KR100945295B1 - 단일 주파수 레이저 피닝 방법 - Google Patents

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로이드 에이. 핵켈
프리츠 비. 해리스
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메탈 임프루브먼트 컴퍼니 인코포레이티드
더 리전츠 오브 더 유니버서티 오브 캘리포니아
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Abstract

단일 주파수의 출력 펄스를 얻는 레이저 동작 방법은 레이저 공진기에 펌프 소스로부터 발생되는 에너지가 이득 매질에 축적되는 시간 동안 발진을 방지하는 양의 캐비티내 손실을 유도하는 것을 포함하여 구성된다. 상기 공진기 내에 단일 주파수의 이완 발진 펄스가 형성될 때까지 펌프 소스로부터 발생되는 에너지로 이득 매질에 이득이 누적된다. 이완 발진 펄스의 개시를 감지하면 Q-스위칭 등에 의해 상기 캐비티내 손실이 감소되어 이득 매질에 축적된 누적 이득이 단일 주파수의 출력 펄스의 형태로 공진기로부터 출력된다. 전자적으로 제어가능한 출력 결합기를 제어하여 출력 펄스 특성을 변화시킨다. 상기 레이저는 마스터 오실레이터 전력 증폭기 구조에서 마스터 오실레이터로서 작용한다. 상기 레이저는 레이저 피닝에 사용된다.

Description

단일 주파수 레이저 피닝 방법{SINGLE-FREQUENCY LASER PEENING METHOD}
도 1은 본 발명에 따른 단일 주파수 레이저 공진기의 광학적 모식도이다.
도 2는 도 1의 시스템에서 Q-스위치된 펄스 증대(buildup)를 시드(seed)하기 위해 사용된 단일 주파수 이완(즉, 완화) 발진 펄스(relaxation oscillation pulse)를 보이는 그래프이다.
도 3은 도 1의 레이저 시스템의 제어 회로의 개략도이다.
도 4는 도 1의 시스템에서 이완 발진 펄스의 개시의 감지를 설명하는 그래프이다.
도 5는 단일 주파수 및 다중 주파수 Q-스위치된 출력 펄스간의 펄스 파형과 상대 증대 시간을 비교한다.
도 6은 본 발명에 따른 단일 주파수 자기-시드 동작에 의해 제공되는 높은 안정성을 보여주는 증폭된 Q-스위치된 레이저 펄스의 순간 프로파일을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 마스터 오실레이터/전력 증폭기 구조의 광학적 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 레이저 피닝 시스템 및 방법의 모식도이다.
본 발명에 대하여 미합중국 정부는 로렌스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory)의 운용하에 미합중국 에너지부(the United States Department of Energy)와 캘리포니아 대학간에 체결된 계약 No. W-7405-ENG-48에 따른 권리를 갖는다.
본 발명은 자기-시드 단일 주파수 고상 링 레이저, 단일 주파수 레이저 피닝방법 및 이를 이용한 시스템을 발명의 명칭으로 하여 2003년 5월 16일자로 출원된 미합중국 가출원(U.S. Provisional Application, 60/471,490)을 우선권의 기초로 한다.
본 발명은 레이저를 이용하여 선폭이 좁은 단일 주파수 출력의 레이저를 만드는 방법, 그러한 레이저를 마스터 오실레이터/전력 증폭기 구조에 이용하는 방법, 그리고 상기 레이저에 기초한 레이저 피닝 방법 및 시스템에 관한 것이다.
오래전부터 기계적인 충격을 가해 금속을 성형하고 표면특성을 향상시켜왔다. 현재는 고속의 숏(shot)으로 금속 표면을 피닝(peening) 처리하는 기술이 산업적으로 이용되고 있다. 이러한 처리에 의해 표면 특성이 향상되기도 하지만 더 중요한 것은 많은 응용분야에서 부분적으로 금속 피로나 부식 결함에 대한 저항성이 현저하게 향상되는 것이다. 항공분야나 자동차 산업에서 다양한 숏 피닝이 이용되고 있다. 그러나, 한편으로는 많은 응용분야에서 숏 피닝은 충분한 강도와 치밀한 처리를 제공하지 못하고 있으며 표면처리에 대한 악영향으로 인하여 사용되지 못하고 있다.
레이저의 발명으로, 피닝에 요구되는 강력한 충격이 레이저 구동 고밀도 플라즈마(laser-driven tamped plasma)에 의해 얻을 수 있음을 곧 알게 되었다. B.P.Fairand 등은 1972년 9월, Journal of Applied Physics, Vol. 43, No. 9, p 3893 에 "Laser Shot Induced Microstructural and Mechanical Property Changes in 7075 Aluminum"을 발표한 바 있다. 통상적으로, 고밀도(약 200j/cm2)의, 짧은 펄스 길이(약 30ns)의 레이저에 의해 금속 표면에 10kB에서 30kB의 플라즈마 충격을 발생시킨다. 금속 표면상에 형성된 얇은 층의 검은 페인트 또는 기타 흡수성 물질은 금속의 침식(ablation)을 막는 흡수제로 작용한다. 물과 같은 봉지된 물질 또는 고밀도 물질은 표면층을 덮어 증가된 강도의 충격을 제공한다. 이러한 충격은 보통의 숏피닝에서보다 더욱 깊고 강한 압축 응력을 부여하는 것으로 알려져 있다. 테스트를 해보면, 이와 같은 처리로 금속 피로와 부식 결함에 대한 강화 성분으로서 우수하다는 것이 보고되었다. 그러나, 적정한 비용으로 생산성을 얻을 수 있는 충분한 에너지와 재현성을 가지는 레이저를 얻는 것이 어려웠다.
이러한 목적으로 사용된 레이저 시스템이 본 출원인의 선 출원인 미국 특허 제5,239,408호, "HIGH POWER, HIGH BEAM QUALITY REGENERATIVE AMPLIFIER"에 기재된 바 있다. 상기 특허에 기재된 레이저 시스템은 마스터 오실레이터/전력 증폭기 (MOPA) 구조에서 30 ns 이하의 펄스폭과 펄스당 20 주울(joule) 이상의 펄스 출력을 발생시킬 수 있는 고출력 증폭기를 포함하여 구성된다. 상기 특허는 마스터 오실레이터의 일실시예로서 미국특허 제5,022,033호, "RING LASER HAVING AN OUTPUT AT A SINGLE FREQUENCY"를 언급하고 있다. 상기 5,022,033 특허에 기술된 오실레이터 구조는 매우 낮은 에너지 펄스를 생산해내므로 상기 5,239,408 특허에 언급된 증폭기 시스템에서 얻을 수 있는 것 보다 훨씬 많은 증폭기 패스를 필요로 한다. 몇몇 응용에서, 상기 5,239,408 특허의 시스템에서 사용된 마스터 오실레이터는 에탈론 출력 결합기(etalon output coupler)를 갖는 정재파 (2 미러 선형 공진기) 오실레이터였다.
상기 MOPA 구조의 성능은 마스터 오실레이터가 제공하는 시드 펄스(seed pulse)의 품질에 의해 제한된다. 종래 기술에 따른 마스터 오실레이터는 고성능 단일 주파수 Q-스위치(Q-switched) 오실레이터 시드 펄스를 공급할 수 있었다. 그러나, 작업 환경에서 충분한 펄스 에너지로 그러한 펄스 폭과 펄스 에너지를 실질적으로 일정하게 유지하는 것이 어려웠다.
