KR100257401B1 - Output controlling laser beam generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저(laser) 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 독립된 레이저 광 발생유닛을 조합한 출력조절식 레이저 광 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser (laser) generating device, and more particularly to an output-controlled laser light generating device combining a plurality of independent laser light generating unit.
레이저 광은 자연에는 존재하지 않으며 인간이 인공적으로 만들어낸 특수한 광이다. 금세기 최대 발명중의 하나로 불리는 레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation를 간략하게 줄인 약자로서, 유도방출에 의한 광증폭이라는 의미를 갖는다.Laser light does not exist in nature and is a special light artificially created by humans. Laser (LASER), which is one of the greatest inventions of the century, is a short abbreviation for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, which means light amplification by induced emission.
레이저가 개발된 후, 레이저 광을 이용하는 산업분야는 급속히 확산되고 있는 추세이다. 예를들어, 광통신, 광화학공업, 금속공업, 기계가공기술, 토목건축기술, 의료기술, 정보처리기술, 환경계측기술 등 각 분야에서 널리 이용되고 있으며, 아울러 레이저 광을 이용하는 분야는 일상생활에도 이용되는 예를 찾아 볼 수 있는데, 특히 반도체 레이저는 광섬유 통신이나, 컴팩트 디스크 플레이어 등에 이용되고 있으며, 그 응용분야가 더욱 확대되고 있다.After the development of lasers, the industry using laser light is rapidly spreading. For example, it is widely used in various fields such as optical communication, photochemical industry, metal industry, machining technology, civil construction technology, medical technology, information processing technology, and environmental measurement technology. For example, semiconductor lasers are used in optical fiber communication, compact disc players, and the like, and their applications are further expanded.
특히 고출력 레이저로서, 이산화탄소 레이저(CO2laser)나 YAG 레이저는 전자, 기계, 항공, 자동차 등의 모든 산업분야에서 폭넓게 이용되고 있다. YAG레이저는 Yttrium, Aluminum, Garnet의 결합결정에 Nd++를 첨가한 레이저 매질에, 에너지를 공급함으로써 얻어진다.In particular, as a high power laser, a carbon dioxide laser (CO 2 laser) and YAG laser is widely used in all industries such as electronic, mechanical, aviation, automotive. The YAG laser is obtained by supplying energy to a laser medium in which Nd ++ is added to the combined crystals of Yttrium, Aluminum and Garnet.
통상, 레이저 광의 출력을 증가시키기 위하여는 레이저 광 발생장치에 사용되는 레이저 매질의 크기를 증가시켜야 한다. 그러나 Nd:YAG 레이저와 같이 레이저 매질이 고체인 경우에는 매질의 제조에 있어서, 매질 자체로부터 발생하는 성능상의 문제로 인하여 그 크기를 어느정도 이상으로 제작하기 어렵다. 따라서 레이저 광의 출력을 증가시키기 위하여, 여러개의 작은 레이저 매질을 직렬로 연결배치하여 사용하고 있다.In general, in order to increase the output of the laser light, it is necessary to increase the size of the laser medium used in the laser light generator. However, when the laser medium is a solid, such as Nd: YAG laser, it is difficult to manufacture the medium to a certain extent due to the performance problems arising from the medium itself. Therefore, in order to increase the output of the laser light, several small laser media are connected and arranged in series.
도 1은 레이저 매질이 고체인 경우의 종래기술에 의한 레이저 광 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing the configuration of a laser light generating apparatus according to the prior art when the laser medium is a solid.
도면을 참조하면, 종래의 레이저 광 발생장치는, 직렬로 연결된 다수개의 고체 레이저 매질(14)과, 상기 레이저 매질(14)의 일측에 설치되는 전반사경(10)과, 상기 전반사경(10)의 반대편측에 위치하는 출력경(12)과, 상기 레이저 매질(14)에 에너지를 공급하는 펌핑램프(pumping lamp,16)를 포함한다.Referring to the drawings, the conventional laser light generating apparatus, a plurality of solid-
상기와 같은 종래의 레이저 광 발생장치는, 먼저 펌핑램프(16)로부터 에너지를 인가받은 레이저 매질(14)에서 빛의 유도방출이 일어나고, 상기 유도방출에 의하여 발생한 빛이 전반사경(10) 및 출력경(12)사이에서 반복 반사되면서 광강도가 증대한다. 이어서, 각 거울면에서 발생하는 손실을 극복할 수 있는 광강도의 증대가 수반되면, 레이저 발진이 시작되고 출력경(12)을 통하여 레이저 광(18)이 발생된다.In the conventional laser light generating apparatus as described above, induction emission of light occurs in the
한편, 레이저 광의 출력은 레이저 매질의 길이에 비례하므로, 고출력의 레이저 광을 얻기 위해서는 복수개의 레이저 매질을 직렬로 연결 배치하여 사용하여 왔다. 그러나 레이저 매질은 유도방출시 매우 높은 온도까지 상승하게 되므로, 레이저 광의 출력이 클수록 매질에 발생하는 열도 높아진다. 따라서, 레이저 매질에 인가되는 높은 온도에 의해 레이저 매질 자체에 발생하는 열렌즈 효과(thermal effect) 및, 레이저 매질의 열팽창에 의하여 고품질의 레이저 광을 얻을 수 없다.On the other hand, since the output of the laser light is proportional to the length of the laser medium, in order to obtain a high power laser light, a plurality of laser medium has been used in series arrangement. However, since the laser medium rises to a very high temperature during induction emission, the higher the laser light output, the higher the heat generated in the medium. Therefore, high-quality laser light cannot be obtained due to the thermal lens effect generated in the laser medium itself and the thermal expansion of the laser medium due to the high temperature applied to the laser medium.
