KR20070085548A

KR20070085548A - 효율적인 미세-가공 장치 및 복수의 레이저 빔을 사용하는방법

Info

Publication number: KR20070085548A
Application number: KR1020077012149A
Authority: KR
Inventors: 도날드 알 커틀러; 브라이언 더블유 배일드; 리차드 에스. 해리스; 데이빗 엠. 히멘웨이; 호 웨이 로; 브래디 이. 닐슨; 야수 오사카; 레이 순; 윤롱 순; 마크 에이. 언래쓰
Original assignee: 일렉트로 싸이언티픽 인더스트리이즈 인코포레이티드
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-08-27
Also published as: DE112005003088T5; GB2434560A; WO2006062766A3; GB0710285D0; WO2006062766A2

Abstract

레이저 빔 스위칭 시스템(50)은 레이저 빔이 제 1 및 제 2 빔 위치결정 헤드 사이에서 스위칭을 야기하는 빔 스위칭 디바이스(58)에 연결된 레이저(52)를 사용하는데, 여기서 제 1 빔 위치결정 헤드(60)가 레이저 빔이 작업물 표적 장소를 처리하기 위해 레이저 빔을 안내하는 동안, 제 2 빔 위치결정 헤드(62)는 다른 표적 장소로 이동중이며, 역으로 가능하다. 선호되는 빔 스위칭 디바이스는 제 1 및 제 2 AOM들을 포함한다. RF가 제 1 AOM(72)에 인가되는 경우, 레이저 빔은 제 1 빔 위치결정 헤드쪽으로 회절되며, RF가 제 2 AOM(74)에 인가되는 경우, 레이저 빔은 제 2 빔 위치결정 헤드쪽으로 회절된다. 작업물 처리과정 시스템(120)은 복수의 레이저 빔을 광학적으로 처리하기 위해 공통 모듈러 이미지화 광학 조립체(122) 및 선택적인 가변 빔 확장기(94)를 사용한다.

가공, 레이저, 빔, 드릴링, 작업물

Description

효율적인 미세-가공 장치 및 복수의 레이저 빔을 사용하는 방법{EFFICIENT MICRO-MACHINING APPARATUS AND METHOD EMPLOYING MULTIPLE LASER BEAMS}

본 발명은 2004.11.29일자로 출원된 미국 특허 출원 제 11/000,330 호의 일부 계속 출원(CIP: Continuation-In-Part)이고, 2004.11.29일자로 출원된 미국 특허 출원 제 11/000,333 호의 CIP(Continuation-In-Part)으로, 후자는 2003.6.30일자로 출원된 미국 특허 출원 제 10/611,798 호의 CIP이다.

본 발명은 레이저에 대한 것으로서, 특히 2개 이상의 빔 경로 중에 있는 단일 레이저 빔을 교대로 스위칭함으로써 작업물 가공 처리량을 증가시켜 빔 경로 중의 하나는 하나의 작업물을 가공하기 위해 사용되는 반면에 다른 빔 경로는 다른 작업물의 가공을 위해 위치되는 방법 및 장치에 대한 것이다.

레이저는 다양한 전자 재료 및 기판을 검사, 처리 및 미세가공 과정을 포함하여 다양한 연구, 개발 및 산업 운용에 널리 사용된다. 예를 들면, DRAM(Dynamic Random Access Memory)를 수리하기 위해, 레이저 펄스는 DRAM 디바이스로부터 오류 메모리 셀을 단절시키기 위해 전기적으로 전도성 링크를 절단하고, 이후 이 오류 메모리 셀을 대체하기 위해 여분의 메모리 셀을 활성화시키기 위해 사용된다. 왜냐 하면, 링크 제거가 필요한 오류 메모리 셀은 무작위로 위치하게 되므로, 절단될 필요가 있는 링크는 무작위로 위치된다. 따라서, 레이저 링크의 수리공정동안, 레이저 펄스는 무작위 펄스 구간에서 점화된다. 환언하면, 레이저 펄스는 일정한 PRF(Pulse Repetition Frequency : 펄스 반복 주파수)에서 보다 오히려 폭넓은 가변 범위의 PRF들에서 잘 움직인다. 산업적인 공정이 더 많은 생산 처리량을 달성하기 위해, 레이저 펄스는 레이저 빔의 스캐닝 메커니즘을 멈추는 것 없이, 목적 링크에서 점화된다. 이러한 생산 기술은 산업계에서, OTF(On-The-Fly) 링크 처리로 명명된다. 다른 일반 레이저 응용은 무작위 시간에 필요할 때만 단지 점화되는 레이저 펄스를 사용한다.

그러나, 펄스당 레이저 에너지는 일반적으로 PRF가 증가됨에 따라 감소되는 반면에 레이저 펄스폭은 PRF가 증가됨에 따라 증가하며, 이 특성은 Q-스위칭된, 고체-상태 레이저에 대해 특히 사실이다. 많은 레이저 어플리케이션이 무작위로 요청시 시간-변위 레이저 펄스를 필요로 하면서, 또한 이들 응용은 펄스당 레이저 에너지와 펄스 폭이 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 필요로 한다. 메모리 또는 다른 IC 칩에 관한 링크 처리과정의 경우, 부적절한 레이저 에너지는 결국 불완전한 링크 절단이 되고, 한편 초과 레이저 에너지는 패시베이션 구조(passivation structure) 또는 실리콘 기판에 수용할 수 없는 손상을 일으킬 것이다. 레이저 펄스 에너지의 수용 가능한 범위는 종종 "프로세스 윈도우(process window)"로 언급된다. 많은 실제 IC 디바이스의 경우, 이 프로세스 윈도우는 레이저 펄스 에너지가 선택된 펄스 에너지 값으로부터 5%미만까지 다양할 것을 요구한다.

프로세스 윈도우를 확부하기 위해 또는 프로세스 윈도우 내의 동작을 보부하기 위해 다양한 접근방식이 구현되고 있다. 예를 들면, 본 특허 출원의 양수인에 양도된 "METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING AND EMPLOYING A HIGH DENSITY OF EXCITED IONS IN A LASANT"의 미국 특허 제 5,590,141 호는 증가하는 PRF의 함수로서 감소된 펄스 에너지 감소(drop off)를 나타내는 라상트(lasant)를 가지며, 이에 따라 고등의 사용가능한 PRF를 가지는 고체-상태 레이저를 기술한다. 따라서, 이러한 레이저는 최대 PRF 이하로 동작되는 경우, 보다 안정한 펄스 에너지 레벨을 생성할 수 있다.

또한, 본 특허 출원의 양수인에 양도된 "SYSTEM AND METHOD FOR SELECTIVELY LASER PROCESSING A TARGET STRUCTURE OF ONE OR MORE MATERIALS OF A MULTILMATERIAL, MULTILAYER DEVICE"의 미국 특허 제 5,265,114 호는 링크 프로세스 윈도우를 확부하여, 공정 동안 레이저 펄스 에너지의 더 넓은 변형을 허용하기 위해 1,320 나노미터("nm")와 같은 더 긴 레이저 파장을 사용하는 것을 기술하고 있다.

"LASER PUMP CONTROL FOR OUTPUT POWER STABILIZATION"의 미국 특허 제 5,226,051 호는 펌핑 다이오드의 전기적 전류를 제어함으로써 레이저 펄스 에너지를 등화하는 기술을 설명하고 있다. 이 기술은 약 25KHz 또는 30KHz의 아래에 있는 레이저 PRF를 사용하는 실제 응용에서 잘 작동한다.

위에 기술된 레이저 처리과정 응용은 일반적으로 1,047nm ~ 1,324nm의 파장을 가지는 IR(infrared: 적외선) 레이저를 사용하며, 이는 약 25 ~ 30KHz를 넘지 않는 PRF에서 잘 움직인다. 그러나, 생산 수요는 훨씬 더 높은 처리량을 요구하고 있으며, 따라서 레이저는 약 25KHz보다 훨씬 더 높은, 예를 들면 50KHz ~ 60KHz 또는 그 보다 높은 PRF에서 동작할 수 있어야 한다. 덧붙여, 많은 레이저 처리 응용은 자외선("UV") 에너지 파장을 사용함으로써 향상되며, 이는 일반적으로 약 400nm보다 작다. 이러한 UV 파장은 IR 레이저가 IR 레이저의 제 2, 제 3 또는 제 4의 고조파를 여기하는 고조파 생성 처리를 받게 함으로써 발생될 수 있다. 불행하게도, 고조파 생성의 성질로 인해, 이러한 UV 레이저의 펄스 대 펄스 에너지 레벨은 특히 PRF에서의 시간 변동 및 레이저 펄스 구간에 민감하다.

또한, 본 특허 출원의 양수인에게 양도된 "LASER PROCESSING POWER OUTPUT STABILIZATION APPARATUS AND METHOD EMPLOYING PROCESSING POSITION FEEDBACK"의 미국 특허 제 6,172,325 호는 복수의 레이저 펄스 구간인 무작위 시간 구간에서 요구시 레이저 펄스 선별을 제공하기 위해 위치 피드백-제어된 레이저 펄스 선별 또는 게이트 제어 디바이스와 함께 일정한 고 반복율로 레이저를 동작시키는 기술을 설명한다. 이 기술은 양호한 레이저 펄스 에너지 안정성과 높은 처리량을 제공한다.

일반적인 레이저 펄스 선별 또는 게이트 제어 디바이스는 AOM(Acousto-Optic Modulator) 또는 EOM(Electro-Optic Modulator; 또는 포켈(Pockel) 셀로도 명명됨)이가 된다. KD^*P 또는 KDP와 같은 일반적 EOM 물질은 UV 파장에서 비교적 강한 흡수를 겪게 되어, 이는 결국 디바이스 내에 있는 레이저 빔 경로를 따라 지역적 가열 및 사용된 파장에서 재료의 더 낮은 손상 경계가 되어, 디바이스의 반파장판(half wave-plate) 전압의 변화를 야기한다. EOM의 다른 단점은 50KHz를 넘는 반복률에서 잘 실행될 수 있는 의문스러운 능력이다.

다른 한편, AOM 재료는 250nm로부터 2,000nm까지의 IR광에 대응하는 UV광에 상당히 투명하며, 이는 AOM이 범위 내에 있는 일반적 레이저 파장 전체에 대하여 잘 실행시킴을 허용한다. 또한, AOM은 수백 KHz까지의 반복률로 펄스의 바람직한 게이트 제어를 쉽게 조절할 수 있다. AOM의 한 가지 단점은 약 75 - 90 퍼센트의 제한된 회절 효율성이다.

