KR101138455B1 - 펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저 발생장치 - Google Patents

펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저 발생장치 Download PDF

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Abstract

펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저발생장치에 있어서, 양측에 대향되게 형성된 프레임(1);과 상기 프레임(1) 사이의 중간 지점을 횡단하며 설치되는 Nd:YAG 크리스털 로드(코어, 90);과 상기 코어(90)를 심부에 두고 코어를 감싸며 냉각수가 흐를 수 있도록 하기 위해 튜브 형상으로 형성되는 쿼츠(80); 가 레이저발생장치 중심부에 형성되며, 모듈 부품들의 공간 집적도를 높이기 위하여, 상기 코어(90)와 쿼츠(80)를 중심으로 하여, 방사 형태로 소정의 각도를 두고 이격되면서 LD 모듈(10)이 다수 형성되되, 각각의 상기 LD 모듈(10)의 구성은, LD(40);와 상기 LD(40)가 일측에 마운팅되는 LD 마운팅유닛(12);과 상기 LD 마운팅유닛(12) 끝단부에 위치하여 LD(40)에서 방출되는 빛을 통과시키는 렌즈(30);와 상기 LD 마운팅유닛(12)과 대면 접촉하며, 그 내부에 수로관(60)이 형성된 냉각블록(14)으로 구성됨으로써, LD(40)로부터 발생되는 열이, LD 마운팅유닛(12)과 냉각블록(14)을 통하여 수로관(60) 내의 냉각수로 전달되어, 방출되는 것을 특징으로 하는, 펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 발생장치가 제공된다.

Description

펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저 발생장치{The structure of a laser beam generator}
본 발명은 Nd:YAG 레이저로 대표되는 산업용 레이저 분야에서 펄스 다이오드 펌핑형 고출력 레이저발생장치의 구조에 관한 것이다.
본 발명은 "펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저 모듈"이다. 이것은 808 나노미터(nm)의 레이저 다이오드(laser diode)를 발진시켜 엔디야그(Nd:YAG) 크리스털에 에너지를 공급하고, 이로부터 1064 나노미터의 레이저를 발진시키는 장치이다.
레이저 다이오드(이하 " LD " 라고도 칭함)를 펌핑원으로 이용한 고체레이저에는 Nd:YAG, Nd:Y3Al5O12 등 여러 종류의 결정을 페이저 매질로 사용 가능하다.
Nd:YAG는 Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet의 약칭으로, 인조 결정체인 Yttrium-Aluminum-Garnet (Y3Al5O12, YAG) 결정체에 란탄(Lanthanide) 계열의 Nd (Neodymium, 원자번호 60번) 원소를 미량 첨가하여 Y(Yttrium, 원자번호39번) 원소의 자리에 치환된 구조이며, 레이저는 Nd원자에서 발진된다.
즉, 레이저가 발생되는 원소는 Nd이고, YAG는 그에 대한 구조물 역할을 하게 된다.
Nd 원소는 Nd:YAG 이외에도 Nd:YLF, Nd:Glass, Nd:YVO4 등과 같이 투명한 물질에 소량을 침투시킴으로써 적외선 계열의 레이저를 발생시키는데 이용된다. Nd 원소는 보통 0.6~1.3 %의 Y에 대해 치환되는데, 치환율이 너무 작으면 레이저의 발생이 약해지고, 치환율이 높아지게 되면 형광수명이 단축되어 선폭이 넓어지게 되며 분포역전율이 떨어지고, 또한 원소의 크기 차이로 인하여 결정 내부에 비틀림이 커져서 결정체의 강도가 약해진다.
Nd:YAG 결정체가 레이저 매질로 사용되기에 유리한 점으로는 YAG의 빛 투과성, 결정체의 단단함, 광학적 등방성 등이 있다.