일반적으로, 많은 응용분야에서 다중 수직 모드(multiple longitudinal mode)에서의 변조없이 재현가능한 부드러운 순간 프로파일(smooth temporal profiles)를 얻기 위해서, 그리고 SBS 결합(conjugation)을 이용한 증폭기에 대해 최적의 파면 반전 신뢰성을 얻기 위해서는 고체 레이저로부터 단일 주파수 Q-스위치 오실레이터 펄스를 갖는 것이 바람직하다. Q-스위치 레이저 오실레이터에서 단일 수직 모드는 저전력의 단일 주파수 마스터 오실레이터를 인젝션 로킹(injection locking)하여 설명된다. Hanna 등은 1972년, OPTICAL-ELECTRONICS 4, 239-256 에서 "Single Longitudinal Mode Selection of High Power Activity Q-Switched Laser"를 발표한 바 있다. 그러나, 이 기술에서는 마스터와 슬래이브 오실레이터간의 모드를 주의 깊게 매치시켜야 하고, Q-스위치 슬래이브 오실레이터에 대해 활성캐비티 길이(active cavity length)의 안정화가 요구된다.
단일 주파수 출력을 얻는 또 다른 방법이 자기 시드(self-seeded) 공진기를 사용한 미국특허 제5,022,033호에 제시되어 있다. 이 기술에서는 캐비티 내부손실(intracavity loss)을 조절하여 공진기 내에 약한 단일 주파수의 연속파(CW) 빔을 유지함으로써 시드 펄스를 증폭하였다. 상기 연속 빔과 유사한 빔 특성을 갖는 출력 펄스는 Q-스위칭으로 생성되는데 그 이유는 Q-스위치 펄스를 생성하는 발진이 다른 경합모드(competing mode)에 앞서 상기 약한 CW 빔으로부터 증폭되기 때문이다. 그러나, 펄스당 에너지 및 펄스폭은, 예를 들어 링 레이저의 경우 플래시램프나 다른 펌프 에너지 소스로부터 공급되는 펌프 에너지의 변동에 따라 변화될 수 있다. 따라서, 펄스 파라미터의 일관성이 비교적 떨어지며, 가능한 일정한 출력 펄스로 레이저 피닝 동작을 하기 위해서는 플래시램프 에너지 등과 같은 시드 오실레이터의 광학 파라미터를 일정하게 조정할 필요가 있다. 이러한 방법에서 중요한 단점은 펄스간에 일어나는 CW 시드 발진을 일정하게 유지시키는 비효율성에 기인하여 펄스 지속시간이 길고(200ns) 펄스 에너지가 낮다는 것이다.
자기-시드 오실레이터의 변화에 관하여 박 등이 1981년에 발간된 OPTICAL COMMUNICATION지, 37호, 411-416쪽에 "Electronic Line WidTh Narrowing Method for Single Axial Mode Operation of Q-Switched Nd:YAG Lasers"라는 제목으로 발표한 바 있다.
따라서, 예를 들어 레이저 피닝 MOPA에 대한 시드 펄스로 사용되는 일련의 펄스들이 실질적으로 일정한 에너지와 일정한 펄스 폭을 갖도록 하며 레이저 피닝 및 기타 응용의 작업 환경하에 상응하는 시간 간격 동안 일련의 펄스가 단일 주파 수에 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 간단한 구조로 설계되며 미국특허 제5,022,033호에서 제시된 방법과 비교할 때 10배나 큰 에너지를 공급하며 펄스 지속시간은 10 배나 작은 자기 시드 레이저 오실레이터를 제공한다. 상기 자기 시드 레이저 오실레이터는 본 발명의 실시예들에 제시되는 마스터 오실레이터/전력 증폭기 구조를 갖는 레이저 시스템에 적용된다. 또한, 본 발명에 따라 생성되는 실질적으로 일정한 펄스 높이와 폭을 가지며 작업 환경에서 중요한 시간 간격에 대해 오퍼레이터 개입이 없는 일련의 펄스를 이용하여 개선된 레이저 피닝 시스템 및 레이저 피닝 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예는 레이저를 동작시켜 단일 주파수를 갖는 출력 펄스를 얻는 방법이다. 상기 레이저는 공진기, 출력 결합기(output coupler) 및 상기 공진기 내에 위치하는 이득 매질과 펌프 소스를 포함한다. 본 방법은 공진기 안으로 편광회전자(polarization rotation element)를 삽입하는 등의 방법으로 레이저 공진기에 내강 손실을 유도하고, 편광빔 스플리터를 이용하여 실행되며 출력 결합기에 의해 전송되는 편광으로부터 다소 회전시키는 것을 포함하여 구성된다. 유도된 상기 손실은 펌프 소스로부터 에너지가 상기 이득 매질에 축적되고 있는 시간 동안 발진을 방지하는 양이 된다. 축적된 이득이 유도된 손실을 극복하고 시드 펄스를 생산하는 지점에 이르기까지 펌프 소스로부터 에너지를 받는 이득 매질에 이득이 증가된다. 상기 이득은 이득 대 손실 비율이 공진기에서 단일 주파수 이완 발진 펄스를 형성하는 때 손실을 극복하게 된다.
이완 발진 펄스를 감지하면 포켈 셀(Pockels cell)을 전자적으로 제어하는 Q-스위칭에 의하여 캐비티내 손실이 감소되어 이득 매질에 축적된 이득이 공진기로부터 단일 주파수의 출력펄스 형태로 출력된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서 이완 발진 펄스의 개시는 이완 발진 펄스의 피크값 이전에 감지된다. 다른 실시예에서 이완 발진 펄스의 개시는 해당 펄스의 극히 초기 단계에서 감지되는 바, 예컨대 펄스의 평균 피크 전력의 5% 미만에서 감지되거나, 혹은 다른 실시예에서는 1% 미만에서 감지된다.
상기 레이저 오실레이터 또한 공진기 출력 결합기의 반사도를 제어하여 최적화된다. 상기 출력 결합기의 반사도의 선택은 Q-스위치 펄스 지속기간 및 출력 전력 추출 효율에 중요한 영향을 미친다. 종래에는 반사도 선택을 반사도를 달리한 광학적 코팅에 의해서만 달성되었다. 본 발명의 공진기에서는 편광빔 스플리터를 이용하여 출력 결합기의 반사도의 선택이 구현된다. 상기 공진기의 유효 출력 결합(effective output coupling)은 공진기의 편광 부품에 의하여 수행되는 빔의 편광에 의존하며 Q-스위칭 동안 포켈 셀에 인가되는 펄스 전압에 응답한다. 이것은 공진기의 편광 부품을 세팅하고 펄스 전압을 전자적으로 제어하여 원하는 Q-스위치된 펄스 지속기간을 얻음으로써 즉시 최적화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 또한 광학적 링을 형성하는 출력 결합기 및 다수의 반사기를 갖는, 바람직하게는 출력 결합기를 포함하여 홀수의 반사기를 갖는, 레이저 공진기를 포함하여 구성된다. Q-스위치와 이득 매질이 상기 공진기에 포함된다. 감지기는 상기 공진기와 결합하여 공진기내 발진 에너지를 감지한다. 제어기는 이득 매질의 에너지 소스, 상기 Q-스위치 및 상기 감지기와 결합한다.
