KR100431587B1 - Laser Beam Homogenizing Apparatus and Method using a Division-Combination Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저빔의 균질화에 관한 것으로서, 분리-재결합 방식을 이용하여 빔의 공간분포를 균일하게 하고 원거리 전송이 가능하도록 하는 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 입사빔을 분리한 후 반전시키고 상기 반전된 빔을 재결합하여 상기 분리된 다른 빔과 중첩시킬 때, 상기 중첩되는 빔의 중심축 일치 및/또는 상기 중첩되는 빔의 중첩도 조절을 행함으로써 출력빔의 균질도(Homogeneity)를 향상시킨다.The present invention relates to a homogenization of a laser beam, and relates to a separation and recombination laser beam homogenization apparatus and method for enabling a long distance transmission and uniform space distribution of the beam by using a separation-recombination method. In particular, the present invention controls the coincidence of the central axis of the overlapping beams and / or the control of the overlapping degree of the overlapping beams when separating and inverting the incident beam and recombining the inverted beams to overlap with the separated other beams. By doing so, the homogeneity of the output beam is improved.
이를 위하여 본 발명은, 입사되는 빔을 고유 분리율에 따라 두 개의 빔으로 분리하되, 제1 빔은 투과시키고 제2 빔은 반사시키는 빔분리기; 상기 빔분리기에 의해 반사된 제2 빔의 파형의 중심에서 좌우 대칭이 되도록 상기 제2 빔의 파형을 공간적으로 분리하는 제1 프리즘; 상기 제1 프리즘에 의해 분리된 두 빔의 파형을 각각 반전시키는 제1 및 제2 전반사 거울; 상기 파형이 반전된 각각의 빔을 재결합시키는 제2 프리즘; 및 상기 빔분리기와 동일한 재질과 두께를 가지며, 상기 제2 프리즘에서 상기 빔분리기로 향하는 빔의 광학경로에 상기 빔분리기와 거울대칭되도록 설치되어 상기 제2 프리즘에 의해 재결합된 빔을 투과시키고, 상기 투과된 빔이 상기 빔분리기에 의해 반사되어 상기 제1 빔과 중첩되며 상기 중첩되는 반사빔의 중심축이 상기 제1 빔의 중심축과 일치하도록 상기 재결합된 빔을 굴절시키는 빔굴절기;를 포함한다.To this end, the present invention includes a beam splitter for splitting an incident beam into two beams according to an inherent separation ratio, wherein the first beam is transmitted and the second beam is reflected; A first prism for spatially separating the waveform of the second beam so as to be symmetrical at the center of the waveform of the second beam reflected by the beam splitter; First and second total reflection mirrors that invert the waveforms of the two beams separated by the first prism, respectively; A second prism for recombining each beam with the waveform inverted; And the same material and thickness as that of the beam splitter, wherein the beam splitter is mirror-symmetrically installed on the optical path of the beam from the second prism to the beam splitter, and transmits the beam recombined by the second prism. A beam refractor for reflecting the recombined beam such that the transmitted beam is reflected by the beam splitter and overlaps the first beam and the central axis of the overlapping reflected beam coincides with the central axis of the first beam. do.
Description
본 발명은 레이저빔의 균질화에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 분리-재결합 방식을 통해 레이저빔 공간분포를 균일하게 하고 원거리 전송이 가능하도록 하는 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a homogenization of a laser beam, and more particularly, to a separation and recombination laser beam homogenization apparatus and method for homogeneous laser beam spatial distribution and remote transmission through a separation-recombination method.
레이저는 발명된 이래로 다양한 분야에 사용되고 있으며 빔 성질이 우수하고 큰 에너지를 가진 빔을 평행으로 장거리에 방출할 수 있는 특징으로 가지고 있기 때문에 우주 통신, 정밀 공작, 의료, 물성 연구, 군사 등 광범위한 영역에 응용되고 있다.Lasers have been used in various fields since their invention, and because of their excellent beam properties and the ability to emit large energy beams in parallel over long distances, they are widely used in a wide range of applications, including space communications, precision machining, medical, physical property research, and military. It is applied.
레이저빔에 대한 연구가 진행됨에 따라 빔의 공간분포를 균질하게 하는 빔균질기(Homogenizer)가 다양하게 개발되고 있다. 그러나, 종래의 빔 균질기의 경우 특정 위치에서의 빔 공간분포는 균일하나 균일한 빔의 원거리 전송에는 부적합하였다. 또한 분리-재결합 방식을 이용한 빔 균질기의 경우 균일한 빔의 원거리 전송에는 적합하지만 빔을 분리하고 재결합할 때 빔의 간섭 및 굴절현상으로 인한 중심축 이동이 발생하여 레이저빔의 균질도(Homogeneity)를 저하시켰다.As research on laser beams progresses, various beam homogenizers have been developed to homogenize the spatial distribution of beams. However, in the conventional beam homogenizer, the beam spatial distribution at a specific position is uniform but unsuitable for long-distance transmission of uniform beams. In addition, the beam homogenizer using the separation-recombination method is suitable for the long-distance transmission of uniform beams, but when the beams are separated and recombined, the center axis movement due to the interference and refraction of the beams occurs, resulting in the homogeneity of the laser beam Lowered.
종래의 빔 균질기(Homogenizer)를 살펴보면, 미국특허 US 6,249,385호에는 회절 렌즈 어레이(Diffractive lens array)를 이용한 빔 균질기가 게시되어 있고, 다른 미국특허 US 4,475,027호에는 두 개의 분할된 원통형 오목 거울의 조합을 이용한 빔 균질기가 게시되어 있다. 상기 두 특허에 게시된 빔 균질기는 특정 위치에서의 빔 공간분포를 균일하게 하지만 균일한 빔 상태로 원거리를 전송하는데는 한계가 있었다.Looking at a conventional beam homogenizer, US Patent No. 6,249,385 discloses a beam homogenizer using a diffractive lens array, and another US Patent No. 4,475,027 combines two split cylindrical concave mirrors. The beam homogenizer using this is published. The beam homogenizers disclosed in the two patents uniform the beam spatial distribution at specific locations but have limitations in transmitting long distances in a uniform beam state.
또한, 분리-재결합 방식을 이용한 빔 균질기가 독일특허 DE 197 24 060호에 게시되어 있다. 상기 분리-재결합 방식을 이용한 빔 균질기는 균일한 빔의 원거리 전송에는 적합하지만 빔분리기(beam splitter)에 의해 분할되어 빔의 분리-반전-재결합 과정을 거쳐 U자 형태로 재결합된 후 원래 모양의 빔과 중첩될 때 가간섭성(coherence)에 의한 간섭효과와 상기 빔분리기에서의 굴절현상으로 인한 중심축 이동이 발생되어 균질도에 문제가 발생하였다. 이를 도 1을 참조하여 종래의 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치를 상세하게 설명한다.In addition, a beam homogenizer using a separation-recombination method is disclosed in DE 197 24 060. The beam homogenizer using the split-recombine method is suitable for long-distance transmission of uniform beams, but is split by a beam splitter and recombined in a U shape through a split-reverse-recombine process of the beam, and then the original shape beam When overlapping with, the interference effect due to coherence and the movement of the central axis due to the refraction in the beam splitter are generated, which causes a problem in homogeneity. This will be described in detail with reference to Fig. 1 a conventional homogenizing beam of the separation-recombination method.
도 1은 종래의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 분리-재결합 방식의 균질화 장치는, 빔분리기(beam splitter;1)를 사이에 두고 상호 대칭되도록 설치된 제1 프리즘(2)과 제2 프리즘(3), 상기 빔분리기(1)를 사이에 두고 상기 프리즘(2,3)과 다른 위치에 상호 대칭되도록 설치된 제1 전반사 거울(4)과 제2 전반사 거울(5)로 구성된다. 상기 빔분리기(1)는 특수 유전체 코팅이 되어 있으며 고유 분리율을 가지고 있어 일부 빔을 반사하고 나머지 빔을 투과함으로써 입력빔(7)을 분리한다. 상기 제1 프리즘(2)은 135도 프리즘으로 입사되는 빔의 파형을 중심에서 대칭되도록 공간적으로 분리하며 상기 제2 프리즘(3)도 135도 프리즘으로 입사되는 두 빔을 재결합한다. 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)은 입사된 빔의 파형을 반전시킨다.1 is a conceptual view of the operation of the conventional laser beam homogenizing apparatus of the separation-recombination method. As shown in FIG. 1, a conventional separation-recombination homogenizing device includes a first prism 2 and a second prism 3 installed to be symmetrical with a beam splitter 1 interposed therebetween. It consists of a first total reflection mirror 4 and a second total reflection mirror 5 installed so as to be symmetrical with each other at different positions with the beam splitter 1 interposed therebetween. The beam splitter 1 has a special dielectric coating and has an inherent separation ratio to separate the input beam 7 by reflecting some beams and transmitting the remaining beams. The first prism 2 spatially separates the waveform of the beam incident to the 135 degree prism so as to be symmetrical from the center, and the second prism 3 also recombines the two beams incident to the 135 degree prism. The first and second total reflection mirrors 4 and 5 invert the waveform of the incident beam.