상온에서의 Nd 원자의 에너지 준위에서 가장 강한 전이는 파장이 1064.1nm인 4F3/2 -> 4I11 / 2전이과정이며, 공진기 내부에 파장 선택용 광학계를 삽입하면 그 밖의 전이로부터 1052, 1062, 1074, 1078, 1112, 1116, 1123, 1319nm 등과 같은 파장의 레이저를 발진시킬 수도 있다.
레이저가 발진되기 위해서는 우선 Nd원소가 펌핑밴드(pumping band) 상태로 여기되어야 하는데, 이는 크세논(Xe)이나 크립톤(Kr) 개스가 봉입된 플래쉬램프(flashlamp) 등과 같이 강한 빛으로 펌핑(pumping) 시킴으로써 이루어진다. 이 때 발생되는 레이저의 파장은 1064 nm의 적외선 대역이며, 출력이 세고 동작형태가 다양하여 CO2 레이저와 더불어 산업용 레이저로 많이 사용된다.
펄스형 Nd:YAG 레이저는 레이저 출력 형태가 펄스형이므로 첨두출력이 세고 다양한 가공변수를 구현할 수 있으며, 광섬유로 원거리 전송이 가능하기 때문에 용접용으로 특히 많이 사용된다.
레이저 다이오드(LD)로 불리는 반도체 레이저는 반도체를 매질로 사용한다. 대부분 반도체 레이저는 피엔 접합(p-n junction)에서 형성되어 인가된 전류에 의해 에너지를 얻는 구조이다.
반도체 레이저는 광섬유에 쉽게 연결되므로 광통신에도 많이 사용되며 측정 장치, 바코드리더기, 레이저포인터, 레이저 프린트 등에 사용되므로 레이저 중에서 가장 활용도가 높은 종류이다. 그 중에서도 레이저 다이오드(LD)는 열처리, 클래딩, 정밀용접 등에 많이 사용되고 있으며, 고체레이저의 펌핑원으로 사용되고 있다.
이러한 고체레이저는 램프 펌핑에 비해 에너지 효율이 월등히 높은데 그 이유는 레이저 다이오드 발진 파장과 Nd(neodymium)의 흡수파장이 808 nm 부근에서 일치하기 때문이다.
본 발명은 이러한 "펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 발생장치" 에 관한 것이다.
도 1에서는 공개특허공보(공개번호 10-2009-0038223, 출원번호 10-2007-0103607, 이하 "인용자료"라고 칭함)의 레이저 발생장치를 도시하고 있다.
상기 공개특허에서 광원(110)과 일부영역 (121)에 Nd 와 같은 희토류 원소가 도핑되는 레이저매체(120)와 레이저 매체의 외측면에 접하도록 방열부(130)가 포함되어 있다. 광원(110)은 하나 또는 둘 이상으로 이루어져 방사되는 광을 레이저매체(120)에 대해 다수의 방향으로 펌핑하며, 레이저매체(120)를 중심으로 120도 각도를 이루도록 설치되며 레이저매체(120)의 길이방향 축에 직교하는 방향으로 광을 펌핑하는 구조이다.
그러나 상기 인용 자료에서 제시된 구조는, 방열블록(131)과 광원(110)이 중간부분의 코어(121)를 중심으로, 원주방향을 따라 일정각도를 두고 교대로 이격되어 설치되므로, 방열블록(131) 위치에는 광원을 설치하지 못하여 광원 설치 개수에 제한을 받아서, 고출력 레이저 발생 자체가 어렵게 되는 문제가 있었으며, 또한 광원 주변의 열을 효과적으로 방출하지 못하는 단점이 있었다.
본 발명은 이에 착안하여, 도 2(본 발명의 레이저 발생 장치 개념도)에서 도시된 바와 같이, 고출력의 레이저 빔을 발생하기 위해, 광원이 되는 LD를 원형으로 촘촘히 배치하고, 냉각 블록을 광원인 LD와 일체화함으로써, 좁은 공간에 많은 LD를 설치하면서도, LD 주변에 존재하는 다량의 열방출을 효율적으로 수행할 수 있는 레이저 발생장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 "펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저 모듈" 시스템에 있어서, 고출력 레이저 발생 장치 구조를 제공하는 것이 그 목적이다.