공진기내 구성부품은 펌프 에너지 소스로 이득 매질에 이득이 증가되는 동안 이득 대 손실 비율이 이완 발진 펄스를 생산하기에 충분하도록 얻어질 때까지 손실을 유도해낸다. 상기 이완 발진의 개시가 감지되면 상기 제어기가 Q-스위칭을 이용하여 손실을 감소시켜 단일 주파수의 출력 펄스가 발생된다.
본 발명의 실시예에서는 이완 발진 펄스의 개시 동안 발진을 단일 수직 캐비티 모드로 제한하도록 공진기에 일련의 에탈론들을 포함한다. 또한, 상기 레이저 공진기에는 횡모드 제한 애퍼쳐(aperture)가 구비된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 Q-스위치는 포켈 셀과 편광빔 스플리터로 구성되는 출력 결합기를 포함하여 구성된다. 사분의 일파 플레이트는 출력 결합기에서 타원형에 유사한 편광을 유도하도록 다소 회전하여 손실을 유도해내고 약간의 빛을 공진기에서 회전하도록 한다. 상기 제어기는 포켈 셀에 인가되는 전압을 제어하여 공진기내 손실을 감소시킨다. Q-스위칭 동안 공진기 내의 손실을 저하시키기 위해 전압 펄스가 인가된다. Q-스위칭 동안 인가된 전압 펄스의 진폭을 설정하여 출력 결합기의 반사도가 원하는 펄스 지속기간을 갖도록 선택된 수준에서 설정된다.
다른 실시예에서는, 레이저 공진기의 홀수개의 반사기는 반사각을 설정하는 조절 마운트를 구비하는 평평한 반사기를 포함한다. 반사각을 조절하여 광학적 링의 길이 조절이 가능하고 캐비티 모드가 에탈론 모드와 매칭될 수 있다.
레이저 시스템의 실시예에서 출력 펄스는 약 1.05 micron의 파장을 갖는다. 그러한 실시예에서 이득 매질은 고상물질이 도핑된 네오디뮴이 사용될 수 있으며, 예를 들면 Nd:YLF, Nd:glass 또는 Nd:YAG 등이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 펌프 에너지의 소스는 플래시 램프(flashlamp) 또는 아크(arc) 램프를 구비하고 있다. 다른 실시예에서, 펌스 소스는 레이저 다이오드나 레이저 다이오드 어레이 등의 옵티컬 에너지의 소스를 구비하고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 레이저 시스템은 또한 MOPA 구조에 구비되는 레이저 공진기와 함께 배치되는 전력 증폭기를 포함하여, 일정한 펄스 높이와 펄스 폭을 가지는 고출력 단일 주파수 펄스를 공급한다.
본 발명은 산업 환경에서 다수의 공작물(workpiece) 표면을 피닝하는 레이저 충격 피닝 방법을 제공한다. 본 방법은 단일 주파수를 가지며 작업자가 작업 환경에서 장기간 동안 개입하지 않고도 실질적으로 일정한 진폭과 펄스 폭을 가지는 일련의 시드 펄스를 공급하는 것을 포함하여 구성된다. 레이저 증폭기에 시드 펄스가 공급되어 단일 주파수를 갖는 고에너지 출력 펄스가 유도된다. 공작물은 일련의 펄스의 도움으로 공작물 표면의 타겟 영역이 피닝된다.
본 발명의 기타 실시예, 관점 및 이점들이 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명 및 특허청구범위에서 제시된다.
도 1 내지 8 을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 도 1 내지 5에 따르면 전자적으로 조정 가능한 출력 커플링을 갖는 자기 시드 단일 주파수 고상 Q-스위치 링 레이저가 도시되어 있다. 도 7은 마스터 오실레이터로서 도 1 내지 5의 레이저 시스템을 포함하며 도 6에 도시된 펄스를 제공하는 본 발명의 마스터 오실레이터/전력 증폭기 실시예를 묘사하고 있다. 도 8은 레이저 피닝 환경에서 본 발명의 적용을 묘사하고 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 단일 주파수 Q-스위치 레이저 오실레이터의 기본 구성이 도 1에 나타나 있다. 두 개의 미러(M1, M2) 및 편광빔 스플리터(P1)가 배치되어 삼각의 광학적 링의 형태로 공진기를 형성하고 있다. 상기 공진기는 박스(미도시)에 보관되어 공기의 요동이 공진기 동작을 방해하지 못하도록 한다. 미러 M1으로부터 시작하여 시계 반대 방향으로 도는 광학적 성분들의 기본 특성이 나타나 있다.
미러(M1)는 본 실시예에서 5 미터의 곡률반경과 약 1.05 micron의 발진 파장에서 99% 이상의 반사율을 갖는 고 반사기로 구성된다. 편광빔 스플리터(P2, P3)는 일면에는 유전 코팅이 있고 다른 면은 그대로 노출된 용융 실리카 기판으로 구성된다. 상기 빔 스플리터(P2, P3)는 S-편광을 갖는 방사선을 반사하고 P-편광을 갖는 방사선을 투과시키도록 되어 있다. 상기 편광빔 스플리터는 용융 실리카에 대한 부르스터 각 (Brewster's angle)에 상응하는 57°의 입사각을 갖도록 배향되어 있다. 이러한 배향은 상기 노출된 면으로부터의 반사 손실을 방지한다. 다음으로 이득 매질(고체봉 R)이 상기 링 상에 위치한다. 본 실시예에서 상기 이득 매질은 직경이 5mm이고 길이가 65에서 100mm인 Nd:YLF 봉으로 구성된다. 1 micron 파장 근처에서 Nd:유리 및 Nd:YAG를 포함하여 고상 매체가 도핑된 다른 네오디뮴이 이용될 수도 있다. 다른 이득 매질 배치나 형태도 사용될 수 있을 것이다. 본 실시예에서 상기 이득 매질은 플래시 램프(flash lamp)로 펌프된다. 다른 실시예로서 광학적 에너지 소스로 아크 램프나 레이저 다이오드를 이용할 수도 있다.
상기 링에서 다음 구성부품은 미러(M2)이다. 미러(M2)는 1 micron 근처의 파장에서 99% 이상의 반사율을 갖는 납작한 고 반사기로 구성된다. 본 발명의 실시예에서상기 미러(M2)는 조정가능한 양으로 장착되어 상기 미러에 의한 반사각이 조정될 수 있도록 한다. 반사각을 조정하여 상기 링 내의 다른 구성부품들의 재조정없이도 상기 링의 캐비티(cavity) 길이를 예를 들어 에탈론 모드에 적합하도록 정밀하게 맞출 수 있다.
상기 링의 다음 구성부품은 포켈 셀(Pockel cell : PC)이다. 상기 포켈 셀(PC)은 상기 셀을 통과하는 빔의 편광을 전자-광학적으로 제어하도록 배치된 KD*P (수소 성분으로 중수소를 이용한 2 수소 인산염 칼륨)로 구성된다. 상기 포켈 셀에 전압 펄스가 인가되어 공진 손실을 제어한다. 일실시예에서는 3000에서 5000볼트로 조정가능한 펄스를 약 3800 볼트의 반파 전압을 갖는 포켈 셀에 인가하며, 원형 편광이 발생되고 출력 결합기 (P1)으로부터 50%의 반사를 야기하게 된다.
