посредством пространственного модулятора света, индивидуально регулируют несколько из множества частичных главных пучков, углы разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света, и распределение интенсивности между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления. Распределением интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков управляют посредством контроллера, также выполненного с возможностью управления индивидуальным генерированием для каждого из множества частичных главных пучков, пространственного модулятора света и первичного светового пучка. Способ также включает в себя этап, на котором осуществляют структурирование твердой поверхности посредством множества частичных главных пучков.

[25] В другом предпочтительном варианте осуществления твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитные материалы, кожа.

[26] В другом предпочтительном варианте осуществления твердая поверхность представляет собой часть рабочего инструмента.

[27] В другом предпочтительном варианте осуществления рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.

[28] Согласно второму аспекту изобретения, предложено устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления целевого по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС), причем целевой частично когерентный первичный световой пучок представляет собой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер. Устройство содержит пространственный модулятор света, выполненный с возможностью создания желаемого распределения поля в дальней зоне, не зависящего от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе целевого первичного светового пучка, причем пространственный модулятор света также выполнен с возможностью получения первичного светового пучка от отображающего элемента пространственного модулятора света и, тем самым, предотвращения формирования первичного светового пучка каким-либо движущимся элементом; элемент расщепления пучка, расположенный в целевом первичном световом пучке после прохождения им пространственного модулятора света и выполненный с возможностью выведения из первичного светового пучка целевого контрольного пучка и целевого главного пучка; и съемочную камеру, расположенную в целевом контрольном пучке и дополнительно содержащую сенсорную поверхность, выполненную с возможностью измерения распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, при этом в первом варианте конфигурации устройство содержит первый фокусирующий элемент, выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, на сенсорную поверхность, и также выполненный с возможностью проведения первичного пучка и генерирования распределения поля в дальней зоне в главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения. Во втором варианте конфигурации устройство содержит второй фокусирующий элемент, расположенный в целевом контрольном пучке и выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света, только на сенсорную поверхность. И в первом, и во втором вариантах конфигурации устройство дополнительно содержит регулятор переменной интенсивности, расположенный в целевом контрольном пучке перед съемочной камерой и выполненный с возможностью обеспечения соответствия динамическому диапазону съемочной камеры путем управления интенсивностью входного целевого контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности главного пучка; схему замкнутого контура, выполненную с возможностью фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, содержащую контроллер, соединенный со съемочной камерой с возможностью приема выходного сигнала и выполненный с возможностью применения выходного сигнала для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого в контроллере. Устройство дополнительно содержит средства переключения, выполненные с возможностью переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации, при этом в первом варианте конфигурации применяют первый фокусирующий элемент без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте конфигурации применяют второй фокусирующий элемент без применения первого фокусирующего элемента.

[29] Согласно третьему аспекту изобретения предложено устройство, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, содержащее устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления целевого по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС). Устройство, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности в главном пучке, причем механическая обработка целевой твердой поверхности происходит в результате по меньшей мере настройки пространственного модулятора света с целью создания определенного профиля для первичного светового пучка.

[30] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено в первом варианте конфигурации, фокальная плоскость первого фокусирующего элемента (L1) выполнена с возможностью соответствия целевой твердой поверхности.

[31] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено в первом варианте конфигурации, устройство дополнительно содержит отображающую оптическую схему, при этом первый фокусирующий элемент расположен так, чтобы фокальная плоскость соответствовала промежуточной плоскости, при этом отображающая оптическая схема выполнена с возможностью отображения промежуточной плоскости в уменьшенном масштабе на твердую поверхность.

[32] В другом предпочтительном варианте осуществления, в котором устройство, выполненное с возможностью адаптивного расщепления, выполнено во втором варианте конфигурации, устройство дополнительно содержит фокусирующую оптическую схему, при этом фокусирующая оптическая схема выполнена с возможностью проецирования желаемого распределения поля в дальней зоне главного пучка на твердую поверхность для механической обработки.

[33] В другом предпочтительном варианте осуществления устройство дополнительно содержит единый компактный корпус, выполненный с возможностью объединения элемента расщепления пучка, первого и второго фокусирующих элементов, пространственного модулятора света, регулятора переменной интенсивности и съемочной камеры, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный световой пучок; причем контроллер выполнен с возможностью управления средствами переключения для переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации и регулирования регулятора переменной интенсивности.

[34] В другом предпочтительном варианте осуществления пространственный модулятор света выполнен с возможностью расщепления первичного светового пучка на множество частичных главных пучков и индивидуального регулирования нескольких из множества частичных главных пучков, углов разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света и распределения интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления, причем контроллер также выполнен с возможностью управления распределением между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем управления пространственными физическими свойствами каждого из множества частичных главных пучков, причем пространственные физические свойства представляют собой по меньшей мере одно из следующих: фазу и амплитуду, пространственный модулятор света и первичный световой пучок. Устройство также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности во множестве главных пучков.

[35] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность представляет собой поверхность целевого тиснильного вала, при этом контроллер также выполнен с возможностью расположения поверхности целевого тиснильного вала в главном пучке.

[36] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитный материал, кожа.

[37] В другом предпочтительном варианте осуществления целевая твердая поверхность является частью целевого рабочего инструмента. [38] В другом предпочтительном варианте осуществления целевой рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.