도 1은 RF(Radio Frequency) 구동기(12)에 의해 구동되고, 레이저 펄스 선별 또는 게이트 제어 어플리케이션을 위해 사용된 일반적인 종래 기술의 AOM(10)를 보여주며, 도 2a 내지 도 2d(집합적으로, 도 2임)는 인입 레이저 펄스(14), AOM RF 펄스(15) 및 AOM 출력 펄스(16 및 20)를 위한 대응하는 종래 기술의 타이밍 그래프를 보여준다. 도 2a는 레이저(미도시)에 의해 방출되고, AOM(10)에 전파된 일정한 반복율 레이저 펄스(14a - 14k)를 보여준다. 도 2b는 대응하는 시간 기간(22a - 22k)에서 발생하는 레이저 펄스(14a - 14k) 중의 하나가 표적 쪽으로 전파되도록 선택하기 위해 AOM(10)에 RF 펄스(15)를 인가하기 위한 2 가지의 예시적인 방식을 예증한다. 첫 번째 방식에서, 단일 RF 펄스(15cde)(점선으로 도시됨)는 레이저 펄스(14c, 14d 및 14e)에 대응하는 시간 구간(22c - 22e)을 담당하도록 연장된다; 두 번째 방식에서, 분리된 RF 펄스(15c, 15d 및 15e)는 레이저 펄스(14c, 14d 및 14e)에 대하여 각각의 시간 구간(22c 22d 및 22e)을 개별적으로 담당하도록 발생된다. 도 2c 및 도 2 d는 AOM(10)에 인가된 RF 펄스(15)의 존재 또는 결손에 의해 결정되는 바와 같이, AOM(10)으로부터 전파되는 각 1차 순위 빔(20) 및 0차 순위 빔(16)을 보여준다.

도 1 및 도 2를 참조하면, AOM(10)은 RF 구동기(12)에 의해 구동된다. RF 펄스(15)가 AOM(10)에 인가되지 않은 경우, 인입 레이저 펄스(14)는 자신의 원래 빔 경로를 따라 실질적으로 AOM(10)을 통과하여, 일반적으로 0차 순위 빔(16)으로 언급되는 빔(16)으로서 탈출한다. RF 펄스(15)가 AOM(10)에 인가되는 경우, 인입 레이저 펄스(14)의 에너지중 일부는 0차 순위 빔(16)으로부터 1차 순위 빔(20)의 경로로 회절된다. AOM(10)는 인입 레이저 펄스(14)에 있는 레이저 에너지대 1차 순위 빔(20)에 있는 레이저 에너지의 비로서 정의된 회절 능률을 갖는다. 1차 순위 빔(20) 또는 0차 순위 빔(16) 중 하나는 동작빔으로 사용될 수 있으며, 이는 상이한 응용 고려에 의존한다. 단순화를 위하여, AOM(10)으로 들어오는 레이저 펄스(14)는 이후 "레이저 펄스" 또는 "레이저 출력"을 언급되며, 이들이 AOM(10)에 의해 선택되므로, 표적에 전달된 펄스는 "동작 레이저 펄스" 또는 "동작 레이저 출력"으로 언급될 것이다.

1차 순위 빔(20)이 동작 빔으로 사용되는 경우, 동작 레이저 펄스의 에너지는 동적으로 100 퍼센트의 최대값으로부터 실질적으로 영으로 하향 제어될 수 있으며, 이는 각기 RF 펄스(15)의 파워가 최대 파워로부터 실질적으로 영으로 변하기 때문이다. 허용된 최대 RF 파워 부하 하에서 AOM의 실제적인 제한된 회절 능률은 약 75 ~ 90 퍼센트가 되므로, 동작 레이저 펄스의 최대 에너지 값은 레이저 펄 스(14)에서 에너지 값의 약 75 ~ 90 퍼센트이다. 그러나, 영차 순위 빔(16)이 동작 빔으로 사용되는 경우, 동작 레이저 펄스의 에너지는 동적으로 레이저 펄스(14)내에 있는 최대 에너지의 100 퍼센트로부터 최대값의 15 ~ 20 퍼센트로 하향 제어될 수 있으며, 이는 각기 RF 펄스(15)의 파워가 실질적으로 영으로부터 최대 파워로 변하기 때문이다. 예를 들면, 메모리 링크 처리과정의 경우, 동작 레이저 펄스가 요구되지 않은 경우, 시스템 레이저 펄스 에너지의 누설은 허용되지 않는데, 즉 동작 레이저 펄스 에너지가 영이어야만 하고, 따라서 1차 순위 레이저 빔(20)은 바람직하게는 동작 빔으로 사용된다.

도 2를 다시 참조하면, RF 펄스(15)는 무작위 시간 구간이고 동작 레이저 펄스가 요구되는 경우에만, 본 경우에 레이저 펄스 구간에 대한 무작위 적분 배수에서 AOM(10)에 인가된다. 동작 레이저 펄스의 무작위 출력은 결국 AOM(10)에 무작위 가변 열적 부하(loading)가 된다. 가변 열적 부하는 AOM(10)에서 기하학적 왜곡 및 온도 구배를 야기 시키며, 이는 AOM의 굴절 지수에서 구배를 야기한다. 열적 부하의 귀결은 AOM(10)를 통과하는 레이저 빔을 왜곡시키며, 이는 결국 레이저 빔 경로에서 악화된 레이저 빔 품질 및 불안정성이 되거나 또는 불량한 빔 위치 정확도가 된다. 이러한 왜곡은 만일, 이들이 일정하게 유지된다면 어느 정도 까지 교정될 수 있다. 그러나, 시스템 레이저 펄스가 무작위로 요구되는 경우, 가령 레이저 링크 처리과정에 있어서 처럼, 이들 왜곡은 동일한 무작위 성질을 가질 것이며 실질적으로 교정될 수 없다.

플로리다, 멜본에 있는 NEOS 기술에 의해 만들어진, 모델 N23080-2-1.06-LTD 와 같은 AOM 디바이스에 대한 시험 결과는 RF 파워의 단지 2 와트만으로도, 레이저 빔 포인팅 정확도는 RF가 AOM에 무작위로 온오프 인가되는 경우, 1 밀리 라디안(milliradian)만큼 편향할 수 있다. 이러한 편향은 일반적인 메모리 링크 처리과정 시스템에 대하여 허용된 최대 편향보다 수백 배 더 크다. 또한, AOM(10)상의 무작위 열적 부하로부터 발생한 레이저 빔 품질의 왜곡은 레이저 빔의 초점 가능성(focusability)을 악화시킬 것이며, 이는 결국 초점에서 더 큰 레이저 빔 스폿 크기가 된다. 레이저 빔 스폿 크기가 가능한 한 작을 것을 요구하는 메모리 링크 처리과정과 같은 응용의 경우, 이러한 왜곡은 매우 바람직스럽지 못하다.

그러므로, 요구되는 것은 레이저 빔의 왜곡을 야기시키는 것 없이 그리고 AOM상의 무작위 열적 부하 변화에 의해 야기된 위치 정확도에 약영향을 미치지 않으면서도 고 반복율 레이저 펄스열(pulse train)로부터 동작 레이저 펄스를 무작위로 선택하는 장치 및 방법이다. 또한, 요구되는 것은 고 PRF에서 요구 및/또는 OTF(On-The-Fly)시 펄스당 일정한 레이저 에너지와 일정한 펄스폭을 가지며, 메모리 칩상의 레이저 링크 처리과정과 같은 다양한 레이저 응용의 경우 상이한 펄스 시간 구간에서 높은 정확도를 가지는 동작 레이저 펄스를 생성하는 방법 및 장치이다. 게다가, 요구되는 것은 동작 레이저 펄스를 이용하기 위한, 효율적이며 고-처리량의 장치 및 방법이다.

따라서, 본 발명의 목적은 고 반복율로 펄스된 레이저로부터 요구시 레이저 펄스를 선택하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

다음은 본 발명의 몇 가지 이점이다.

본 발명의 실시예는 레이저 빔 및 위치 정확도의 왜곡을 최소화하기 위해 AOM에 관한 최소 열적 부하 변화로 이러한 펄스 선택을 실행한다. 이들 실시예는 UV로부터 근접 IR로의 선택된 파장 및 메모리 링크 절단과 같은 고-정확도 레이저 처리과정 응용을 위한 고 PRF들에서 안정한 펄스 에너지 및 안정한 펄스폭을 가지는 시스템 온 디맨드 레이저 펄스(system on demand laser pulse)를 생성하는 장치 및 방법을 포함한다. 본 발명의 실시예는 동작 레이저 펄스를 이용하는 효율적이고, 고 처리량의 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 작업물 처리과정 시스템은 제 1 빔 위치결정 헤드가 제 1 작업물을 처리하기 위해 레이저 빔을 향하는 경우, 제 2 빔 위치결정 헤드가 제 2 작업물상의 다음 표적 위치 또는 제 1 작업물상 위치의 제 2 세트로 이동하도록 제 1 및 제 2 빔 위칭결정 헤드 사이에서 레이저 빔 또는 레이저 펄스가 스위칭됨을 야기하는 빔 스위칭 디바이스에 연결된 레이저를 사용한다. 제 1 빔 위치결정 헤드가 제 1 작업물의 처리과정을 마치고 제 2 빔 위치결정 헤드가 그 표적 위치에 도달하는 경우, 빔 스위칭 디바이스는 빔이 제 2 빔 위치결정 헤드로 스위칭하도록 야기하며 이후 제 2 빔 위치결정 헤드는 레이저 빔을 제 2 작업물상의 표적 위치로 향하게 하는 반면, 제 1 빔 위치결정 헤드는 자신의 다음 표적 위치로 이동한다.

본 발명인 레이저 빔 스위칭 시스템의 이점은 제 1 및 제 2 작업물이 처리과정을 위한 레이저 빔의 거의 풀 파워(full power)를 받는다는 것이다. 레이저 빔의 총 이용 시간은 처리과정 대 이동 시간 비에 의존하여, 거의 2의 인자까지 증가된다. 이는 시스템 비용을 상당히 증가시킬 필요없이 시스템 처리량을 대단히 증가시킨다.

선호하는 빔 스위칭 디바이스는 레이저 빔(즉 레이저 펄스)이 보통 AOM를 굴절되지 않고 통과하여 빔 차단기에서 종료되도록 서로 근접하게 위치되는 제 1 AOM 및 제 2 AOM을 포함한다. RF 에너지가 제 1 AOM에 인가되는 경우, 레이저 빔의 약 90 퍼센트는 제 1 레이저 빔으로서 회절되고, 10 퍼센트는 빔 차단기에서 종료하는 잉여 레이저 빔으로서 남아있게 된다. 유사하게, RF 에너지가 제 2 AOM에 인가되는 경우, 레이저 빔의 약 90 퍼센트는 제 2 레이저 빔으로 회절되고, 10 퍼센트는 빔 차단기에서 종료하는 잉여 레이저 빔으로서 남아있게 된다. 이 실시예에서, 레이저 빔을 생성하는 레이저는 소정의 펄스 반복율에서 일정하게 잘 움직인다.

빔 스위칭 디바이스의 사용은 유리할 수 있는데, 이는 레이저의 일정한 동작은 레이저 출력의 열적 표류를 제거하기 때문이다. 게다가, 본 발명의 펄스 선택 방법으로 제 1 및 제 2 AOM을 동작시킴으로써, AOM들의 열적 부하 변화가 최소화될 것이며, 이에 의해 레이저 빔 위치결정의 정확성을 증가시킨다.