빔분리기(1)로 입력된 레이저빔(7)은 상기 빔분리기(1)의 고유 분리율에 따라 일부는 반사되고 나머지 투과된다. 도면부호 8은 상기 빔분리기(1)에 의해 반사되는 반사빔을, 도면부호 9는 빔분리기(1)를 투과하는 투과빔을 나타낸다. 상기 빔분리기(1)에서 반사된 반사빔(8)은 제1 프리즘(2)으로 입사되고 상기 제1 프리즘(2)에 의해 상기 반사빔(8)의 중심에서의 공간적 분리가 이루어진다. 도면부호 10 및 11은 상기 제1 프리즘(2)에 의해 공간적 분리가 이루어진 빔을 나타낸다. 상기 분리된 빔(10,11)은 각각 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)로 입사되며 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)은 상기 분리된 빔(10,11)을 각각 반전시킨다. 도면부호 12 및 13은 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)에 의해 반전된 빔을 나타낸다.The laser beam 7 input to the beam splitter 1 is partially reflected and remaining transmitted according to the intrinsic separation rate of the beam splitter 1. Reference numeral 8 denotes a reflected beam reflected by the beam splitter 1 and reference numeral 9 denotes a transmission beam that passes through the beam splitter 1. The reflected beam 8 reflected by the beam splitter 1 is incident on the first prism 2 and spatial separation at the center of the reflected beam 8 is performed by the first prism 2. Reference numerals 10 and 11 denote beams that are spatially separated by the first prism 2. The separated beams 10 and 11 are incident to the first and second total reflection mirrors 4 and 5, respectively, and the first and second total reflection mirrors 4 and 5 are directed to the separated beams 10 and 11, respectively. Invert each. Reference numerals 12 and 13 denote beams inverted by the first and second total reflection mirrors 4 and 5.
계속하여, 상기 반전된 빔(12,13)은 제2 프리즘(3)으로 입사되며 상기 제2프리즘(3)은 상기 두 개의 반전된 빔(12,13)을 재결합한다. 도면부호 14는 상기 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된 빔의 파형을 나타낸다. 상기 재결합된 빔(14)은 상기 빔분리기(1)로 다시 입사되고 상기 빔분리기(1)의 고유 분리율에 따라 일부가 반사되어 최초의 투과빔(9)과 중첩되고, 상기 중첩된 빔(15)은 공간적으로 균일한 공간분포를 갖는 출력빔(16)을 형성하게 된다.Subsequently, the inverted beams 12, 13 are incident on the second prism 3 and the second prism 3 recombines the two inverted beams 12, 13. Reference numeral 14 denotes a waveform of the beam recombined by the second prism 3. The recombined beam 14 enters the beam splitter 1 again and is partially reflected according to the intrinsic separation rate of the beam splitter 1 to overlap the original transmission beam 9 and the overlapped beam 15 ) Forms an output beam 16 having a spatial distribution that is spatially uniform.
그러나, 상기와 같은 종래의 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치는 상기 재결합된 빔(14)이 상기 빔분리기(1)에서 반사되어 상기 최초의 투과빔(9)과 중첩될 때 상기 빔분리기(1)에서의 굴절현상으로 인해 중첩되는 두 빔의 중심축이 불일치하게 되어 균질도에 문제가 발생하였다. 이를 도 2를 참조하여 설명한다.However, the conventional split-recombination beam homogenizing apparatus as described above has the beam splitter 1 when the recombined beam 14 is reflected by the beam splitter 1 and overlaps the first transmitted beam 9. Due to the refraction at), the central axes of the two overlapping beams are inconsistent, causing a problem in homogeneity. This will be described with reference to FIG. 2.
도 2는 도 1의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치에서 빔분리기를 투과하는 빔의 경로를 보여주는 개략도이다. 도 2를 참조하면, 입력빔(7)은 빔분리기(1)에 의해 반사빔(8)과 투과빔(9)으로 분리되고 상기 반사빔(8)은 도 1에서 설명한 바와 같이 제1 프리즘(2), 제1 및 제2 전반사 거울(4,5) 및 제2 프리즘(3)에 의해 분리-재결합된다. 상기 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된 빔(14)은 상기 빔분리기(1)로 다시 입사되어 일부 빔은 투과되고(미도시) 나머지 빔(15)은 반사되는데, 상기 반사빔(15)은 상기 빔분리기(1)의 두께로 인해 굴절되기 때문에 그 중심축은 최초의 투과빔(9)의 중심축과 일치하지 않게 되어 출력빔(16)의 균질도가 좋지 않게 된다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a path of a beam passing through a beam splitter in the separation-recombination laser beam homogenizing apparatus of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the input beam 7 is separated into the reflection beam 8 and the transmission beam 9 by the beam splitter 1, and the reflection beam 8 is the first prism as described in FIG. 1. 2), being separated-recombined by the first and second total reflection mirrors 4 and 5 and the second prism 3. The beam 14 recombined by the second prism 3 is incident again into the beam splitter 1 so that some beams are transmitted (not shown) and the remaining beams 15 are reflected, the reflected beam 15 Since the deflection is due to the thickness of the beam splitter 1, its central axis does not coincide with the central axis of the original transmission beam 9, resulting in poor homogeneity of the output beam 16.
또한, 상기와 같은 종래의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치는 한 축 방향으로 균일한 공간분포를 갖는 빔으로 전환시킬 수 있다. 그러나, TEM00와 같이 두 축 모두가 가우시안(Gaussian) 빔인 경우 상기 빔을 균일한 스퀘어(square)빔으로 전환 할 경우, 즉 두개의 빔 균질화 장치를 사용해야 하는 경우 균질도는 빔분리기의 두께가 증가함에 따라 크게 저하된다. 고품질의 표면 상태를 갖는 빔을 출력하기 위해서는 빔분리기의 두께가 최소한 3mm 이상이 되어야 한다. 따라서, 빔분리기의 두께에 의해 빔이 굴절되기 때문에 출력빔의 중심축 이동이 발생되어 균질도가 저하된다.In addition, the conventional separation-recombination laser beam homogenization apparatus as described above can be converted to a beam having a uniform spatial distribution in one axial direction. However, if both axes are Gaussian beams, such as TEM 00 , the homogeneity increases when the beam is converted to a uniform square beam, i.e. when two beam homogenizers are used. As it is greatly reduced. In order to output a beam with a high quality surface condition, the beam splitter must be at least 3 mm thick. Therefore, since the beam is refracted by the thickness of the beam splitter, a shift in the central axis of the output beam occurs, thereby reducing homogeneity.
나아가, 중첩도에 따라 균질도가 달라지고 그 최적 조건도 빔의 종류에 따라 달라지므로 중첩도가 균질도에 미치는 영향이 크다. 그러나, 종래의 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치에서는 빔의 분리-재결합시 적용하는 빔의 특성에 따라 빔의 중첩도 조절기능은 없어 미세한 광학 경로거리(path length)의 변화에 따른 중첩도 변화시 빔의 균질도를 저하시켰다.Furthermore, since the degree of homogeneity varies according to the degree of overlap and the optimum condition also depends on the type of beam, the degree of overlap affects the degree of homogeneity. However, in the conventional beam homogenizing apparatus of the conventional separation-recombination method, there is no beam overlap control function according to the characteristics of the beam applied during the separation-recombination of the beams. The homogeneity of the beam was lowered.
한편, 분리-재결합 방식의 개념을 이용한 레이저빔 균질화 장치(시스템)가 영국특허 GB 2 220 502호 및 미국특허 US 6,021,154호에도 게시되어 있다. 상기 전자의 영국특허에는 특정위치에서 균일하도록 하는 레이저빔 균질화 시스템이 게시되어 있고, 상기 후자의 미국특허에는 레이저 공진기의 공진기 거울로 사용가능한 레이저빔 균질화 장치가 게시되어 있다. 그러나, 상기 두 균질화 장치는 레이저 외부에서 사용할 경우 레이저빔의 입력/출력을 가능케하는 광학계를 첨가해야 하고 어떠한 광학계를 구성하더라도 입력/출력 과정에서 빔의 손실을 피할 수 없었다.On the other hand, a laser beam homogenizer (system) using the concept of a separation-recombination method is also published in British Patent GB 2 220 502 and US Patent 6,021,154. The former UK patent discloses a laser beam homogenization system for uniformity at a particular location, and the latter US patent discloses a laser beam homogenizer that can be used as a resonator mirror of a laser resonator. However, the two homogenizers need to add an optical system that enables the input / output of the laser beam when used outside the laser, and no loss of the beam can be avoided during the input / output process.