Краткое описание чертежей

[39] Более ясное представление об изобретении можно получить из раздела «Предпочтительные варианты осуществления изобретения» и примеров на фигурах, из которых:

[40] Фиг. 1 изображает конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения;

[41] Фиг. 2 изображает еще одну конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения;

[42] Фиг. 3 изображает альтернативную конструкцию модуля ПМС с применением зеркала по одному из примеров осуществления изобретения;

[43] Фиг. 4 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен перед дисплеем ПМС, по одному из примеров осуществления изобретения;

[44] Фиг. 5 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен перед дисплеем ПМС, и включающего в себя только одно зеркало, по одному из примеров осуществления изобретения;

[45] Фиг. 6 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен за полупрозрачным зеркалом, по одному из примеров осуществления изобретения; [46] Фиг. 7 изображает дополнительную альтернативную конструкцию модуля ПМС, в котором фокусирующий элемент расположен за полупрозрачным зеркалом, и включающего в себя только одно зеркало, по одному из примеров осуществления изобретения;

[47] Фиг. 8 изображает модуль ПМС в качестве компонента микроструктурирующего устройства по одному из примеров осуществления изобретения;

[48] Фиг. 9 изображает другой модуль ПМС в качестве компонента микроструктурирующего устройства по одному из примеров осуществления изобретения;

[49] Фиг. 10 изображает пример применения согласно изобретению, в котором параллельное структурирование канавок выполняют со сравнительно малым разносом импульсов;

[50] Фиг. 11 изображает другой модуль ПМС в виде управляемого расщепителя пучка по одному из примеров осуществления изобретения;

[51] Фиг. 12 изображает дополнительный пример применения согласно изобретению, в котором параллельное структурирование канавок выполняют со сравнительно большим разносом импульсов;

[52] Фиг. 13 изображает дополнительные примеры применения согласно изобретению, в которых осуществляют структурирование профилей с 2-мерным выходным распределением;

[53] Фиг. 14а и 14b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности, перпендикулярных направлению распространения, при структурировании с наклонным 2-мерным выходным распределением;

[54] Фиг. 15а и 15b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности при структурировании со сравнительно малым разносом импульсов;

[55] Фиг. 16а и 16b изображают дополнительные примеры применения согласно изобретению для профилей поверхности при структурировании со сравнительно большим разносом импульсов; и

[56] Фиг. 17 изображает пример устройства, выполненного с возможностью механической обработки поверхности тиснильного вала.

Осуществление изобретения

Цель изобретения

[57] Цель изобретения состоит в упрощении для пользователя процесса формирования пучка и, в частности, расщепления пучка лазерного излучения. Дополнительной целью изобретения, далее по тексту именуемого «модуль ПМС», является создание устройства и способа с возможностью включения в любой оптический тракт, со сравнительно высокой степенью компактности и индивидуальным набором функциональных возможностей, независимо от места применения. Другая цель изобретения состоит в обеспечении возможности расщепления коллимированного первичного пучка любого типа (лазерного источника) с относительно высокой точностью, независимо от профиля пучка, фазового положения, ширины полосы частот / длительности импульса и мощности лазера.

[58] Одно из преимуществ, обеспечиваемых изобретением, состоит в том, что любое ограничение для модуля ПМС можно спрогнозировать за счет понимания свойств его основного элемента - дисплея ПМС как такового. Другое преимущество состоит в возможности расщепления пучка с очень малыми потерями. Так, входное излучение нужно будет просто модулировать по фазе, при этом данную функцию также можно реализовать с помощью одновременного модулирования по амплитуде или только с помощью него. Еще одно преимущество состоит в том, что изобретение обеспечивает возможность переключения между реальным выходным распределением в фокальной плоскости линзы, т.е. плоскости Фурье, и распределением поля в дальней зоне, т.е. дифракционной картиной, возникающей на бесконечном расстоянии. Еще одно преимущество состоит в возможности достижения сравнительно высокой степени точности создаваемого выходного распределения, а также распределения мощности между разными частичными пучками, за счет применения в изобретении решения на основе замкнутого контура для расчета фазовых значений, не зависящего от вводного профиля или профиля первичного пучка лазерного источника соответственно.

[59] Предложенный модуль ПМС позволяет более эффективно использовать мощность лазера за счет возможности параллельной механической микрообработки и механической обработки твердых поверхностей посредством множества пучков. Это можно осуществлять на рабочей станции посредством совместно используемой выходной оптики или на множестве систем одновременно, причем каждая из множества систем использует расщепленный первичный пучок, общий для всех систем механической обработки. Параллельная механическая обработка позволяет сократить продолжительность процесса в случае механической обработки крупных поверхностей и объемов линейно с помощью указанного числа частичных пучков. Применение общей выходной оптики для всех частичных пучков позволяет ускорить создание канавок, решетчатых структур и иных часто повторяющихся регулярных структур. Модуль ПМС согласно изобретению обеспечивает возможность одновременной и точной механической обработки с большим числом частичных пучков, например, с 1000 и более пучками.

[60] С учетом вышеуказанных целей и свойств, предложенный модуль ПМС позволяет существенно улучшить производственные показатели устройства лазерной механической микрообработки / структурирования с одновременным сохранением компактного размера устройства и высокой стабильности режима работы. Это позволит снизить себестоимость и сроки изготовления при промышленном применении.

Структура и функционирование итеративного алгоритма преобразования Фурье (ИАПФ) - Модуль замкнутого контура (ЗК) Обязательные требования к входному пучку

[61] Первичный лазерный пучок, применяемый во всех аспектах настоящего изобретения, должен соответствовать ряду критериев для того, чтобы можно было использовать функциональные возможности модуля ПМС. Первый критерий состоит в том, что первичный пучок на входе модуля ПМС должен быть коллимированным или параллелизованным. Специалисту в данной области техники известно о том, что длина когерентности пучка для элементов волновой оптики и оптических решеток должна быть приблизительно равна периоду решетки. Поскольку в настоящем изобретении применяется ультракороткоимпульсное излучение, зависящая от времени длина когерентности также может быть очень короткой, например, всего несколько микрометров.