빔 스위칭 디바이스로서 제 1 및 제 2 AOM들을 사용하는 다른 이점은 이들 AOM이 레이저 파워 제어 디바이스로서 동작할 수 있으며, 이는 일반적인 레이저기반 작업물의 처리과정 시스템에서 별도의 레이저 파워 제어기를 위한 필요를 제거한다. 파워 제어도 가능하며, 이는 AOM들의 응답 시간이 작업물에 관한 개별 표적 위치의 처리과정 동안 스위칭된 레이저 빔의 레이저 펄스 크기를 프로그래밍하기에 충분히 빠르기 때문이다. 일반적인 레이저 처리과정 응용은 식각된 회로 보드에서 블라인드(blind) 비아 형성이 되며, 이 경우 레이저 빔이 형성된 비아의 저면에 도달하는 경우 레이저 펄스 에너지를 감소시키는 것이 종종 필요하다.

레이저 시스템의 선호하는 실시예는 레이저 처리과정 응용에서의 사용을 위한 편광 상태-변조된 광방출의 2개 출력 빔을 제공하는 내부 공동 빔 멀티플렉싱을 구현한다.

본 발명의 추가적인 측면 및 이점은 바람직한 실시예의 이하 상세한 설명으로부터 명확할 것이며, 이 상세한 설명은 첨부된 도면을 참조하여 진행한다.

도 1은 0차 순위빔, 1차 순위빔 또는 이들 둘을 전송하는 종래 기술의 AOM 디바이스 및 RF 구동기의 간단한 개략도

도 2a 내지 도 2d는 각기 레이저 펄스, RF 펄스 및 1과 0차 순위 AOM 출력 레이저 펄스의 대응하는 종래 기술의 타이밍 그래프.

도 3a 내지 도 3c는 각기 바람직한 실시예에서 사용된 레이저 출력, RF 펄스 및 동작 레이저 출력의 대응하는 예시적인 타이밍 그래프.

도 4a 내지 도 4 c는 각기 레이저 출력, RF 펄스 및 동작 레이저 출력의 에너지 제어를 위한 AOM의 사용을 예증하는 동작 레이저 출력의 대안적인 대응하는 예시적인 타이밍 그래프.

도 5는 본 발명의 레이저 빔 스위칭 시스템에 대한 단순화된 개략적인 블럭 도.

도 6은 도 5의 레이저 빔 스위칭 시스템의 다양한 구성요소 중에 동작적인 타이밍 관계를 나타내는 파형의 타이밍도.

도 7은 본 발명과 함께 사용을 위한 바람직한 복식 AOM 레이저 빔을 나타내는 간단화된 개략적인 블럭도.

도 8은 도 7의 복식 AOM 스위칭 디바이스를 사용하는 레이저 빔 스위칭 시스템의 다양한 구성요소 사이에서 동작적인 타이밍 관계를 나타내는 파형의 타이밍도.

도 9는 도 7의 레이저 빔 스위칭 디바이스를 사용하는 일반적인 작업물 처리과정 시스템의 단순화된 개략적인 블럭도.

도 10은 도 9의 작업물 처리과정 시스템에 대한 다양한 구성요소 사이에서 동작적인 타이밍 관계를 나타내는 파형의 타이밍도.

도 11a 및 11b는 각기 하나 및 두개의 레이저 소스로부터 전파되는 복수의 레이저 빔을 위한 공통적인 광학 처리과정 경로를 사용하는 본 발명의 작업물 처리과정 시스템을 나타내는 단순화된 블럭도.

도 12는 본 발명의 레이저 빔 스위칭 디바이스를 구현하기 위해 고속 EOM 및 편광 빔 분리기를 사용하는 본 발명의 대안적인 작업물 처리과정 시스템을 나타내는 단순화된 개략적인 블럭도.

도 13은 교대의 제 1 및 제 2의 통로를 따라 레이저 빔을 스위칭하기 위한 고속 조종 거울을 사용하는 대안적인 레이저 빔 스위칭 시스템을 나타내는 단순화 된 그림의 블럭도.

도 14는 편광 상태-변조된 광 방출 펄스의 교대로 또는 동시적으로 2개의 기본적인 파 출력 빔을 선택적으로 제공하는 내부공동 광 빔 멀티플렉싱을 구현하기 위해 구성된 레이저 시스템.

도 15는 편광 상태-변조된 광 방출 펄스의 2개의 제 3 - 고조파 출력 빔을 동시적으로 제공하는 내부공동 광 빔 멀티플렉싱을 구현하기 위해 구성되는 레이저 시스템.

종래 기술의 AOM(10)과 같은 AOM들에서의 열적 부하 변화는 각기 도 3a-3c 및 도 4a-4c를 참조하여 도시된 펄스 선택 및 레이저 제어 방법을 사용함으로써 완화될 수 있다. 도 3a-3c(집합적으로는, 도 3)는 레이저 출력(24a-24k)(집합적으로는, 레이저 출력(24)), 종래 기술의 AOM(10)에 적용된 RF 펄스(38a-38k)(집합적으로는, RF 펄스(38)) 및 동작 레이저 출력(40a, 40c, 40d, 40e 및 40i)(집합적으로는, 동작 레이저 출력(40))의 대응하는 타이밍 그래프를 보여준다. 특히, 도 3a는 일정한 반복율로 레이저(미도시)에 의해 방출되고, 실질적으로 동일한 레이저 출력 구간(41)에 의해 분리되는 레이저 출력(24a-24k)을 보여준다. 일반적인 실시예에서, 레이저 출력 반복율은 약 1KHz로부터 약 500KHz까지 범위로 존재할 수 있다. 예시적인 레이저 출력 반복율은 약 25KHz로부터 약 100KHz보다 큰 범위로 존재할 수 있다. 링크 처리과정 실시예의 경우, 각각의 동작 레이저 출력(40)은 수나노초의 펄스폭을 갖는 단일 레이저 펄스를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 당업자 라면 각각의 동작 레이저 출력(40)이 하나 이상의 레이저 펄스의 버스트(burst)를 포함할 수 있음을 인식할 것이고, 이러한 예가 본 특허 출원의 양수인에 양도된 미국 특허 제 6,574,250 호의 "LASER SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING A MEMORY LINK WITH A BURST OF LASER PULSES HAVING ULTRASHORT PULSE WIDTHS"에서 공개되어 있으며, 또는 이와 달리 약 10 피코초 내지 약 1,000 피코초의 범위에 존재하는 펄스폭을 가지는 하나 이상의 펄스의 버스트들을 포함할 수 있다.

도 3b는 AOM(10)에 관한 열적 부하 변화를 사전 할당된 동작 오차허용도 내로 유지시키기 위해 실질적으로 정규 또는 균일한 펄스 구간(43a-43j)(집합적으로, RF 펄스 구간(43))에 의해 분리된 42a 및 42b(집합적으로, RF 펄스 지속기간(42))와 같은 펄스 지속기간을 가지는 RF 펄스(38)를 사용하는 선호 RF 펄스 선택 방식을 도시한다. 이러한 허용 오차는 특정 열적 로드 윈도우(load window)가 될 수 있지만, 그러나 사전 할당된 허용 오차는 똑같이 또는 대안적으로 스폿 크기의 윈도우 또는 빔 위치 정확도가 될 수 있다. 일실시예에서, 열적 부하 변화는 5% 내로 유지되고/거나 빔 포인팅 정확도는 0.005 밀리 라디안 내에 유지된다. 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 RF 펄스(38)는 각 레이저 출력(24)과 대응하기 위해 생성된다.

동작 레이저 출력(40)중 하나가 전기적으로 도체인 링크와 같은 표적에 영향을 미치도록 요구될 때마다, 하나의 RF 펄스(38)는 AOM(10)을 통과하여 전송되어 요구된 하나의 동작 레이저 출력(40)이 되도록 하나의 레이저 출력(24)과 동시에 AOM(10)에 인가된다.

도 3b에서, 동시성 RF 펄스(38)는 RF 펄스(38a, 38c, 38d, 38e 및 38i)가 된다. 도 3c는 최종 대응하는 동작 레이저 출력(40a, 40c, 40d, 40e 및 40i)을 보여준다. 동작 레이저 출력이 레이저 출력(24)과 대응하도록 요구되지 않는 경우, RF 펄스(38)는 레이저 출력(24)의 대응하는 펄스와 비동시적으로 AOM(10)에 인가된다. 도 3c는 어떤 동작 레이저 출력(40)도 비동시성 RF 펄스(38)와 대응하는 것이 없음을 보여준다.

바람직하게는, 비동시성 RF 펄스(38)는 약 0.5 마이크로초 보다 더 긴 시간 오프셋(44)에 의해 각 레이저 출력(24)의 개시로부터 오프셋된다. 당업자라면 시간 오프셋(44)이 레이저 출력(24)을 따르도록 보여지는 동안, 시간 오프셋(44)은 레이저 동작 출력(40)의 표적화를 방지하기 위하여 충분한 시간만큼 대안적으로 레이저 출력(24)을 선행할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 하나의 비동시성 RF 펄스(38)를 둘러싸는 RF 펄스 구간(43)은 총 평균 RF 펄스 구간(43)(예를 들면, 43c, 43d, 43f, 43g 및 43j)보다 짧거나(예를 들면 RF 펄스 구간(43b 및 43h), 또는 평균 RF 구간(43) 보다 더 길 수 있다(예를 들면 RF 펄스 구간(43a, 43e 및 43i).

다시 도 3c를 참조하면, 각기 동작 레이저 출력(40c 및 40d) 사이 및 동작 레이저 출력(40d 및 40e) 사이의 비충돌 구간(46b 및 46c)은 레이저 출력 구간(41)과 대체로 동일하다. 각기 동작 레이저 출력(40a 및 40c) 사이 및 동작 레이저 출력(40e 및 40i) 사이의 비충돌 구간(46a 및 46d)은 대략 레이저 출력 구간(41)의 정수 배수이다.

당업자라면 바람직하게는 비록 동작 레이저 출력(40)이 링크 처리과정과 같 은 모든 응용에 대하여 1차 순위 빔(20)일지라도, 동작 레이저 출력(40)은 누손이 허용가능하고 더 높은 동작 레이저 출력 파워가 바람직한 0차 순위 빔(16)이 될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

바람직한 실시예에서, 동시성 및 비동시성 RF 펄스(38)는 RF 파워값과 RF 지속기간의 곱인 동일한 RF 에너지를 사용할 뿐만 아니라, 동일한 RF 지속기간 및 동일한 RF 파워값을 사용한다.