그 외에도, 빔 균질화 장치에 관한 많은 선행특허가 있지만 상기한 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 당 기술분야에서는 모든 종류의 레이저빔을 균일한 공간분포를 가지면서도 원거리 전송이 가능한 레이저빔의 제작이 가능한 레이저빔 균질화 장치 및 방법의 개발이 요구되어 왔다.In addition, there are many prior patents relating to beam homogenizers, but they have the above problems. Therefore, there is a need in the art for the development of a laser beam homogenization apparatus and method capable of producing a laser beam capable of remote transmission while having a uniform spatial distribution of all kinds of laser beams.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명은, 종래의 분리-재결합 방식을 이용하여 빔분리기에 의해 분리, 반사되어 프리즘-거울-프리즘을 통과한 후 최초의 빔과 중첩될 때 중심축 이동을 보상함으로써 균질도를 향상시키는 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the present invention, the central axis when the separation and reflection by the beam splitter using a conventional separation-recombination method, passing through the prism-mirror-prism and overlapping the original beam It is an object of the present invention to provide a laser beam homogenizing apparatus and method of a separation-recombination method that improves homogeneity by compensating for movement.
또한, 본 발명의 다른 목적은 분리-재결합 방식을 이용하여 두 반사 거울간의 거리 또는 제2 프리즘의 위치를 미세하게 조정하여 대칭적으로 분리되어 반전된 두 빔의 중첩도를 조정함으로써 출력빔의 균질도를 향상시키는 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법을 제공하는데 있다.In addition, another object of the present invention is to use a separation-recombination method to finely adjust the distance between two reflection mirrors or the position of the second prism to adjust the degree of overlap of two beams which are symmetrically separated and inverted, thereby homogeneizing the output beam. It is to provide a laser beam homogenization apparatus and method of the separation-recombination method to improve the degree.
도 1은 종래의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작개념도이다.1 is a conceptual view of the operation of the conventional laser beam homogenizing apparatus of the separation-recombination method.
도 2는 도 1의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치에서 빔분리기를 투과하는 빔의 경로를 보여주는 개략도이다.FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a path of a beam passing through a beam splitter in the separation-recombination laser beam homogenizing apparatus of FIG. 1.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작 개념도이다.3 is a conceptual view of the operation of the separation-recombination laser beam homogenizing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 일실시예에 따라 빔 중심축을 일치시키는 것을 보여주는 빔분리기와 빔굴절기의 배치도이다.4 is a layout view of a beam splitter and a beam deflector showing coinciding beam center axes according to an embodiment of the split-recombination laser beam homogenization apparatus of FIG. 3.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치에서 빔 중심축을 일치시키는 것을 보여주는 빔분리기와 제2 프리즘의 배치도이다.FIG. 5 is a layout view of a beam splitter and a second prism showing matching of a beam center axis in a split-recombination laser beam homogenizing apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작 개념도이다.6 is a conceptual diagram of the operation of the separation-recombination laser beam homogenization apparatus according to another embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 빔의 중심축 이동을 통한 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 과정을 보이는 흐름도이다.7 is a flow chart showing a laser beam homogenization process of the separation-recombination method through the movement of the central axis of the beam in accordance with the present invention.
도 8은 본 발명의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법을 적용하여 이차원적인 빔의 공간분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다.Figure 8 shows the results of simulating the spatial distribution of the two-dimensional beam by applying the laser beam homogenization apparatus and method of the separation-recombination method of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 : 빔분리기(beam splitter) 2 : 제1 프리즘1: beam splitter 2: first prism
3 : 제2 프리즘 4 : 제1 전반사 거울3: second prism 4: first total reflection mirror
5 : 제2 전반사 거울 6 : 빔굴절기5: second total reflection mirror 6: beam refractor
7 : 입사빔 8 : 반사빔7 incident beam 8 reflected beam
9 : 투과빔 10,11 : 분리된 빔9: transmission beam 10,11: separated beam
12,13 : 반전된 빔 14 : 재결합된 빔12,13 inverted beam 14 recombined beam
15 : 중첩되는 빔 16 : 출력빔15: overlapping beam 16: output beam
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔 균질화 장치는, 입사되는 빔을 고유 분리율에 따라 두 개의 빔으로 분리하되, 제1 빔은 투과시키고 제2 빔은 반사시키는 빔분리기; 상기 빔분리기에 의해 반사된 제2 빔의 파형의 중심에서 좌우 대칭이 되도록 상기 제2 빔의 파형을 공간적으로 분리하는 제1 프리즘; 상기 제1 프리즘에 의해 분리된 두 빔의 파형을 각각 반전시키는 제1 및 제2 전반사 거울; 상기 파형이 반전된 각각의 빔을 재결합시키는 제2 프리즘; 및 상기 빔분리기와 동일한 재질과 두께를 가지며, 상기 제2 프리즘에서 상기 빔분리기로 향하는 빔의 광학경로에 상기 빔분리기와 거울대칭되도록 설치되어 상기 제2 프리즘에 의해 재결합된 빔을 투과시키고, 상기 투과된 빔이 상기 빔분리기에 의해 반사되어 상기 제1 빔과 중첩되며 상기 중첩되는 반사빔의 중심축이 상기 제1 빔의 중심축과 일치하도록 상기 재결합된 빔을 굴절시키는 빔굴절기;를 포함한다.Laser beam homogenization apparatus according to the present invention for achieving the above object, the beam splitter for splitting the incident beam into two beams according to the inherent separation ratio, the first beam is transmitted and the second beam is reflected; A first prism for spatially separating the waveform of the second beam so as to be symmetrical at the center of the waveform of the second beam reflected by the beam splitter; First and second total reflection mirrors that invert the waveforms of the two beams separated by the first prism, respectively; A second prism for recombining each beam with the waveform inverted; And the same material and thickness as that of the beam splitter, wherein the beam splitter is mirror-symmetrically installed on the optical path of the beam from the second prism to the beam splitter, and transmits the beam recombined by the second prism. A beam refractor for reflecting the recombined beam such that the transmitted beam is reflected by the beam splitter and overlaps the first beam and the central axis of the overlapping reflected beam coincides with the central axis of the first beam. do.
여기서, 상기 레이저빔 균질화 장치는, 상기 중첩되는 반사빔 및 제1 빔의 중첩율을 조정하기 위하여 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘에 연결되어 상기 제1 및 제2 프리즘간의 간격을 조정하는 제1 마운트; 및 상기 중첩되는 반사빔과 제1 빔의 중첩율을 조정하기 위하여 제1 전반사 거울 및 상기 제2 전반사 거울에 연결되어 상기 제1 및 제2 전반사 거울간의 간격을 조정하는 제2 마운트;를 추가로 포함할 수 있다.Here, the laser beam homogenizer is connected to the first prism and the second prism to adjust the overlap ratio of the overlapping reflected beam and the first beam to adjust the distance between the first and second prism 1 mount; And a second mount connected to the first total reflection mirror and the second total reflection mirror to adjust the distance between the first and second total reflection mirrors to adjust the overlap ratio between the overlapping reflected beam and the first beam. It may include.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔 균질화 장치는, 입사되는 빔을 고유 분리율에 따라 두 개의 빔으로 분리하되, 제1 빔은 투과시키고 제2 빔은 반사시키는 빔분리기; 상기 빔분리기에 의해 반사된 제2 빔의 파형의 중심에서 좌우 대칭이 되도록 상기 제2 빔의 파형을 공간적으로 분리하는 제1 프리즘; 상기 제1 프리즘에 의해 분리된 두 빔의 파형을 각각 반전시키는 제1 및 제2 전반사 거울; 및 상기 입사되는 빔의 중심축과 일정한 각도를 이루도록 설치되어 상기 파형이 반전된 각각의 빔을 재결합시키고, 그 재결합된 빔이 상기 빔분리기에 의해 반사되어 상기 제1 빔과 중첩되며 상기 중첩되는 반사빔의 중심축이 상기 제1 빔의 중심축과 일치하도록 상기 재결합된 빔을 상기 빔분리기로 입사시키는 제2 프리즘; 을 포함한다.In addition, the laser beam homogenizing device according to the present invention for achieving the above object, the beam splitter for splitting the incident beam into two beams according to the intrinsic separation rate, the first beam is transmitted and the second beam is reflected; A first prism for spatially separating the waveform of the second beam so as to be symmetrical at the center of the waveform of the second beam reflected by the beam splitter; First and second total reflection mirrors that invert the waveforms of the two beams separated by the first prism, respectively; And recombine each beam in which the waveform is inverted by being installed at an angle with a central axis of the incident beam, and the recombined beam is reflected by the beam splitter to overlap the first beam and overlap the reflection. A second prism for injecting the recombined beam into the beam splitter such that the central axis of the beam coincides with the central axis of the first beam; It includes.