[82] Специалисту в данной области техники также известно о том, что если дисплей ПМС модуля ПМС содержит элемент на основе технологии «жидкие кристаллы на кремнии» (LCoS), входное излучение должно по своей сути соответствовать определенным состояниям поляризации относительно ориентации дисплея ПМС. Его можно отрегулировать путем установки серийно выпускаемых конструктивных элементов перед модулем ПМС. Поэтому данный вопрос не будет дополнительно рассматриваться в настоящем документе. Также известно, что функциональные возможности технологии LCoS в значительной степени зависят от длины волны.

[63] Также общеизвестно, что пользователь модуля ПМС может выбирать и регулировать диаметр пучка, среднюю оптическую силу или энергию импульса, при условии, что пользователь не превысит предел физического разрушения какого-либо компонента в составе модуля ПМС.

Структура модуля ПМС

[64] Из нижеследующего описания будет понятно, что с помощью предложенных способа и устройства пользователь может расщеплять первичный входной пучок, соответствующий вышеуказанным критериям, на произвольное число выходных пучков и применять их по своему усмотрению. Пользователь или управляющий процесс могут управлять пространственным распределением выходных пучков и распределением их интенсивностей в зависимости от времени. Изобретение также позволяет применять как реальное промежуточное распределение, так и просто угловое распределение, в зависимости от того, какое задание на механическую обработку нужно выполнить. Изобретение позволяет делать это при отсутствии точной информации о профиле первичного входного пучка или длине его когерентности. Изобретение не предусматривает каких-либо других обязательных требований к первичному входному пучку, кроме указанных выше. Любые отклонения выходного главного пучка, возникающие из-за недостатка информации, позволяет компенсировать алгоритм замкнутого контура, применяемый для оптимизации выходного распределения.

[65] Изобретение обеспечивает возможность создания оптической системы типа «черный ящик» с возможностью включения в оптические тракты любых типов для механической микрообработки.

[66] Фиг. 1 изображает конфигурацию модуля ПМС по одному из примеров осуществления изобретения, позволяющую реализовать раскрытые выше признаки изобретения. Зеркало М1 направляет излучение из первичного пучка, исходящего из лазерного источника, не показанного на Фиг. 1, но условно обозначенного номером позиции 100 и соответствующей стрелкой на чертеже, под сравнительно острым углом на отражающую головку 101 ПМС. Головка 101 ПМС считается центральным элементом модуля ПМС. Головка 101 ПМС содержит дисплей ПМС, явным образом не указанный на Фиг. 1, выполненный с возможностью применения фазовых значений формирования пучка к входному первичному лазерному пучку. Дисплей ПМС может, например, быть реализован на основе технологии LCoS, что также явно не указано на Фиг. 1. Как известно специалисту в данной области техники, дисплеи типа LCoS создают эффекты, влияющие на поляризацию излучения и, тем самым, на эффективность дифракции. Для компенсации данного эффекта, модуль ПМС содержит дополнительный поляризационный расщепитель 102 пучка, помещенный за дисплеем ПМС, отфильтровывающий неправильно поляризованное и/или недифрагированное излучение. Модуль ПМС также содержит полупрозрачное выводящее зеркало М2. Поляризационный расщепитель 102 пучка установлен в оптическом тракте перед выводящим зеркалом М2, благодаря чему распределение после отражения на дисплее ПМС гарантированно появится таким же образом на ПЗС-камере 104, расположенной в оптическом тракте контрольного пучка, отделенного от первичного пучка полупрозрачным зеркалом М2, и в плоскости 103 Фурье, где возникает реальное выходное распределение, или в бесконечности, в зависимости от конкретного случая. Полупрозрачное зеркало М2 может быть выполнено, например, в виде зеркала с диэлектрическим отражающим покрытием и плоскопараллельной подложкой, проницаемой для света с длиной волны первичного пучка. Качество поверхности зеркала М2 предпочтительно соответствует отраслевому стандарту для прозрачной оптики и стеклянных поверхностей. Таким образом, контрольный пучок, выведенный/отделенный на зеркале М2, можно применять для анализа пучка без чрезмерных потерь мощности, несмотря на относительно высокое потребление мощности пучка в условиях механической микрообработки. Регулятор 105 переменной интенсивности в оптическом тракте перед ПЗС-камерой 104 выполнен с возможностью приведения интенсивностей в соответствие с динамическим диапазоном ПЗС-камеры 104 для обеспечения возможности ее применения оптимальным образом и независимо от средней мощности первичного пучка, выходного распределения и/или коэффициентов расщепления пучка. Регулятор 105 переменной интенсивности может, например, быть выполнен в виде НС- (нейтрально-серого, англ. Neutral Density (ND)) фильтра.

[67] В настоящем разделе «Осуществление изобретения» речь идет о головке 101 ПМС, применяемой в режиме, котором она отражает излучение из первичного пучка, при этом в дополнительном предпочтительном варианте осуществления возможно применение головки ПМС, работающей как передатчик для первичного пучка.