도 4a-4c(집합적으로, 도 4)는 레이저 출력(24), AOM(10)에 인가된 RF 펄스(38), 및 AOM(10)이 추가적으로 동작 레이저 출력(40)의 출력 파워를 제어하기 위해 어떻게 사용될 수 있는 지를 예증하는 동작 레이저 출력(40)을 보여준다. 도 4a는 도 3a와 동일하며, 단지 편의를 위해 도시된다. 도 4b 및 4c는 편의를 위해 점선으로 중첩되어 보여지는 대응하는 RF 펄스(38) 및 동작 레이저 출력(40)과 함께, RF 펄스(38') 및 동작 레이저 출력(40')을 보여준다. 동작 레이저 출력(40')의 에너지값은 RF 펄스(38) 보다는 RF 펄스(38')를 위하여 AOM(10)에 더 적은 RF 파워를 적용함으로써 감쇄된다; 그러나, RF 펄스 지속기간(42')은 RF 파워값과 RF 지속기간의 실질적으로 일정한 곱을 유지하기 위해 RF 펄스(38)에 사용된 RF 지속기간(42)에 걸쳐 RF 펄스(38')에 대하여 증가되므로 AOM(10)에 대한 실질적으로 일정한 열적 부하를 유지하게 된다. 이러한 기술은 AOM(10)에 대한 열적 부하에 있어 실질적 변동없이도 동작 레이저 출력(40 또는 40') 사이의 출력 파워의 연속체를 위한 주문식 선택을 허용한다. 당업자라면 비동시성 RF 펄스(38)의 RF 지속기간(42) 및 RF 파워값이 원래대로 유지될 수 있거나, 또는 일치 RF 펄스(38')의 RF 부하 변화의 특정한 허용 오차 내에 있도록 변경될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

바람직하게는, RF 펄스 지속기간(42')는 1 마이크로초로부터 레이저 출력 구간(41)의 약 반절로 선택되며, 더 바람직하게는 레이저 출력 구간(41)의 30%보다 더 짧다. 예를 들면, 만일 레이저 반복율이 50KHz이고 레이저 출력 구간(41)이 20 마이크로초라면, RF 펄스 지속기간(42')은 1 마이크로초와 10 마이크로초 사이의 어느 곳에 있을 수 있다. 최소 RF 펄스 지속기간(42 또는 42')는 AOM(10)의 응답 시간 및 레이저 펄스 지터링 시간(jittering time)에 의해 결정된다. 레이저 출력(24)의 중간점 주변에 있는 RF 펄스(38 및 38')의 대응하는 하나를 개시하는 것이 바람직하다. 마찬가지로, RF 펄스(38 및 38')는 대응하는 레이저 출력(24)의 개시로부터 최소 RF 지속기간의 약 절반을 지연하거나 또는 오프셋하는 것이 바람직하다.

AOM(10)에 인가된 RF 펄스(38)의 RF 파워는 표적 처리과정의 필요를 충족하기 위해 동작 레이저 출력(40 및 40')의 에너지를 제어하도록 조정될 수 있으며, 반면에 이에 따라 RF 펄스(38 및 38')의 RF 펄스 지속기간(42 및 42')는 실질적으로 일정한 RF 에너지 또는 RF 파워 및 RF 펄스(38 및 38') 지속기간의 연산곱을 유지하도록 제어될 수 있다.

작업물 처리과정 응용에서 AOM을 사용하기 위한 상술된 기술은 빔 조정 정확성 및 프로세스 윈도우 필요조건을 해소하지만, 그러나 작업물 처리과정의 처리량 및 효율성 문제를 해소하지 못한다. 작업물 처리과정을 위한 단일 레이저의 사용은 시간-비효율적이며, 이는 상당한 시간 및 레이저 파워가 레이저 출력과 서로에 대하여 작업물 표적 위치를 이동하는 동안 낭비되기 때문이다. 식각-회로 보드의 비아 형성과 같은 응용을 위하여 레이저 빔의 사용은, 일반적으로 결국 단지 50%의 레이저 빔의 이용이 되는데, 이는 표적 위치 사이에서 빔을 이동시키기 위해 필요한 시간때문이다. 빔 분리(beam splitting)는 이러한 낮은 시간 이용 문제를 교정하지 못한다. 이전의 작업자들은 처리과정의 처리량을 개선하기 위해 복수의 레이저 빔을 사용하여 오고 있지만, 추가 비용과 낭비되는 레이저 파워는 여전히 우려스럽다.

본 발명은 단일 레이저 작업물 처리과정 시스템의 효율성 및 처리량을 개선하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명에서, 펄스 선택 기술을 사용하는 AOM들이 작업물 처리과정 및 효율성을 개선하기 위해, 레이저 빔 스위칭 또는 멀티플렉싱 기술과 결합하여 사용된다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 레이저 빔 스위칭 시스템(50) 및 관련된 타이밍 측면을 나타내며, 이 시스템에서 레이저는 선택적인 접이식 거울(56)에 의해 빔 스위칭 디바이스(58)에 반사된 레이저 펄스(54)를 방출한다. 빔 스위칭 디바이스(58)는 레이저 펄스(54)가 제 1 및 제 2 빔 위치결정 헤드(60 및 62) 사이를 스위칭하도록 하여 제 1 빔 위치결정 헤드(60)가 레이저 펄스(54)가 제 1 작업물(64)에 관한 표적 장소를 처리하도록 하는 중인 경우, 제 2 빔 위치결정 헤드(62)는 제 2 작업물(66)에 대한 표적 위치로 이동중이다. 레이저 펄스(54)는 선택적인 접이식 거울(68)에 의해 빔 스위칭 디바이스(58)로부터 빔 위치결정 헤드(62)로 향한다. 제 1 빔 위치결정 헤드(60)가 작업물(64)의 처리과정을 완료하는 때, 도 6에 도시된 바와 같이 레이저(52)를 오프시키는 Q-스위치와 같은 선택적인 셔터(미도시) 또는 레이저 펄스(54)는 빔 차단기(미도시)로 내보내진다(dump). 제 2 빔 위치결정 헤드(62)가 자신의 표적 위치에 도달하는 경우, 레이저 펄스(54)는 이 셔터에 의해 스위칭온되고, 제 2 빔 위치결정 헤드(62)는 작업물(66)에 대한 표적 장소로 레이저 펄스(54)를 향하게 하는 반면에, 제 1 빔 위치결정 헤드(60)는 자신의 다음 표적 위치로 이동한다. 도 6은 작업물 처리과정 시간을 구간(P)으로서, 표적 위치 사이의 위치 결정기 이동 시간을 구간(M)으로 나타낸다.

레이저 빔 스위칭 시스템(50)의 이점은 제 1 및 제 2 작업물(64 및 66)이 교대로 처리과정을 위한 레이저 펄스(54)의 거의 풀 파워를 받는 다는 것이다. 레이저 펄스(54)의 총 이용 시간은 거의 2 인자만큼 증가되며, 이는 처리과정 대 이동 시간비에 의존한다. 이는 시스템 비용을 상당히 증가시킬 필요없이도 대단히 시스템 처리량을 증가시킨다.

도 7 및 도 8은 선호되는 빔스위칭 디바이스(70) 및 관련된 타이밍 관계도를 보여준다. 빔 스위칭 디바이스(70)는 광학적 직렬관계로 위치되는 제 1 및 제 2 AOM들(72 및 74)을 포함하게 되므로, 레이저 빔 또는 레이저 펄스(76)는 보통 AOM들(72 및 74)을 반사없이 통과하여 빔 차단기(78)에 관한 레이저 빔(76A)으로서 끝맺게 된다. 그러나, 제 1 RF 구동기(80)가 제 1 AOM(72)에 약 6 와트의 85 MHz RF 신호를 인가하는 경우, 레이저 빔(76)의 약 90%는 레이저 빔(76B)으로서 회절되고, 10%는 레이저 빔(76A)으로서 남아 있게 된다. 마찬가지로, 제 2 RF 구동기(82)가 약 6와트의 85MHz RF 신호를 제 2 AOM(74)에 인가하는 경우, 레이저 빔(76)의 약 90%는 레이저 빔(76C)으로서 회절되고, 10%는 레이저 빔(76A)으로서 남아 있게 된다. 이러한 실시예에서, 레이저를 발생하는 레이저 빔(76)은 원하는 펄스 반복율로소 일정하게 움직이게 된다.

빔 스위칭 디바이스(70)를 사용하는 경우, 어떤 셔터 또는 Q-스위치도 레이저 빔(76B 및 76C) 사이에서 스위칭되는 때, 시간 구간이 요구된다면 필요로 하지 않게 되는데, 이는 제 1 및 제 2 AOM(72 및 74)들 둘 다에 인가되는 RF 신호를 차폐해야만 할 필요가 있고, 이에 의해 빔 차단기(78)로 모든 레이저 빔(76)을 내보내기 때문이다.

빔 스위칭 디바이스(70)는 이점일 있을 수 있는데, 이는 레이저의 일정한 작동이 레이저 출력의 열적 표류를 제거하기 때문이다. 더욱이, 도 3 및 도 4를 참조하여 기술된 펄스 선택 방법으로 AOM들(72 및 74)을 동작시킴으로써, 열적 부하 변화는 최소화될 것이며, 이에 의해 레이저 빔 위치결정 정확도를 증가시키게 된다. 각각의 제 1 및 제 2 AOM들(72 및 74)은 바람직하게는 플로리다주 멜번(melbourne)에 있는 NEOS 테크놀리지 주식회사에 의해 제조된 모델 N30085가 된다. 이 N30085 AOM은 2와트의 85 MHz RF 파워로 구동되는 경우 지정된 90% 회절 효율성을 갖는다.

빔 스위칭 디바이스(70)의 다른 이점은 이 디바이스가 레이저 파워 제어 디바이스로서 동작하여, 일반적 레이저 기반 작업물 처리과정 시스템에서 별도의 레이저 파워 제어기에 대한 요구를 제거할 수 있다는 것이다. 파워 제어도 가능한데, 이는 AOM들(72 및 74)의 응답시간이 작업물에서의 단일 표적 장소의 처리과정 동안 레이저 빔(76B 및 76C)의 레이저 펄스 크기를 프로그래밍하기에 충분히 빠르기 때문이다. 일반적인 레이저 처리 응용은 시각-회로 보드에서 블라인드(blind) 비아 형상이며, 이 경우 형성된 비아의 저면에 레이저 빔이 도달하는 경우 레이저 펄스 에너지를 감소시키는 것이 종종 필요하다.