상기 링의 다음 구성부품은 조정가능한(90°) 편광 회전을 야기하여 공진기 내에 손실을 유도하는 비반사 코팅된 석영 결정으로 구성되는 사분의 일파 플레이트(quarter wave plate : W2)이다. 상기 사분의 일파 플레이트 (W2)는 공진기에서 타원형에 가까운 편광을 야기하도록 배치되어 이완발진(relaxation oscillation) 펄스가 형성되는 동안 적은 양의 빛이 순환되도록 한다.
다음으로 약 1.2mm의 개구를 갖는 횡모드 제한 애퍼쳐(transverse mode limiting aperture) (A)가 위치한다.
상기 편광빔 스플리터(P1)는 제어 가능한 출력 결합기로 작용하며, 이를 통해 출력 펄스(B)가 제공된다.
링의 다음 구성부품은 반파 플레이트(W1)이다. 상기 반파 플레이트(W1)는 45°편광 회전을 야기하기에 적합한 두께로 비반사 코팅된 석영 결정이다. 반파 플레이트(W1) 근처 반시계 방향으로 패러데이 회전자(Faraday rotator)가 위치하여 빔 전파 방향 보다는 상기 패러데이 회전자의 배향에 대하여 45°로 빔의 편광을 회전시킨다. 본 발명의 실시예에서는 TGG(테르븀 가돌리늄 가닛)을 사용한 영구자석 패러데이 회전자를 사용할 수 있다.
상기 링 도식에서 마지막 구성부품은 일군의 에탈론(E1, E2, E3)이다. 상기 에탈론은 고상이며, 패브리-패롯(Fabry-Perot) 에탈론의 경우 용융 실리카로 구성된다. 에탈론(E1)은 코팅되지 않은 약 3mm 두께의 석영이며 약 4%의 반사도를 갖는다. 에탈론(E2)은 약 5mm 두께의 석영이며 약 40%의 반사도를 갖는다. 에탈론(E3)은 약 30mm 두께이고 약 40%의 반사도를 갖는다. 상기 에탈론(E1, E2, E3)은 온도 안정화되어 단일 파장의 이동을 방지한다.
상기 공진기는 출력 결합기를 포함하는 홀 수의 미러를 구비하여 공진기 수평 방향의 정렬상의 하자를 해소한다. (달리 말하자면, 상기 공진기는 링 공진 경로를 정의하는 하나의 출력 결합기와 짝수의 다른 반사기를 포함한다.) 따라서, 평면 반사기 (M2)의 각을 변화시킴으로써, 즉 상기 반사기(M2)를 반대로 경사지게 움직여 상기 링 공진기의 캐비티 길이를 미세하게 조정할 수 있다. 이렇게 함으로써 간단한 조정에 의해 캐비티 길이를 에탈론들에 매치되도록 할 수 있다.
도 1은 상기 고(high) 반사기(M1) 근처에 광감지기(PD)를 도시하고 있는데 이 광감지기는 고 반사기(M1)를 통한 방사 누설로부터 이완 발진 펄스의 개시를 감지하는데 사용된다. M1으로부터 적은 양의 광 누설이 고속 광다이오드를 사용하여 수행되는 상기 광감지기에 감지된다.
도 1의 레이저 시스템의 동작에 있어서 편광이 핵심이라고 할 수 있다. 편광을 근거로 상기 공진기는 두 개의 주요한 기능부인, 광다이오드부 및 Q-스위치부로 나뉘어질 수 있다.
상기 광다이오드부는 편광빔스플리터 P1와 P2 사이에 위치한다. 광다이오드부 내에는 반파 플레이트(W1)와 45도 영구자석 패러데이 회전자(F)가 위치한다. 반파 플레이트(W1)는 S-편광(지면에 수직인 전기장이 레이저 평면을 바라보고 있다)이나 P-편광(지면과 평행한 전기장)에 대해 45도 회전을 분할하도록 배치된다. 이하에서의 설명의 편의를 위하여, 편광빔 스플리터(P1, P2, P3)는 S-편광은 반사하고 P-편광은 투과시키는 것으로 한다. 패러데이 회전자(F)는 패러데이 회전자(F)와 반파 플레이트(W1)에 의해 야기되는 45도 회전이 시계방향으로 감소되고 반시계방향으로 증가되도록(90도 회전 야기) 되어 있다. 이것의 효과는 시계방향의 방사 진행에 대해 상기 링의 광다이오드부에서 매우 큰 손실을 가져오는 것이다. 구체적으로, 시계방향으로 편광빔 스플리터(P2)를 통과하는 P-편광된 빔은 패러데이 회전자(F)와 반파 플레이트(W1)의 조합에 의하여 아무런 회전을 받지 않고, 편광빔 스플리터(P1)를 통해 공진기를 떠나게 된다. 이와 대조적으로, 반시계방향으로 편광빔 스플리터(P1)를 통과하는 S-편광된 빔은 90도 회전을 수반하게 되어 S에서 P-편광으로 전환되고 편광빔 스플리터(P2, P3)를 통과하여 공진기에 남게 된다. 시계방향의 과도한 손실 및 반시계방향의 극미한 손실의 결과 공진기 안의 빛은 도 1의 링 내부에 화살표와 출력빔(B) 방향으로 표시된 바와 같이 반시계방향에서만 레이저를 발하게 된다.
공진기의 Q-스위치부는 도 1의 오른쪽 부분에서 볼 수 있으며, 편광빔 스플리터 P1과 P3 사이에 위치한다. Q-스위치부의 역할은 레이저봉(R)에 의한 이득 매질에 에너지가 저장되고 있는 동안 상기 링 내의 강렬한 광학적 손실을 유도하는 것이다. 이것은 오실레이터가 상기 봉(R)에 많은 양의 이득이 존재할 때까지는 레이저가 발생되는 것을 방지한다. 높은 이득 상태는 후술되는 바와 같이 이완 발진 펄스의 개시로 시준된다. 높은 이득은 공진기의 광학적 방사가 매우 신속히 이루어지게 하며, 비교적 짧은 Q-스위치 펄스를 생성한다. 이러한 오실레이터는 반가폭(full width half maximum)이 50과 20 ns 이하 사이의 펄스 지속 시간동안 매우 효율적으로 작동될 수 있다. 실제로, 상기 Q-스위치부에서 포켈 셀(PC)을 제어하여 이완 발진 펄스가 생성될 때까지 이득 매질에 이득이 증가됨과 동시에 발진이 억제되는 손실 모드와, 출력 펄스가 발생되는 감소된 손실 모드로 세팅되도록 할 수 있다.