[68] Изображение, регистрируемое ПЗС-камерой 104, в любом случае должно представлять собой результат преобразования Фурье входного распределения. Поэтому, сенсорная поверхность (не показана на Фиг. 1) ПЗС-камеры 104 должна быть расположена в фокальной плоскости фокусирующего оптического элемента, например, первого фокусирующего элемента L1 и второго фокусирующего элемента L2. В примере на Фиг. 1 первый фокусирующий элемент L1 и второй фокусирующий элемент L2 никогда не помещают вместе, т.е. одновременно, в оптический тракт между головкой 101 ПМС и ПЗС-камерой 104. ПЗС-камера 104 предпочтительно центрирована по оптической оси контрольного пучка, выведенного полупрозрачным зеркалом М2.

[69] ПЗС-камера 104 позволяет получить замер выходного распределения, который, в свою очередь, может служить в качестве данных, вводимых в замкнутый контур управления на основе итеративного алгоритма преобразования Фурье (ИАПФ) для оптимизации фазового распределения, сгенерированного головкой 101 ПМС. Как сказано выше, для этого нужно измерить выходное распределение с помощью ПЗС-камеры 104 и ввести его в алгоритм, исполняемый в центральном процессоре 106 контроллера, в составе граничных условий ИАПФ. Алгоритм ИАПФ не будет детально рассматриваться в настоящем документе, так как его описание можно найти в специальной литературе известного уровня техники. Рассчитанные фазовые значения далее применяют к дисплею ПМС.

Конфигурация модуля ПМС

[70] Модуль ПМС может быть выполнен в любой из двух аппаратных конфигураций для обеспечения возможности переключения между угловым распределением и реальным промежуточным распределением. Переключение между указанными конфигурациями, как и изменение настроек фильтра для регулятора переменной интенсивности, можно осуществлять вручную или с помощью автоматизированных средств переключения.

[71] В первой аппаратной конфигурации, именуемой в настоящем документе «конфигурация 1» и раскрытой на Фиг. 1, первый фокусирующий элемент L1 помещен в оптический тракт.L1 фокусирует лазерное излучение на сенсорной поверхности ПЗС-камеры 104, помещенной на расстоянии фокальной длины f(L1) L1 и за полупрозрачным зеркалом М2. Кроме того, ПЗС-камера 104 помещена в плоскости главного выходного пучка, перпендикулярной направлению распространения главного выходного пучка, т.е. в плоскости фотошаблона. В примере на Фиг. 1 первый фокусирующий элемент L1 расположен перед поляризационным расщепителем 102 пучка. В альтернативном варианте, не проиллюстрированном на Фиг. 1, первый фокусирующий элемент L1 может быть расположен за поляризационным расщепителем 102 пучка. В конфигурации на Фиг. 1 второй фокусирующий элемент L2 с фокальной длиной f(L2) не расположен в каком-либо оптическом тракте. Распределение, регистрируемое ПЗС-камерой 104, идентично и зеркально относительно плоскости фотошаблона. Конфигурация 1 позволяет фокусировать главный пучок, отражаемый от зеркала М2, в реальном промежуточном распределении.

[72] На Фиг. 2 представлена конфигурация 2, по большей части идентичная конфигурации 1 на Фиг. 1, за исключением того, что второй фокусирующий элемент L2 расположен в оптическом тракте контрольного пучка, выведенного через полупрозрачное зеркало М2. Сенсорная поверхность (также не показанная на Фиг. 2) ПЗС-камеры 104 в данном случае помещена в фокальную плоскость второго фокусирующего элемента L2, т.е. на расстоянии фокальной длины f(L2) фокусирующего элемента L2. Таким образом, в конфигурации 2 L1 не расположен в каком-либо оптическом тракте. За счет конфигурации 2, не происходит фокусирование главного выходного пучка, отраженного от зеркала М2, в промежуточное распределение. Целевое распределение дифракционной решетки сформировано в бесконечности в виде углового распределения. Первичный входной пучок расщеплен на множество частичных главных пучков.

Альтернативные конструкции

[73] Изобретение можно осуществить в разнообразных альтернативных конструкциях с теми же функциональными возможностями. Можно считать, что каждая из этих разнообразных альтернативных конструкций имеет ряд недостатков и преимуществ по сравнению с конфигурациями 1 и 2.

[74] Фиг. 3 изображает альтернативную конструкцию, содержащую только одно диэлектрическое зеркало М - зеркало М1 на Фиг. 1 и 2 здесь не применяют. Диэлектрическое зеркало М должно соответствовать всем вышеуказанным требованиям. Положения для первого фокусирующего элемента L1 и второго фокусирующего элемента L2 могут быть идентичны раскрытым на Фиг. 1 и 2 - непосредственно перед диэлектрическим зеркалом М или за ним. Одно преимущество данной конструкции перед конструкцией на Фиг. 1 состоит в присущей ей большей компактности. При этом угол между входным пучком и выходным пучком является фиксированным. Конструкция на Фиг. 3 находится в режиме, схожем с режимом конфигурации 2 - для облегчения понимания скажем, что она выполнена в конфигурации 2. Для переключения в конфигурацию 1, первый фокусирующий элемент L1 необходимо расположить в оптическом тракте, а второй фокусирующий элемент L2 необходимо удалить из оптического тракта. Стрелки рядом с элементами L1 и L2 символизируют эти действия.

[75] Фиг. 4 изображает дополнительную альтернативную конструкцию в конфигурации 1. В данной альтернативной конструкции первый фокусирующий элемент L1 расположен на некотором расстоянии перед дисплеем ПМС, при этом, как и на Фиг. 1, применены два зеркала М1 и М2. Оба фокусирующих элемента L1 и L2 выполнены с возможностью перемещения, что символизируют стрелки рядом с элементами. Данная альтернативная конструкция не обладает какими-либо очевидными преимуществами. Одно потенциальное отличие от конструкции на Фиг. 1 состоит в том, что фокальная длина для первого фокусирующего элемента L1, представленная в виде f(L1)=a+b на данной фигуре, может быть больше, чем, например, на Фиг. 1, что, в свою очередь, снижает разрешение выходного распределения.

