KR101387314B1 - 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법 - Google Patents

펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101387314B1
KR101387314B1 KR20120153491A KR20120153491A KR101387314B1 KR 101387314 B1 KR101387314 B1 KR 101387314B1 KR 20120153491 A KR20120153491 A KR 20120153491A KR 20120153491 A KR20120153491 A KR 20120153491A KR 101387314 B1 KR101387314 B1 KR 101387314B1
Authority
KR
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
time
pulse
beam
laser beam
controller
Prior art date
Application number
KR20120153491A
Other languages
English (en)
Inventor
조성은
천세경
최상환
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Grant date

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034Observing the temperature of the workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0626Energy control of the laser beam
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING STIMULATED EMISSION
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices for generation, amplification, modulation, demodulation, or frequency-changing, using stimulated emission, of infra-red, visible, or ultra-violet waves
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10038Amplitude control
    • H01S3/10046Pulse repetition rate control
    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING STIMULATED EMISSION
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices for generation, amplification, modulation, demodulation, or frequency-changing, using stimulated emission, of infra-red, visible, or ultra-violet waves
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1028Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation by controlling the temperature

Abstract

본 발명은 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법은, 데이터 서버로부터 제공받은 작업대상물의 가공 조건 정보로부터 작업대상물에 조사될 적합한 레이저 빔의 펄스 에너지 및 노출 시간을 제어기에 의해 결정하는 단계; 제어기에 의해 빔 모니터링 장치로부터 전송받은 빔의 평균 출력 파워 및 에너지가 설정된 빔의 평균 출력 파워 및 에너지 범위 내에 있는지를 판별하는 단계; 판별 정보를 바탕으로 제어기에 의해 작업대상물의 가공에 적합한 펄스 에너지와 빔 평균 출력 파워를 설정하는 단계; 및 설정된 빔 평균 출력 파워를 측정된 빔 평균 파워가 따라갈 수 있도록 하기 위해, 제어기가 측정된 평균 파워의 변화가 최소화되도록 트리거 펄스의 오프-타임(off-time)인 로스-타임(loss-time)을 계산하고, 그것을 트리거 펄스 발생기에 제공하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 원하는 펄스 에너지는 트리거 신호의 펄스 폭을 고정하여 획득하고, 원하는 평균 광파워는 트리거 신호의 오프 타임 구간인 로스-타임을 변경(조정)해서 획득함으로써, 레이저 빔의 평균 출력 파워와 펄스 간 에너지 변화를 동시에 안정화시킬 수 있다.

Description

펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법{Pulsed laser system and driving method thereof}

본 발명은 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 빔의 평균 출력 파워와 펄스 간 에너지 변화를 동시에 안정화시킬 수 있는 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저를 이용한 가공에서는 레이저의 파워 혹은 에너지의 시간에 대한 안정성이 중요한 요소로 고려된다.

레이저의 안정성을 얻기 위해서, 레이저 다이오드 및 기체 등의 매체에 펌핑 에너지를 직접 조절하는 방법으로 레이저의 출력 파워나 에너지를 제어한다.

드릴 등을 이용한 비어 홀의 가공에서는 그 특성상 펄스 형태의 레이저를 사용하게 되는데, 출력 파워를 안정화시키면서 동시에 펄스-대-펄스 에너지를 안정화시키는 것은 쉽지 않다. 보통의 경우, 출력 파워를 안정화시키기 위해서 특정 구간 동안 펄스 에너지의 불안정성을 유발할 수 있다. 특히, 가공 시 필요한 펄스 에너지가 부족할 경우에는 가공이 중단되어 생산성의 저하로 이어질 수 있다.

종래에는 레이저 매체의 펌핑 에너지를 제어하기 위해서 펌핑 피크 파워나 펌핑 타임을 조절하는 방법이 사용되었다.