여기서, 상기 레이저빔 균질화 장치는, 상기 중첩되는 반사빔과 제1 빔의 중첩율을 조정하기 위하여 상기 제1 프리즘 및 상기 제2 프리즘에 연결되어 상기 제1 및 제2 프리즘간의 간격을 조정하는 제1 마운트; 및 상기 중첩되는 반사빔과 제1 빔의 중첩율을 조정하기 위하여 제1 전반사 거울 및 상기 제2 전반사 거울에 연결되어 상기 제1 및 제2 전반사 거울간의 간격을 조정하는 제2 마운트;를 추가로 포함할 수 있다.Here, the laser beam homogenizer is connected to the first prism and the second prism in order to adjust the overlap ratio of the overlapping reflected beam and the first beam to adjust the distance between the first and second prism 1 mount; And a second mount connected to the first total reflection mirror and the second total reflection mirror to adjust the distance between the first and second total reflection mirrors to adjust the overlap ratio between the overlapping reflected beam and the first beam. It may include.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔 균질화 방법은, 입사되는 빔을 빔분리기에 투과되는 제1 빔과 상기 빔분리기에 의해 반사되는 제2 빔으로 분리하는 빔분리 단계; 상기 반사되는 제2 빔에 대하여 상기 빔의 파형의 중심에서 대칭적으로 분리하는 파형분리 단계; 상기 파형분리 단계에서 분리된 각각의 빔의 파형을 반전시키는 반전 단계; 상기 파형이 반전된 각각의 빔을 재결합하는 재결합 단계; 및 상기 재결합된 빔과 상기 빔 분리기에 투과된 제1 빔을 중첩시키며, 상기 재결합된 빔의 경로를 조정하여 그 중첩되는 상기 재결합된 빔의 중심축을 상기 제1 빔의 중심축과 일치시키는 중심축일치 단계;를 포함한다.In addition, the laser beam homogenization method according to the present invention for achieving the above object comprises: a beam separation step of separating the incident beam into a first beam transmitted to the beam splitter and a second beam reflected by the beam splitter; A waveform separation step of symmetrically separating at the center of the waveform of the beam with respect to the reflected second beam; An inversion step of inverting the waveform of each beam separated in the waveform separation step; A recombination step of recombining each beam in which the waveform is inverted; And a central axis overlapping the recombined beam and the first beam transmitted to the beam splitter, and adjusting a path of the recombined beam to match a central axis of the overlapped recombined beam with a central axis of the first beam. Matching step; includes.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저빔 균질화 방법은, 입사되는 빔을 빔분리기에 투과되는 제1 빔과 상기 빔분리기에 의해 반사되는 제2 빔으로 분리하는 빔분리 단계; 상기 반사되는 제2 빔에 대하여 상기 빔의 파형의 중심에서 대칭적으로 분리하는 파형분리 단계; 상기 파형분리 단계에서 분리된 각각의 빔의 파형을 반전시키고 상기 파형이 반전된 각각의 빔의 경로거리를 조정하는 반전 및 경로거리조정 단계; 상기 파형이 반전되고 경로거리가 조정된 각각의 빔을 재결합하는 재결합 단계; 및 상기 재결합된 빔과 상기 빔 분리기에 투과된 제1 빔을 중첩시키며, 상기 재결합된 빔의 경로를 조정하여 그 중첩되는 상기 재결합된 빔의 중심축을 상기 제1 빔의 중심축과 일치시키는 중심축일치 단계;를 포함한다.In addition, the laser beam homogenization method according to the present invention for achieving the above object comprises: a beam separation step of separating the incident beam into a first beam transmitted to the beam splitter and a second beam reflected by the beam splitter; A waveform separation step of symmetrically separating at the center of the waveform of the beam with respect to the reflected second beam; An inversion and path distance adjustment step of inverting a waveform of each beam separated in the waveform separation step and adjusting a path distance of each beam in which the waveform is inverted; A recombination step of recombining each beam in which the waveform is inverted and whose path distance is adjusted; And a central axis overlapping the recombined beam and the first beam transmitted to the beam splitter, and adjusting a path of the recombined beam to match a central axis of the overlapped recombined beam with a central axis of the first beam. Matching step; includes.
여기서, 상기 후자의 레이저빔 균질화 방법에서 상기 파형분리 단계는, 상기 분리된 각각의 빔의 경로거리를 조정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.Here, the waveform separation step in the latter laser beam homogenization method may further include adjusting a path distance of each of the separated beams.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작 개념도이다. 여기서, 주목할 것은 본 발명의 특징은 도 1에서 설명한 종래의 분리-재결합 방식의 균질화 장치를 이용한다는 것이다. 도 3에 도시된 바와같이, 빔분리기(beam splitter;1)를 사이에 두고 동일선상에 제1 프리즘(2) 및 제2 프리즘(3)이 각각 배치되고 또한 상기 빔분리기(1)를 사이에 두고 동일선상에 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)이 공간적으로 상호 대칭되게 배치되며 상기 빔분리기(1)와 상기 제2 프리즘(3) 사이에 상기 빔분리기(10)와 동일한 재질과 두께를 갖는 빔굴절기(blank window plate;6)가 배치된다. 이때, 상기 빔굴절기(6)는 상기 빔분리기(1)와 거울대칭되도록 장착되며 입사되는 빔을 모두 투과시킨다. 상기 빔분리기(1)는 바람직하게는 65%(반사)-35%(투과) 분리율을 갖지만 이는 바람직한 실시예에 불과하며 본 발명을 한정하기는 않는다. 따라서, 적용하고자 하는 레이저빔의 공간, 시간적 특성 및 다른 부품의 광학적 특성에 따라 상기 빔분리기의 분리율은 그 최적 조건에 맞게 변경될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 프리즘(2,3)은 바람직하게는 135도 프리즘을 사용하고 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)은 45도 전반사 거울을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 빔 균질화 장치에서 입사빔과 출력빔은 상기 빔분리기(1)의 중심을 통과하도록 되어 있고 각 쌍의 프리즘(2,3) 및 전반사 거울(4,5)은 상기 균질화 장치의 중심을 원점으로 상호 대칭적으로 설치된다.3 is a conceptual view of the operation of the separation-recombination laser beam homogenizing apparatus according to an embodiment of the present invention. It should be noted that a feature of the present invention is that it uses the conventional separation-recombination homogenization apparatus described in FIG. As shown in FIG. 3, a first prism 2 and a second prism 3 are arranged on the same line with a beam splitter 1 interposed therebetween, and the beam splitter 1 between them. And the first and second total reflection mirrors 4 and 5 are spatially symmetrically arranged on the same line and between the beam splitter 1 and the second prism 3 are made of the same material as the beam splitter 10. A blank window plate 6 having a thickness is arranged. In this case, the beam deflector 6 is mounted to be mirror-symmetrical with the beam splitter 1 and transmits all incident beams. The beam splitter 1 preferably has a 65% (reflection) -35% (transmission) separation rate, but this is only a preferred embodiment and does not limit the invention. Therefore, the separation ratio of the beam splitter may be changed according to the optimum conditions according to the spatial, temporal characteristics and other optical characteristics of the laser beam to be applied. Further, the first and second prisms 2 and 3 preferably use 135 degree prisms and the first and second total reflection mirrors 4 and 5 preferably use 45 degree total reflection mirrors. In the beam homogenizer according to the present invention, the incident beam and the output beam pass through the center of the beam splitter 1, and each pair of prisms 2 and 3 and the total reflection mirrors 4 and 5 are centers of the homogenizer. Are installed symmetrically with respect to the origin.
먼저, 레이저빔(7)을 빔분리기(1)로 입사시키면 상기 빔분리기(1)는 상기 입사된 레이저빔(7)의 65%는 반사시키고 나머지 35%는 그대로 투과시킨다. 상기 투과된 빔(9)은 그대로 출력되고 상기 반사된 빔(8)은 제1 프리즘(2)으로 입사된다.First, when the laser beam 7 is incident on the beam splitter 1, the beam splitter 1 reflects 65% of the incident laser beam 7 and transmits the remaining 35% as it is. The transmitted beam 9 is output as it is and the reflected beam 8 is incident on the first prism 2.