[76] Фиг. 5 изображает конструкцию, схожую с конструкцией на Фиг. 4, однако выполненную в конфигурации 2, причем также с применением только одного зеркала М. Свойства, указанные для Фиг. З, имеют место и в данном случае: устройство может быть выполнено более компактным, однако с ограничением углов сведения и расщепления лазерного пучка на входе и выходе модуля ПМС.

[77] Фиг. 6 изображает конструкцию в конфигурации 2, в которой за полупрозрачным зеркалом М2 расположен третий фокусирующий элемент L3 (например, линза) с фокальной длиной f(L3). Для большей ясности, L1 не показан на Фиг. 6, так как он удален из оптического тракта в данной схеме. Второй фокусирующий элемент L2 может быть введен в оптический тракт, что символизируют стрелки рядом со вторым фокусирующим элементом L2. Преимущество состоит в том, что второй фокусирующий элемент L2 можно зафиксировать в оптическом тракте, т.е. его больше не нужно будет перемещать при переключении между конфигурациями путем перемещения L3.

[78] Фиг. 7 изображает конструкцию, схожую с конструкцией на Фиг. 6, но с единственным зеркалом М для придания устройству большей компактности.

Потери в оптическом тракте

[79] Одно из преимуществ предложенного модуля ПМС состоит в возможности формирования пучка по существу без потерь. Следовательно, нет нужды в применении поглощающих фотошаблонов или рассеивающих фотошаблонов для получения желаемого выходного распределения. Формирование пучка осуществляют исключительно посредством фазового распределения, применяемого к головке ПМС. При этом специалисту в данной области техники будет понятно, что на практике небольшие потери лазерного пучка в оптических трактах неизбежны.

[80] При применении идеальных оптических элементов, будут возникать только потери от рассеяния на дифракционной решетке ПМС, причем только при дифракции высоких порядков, так как искомое целевое распределение имеет место исключительно в первом порядке дифракции.

Области применения и возможные варианты применения

Параллельное микроструктурирование / параллельное структурирование

[81] Предложенные способ и устройство выполнены с возможностью применения в составе любого оптического тракта при наличии достаточного для этого физического пространства и соблюдения вышеуказанных условий для лазерного пучка. Фиг. 8 изображает пример системы микроструктурирования путем проекционного экспонирования, в которой плоскость фотошаблона в оптическом тракте заменена реальным выходным распределением 103 модуля 800 ПМС, выполненного в конфигурации 1. На вход модуля 800 ПМС поступает первичный лазерный пучок 801 из лазерного источника 802. Реальное выходное распределение 103 проецируют на заготовку 803 посредством микроскопа 804 головки 805 механической микрообработки, также именуемой «средство параллельного микроструктурирования». Заготовка 803 закреплена на координатном столике 806, выполненном с возможностью перемещения заготовки 803 по меньшей мере в плоскости X-Y перпендикулярно проецируемому световому пучку. Вторая съемочная камера 807 выполнена с возможностью контроля главного пучка, проецируемого на заготовку 803, а также с возможностью функционирования в составе устройства автофокусировки. Специалисту в данной области техники известен способ функционирования оптических систем и их параметры для проекционной фотолитографии. Объем знаний специалиста в данной области техники по существу включает в себя параметры применимого фазового распределения без каких-либо ограничений для модуля 800 ПМС. Центральный процессор 106 контроллера также выполнен с возможностью управления расположением фокусирующих элементов L1 и L'', а также регулятора 105 переменной интенсивности.

[82] Фиг. 9 изображает пример включения модуля 800 ПМС в состав системы фокусированной механической обработки. В данном частном случае модуль 800 ПМС выполнен в конфигурации 2. Это позволяет увеличить число частичных главных пучков, которые можно применить для лазерной механической обработки. В идеале, для большинства оптических трактов и оптики, применяемой в такой системе, модуль 800 ПМС предпочтительно должен быть расположен как можно ближе к конечной оптике; в данном примере ею будет головка 805 механической микрообработки, во избежание каких-либо ограничений, обусловленных ее апертурой.

[83] Увеличенное число фокальных точек обеспечивает полезный эффект, состоящий в повышении скоростей процесса лазерной механической обработки, в основе которого лежат сфокусированные пучки, пропорционально числу частичных главных выходных пучков, а также в возможности оптимизации использования мощности лазера. Переключение между распределением частичных пучков и фокальным распределением может происходить со скоростью, соответствующей частоте регенерации изображения на дисплее головки 101 ПМС, без участия какой-либо движущейся части. Специалисту в данной области техники известно, что модуляция по фазе позволяет корректировать моды Цернике, что, в свою очередь, повысит качество фокуса. Если ошибочное фазовое положение первичного пучка также известно, можно улучшить качество всех частичных главных пучков посредством модуля 800 ПМС. Модуль 800 ПМС не влияет на коэффициенты масштабирования отображения и на диаметры пучков.