도 9 및 도 10은 각기 빔 스위칭 디바이스(70)를 사용하는 일반적인 작업물 처리과정 시스템(90) 및 관련된 동작 타이임 관계도를 보여준다. 레이저(92)와 가변 빔 확장기(94)는 빔 스위칭 디바이스(70)를 통하여 전파되는 레이저 빔(76)을 생성하기 위해 협동하며, 이 빔 스위칭 디바이스(70)는 도 7 및 8을 참조하여 기술된 바와 같이 동작하여 레이저 빔(76A, 76B 및 76C)을 생성한다. 레이저 빔(76A)은 빔 차단기(78)에서 끝난다. 레이저 빔(76B)은 선택적인 접이식 거울(96)에 의해 반사되어 제 1 XY 스캐너(98)에 의해 제 1 작업물(100)에 관한 표적 장소(1,2,3 및 4)로 향하게 된다. 동일하게, 레이저 빔(76C)은 선택적인 접이식 거울(102)에 의해 반사되어 제 XY 스캐너(104)에 의해 제 2 작업물(106)에 관한 표적 장소(1,2,3 및 4)로 향하게 된다. 제 1 및 제 2 XY 스캐너(98 및 104)는 각 제 1 및 제 2 X 위치결정 단(108 및 110) 상에 탑재되며, 제 1 및 제 2 작업물(100 및 106)은 Y 위치 결정 단(112)상에 탑재된다. 당업자라면 스캐너 및 작업물이 분리축으로 구성된 위치결정기 시스템 상에 탑재되지만, 그러나 평면 및 적층된 구성이 대안적으로 사용될 수도 있음을 이해할 것이다. 또한, 당업자라면 제 1 및 제 2 작업물에 대한 표적 장소가 공통 기판상이고/이거나 대응하는 표적 장소를 공유하지 못할 수 있음을 이해할 것이다.

도 10은 작업물(100)에 관한 표적 장소(1)를 처리(드릴링)하는 레이저 빔(76B)을 보여주는 반면에, 제 2 XY 스캐너(104)는 레이저 빔(76C)의 위치를 작업물(106)에 관한 표적 장소(1)로 이동시키는 중이다. 레이저 빔(76C)이 작업물(106)에 관한 표적 장소(1)를 처리하고 있는 중인 경우, 제 1 XY 스캐너(98)는 레이저 빔(76B)의 위치를 작업물(100)에 관한 표적 장소(2)로 이동시키는 중이다. 이러한 프로세스는 표적 장소(2,3 및 4)에 대하여 계속 진행되어 작업물(106)에 관한 표적 장소(4)의 처리과정이 완성되며, 이때에 제 1 및 제 2 X 위치결정 단(108 및 110) 및 Y 위치결정 단(112)은 각 작업물(100 및 106)의 표적 장소(5,6,7 및 8)에 대하여 제 1 및 제 2 XY 스캐너(98 및 104)를 위치시키기 위해 장거리 이동을 실행한다. X 및 Y 선형 위치결정 단은 XY 스캐너와 협력하여 일정한 모션으로 동작한다. 본 발명과의 사용을 위해 적합한 위치결정 시스템이 본 특허 출원의 양수인에 양도된 미국 특허 제 5,751,585 호의 "HIGH SPEED, HIGH ACCURACY MULTI-STAGE TOOL POSITIONING SYSTEM"에 기술된다.

도 11a는 레이저 빔(76B 및 76C) 둘 다를 광학적으로 처리하기 위한 공통 모듈 이미지화 광학 조립체(122) 및 가변 빔 확장기(94)를 사용하는 본 발명의 작업물 처리과정 시스템(120)을 보여준다. 본 실시예에서, 레이저(92) 및 선택적인 고정 빔 확장기(124)는 협력하여 빔 스위칭 디바이스(70)를 통하여 전파되는 레이저 빔(76)을 생성하며, 이 빔 스위칭 디바이스(70)는 도 7 및 8을 참조하여 기술된 바와 같이 동작하여 레이저 빔(76A, 76B 및 76C)을 생성한다. 레이저 빔(76B 및 76C)은 별도의 전파 경로 부분을 따라 전파된다. 제 1 방향전환 거울(126)은 레이저 빔(76B)을 반파장판(half-wave plate)(128)을 통과하도록 하며, 이 반파장판(128)은 레이저 빔(76B)의 편광 상태를 레이저 빔(76C)의 편광 상태에 대하여 90도까지 변화시킨다. 이 90도 위상-변환된 레이저 빔(76B))은 제 2 방향전환 거울(130)에 의해 편광 빔 결합기(132)로 향하게 된다. 레이저 빔(76C)은 제 3 방향전환 거울(134)에 의해 편광 빔 결합기(132)로 향하게 되며, 이 결합기는 레이저 빔(76B 및 76C)이 전파되는 별도의 경로 부분을 공통 전파 경로로 결합한다. 레이저 빔(76B 및 76C)은 공통 레이저 빔(76D)으로 병합하며, 이 공통 레이저 빔은 이미지화 광학 조립체(122) 및 선택적인 가변 확장기(94)를 통과하여 공통 경로 부분을 따라 전파하여 편광 빔 분리기(136)로 전파된다. 제 2 편광 빔 분리기(136)는 공통 레이저 빔(76D)을 레이저 빔(76B 및 76C)으로 분리한다. 레이저 빔(76B)은 제 4 방향전환 거울(138)에 의해, 예를 들면 제 1 XY 스캐너(98)로 향하게 된다; 레이저 빔(76C)은, 예를 들면 제 2 XY 스캐너(104)로 향하게 된다.

빔 확장기(124)는 광 에너지의 가우시안 공간 분포의 형태로 레이저 빔(76B 및 76C)의 형상을 정한다. 이미지화 광학 조립체(122)는 레이저(76B 및 76C)의 가우시안 공간 분포를 형상화하게 되므로 XY 스캐너(98 및 104)로의 배달을 위한 균일한 공간 분포의 출력 빔을 형성한다. 선호되는 이미지화 광학 조립체는 미국 특허 제 5,864,430 호에 기술된 바와 같은 회절 가능한 빔 형상화기(shaper) 타입이다.

도 11b는 대안적인 작업물 처리과정 시스템(120')을 보여주며, 이 경우 빔 스위칭 디바이스(70)는 제거되고 레이저 빔(76B 및 76C)은 각기 별도의 레이저 소 스(92b 및 92c)로부터 전파한다. 레이저 빔(76B)의 크기는 빔 확장기(124b)에 의해 정해지며, 레이저 빔(76C)의 크기는 빔 확장기(124c)에 의해 정해진다. 별도 레이저 소스(92b 및 92c)의 사용은 하나 이상의 방향전환 거울(126, 130 및 134)이 도 11b에 도시된 바와 같이, 제거될 수 있는 광학적인 콤포넌트 구성을 돕는다.

작업물 처리과정 시스템(120 및 120')의 각각은 유리할 수 있는데, 이는 단지 하나의 값비싼 빔 이미징 광학 세트가 요구되기 때문이다. 더욱이, 작업물 처리과정 시스템(120)의 경우, 빔 스위칭 디바이스(70)의 사용은 더 작은 광학적인 콤포넌트와의 구현을 허용하는데, 이는 스위칭이 다운스트림식 스위칭 콤포넌트에서 발견되는 것보다 더 작은 빔 폭으로 성취되기 때문이다.

도 12는 제 1 및 제 2 XY 빔 스캐닝 헤드(98 및 104) 사이의 레이저 빔(146)의 스위칭을 구현하기 위해 고속 EOM(142) 및 편광 빔 분리기(144)를 사용하는 본 발명의 다른 대안적인 작업물 처리과정 시스템(140)을 보여준다. 작업물 처리과정 시스템(140)에서, 레이저(92)는 레이저 빔(146)을 방출하며, 이 레이저 빔은 투과하여 전파하여 광학 모듈(148)과 레이저 파워 제어기(150)에 의해 광학적으로 처리된다. 레이저 빔(146)은 레이저 파워 제어기(150)를 벗어나서 고속 EOM(142)으로 진입하며, 이는 교대로 레이저 빔(146)을 각각 비회전-편광 및 회전-편광 레이저 빔(146U 및 146R)으로 편광한다. 편광 빔 분리기(144)는 비회전 레이저 빔(146U)을 받아들여 이를 방향전환 거울(152)에 따라 제 1 XY 스캐닝 헤드(98)로 향하게 한다. 편광 빔 분리기(144)는 회전된 레이저 빔(146R)을 받아들여 이를 제 2 XY 스캐닝 헤드(104)로 향하게 한다.

작업물 처리과정 시스템(140)의 단점은 현재의 실제 EOM들이 레이저 펄스 반복율에서 제한되고 자외선 레이저 빔 파워의 높은 양을 잘 견딜 수 없다는 점이다. 다른 취약점은 불필요하게 된 레이저 빔 에너지의 버리기(dumping)는 레이저(92)의 공동 내부에 위치하는 Q-스위치에 의한 경우와 같이, 레이저(92)를 차단 또는 오프시키는 것을 필요로 한다는 점이다.

다른 한편, 작업물 처리과정 시스템(140)은 유리한 점이 있는데, 이는 도 7을 참조하여 기술된 복식 AOM 빔 스위칭 디아비스(70)보다 더 간단하고 레이저 빔(146U 및 146R)으로서 표적 장소에 충돌하기 위해 레이저 빔(146)에서 모든 파워를 실질적으로 허용하는 고 소멸비(extinguishing ratio)를 갖기 때문이다.

도 13은 레이저(212)가 교호(交互)하는 제 1 및 제 2 경로(218 및 220)를 따라 고속 조정 거울("FSM": Fast Steering Mirror)에 의해 편향된 레이저 빔(214)을 방출하는 레이저 빔 스위칭 시스템(210)의 대안적인 실시예를 보여준다. FSM(216)은 바람직하게는 전압을 각도 변위로 변환하는 물질에 의해 제어되는 편향각을 가지는 거울을 사용한다. FSM(216)은 검류계로 구동된 회전 거울에 유사하게 작동하나, 그러나 검류계보다 10배까지 빠른 각속도로 그리고 약 5 밀리 라디안까지인 각 편향 범위(222)에 걸쳐 각속도로 동작한다. 이러한 제한된 각도 편향 범위를 가지는 일반적인 레이저 빔 직경을 편향시키는 것은 바람직하게는 약 10 밀리미터의 충분한 거리(226) 만큼 제 1 및 제 2 빔 경로(218 및 220)를 분리하기 위해 바람직하게는 충분히 긴 약 1 미터가 되는 경로 길이(224)를 필요로 하게 되며, 이 경로 길이(224)는 각각의 제 1 및 제 2 방향 전환 거울(230 및 232)에 의한 반사를 위한 제 1 및 제 2 빔 경로(218 및 220)를 추가로 분리하고 관련된 레이저 빔 스캐닝 헤드(미도시)에 향하게 하는 HR 코팅된 직각형 프리즘(228)을 이들 경로 사이에 삽입함으로써 된다. 이전의 임의의 빔 확장기와 같고, 직경이 최소인 장소에서 스위칭 레이저 빔(214)은 직각형 프리즘(228)에 의해 반사되는 제 1 및 제 2 경로(218 및 220)를 충분히 분리하기 위해 필요한 경로 길이(224)를 최소화할 것이다.

FSM(216)는 3개 이상의 위치로의 레이저 빔(214) 스위칭을 추가로 제공할 수 있는 2-축 디바이스일 수 있다. 예를 들면, 레이저 빔(214)은 도 9 및 도 10을 참조하여 기술된 바와 같이 장거리 이동 동안 빔 차단기로 향할 수 있으므로 레이저(21)에서 일정한 열적 조건을 유지하며 듀티 사이클에 관련된 레이저 빔 파워 안정성 문제를 최소화한다.

