KR100275228B1 - 가스 혼합 파워 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 장치는 0.3×10⁵Pa 보다 큰 압력에서 작동하는 냉 코로나 전기 방전식의 여기 상태의 질소 유동 발생기(1)을 포함하며, 상기 발생기는 평행육면체의 내통하는 통로(18)과 평행한 주방향을 지닌 속삭이는 회랑(2)와 같은 거울을 구비한 도파관에 커플러로 이어져 있으며, 상기 통로내로 CO₂의 주사를 위한 최소한 하나 이상의 평행육면체의 도관(19)이 개방되어 있다. 본 장치는 특히 물질을 절단하는데 사용된다.

Description

가스 혼합 파워 레이저 장치

제1도는 본 발명에 따른 장치의 주요 구조를 개략적으로 도시한 도면.

제2도는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 단면도.

제3도는 본 발명의 일실시예를 개략적으로 도시한 부분도.

제4도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 제2도와 유사한 도면.

제5도 및 제6도는 비임의 비대칭성을 교정하는 공동을 개략적으로 도시한 도면.

제7도는 본 발명에 따라 재료를 절단하는 산업용 장치의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발생기 2 : 위스퍼 갤러리(whispering gallery)

3 : 반사경 4 : 윈도우

5 : 울림 공동(resonant cavity)

6 : 주입 장치 8 : 전극

9 : 유전체 튜브

본 발명은 CO₂의 유동을 발생기의 하류 방향의 여기 상태의(excited) 질소 유동으로 도입하는 수단과 함께, 여기 상태의 질소 유동 발생기를 포함하는 형태의 혼합 파워 레이저(mixing power laser) 장치에 관한 것이다.

상기한 형태의 CO₂혼합 레이저 장치는 1970년 11월, 제9호, 제17권 응용 물리학 레터즈(Applied Physics Letters)에 수록된 씨.오. 브라운(C.O. Brown)의 "하이 파워 CO₂전기 방전식 혼합(electric discharge mixing, EDM) 레이저"라는 논문에 개시되어 있다. 이러한 EDM 레이저는 오래전에 알려졌지만, 산업적으로 개발되지는 못하였는데, 왜냐하면 특히 매우 낮은 압력에서 작동하고, 여기 상태의 발생기 선택 및 추천되는 헬륨의 사용이 곤란하기 때문이다. 한편, CO₂파워 레이저는 일반적으로 비용이 많이 들고 신뢰성이 떨어지며, 특히 광학상의 구성물로 채택될 때 손실의 문제뿐만 아니라, 이러한 레이저의 10 마이크론 파장에서 하이 파워를 전달하도록 채택되는 광섬유가 존재하지 않는다는 문제점이 있어 산업용으로 개발되지 않았었다.

본 발명의 목적은 신뢰성이 개선되고, l kw를 초과할 수 있는 하이 파워를 전달할 수 있으며, 저비용으로 산업용으로 사용할 수 있는 콤팩트한 형태의 혼합 파워 레이저 창치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 특징에 따르면, 여기 상태의 질소 유동 발생기는 O.3×10⁵Pa 이상의 압력에서 작동하는 냉전기 방전 형태(cold electric discharge type)이고, 주방향을 따라 대향하는 거울들을 구비한 도파관(waveguide)에 커플링되어 있다.

"냉전기 방전"은 가스 혼합물에서 여기 상태의 화학종 형성을 의도하는 것이며, 가스 혼합물의 전기적으로 중성인 화학종의 온도는 250℃, 보다 일반적으로는 150℃를 초과하지 않는다. 이러한 형태의 방전은 또한 저자에 따라 예컨대, "코로나 방전", "대기압 글로우 방전", "배리어 방전(barrier discharge)" 또는 "무음 방전(silent discharge)"이 라고도 불린다.

