运行激光系统的方法、激光系统以及蒸发系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于运行激光系统(10)的方法，所述激光系统用于提供激光光束(22)，所述激光光束用于加热位于蒸发系统(60)的反应腔室(62)中的目标物(66)的表面(68)，所述激光系统(10)包括激光光源(20)，所述激光光源用于提供具有至少基本上居中的峰值的强度剖面(24)的至少基本上平行的激光光束(22)。另外，本发明专利技术涉及一种用于加热位于蒸发系统(60)的反应腔室(62)中的目标物(66)的表面(68)的激光系统(10)，所述反应腔室(62)包括腔室窗口(64)，并且所述激光系统(10)包括激光光源(20)，所述激光光源用于提供具有至少基本上居中的峰值的强度剖面(24)的至少基本上平行的激光光束(22)。此外，本发明专利技术涉及一种蒸发系统(60)，所述蒸发系统(60)包括位于反应腔室(62)中的目标物(66)和用于加热所述目标物(66)的表面(68)的至少一个激光系统(10)。表面(68)的至少一个激光系统(10)。表面(68)的至少一个激光系统(10)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】运行激光系统的方法、激光系统以及蒸发系统


[0001]本专利技术涉及一种运行激光系统的方法，所述激光系统用于提供能够加热位于蒸发系统的反应腔室中的目标物的表面的激光光束，所述激光系统包括激光光源，所述激光光源用于提供具有至少基本上均匀的强度剖面的至少基本上平行的激光光束。另外，本专利技术涉及一种用于加热位于蒸发系统的反应腔室中的目标物的表面的激光系统，所述反应腔室包括腔室窗口，并且所述激光系统包括激光光源，所述激光光源用于提供具有至少基本上均匀的强度剖面的至少基本上平行的激光光束。此外，本专利技术涉及一种蒸发系统，所述蒸发系统包括位于反应腔室中的目标物和用于加热目标物的表面的至少一个激光系统。

技术介绍

[0002]在蒸发系统和类似的应用中，包含固体和/或液体材料的物体的表面可以特别地在真空环境中借助激光辐射进行加热。这种加热例如在诸如分子束外延(MBE)的外延技术的背景下是众所周知的，并且在诸如焊接或切割的激光应用中大体类似。在大多数应用中，期望对被加热表面的均匀加热。为了实现对被辐射表面的均匀加热，已经实施了光束整形以主要使用波动光学元件来实现平顶(top
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hat)剖面，以便通过激光辐射来确保均匀能量沉积。
[0003]在图1中的左侧图像中示出了上文提及且配备有根据现有技术的激光系统10的蒸发系统60的可能实施例。激光系统10的激光光源20提供了具有均匀平顶强度剖面24的激光光束22，如图1的中间图像所示。聚焦元件52将穿过腔室窗口64进入蒸发系统60的反应腔室62中的激光光束22聚焦到要加热的目标物66的表面68上。
[0004]然而，在更高功率和因此被加热材料的更高温度下，以恒定功率密度照射到被辐射表面68上的平坦强度剖面24不再在被辐射表面68上产生均匀温度。这在图1的右侧图像上示出，其中上面的曲线图示出了在873K至1473K的范围内的不同温度下目标物66的表面68上的相应位置的测量强度和转换温度，下面的曲线图示出了表面68朝向目标物66的左边缘90和右边缘92的温度与表面68的整体温度的偏差。清楚地可见，随着温度升高，偏差90、92变得越来越严重。