열렌즈 효과는 레이저 광의 발산각을 증가시키는 주요한 원인이다. 즉, 레이저 출력이 증가하면 온도가 높아지고, 온도가 일정한계치 보다 높아지면 레이저 매질이 마치 렌즈(lens)와 같은 기능을 하게되는 바람직하지 않은 효과이다. 따라서 열렌즈 효과가 야기되어 발생광의 발산각이 증가됨으로 인하여, 어느 한계이상의 출력으로 고품질의 레이저 광을 얻을 수 없다. 레이저 광의 발산각이 증가하면 절단가공성이 떨어지게 된다.The thermal lens effect is a major cause of increasing the divergence angle of the laser light. In other words, when the laser output increases, the temperature increases, and when the temperature rises above a certain threshold, the laser medium functions as if it is a lens. Therefore, the thermal lens effect is caused to increase the divergence angle of the generated light, it is impossible to obtain a high quality laser light with an output above a certain limit. Increasing the divergence angle of the laser light results in poor machinability.
또한, 종래의 고출력용 레이저 광 발생장치는, 레이저 매질에서 발생한 빛의 광강도가 매우 크므로, 자신으로부터 발생한 레이저 광에 의하여, 레이저 매질의 양측에 위치한 전반사경 및 출력경의 손상위험도 가지고 있다.In addition, the conventional high-power laser light generating device has a very high light intensity of light generated in the laser medium, and therefore, there is a risk of damage to the total reflection mirror and the output mirror located on both sides of the laser medium by the laser light generated from the laser medium.
결국 고출력의 레이저 광을 얻기 위하여, 복수개의 레이저 매질을 연결하여사용한 종래의 레이저 광 발생장치는, 레이저 매질 자체에 과도하게 발생하는 열에 의하여 고출력 고품질의 레이저 광을 얻을 수 없다는 문제점이 있다.As a result, the conventional laser light generating apparatus used by connecting a plurality of laser media in order to obtain a high output laser light, there is a problem that can not obtain a high output high-quality laser light by the heat generated excessively in the laser medium itself.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로써, 각각 하나의 레이저 매질을 구비하는 서로 독립된 레이저 광 발생유닛을 복수개 구성하여, 복수개의 레이저 광을 동시에 발생시키고, 발생된 레이저 광을 별도의 광로 조절수단을 통하여 하나로 모음으로써, 광발산각이 작은 고출력, 고품질의 레이저 광을 발생하는, 레이저 광 발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by constructing a plurality of independent laser light generating units each having a single laser medium, generating a plurality of laser light at the same time, the generated laser light is a separate optical path It is an object of the present invention to provide a laser light generating device that generates a high-power, high-quality laser light with a small light divergence angle by bringing them together through an adjusting means.