Примеры структурирования для параллельной механической микрообработки

[84] Параллельное микроструктурирование посредством множества частичных главных пучков с индивидуальным управлением энергией импульса или мощностью пучка обеспечивает возможности структурирования, аналогичные возможностям при применении отдельных пучков. Фиг. 10 схематически изображает разнос dx пучка для импульсного первичного пучка, расщепляемого на n × m частичных выходных пучков. Символы р1, р2, р3 и т.д. обозначают последовательность импульсов во времени. Заготовку перемещают по оси х прямоугольного распределения, причем разнос dx имеет место между двумя лазерными импульсами. Так можно создать набор из n линий, причем каждую линию облучают несколько раз, обычно с небольшим перекрытием. В результате возникает профиль линий постоянной глубины по длине линии в направлении v, при этом набор линий имеет распределение f(x) максимальных глубин, как показано на Фиг. 15b.

[85] Работа с таким малым разносом импульсов также обеспечивает возможность так называемого «поверхностного съема», как показано на Фиг. 15а. В данном случае заготовку перемещают относительно лазера согласно направлению v1 подачи так, чтобы обеспечить охват поверхности, ограниченной соседними частичными пучками. Это позволяет создавать 2.5-мерные рельефы поверхности.

[86] Еще один потенциальный подход к параллельному микроструктурированию состоит в разнесении частичных пучков на интервал dx, как показано на Фиг. 12. Интервал, проходимый за время между отдельными импульсами, будет несколько больше dx, в связи с чем действительный интервал между отдельными импульсами составит dn. В частном примере на Фиг. 12 число импульсов между двумя частичными пучками с разносом dx составит m=5. Применение данной стратегии механической обработки позволяет сократить действительный интервал между отдельными импульсами. Продолжительность структурирования для простых решеток можно значительно сократить путем применения оптимизированных соотношений между dx, dn и m.

[87] Еще одна возможность заключается в наклоне периодического распределения выходного пучка относительно направления подачи на угол «альфа», как проиллюстрировано на Фиг. 13. Так каждый частичный пучок сможет создавать линию с постоянной глубиной съема или дозой облучения, при этом, в зависимости от угла «альфа», отдельные следы облучения также могут перекрывать друг друга перпендикулярно направлению v2 подачи. Видимый интервал dy' между импульсами тем больше, чем больше угол наклона «альфа». Задавая пространственное распределение частичных пучков в направлениях х и у на основе dx и dy соответственно, можно генерировать видимое распределение интенсивностей в одном измерении. Таким образом, можно создавать профиль f(x) сечения любого типа за один проход - см. также Фиг. 14а и 14b. Если все линии в выходном распределении будут идентичны друг другу, то будут одновременно созданы л идентичных профилей - см. Фиг. 14а.

[88] При применении импульсного пучка в работе, структурирование вдоль частичного пучка позволяет поставить глубину съема или интенсивность облучения в периодическую зависимость f(x). Для этого направление подачи, число частичных главных пучков вдоль линии и их интервал должны иметь постоянное отношение. Фиг. 16а изображает профиль А вдоль левой линии в направлении v3, как проиллюстрировано видом в поперечном разрезе на Фиг. 16b. Энергия импульса частичных пучков вдоль этой линии постоянно уменьшается.

Структурирование поверхности тиснильного вала

[89] Фиг. 17 иллюстрирует пример устройства с возможностью применения для структурирования тиснильного рисунка 1700 на рабочем инструменте, в частности - на поверхности тиснильного вала. Модуль 800 ПМС вводит первичный световой пучок, т.е. коллимированный и по меньшей мере частично когерентный свет от лазерного источника 802, и направляет, на своем выходе, главный пучок на поверхность тиснильного вала. Есть несколько возможных вариантов регулирования относительного положения модуля 800 ПМС и тиснильного вала. В иллюстрируемом примере модуль 800 ПМС можно перемещать согласно указанному направлению х, при этом тиснильный вал также можно вращать с помощью мотора 1701, как указано круговыми стрелками. Контроллер 106 также выполнен с возможностью регулирования относительного положения модуля 800 ПМС и тиснильного вала, то есть соответствующего управления модулем 800 ПМС, лазерным источником 802 и мотором 1701 для тиснения тиснильного рисунка 1700 на поверхности тиснильного вала.

Расщепление пучка

[90] Фиг. 11 иллюстрирует принцип функционирования при расщеплении / разделении пучка. Модуль 800 ПМС в конфигурации 2 расположен у выхода источника 802 лазерного пучка. В отношении первичного лазерного пучка 801 установлены только вышеуказанные ограничения. Дифракция первичного лазерного пучка 801 происходит на рассчитанной, как раскрыто выше, фазовой решетке на m частичных главных пучков с их последующим отклонением на m по-разному ориентированных зеркал М1-Mm. Далее указанные зеркала отражают соответствующие частичные пучки на m разных рабочих станций, экспонирующих устройств и/или измерительных станций или поглотителей пучков (блок 1 - блок m). Распределением мощности между частичными пучками, их числом и углами выхода можно управлять во времени путем переключения фазовых значений на головке 101 ПМС. Это позволяет повысить эффективность использования мощности лазера и выполнять разные задачи с помощью единственного лазерного источника. Как уже было сказано выше, модуль 800 ПМС также позволяет корректировать аберрационные моды Цернике и тем самым способствовать повышению качества каждого из частичных пучков.