이동시간이 3ms 이상이고 작업물 처리과정 시간 및 레이저 빔 스위칭 시간이 1.0ms미만이라면, 레이저 빔 스위칭 시스템(210)은 2개의 레이저 시스템으로서 동일한 작업물 처리과정의 처리량을 가지는 단일 레이저 작업물 처리과정 시스템의 구현을 허용한다.

레이저 빔 스위칭 시스템(210)은 유리한 점이 있는데, 이는 단일 레이저 및 관련된 광학의 사용이 20% 내지 40% 까지 감소시키기 때문이며, 이는 2개의 레이저 시스템과 비교되는 바와 같이, 필요한 레이저 타입에 의존한다.

도 14는 대안적으로 또는 동시적으로 편광 상태 변조된 광 방출 펄스의 2개 출력 빔을 선택적으로 제공하는 내부 공동 광 빔 멀티플렉싱을 구현하기 위해 구성 되는 레이저 시스템(300)을 보여준다. 레이저 시스템(300)은 이득, 즉 레이저 발광(lasing) 매체(304)가 Q-스위치(308)와 가변 광학 지연자(310) 사이의 빔 경로(306)를 따라 위치되는 레이저 공진기(302)를 포함한다. 레이저 발광 매체(304)와 광학적으로 연결되는 펌핑 소스(312)는 레이저 발광 매체(304)의 레이저 발광 이득을 시뮬레이션하기 위해 광펌핑을 제공한다. 다이오드 레이저가 선호되는 펌핑 소스(312)이다. 빔 조정 거울(322 및 324)은 레이저 공진기(302)와 가변 광학 지연자(310) 사이의 빔 경로(306)의 부분을 따라 레이저 공진기(302)에서 형성된 레이저 빔의 전파 방향을 안내한다. 광 편광 빔 분리기(302)는 가변 광학 지연자(310)의 출력(328)에 위치한다. 레이저 공진기(326)는 효과적으로 2개의 레이저 공동을 확립하는데, 이중 첫 번째는 제 1 출력 빔이 전파되어오는 제 1 출력 커플러(334)의 내부 공동 이색성 거울 표면(332)과 후면 거울(330)에 의해 정의되며, 이중 두 번째는 제 2 출력 빔이 전파되어 오는 제 2 출력 커플러(338)의 내부 공동 이색성 거울 표면(336)과 후면 거울(330)에 의해 정의된다. 이색성 거울 표면(332 및 336)은 광 편광 빔 분리기(326)의 각각의 출력(340 및 342)으로부터 전파하는 입사광을 받는다. 양쪽 출력 빔은 레이저 발광(lasing) 매체(304)에 의해 확립된 기본 파장이다.

Q-스위치(308)는 레이저 공진기(302)의 고 및 저 Q 상태를 선택적으로 생성함으로써 인가된 Q-스위치 구동 신호(344)에 응답하여 레이저 공진기(302)의 Q값을 변화시킨다. 고 Q 상태는 복수의 시간 변위 광 펄스의 생성을 야기시키며, 저 Q 상태는 무 또는 아주 낮은 세기의 잉여 광펄스의 생성을 야기시킨다.

레이저 시스템(300)은 레이저 공동으로부터 출력빔이 추출되는 경우조차 레이저 공진기(302)에서 발진(oscillation)을 유지하도록 구성된다. 만일 레이저 발광 매체(304)가 Nd:YAG와 같은 균등성(isotropic) 타입이라면, 레이저 공진기(302)의 발진은 가변 광학 지연자(310)가 90도 만큼 편광 상태를 변화시키도록 하는 경우조차 유지된다. 만일 레이저 발광 매체(304)는 YLF 또는 YV0₄(바나듐산염(vanadate))와 같은 이방성(anisotropic) 타입이라면, 2개의 직교 편광 상태의 이득은 다르게 되며, 이에 의해 안정한 발진의 유지를 위태롭게 한다. 이방성 레이저 발광 매체와 동작하기 위해, 동일한 타입의 제 2 레이저 발광 매체(304a)(일점 쇄선으로 도시됨)가 레이저 발광 매체(304)에 대하여 직교 방향에서 레이저 공진기(302)에 도입되므로, 2개의 직교 편광 상태는 공동 이득에 영향을 미치지 않게 된다.

가변 광학 지연자(310)의 동작은 출력 커플러(334 및 338)로부터 전파되는 제 1 및 제 2 출력 빔의 생성을 결정한다. 가변 광학 지연자(310)에 인가된 구동 신호(346)가 입사광에 대해 1/4 파 지연을 나누어 주도록 이 빔을 야기시킬때마다, 출력(328)으로부터 전파되는 원형 편광은 편광 빔 분리기(326)에 의해 이색성 거울 표면(332 및 336)으로 향하고, 이후 출력 커플러(334 및 338)로부터 기본 파장의 별도 빔 성분으로서 동시에 나간다. 가변 광학 지연자(310)에 인가된 구동 신호(346)가 입사광에 대해 교대로 제로 및 1/2 파 지연(또는 유사한 복수의 1/2 파 지연)을 나누어 주도록 이 빔을 야기시킬때마다, 출력(328)으로부터 전파되는 선형 적인 편광 빔은 편광 빔 분리기(326)에 의해 이색성 거울 표면(332 및 336)으로 향하고, 이후 출력 커플러(334 및 338)로부터 교대로 나간다. 위에 기술된 구동 신호(346)의 다양한 상태는, 레이저 공진기(302)가 균등성 타입의 레이저 발광 매체(304) 또는 이방성 타입의 레이저 발광 매체(304 및 304a)를 포함하는 지에 상관없이, 레이저 공진기에 적용가능하다. 구동 신호(346)는 처리과정 시스템에 존재하는 도구 경로 파일(tool path file)로부터 유도된 정보를 나타내며, 펄스 생성기(미도시)에 의해 펄스화된 파형으로서 가변 광학 지연기(310)로 전달된다.

기본파가 출력 커플러(334 및 338)의 양쪽 또는 한쪽을 벗어나는 지에 의존해서 레이저 공진기(302)에서 상이한 결합(coupling) 손실이 있다. 만일 결합값이 너무 크고 기본파가 출력 커플러(334 및 338) 양쪽 다를 동시에 벗어난다면, 레이저 공진기(302)는 발진을 생성하지 않을 것이다. 따라서, 연결값의 적절한 선택은 유지되는 발진에 기여하는 중요한 요인이 된다.

당업자라면 출력 커플러(334 및 338)의 출력단에, 제 2 고조파 생성기, 제 3 고조파 생성기 또는 둘 다로서 기능하는 비선형 크리스탈의 배치는 교호 또는 동시 스위칭 수용력에서 자외선 광 빔(적외선 기본파)을 생성함을 이해할 것이다.

도 15는 편광 상태로 변조된 광 방출 펄스의 2개의 제 3 고조파 광 출력 빔을 동시에 제공하는 내부 공동 광 멀티플렉싱을 구현하기 위해 구성된 레이저 시스템(400)을 보여준다. 레이저 시스템(400)은 레이저 시스템(400)의 레이저 공진기가 추가된 고조파 주파수 생성 및 고정 광학 지연 디바이스, 빔 조정 미러(322 및 324)를 위한 대체로서 빔 덤프 이색성 거울, 및 출력 커플러(334 및 338)의 다르게 특징화된 이색성 표면을 포함한다는 점에서 있어 레이저 시스템(300)과 다르다. 레이저 시스템(300)의 콤포넌트와 대응하는 레이저 시스템(400)의 콤포넌트는 프라임 부호(')에 따른 동일한 참조 기호에 의해 동일화된다.

레이저 공진기(302')는 2개의 레이저 공동을 효과적으로 확립하는데, 이중 첫 번째는 제 1 출력 커플러(334')의 이색성 거울 표면(332')과 후면 거울(330')에 의해 정의되며, 이중 두 번째는 제 2 출력 커플러(338')의 이색성 거울 표면(336')과 후면 거울(330')에 의해 정의된다. 거울 표면(332' 및 336')은 기본 주파수에 대응하는 파장을 반사하고 이후 레이저 발광 매체(304')에 의해 확립된 기본 주파수의 제 3 고조파에 대응하는 파장을 전송한다. 레이저 공진기(302')는 광학 지연 디바이스, 즉 파장판(waveplate)(402'), 제 3 고조파 생성기(404)로서 기능하는 비선형 크리스탈, 및 제 2 고조파 생성기(406)로서 기능하는 비선형 크리스탈을 포함하며, 이 들 모두는 가변 광학 지연자(310') 및 빔 덤프 이색성 쌍 거울(408) 사이에 놓이게 된다. 빔 덤프 이색성 쌍 거울(408)의 각 구성원은 제 2 및 제 3 고조파 주파수의 광을 전송하고 기본 주파수에 대응하는 대략 1μm(IR) 파장으로 레이저 공진기(302')의 이득값을 유지하도록 기본 주파수의 광을 반사하며, 이 기본 주파수에서 Q-스위치(308') 및 레이저 발광 매체(304')가 동작한다.

파장판(402) 및 고조파 생성기(404 및 406)와 협력하여, 가변 광학 지연자(310')의 동작은 출력 커플러(334' 및 338')로부터 2개의 별도 빔 콤포넌트로서 전파하는 제 3 (UV) 고조파 빔의 생성 및 기본 빔을 레이저 공진기(302')에서 발진을 유지하도록 레이저 발광 매체(304')에 기본 (IR)빔의 반환을 결정한다. 도 15의 실시예에서, 제 3 고조파 생성기(404) 및 제 2 고조파 생성기(406)는 LBO 크리스탈로 이루어지며, 이는 제 2 및 제 3 고조파 생성 프로세스의 각각에 대하여 다르게 절단된다. 제 2 고조파 생성기(406)를 위한 타입-I 프로세스의 경우, 제 2 고조파 생성기(406)를 벗어나는 레이저 빔은 직교 편광 상태를 가지는 기본파 및 제 2 고조파가 된다. 제 2 고조파 생성기(406)를 벗어나고 제 3 고조파 생성기(404)에 입사하는 레이저 빔은 비균일하게 배향된 편광 상태를 가지는 기본파 및 제 3 고조파로서 제 3 고조파 생성기를 벗어나다.