본 발명의 다른 특징에 따르면,

- 발생기는 관형의 방전 챔버를 포함하며, 이 챔버의 축을 가로질러 가스의 순환이 일어나고 :

- 도파관의 주방향은 챔버의 축과 거의 평행하며;

- CO₂는 상기 축에 평행한 가스 통로 속으로 도입되고 :

- 도파관은 위스퍼 갤러리(whispering gallery) 형태이고, 곡률 반경이 크고 주방향이 상기 축에 거의 평행한 아치형 통(arcuate trough)의 형태를 가지며;

- 거울들 중 적어도 하나는 하나 이상의 다이아몬드 웨이퍼를 포함한다.

도파관인 위스퍼 갤러리의 구조 및 특징은 마힉(Marhic) 등의 미국 특허 제4,194,808호에 개시되어 있다. 이러한 위스퍼 갤러리 레이저의 사용에 대해서는 1979년 6월 제6호, 제QE-15권의 양자 전자학 IEEE 저널에 수록된 마힉 등의 "위스퍼 갤러리 CO₂레이저"라는 논문에 개시되어 있다. 상기 위스퍼 갤러리 CO₂레이저는 지금까지 수명이 짧다는 문제점이 있었고, 특히 증폭 매체의 체적에 의해 제한된 비임 및 파워의 전파 영역에서 전기 방전에 의해 야기되는 기능 저하라는 문제점이 있었다.

본 발명에 따른 장치에 의해 상기 문제점들이 해결되며, 혼합 레이저 및 비교적 고압의 냉방전 타입의 발생기에서 질소 비임을 여기 상태로 한다는 개념을 이용하여 매우 높고 연속적인 이득을 얻을 수 있다. 더욱이, 혼합 레이저에 대해서는, 도파관의 거울을 씻어가는 상당한 가스 유동을 이용할 수 있는데, 이는 입자들이 거울에 퇴적되는 것을 방지하고 거울의 기능을 급속히 저하시키는 점들(points)의 생성을 방지한다. 한편, 다이아몬드 거울을 사용함으로써, 수명 단축의 문제점을 거의 해결할 수 있다. 더욱이, 짧은 길이의 도파관 레이저의 거울들을 조정하는 것은 중요하지 않으며, 이는 위스퍼 갤러리에 대해서도 마찬가지이다. 즉, 거울의 방향을 2°변화시켜도 파워의 어떤 변화도 일으키지 않으며, 레이저는 1°의 오정렬에 대해서도 모노 모드(mono-mode)로 남아 있다. 위스퍼 갤러리의 모드는 갤러리의 곡률 반경이 아주 클지라도 1 ㎟ 정도로 적은 크기로 남아 있다. 비임d′1 kw에 대해, 공동안의 파워 밀도는 200 kW/㎠ 이상이고, 이는 다이아몬드거울의 허용 범위에 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면,

- 발생기에 공급되는 가스는 78% 이상의 질소를 포함하고, 통상적으로 예컨대, 산소의 함량이 약 5%인 질소와 산소의 혼합물이며, 다음에 이 가스 혼합물은 바람직하게는 흡수 및/또는 투과 장치에 의한 공기 처리에 의해 공급되고 :

- 본 발명에 따른 장치는 헬륨, 수소 및 수증기로 구성되는 그룹에서 선택된 가스를 상기 가스 혼합물로 도입하는 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 목적은 재료를 절단하는 상기 정의된 타입의 산업용 장치를 제공하는 것으로, 이 장치의 유출부는 집속 헤드(focusing head)에서 끝나는 다중 나선형의(multi-spiral) 위스퍼 갤러리에 커플링되는 것을 특징으로 하며, 이에 의해 위스퍼 갤러리를 최대로 이용할 수 있다.