도 1은 종래 기술에 의한 레이저 광 발생장치의 구성을 도시한 도면,1 is a view showing the configuration of a laser light generating apparatus according to the prior art;
도 2은 본 발명의 제 1실시예에 따른 출력조절식 레이저 광 발생장치의 구성을 도시한 도면,2 is a view showing the configuration of an output adjustable laser light generating apparatus according to a first embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 출력조절식 레이저 광 발생장치의 구성을 도시한 도면,3 is a view showing the configuration of an output adjustable laser light generating apparatus according to a second embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 상기 각 실시예에 따른 챔버의 종단면을 도시한 도면.Figure 4 shows a longitudinal section of the chamber according to each of the above embodiments of the present invention.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>
10: 전반사경 12: 출력경10: total reflection mirror 12: output mirror
14:레이저 매질 16: 펌핑램프14: laser medium 16: pumping lamp
18:레이저 광 20: 챔버18: laser light 20: chamber
22:반사체 24:프리즘22: Reflective body 24: Prism
30:거울30: Mirror
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 서로에 대하여 각각 병렬로 위치하여 상호 평행하게 구성된 복수개의 레이저매질과; 상기 레이저매질에 에너지를 공급하기 위하여 각 레이저매질의 측부에 구비되어 레이저매질과 하나의 세트를 구성하는 펌핑램프와; 상기 각 레이저매질과 펌핑램프 세트를 감싸는 반사체와; 상기 반사체를 내부에 포함하는 챔버와; 상기 챔버의 전방 및 후방에서 상기 레이저매질의 축방향에 각각 대응하도록 배치된 전반사경과 출력경 및; 상기 출력경을 통해 발생된 레이저광의 경로를 조절시키는 광로조절수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises: a plurality of laser media are arranged in parallel with each other in parallel with each other; A pumping lamp provided at the side of each laser medium to supply energy to the laser medium and constituting a set with the laser medium; A reflector surrounding each of the laser media and the pumping lamp set; A chamber including the reflector therein; A total reflection mirror and an output mirror disposed to correspond to the axial direction of the laser medium in front of and behind the chamber, respectively; It characterized in that it comprises an optical path control means for adjusting the path of the laser light generated through the output mirror.
상기 반사체는 레이저 매질과, 펌핑램프를 그 안에 각각 포함하며, 재질은 세라믹이나 석영블럭이 사용되며, 단면의 형상은 펌핑램프의 효율을 최대한 높이기 위하여, 좌우 대칭의 타원형인 것이 바람직하다.The reflector includes a laser medium and a pumping lamp therein, and a material of ceramic or quartz is used. The cross-sectional shape of the reflector is preferably a symmetrical oval to maximize the efficiency of the pumping lamp.
아울러, 상기 광로 조절수단은 출력경을 통해 출력된 광을, 소정경로를 따라 굴절시킬 수 있도록 배치된 다수개의 프리즘이거나, 또는 출력경을 통해 출력된 광을, 소정 경로를 따라 반사시킬 수 있도록 배치된 다수개의 거울인 것을 특징으로한다.In addition, the optical path adjusting means is a plurality of prisms arranged to be able to refracted light output through the output path along a predetermined path, or arranged to reflect the light output through the output path along a predetermined path. It is characterized by a plurality of mirrors.
이하 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 출력 조절식 레이저 광 발생장치이며, 도 4는 상기 레이저 광 발생장치중 레이저 매질(14)과 펌핑램프(16)를 감싸고 있는 반사체(22)를 포함하고 있는 챔버(20)의 단면을 도시한 도면이다.2 is a power adjustable laser light generating apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 includes a
본 실시예에서의 레이저 광 발생장치는 네 개의 레이저 광 발생유닛과, 상기 발생유닛의 출력측에 설치된 광로조절을 위한 복수개의 프리즘(24)을 포함한다. 아울러 챔버(20)의 단면을 원형으로 적용하였으나, 필요시 그의 단면은 다른 형상을 취할 수 있다.The laser light generating apparatus in this embodiment includes four laser light generating units and a plurality of
레이저 광 발생유닛(unit)이라 함은, 레이저 매질과, 펌핑램프와, 출력경 및 전반사경을 한 세트로 구성하여된 레이저 광 발생기 이다.The laser light generating unit is a laser light generator composed of a laser medium, a pumping lamp, an output mirror and a total reflection mirror.