이를 위하여 레이저다이오드(LD), 렌즈, LD 마운팅 및 냉각 장치 구조가 좁은 공간에 효율적으로 집적되어야 한다.
특히 다수의 레이저다이오드에서 발생되는 다량의 열을 효과적으로 냉각시키면서도, 레이저 발진 파장의 안정화를 이룰 수 있는 냉각 시스템 구조가 필수적으로 구비되어야 한다.
요약하면, 다수의 레이저 다이오드(LD)를 배치시킴에 따른 공간적 제약을 극복할 수 있도록, Nd:YAG 크리스탈 로드(crystal rod, 이하 "코어" 라고도 칭함) 주변 및 LD 주변에 냉각 블록을 적층(積層) 배치함으로써, 고출력, 고 발열의 레이저 생성 시스템에 최적으로 대응할 수 있는 고체레이저발생장치 구조를 제시하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명 레이저 발생장치에 있어서, 레이저는 10% 정도의 듀티(duty)에서 약 600W의 평균출력이므로 약 6kW의 첨두출력이 요구된다. 이를 위하여 필요하게 되는 펌핑소스는 약 25kW 정도이므로 100W 출력의 다이오드 레이저 약 250개가 필요하게 된다.
이와 같은 숫자의 다이오드 레이저를 약 180mm 길이와 9 mm 지름의 코어(Nd:YAG crystal rod) 주변에 배치하여야 하기 때문에, 이를 위하여 14개의 LD 모듈이 코어의 길이방향으로 배치되고 그와 같이 형성되는 길이방향의 모듈을 코어 주변에 방사 형태로 18줄 배치한다. (즉 14 X 18 = 252 개의 LD) 다만, LD의 개수를 다소 가감(加減)할 수도 있다.
본 발명의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저발생장치에 있어서, 양측에 대향되게 형성된 프레임(1);과 상기 프레임(1) 사이의 중간 지점을 횡단하며 설치되는 Nd:YAG 크리스털 로드(코어, 90);과 상기 코어(90)를 심부에 두고 코어를 감싸며 냉각수가 흐를 수 있도록 하기 위해 튜브 형상으로 형성되는 쿼츠(80); 가 레이저발생장치 중심부에 형성된다.
그리고 냉각 장치의 공간 집적도를 높이기 위하여, 상기 코어(90)와 쿼츠(80)를 중심으로 하여, 방사 형태로 소정의 각도를 두고 이격되면서 LD 모듈(10)이 다수 형성된다.
이때 각각의 상기 LD 모듈(10)의 구성은, LD(40);와
상기 LD(40)가 일측에 마운팅되는 LD 마운팅유닛(12);과
상기 LD 마운팅유닛(12) 끝단부에 위치하여 LD(40)에서 방출되는 빛을 통과시키는 렌즈(30);와
상기 LD 마운팅유닛(12)과 대면 접촉하며, 그 내부에 수로관(60)이 형성된 냉각블록(14)으로 구성됨으로써, LD(40)로부터 발생되는 열이, LD 마운팅유닛(12)과 냉각블록(14)을 통하여 수로관(60) 내의 냉각수로 전달되어, 방출되는 것을 특징으로 한다.
본 레이저 발생 장치의 냉각시스템의 구성을 보다 자세히 살펴보면, 코어 (Nd:YAG 크리스털 로드)를 중심으로 냉각수가 지나가는 통로가 형성되어 코어의 열을 방출하게 되며, 냉각장치의 공간 집적도를 높이기 위하여, 상기 코어(90) 중심으로 하여, 방사형태로 소정의 각도를 두고 이격되면서 레이저 다이오드 모듈(LD 모듈)이 다수 형성된다.