상기 Q-스위치부의 또 다른 기능은 공진기의 광학적 출력 결합을 설정하는 것이다. 상기 전자-광학적 포켈 셀 PC에 전압이 인가되지 않으면 상기 셀을 통하여 진행하는 빔의 편광은 변하지 않는다. 이것은 P 편광에서 편광빔 스플리터(P2, P3)를 통하여 전달되는 빛은 편광빔 스플리터(P1)에서 반사되지 않고 편광빔 스플리터(P1)를 통해 투과되어 완전히 사라짐(사분의 일파 플레이트 W2에 의해 유도되는 소량의 S-편광은 제외)을 의미한다. 이 공진기의 출력 결합기는 실제로는 편광빔 스플리터(P1)이다. 포켈 셀에 전압이 인가될 때까지 상기 출력 결합기는 반사율이 거의 제로이며 따라서 레이저 공진기 내의 발진은 단지 이득 매질에 높은 이득이 저장될 때만 가능하다. 그러나 적절한 전압이 포켈 셀에 인가되면 미러 M2로부터 반사되는 P 편광 빔의 편광이 부분적으로 회전되어 빔의 일부가 P1에서 반사된다. 이러한 방식으로 광학적 요소들의 변화나 코팅물질없이 그리고 공진기의 광학적 재정렬없이 공진기 출력 커플링을 전자적으로 직접 조정할 수 있다. 예를 들어, 포켈 셀에 반파 전압을 인가하면 거의 50%의 빛이 P1에서 반사된다. 전파(full wave) 전압을 포켈 셀에 인가하게 되면 거의 100%의 빛이 반사될 것이다.
동작시에 상기 증폭기 봉(R)에 원하는 수준으로 이득이 도달되도록 된 다음 포켈 셀에 전압이 인가되어 P1의 반사도를 증가시킨다. 인가되는 전압 레벨은 실험적으로 결정되어 레이저 시스템의 설치 상황에 대응한 펄스 지속 시간을 설정한다. 이 경우, 상기 공진기에 의해 정의되는 광학적 캐비티 안에서 신속하게 방사가 이루어져 상기 봉(R)으로부터 에너지를 추출하여 P1을 통해 출력 펄스(B)로서 나타난다.
도 1의 레이저 오실레이터는 단일 광학적 주파수에서 출력빔을 제공하도록 설계된다. 이것은 발진이 단일 수직 캐비티 모드로 제약됨을 의미한다. 이렇게 하기 위해, 적어도 두 개의 에탈론 E1 및 E2, 바람직하게는 세 개의 에탈론 E1, E2 및 E3로 구성되는 일군의 에탈론이 도 1에 도시된 바와 같이 공진기에 삽입된다. 각 에탈론은 고른 간격의 주파수(spaced frequency) 에서 높은 광학적 투과능을 갖는다. 상기 간격은 다음식 c/2nL 을 사용하여 각 에탈론의 길이로 결정되는데, 여기서 c는 광속이며, n은 에탈론 물질의 굴절율, L은 에탈론의 길이이다. 상기 레이저 공진기는 또한 c/L의 주파수로 등간격을 이루는 저손실 수직 주파수 모드를 갖는데, 이 경우 L은 공진기에서의 왕복(round trip) 광학적 거리이다. 길이가 증가하는 세 개의 에탈론이 사용되어 각각의 투과 특성의 주기적 효과는 다른 모든 것보다 낮은 광학적 손실을 갖는 상기 레이저 봉의 이득의 주파수 밴드폭 내에서 단일 공진기 모드가 된다. 공진기 내의 레이저 방사는 이러한 캐비티 모드의 주파수에서 이루어지며 결과적인 출력 빔은 단일 주파수를 갖는다. 선택된 에탈론의 길이 및 코팅물이 공지의 방법에 따른 바람직한 주파수를 결정하게 된다.
상기 공진기에서 주파수 선택의 효율성은 상기 공진기 내에서 비교적 천천히 방사가 증대될 때에만 효과적이다. 만일 Q-스위치 펄스가 급격하게 증대하도록 한다면 비교적 적은(10 이하) 공진기의 주회 횟수가 요구된다. 방사가 캐비티내 에탈론과 짧은 시간 동안 상호작용하므로 바람직하지 못한 주파수에서 에탈론에 의한 손실은 레이저 출력의 추가적인 캐비티 모드를 억제하기에 불충분할 수 있다. 이런 이유로 상기 Q-스위치 레이저 오실레이터에서의 동작에 자기 시드 방법을 시도한다.
상기 레이저 증폭기 봉(R)에 에너지가 저장되는 동안, 짧은 Q-스위치 펄스를 이끌어내기까지는 발진이 일어나지 않도록 할 수도 있을 것이다. 그러나 이 레이저에서는 추가적인 사분의 일파 플레이트(W2)를 레이저의 Q-스위치부로 삽입한다. 상기 플레이트(W2)의 광축이 빔의 P-편광과 완전히 정렬되면 P-편광 회전은 발생되지 않는다. 그러나, W2가 작은 양으로 회전하게되면 캐비티내 빔은 타원적으로 편광되어 빔의 일부가 편광빔 스플리터(P1)에서 반사되도록 한다. 상기 플레이트(W2)의 회전과는 다른, 또 다른 접근 방법으로는 작은 전압을 포켈 셀에 인가하여 이득을 얻는 동안 요구된 타원형 편광을 유도할 수도 있다. 실제로, 타원형 편광은 펌핑 프로세스 동안 출력 결합기(P1)에 반사도를 작게 하여 상기 레이저가 증폭기 이득에서의 피크치 근처 문턱값에 도달하도록 한다. W2가 최적으로 조정되면 상기 레이저로부터의 출력은 도 2에 도시된 바와 같이 소수 (1 - 3) 이완 발진 펄스로 구성된다. 이러한 펄스들은 전형적으로 지속시간이 아주 길다(400 ns 반가폭). 이렇게 약한 이완 발진 펄스를 생성해내는 데에는 수 마이크로세컨드가 소요되어 캐비티내 에탈론을 통한 수백의 패스를 가져오게 된다. 많은 에탈론 패스로부터 광학적 손실의 증가는 하나만 제외하고는 모든 레이저 캐비티 모드에 강한 압박을 가져온다. 이런 낮은 출력 단일 주파수 빛이 공진기에 존재하기 때문에 포켈 셀에 전압이 인가되어 짧고 고 출력의 Q-스위치 펄스가 발생될 수 있다. 고출력 펄스(약 일 megawatt)가 낮은 출력의 이완 발진(약 100W)으로부터 생성되므로 이완 발진 시드의 주파수 특성을 갖게 된다.
실제에서는 약한 이완 발진 펄스의 존재가 도 1의 외부 광 다이오드(PD)에 감지되기만 하면 포켈 셀(Q-스위치)에 전압을 인가함으로써 자기시드(self-seeding) 프로세스가 최적화된다. 도 3은 상기 레이저 시스템의 제어 시스템을 모식적으로 도시한다. 링 공진기는 삼각형(50)으로 도시되어 있으며 라인 51의 출력 펄스를 발생시킨다. 고 반사기(M1)로부터 라인 52의 에너지 유출이 광다이오드(53)에 감지된다. 상기 광다이오드는 배터리(54)와 저항(55)에 의해 역 바이어스되어 이완 발진 펄스의 개시를 신속하게 감지한다. 상기 광다이오드의 출력은 펄스 증폭기(56)에서 증폭되어 트리거 발생기(57)(예로서, Stanford Research Model DG 535)에 인가된다. 상기 트리거 발생기는 Mark bank 전원공급기를 이용하여 수행되는 Q-스위치 펄스발생기(58)와 결합(coupled)된다. 일실시예로서, 상기 Q-스위치로 Q-스위치 전원공급기, Mark bank, 승압 전원공급기 및 Q-스위치를 포함하는 Continuum Model LM81M995가 제공될 수 있다.