技术实现思路

[0005]鉴于上述内容，本专利技术的目的是提供没有现有技术的前述缺点的一种运行激光系统的改进方法、一种改进的激光系统和一种改进的蒸发系统。特别地，本专利技术的目的是提供一种运行激光系统的方法、一种激光系统和一种蒸发系统，它们允许针对目标物的表面上的得到温度、特别是对于目标物的表面的温度的不同目标值、优选地对于目标物的表面的温度的连续变化目标值以均匀方式加热目标物的表面。
[0006]该目的通过响应的独立专利权利要求来实现。特别地，该目的通过一种根据权利要求1所述的运行用于提供能够加热目标物的表面的激光光束的激光系统的方法、通过一种根据权利要求6所述的用于加热目标物的表面的激光系统并且通过一种根据权利要求33
所述的蒸发系统来实现。从属权利要求描述本专利技术的优选实施例。关于根据本专利技术的第一方面的运行激光系统的方法描述的细节和优点还参考根据本专利技术的第二方面的激光系统和根据本专利技术的第三方面的蒸发系统，并且在技术意义上，反之亦然。
[0007]根据本专利技术的第一方面，该目的通过一种运行激光系统的方法来实现，该激光系统用于提供能够加热位于蒸发系统的反应腔室中的目标物的表面的激光光束，该激光系统包括激光光源，该激光光源用于提供具有至少基本上居中的峰值的强度剖面的至少基本上平行的激光光束。根据本专利技术的方法包括以下步骤：
[0008]a)确定目标物的表面的温度信息，
[0009]b)基于在步骤a)中确定的温度信息来确定具有较低中心强度的激光光束的适应强度剖面，
[0010]c)基于在步骤b)中执行的确定对激光光束的强度剖面进行整形，以及
[0011]d)提供具有在步骤c)中整形的适应强度剖面的激光光束以加热位于蒸发系统的反应腔室中的目标物的表面。
[0012]根据本专利技术的方法可以例如用于一种或多种目标物材料的热蒸发和/或升华。作为替代方案，还可能加热目标物的表面以便用蒸发和/或升华的材料进行涂覆。相应的目标物位于蒸发系统的反应腔室中，其中反应腔室可以包含合适的反应气氛和/或被抽真空。激光光源的激光耦合到反应腔室中，照射在目标物的表面上，并且由目标物吸收的激光能导致对目标物的表面的期望加热。
[0013]然而，如上所述，在大多数情况下，用包括至少基本上居中的峰值的强度剖面的激光光束、特别是用高强度激光光束加热目标物表面和因此目标物表面的高温导致目标物的表面上的非均匀温度分布。根据本专利技术的中心峰值强度剖面包括例如高斯分布以及在远离光轴和/或对称轴的径向方向上衰减、优选地单调衰减的其他单峰值分布。根据本专利技术，均匀分布也被认为是单峰值剖面。特别地，例如因目标物的侧面的存在而朝向目标物表面的外边沿显著更高的辐射损失导致目标物表面朝向目标物的外边沿的温度更低。由于辐射损失与T4成比例，因此随着温度升高，温差很快变得越来越大。
[0014]为了补偿这种影响，在根据本专利技术的方法的第一步骤a)中，确定目标物的表面的温度信息。除了实际温度测量外，替代地或附加地，对温度的所述确定还包括确定激光的强度并从中得出温度信息，例如通过使用目标物的物理和/或经验模型、预先准备的计算和/或模拟来得出。特别地，确定温度信息允许识别温度从在目标物表面的中心处和/或附近的最高值朝向目标物表面的外边沿和/或边缘和/或拐角的降低，换句话说，分别识别温度剖面和温度梯度。
[0015]因此，在步骤a)之后，可获得关于在目标物的表面处、特别是分别在其中心和在其外边沿处的相应温度的存在的温度信息。所述温度信息可以包括表面温度的剖面的精确映射。附加地或替代地，也只有在目标物表面的中心处和/或附近以及在外边沿处的至少一个相对温差可以形成根据本专利技术的所述温度信息。根据本专利技术的所述温度信息的另一示例是基于由激光光源提供的初始激光强度和曝光时间和/或基于物理和/或经验模型、预先准备的计算和/或模拟对预期温度的估计。
[0016]基于在根据本专利技术的方法的步骤a)之后存在的所述温度信息，在下一步骤b)中，确定强度剖面。为了补偿导致目标物表面处的温度剖面的前述影响、特别是朝向目标物表
面的外边沿的更高辐射损失，所述适应强度剖面分别包括在其中心处的较低强度和朝向其外边沿和/或边缘的较高强度。换句话说，适应强度剖面向目标物表面的具有较低温度的区域提供具有较高强度的激光。这允许至少部分地补偿上述影响，并且可以实现目标物表面的更均匀温度。
[0017]根据本专利技术的方法的接下来两个步骤c)和d)包括将具有在步骤b)中确定的适应强度剖面的激光实际提供到目标物的表面上。
[0018]在步骤c)中，将由激光光源提供的激光光束的至少基本上均匀的强度剖面相应地整形为在步骤b)中确定的适应强度剖面。所述整形可以例如通过合适的光束整形系统来执行，该光束整形系统包括对应的光学元件和/或整形元件，如透镜、镜等。在步骤c)之后，激光光束的初本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种运行激光系统(10)的方法，所述激光系统用于提供能够加热位于蒸发系统(60)的反应腔室(62)中的目标物(66)的表面(68)的激光光束(22)，所述激光系统(10)包括激光光源(20)，所述激光光源用于提供具有至少基本上居中的峰值的强度剖面(24)的至少基本上平行的激光光束(22)，所述方法包括以下步骤：a)确定所述目标物(66)的所述表面(68)的温度信息，b)基于在步骤a)中确定的所述温度信息来确定具有较低中心强度的所述激光光束(22)的适应强度剖面(24)，c)基于在步骤b)中执行的所述确定对所述激光光束(22)的强度剖面(24)进行整形，以及d)提供具有在步骤c)中整形的所述适应强度剖面(24)的所述激光光束(22)以加热位于所述蒸发系统(60)的所述反应腔室(62)中的所述目标物(66)的所述表面(68)。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述在步骤a)中确定温度信息包括以下项中的至少一者：