상기 제1 프리즘(2)으로 입사된 상기 반사빔(8)은 상기 제1 프리즘(2)에 의해 상기 반사빔(8)의 중심에서의 공간적 분리가 이루어진다. 도면부호 10 및 11은각각 상기 제1 프리즘(2)에 의해 공간적 분리가 이루어진 빔을 나타낸다. 상기 분리된 빔(10,11)은 상호 대칭을 이루며 상기 반사빔(8)과의 동일한 위상을 가진다. 상기 분리된 빔(10,11)은 각각 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)로 입사되며 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)은 상기 분리된 빔(10,11)을 각각 반전시킨다. 도면부호 12 및 13은 상기 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)에 의해 반전된 빔을 나타낸다.The reflection beam 8 incident on the first prism 2 is spatially separated at the center of the reflection beam 8 by the first prism 2. Reference numerals 10 and 11 denote beams that are spatially separated by the first prism 2, respectively. The separated beams 10, 11 are symmetric with each other and have the same phase as the reflected beam 8. The separated beams 10 and 11 are incident to the first and second total reflection mirrors 4 and 5, respectively, and the first and second total reflection mirrors 4 and 5 are directed to the separated beams 10 and 11, respectively. Invert each. Reference numerals 12 and 13 denote beams inverted by the first and second total reflection mirrors 4 and 5.
상기 반전된 빔(12,13)은 제2 프리즘(3)으로 입사되며 상기 제2 프리즘(3)은 상기 두 개의 반전된 빔(12,13)을 재결합한다. 도면부호 14는 상기 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된 빔의 파형을 나타낸다.The inverted beams 12, 13 are incident on the second prism 3 and the second prism 3 recombines the two inverted beams 12, 13. Reference numeral 14 denotes a waveform of the beam recombined by the second prism 3.
상기 재결합된 빔(14)은 상기 빔분리기(1)와 거울대칭되도록 장착된 상기 빔굴절기(6)로 입사된다. 이때, 상기 빔굴절기(6)에 입사되는 재결합빔(14)은 상기 빔굴절기(6)의 두께에 의해 굴절됨으로써 그 중심축이 보상되어 최초의 투과빔(9)의 중심축과 일치하게 된다. 따라서, 상기 중첩되는 빔(15)은 중심축이 서로 일치되기 때문에 출력빔(16)의 균질도는 향상된다. 도 4를 참조하여 상기 빔굴절기(6)의 역할과 그에 따른 빔 중심축을 보다 상세하게 설명한다.The recombined beam 14 is incident on the beam deflector 6 mounted to be mirror symmetric with the beam splitter 1. At this time, the recombination beam 14 incident on the beam refractor 6 is refracted by the thickness of the beam refractor 6 so that its central axis is compensated so as to coincide with the central axis of the first transmission beam 9. do. Therefore, the homogeneity of the output beam 16 is improved because the overlapping beams 15 coincide with each other. Referring to Figure 4 will be described in more detail the role of the beam refractor 6 and the resulting beam central axis.
도 4는 도 3의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 일실시예에 따라 빔 중심축을 일치시키는 것을 보여주는 빔분리기와 빔굴절기의 배치도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 빔분리기(1)와 빔굴절기(6)는 거울대칭을 이룬다. 이때, 입사빔(7)의 중심축과 상기 빔분리기(1)가 이루는 각도를 θ라 하면 상기 빔분리기(1)와 상기 빔굴절기(6)가 이루는 각도는 2θ가 된다. 상기 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된 빔(14)은 상기 빔굴절기(6)로 입사되고 상기 빔굴절기(6)의 두께로 인해 굴절되어 투과된다. 상기 빔굴절기(6)를 투과한 빔(25)은 상기 굴절로 인해 종래의 빔 중심축 경로(20)와는 다른 경로로 상기 빔분리기(1)로 입사된다. 즉, 상기 재결합된 빔(14)의 중심축이 최초 빔분리기(1)를 투과한 투과빔(9)의 중심축과 일치될 수 있는 지점(25)으로 입사하도록 상기 재결합된 빔(14)을 굴절시킨다. 이와 같이 상기 빔분리기(1)로 입사된 빔(25)은 상기 빔분리기(1)에 의해 65%가 반사되는데 상기 재결합되어 반사되는 빔(15)의 중심축은 최초의 입사빔(7)이 투과된 빔(9)의 중심축과 일치하게 되고, 이로써 최종적으로 출력되는 빔(15)의 균질도가 향상된다.4 is a layout view of a beam splitter and a beam deflector showing coinciding beam center axes according to an embodiment of the split-recombination laser beam homogenization apparatus of FIG. 3. As shown in FIG. 4, the beam splitter 1 and the beam refractor 6 are mirror symmetric. At this time, if the angle formed between the central axis of the incident beam 7 and the beam splitter 1 is θ, the angle formed by the beam splitter 1 and the beam deflector 6 is 2θ. The beam 14 recombined by the second prism 3 enters the beam deflector 6 and is refracted and transmitted due to the thickness of the beam deflector 6. The beam 25 transmitted through the beam deflector 6 is incident to the beam splitter 1 by a path different from the conventional beam center axis path 20 due to the refraction. That is, the recombined beam 14 is incident such that the center axis of the recombined beam 14 enters a point 25 where it can coincide with the center axis of the transmission beam 9 transmitted through the original beam splitter 1. Refraction As such, the beam 25 incident to the beam splitter 1 is reflected by 65% by the beam splitter 1. The central axis of the beam 15 reflected by the recombination is transmitted through the first incident beam 7. It is coincident with the central axis of the beam 9 thus improving the homogeneity of the beam 15 finally output.
여기서, 상기 제2 프리즘(3)에서 재결합된 빔(14)은 상기 빔분리기(1)에서 65%가 반사(나머지 35%는 투과됨)되어 최초의 입사빔(7)에 대한 투과빔(9)과 재결합하여 중첩되고 나머지 투과된 35%의 빔은 다시 제1 프리즘(2)-전반사 거울(4,5)-제2 프리즘(3) 경로를 통해 분리-반전-재결합의 순환과정을 반복한다. 이 경우 한번 순환할 때마다 빔의 세기(intensity)는 TBSR3(TBS:빔분리기의 투과율, R:프리즘 및 전반사 거울의 반사율;0.35)배로 감소하므로 두 번 이상 순환된 빔의 기여도는 무시할만 한다.Here, the beam 14 recombined in the second prism 3 is reflected by 65% of the beam splitter 1 (the remaining 35% is transmitted), thereby transmitting the beam 9 for the first incident beam 7. Recombination, and the overlapping 35% of the transmitted beams again repeats the cycle of separation-inversion-recombination through the paths of the first prism 2, the total reflection mirrors 4, 5, and the second prism 3; . In this case, the intensity of the beam decreases to T BS R 3 (T BS : transmitter of beam splitter, R: reflectivity of prism and total reflection mirror; 0.35) times with each cycle, so It is negligible.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치에서 빔 중심축을 일치시키는 것을 보여주는 빔분리기와 제2 프리즘의 배치도이다. 도 5는 도 1에서 보인 종래의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치를 이용한 것으로서, 최초에 빔분리기(1)를 통과한 투과빔(9)과 분리-재결합 과정을 거쳐 다시 빔분리기(1)에서 반사되어 중첩되는 빔(15)의 중심축을 일치시키는 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 빔분리기(1)를 사이에 두고 동일선상에 제1 프리즘(2)과 제2 프리즘(3)이 위치한다. 이때, 상기 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된 빔(14)이 최초 빔분리기(1)를 투과한 투과빔(9)과 그 중심축과 일치될 수 있는 지점(25)으로 입사되도록 상기 제2 프리즘(3)의 각도를 틀어준다. 즉, 상기 재결합된 빔(14)의 경로를 기존의 경로(21)와 다르게 새로운 경로(상기 재결합된 빔의 경로로 표시)로 바꾸도록 상기 제2 프리즘(3)을 틀어 상기 빔분리기(1)에서의 굴절 효과에 의한 중첩된 빔의 중심축 불일치를 상쇄할 수 있는 지점(25)으로 입사지점을 이동시킨다. 이와 같이, 최초에 입사되는 입사빔(7)의 중심축과 소정의 각도를 이루도록 상기 제2 프리즘(3)을 설치함으로써, 상기 재결합되어 반사되는 빔(15)의 중심축은 최초의 입사빔(7)이 투과된 빔(9)의 중심축과 일치하게 되어 최종적으로 출력되는 빔(15)의 균질도가 향상된다. 여기서, 상기 제1 프리즘(2) 및 제2 프리즘(3)의 각도를 동시 또는 각각 틀어줄 수 있지만, 두 프리즘을 동시에 틀면 전체 구성의 얼라이먼트가 흐트러지기 쉬우며 각각의 각도를 틀면 분리-반전-재결합의 순환과정을 거친 빔이 다시 분리-반전-재결합하는 경우에는 출력빔에 미치는 영향은 거의 무시되기 때문에 상기 제1 프리즘(2)의 각도를 틀지 않아도 될 것이다.FIG. 5 is a layout view of a beam splitter and a second prism showing matching of a beam center axis in a split-recombination laser beam homogenizing apparatus according to another embodiment of the present invention. 5 shows a conventional laser beam homogenizer of the conventional separation-recombination method shown in FIG. 1, and through a separation-recombination process with the transmission beam 9 first passing through the beam separator 1, the beam separator 1 again. Another embodiment of matching the central axis of the beams 15 reflected and superimposed on is shown. As shown in FIG. 5, the first prism 2 and the second prism 3 are positioned on the same line with the beam splitter 1 interposed therebetween. At this time, the beam 14 recombined by the second prism 3 is incident to the transmission beam 9 transmitted through the first beam splitter 1 and to a point 25 that can coincide with the central axis thereof. 2 Turn the prism (3) angle. That is, the beam splitter 1 is turned by turning the second prism 3 to change the path of the recombined beam 14 into a new path (indicated by the path of the recombined beam) unlike the existing path 21. The point of incidence is moved to a point 25 that can cancel the central axis mismatch of the superimposed beams due to the refraction effect at. As such, by providing the second prism 3 so as to form a predetermined angle with the central axis of the incident beam 7 that is initially incident, the central axis of the beam 15 that is recombined and reflected is the first incident beam 7. ) Coincides with the central axis of the transmitted beam 9 to improve the homogeneity of the finally output beam 15. Here, although the angles of the first prism 2 and the second prism 3 can be adjusted simultaneously or separately, when the two prisms are turned on at the same time, alignment of the entire configuration is easily disturbed, and when the angles are turned on, the inversion is reversed. In the case where the beam undergoing the recombination cycle is separated-inverted-recombined again, the effect on the output beam is almost neglected, and thus the angle of the first prism 2 may not be changed.