펌프 에너지 소스(60)는 링 공진기(50) 안의 이득 매질에 결합된다. 상기 Q-스위치 펄스발생기(58)는 링 공진기(50) 안의 포켈 셀에 펄스를 인가한다. 광다이오드(53)는 역 바이어스된 배터리(54)에 의해 빠른 응답으로 동작하여 광-전도 모드로 진입한다. 상기 펄스 증폭기(56)의 이득이나 트리거 발생기(57)의 트리거 레벨을 설정함으로써 오실레이터가 단일 주파수로 레이저를 발하자 마자 충분한 전압 출력을 공급한다. 이러한 출력은 Q-스위치 펄스발생기(58)로 입력되는 트리거 신호를 발생시켜 상기 펄스발생기를 오픈시키고 오실레이터가 충분한 에너지에서 단일 주파수로 작동되도록 한다. 이완 발진 펄스가 피크에 도달되기전 이완 발진 펄스의 개시를 감지했을 때, 바람직하게는 광다이오드에서 이완 펄스의 평균 피크 진폭의 5% 이하를 감지했을 때 Q-스위치 펄스가 발생되도록 설정된다. 포켈 셀에 인가된 전압 펄스의 크기가 변화되어 출력 결합기의 반사도를 조정하고, 이에 따라 출력 펄스폭을 조정할 수 있도록 Q-스위치 펄스발생기(58)가 조절된다. 따라서, 전자 제어기는 이득 매질에서 이득이 증대되어 이완 발진 펄스를 생성해내도록 공진기에서의 손실을 유도하는 (예를 들어, 포켈 셀에 전압이 인가되지 않거나 낮은 전압이 인가되는) 조건과, 단일 주파수의 출력 펄스가 발생되도록 이완 발진 펄스의 감지에 응답하여 Q-스위치를 이용한 공진기에서의 손실을 감소시키는 (예를 들어, 포켈 셀에 적절한 전압을 인가하는) 조건이 설정되도록 한다.
도 4는 트레이스(trace) 65 에서 Q-스위칭 전,후의 이완 발진을 보여준다. 트레이스 66 에서는 이완 발진 펄스의 진폭 크기가 250 배 증폭되어 이완 펄스의 개시의 감지를 나타내고 있다. 트레이스 65 에서는 이완 발진 펄스의 피크 이후에 포켈 셀이 트리거(trigger)되는 과정이 나타나 있다. 일반적으로는 포켈 셀을 보다 일찍 기동하여 Q-스위치된 순간 펄스 프로파일 상의 자기 시드 풋(foot)의 크기를 최소화시키는 것이 유리하다. 따라서, 이완 발진 펄스의 개시는 광다이오드 출력이 이완 발진 펄스의 피크 도달전 평균 피크 파워의 약 5% 이하를 표시하는 레벨, 바람직하게는 도 4의 그래프 상의 지점 67에서와 같이 평균 피크 파워의 약 1% 이하를 표시하는 레벨에 도달할 때 감지된다.
도 5는 자기 시드된(self-seeded) 단일 주파수 펄스(75)와 다중모드 펄스(76)를 포함하는 두 개의 Q-스위치 펄스를 비교하고 있다. 본 발명에 따른 기술로 발생되는 상기 단일 주파수 펄스(75)는 순간 프로파일이 부드럽고 다중 모드 펄스에서 보다 더 짧은 증대 시간(buildup time)을 갖는다.
바람직한 시스템에서는, 캐비티내 에탈론에 대해서 주파수 투과 피크간의 상대적인 정렬을 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 금속 원통형 용기(enclosure) 내에 에탈론을 수용함으로써 이를 달성할 수 있다. 매우 안정한 온도의 물을 상기 원통형 용기의 빈 공간으로 흘려보내 에탈론들을 매우 정확한 온도에서 유지하여 매우 일정한 광학적 길이를 갖게 할 수 있다.
또한, 바람직한 시스템에서 캐비티내 에탈론들 E1, E2, E3은 공진기의 광다이오드부에 위치한다. 상기 에탈론들은 원하는 레이저 주파수 이외의 주파수에서 광학적 손실을 발생시켜 동작한다. 상기 에탈론들은 원치 않는 주파수를 반사시킴으로써 이러한 손실을 발생시킨다. 상기 에탈론들은 그 표면이 빔 경로와 거의 90°가까이 (수직 입사) 정렬될 때 주파수 식별을 가장 잘 하므로 이와 같은 바람직하지 않은 반사가 공진기로 다시 결합되는 것이 방지되어야 한다. 이러한 이유로, 상기 에탈론들은 공진기의 광다이오드부 내부에 위치한다. 에탈론 표면에서 발생하는 반사는 패러데이 회전자(F) 및 반파 플레이트(W1)를 통하여 시계 방향으로 거꾸로 진행하여 S 에서 P 편광으로 전환된다. 이러한 전환으로 편광빔 스플리터(P1)(출력 결합기)를 통과하여 사라지게 되고 레이저 공진기에서의 증폭으로 인하여 전력이 상승되는 것이 방지된다.
레이저 공진기에서 약한 이완 발진 펄스의 개시 감지에 응답하여 포켈 셀을 기동함으로써 중요한 결론에 귀착한다. 레이저 발진과 빔 형성은 레이저 증폭 봉에 충분한 에너지가 저장되어 공진기에서의 광학적 손실에 대한 이득의 비율이 1 보다 클 때에만 개시될 수 있다. 이것은 증폭 봉이 얼마나 강하게 펌프되느냐에 상관없이 실질적으로 동일한 손실 대 이득 비율에서 포켈 셀 전압이 인가될 수 있고 Q-스위치된 출력 펄스가 발생될 수 있음을 의미한다. 이런 이유로 봉에 가해지는 펄스간 펌프 에너지의 변동이 있더라도 Q-스위치된 펄스 에너지는 매우 안정하게 유지된다. 실제로 사용자가 펌프 소스에 상기 에너지를 증가시키더라도 Q-스위치된 펄스 에너지는 변하지 않는다. 상기 봉에서의 문턱 광학적 이득은 매우 빠르게 레이저 발생 문턱값에 도달하고 Q-스위치된 펄스가 일찍 발생된다.
정리하면, 고상 Q-스위치 링 레이저는 20에서 50 ns 범위의 펄스 지속 시간을 발생시킨다. 발진이 매우 느리게 (일 또는 이 마이크로세컨드) 형성되는 자기-시드 기술로 신뢰할만한 단일 주파수 동작이 얻어진다. 캐비티내 순환 광전력이 외부 광다이오드에 감지되는 소정의 문턱값에 도달하면 캐비티내 포켈 셀을 사용하여 광학적 증대를 Q-스위치시키고, 그 결과 매우 높은 숏 에너지 안정성을 가진 단일 주파수 출력 펄스가 발생된다. 유효 출력 커플링 (예를 들어, 출력 결합기의 반사도)는 포켈 셀에 인가된 전압 파형을 전자적으로 변화시켜 실시간으로 쉽게 조정할 수 있다. 이러한 설계는 하루 24시간 동안 신뢰성 있고 안정한 연속 동작을 보장한다.