펄스 폭 변조(Pulse-width modulation;PWM)를 이용하여 펌핑 시간을 조절하는 방식은 광학 센서(optical sensor) 등을 이용하여 측정된 광파워의 변화를 줄여주는 방법이다. 이 방법에서는 펌핑 타임의 변화에 따라 광 출력의 시간이 달라지는데, 광-노출 시간이 중요한 가공 분야에서는 제약을 받을 수 있다.

펌핑 타임에 제약을 받지 않고 고주파 펌핑 신호의 크기를 직접 조절하여 측정된 광파워의 변화를 줄일 수도 있다. 그러나, 이 방법은 제어 인터페이스를 추가로 요구하기 때문에 레이저의 제어 회로가 복잡해질 수 있다.

펌핑 에너지 조절시에 생길 수 있는 빔 펄스의 에너지 저하를 최소화하기 위하여, 파워를 변화하는 도중에 다른 형태의 펌핑 신호를 발생시켜 가공에 이용할 수 있는 펄스 수를 늘리는 방법도 가능하다. 그러나, 이 방법도 여러 종류의 펌핑 신호를 준비해야 하는 등 제어 회로가 복잡해진다.

그밖에, 펄스-대-펄스(pulse-to-pulse) 에너지의 변화를 줄이기 위해, 광센서 출력신호를 검출하여 펌핑 에너지나 광학 손실률(loss factor)을 조절하는 방법도 가능하다. 그러나, 이 방법도 펄스 간 에너지 변화와 출력 파워의 변화를 동시에 안정화시킬 수는 없다.

미국 공개특허공보 제2008-0023452호 미국 공개특허공보 제2011-0284507호 미국 등록특허공보 제4,856,010호 미국 등록특허공보 제5,982,790호

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 트리거(trigger) 신호의 로스-타임(loss-time) 변경(조정) 및 트리거 신호의 펄스 폭을 이용함으로써, 레이저 빔의 평균 출력 파워와 펄스 간 에너지 변화를 동시에 안정화시킬 수 있는 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템은,

작업대상물에 레이저 빔을 조사(照射)하는 레이저 빔 전달수단;

상기 레이저 빔 전달수단에 레이저 펄스를 제공하는 레이저 소스;

상기 레이저 소스에 고주파 파워를 공급하는 파워 공급장치;

트리거 펄스를 생성하여 상기 파워 공급장치에 제공하는 트리거 펄스 발생기;

상기 트리거 펄스 발생기가 트리거 펄스를 생성하도록 하는 제어신호를 출력하는 한편 시스템을 전체적으로 제어하는 제어기;

상기 레이저 빔 전달수단으로부터 출력되는 레이저 빔을 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기로 제공하는 빔 모니터링 장치;

상기 레이저 빔 전달수단의 온도를 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기로 제공하는 온도 모니터링 장치; 및

상기 작업대상물의 가공과 관련된 정보를 상기 제어기로 제공하는 데이터 서버를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 제어기는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 로직, DSP (Digital Signal Processor), CPU(Central Processing Unit) 중의 적어도 어느 하나를 기반으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 빔 모니터링 장치는 상기 레이저 빔 전달수단으로부터 출력되는레이저 빔의 파워, 에너지, 위치 중의 적어도 어느 하나를 모니터링할 수 있다.

또한, 상기 작업대상물의 가공과 관련된 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어기는 상기 온도 모니터링 장치로부터 온도 정보를 수신하고, 수신한 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법은,

레이저 빔 전달수단, 레이저 소스, 파워 공급장치, 트리거 펄스 발생기, 제어기, 빔 모니터링 장치, 온도 모니터링 장치, 데이터 서버를 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법으로서,

상기 데이터 서버로부터 제공받은 작업대상물의 가공 조건 정보로부터 작업대상물에 조사될 적합한 레이저 빔의 펄스 에너지 및 노출 시간을 상기 제어기에 의해 결정하는 단계;

상기 제어기에 의해 상기 빔 모니터링 장치로부터 전송받은 빔의 평균 출력 파워 및 에너지가 설정된 빔의 평균 출력 파워 및 에너지 범위 내에 있는지를 판별하는 단계;