Литература

Изобретение относится к области адаптивного формирования лазерных пучков. Способ и устройство для реализации адаптивного расщепления частично когерентного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС) заключается в том, что создают частично когерентный первичный световой пучок из коллимированного лазерного пучка от лазера, создают распределение поля в дальней зоне, модулируя по фазе ПМС, направляют для отражения на отображающем элементе ПМС, предотвращая формирование первичного когерентного светового пучка каким-либо движущимся элементом, выводят из первичного светового пучка, после ПМС, контрольный и главный пучок, направляют распределение поля в дальней зоне, на съемочную камеры и измеряют контрольный пучок камерой, при этом обеспечивают соответствие динамическому диапазону камеры посредством регулятора переменной интенсивности для управления интенсивностью контрольного пучка независимо от средней мощности указанного по меньшей мере одного главного пучка, конфигурируют замкнутый контур для фазового расчета, при котором выходной сигнал от камеры вводят в замкнутый контур для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого контроллером. Технический результат - расширение функциональных возможностей лазерной системы. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ адаптивного расщепления по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС), включающий в себя этапы, на которых: создают частично когерентный первичный световой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, создают желаемое распределение поля в дальней зоне, не зависящее от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе первичного светового пучка с помощью пространственного модулятора света, при этом первичный когерентный световой пучок направляют для отражения на отображающем элементе пространственного модулятора света, тем самым предотвращая формирование первичного когерентного светового пучка каким-либо движущимся элементом, выводят из первичного светового пучка, после прохождения им пространственного модулятора света, контрольный пучок и по меньшей мере один главный пучок, направляют распределение поля в дальней зоне, созданное пространственным модулятором света в контрольном пучке, на сенсорную поверхность съемочной камеры и измеряют контрольный пучок посредством съемочной камеры, причем в первом варианте способ включает этап, на котором проводят первичный пучок через первый фокусирующий элемент (L1), выполненный с возможностью генерирования распределения поля в дальней зоне в указанном по меньшей мере одном главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения и проецирования распределения поля в дальней зоне в контрольном пучке на сенсорную поверхность посредством первого фокусирующего элемента (L1), при этом во втором варианте способ включает этап, на котором проводят контрольный пучок через второй фокусирующий элемент (L2), выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне только на сенсорную поверхность, при этом и в первом, и во втором вариантах обеспечивают соответствие динамическому диапазону съемочной камеры посредством регулятора переменной интенсивности для управления интенсивностью входного контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности указанного по меньшей мере одного главного пучка, конфигурируют замкнутый контур для обеспечения возможности фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, при котором выходной сигнал от съемочной камеры вводят в замкнутый контур для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого контроллером, причем в первом варианте применяют первый фокусирующий элемент без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте применяют второй фокусирующий элемент без применения первого фокусирующего элемента.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий этапы, на которых: осуществляют структурирование твердой поверхности посредством указанного по меньшей мере одного главного пучка и управляют структурированием путем настройки пространственного модулятора света для получения определенного профиля для первичного светового пучка.

3. Способ по п. 2, с применением первого варианта, дополнительно включающий этап, на котором регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента для этапа, на котором осуществляют структурирование твердой поверхности, так, чтобы фокальная плоскость соответствовала твердой поверхности.

4. Способ по п. 2, с применением первого варианта, дополнительно включающий этапы, на которых: регулируют фокальную плоскость первого фокусирующего элемента так, чтобы она соответствовала промежуточной плоскости, и отображают промежуточную плоскость в уменьшенном масштабе на твердую поверхность посредством проецирующей оптической схемы.

5. Способ по п. 2, с применением второго варианта, в котором на этапе, на котором осуществляют структурирование, применяют распределение поля в дальней зоне для получения структур на твердой поверхности путем проецирования распределения поля в дальней зоне на твердую поверхность посредством фокусирующей оптической схемы.

6. Способ по любому из пп. 1 - 5, в котором на этапе, на котором осуществляют выведение, применяют элемент расщепления пучка, при этом способ дополнительно включает этапы, на которых: объединяют элемент расщепления пучка, первый и второй фокусирующие элементы, пространственный модулятор света, регулятор переменной интенсивности и съемочную камеру в единый компактный корпус, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный когерентный световой пучок, осуществляют переключение между первым вариантом и вторым вариантом посредством устройства управления и регулируют регулятор переменной интенсивности посредством устройства управления.

7. Способ по любому из пп. 1, 2, с применением второго варианта, дополнительно включающий этапы, на которых: расщепляют первичный световой пучок на множество частичных главных пучков посредством пространственного модулятора света, индивидуально регулируют несколько из множества частичных главных пучков, углы разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света и распределение интенсивности между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления, причем распределением интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков управляют посредством контроллера, также выполненного с возможностью управления индивидуальным генерированием для каждого из множества частичных главных пучков, пространственного модулятора света и первичного светового пучка, и осуществляют структурирование твердой поверхности посредством множества частичных главных пучков.

8. Способ по любому из пп. 2 - 5, в котором твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитные материалы, кожа.

9. Способ по любому из пп. 2 - 5 и 8, в котором твердая поверхность представляет собой часть рабочего инструмента.

10. Способ по п. 9, в котором рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.