도 7은 앞서 기술된 마스터 오실레이터(200)와 함께 이용하기에 적절한 대표적인 레이저 증폭기가 포함된 마스터 오실레이터/전력 증폭기의 모식도이다. 상기 증폭기의 보다 자세한 내용이 미국특허 제5,239,408에 나타나 있으며, 참고로 그 내용을 이하에 설명한다. 도 7의 증폭기 시스템은 포켈 셀이나 패러데이 회전자와 같은 회전자(240), 릴레이 망원경(220), 판상의 이득 매체(250) 및 SBS 위상결합기(phase conjugator)(260)를 포함한다. 상기 판(250)은 펌프 캐비티(미도시)에 수용된다. 또한, 두 개의 편광기(202, 206)가 포함되어 입력 펄스를 포획하고 출력 펄스를 배출한다. 일곱 개의 평평한 고 반사 미러(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217)가 상기 판(250) 및 망원경(220)을 통과하는 광학적 경로를 형성하고, 편광기(206)는 링을 SBS 위상결합기(260)와 연결한다.
동작시에 마스터 오실레이터(200)는 S 편광의 입력 펄스를 공급한다. 상기 펄스는 편광기(202)에서 반사하여 편광의 변화없이 유지하면서 분리 포켈 셀(240)을 통과하여 진행하고 평광기(206)에서 다시 반사되어 미러들(211 - 217)로 형성되는 링 형상의 광경로로 진입한다.
상기 링에서, 빔은 P 편광으로 90°회전시키는 90도 회전자(208)로 진입한다. 펄스는 미러들(211, 212)을 통과하여 릴레이 망원경(220)의 광경로(219)를 따라 진행한다.
상기 망원경(220)은 진공밀폐물(226)에 장착되는 제1렌즈(224)와 진공밀폐물(230)에 장착되는 제2렌즈(228)을 구비하는 진공챔버(222)를 포함한다. 예시적인 실시예로서, 상기 각 렌즈(224, 228)는 1.2 미터의 초점 거리를 갖는다. 렌즈(224, 228)간 거리는 대략 2.4 미터로 조정되어 렌즈쌍이 무초점(afocal) 방식이 되도록 한다.
망원경(220)으로부터 미러(213)를 통해 상기 판(250)에 진입한 빔은 다시 미러 214 및 215에 의해 반사되어 상기 판(250)을 통과한다. 펌프 양의 단일 충전량(near unity fill of the pumped volume)은 진행 방향에 대해 본질적으로 거울 이미지인 제1지그재그 경로와 제2지그재그 경로에 의해 달성된다. 이러한 방식에서 제2지그재그 경로는 제1 경로에서 놓칠 수 있는 영역의 이득을 이끌어내게 된다.
상기 판(250)으로부터 미러(216)에서 반사되고 경로 242를 따라 망원경(220)에 진입한 빔은 미러(217)에서 반사되어 편광기(206)로 진입한다. 상기 빔은 90도 회전자(208)에서 회전되어 S편광에서 P편광으로 전환되었으므로 P편광된 빔은 편광기(206)를 투과하여 90도 회전자(208)로 진입하고 링에 두번째로 진행하게 된다. 그러나, 이러한 두번째 경로 동안에는 90도 회전자가 편광빔을 S편광으로 90°회전시킨다. 따라서, 상기 빔이 두번째 경로 마직막의 편광기(206)에 도달하게 되면 반사되어 SBS 위상결합기(260)로 진행한다.
SBS 위상결합기(260)로부터 나와 진행하는 상기 빔은 여전히 S편광이지만 반전된 위상오차(reversed phase error)는 편광기(206)에서 반사되어 미러(217)를 통해 망원경(220)의 경로 242를 따라 미러(216)에 도달한다. 미러 216으로부터 상기 빔이 상기 판(250)에 첫번째로 진행하고 미러 214 및 215에서 다시 반사되어 두번째로 판(250)을 통과한다. 상기 판(250)으로부터 진행하는 빔은 미러(213)에서 반사되어 다시 망원경(220)으로 진입하고 미러 212 및 211을 거쳐 90도 회전자(208)로 진행한다. 90도 회전자(208)는 편광을 다시 P편광으로 90도 회전시켜 빔을 편광기(206)에 투과시키고 링을 통한 세번째 패스를 완성하는데 이 경우엔 처음 두 경로와는 반대방향이 된다.
상기 빔은 P편광이므로 편광기(206)를 통과하여 링을 통한 네번째 경로를 진행하거나 반대방향으로 두번째 경로를 진행한다. 링을 통한 네번째 경로 마지막에서 90도 회전자는 편광을 다시 S편광으로 회전시켜 편광기(206)에서 반사되어 링을 빠져나와 분리된 포켈 셀(240)로 진행한다. 이 시점에서 순수의 누적 위상오차는 본질적으로 제로이다. 분리된 포켈 셀(240) 즉 패러데이 회전자는 빔의 편광을 P편광으로 회전시켜 고에너지 출력 펄스로 편광기(202)를 통과시킨다.
따라서, 도 7에 설명된 증폭기는 위상결합기에 진입하기전에 링을 순환하는 두 개의 경로를 사용하고 위상결합기를 빠져나온후에 링을 순환하는 두 개의 동일한 반대 경로를 사용하여 회절이 감소되고 빔의 피크 섭동 가능성을 최소화시킨다. 상기 링은 또한 포켈 셀 대신 수동 위상전이기(passive phase shifter)를 사용할 수 있다. 또한, 모든 광학 부품들은 두 개의 릴레이 망원경을 사용하여 상평면(image plane) 가까이 위치할 수 있다. 상기 증폭기는 또한 링 통행마다 두 개의 판(slab) 경로를 구비하여 이득 대 손실 비율이 매우 높다.
도 7의 단일 주파수 마스터 오실레이터(200)는 도 1 내지 5에 설명된 바 있듯이 진폭 및 순간 안정성이 우수한 일정한 단일 주파수를 공급한다. 도 6은 도 7의 레이저 시스템을 사용하여 발생되는 다수가 겹쳐진 Q-스위치된 순간 펄스 프로파일을 보여준다. 대표적인 펄스 프로파일을 보면 1.2 메가와트 이상의 펄스 높이와 반가치(full width half maximum)로 약 24 ns의 펄스폭을 나타내고 있다. 상기 펄스폭과 펄스 높이는 상당히 일정한 것을 볼 수 있다. 이 레이저는 사용자의 개입없이도 수시간, 수일, 수주 및 여러달동안의 동작 기간에 실질적으로 일정한 펄스폭과 펄스 높이를 제공할 수 있다.
본 발명의 이완 펄스 시드된(seeded) 오실레이터는 앞서 언급된 SBS 위상결합기를 이용하는 고 펄스에너지 고상 마스터 오실레이터/전력 증폭기 레이저 시스템에 적합하다. 또한, 광학 파라메트릭 오실레이터 및 파라메트릭 증폭기의 펌프 소스로서 주파수 2배 및 3배 레이저(frequency doubled and tripled laser), 라만 주파수 변환 등과 같은 비선형 주파수 변환을 시스템에 결합할 수도 있다. 상기 오실레이터 설계는 에너지원의 변동, 온도 변동 및 기계적 진동하에서 높은 안정성의 출력이 얻어지는 산업적 생산에서의 생산모드 설비(production mode facilities)와 같은 긴장된 환경에 적합하다. 대표적인 상업적 용도로 레이저 피닝, 레이저 핀(peen) 가공, 레이저 핀 마킹, 레이저 가공 및 레이저 어닐링 등이 있다.