상기 판별 정보를 바탕으로 상기 제어기에 의해 작업대상물의 가공에 적합한 펄스 에너지와 빔 평균 출력 파워를 설정하는 단계; 및

상기 설정된 빔 평균 출력 파워를 측정된 빔 평균 파워가 따라갈 수 있도록 하기 위해, 상기 제어기에 의해 상기 측정된 평균 파워의 변화가 최소화되도록 트리거 펄스의 오프-타임(off-time)인 로스-타임(loss-time)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기에 제공하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 작업대상물의 가공 조건 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함할 수 있다.

또한, 상기 데이터 서버로부터 제공받은 작업대상물의 가공 조건 정보로부터 상기 레이저 빔 전달수단의 내부에서의 적합한 빔 상태와 온도를 상기 제어기에 의해 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 빔 상태는 빔의 위치, 크기, 모양을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어기에 의해 상기 온도 모니터링 장치로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있는지를 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 판별 결과, 상기 온도 모니터링 장치로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 제어기에 의해 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행한다.

또한, 상기 제어기에 의해 상기 설정된 펄스 에너지로부터 트리거 펄스의 온-타임(on-time)인 펄스 폭(pulse width)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 로스-타임(loss-time)은 다음의 수식 관계에 의해 계산될 수 있다.

Lt = Pw × (1 - Dc) / Dc

여기서, Lt 로스-타임, Pw는 펄스 폭, Dc는 듀티 사이클을 각각 나타낸다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 원하는 펄스 에너지는 트리거 신호의 펄스 폭을 고정하여 획득하고, 원하는 평균 광파워는 트리거 신호의 오프 타임 구간인 로스-타임(loss-time)을 변경(조정)해서 획득함으로써, 레이저 빔의 평균 출력 파워와 펄스 간 에너지 변화를 동시에 안정화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래 기술에 의해서는 펄스형 레이저 시스템이 고출력 파워를 낼수록, 출력 파워의 안정화와 펄스 에너지 간의 상호보완 관계(trade-off)로 인해 가공대상물의 품질에 좋지 않은 영향을 주고 있으나, 본 발명의 방법을 이용하면, 가공대상물의 품질을 보장하면서 빔의 안정화를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법에 적용되는 로스-타임과 듀티 사이클의 상관 관계를 보여주는 특성 곡선도.
도 4는 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 트리거 펄스 발생기에서 생성되는 트리거 펄스의 제어 형태를 보여주는 도면.
도 5는 종래 PWM 제어를 기반으로 한, 평균 파워의 변동에 따른 펄스 당 에너지의 변화를 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법을 적용한 경우의 평균 파워의 변동에 따른 펄스 당 에너지의 변화를 보여주는 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템은 레이저 빔 전달수단(110), 레이저 소스(120), 파워 공급장치(130), 트리거 펄스 발생기(140), 제어기(150), 빔 모니터링 장치(160), 온도 모니터링 장치(170), 데이터 서버(180)를 포함하여 구성된다.

상기 레이저 빔 전달수단(110)은 작업대상물(190)에 레이저 빔을 조사(照射)한다. 이와 같은 레이저 빔 전달수단(110)은 다수의 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 갖는하나의 광학계로 구성될 수 있다.

상기 레이저 소스(120)는 상기 레이저 빔 전달수단(110)에 레이저 펄스를 제공한다. 이와 같은 레이저 소스(120)로는 CO2 레이저, 엑시머 레이저 등이 사용될 수 있다.

상기 파워 공급장치(130)는 상기 레이저 소스(120)에 고주파 파워를 공급한다.

상기 트리거 펄스 발생기(140)는 트리거 펄스를 생성하여 상기 파워 공급장치(130)에 제공한다.