일반적으로 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치는 종래에 소개된 여러 형태의 구성으로도 적용이 가능한데, 어떠한 구성일지라도 빔분리기(beam splitter)에서의 굴절효과에 의한 중심축 이동현상(불일치 현상)은 존재하므로 분리-재결합을 거쳐 원래 모양의 빔과 중첩시키기 전에 도면에서와 같이 빔굴절기(6)를 상기 빔분리기에 거울 대칭되도록 장착하거나 프리즘의 각도를 틀어서 중심축 이동을 상쇄시킬 수 있게 되며 이로써 출력빔의 균질도(Homogeneity)가 향상된다.In general, the separation-recombination type beam homogenizer can be applied to various types of configurations introduced in the related art, and any configuration has a central axis shift phenomenon (inconsistency) due to the refractive effect in the beam splitter. Therefore, the beam deflector 6 can be mounted mirror-symmetrically to the beam splitter as shown in the drawing before being overlapped with the original beam through separation-recombination, or the angle of the prism can be offset to cancel the central axis movement. Homogeneity of the beam is improved.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치의 동작 개념도이다. 도 6은 도 3에서 보인 본 발명에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치를 이용한 것으로서, 빔분리기(1)에 의해 분할되어 분리-반전-재결합의 순환과정을 거쳐 U자 형태로 전환된 빔과 상기 빔분리기(1)에서 투과된 최초의 투과빔(9)이 중첩될 때, 두 빔의 중첩도를 조절함으로써 출력빔(16)의 균질도를 향상시키는 실시예를 도시한 것이다. 도 6에서 도시한 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치는 도 3에서 설명한 바와 같이, 빔분리기(1)를 사이에 두고 동일선상에 제1 및 제2 프리즘(2,3)이 각각 배치되며, 상기 빔분리기(1)를 사이에 두고 동일선상에 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)이 공간적으로 상호 대칭되게 배치된다. 상기 프리즘(2,3) 및 전반사 거울(4,5)은 상기 빔 균질화 장치의 중심을 원점으로 각 쌍이 상호 대칭되도록 설치된다. 또한, 상술한 바와 같이 중첩되는 빔(15)의 중심축 이동을 보상하기 위해 상기 빔분리기(1)와 거울대칭되도록 빔굴절기(6)가 배치되어 있다. 이때, 상기 빔분리기(1)에서 출력되는 빔의 중첩도를 조정할 수 있도록 한 쌍의 프리즘(2,3) 및 한쌍의 전반사 거울(4,5) 각각의 간격을 상기 원점을 중심으로 대칭적으로 조절하는 마운트(17,18)가 장착되어 있다. 즉, 각 쌍의 프리즘(2,3)과 전반사 거울(4,5)은 상기 원점과의 미세거리를 조정할 수 있고 이로써, 경로길이(path length)를 가변할 수 있게 되며 분리-반전-재결합의 순환을 거쳐 중첩되는 두 빔의 중첩도를 조정할 수 있게 된다. 도 6을 참조하여 이를 보다 구체적으로 설명한다.6 is a conceptual diagram of the operation of the separation-recombination laser beam homogenization apparatus according to another embodiment of the present invention. 6 is a split-recombination laser beam homogenization apparatus according to the present invention shown in FIG. 3, which is divided by the beam separator 1 and converted into a U-shape through a cycle of separation-inversion-recombination. When the first transmission beam 9 transmitted from the beam splitter 1 overlaps with each other, an embodiment of improving the homogeneity of the output beam 16 by adjusting the overlapping degree of the two beams is shown. In the laser beam homogenizing apparatus of the separation-recombination method according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the first and second prisms 2 are arranged on the same line with the beam separator 1 interposed therebetween. And 3) are arranged respectively, and the first and second total reflection mirrors 4 and 5 are arranged spatially symmetrically on the same line with the beam splitter 1 interposed therebetween. The prisms 2 and 3 and the total reflection mirrors 4 and 5 are installed so that each pair is symmetrical with respect to the center of the beam homogenizer. In addition, the beam deflector 6 is disposed to mirror the beam splitter 1 in order to compensate for the central axis movement of the overlapping beam 15 as described above. At this time, the interval of each of the pair of prisms (2,3) and the pair of total reflection mirrors (4,5) symmetrically about the origin to adjust the degree of overlap of the beam output from the beam splitter (1) Adjusting mounts 17 and 18 are mounted. That is, each pair of prisms (2,3) and total reflection mirrors (4,5) can adjust the microdistance from the origin, thereby changing the path length and the separation-inversion-recombination It is possible to adjust the degree of overlap of the two beams overlapping through the cycle. This will be described in more detail with reference to FIG. 6.
먼저, 상기 제1 전반사 거울(4)과 상기 제2 전반사 거울(5)간의 거리 b가 작아지면, 상기 제1 프리즘(2)에 의해 공간적으로 분리된 빔(10,11)이 상기 전반사 거울(4,5)에 입사되는 지점은 D -> C 로 이동하게 되고 상기 제1 전반사 거울(4,5)에 의해 반전되는 빔의 경로는 P4 -> P3 로 변경된다. 이 경우 상기 반전된 빔의 경로길이는 짧아지게 되고(P3 < P4), 빔분리기(1)에서 반사된 반사빔(8) 중 제2 프리즘(3)에서 재결합되는 빔의 크기가 A -> B 로 이동하게 되어 중첩되는 빔(15)의 중첩도가 가변된다. 반대로 상기 b가 길어지면 빔의 경로길이는 길어지게 되고(P3 -> P4), 중첩되는 빔(15)의 중첩도는 상기와 반대로 가변된다. 또한, 상기 제1 프리즘(2)과 상기 제2 프리즘(3)간의 거리 a가 커지면, 빔의 경로는 P1 -> P2로 변경되어 빔의 경로길이는 길어지게 되며(P1 < P2), 이는 상기 제1 전반사 거울(4)과 상기 제2 전반사 거울(5)간의 거리 b가 짧아지는 경우와 같은 효과로 중첩되는 빔(15)의 중첩도가 가변되고, 반대로 상기 제1 프리즘(2)과 상기 제2 프리즘(3)간의 거리 a가 작아지면, 상기 제1 전반사 거울(4)과 상기 제2 전반사 거울(5)간의 거리 b가 커지는 경우와 같은 효과로 중첩되는 빔(15)의 중첩도가 가변된다.First, when the distance b between the first total reflection mirror 4 and the second total reflection mirror 5 becomes small, the beams 10 and 11 spatially separated by the first prism 2 become the total reflection mirror ( 4,5) is moved to D-> C and the path of the beam inverted by the first total reflection mirror (4,5) is changed to P4-> P3. In this case, the path length of the inverted beam is shortened (P3 <P4), and the size of the beam recombined by the second prism 3 of the reflected beam 8 reflected by the beam splitter 1 is A-> B. The degree of overlap of the overlapping beams 15 is varied by moving to. On the contrary, when the b is longer, the path length of the beam becomes longer (P3-> P4), and the overlapping degree of the overlapping beams 15 is changed in reverse to the above. In addition, when the distance a between the first prism 2 and the second prism 3 becomes large, the path of the beam is changed to P1-> P2 so that the path length of the beam becomes long (P1 <P2), The overlapping degree of the overlapping beam 15 is varied in the same effect as when the distance b between the first total reflection mirror 4 and the second total reflection mirror 5 is shortened, on the contrary, the first prism 2 and the When the distance a between the second prisms 3 becomes small, the overlapping degree of the beams 15 overlapping with the same effect as when the distance b between the first total reflection mirror 4 and the second total reflection mirror 5 becomes large is increased. Variable.