기본파를 레이저 발광 매체(304')로 반환하고 이에 의해 레이저 공진기(302') 내에 기본적인 파 발진을 유지시키는 것을 성취하기 위해, 파장판(402)은 그 자체로 광학축이 적절하게 설정되어, 1/4 파장만큼의 기본파 및 각 통과에 대하여 1 파장만큼의 제 3 고조파를 지연시키는 타입이 된다. 그러므로, 파장판(402)은 원형 편광을 파장판(402)으로부터 빔 분리기(326')쪽 방향으로 전파하는 기본파로 나누고 제 3 고조파의 편광 상태에 영향을 미치지 않는다. 가변 광학 지연자(310')의 동작은 출력 커플러(334' 및 338')로부터 전파되는 제 1 및 제 2 출력 빔의 생성을 결정한다. 기본파로의 1/4 파장 지연 및 제 3 고조파로의 3/4 파장 지연을 명목상으로 나누어 주는 가변 광학 지연자(310')에 구동 신호(346')를 인가하는 것은 파장판(402)상에 기본파의 입사 전에 확립된 원래의 선형으로 편광된 상태에 대하여 90도까지 회전된 선형적으로 편광된 파로 원형 편광 기본파를 변환한다. 가변 광학 지연자(310')로부터 전파되는 선형적으로 편광된 기본파는 편광 빔 분리기(326')의 방향에 의존하여 이색성 표면(332' 및 336') 중 하나에 입사되어, 이후 가변 광학 지연자(310')으로 다시 전파한다. 가변 광학 지연자(310')를 통하는 반환 통로는 선형적으로 편광된 기본파를 원형적으로 편광된 기본파로 변환하며, 이후 파장판(402)을 통하는 반사 통로는 원형적으로 편광된 기본파를 원래 기본파의 방향과 동일한 방향으로 향하는 선형적으로 편광된 기본파로 변환한다. 이후, 선형적으로 편광된 기본파는 추가 발진을 위하여 레이저 발광 매체(304')에 반환된다. 편광 빔 분리기(326') 및 각각의 출력 커플러(334' 및 338') 사이의 거리는 반환 빔의 편광 상태가 필수적으로 완전히 원형으로 편광된 빔을 형성하기 위해 결합되도록 정해진다.

출력 커플러(334' 및 338')를 통하는 2개의 별도 제 3 고조파 빔 성분의 전파를 달성하기 위하여, 가변 광학 지연자(310')에 대한 제 1 입사에서의 제 3 고조파는 원형으로 편광된 상태로 변환되며, 반면에 기본파는 1/4 파 지연을 겪게 된다. 원형으로 편광된 제 3 고조파는 편광 빔 분리기(326')상에 입사되며, 이 분리기는 제 3 고조파를 2개의 원형적으로 편광된 빔 성분으로 분리하며, 이들 각각은 이색성 표면(332' 및 336') 중 다른 하나를 통하여 전파하며, 출력 커플러(334' 및 338')의 각각 하나를 나간다. 그러므로, 이러한 편광 상태 관계는 편광 빔 분리기(326')가 선형적으로 편광된 기본빔을 이색성 표면(332' 및 336') 중 하나로 향하게 원형적으로 편광된 제 3 고조파 빔 성분은 이색성 표면(332' 및 336') 중 하나로 향하게 하는 것을 야기한다. 이색성 표면(332')은 추가 증폭을 위하여 레이저 발광 매체(304')로 다시 기본빔을 반사하고, 이후 이색성 표면(332' 및 336')은 각 출력 커플러(334' 및 338')를 통하여 원형으로 편광된 제 3 고조파 빔 성분을 전송 한다.

당업자라면 파장판(402)을 제거하고 가변 광학 지연자(310')에 교대로 기본파를 위해 제로 및 1/2 파장 지연을 나누어 주는 구동신호(346')를 인가하는 것은 출력 커플러(334' 및338')를 통하여 교대로 제 3 고조파의 전파를 제공할 것임을 이해할 것이다.

레이저 시스템(300 및 400)에서, 레이저 발광 매체(304 및 304')는 바람직하게는 Nd:YAG, Nd:YVO₄, 또는 Yb(Ytterbium:이테르븀) 섬유 레이저 중의 하나이다. 섬유 레이저는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 타입 및/또는 Q-스위치일 수 있다. Q-스위치(308 및 308')는 바람직하게는 음향-광 변조기이다. 2개의 직교적으로 배향된 레이저 발광 매체를 지원하는 Q-스위치는 상업적으로 이용가능하다. 가변 광학 지연자(310 및 310')는 BBO 또는 KD^*P 크리스탈이 될 수 있으며, 이 중 후자의 예는 독일, 프라네크주, LINOS Photonics 주식회사 & KG 주식회사의 양사에 의해 제조된 전자 광학 스위칭 모듈 RVD에 의해 구동된 LINOS RTP-Pockels cell(355nm)이다.

당업자라면 레이저 시스템(400)내에서 355nm의 제 3 고조파 빔을 생성하는 제 3 및 제 2 고조파 발생기(404 및 406)가 레이저 공진기(302') 내에서 고조파 빔 생성을 달성하기 위해 단지 하나의 구현을 나타내는 냄을 이해할 것이다.

숙련공이라면 본 발명의 부분들이 선호되는 실시예를 위해 상술된 구현예로부터 다르게 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 검류계 및 회전 거울 디 바이스는 또한 레이저 빔 스위칭 디바이스로서 사용될 수 있으며; IR , 가시 및 UV 레이저가 이용될 수 있으며; 표적 장소는 단일 또는 복수의 작업물에 놓일 수 있으며; 레이저 빔 스위칭은 3 또는 4개 이상의 빔 경로에 대해 수행될 수 있으며; 복수의 레이저가 사용될 수 있으며 이들 각각의 레이저 출력은 복수 경로 사이에서 스위칭될 수 있으며; 그리고 사용된 스캐닝 헤드는 추가로 검류계, FMS들, 및 XY 좌표 위치결정 기술이외의 기술을 포함할 수 있다.

많은 다른 변화는 본 발명의 주요한 원리를 벗어나지 않으면서도 상술된 실시예의 상세 사항에 만들어질 수 있음이 당업자에게는 명확할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 후술하는 청구항에 의해서만 결정되어야 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 레이저에 대한 것으로서, 특히 2개 이상의 빔 경로 중에 있는 단일 레이저 빔을 교대로 스위칭함으로써 작업물 가공을 증가시켜 빔 경로 중의 하나는 하나의 작업물을 가공하기 위해 사용되는 반면에 다른 빔 경로는 다른 작업물의 가공을 위해 위치되는 방법 및 장치에 대한 것이다.

Claims

표적 시료의 서로 다른 영역에 있는 물질의 고속 처리를 달성하기 위한 좌표화된 방식으로 레이저 빔을 복수의 빔 전파 방향으로 선택적으로 향하게 구성된 시스템으로서, 상기 시스템은:

일련의 레이저 펄스를 포함하는 레이저 빔을 발광하는 레이저 소스;

일련의 레이저 펄스를 수신하는 빔 스위칭 디바이스로서, 빔 스위칭 신호에 응답하여, 상기 레이저 빔 펄스의 제 1 및 제 2 그룹이 제 1 및 제 2 빔 축을 따라 전파되도록 향하게 하는, 상기 빔 스위칭 디바이스;

상기 표적 시료의 다른 제 1 표적 영역에 제 1 빔축을 선택적으로 위치시키고 상기 표적 시료의 제 1 표적 영역에 있는 물질을 처리하기 위해 제 1 빔축과 표적 시료의 상대적 이동을 제공하기 위해 제 1 제어 신호에 응답하는 제 1 위치결정 메커니즘;

상기 표적 시료의 다른 제 2 표적 영역에 제 2 빔축을 선택적으로 위치시키고 상기 표적 시료의 제 2 표적 영역에 있는 물질을 처리하기 위해 제 2 빔축과 표적 시료의 상대적 운동을 제공하기 위해 제 2 제어 신호에 응답하는 제 2 위치결정 메커니즘;

제 1 및 제 2 동작 시퀀스에서 좌표화된 시스템 동작을 수행하기 위해 빔 스위칭 신호 및 상기 제 1 및 제 2 제어 신호를 생성하는 제어기를 포함하되,

상기 제 1 동작 시퀀스는 제 1 표적 영역 중의 선택된 하나에 입사를 위한 제 1 그룹의 레이저 빔 펄스를 향하게 하는 빔 스위칭 디바이스를 포함하며, 상기 제 1 위치결정 메커니즘은 제 1 그룹의 레이저 펄스가 상기 선택된 제 1 표적 영역에 있는 물질을 처리하는 것을 가능하게 하기 위해 상대적인 운동을 제공하고, 상기 제 1 그룹의 레이저 펄스에 의한 물질 처리과정 동안, 상기 제 2 위치결정 메커니즘은 상기 제 2 표적 영역 중의 선택된 하나에 제 2 빔축을 위치시키기 위해 상대적인 운동을 제공하고;

상기 제 2 동작 시퀀스는 선택된 제 2 표적 영역 상으로 입사를 위한 제 2 그룹의 레이저 빔 펄스를 향하게 하는 빔 스위칭 디바이스를 포함하며, 상기 제 2 위치결정 메커니즘은 제 2 그룹의 레이저 펄스가 상기 선택된 제 2 표적 영역에 있는 물질을 처리하는 것을 가능하게 하기 위해 상대적인 운동을 제공하고, 상기 제 2 그룹의 레이저 펄스에 의한 물질 처리과정 동안, 상기 제 1 위치결정 메커니즘은 선택된 제 1 표적 영역으로부터 상기 제 1 표적 영역 중의 그 다음 선택된 하나로 제 1 빔축을 위치시키기 위해 상대적 운동을 제공하는, 복수의 빔 전파 방향에서 레이저 빔을 선택적으로 향하게 구성된 시스템.
레이저 빔을 받아 다른 빔축을 따라 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스로서, 상기 디바이스는:

제 1 및 제 2 상태에서 제어 구동 신호를 생성하는 제어기;

제 1 및 제 2의 광학적으로 연결된 음향-광 변조기로서, 상기 제 1 음향-광 변조기는 인입 레이저 빔을 받으며, 상기 제 1 및 제 2 음향-광 변조기는 제어 디 바이스 신호의 제 1 및 제 2 상태에 응답하여 협력함으로써 상기 제 2 음향-광 변조기로부터 전파되는 각각의 제 1 및 제 2 레이저 빔 출력을 생성하는, 음향-광 변조기를 포함하되,

상기 제 1 레이저 빔 출력은 제 1 빔 축을 따라 전파하는 주성분(major componet) 및 제 1 부성분(minor component)축을 따라 전파하는 부성분을 포함하며, 상기 제 2 레이저 출력은 상기 제 1 빔축으로부터 각도적으로 오프셋되는 제 2 빔 축을 따라 전파하는 주성분 및 실질적으로 상기 제 1 부성분축과 일치하는 제 2 부성분축을 따라 전파하는 부성분을 포함하는, 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 부성분축을 따라 전파하는 부성분을 끝내도록 위치된 빔 차단기를 더 포함하는, 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 제어기는 동작적으로 각각의 제 1 및 제 2 음향-광 변조기와 연결된 제 1 및 제 2 RF 구동기를 포함하며; 및

상기 제어 구동 신호의 제 1 상태에서, 상기 제 1 RF 구동기는 상기 제 1 음향-광 변조기가 상기 제 2 음향-광 변조기상에 입사하는 비편향된 빔으로서 인입 레이저 빔을 통과시키도록 야기하며, 상기 제 2 RF 구동기는 상기 제 2 음향-광 변조기가 상기 제 1 부성분축을 따라 전파하는 부성분과 상기 제 1 빔축을 따라 전파하는 주성분을 형성하기 위해 상기 입사하는 비편향된 빔의 회절을 야기하는, 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 제어기는 동작적으로 각각의 제 1 및 제 2 음향-광 변조기와 연결된 제 1 및 제 2 RF 구동기를 포함하며; 및