11. Устройство адаптивного расщепления светового пучка посредством пространственного модулятора света, выполненное с возможностью адаптивного расщепления целевого по меньшей мере частично когерентного первичного светового пучка посредством пространственного модулятора света (ПМС), причем целевой частично когерентный первичный световой пучок представляет собой пучок из коллимированного лазерного пучка из источника, входящего в перечень, включающий: наносекундный лазер, пикосекундный лазер, фемтосекундный лазер, при этом устройство содержит: пространственный модулятор света, выполненный с возможностью создания желаемого распределения поля в дальней зоне, не зависящего от профиля когерентного первичного светового пучка, путем модулирования по фазе целевого первичного светового пучка, причем пространственный модулятор света также выполнен с возможностью получения первичного светового пучка от отображающего элемента пространственного модулятора света и тем самым предотвращения формирования первичного светового пучка каким-либо движущимся элементом; элемент расщепления пучка, расположенный в целевом первичном световом пучке после прохождения им пространственного модулятора света и выполненный с возможностью выведения из первичного светового пучка целевого контрольного пучка и целевого по меньшей мере одного главного пучка; съемочную камеру, расположенную в целевом контрольном пучке и дополнительно содержащую сенсорную поверхность, выполненную с возможностью измерения распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, причем в первом варианте конфигурации устройство содержит первый фокусирующий элемент (L1), выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света в контрольном пучке, на сенсорную поверхность, и также выполненный с возможностью проведения первичного пучка и генерирования распределения поля в дальней зоне в указанном по меньшей мере одном главном пучке на фокальную плоскость первого фокусирующего элемента в виде реального выходного распределения; при этом во втором варианте конфигурации устройство содержит второй фокусирующий элемент (L2), расположенный в целевом контрольном пучке и выполненный с возможностью проецирования распределения поля в дальней зоне, созданного пространственным модулятором света, только на сенсорную поверхность, при этом и в первом, и во втором вариантах конфигурации устройство дополнительно содержит регулятор переменной интенсивности, расположенный в целевом контрольном пучке перед съемочной камерой и выполненный с возможностью обеспечения соответствия динамическому диапазону съемочной камеры путем управления интенсивностью входного целевого контрольного пучка в зависимости от желаемого распределения поля в дальней зоне, независимо от средней мощности указанного по меньшей мере одного главного пучка; схему замкнутого контура, выполненную с возможностью фазового расчета для отображающего элемента пространственного модулятора света, содержащую контроллер, соединенный со съемочной камерой с возможностью приема выходного сигнала и выполненный с возможностью применения выходного сигнала для множества итераций алгоритма фазового расчета, выполняемого в контроллере, при этом устройство дополнительно содержит средства переключения, выполненные с возможностью переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации, причем в первом варианте конфигурации предусмотрено применение первого фокусирующего элемента без применения второго фокусирующего элемента, а во втором варианте конфигурации предусмотрено применение второго фокусирующего элемента без применения первого фокусирующего элемента.

12. Устройство лазерной обработки твердой поверхности с адаптивным расщеплением светового пучка, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, содержащее устройство по п. 11, при этом устройство, выполненное с возможностью механической обработки целевой твердой поверхности, также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности в указанном по меньшей мере одном главном пучке, причем механическая обработка целевой твердой поверхности происходит в результате по меньшей мере настройки пространственного модулятора света с целью создания определенного профиля для первичного светового пучка.

13. Устройство по п. 12, в котором устройство по п. 11 выполнено в первом варианте конфигурации, причем фокальная плоскость первого фокусирующего элемента (L1) выполнена с возможностью соответствия целевой твердой поверхности.

14. Устройство по п. 12, в котором устройство по п. 11 выполнено в первом варианте конфигурации, дополнительно содержащее отображающую оптическую схему, при этом первый фокусирующий элемент расположен так, что его фокальная плоскость соответствует промежуточной плоскости, при этом отображающая оптическая схема выполнена с возможностью отображения промежуточной плоскости в уменьшенном масштабе на твердую поверхность.

15. Устройство по п. 12, в котором устройство по п. 11 выполнено во втором варианте конфигурации, дополнительно содержащее фокусирующую оптическую схему, при этом фокусирующая оптическая схема выполнена с возможностью проецирования желаемого распределения поля в дальней зоне указанного по меньшей мере одного главного пучка на твердую поверхность для механической обработки.

16. Устройство по любому из пп. 11 - 15, дополнительно содержащее единый компактный корпус, выполненный с возможностью объединения элемента расщепления пучка, первого и второго фокусирующих элементов, пространственного модулятора света, регулятора переменной интенсивности и съемочной камеры, причем единый компактный корпус выполнен в виде самостоятельного компонента с возможностью помещения в первичный световой пучок; причем контроллер выполнен с возможностью управления средствами переключения для переключения между первым вариантом конфигурации и вторым вариантом конфигурации и регулирования регулятора переменной интенсивности.

17. Устройство по п. 12, в котором пространственный модулятор света выполнен с возможностью расщепления первичного светового пучка на множество частичных главных пучков и индивидуального регулирования нескольких из множества частичных главных пучков, углов разделения между каждым из множества частичных главных пучков после покидания множеством частичных главных пучков отображающего элемента пространственного модулятора света и распределения интенсивностей между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем фазового управления, причем контроллер также выполнен с возможностью управления распределением между частичными главными пучками множества частичных главных пучков путем управления пространственными физическими свойствами каждого из множества частичных главных пучков, причем пространственные физические свойства представляют собой по меньшей мере одно из следующих: фазу и амплитуду, пространственный модулятор света и первичный световой пучок, при этом устройство также выполнено с возможностью расположения целевой твердой поверхности во множестве главных пучков.

18. Устройство по любому из пп. 12 - 17, в котором целевая твердая поверхность представляет собой поверхность целевого тиснильного вала, при этом контроллер также выполнен с возможностью расположения поверхности целевого тиснильного вала в главном пучке.

19. Устройство по любому из пп. 12 - 15, в котором целевая твердая поверхность включает в себя любую из перечня, в который входят металл, алмаз, сапфир, стекло, пластмасса, композитный материал, кожа.

20. Устройство по любому из пп. 12 - 15 и 19, в котором целевая твердая поверхность является частью целевого рабочего инструмента.

21. Устройство по п. 20, в котором целевой рабочий инструмент представляет собой любой из перечня, в который входят тиснильный вал, штампующее устройство, металлический инструмент, компонент наручных часов, часть ювелирного изделия, компонент упаковки.