상기 LD 모듈(10)들 각각은, 내부에 수로관(60)이 형성된 하나의 냉각블록(14)과 상기 냉각블록(14)의 길이방향을 따라 다수개의 LD마운팅 유닛(12)이 상호 결합됨으로써, 상기 LD 마운팅유닛(12) 단부에 형성된 LD로부터 발생되는 열이, 상기 LD마운팅유닛(12)과 냉각블록(14)을 통하여 수로관(60) 내의 냉각수로 전달되어, 냉각이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
보다 상세한 본 발명의 구성은 차후 설명한다.
본 발명에 냉각 시스템은, 많은 수의 LD에 직접 부착되어져 효과적인 냉각을 가능케 하므로, 1064 나노미터의 안정적인 파장으로 평균출력 300W 및 600W의 레이저 빔의 발생이 가능하게 된다.
도 1은 레이저 헤드 모듈의 기본 구조
도 2는 본 발명의 냉각 대상이 되는 레이저 발생 장치의 개념도,
도 3은 레이저 발생 장치의 촬영사진
도 4는 코어를 중심으로 LD와 LD 마운팅유닛 및 냉각블록이 배치된 도면,
도 5는 도 3의 냉각블록과 LD 마운팅 유닛을 탈거 후, 그 내부를 촬영한 사진,
도 6은 도 3의 장치로부터 탈거한, 냉각블록과 LD 마운팅 유닛을 촬영한 사진,
도 7은 도 6의 피사체를 A 방향으로부터 본 도면,
도 8은 도 6의 피사체를 B 방향으로부터 촬영한 사진,
도 9는 도 6에서 냉각블록을 탈거한 상태(전극, LD 마운팅 유닛, LD 및 렌즈가 결합된 상태)를 촬영한 사진,
도 10은 도 9 중에서 LD 마운팅 유닛을 촬영한 사진
도 11은 도 9 중에서 렌즈를 촬영한 사진이다.
도 12 내지 도 16은 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 열전달 결과를 나타낸 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명 펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 모듈에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
다만, 이하 본 발명의 바람직한 실시예에 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니고, 당업자 수준에서 쉽게 변형 가능한 어떠한 구조라도 본 발명의 권리범위에 속함은 자명하다.
상술된 바와 같이, 엔디야그(Nd:YAG) 레이저는 초정밀 용접용 공작기계의 핵심요소로 발전하고 있는데, 본 발명 "펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 발생장치"는 평균출력 300W, 600W 의 펄스형 레이저 빔을 발생할 수 있는 장치이며, 발생된 레이저는 광파이버를 통하여 전송되고 집속장치에 의해 집속되어져, 정밀 레이저 용접, 드라이 에칭, 스크라이빙 등 첨단 아이티(IT) 제품의 부품 개발에 활용될 수 있다.
본 발명의 구성요소는 크게, 레이저 헤드모듈(head module), 레이저 다이오드, 에너지를 공급해줄 전원장치, 냉각장치 그리고 제어장치로 구성된다.
이와 같은 "펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 모듈" 개발에서는 안정적인 파장의 레이저 다이오드(LD) 발진을 위해서는 정밀한 냉각 제어가 이루어져야 하고, 그에 따라 레이저 다이오드(LD) 유닛이 Nd:YAG 크리스털로드 (코어) 주변에 열역학 및 광학적으로 최적화된 냉각구조 배치가 이루어져야 한다.
본 발명에 의해 방출되는 레이저는 약 10msec 펄스폭으로 10% 듀티(duty)의 펄스빔 발생시 약 600W 의 평균 출력을 주는 멀티모드의 1064 nm 레이저빔이다.
첨두출력치는 약 6kW 가 요구되며 레이저 발진 효율을 20~30% 로 본다면 이를 위한 펌핑소스의 총출력은 약 20~30kW 정도이다. 이런 출력을 내자면 100W 출력인 다이오드레이저 약 200 ~ 300 정도가 필요하게 된다.
상기와 같이 많은 다이오드레이저를 코어 주위에 배치해야 하므로, 공간 활용도를 매우 높여 LD 모듈을 고집적화 시켜 설치해야 한다.