상기 제어 구동 신호의 제 2 상태에서, 상기 제 2 RF 구동기는 상기 제 2 음향-광 변조기가 비편향된 빔으로서 인입광을 통과시키도록 야기하며, 상기 제 1 RF 구동기는 상기 제 1 음향-광 변조기가 상기 제 2 부성분축을 따라 전파하는 부성분과 상기 제 2 빔축을 따라 전파하는 주성분을 형성하기 위해 인입 레이저 빔을 회절시키도록 야기하는, 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스.
제 2 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2의 광학적으로 연결된 음향-광 변조기는 광학적 직렬로 위치하는, 선택적으로 전파하는 빔 출력을 제공하는 빔 스위칭 디바이스.
저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템으로서, 상기 시스템은:

각각의 제 1 및 제 2 전파 경로 부분을 따라 전파하는 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분으로서, 상기 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분의 각각은 광학 특성의 상태에 의해 특징화되는, 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분;

상기 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분의 광학 특성 상태에서의 상대적인 변화를 나누고 상기 제 1 및 제 2 전파 경로 부분을 상기 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분이 전파되는 공통 전파 경로 부분으로 결합하기 위해 협력하는 하나 이상의 광학 성분의 세트;

빔-형상의 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분을 형성하기 위해 공통 전파 경로를 따라 위치하고, 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분의 광 에너지의 공간 분포를 형상화하는, 이미지화 광학 조립체; 및

상기 공통 전파 경로 부분을 따라 전파하는 상기 빔-형상의 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분을 수신하고 별도의 제 1 및 제 2 출력 경로 부분을 따라 전파하기 위한 광학 특성의 각 상태에 따라 이 성분을 향하게 하는 빔 분리기

를 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 광학 특성은 위상이고 상기 특성의 상태에서의 상대적 변화는 제 1 및 제 2 빔 성분 사이의 위상 변위에서의 변화인, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 하나 이상 광학 성분의 세트는 제 1 및 제 2 전파 경로 부분에 위치되는 위상-변화 디바이스 및 상기 제 1 및 제 2 전파 경로 부분을 상기 공통 전파 경로 부분으로 결합하기 위해 위치되는 편광 빔 결합기를 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 9 항에 있어서,

상기 위상-변화 디바이스는 반파장판(half-wave plate)을 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 빔 스위칭 디바이스는 제어 신호에 대한 응답으로, 상기 각각의 제 1 및 제 2 전파 경로 부분을 따라 순차적으로 전파하는 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분을 선택적으로 제공하는 2개의 광학적으로 연결된 음향-광 변조기를 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 11 항에 있어서,

상기 2개의 광학적으로 연결된 음향-광 변조기는 광학적 직렬로 위치되는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 빔 분리기는 편광 상태에 따라 상기 빔-형상의 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분을 안내하는 편광 빔 분리기를 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 이미지화 광학 조립체에 의한 광 에너지의 공간 분포 형상화는 균일한 공간 분포를 초래하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 별도의 제 1 및 제 2 출력 경로 부분을 따라 전파하는 상기 빔-형상의 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분의 빔 직경을 정하기 위해 상기 공통 전파 경로 부분을 따라 상기 이미지화 광학 조립체와 상기 편광 빔 분리기 사이에 위치되는 빔 확장기를 더 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 15 항에 있어서,

상기 빔 확장기는 가변 빔 확장 타입인, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

상기 각각의 빔-형상의 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분과 광학적으로 관련된 제 1 및 제 2 위치결정 메커니즘을 더 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

원하는 광 에너지 공간 분포와 직경의 광 빔을 상기 이미지화 광학 조립체 상에 입사하기 위해 확립할 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분과 광학적으로 관련된 하나 이상의 빔 확장기를 더 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 원하는 광 에너지 공간 분포는 가우시안 형상(gaussian shape)인, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분은 광학적으로 다른 빔 확장기와 연결된 별도의 광 소스로부터 전파하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 18 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 레이저 빔 성분은 하나의 레이저 소스에 의해 방출되고 하나의 빔 확장기를 통하여 전파하는 출력 빔으로부터 유도되는, 저가 콤팩트 레이 저 빔 스위칭 시스템.
제 7 항에 있어서,

입사 레이저 빔을 받아들이고, 제어 신호에 대한 응답으로, 제 1 및 제 2 전파 경로 부분을 따라 전파하는 상기 제 1 및 제 2 레이저 성분을 순차적으로 형상화하기 위해 선택적으로 레이저 빔을 안내하는 빔 스위칭 디비이스를 더 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 22 항에 있어서,

상기 빔 스위칭 디바이스상으로 입사 전에 레이저 빔을 받아들여서 원하는 광 에너지 공간 분포 및 직경의 제 1 및 제 2 빔 성분을 상기 이미지화 광학 조립체상의 입사를 확립하기 위해 위치되는 빔 확장기를 더 포함하는, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
제 23 항에 있어서,

상기 원하는 광 에너지 공간 분포는 가우시안 형상인, 저가 콤팩트 레이저 빔 스위칭 시스템.
복수의 출력 빔을 생성하기 위해 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저로서, 상기 레이저는:

Q값에 의해 특징화된 레이저 공진기 내에 존재하는 레이저 방출 매체와 광학적으로 연결되고, 상기 레이저 방출 매체의 레이저 방출 이득을 시뮬레이션하기 위해 펌핑광을 제공하는, 펌핑 소스;

상기 공진기 내부에 위치하고, 상기 레이저 공진기의 고 및 저 Q 상태를 선택적으로 생성하는 Q-스위치 구동 신호에 대한 응답으로 레이저 공진기의 Q값을 변화시키기 위해 동작하는 Q-스위치로서, 상기 고 및 저 Q 상태는 광 편광 상태에 의해 특징화된 복수의 시간-변위된 광 방출 펄스의 빔을 생성하는, Q-스위치;

상기 레이저 공진기내부에 위치하고, 광 방출 펄스의 빔에 광학 지연의 선택된 양을 나눠주기 위해 광학 지연자 구동 신호에 응답하는 가변 광학 지연자로서, 상기 가변 광학 지연자에 의해 나누어진 광학 지연의 선택된 양은 편광 상태-변조된 광 방출 펄스를 생성하기 위해 광 방출 펄스의 빔의 광 편광 상태를 선택적으로 변화시키는, 가변 광학 지연자; 및

편광 상태-변조된 광 방출 펄스를 받아들여 상기 가변 광학 지연자에 의해 상기 광 방출 펄스에 나누어진 지연의 선택된 양에 따라 이 펄스를 제 1 및 제 2 출력 커플러를 통하여 안내하도록 협력하는 편광 민감성 빔 분리기와 제 1 및 제 2 내부 공동(intercavity) 광 수용 표면

을 포함하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 25 항에 있어서,

상기 구동 신호는 가변 광학 지연자가 광학 지연의 선택된 양을 위해 1/2 파 장의 차이를 나누어 주도록 야기하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 26 항에 있어서,

광학 지연의 상기 선택된 양 중 하나는 복수의 1/4 파장을 나타내고, 상기 편광 상태-변조된 광 방출 펄스는 제 1 및 제 2 출력 커플러를 통하여 동시에 전파되는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 26 항에 있어서,

광학 지연의 상기 선택된 양 중 하나는 복수의 1/4 파장을 나타내고, 상기 편광 상태-변조된 광 방출 펄스는 제 1 및 제 2 출력 커플러의 하나 또는 다른 하나를 통하여 소정 시간에 전파하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 25 항에 있어서,

상기 복수의 시간-변위된 광 방출 펄스의 빔은 제 1 빔을 구성하고,

상기 레이저는 제 1 및 제 2 고조파 파장 생성기와, 광학 지연 디바이스를 더 포함하되, 상기 광학 지연 디바이스는 편광 상태에 의해 특징화된 복수의 시간-변위된 광 방출 펄스의 제 2 빔 및 상기 제 1 빔을 생성하기 위해 상기 레이저 방출 매체와 광학적으로 연결되고 상기 레이저 공진기내부에 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 빔은 고조파적으로 관련된 파장을 가지며;

상기 제 1 및 제 2 출력 커플러는 상기 제 1 및 제 2 광 빔 중 하나를 반사 하는 다른 하나를 전송하는 각각의 제 1 및 제 2 이색성 거울을 포함하고;

상기 광학 지연 디바이스는 지연값으로 정해지고; 및

광학 지연의 상기 선택된 양 및 상기 정해진 지연값은 각각의 제 1 및 제 2 순 편광 상태에서 제 1 및 제 2 빔 중 하나가 상기 제 1 및 제 2 출력 커플러 중 하나로부터 반사하도록 야기하고, 각 제 1 및 제 2 순 광 편광 상태에서 상기 제 1 및 제 2 빔 중 다른 하나가 상기 제 1 및 제 2 출력 커플러 중 다른 하나를 통과하도록 야기하기 위해 협력하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 29 항에 있어서,

레이저 공동에 위치하고 상기 레이저 방출 매체에 의한 증폭을 위한 제 1 및 제 2 광 빔 중 반사된 하나의 파장의 광을 반사하도록 구성되는 제 3 및 제 4 이색성 거울을 더 포함하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.
제 25 항에 있어서,

상기 복수의 시간-변위된 광 방출 펄스의 빔은 제 1 빔을 구성하고,

상기 레이저는 제 1 및 제 2 고조파 파장 생성기와, 광학 지연 디바이스를 더 포함하되, 상기 광학 지연 디바이스는 편광 상태에 의해 특징화된 복수의 시간-변위된 광 방출 펄스의 제 2 빔 및 상기 제 1 빔을 생성하기 위해 상기 레이저 방출 매체와 광학적으로 연결되고 상기 레이저 공진기내부에 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 빔은 고조파적으로 관련된 파장을 가지며;

상기 제 1 및 제 2 출력 커플러는 상기 제 1 및 제 2 광 빔 중 하나를 반사하는 다른 하나를 전송하는 각각의 제 1 및 제 2 이색성 거울을 포함하고;

상기 제 1 및 제 2 출력 커플러는 하나를 반사하는 각 제 1 및 제 2 이색성 거울을 포함하고 상기 제 1 및 제 2 광 빔 중 상기 다른 하나를 전송하며;

상기 광학 지연 디바이스는 지연값으로 정해지고; 및

광학 지연의 상기 선택된 양 및 상기 정해진 지연값은 각 제 1 및 제 2 순 편광 상태에서 제 1 및 제 2 빔 중 하나가 상기 제 1 및 제 2 출력 커플러 중 하나로부터 반사하도록 야기하고, 각 제 1 및 제 2 순 광 편광 상태에서 상기 제 1 및 제 2 빔 중 다른 하나가 상기 제 1 및 제 2 출력 커플러 중 하나를 통과하도록 야기하기 위해 협력하는, 복수의 출력 커플러로 구성된 레이저.