한편, 상기 제1 프리즘(2)은 고정시키고 상기 제2 프리즘(3)만 조정하여 상기 제1 프리즘(2)과 상기 제2 프리즘(3)간의 거리 a가 커지면, 빔분리기(1)에서 반사된 반사빔(8) 중 제2 프리즘(3)에서 재결합되는 빔의 크기가 A -> B 로 이동하게 된다. 이 경우 빔의 경로는 P1 -> P2로 변경되고 빔의 경로길이는 길어지게 되어(P1 -> P2), 중첩되는 빔(15)의 중첩도가 가변된다. 반대로 상기 a가 작아지면 빔의 경로길이는 작아지게 되고, 중첩되는 빔(15)의 중첩도는 상기와 반대로 가변된다. 따라서, 빔의 경로길이를 가변함으로써 출력되는 빔의 중첩도를 조정하게 되어 결과적으로 출력되는 빔의 균질도를 향상시킬 수 있게 된다.On the other hand, when the distance a between the first prism 2 and the second prism 3 is increased by fixing the first prism 2 and adjusting only the second prism 3, the beam splitter 1 reflects the reflection. Among the reflected beams 8, the size of the beams recombined by the second prism 3 is shifted from A to B. In this case, the path of the beam is changed to P1-> P2 and the path length of the beam is lengthened (P1-> P2), so that the overlapping degree of the overlapping beams 15 is changed. On the contrary, when the a becomes smaller, the path length of the beam becomes smaller, and the overlapping degree of the overlapping beams 15 is changed inversely. Therefore, by varying the path length of the beam, the degree of overlap of the output beams can be adjusted, thereby improving the homogeneity of the output beams.
이와 같이 상기 프리즘(2,3)간의 거리 및/또는 상기 전반사 거울(4,5)간의 거리를 조정, 또는 상기 두 프리즘(2,3)은 고정하고 상기 두 전반사 거울(4,5)의 간격을 대칭적으로 조절하거나(반대의 경우도 가능함), 상기 두 전반사 거울(4,5)과 상기 제1 프리즘(2)은 고정하고 제2 프리즘(3)을 원점에서 먼 방향 또는 가까운 방향으로 조절함으로써 빔의 경로길이를 가변시켜 중첩되는 빔의 중첩도의 조정하는 원리는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 쉽게 이해할 것이며 또한 그 원리를 본 발명에 쉽게 적용할 수 있을 것이다.As such, the distance between the prisms 2 and 3 and / or the distance between the total reflection mirrors 4 and 5 are adjusted, or the two prisms 2 and 3 are fixed and the distance between the two total reflection mirrors 4 and 5 is fixed. Symmetrically (or vice versa), or fix the two total reflection mirrors 4 and 5 and the first prism 2 and adjust the second prism 3 in a direction far from or close to the origin. Thus, the principle of adjusting the overlapping degree of overlapping beams by varying the path length of the beams will be easily understood by those skilled in the art to which the present invention pertains, and the principles can be easily applied to the present invention.
도 6에는 상기 프리즘(2,3) 및 상기 전반사 거울(4,5)의 대칭거리를 조정하기 위하여 각각 마운트를 장착한 것을 도시하고 있으나 이는 본 발명의 일실시예에 불과하여 상기 프리즘(2,3) 및 상기 거울(4,5)의 위치를 미세조정할 수 있는 다양한 장치들을 응용하여 적용할 수 있을 것이다.FIG. 6 shows that the mounts are mounted to adjust the symmetry distances of the prisms 2 and 3 and the total reflection mirrors 4 and 5, respectively, but this is only an embodiment of the present invention. 3) and various devices capable of finely adjusting the positions of the mirrors 4 and 5 may be applied.
상기 장치를 이용하면 분리-재결합 방식을 이용하는 어떠한 빔 균질화 장치라도 최초의 투과빔(9)과 U자 형태의 분리-반전-재결합된 빔의 중첩도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 프리즘 대신 두 개의 거울을 각을 두고 고정시켜 레이저빔을 분리시키는 경우에는 상기 두 거울 사이의 각을 조정함으로써, 또는 반전시키는 거울의 위치를 조절함으로써 중첩도를 조정하는 것이 가능하고, 투과하는 프리즘을 이용하는 경우에도 반사거울의 위치를 조절함으로써 중첩도의 조정이 가능하다. 이와 같이 중첩도를 조정함으로서 출력빔의 균질도(Homogeneity)가 향상된다.With this arrangement, any beam homogenizer using a split-recombination method can adjust the degree of overlap of the original transmitted beam 9 and the U-shaped split-inverted-recombined beam. For example, in the case of separating the laser beam by fixing two mirrors at an angle instead of the prism, it is possible to adjust the degree of overlap by adjusting the angle between the two mirrors or by adjusting the position of the mirror to be inverted, Even when using a prism that transmits, the degree of overlap can be adjusted by adjusting the position of the reflection mirror. By adjusting the degree of overlap in this manner, the homogeneity of the output beam is improved.
도 7은 본 발명에 따른 빔의 중심축 이동을 통한 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 과정을 보이는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 먼저 입사빔(7)이 빔분리기(beam splitter;1)로 입사되면 상기 빔분리기(1)는 상기 입사빔(7)을 소정의 분리율로 분리하여 제1 빔(9)은 투과시키고 제2 빔(8)은 반사시킨다(701). 본 발명의 일실시예에 따른 상기 빔분리기(1)의 분리율은 바람직하게는 65%(반사)-35%(투과)이지만 상기 분리율이 본 발명을 한정하는 것은 아니며 적용하는 빔의 공간, 특성 및 다른 부품등의 조건에 따라 최적으로 변경될 수 있다. 이어, 상기 반사된 제2 빔(8)은 제1 프리즘(2)으로 입사되고 상기 제1 프리즘(2)에 의해 상기 반사된 제2 빔(8)의 중심에서 좌우 대칭적이 되도록 공간적으로 분리된다(702). 상기 분리된 빔(10,11)은 제1 및 제2 전반사 거울(4,5)에 의해 각각 반전되며(703), 상기 반전된 각 빔(12,13)은 제2 프리즘(3)에 의해 재결합된다(704). 상기 재결합된 빔(14)은 다시 상기 빔분리기(1)로 입사되고 그 일부(15)는 반사되어 상기 투과된 제1 빔(9)과 중첩된다(705). 이때, 상기 반사된 일부빔(15)의 중심축이 상기 투과된제1 빔(9)의 중심축과 일치되도록 상기 재결합된 빔(14)이 상기 빔분리기(1)에 입사된다. 즉, 상기 제1 빔(9)의 중심축과 일치되도록 상기 재결합되어 반사되는 일부빔(15)을 중첩시킨다(705). 여기서, 상기 단계(705)에서 상기 제1 빔(9)의 중심축과 일치하도록 상기 일부빔(15)을 중첩시키는 방법은 도 4 및 도 5에서 설명한 실시예를 이용하여 구현할 수 있다.7 is a flow chart showing a laser beam homogenization process of the separation-recombination method through the movement of the central axis of the beam in accordance with the present invention. Referring to FIG. 7, when the incident beam 7 is incident to a beam splitter 1, the beam splitter 1 separates the incident beam 7 at a predetermined separation rate, thereby separating the first beam 9. Is transmitted and the second beam 8 is reflected (701). The separation rate of the beam splitter 1 according to an embodiment of the present invention is preferably 65% (reflection) -35% (transmission), but the separation rate does not limit the present invention, and the space, characteristics and It can be changed optimally according to the conditions of other parts. Subsequently, the reflected second beam 8 is incident on the first prism 2 and spatially separated so as to be symmetrical at the center of the reflected second beam 8 by the first prism 2. (702). The separated beams 10, 11 are inverted by the first and second total reflection mirrors 4, 5, respectively, and the inverted beams 12, 13 are respectively inverted by the second prism 3. Are recombined (704). The recombined beam 14 is incident again to the beam splitter 1 and a portion 15 of it is reflected and overlaps the transmitted first beam 9 (705). At this time, the recombined beam 14 is incident on the beam splitter 1 such that the central axis of the reflected partial beam 15 coincides with the central axis of the transmitted first beam 9. That is, the partial beams 15 reflected and recombined are overlapped to coincide with the central axis of the first beam 9 (705). Here, the method of overlapping the partial beams 15 to coincide with the central axis of the first beam 9 in the step 705 may be implemented using the embodiments described with reference to FIGS. 4 and 5.