본 발명의 레이저 장치 외관은 도 3에 도시되어 있다. (다만, 도 3은 제작중의 촬영사진이며, 도 9에 도시된 구조물이 도 5와 같이, 냉각블록(14)에 촘촘히 나란하게 결합됨으로써, 레이저 발생장치 제조가 완료됨)
도 3의 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 (혹은 그 반대) 레이저가 최종적으로 방출되며, 그 레이저의 생성은 코어(90)를 중심으로 촘촘히 배치된 LD(40, 도 4)가 렌즈(30) 중심부인 방출부(31, 도 11참조)를 통과하고, 이어서 코어(90) 주위의 석영재질인 쿼츠(80)를 통과한 뒤 코어(90)에 도착한 뒤 레이저빔이 도 3의 오른쪽 방향으로 펌핑되는 것이다.
도 4와 같이, 상기 LD(40)는 상기 LD마운팅유닛(12) 단부에 수평하게 부착되며, 렌즈(30)는 상기 LD(40)와 상호 수직하게 위치하며, LD마운팅유닛(12)과 LD(40)와 렌즈(30)가 일체로 결합된 구조물 다수개가 하나의 냉각블록(14)에 결합된다. (도 6, 도 7 참조)
상기 렌즈(30)의 양쪽 표면의 중심부는 무반사 코팅되어 LD로부터 발생된 빛이 용이하게 집속되도록 하며, 렌즈(30)의 나머지 표면 부위는 808 나노미터 반사 코팅되어 코어(90)로 흡수되지 않고 반사된 빛을, 코어(90)쪽으로 다시 반사시켜 되돌리게 된다. 도 4에서, B, D 영역은 무반사 코팅, A,C 영역은 반사(808나노미터 반사) 코팅을 한다.
또한 도 4와 같이, 상기 렌즈(30)의 단면형상은 원호(圓弧)로 형성되어 모든 렌즈(30)가 설치된 상태에서는, 렌즈들의 표면을 연결하면 원형을 이룬다.
도 2는 본 발명의 개략적인 개념도로서, 광원으로부터 발생된 빛 중심의 코어를 통해 방출되는 것을 의미하며, 코어 주위로 촘촘히 LD(도 8, 40)와 냉각블록(14) 및 LD 마운팅 유닛(12)이 모두 결합된 것을 간략히 묘사한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 냉각의 대상이 되는 레이저 장치의 헤드부분 모듈의 기본 구조는 코어 주변에 약 200 내지 300개의 레이저 다이오드들이 원주를 따라 배열되는 구조인데, 도 2에서는 원주 방향을 따라서 일정 각도를 이격해 가면서, 18개의 위치에 LD 모듈(10, 도 5, 도 7 참조)이 배치되어 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 장치 자체가 "하나의 LD 모듈(10)"이 된다.
다만, 도 6은 제조과정 중의 도면이고, 완성된 상태의 LD 모듈은 도 7에 도시된 바와 같이, 전극(20), LD(40), 렌즈(30), LD 마운팅유닛(12)이 하나의 냉각블록(14)에 촘촘히 결합되어야 한다.
이하, 본 발명 레이저 발생장치의 냉각 시스템 구조와 냉각 시스템에 결합되는 부품들을 작은 단위부터 살펴본다.
상술한 바와 같이, 도 6 내지 도 8에 도시된 것이 하나의 LD 모듈(10)에 해당한다. 이러한 LD 모듈은 도 4와 같이 코어(90)를 중심으로 방사 형태로 18개 구비된다. 이러한 LD 모듈의 개수는 원하는 출력에 따라 가감되어 제작될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 냉각 시스템의 핵심적 요지는 도 4에서 도시되고 있다.
즉 하나의 LD 모듈은 도 4의 확대도에 도시된 것과 같이, LD(40)와 발생되는 열의 냉각을 위한 냉각블록(14)이 일체화 되어 있는 것이 본 발명의 가장 큰 특징이다.