본 발명의 다른 특깅 및 이점들은 단지 예시적이고 본 발명을 제한하는 것이 아닌, 첨부 도면에 대한 다음 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 출력부에서 가스 유동을 전달하는 방전 발생기(1)를 포함하는데, 상기 가스 유동은 도파관(waveguide)에 의해 구성되는 울림 공동(resonant cavity), 예컨대 1 m 이상의 주곡률 반경을 갖고 양단부에 반사경(3) 및 레이저 비임 투과 거울 또는 윈도우(4)가 제공된 아치형 통(arcuate trough) 형상의 위스퍼 갤러리(whispering gallery)(2)의 일부분에 공급되는 여기 상태의(excited) 질소 분자를 포함한다. CO₂유동은 울림 공동(5)과 발생기(1)의 출력부 사이에 개재된 주입 장치(6)에 의해 여기 상태의 질소함유 유동과 혼합된다. 발생기(1)는 가늘고 긴 유출 통로(13)를 통하여, 주방향이 상기 유출 통로(13)와 거의 평행한 통 형상의 도파관(2)을 가로지르는 균질한 가스 유동을 생성하도록 배열되어 있다.

제2도에 도시된 실시예에 있어서, 발생기(1)는 본 출원인의 프랑스 특허 출원 제92.07486호에 개시된 것과 같은 것으로서, 금속 블록 내에 관형의 외주 전극(8)을 포함하고, 상기 전극은 축(X)을 가지며 내부 전극(10)이 가해진 동축의 유전체 튜브(9)를 동심적으로 에워싸고, 상기 튜브는 외주 전극(8)과 함께, 유전체 튜브(9)와 동축을 이루는 관형의 가스 통로(11)를 제공하고, 상기 통로(11)의 축(X)에 평행하면서 직경 방향으로 대향하고 관형 통로(11)의 방사상 두께를 초과하지 않는 높이를 지닌 슬롯 형상의 유입부(12)와 유출구(13)를 통해 블록의 외측으로 개방된다. 전극들(8, 10)은 고전압의 고주파수 발생기(14)에 연결된다. 내부 전극(10)은 예컨대 물이나 프레온과 같은 냉각 유체(15)를 순환시키는 내부 체적의 경계를 정한다.

본 발명에 따른 제1도의 실시예에 있어서, 장치(20)는 약 1 mm의 높이의 종방향 홈(recess)을 형성하는 발생기 블록(1)에 연결된 블록(16)에 의해 이루어지며, 이 블록(16) 내에는 유입구 및 유출구(12, 13)의 직경방향 평면에 거의 평행한 통의 바닥을 구비한 위스퍼 갤러리(2)가 배치되고, 측방향의 가스 유출 통로(17) 및 평행 6면체 가스 유입 통로(18)가 블록(1)의 유출구(13)에 연장하고, 상기 통로 속으로 평행 6면체 통로(19)가 횡방향으로 개방되는데, 이 통로(19)는 여기 상태의 질소 함유 가스 유동과 CO₂를 혼합시키기 위해 예컨대, 혼합 그릴(mixing grill)(21)에 의해 CO₂를 유입 통로(18) 속으로 도입시키며, 상기 질소는 천이 레이저의 고준위(upper level)를 배타적으로 여기시킴으로써, 레이저 공동속으로 도입되기 전에 CO₂에 그 에너지를 전달한다.

제2도에 개략적으로 도시한 레이저 비임은 타원형이며, 선형의 편광 성질을 가지고 있다. 진동 에너지가 풍부한 가스가 일측면으로부터 유입되어 이러한 에너지가 없이 빠져나가며, 상기 비임은 갤러리(2)를 가로지르는 가스 유동 방향(Z축)에 따라 비대칭적이다. 이러한 비대칭을 없애기 위하여, 위스퍼 갤러리의 일방향 광안내에 의해 허용되는 제4도에 도시된 구조를 채택할 수 있는데, 다시 말해서 위스퍼 갤러리는 본체(1)의 유출 통로(13)에 대향하는 가스 통로(18)의 하류측 단부(22)에 수직하게 면하면서 배치된다고 할 수 있으며, 다음에 CO₂유입부(19A, 19B)는 양호하게 대칭이고, 가스 유출 통로(17A, 17B) 또한 마찬가지이다. 또한, 2개의 거울(3₂, 3₃)이 경사져 있는(제5도) 3개의 반사경(3₁)을 구비한 소위 벤트-백(bent-back) 공동, 탈출구를 제공하는 형상 거울(4)을 구비한 공동, 또는 다공성 안내면을 통해 가스 유동을 주입할 수 있는 하나 이상의 다공성 안내면을 구비하는 도파관이 사용될 수 있다. 한편, 제2도에 도시한 실시예에서, 여기 상태 화학종의 상당 부분이 광자를 담고 있는 영역을 통과하는 것을 보장하기 위해, 갤러리(2)의 흠의 하부벽(23)에는 홈에 상당한 난류성 유동의 형성을 양호하게 하는 방향을 지닌 오목부가 제공될 수 있다.