계속하여, 상기 빔의 분리-반전-재결합의 순환과정에서 빔 경로길이(path length)의 조정이 있는지를 판단한다(706). 상기 단계(706)의 판단결과 상기 빔 경로길이의 조정이 있으면 상기 중첩되는 빔의 중첩도가 변경되고(707) 상기 중첩도가 변경된 상태의 상기 중첩된 빔(16)이 출력되고(708), 반대로 빔 경로길이의 조정이 없으면 그대로 상기 중첩된 빔(16)이 출력된다.Subsequently, it is determined whether there is an adjustment of the beam path length in the cycle of splitting, inverting and recombining the beam (706). If the beam path length is adjusted as a result of the determination in step 706, the overlapping degree of the overlapping beam is changed (707), and the overlapping beam 16 in a state where the overlapping degree is changed is output (708), On the contrary, if there is no adjustment of the beam path length, the superimposed beam 16 is output as it is.
여기서, 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치의 상기 빔 경로길이의 조정은 상술한 바와 같이 프리즘 및 거울의 위치를 변경함으로써 가능하다.Here, the adjustment of the beam path length of the split-recombination beam homogenizer is possible by changing the positions of the prism and the mirror as described above.
한편, 입사빔이 하나의 빔 균질화 장치를 통과하면 한 축 방향으로만 상부면이 편평한 모양(flat-top)이 형성되므로 이차원 가우시안(Gaussian)빔에 대해 스퀘어(square)형태로 상부면이 편평한 모양을 만들려면 도 8과 같이 한 쌍의 빔 균질화 장치가 필요하다. 도 8은 본 발명의 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법을 적용하여 이차원적인 빔의 공간분포를 시뮬레이션한 결과를 도시한 것이다. 도 8을 참조하면, x축 방향으로 레이저빔을 균질화시키도록 설치된 빔 균질화 장치(18)를 통과한 후의 레이저빔의 공간분포(31)와 y축 방향으로 레이저빔을 균질화시키도록 설치된 빔 균질화 장치(19)를 통과한 후의 레이저빔의 공간분포(32)가 도시되어 있다. 또한, 상기 두 빔 균질화 장치(18,19)를 통과한 후의 레이저빔의 공간분포(33)도 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이 이차원(x-y)적인 빔의 공간분포를 만들려면 한 쌍의 빔 균질화 장치가 필요하다. 따라서, 적용하고자 하는 빔의 공간적 특성(단일 또는 다중모드)에 따라 빔 균질화 장치를 하나 도는 두 개를 사용할 수 있다.On the other hand, when the incident beam passes through one beam homogenizer, the upper surface is flat in only one axial direction, so the upper surface is flat in a square shape with respect to the two-dimensional Gaussian beam. To create a pair of beam homogenizers as shown in FIG. Figure 8 shows the results of simulating the spatial distribution of the two-dimensional beam by applying the laser beam homogenization apparatus and method of the separation-recombination method of the present invention. Referring to FIG. 8, the beam homogenization device installed to homogenize the laser beam in the y-axis direction and the spatial distribution 31 of the laser beam after passing through the beam homogenization device 18 provided to homogenize the laser beam in the x-axis direction. The spatial distribution 32 of the laser beam after passing 19 is shown. Also shown is the spatial distribution 33 of the laser beam after passing through the two beam homogenizers 18 and 19. As can be seen from the figure, a pair of beam homogenizers is required to create a spatial distribution of two-dimensional (x-y) beams. Therefore, one or two beam homogenizers may be used depending on the spatial characteristics (single or multimode) of the beam to be applied.
본 발명에 따른 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치는 빔의 크기가 작을수록 오차에 민감하기 때문에 빔 확대용 시준기(collimator)를 사용하여 빔의 크기를 확대시킨 후 사용하는 것이 바람직하다. 빔의 크기가 너무 커지면 빔 균질화 장치의 크기도 커져야 하므로 적절한 빔의 크기를 선택하는 것이 더욱 바람직하다.The beam homogenizer of the separation-recombination method according to the present invention is more sensitive to errors as the size of the beam is smaller. Therefore, it is preferable to use the beam homogenizer after enlarging the size of the beam using a beam expanding collimator. If the size of the beam is too large, the size of the beam homogenizer must also be large, so it is more preferable to select an appropriate beam size.
또한, 본 발명에 따른 분리-재결합 방식의 빔 균질화 장치는 균질한 빔을 필요로 하는 모든 응용 분야에 적용이 가능하다. 특히, 균일한 빔과 물질과의 상호작용(interaction)할 수 있는 공간 및 거리를 길게 하는 것이 효과적인 경우는 다른 종류의 빔 균질기보다 본 발명에 따른 빔 균질화 장치를 사용하는 것이 빔의 사용효율도 높이면서 반응을 통해 얻어진 물질(원자 혹은 이온 등)의 추출 효율도 높일 수 있다.In addition, the beam homogenization apparatus of the separation-recombination method according to the present invention is applicable to all applications requiring a homogeneous beam. In particular, when it is effective to increase the space and distance that can interact with the uniform beam and the material, the beam homogenizer according to the present invention is more effective than the other types of beam homogenizers. At the same time, the extraction efficiency of materials (atoms or ions) obtained through the reaction can be increased.
본 발명의 상세한 설명 및 도면에는 레이저빔에 한정하여 빔 균질화 장치 및 방법이 게시되어 있지만 모든 종류의 빔에 대하여 그 적용이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 분리-재결합 방식의 레이저빔 균질화 장치 및 방법은 응용되는 분야별로 다양하게 적용할 수 있다. 나아가, 상술한 상세한 설명 및 도면에서의 구성은 단지 본 발명을 설명하기 위한 바람직한 일례로서 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.Although the beam homogenizing apparatus and method are limited to the laser beam in the detailed description and drawings of the present invention, the application is applicable to all kinds of beams. In addition, the laser beam homogenizing apparatus and method of the separation-recombination method according to the present invention can be variously applied to each application. Furthermore, the above description and configuration in the drawings are merely preferred examples for describing the present invention and do not limit the scope of the present invention.
한편, 상기한 상세한 설명 및 도면에서는 본 발명에 따른 빔 균질화 방법을 구현하는 일예를 게시하고 있지만 이러한 구현은 본 발명의 개념을 이용하면 용이하게 변경, 수정 또는 치환하여 적용할 수 있을 것이다.On the other hand, while the above detailed description and drawings disclose an example of implementing the beam homogenization method according to the present invention, such an implementation may be easily changed, modified or replaced by using the concept of the present invention.
따라서, 본 발명의 권리의 범위는 상기한 상세한 설명에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부한 청구범위에 의해 결정되어야만 할 것이다.Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the appended claims rather than by the foregoing description.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 모든 빔에 대하여 분리-재결합 방식의 빔 균질화를 구현하는 경우 출력빔에서의 중첩된 빔들간의 중심축 이동을 보상하여 균질도를 증가시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, when the beam homogenization of the separation-recombination method is implemented for all the beams, the homogeneity may be increased by compensating the central axis movement between the overlapping beams in the output beam.
또한, 이차원적인 빔의 경우 두 개의 빔 균질화 장치를 사용하여 고균질의 스퀘어 빔을 만들 수 있다.In addition, in the case of two-dimensional beams, two beam homogenizers can be used to produce a highly homogeneous square beam.
또한, 출력빔에서의 중첩된 빔들간의 중첩율을 빔의 특성에 따라 최적 조건으로 조절함으로써 고균질의 빔을 만들 수 있다.In addition, it is possible to make a highly homogeneous beam by adjusting the overlapping ratio between the overlapping beams in the output beam to an optimum condition according to the characteristics of the beam.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2002-0025380A KR100431587B1 (en) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | Laser Beam Homogenizing Apparatus and Method using a Division-Combination Method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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