도 1과 같은 종래 기술에서는 냉각블록과 광원(LD)이 일체화된 구조가 아니므로, 매우 많은 수의 LD가 요구되는 고출력 레이저 장치에서는 사용하기 부적합 하였으나, 본 발명에서는 코어(90)를 중심으로 하나의 방사선 방향의 동일선상에, LD(40), LD 마운팅유닛(12) 그리고 냉각블록(14)가 모두 일체화 되어 있으며, 냉각블록(14) 각각에는 냉각수 통로인 수로관(60)이 형성되어 있어서, 고출력 레이저 발생장치에 최적합한 냉각 구조를 갖추고 있다.
도 4를 보면, LD마운팅유닛(12)은 냉각블록(14)이 마주하고 결합되어 있으며, LD(40) 가 LD 마운팅유닛(12, 확대도 도 10) 단부 일측에 부착되며, LD로부터 발생된 빛이 통과하게 되는 렌즈(30, 확대도 도 11)는 LD 마운팅유닛(12)의 최단부에 형성된다.
도 4 의 좌측 일점쇄선 내에 도시된 확대도면에 해당하는 사진이 도 6이며, 도 7은 도 6의 뒤쪽(A방향)에서 본 것이다. 그리고 도 9는 도 6 상태에서 냉각블록(14)만을 분리시킨 상태에서 촬영한 사진이다.
한편, 도 6 및 도 7의 LD 모듈에는, 도 9에 도시된 전극(20), LD마운팅유닛(12), 렌즈(30) 및 LD(40)의 결합체가 촘촘히 배치되어 있지 않은데, 실제 레이저 발생장치 조립시에는 도 5와 같이 촘촘히 설치된다.
상술된 바와 같이, 냉각블록(14)은 LD 마운팅유닛(12)과 대면하면서 LD (40) 일측 하부에 형성되며, LD(40)에 전원을 공급하는 통로가 되는 전극은(20)이 냉각블록(14)의 일측 주위에 형성되는데, 전극을 통해 전원이 LD(40)로 공급되면, LD 에서는 빛이 발진되고, 그 빛은 렌즈(30)를 통하여 코어(도 4, 90)으로 진행한 뒤, 도 3의 좌측에서 우측(혹은 그 반대로도 가능)으로 레이저가 방출되게 된다.
이러한 레이저 방출과정에서 발생하는 높은 열은 본 발명 장치와 같이, LD 모듈(10) 마다 형성된 냉각 시스템에 의해 방열되는 것이다.
이러한 방열이 효과적으로 수행되려면, 냉각블록(14)와 LD 마운팅 유닛(12) 재질은 구리 합금과 같이, 높은 열전도율의 금속 재질로 형성되어야 하며, 도 4와 같이 냉각블록(14) 내부에 열교환을 위한 수로관(60)이 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 수로관의 형상과 크기는 다양하게 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 단면이 둥근 형태로 약 4밀리미터 정도 직경으로 형성하였지만, 이에 국한되지 아니한다.
한편, LD 마운팅 유닛(12)의 표면은 금 코팅되어 열 전달률을 한층 상승시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 의의는, LD 모듈(도 6) 내에, 냉각블록(14)과 LD 마운팅블록(12)과 LD(40) 및 렌즈(30)를 모두 일체화 시켜 고집적화 함으로써 고출력 레이저 빔 발생 장치에 있어서 장기간 미해결 과제였던, 냉각(방열) 구조를 최적화 하였다는 데 있다.
이로써 200개 이상의 많은 수의 LD를 장착한 레이저 발생장치에서, 1064 나노미터의 안정적인 파장으로 평균출력 300W 및 600W의 레이저 빔 발생이 가능하게 되는 것이다.
본 발명의 특징과 구조를 요약하면 다음과 같다.