본 발명의 일양태에 따라서, 위스퍼 갤러리(2)의 단부에 위치하는 거울(3, 4)은 예컨대, 본출원인에 의해 출원된 프랑스 특허 출원 제92.02437호에 개시된 것과 같이 C-II-A 다이아몬드가 코팅되거나 또는 코팅되지 않은 하나 이상의 웨이퍼에 의해 구성된다. 위스퍼 갤러리(2)에 의해 구성되는 도파관을 도시하는 제3도에서 볼 수 있는 바와 같이, 거울(3 및/또는 4)을 씻어가도록 도파관(2)을 통과하는 가스 혼합물 유동을 사용하고 싶지 않다면, 이러한 거울들은 거울(3)에 인접하게 배치되고 레이저 모드의 크기보다 약간 더 큰 후드(24)를 통해 공급되는 보조여과된 유동 가스에 의해 씻길 수 있다.

가스 공급원(25)으로부터 발생기(1)로 도입된 가스는 0.3×10⁵pa ∼ 3×10⁵Pa 사이, 바람직하게는 약 0.5×10⁵Pa의 압력을 가지며, 작동을 간단하게 하기 위해 대기압에서, 적어도 78%의 질소, 통상적으로 산소를 함유하는 가스 혼합물, 예컨대 공기이다. 일반적으로, 혼합 레이저에서 높은 비율로 사용되는 헬륨은 이 경우에는 필요하지 않다. 따라서, 헬륨은 방전을 안정화시키고, 레이저 천이의 저준위(lower level)를 탈여기화시키기 위해 사용된다. 이 경우, 안정화 효과는 발생기(1)에서 냉방전을 이용하기 때문에 필요하지 않다. 탈여기화는 벡터 가스의 유동에 도입된 수소 또는 수증기를 바람직하게는 CO₂의 도입 영역에서 첨가함으로써 수행할 수 있는데, 상기 수소 또는 수증기는 이러한 목적을 위해 헬륨보다 더욱 효과적이다. 수소 및 수증기는 또한 레이저 천이의 고준위를 탈여기화시키며, 그 농도를 정확히 제어할 필요가 있다. 이처럼, 수소의 양은 전체 가스 유동의 2 또는 3%를 초과하지 않아야 하며, 수소는 질소의 탈여기화를 피하기 위하여 발생기의 하류측의 CO₂로 도입되는 것이 바람직하다. CO₂와 혼합되는 수증기의 양은 10,000 ppm을 초과하지 않아야 한다.

발생기(1)에는 바람직하게는 공기로부터의 흡수 또는 투과에 의해 얻어지는 1% 이상의 소량의 산소를 함유하는 질소가 공급될 수 있는데, 이는 질소의 비용을 상당히 경감시킨다. 따라서, 코로나 방전 발생기(1)의 출력은 순수 질소에 비해 5%의 산소를 함유하는 질소로 단지 약간 감소된다. 질소에 함유된 산소의 일부는 발생기(1)에서 오존으로 전환되며, 이는 CO₂에 혼합된 수소에 의해 효과적으로 파괴되어 물을 생성시킨다. 발생기에 공기가 공급되는 경우에, 발생기(1) 내의 압력은 바람직하게는 약 0.5×10⁵Pa이고, 공급된 공기는. 물의 함량이 5,000 ppm을 초과하지 않고 바람직하게는 100 ppm 미만이 되도록 물로부터 정화된다. 물의 함량은 100∼5,000 ppm 사이에서 일정하게 유지되어야 한다. 0.5×10⁵Pa에서, 주어진 공기 유량에 대해, 하측으로 도입된 CO₂및 수소의 유량은 바람직한 실시예에서, 각각 공기 유량의 10∼30%, 0.5∼1% 사이이다.