상기 복수개의 레이저 광 발생유닛의 각각은, 통상적인 레이저 광 발생장치의 구성요소인 레이저 매질(14)과, 상기 레이저 매질에 평행하며, 여기에너지를 공급하는 펌핑램프(16)와, 전반사경(10) 및 출력경(12)을 구비하되, 상기 레이저 매질(14)과, 펌핑램프(16)가 도 4에 도시된 바와 같이, 반사체(22) 안에 각각 설치된다. 이 상태로 상기 복수개의 반사체(22)는 챔버(20)의 내부에 설치되고, 상기 전반사경(10) 및 출력경(12)은 챔버(20) 외부의 전후측에 레이저 매질(14)의 축과 대응되도록 각각 설치된다. 상기 각각의 레이저 광 발생유닛은 서로에 대하여 독립적이며, 설치 대수는 자유롭게 결정할 수 있다. 또한 필요시에는 상기 레이저 광 발생유닛의 작동 댓수를 조절함으로써, 레이저광의 출력을 조절할 수 있다.Each of the plurality of laser light generating units includes a
한편, 상기 반사체(22)는 석영블럭의 외벽을 타원형태로 가공하여 반사율이 높은 은(silver)을 코팅하여 사용함이 바람직하다. 이러한 은 코팅 및 타원형의 구조는 펌핑램프(16)로부터 나오는 에너지를 레이저 매질(14)에 보다 효과적으로 전달할 수 있게 한다. 즉, 상기 반사체(22)의 타원형 단면의 기하학적 초점에 두 개의 구멍을 형성시켜 각 구멍에 레이저 매질(14)과 펌핑수단(16)을 각각 삽입함으로써, 보다 효과적인 여기작용을 제공할 수 있다. 상기 레이저 매질은 Nd:YAG을 적용한다. 레이저 매질은 Nd:YAG 뿐아니라 Nd:Glass나 루비등의 모든 고체 레이저 매질을 적용할 수 있다. 아울러 펌핑램프로써는 아크램프(Arlamp)나 플레쉬램프(Flashlamp)를 사용할 수 있다.On the other hand, the
광로조절 수단은 다수개의 프리즘(24)으로 구성되며, 상기 복수의 레이저 광 발생유닛으로부터 평행되게 출력된 각각의 레이저 광이, 프리즘(24)을 통하여 근접하여 하나로 모아지게 된다. 상기 프리즘(24)은 하나의 레이저 광에 대해 동일한 특성을 가지는 다수개의 프리즘을, 최초 입사면과 최후 출사면이 평행하도록 정렬함으로써, 레이저 광의 다른 특성에는 영향을 주지않고 진행방향만을 평행이동 시킬 수 있다. 그러므로 각 레이저 광 발생기 유닛으로부터 출력된 각 레이저 광을, 다수개의 프리즘을 통과시킴으로써, 소정영역내에 서로 근접시켜 하나로 모아 빔발산각이 작은 고출력의 레이저 광을 얻을 수 있다. 또한 필요시에는 상기 레이저 광 발생유닛의 작동을 조절함으로써, 레이저 광의 출력을 조절할 수 있다.The optical path control means is composed of a plurality of
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 출력조절식 레이저 광 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a view schematically showing the configuration of an output type laser light generating apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도면을 참조하면 본 실시예의 구성은 상기 제 1실시예의 구성과 매우 유사함을 알 수 있다. 제 1실시예에서 사용된 프리즘(24) 대신에 본 실시예에서는 거울(30)이 사용되었다.Referring to the drawings, it can be seen that the configuration of this embodiment is very similar to that of the first embodiment. Instead of the
각각의 레이저 광 발생유닛으로부터 발생한 레이저 광은, 출력부에 마련되어 있는 복수개의 거울에 의하여 하나로 모아진다. 즉, 복수개의 레이저 광 발생유닛으로부터 발생한 다중 레이저 광을 모으기 위하여, 레이저 광을 100% 반사시킬 수 있는 거울을 적절히 배치함으로써, 상기 다중 레이저 광의 특성을 유지하면서, 광을 하나로 모아 빔발산각이 작은 고출력의 레이저 광을 얻을 수 있다. 또한 필요시 상기 레이저 광 발생유닛의 작동 대수를 조절함으로써, 레이저 광의 출력을 조절할 수 있다.The laser light generated from each laser light generating unit is collected into one by a plurality of mirrors provided in the output unit. That is, in order to collect the multiple laser light generated from the plurality of laser light generating units, by appropriately disposing a mirror capable of reflecting the laser light 100%, while maintaining the characteristics of the multi-laser light, the beam divergence angle is small High power laser light can be obtained. In addition, by adjusting the operation number of the laser light generating unit, if necessary, the output of the laser light can be adjusted.
이상, 본 발명은 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.The present invention has been described in detail with reference to specific embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. It is possible.
이상의 설명에서와 같이 본 발명의 출력조절식 레이저 광 발생장치는, 각각 하나의 레이저 매질을 구비하는 독립된 레이저 광 발생유닛을 복수개 구성하여, 광발산각이 작은 복수개의 레이저 광을 발생시키고, 이것을 별도의 광로 조절유닛을 통하여 하나로 모으므써, 광발산각이 작은 고출력, 고품질의 레이저 광을 발생할 수 있고, 또한 복수개의 레이저 광 발생유닛의 작동 대수를 조절함으로써, 출력조절이 가능하여 다양한 가공 필요에 신축적으로 대처할 수 있다는 장점이 있다.As described above, the output-controlled laser light generating apparatus of the present invention comprises a plurality of independent laser light generating units each having a single laser medium, so as to generate a plurality of laser light having a small light divergence angle, and separately By gathering them together through the optical path control unit, high power and high quality laser light with a small light divergence angle can be generated, and by adjusting the number of operation of the plurality of laser light generating units, the output can be adjusted to accommodate various processing needs. It has the advantage of being able to cope with the enemy.
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