LD 모듈(10)을 코어의 외주면을 따라 방사 형태로 18줄(도 2 참조)을 배치한다. 이때 각각의 LD 모듈에는 14개 LD가 부착되므로, 그 총 개수를 계산하면 14 X 18 = 252 (개) 된다.
LD 에서 발생되는 열량은 매우 많기 때문에 이를 효율적으로 냉각시키는 구조가 필요하게 되며 또한, 코어 및 LD 주변에 냉각장치를 효과적으로 배치해야 하는 과제가 대두되며 본 발명을 통하여, 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 레이저장치를 제시하고자 하는 것이다.
도 4는 상술한 바와 같이, 코어(90)를 중심으로 LD(40)와 LD마운팅유닛(12) 및 냉각블록(14)이 LD 모듈화(도 6)되어 배치된 상태이며, LD 모듈의 끝부위에는 실린더 형상의 렌즈(30)들이 상호 이웃하게 설치됨으로써, 둥근 하나의 원형을 코어(90) 주위로 형성하게 되는 것이다.
한편, 도 5는 도 3의 냉각블록과 LD 마운팅 유닛을 탈거 후, 그 내부를 촬영한 사진이다.
중간에는 속이 빈 파이프 구조의 쿼츠(80)가 횡으로 설치되어 있으며, 그 내부에는 상기 코어(90)가 배치되어 있고, 쿼츠(80)와 코어(90) 사이에는 수로관(70, 도 4 참조)이 형성되어 있어서, 코어(90) 자체에서 발생하는 열을 방출시킬 수 있다.
바람직하게는 1분당 25 내지 30리터 정도의 유량을 흘려보내도록 하여 효과적인 열 방출을 할 수 있도록 한다.
본 발명의 냉각 구조의 열 방출 능력을 검증하기 위해 다음과 같은 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다.
LD 모듈의 열확산 및 냉각모델 시뮬레이션
1. MATLAB 시뮬레이션
원하는 레이저의 출력과 개념설계에 의해 설정된 기본적인 구조에 의해서 LD 마운팅 유닛(12)과 냉각블록(14)에서 발생되는 열의 전파 및 평형상태 도달에 관한 컴퓨터 시뮬레이션을 MATLAB 상에서 실시하였다. 기초적인 기하학적 형상은 도 12와 같다.
　 　단위 GaAs AlN Cu
density g/cm3 5.32 3.26 8.96
thermal conductivity W/cmC 0.55 1.6 3.86
specific heat coefficient J/gC 0.33 0.74 0.385
시뮬레이션의 경계조건은 냉각수 온도를 섭씨 20도로 고정하였으며, 모듈의 초기 온도는 실내온도와 평형상태를 이룬 것으로 보고 25로 정하였다. LD 에서의 발열은 10mm x 2mm의 면적에서 100W의 열이 발생되는 것으로 하였다. 계산에 요구되는 물리적 상수들은 상기 표 1과 같이 주었다.
펄스 레이저는 최대 20msec 의 펄스 폭에 최대 20% duty이므로 거시적으로는 평균 20W의 발열이 지속되는 것으로 간주하는 조건으로 하여 계산된 결과는 도 13 과 같다.
반면, 실제적으로는 100W의 열이 매 펄스마다 발생하게 된다. 펄스 폭이 10msec일 때 실제 순간 온도 상승은 평균 20W의 열이 발생될 때에는 약 28 도까지 상승되는 것에 비해 약 40도 까지 상승되는 결과를 얻을 수 있으므로, 12도 정도의 차이가 나는 것으로 볼 수 있다. (도 14 참조)
따라서 온도가 평형에 가까워지는 약 5초 후에는10% duty의 100W 펄스에 의해서 약 58 도에 도달하는 것으로 예측된다.
2. SolidWorks tool 시뮬레이션
솔리드웍스(SolidWorks)를 사용한 시뮬레이션에서는 냉각수의 온도를 섭씨 27도로 계산하였으며, CW형 100W 입열에 대해 아래와 같은 결과를 얻었다. 즉, LD 마운팅 유닛의 최고 온도가 140도 정도 상승하여 평형상태를 유지함을 알 수 있다.