다른 가스들의 소모를 제한하기 위하여, 제7도에 도시된 바와 같이, 유출구(17)에서 방출되는 가스 혼합물을 CO₂, (19)에서 재도입되는 헬륨 또는 수소를 회수할 수 있는 막 투과 장치(20) 속으로 통과시키고, 원한다면 유입부(12)에서 정화 질소를 재주입시킬 수 있는 가스 재순환 회로(recycle circuit)를 제공하는 것이 바람직하다. 제7도에는 재료를 절단시키는 완전한 장치가 도시되어 있다. 레이저(20)의 거울(4)을 떠나는 레이저 비임은 커플링 시스템(27)을 경유하여 여러번 회전하는(다회전) 위스퍼 갤러리(28)로 향하는데, 상기 갤러리의 자유단에는 레이저(20)와 독립적으로 절단 모양에 따라 이동할 수 있는 집속 시스템(focusing system)(29) 이 제공된다.

본 발명이 특정 실시예를 통해 설명되었지만, 이 실시예에만 국한되는 것이 아니고 당업자들에 의해 변형 및 수정이 가능하다는 것은 명백하다.

Claims (18)

1. 여기 상태의(exited) 질소 유동 발생기(1)와, 상기 여기 상태의 질소 유동속으로 CO₂의 유동을 도입시키는 수단(6;19)을 포함하는 가스 혼합 파워 레이저 장치에 있어서,

   상기 발생기(1)는 0.3×10⁵Pa 이상의 압력에서 작동하는 냉 코로나 전기 방전형 발생기이고, 주방향을 따라 대향하는 거울(3, 4)을 구비한 도파관(2)에 커플링되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발생기(1)는 축(X)을 지닌 관형의 방전 챔버(11)를 포함하며, 상기 축(X)에 대해 횡방향으로 가스의 순환이 일어나는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 도파관(2)의 주방향은 상기 축(X)과 평행한 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 CO₂는 상기 축(X)에 평행한 하나 이상의 가스 통로(18)를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 도파관(2)은, 곡률 반경이 크고 상기 축(X)과 평행한 주방향을 갖는 아치형 통(arcuate trough) 형상인 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
6. 제5항에 있어서.

   상기 아치형 통(2)의 바닥은 상기 통로(18) 내의 가스 혼합물의 유동에 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 아치형 통(2)의 바닥은 상기 통로(18) 내의 가스 혼합물의 유동에 수직하게 배열되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
8. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 거울(3 ; 4)은 하나 이상의 다이아몬드 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
9. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 발생기(1)로 공급되는 가스(25)는 78% 이상의 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 발생기(1)로 공급되는 가스(25) 중 수증기의 함량은 5,000 ppm을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
11. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    헬륨, 수소 및 수증기로 구성되는 그룹에서 선택된 가스를 상기 도파관(2)에 공급되는 가스 혼합물로 도입하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 가스 혼합물 중의 수소 함량은 3 vol.%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 도파관(2)에 공급되는 가스 혼합물 중의 수증기 함량은 10,000 ppm을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
14. 제9항에 있어서,

    상기 발생기(1)로 공급되는 가스(25)는 약 5%의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
15. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발생기(1)로 공급되는 가스(25)의 압력은 약 0.5×10⁵Pa인 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
16. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발생기(1)로 공급되는 가스(25)의 압력은 약 1×10⁵Pa인 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
17. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서.

    상기 도파관(2)을 떠나는 가스 혼합물(17)의 재순환 회로와, CO₂및 질소를 분리하는 장치(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.
18. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    재료 절단을 위해, 집속 헤드(29)에서 끝나는 다회전 위스퍼 갤러리(multi-turn whispering gallery)(28)에 커플링되는 것을 특징으로 하는 가스 혼합 파워 레이저 장치.