상기 제어기(150)는 상기 트리거 펄스 발생기(140)가 트리거 펄스를 생성하도록 하는 제어신호를 출력하는 한편 시스템을 전체적으로 제어한다. 여기서, 이와 같은 제어기(150)는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 로직, DSP(Digital Signal Processor), CPU(Central Processing Unit) 중의 적어도 어느 하나를 기반으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제어기(150)는 후술하는 온도 모니터링 장치 (170)로부터 온도 정보를 수신하고, 수신한 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행한다.

상기 빔 모니터링 장치(160)는 상기 레이저 빔 전달수단(110)으로부터 출력되는 레이저 빔을 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기(150)로 제공한다. 이와 같은 빔 모니터링 장치(160)는 상기 레이저 빔 전달수단(110)으로부터 출력되는 레이저 빔의 파워, 에너지, 위치 중의 적어도 어느 하나를 모니터링할 수 있다.

상기 온도 모니터링 장치(170)는 상기 레이저 빔 전달수단(110)의 온도를 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기(150)로 제공한다.

상기 데이터 서버(180)는 상기 작업대상물(190)의 가공과 관련된 정보를 상기 제어기(150)로 제공한다. 여기서, 상기 작업대상물(190)의 가공과 관련된 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함할 수 있다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법에 대하여 설명해 보기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법의 실행 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법은, 전술한 바와 같은 레이저 빔 전달수단(110), 레이저 소스(120), 파워 공급장치(130), 트리거 펄스 발생기(140), 제어기(150), 빔 모니터링 장치(160), 온도 모니터링 장치(170), 데이터 서버(180)를 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법으로서, 먼저 상기 제어기(150)는 상기 데이터 서버(180)로부터 제공받은 작업대상물(190)의 가공 조건 정보로부터 작업대상물(190)에 조사될 적합한 레이저 빔의 펄스 에너지 및 노출 시간을 결정한다(단계 S201). 여기서, 상기 작업대상물(190)의 가공 조건 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어기(150)는 상기 데이터 서버(180)로부터 제공받은 작업대상물(190)의 가공 조건 정보로부터 상기 레이저 빔 전달수단(110)의 내부에서의 적합한 레이저 빔 상태와 온도를 결정한다(단계 S202). 이때, 상기 레이저 빔 전달수단(110)의 내부에서의 적합한 레이저 빔 상태는 빔의 위치, 크기, 모양을 포함할 수 있다.

이후, 상기 제어기(150)에 의해 상기 빔 모니터링 장치(160)로부터 전송받은 빔의 평균 출력 파워 및 에너지가 설정된 빔의 평균 출력 파워 및 에너지 범위 내에 있는지를 판별한다(단계 S203).

또한, 상기 제어기(150)에 의해 상기 온도 모니터링 장치(170)로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있는지를 판별한다(단계 S204). 이때, 판별 결과, 상기 온도 모니터링 장치(170)로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 제어기(150)에 의해 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행한다.

또한, 상기 단계 S203에서의 판별 정보를 바탕으로 상기 제어기(150)에 의해 작업대상물(190)의 가공에 적합한 펄스 에너지와 빔 평균 출력 파워를 설정한다(단계 S205).

이후, 상기 제어기(150)에 의해 상기 설정된 펄스 에너지로부터 트리거 펄스의 온-타임(on-time)인 펄스 폭(pulse width)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기(140)에 제공한다(단계 S206).

또한, 상기 설정된 빔 평균 출력 파워를 측정된 빔 평균 파워가 따라갈 수 있도록 하기 위해, 상기 제어기(150)에 의해 상기 측정된 평균 파워의 변화가 최소화되도록 트리거 펄스의 오프-타임(off-time)인 로스-타임(loss-time)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기(140)에 제공한다(단계 S207).

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 있어서는 원하는 펄스 에너지는 트리거 신호의 펄스 폭을 고정하여 얻고, 원하는 평균 광 파워는 트리거 신호의 오프-타임 구간인 로스-타임을 변경(조정)해서 얻는다. 이때, 로스-타임과 트리거 펄스의 듀티 싸이클(duty cycle)은 다음과 같은 관계식을 갖는다.