반면, 펄스의 duty를 1%, 5%, 10% 등으로 변화시키고 펄스폭을 0.1ms, 0.3ms, 1ms, 10ms 등으로 변화시키면서 냉각 효과를 관측한 결과, 150W의 입열량에 대하여 10% duty에서 10ms 펄스를 사용할 경우에 최고 온도 값이 섭씨 70도 정도가 되며, 이는 냉각수 온도 기준으로 약 40도가 상승된 값으로 분석되었다.
상기와 같이, 본 발명에서는 고출력 레이저 장치에 채용될 수 있는 냉각 시스템 구조에 대해 제시하였으며 그 열전도 및 평형상태 도달에 관한 컴퓨터 시뮬레이션을 시행 해 본 바, 본 발명의 냉각 시스템 구조는 많은 수의 LD에 직접 부착되어져 효과적인 냉각을 가능케 하므로, 1064 나노미터의 안정적인 파장으로 평균출력 300W 및 600W의 레이저 빔 발생이 가능함을 확인할 수 있다.
본 발명은 고체레이저 발생장치에 관해서 독자적인 기술 보유가 되지 않은 국내 현실을 고려해 볼 때, 매우 획기적인 장치라고 할 수 있을 것이다.
아울러, 본 발명은, 펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저에 대해서 구체적인 실시예를 서술하였으나, 기타 구조의 고체레이저 장치에도 용이하게 변형하여 적용 가능할 것이다.
따라서 본 장치에 관련된 구체적인 실시예에 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야의 통상의 지식과 기술을 가진 자 수준에서 용이하게 변형 가능한 발명으로서 균등 수준인 것은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다.
10: LD 유닛
12: LD 마운팅 유닛 14: 냉각블록
20: 전극 30: 렌즈
31 :방출부
39: 절연체 40 : LD
60, 70: 수로관
80:쿼츠 90:코어

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 펄스 다이오드 펌핑형 고체 레이저발생장치에 있어서,
    양측에 대향되게 형성된 프레임(1);과
    상기 프레임(1) 사이의 중간 지점을 횡단하며 설치되는 Nd:YAG 크리스털 로드(코어, 90);과
    상기 코어(90)를 심부에 두고 코어를 감싸며 냉각수가 흐를 수 있도록 하기 위해 튜브 형상으로 형성되는 쿼츠(80); 가
    레이저발생장치 중심부에 형성되며,

    모듈 부품들의 공간 집적도를 높이기 위하여, 상기 코어(90)와 쿼츠(80)를 중심으로 하여, 방사 형태로 소정의 각도를 두고 이격되면서 LD 모듈(10)이 다수 형성되되,
    각각의 상기 LD 모듈(10)의 구성은,
    LD(40);와
    상기 LD(40)가 일측에 마운팅되는 LD 마운팅유닛(12);과
    상기 LD 마운팅유닛(12) 끝단부에 위치하여 LD(40)에서 방출되는 빛을 통과시키는 렌즈(30);와
    상기 LD 마운팅유닛(12)과 대면 접촉하며, 그 내부에 수로관(60)이 형성된 냉각블록(14)으로 구성됨으로써,
    LD(40)로부터 발생되는 열이, LD 마운팅유닛(12)과 냉각블록(14)을 통하여 수로관(60) 내의 냉각수로 전달되어, 방출되는 것을 특징으로 하며,
    상기 LD(40)는 상기 LD마운팅유닛(12) 단부에 수평하게 부착되며, 렌즈(30)는 상기 LD(40)와 상호 수직하게 위치하며,
    LD마운팅유닛(12)과 LD(40)와 렌즈(30)가 일체로 결합된 구조물 다수개가 하나의 냉각블록(14)에 결합되는 것을 특징으로 하는,
    펄스 다이오드 펌핑형 고체레이저 발생장치.

  3. 삭제
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