도 8은 본 발명을 이용하여 공작물 표면을 레이저 피닝하는 생산 시스템의 개력도이다. 상기 생산 시스템은 도 1 내지 5와 관련하여 앞서 설명된 이완 펄스 시드된 마스터 오실레이터(300)를 포함한다. 전치 증폭기(301)는 상기 마스터 오실레이터(300)로부터 발생된 라인 303 상의 일련의 펄스를 증폭한다. 전치 증폭기(301)의 출력(304)이 도 7의 전력증폭기 같은 전력증폭기(302)에 인가된다. 고 출력 펄스가 라인 305 상에 인가된다.
공작물 조작 로봇(310)은 공작물(311)을 고정용 팔(312)로 고정한다. 상기 공작물(311)은 제트 엔진의 터빈블레이드, 또는 기타 레이저 피닝을 위한 표면상의 타겟 영역이 있는 금속 부품일 수 있다. 동작에 있어서, 높은 전력 펄스가 공작물(311)의 지점 306에 충격을 가하고, 로봇(310)이 공작물(311)을 이동시킨 후, 다음 펄스가 인가된다. 상기 레이저 시스템(300 - 302)의 펄스율은 1 헤르츠 이상으로 예를 들어 일실시예에서 약 3 hertz 이다. 일련의 펄스 작업과 더불어 상기 로봇(310)은 공작물(311)을 이동시켜 공작물(311) 표면의 타겟 영역을 피닝한다.
이완 발진 시드된 오실레이터(300)에서 공급된 시드 펄스의 안정성이 증폭기(302)의 출력을 매우 우수하게 하는 것으로 나타났다. 따라서, 상기 시드 레이저의 펄스 폭과 펄스 높이는 동작 기간중에 실질적으로 일정하다. 공작물이 로봇(310)에 장착되고 타겟 영역이 피닝되며 공작물을 제거하고 새로운 공작물을 장착하는 것과 같은 실질적으로 연속적인 작업 환경에서 다수의 공작물을 레이저 피닝하는데 요구되는 시간 주기에 대해 에너지 안정성의 평균 제곱근의 변화는 1 % 미만인 것으로 밝혀졌다. 예를 들어, 펄스당 약 15 내지 20 주울의 출력 펄스를 제공하는 전력 증폭기에 대해서 펄스 높이는 일련의 백만 펄스에 대해 150 밀리주울 이하로 변화하는 것으로 나타났다. 실질적으로 일정한 시드 펄스에 응답하여, 펄스당 약 10 에서 100 주울의 범위로 실질적으로 일정한 펄스당 에너지를 가지며, 작업 환경에서 중요한 주기, 예를 들어 적어도 연속된 백만 펄스 만큼의 주기에 대해 약 20 내지 30 ns의 범위로 실질적으로 일정한 펄스 폭을 가지는 전력증폭기에 의해 일련의 고전력 출력이 공급될 수 있다. 본 발명을 이용하여 상업적 작업의 공작물을 레이저 피닝하여 작업 진행 과정 동안 상당 기간(significant interval)에서 공작물에 요구되는 엄격한 일치성 및 신뢰성 기준을 만족시킨다. 상업적 작업에서 상당 기간은 적어도 삼일이며, 수주나 여러달이 될 수도 있다. 다른 상업적 작업에서 생산 동작의 상당 기간은 작업 진행 과정 동안 엄격한 일치성 및 신뢰성을 요구하는 일련의 공작물과 관련하여 다수의 공작물을 피닝하기 충분한 정도로 지속된다.
실제로, 본 발명의 시스템을 이용하여 마스터 오실레이터를 조정하기 위해 작업자가 개입하는 것 없이도 수주에서 여러달동안 펄스 높이와 펄스 폭을 일정하게 기대할 수 있다.
이상에서 본 발명은 바람직한 실시예와 예들을 참조하여 설명되었지만, 이와 같은 실시예들은 한정이 아닌 설명을 위한 것이다. 당업자에게 본 발명의 사상과 특허청구범위 내에서 변형과 수정이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 단일 주파수를 가지며, 진폭과 펄스 폭이 실질적으로 일정한 연속된 시드 펄스를 생성하는 단계와;
    레이저 증폭기에 상기 연속된 시드 펄스를 공급하여 연속된 단일 주파수의 고 에너지 출력 펄스를 유도하는 단계와; 그리고
    상기 출력 펄스와 협동하여 공작물을 위치시켜, 상기 공작물의 표면의 타겟 영역을 피닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 상기 표면의 타겟 영역에 피닝하기 위하여 위치시키는 동안 5% 미만의 진폭 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 상기 표면의 타겟 영역에 피닝하기 위하여 위치시키는 동안 5% 미만의 펄스 폭 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 상기 표면의 타겟 영역에 피닝하기 위하여 위치시키는 동안 1% 미만의 진폭 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 상기 표면의 타겟 영역에 피닝하기 위하여 위치시키는 동안 1% 미만의 펄스 폭 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 1초당 1펄스 이상의 반복율을 가지며, 다수의 공작물이 피닝되는 작업 환경에서 상당 기간 동안 작업자가 광학적 파라미터를 조절하지 않고도 상기 시드 펄스 소스의 진폭과 펄스 폭을 실질적으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    작업 환경의 다수 공작물에 대해 3일 이상 동안 작업자가 상기 시드 펄스 소스의 광학적 파라미터를 조절하지 않고도 진폭과 펄스 폭을 실질적으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 시드 펄스는 작업 환경에서 적어도 1 백만 펄스의 연속된 동작에 대하여 진폭과 펄스 폭을 실질적으로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 고 에너지 출력 펄스는 작업 환경에서 적어도 1 백만 펄스의 연속된 동작에 대하여 펄스당 10 - 100 주울(joule)의 범위에서 실질적으로 일정한 에너지를 갖는 펄스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 고 에너지 출력 펄스는 작업 환경에서 적어도 1 백만 펄스의 연속된 동작에 대하여 20 - 30 ns의 범위에서 실질적으로 일정한 펄스 폭을 갖는 펄스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 고 에너지 출력 펄스는 작업 환경에서 상당 기간 동안 작업자의 개입없이 펄스당 10 - 100 주울의 범위에서 실질적으로 일정한 에너지를 가지며 20 - 30 ns의 범위에서 실질적으로 일정한 펄스 폭을 갖는 펄스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속된 고에너지 출력 펄스는 작업 환경에서 적어도 3일 동안 펄스당 10 - 100 주울의 범위에서 실질적으로 일정한 에너지를 가지며 20 - 30 ns의 범위에서 실질적으로 일정한 펄스 폭을 갖는 펄스를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 생성 단계는,
    공진기와 상기 공진기 내부에 위치하는 이득 매질과 펌프 소스를 포함하는 레이저를 이용하는 단계와;
    캐비티 내의 손실을 상기 공진기로 유도하는 단계와, 여기서 상기 손실은 상기 펌프 소스로부터 발생되는 에너지가 상기 이득 매질에 저장되는 시간 동안 발진을 억제하는 양이며;
    상기 공진기에 단일 주파수의 이완 발진 펄스가 형성될 때 까지 상기 이득 매질에 상기 펌프 소스로부터 발생되는 에너지로 이득을 증대시키는 단계와; 그리고
    상기 이득 매질에 저장된 증대한 이득이 출력 펄스 형태로 공진기로부터 출력될 수 있도록, 상기 이완 발진 펄스가 감지되면 상기 공진기에 유도된 캐비티 내의 손실을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작물 표면의 레이저 충격 피닝 방법.
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