Pw / (Pw + Lt ) = Dc

여기서, Lt는 로스-타임, Pw는 펄스 폭, Dc는 듀티 사이클을 각각 나타낸다.

따라서, 로스-타임은 다음의 수식 관계에 의해 계산될 수 있다.

Lt = Pw × (1 - Dc) / Dc

도 3은 이상과 같은 로스-타임과 듀티 사이클의 상관 관계를 보여주는 특성 곡선도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 로스-타임과 듀티 사이클은 서로 반비례의 지수 함수 관계임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 트리거 펄스 발생기에서 생성되는 트리거 펄스의 제어 형태를 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, (a)는 트리거 펄스 발생기(140)에서 생성되는 트리거 펄스 (trigger pulse)의 형태를 보여주는 것이고, (b)는 (a)의 트리거 펄스에 대응되어 출력되는 광출력 파워를 보여주는 것이다. 또한, (c)는 펄스의 듀티 비(duty ratio)에 따라 평균 파워가 결정되어 변화하는 과정을 보여주는 것이고, (d)는 트리거 펄스의 폭에 따라 빔의 펄스당 에너지값을 누적하여 보여주는 것이다. (d)에서 펄스 폭이 증가하면 펄스 에너지도 증가하는 것을 볼 수 있다.

한편, 도 5는 종래 PWM 제어를 기반으로 한, 평균 파워의 변동에 따른 펄스 당 에너지의 변화를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 이는 종래 PWM 제어기의 기반으로 30개의 펄스를 샘플로 하여, 평균 파워의 변동이 있을 때 펄스 당 에너지의 변화를 보여주는 것으로서, 듀티 비(duty ratio)가 떨어지는 부분에서 펄스 에너지(pulse energy)도 역시 떨어지는 것을 볼 수 있다(도 5의 (d) 참조).  레이저 홀 가공 등의 분야에서는 이러한 펄스 에너지의 감소로 인해 가공 조건을 맞출 수 없게 된다.  

도 6은 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법을 적용한 경우의 평균 파워의 변동에 따른 펄스 당 에너지의 변화를 보여주는 도면이다.

도 6을 참조하면, 이는 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템의 구동방법을 적용한(즉, 로스-타임 변경(조정) 기법을 적용한) 결과로서, 비슷한 평균 파워의 변화에서도 펄스 에너지가 항상 동일함을 알 수 있다(도 6의 (d) 참조). 따라서, 펄스 에너지가 일정하게 유지되어 가공 조건을 맞출 수 있게 된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법은 원하는 펄스 에너지는 트리거 신호의 펄스 폭을 고정하여 획득하고, 원하는 평균 광파워는 트리거 신호의 오프 타임 구간인 로스-타임(loss-time)을 변경(조정)해서 획득함으로써, 레이저 빔의 평균 출력 파워와 펄스 간 에너지 변화를 동시에 안정화시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 종래 기술에 의해서는 펄스형 레이저 시스템이 고출력 파워를 낼수록, 출력 파워의 안정화와 펄스 에너지 간의 상호보완 관계(trade-off)로 인해 가공대상물의 품질에 좋지 않은 영향을 주고 있으나, 본 발명의 방법을 이용하면, 가공대상물의 품질을 보장하면서 빔의 안정화를 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상, 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110...레이저 빔 전달수단 120...레이저 소스
130...파워 공급장치 140...트리거 펄스 발생기
150...제어기 160...빔 모니터링 장치
170...온도 모니터링 장치 180...데이터 서버
190...작업대상물

Claims (13)