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基于由所述激光光源(20)提供的所述激光光束(22)的强度来估计所述温度信息，
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基于测量所述目标物(66)的所述表面(68)的中心处的温度来估计所述温度信息，
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基于测量所述目标物(66)的所述表面(68)的外边沿(70)处的温度来估计所述温度信息，和/或
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基于测量所述中心处的、所述外边沿(70)处的以及在所述目标物(66)的所述表面(68)的至少一个附加位置处的温度来估计所述温度信息。3.根据权利要求2所述的方法，其中相对于在所述目标物(66)的、与由所述激光光束(22)加热的所述目标物(66)的所述表面(68)相反的远侧处提供的激光光束(22)来测量所述目标物(66)的所述表面(68)的相应温度。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中用所述提供的激光光束(22)在轴上测量所述目标物(66)的所述表面(68)的所述相应温度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中新整形的强度剖面(24)是旋转对称的。6.一种用于加热位于蒸发系统(60)的反应腔室(62)中的目标物(66)的表面(68)的激光系统(10)，所述反应腔室(62)包括腔室窗口(64)，并且所述激光系统(10)包括激光光源(20)，所述激光光源用于提供具有至少基本上居中的峰值的强度剖面(24)的至少基本上平行的激光光束(22)，其中所述激光系统(10)包括光束整形系统(30)，所述光束整形系统被配置为至少执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的步骤c)且任选地执行步骤d)。7.根据权利要求6所述的激光系统(10)，其中所述光束整形系统(30)沿着所述激光光束(22)的路径包括至少以下整形元件(32、40、42、44、46、52)：
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光束望远镜(32)，所述光束望远镜用于调节所述激光光束(22)的直径(80)；
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第一广义轴棱镜(40)，所述第一广义轴棱镜用于将所述平行激光光束(22)转换成具有至少部分环形强度剖面(24)的发散激光光束(22)；
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光学组件(42)，所述光学组件包括作为整形元件(44、46)的具有限幅孔径开口(48)的限幅孔径(46)和第二广义轴棱镜(44)，所述限幅孔径(46)用于对所述激光光束(22)的所述环形强度剖面(24)的外部部分进行限幅，所述第二广义轴棱镜(44)用于补偿所述激光光束(22)的发散并将所述发散激光光束(22)转换成平行激光光束(22)；以及
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聚焦元件(52)，所述聚焦元件用于将所述激光光束(22)朝向所述目标物(66)的所述表面(68)聚焦。8.根据权利要求7所述的激光系统(10)，其中在所述光学组件(42)内，所述限幅孔径(46)沿着所述激光光束(22)的所述路径布置在所述第二轴棱镜(44)的上游。9.根据权利要求7所述的激光系统(10)，其中在所述光学组件(42)内，所述第二轴棱镜(44)沿着所述激光光束(22)的所述路径布置在所述限幅孔径(46)的上游。10.根据权利要求7至9中任一项所述的激光系统(10)，其中所述光束整形系统(30)的至少两个连续布置的整形元件(32、40、42、44、46、52)集成到组合的整形元件(32、40、42、44、46、52)中。11.根据权利要求6至10中任一项所述的激光系统(10)，其中所述光束整形系统(30)的至少部分的部件被布置在所述反应腔室(62)的所述腔室窗口(64)的外部。12.根据权利要求11所述的激光系统(10)，其中所述部件包括至少部分或全部的以下零件：所述光束望远镜(32)、所述第一轴棱镜(40)、所述光学组件(42)、所述限幅孔径(46)和所述第二轴棱镜(40)。13.根据权利要求12所述的激光系统(10)，其中所述聚焦元件(52)被布置在所述反应腔室(62)的所述腔室窗口(64)的外部。14.根据权利要求13所述的激光系统(10)，其中所述第二轴棱镜(40)和所述聚焦元件(52)被集成到自...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：马克斯，
类型：发明
国别省市：