  1. 작업대상물에 레이저 빔을 조사(照射)하는 레이저 빔 전달수단;
    상기 레이저 빔 전달수단에 레이저 펄스를 제공하는 레이저 소스;
    상기 레이저 소스에 고주파 파워를 공급하는 파워 공급장치;
    트리거 펄스를 생성하여 상기 파워 공급장치에 제공하는 트리거 펄스 발생기;
    상기 트리거 펄스 발생기가 트리거 펄스를 생성하도록 하는 제어신호를 출력하는 한편 시스템을 전체적으로 제어하는 제어기;
    상기 레이저 빔 전달수단으로부터 출력되는 레이저 빔을 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기로 제공하는 빔 모니터링 장치;
    상기 레이저 빔 전달수단의 온도를 모니터링하여 관련 정보를 상기 제어기로 제공하는 온도 모니터링 장치; 및
    상기 작업대상물의 가공과 관련된 정보를 상기 제어기로 제공하는 데이터 서버를 포함하는 펄스형 레이저 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 로직, DSP (Digital Signal Processor), CPU(Central Processing Unit) 중의 적어도 어느 하나를 기반으로 구성되는 펄스형 레이저 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔 모니터링 장치는 상기 레이저 빔 전달수단으로부터 출력되는 레이저 빔의 파워, 에너지, 위치 중의 적어도 어느 하나를 모니터링하는 펄스형 레이저 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작업대상물의 가공과 관련된 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함하는 펄스형 레이저 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 온도 모니터링 장치로부터 온도 정보를 수신하고, 수신한 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행하는 펄스형 레이저 시스템.
  6. 레이저 빔 전달수단, 레이저 소스, 파워 공급장치, 트리거 펄스 발생기, 제어기, 빔 모니터링 장치, 온도 모니터링 장치, 데이터 서버를 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법으로서,
    상기 데이터 서버로부터 제공받은 작업대상물의 가공 조건 정보로부터 작업대상물에 조사될 적합한 레이저 빔의 펄스 에너지 및 노출 시간을 상기 제어기에 의해 결정하는 단계;
    상기 제어기에 의해 상기 빔 모니터링 장치로부터 전송받은 빔의 평균 출력 파워 및 에너지가 설정된 빔의 평균 출력 파워 및 에너지 범위 내에 있는지를 판별하는 단계;
    상기 판별 정보를 바탕으로 상기 제어기에 의해 작업대상물의 가공에 적합한 펄스 에너지와 빔 평균 출력 파워를 설정하는 단계; 및
    상기 설정된 빔 평균 출력 파워를 측정된 빔 평균 파워가 따라갈 수 있도록 하기 위해, 상기 제어기에 의해 상기 측정된 평균 파워의 변화가 최소화되도록 트리거 펄스의 오프-타임(off-time)인 로스-타임(loss-time)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기에 제공하는 단계를 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 작업대상물의 가공 조건 정보는 레이저 빔 펄스의 피크 파워, 펄스 에너지, 펄스의 온-타임(on-time) 시간을 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 데이터 서버로부터 제공받은 작업대상물의 가공 조건 정보로부터 상기 레이저 빔 전달수단의 내부에서의 적합한 빔 상태와 온도를 상기 제어기에 의해 결정하는 단계를 더 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 빔 상태는 빔의 위치, 크기, 모양을 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 상기 온도 모니터링 장치로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있는지를 판별하는 단계를 더 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 판별 결과, 상기 온도 모니터링 장치로부터 전송받은 온도 정보가 설정된 온도 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 제어기에 의해 레이저 빔 펄스의 오프-타임인 로스-타임을 짧게 하거나 길게 하는 제어를 수행하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 상기 설정된 펄스 에너지로부터 트리거 펄스의 온-타임(on-time)인 펄스 폭(pulse width)을 계산하고, 그것을 상기 트리거 펄스 발생기에 제공하는 단계를 더 포함하는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 로스-타임(loss-time)은 다음의 수식 관계에 의해 계산되는 펄스형 레이저 시스템의 구동방법.
    Lt = Pw × (1 - Dc) / Dc
    여기서, Lt 로스-타임, Pw는 펄스 폭, Dc는 듀티 사이클을 각각 나타낸다.
KR20120153491A 2012-12-26 2012-12-26 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법 KR101387314B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120153491A KR101387314B1 (ko) 2012-12-26 2012-12-26 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20120153491A KR101387314B1 (ko) 2012-12-26 2012-12-26 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법
CN 201310656731 CN103904547A (zh) 2012-12-26 2013-12-06 脉冲激光系统及其驱动方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101387314B1 true KR101387314B1 (ko) 2014-04-21

Family

ID=50658226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20120153491A KR101387314B1 (ko) 2012-12-26 2012-12-26 펄스형 레이저 시스템 및 그 구동방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101387314B1 (ko)
CN (1) CN103904547A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107414294A (zh) * 2017-08-08 2017-12-01 江苏大金激光科技有限公司 一种激光焊接机

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105938974A (zh) * 2016-06-08 2016-09-14 北京牙科通医疗科技股份有限公司 一种激光变脉宽保护系统

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09253878A (ja) * 1996-03-19 1997-09-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
JP2004034121A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及び加工方法
JP2007245159A (ja) * 2006-03-13 2007-09-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及びレーザ加工方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5269778A (en) * 1988-11-01 1993-12-14 Rink John L Variable pulse width laser and method of use
US5982790A (en) * 1997-01-16 1999-11-09 Lightwave Electronics Corporation System for reducing pulse-to-pulse energy variation in a pulsed laser
JP3619493B2 (ja) * 2001-12-19 2005-02-09 住友重機械工業株式会社 レーザ加工のパルス安定化方法
US7292616B2 (en) * 2005-02-09 2007-11-06 Ultratech, Inc. CO2 laser stabilization systems and methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09253878A (ja) * 1996-03-19 1997-09-30 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
JP2004034121A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及び加工方法
JP2007245159A (ja) * 2006-03-13 2007-09-27 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及びレーザ加工方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107414294A (zh) * 2017-08-08 2017-12-01 江苏大金激光科技有限公司 一种激光焊接机

Also Published As

Publication number Publication date Type
CN103904547A (zh) 2014-07-02 application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6188704B1 (en) Diode-pumped laser drive
US20060056480A1 (en) Actively stabilized systems for the generation of ultrashort optical pulses
US6900446B2 (en) Charged particle beam irradiation equipment and control method thereof
US5376770A (en) Process and device for machining workpieces by means of a laser beam
US20120019826A1 (en) Alignment of light source focus
US5303248A (en) Laser apparatus and method employing digital filter controlled pulse width modulation
US20050031004A1 (en) Excimer or molecular fluorine laser system with precision timing
US20140118031A1 (en) RF Pulse Edge Shaping
US20030138005A1 (en) Laser light source
Hädrich et al. High harmonic generation by novel fiber amplifier based sources
US5986252A (en) Laser monitor apparatus and a laser apparatus
JP2007287964A (ja) 発光素子用駆動装置、発光装置及びその駆動方法
JP2002353545A (ja) 注入同期式又はmopa方式のレーザ装置
US20140191132A1 (en) Method of Timing Laser Beam Pulses to Regulate Extreme Ultraviolet Light Dosing
US20060176917A1 (en) CO2 laser stabilization systems and methods
US6822977B1 (en) Method and apparatus for compensation of beam property drifts detected by measurement systems outside of an excimer laser
US5455837A (en) Flashlamp energy control circuit
US8411720B2 (en) System and method for automatic gas optimization in a two-chamber gas discharge laser system
JP2008112805A (ja) パルスレーザ熱処理装置とその制御方法
US20070036184A1 (en) Laser apparatus for material processing
JP4782889B1 (ja) 繰り返し周波数制御装置
WO2003034555A1 (fr) Appareil laser solide a oscillations d'impulsions et appareil d'usinage a laser
US20100243607A1 (en) Substrate processing apparatus and substrate processing method using same
US7566304B2 (en) Ultrasound diagnostic device
CN1320503A (zh) 激光加工装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee