KR101426935B1 - 재료 처리 장치 및 재료 처리 장치의 작동 방법 - Google Patents

재료 처리 장치 및 재료 처리 장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 지원 재료 처리 장치에 관한 것으로서, 펄스 레이저 빔(16)을 제공하기 위한 레이저(14), 레이저 빔의 기본파 에너지의 측정값 및 주파수 증폭에 의해 레이저 빔으로부터 발생되는 적어도 하나의 고차 조화파 에너지의 측정값을 얻기 위한 측정 장치(30, 32, 34, 36, 38), 측정 장치에 연결되며 측정된 기본파 에너지, 측정된 고차 조화파 에너지 및 레이저(14)의 설정된 방사 에너지에 따라 레이저 빔(16)의 품질을 검사하도록 설계된 평가 장치를 포함한다. 하는 것을 특징으로 하는 재료 가공 장치. 고차 조화파의 측정된 에너지와 측정된 기본파 에너지로부터 몫을 계산함으로써, 주파수 증폭의 현재의 변환 효율이 결정될 수 있다. 주파수 증폭의 현재의 변환 효율은 파면의 품질 및 레이저 빔(16)의 펄스 지속 시간의 척도이다.

Description

재료 처리 장치 및 재료 처리 장치의 작동 방법{APPARATUS FOR TREATING A MATERIAL AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}
본 발명은 펄스 레이저 빔으로 재료를 가공하기 위한 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 재료 가공 장치를 작동하기 위한 방법에 관한 것이다.
원칙적으로, 본 발명은 임의의 재료를 가공하기 위해 사용되는 레이저 시스템의 분야에 적용할 수 있다. 따라서, 가공할 재료는 무기물이 될 수 있으며 또한 생체 물질 예를 들어 인간의 눈의 조직이 될 수 있다.
재료, 특히 가시 스펙트럼 영역에서 투명한 재료들을 가공하는 것과 관련하여, 소위 펨토초 레이저 시스템이 점차 중요해 지고 있다. 이와 관련하여 펨토초 범위 내의 펄스 지속 시간을 갖는 펄스식 집속 레이저 빔을 발생시키는 레이저 시스템이 주목받고 있다. 이러한 펨토초 레이저 시스템은 예를 들어 안과 레이저 수술에 적용되며, 안과 레이저 수술에서 일반적으로 펨토초 레이저 시스템은 인간의 눈의 각막 조직 또는 다른 조직 구역에 절개부를 생성하는 목적을 위해 사용된다. 펨토초 레이저 시스템의 유리한 점은 임의 형태의 3차원 절개 형상을 형성하기에 적합하다는 것이다.
이하에서는 집속 펨토초 레이저 방사선에 의한 투명한 재료의 가공과 관련한 기본적인 과정을 간략하게 설명할 것이다. 재료 내에 레이저 빔의 집속 및 방사선에 대한 재료의 투명성으로 인하여, 레이저 파워는 초점 위의 투과 방사된 재료(예를 들어, 각막 조직)를 손상시키지 않고 내부로 전달될 수 있다. 초점에서 일어나는 공정을 광파괴라 지칭한다. 초점에서, 마이크로 플라즈마 발생의 문턱값은 높은 강도의 방사선으로 인하여 초과된다. 예를 들어 대략 1 ㎛의 직경을 갖는 극히 작은 구 형상 재료의 증발이 일어난다. 따라서, 다소 큰 직경 예를 들어 대략 5 ~ 12 ㎛ 직경을 갖는 마이크로 버블이 발생하는데, 마이크로 버블은 주변 재료를 가르고 이어서 주위로 완전히 확산하게 된다. 레이저 펄스마다 극히 짧은 기간 작용하므로, 주변 재료에 대한 열 전도는 일어나지 않고, 플라즈마가 사라진 후에는 유효 에너지뿐만 아니라 열이 전부 소산 된다.
통상적인 펨토초 레이저 시스템에서 초점은 스캐너에 의해 횡방향 뿐만 아니라 종방향으로 제어될 수 있다. '횡방향으로'는 빔 진행 방향에 대하여 직각인 평면에서의 방향을 의미한다. 한편, '종방향으로'는 레이저 빔의 진행 방향을 의미한다. 만약 플라즈마 방전에 의해 발생한 적절한 수의 캐비티(cavity)들이 원하는 형태로 삼차원으로 서로의 위에 놓이면, 재료 내에서 원하는 절개가 이루어진다.
원하는 정확성으로 절개하기 위하여, 전술한 공정은 높은 피크 강도를 갖는 매우 정확한 초점을 필요로 한다. 그러나, 집속 능력 및 피크 강도는 민감한 파라미터이며, 레이저 빔의 진행 경로에 비교적 작은 동요는 이미 시간적 및 공간적 레이저 빔의 품질을 손상시킬 수 있고 레이저 빔의 집속 능력 및 피크 강도를 악화시킨다. 따라서, 재료의 가공 중에 시간적 및 공간적인 레이저 빔의 품질을 계속해서(연속적으로 또는 시간 간격을 두고 적어도 반복적으로) 감시하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 재료의 가공을 위해 사용되는 레이저 시스템에서 레이저 방사선의 방사 품질을 감시할 수 있도록 하는 해결 방안을 제시하는 것이다. 이러한 감시는 가공 공정을 중단시키거나 또는 방사 품질의 저하시에 반응할 수 있도록 하기 위해 의도된 것이다. 특히, 감시는 실시간으로, 즉 재료 가공 동안에 이루어질 수 있다. 이 경우, 방사 품질은 특히 집속 능력뿐만 아니라 펄스 포락선(pulse envelope)의 시간적 진행(개별적인 레이저 펄스의 시간적 포락선), 즉 펄스 지속 시간이 짧은 것과 관련되어 있다. 집속 능력은 결정적으로 빔 프로파일 및 레이저 방사선의 파면(wavefront)의 품질에 의해 결정된다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 하나의 양태에 따라 재료 가공 장치가 제공되는데, 상기 장치는:
- 펄스 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저,
- 레이저 빔의 기본파 에너지(fundamental-wave power)의 측정값 및 주파수 증폭(multiplication)에 의해 레이저 빔으로부터 발생되는 적어도 하나의 고차 조화파 에너지의 측정값을 얻기 위한 측정 장치,
- 측정 장치에 연결되며, 측정된 기본파 에너지, 측정된 고차 조화파 에너지 및 레이저의 설정된 방사 에너지(radiant power)에 의존하는 방식으로 레이저 빔의 품질을 평가하도록 만들어진 평가 유닛을 포함한다.
펄스 레이저 방사선(특히 펨토초 펄스의 방사선)의 시간적 및/또는 공간적 방사 품질을 기록하기 위해 또는 이러한 방사 품질의 변화를 기록하기 위해, 본 발명은 인가되는 집속 레이저 방사선의 강도에 따라 효율이 달라지는 공정들에 대한 연구를 교시한다. 이러한 공정의 한 예로는 주파수 이배화(frequency doulbling)와 같은 비선형 주파수 혼합 과정이 있다. 이 경우에, 하나의 방안의 배열 형태에서 레이저 방사선의 일부분(작은 일부분)은 광학적으로 비선형의 크리스탈(crystal)에 집속되고 두 배의 주파수의 방사선으로 변환된다. 레이저의 레이저 방사선의 적외선 파장을 상정하면, 크리스탈 내로 집속된 방사선의 부분은 예를 들어 녹색광으로 변환된다. 주파수 이배화는 입사 에너지의 제곱에 의존하기 때문에, 이 공정의 효율은 크리스탈에 인가된 에너지 밀도(공간적 및 시간적 밀도) 그리고 레이저 방사선의 펄스 지속 시간 및 집속 능력에 의존한다. 따라서, 영향을 주는 다른 파라미터들이 배제될 수 있다면 주파수 이배화된 광의 변화를 집속 능력 및/또는 펄스 지속 시간의 변화로 생각할 수 있다. 예를 들어, 이러한 변화는 레이저 방사선의 파면의 장애에 의해서 또는 펄스 지속 시간의 연장에 의해서 야기될 수 있다.
본 발명으로 알게 된 것은 일반적으로, 초점(즉, 집속 능력)의 품질에 지속적으로 영향을 미칠 수 있는 파라미터들 전부를 동시에 감시하는 것은 어렵고 비용이 많이 소요된다는 것이다. 대조적으로, 본 발명에 따른 방법론은 실시간으로 즉, 말하자면 온라인으로 간략한 품질 제어(summary quality control)를 할 수 있다. 초점의 생성에 영향을 미치는 이들 파라미터 중의 어느 하나가 낮아지자마자, 이 상황을 고차 조화파의 측정 신호를 통하여 검출할 수 있게 되고, 이에 대한 적절한 응답을 실행할 수 있다. 재료 가공 장치의 작동을 위해, 어떤 특정 파라미터가 레이저 펄스의 집속 능력에 있어서의 관측된 열화의 원인이 되는지 여부는 관련성이 없는 것으로 간주할 수 있다. 만약 집속 능력이 손상되면, 미리 결정된 한계가 초과된 후에 가능한 신속하게 장치를 종료시키는 것이 바람직하다. 초점의 효과적인 생성에 관련되어 있는 개별적인 레이저 파라미터와 레이저 방사선의 집속 능력을 악화시킬 수 있는 개별적인 레이저 파라미터를 각각 별개로 감시하는 것은 상당히 많은 노력을 필요로 한다. 또한 이러한 파라미터들 중의 단지 하나에 대하여 즉각적이며 신뢰할 수 있게 반응하도록 하는 것은 확실히 어려운 것이다. 대조적으로, 본 발명에 의해 집속 능력과 관련된 레이저 파라미터 전부를 간단히 온라인 감시할 수 있다는 것은 대단히 유리한데, 왜냐하면 그러한 감시 노력이 현저하게 적어지기 때문이다.
원칙적으로, 높은 차수의 비선형 공정들도 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있으며, 본 발명의 중심적인 기술 사상이 주파수 이배화로 제한되는 것은 결코 아니다. 그러나, 일반적으로 높은 차수의 공정을 위해 더 높은 강도의 방사선이 요구되는데, 이것은 본 발명에 따른 해결 방안의 복잡성을 증가시킬 수 있다.
광학 주파수 이배화는 3파동 혼합(3-wave mixing)의 특별한 경우이며, 3파동 혼합에서는 높은 필드 강도를 위해 각주파수 ω1과 ω2를 갖는 두 개의 기본파 이외에 각주파수 ω3 = ω1 ± ω2를 갖는 제3의 파동이 발생한다(ω = 2nf). 이 경우에, ω3 = ω1 + ω2는 주파수 합산 혼합에 해당하며 ω3 = ω1 - ω2는 주파수 차감 혼합에 해당한다. 이제 주파수 이배화의 특별한 경우에서 만약 ω1 = ω2 이면, 단순히 합산 주파수 ω3 = 2ω1 = 2ω2 가 발생한다.
본 발명의 실질적인 형태에서, 레이저 방사선의 일부는 광학적으로 비선형 매질(예를 들어, 크리스탈)에 적용된다. 레이저 방사선의 적용된 부분은 바람직하게 비선형 매질 내에 집속된다. 초점에서의 높은 강도로 인하여, 비선형 매질에서 전하-캐리어 진동이 여기되는데, 이 진동에는 방사된 기본파(기본 진동)의 각기 다른 차수의 조화파들도 포함된다. 이 경우 제2 조화파는 기본파의 두 배의 주파수와 절반의 파장을 갖는 주파수 이배화 파동을 구성한다. 비선형 매질 내에 입사 방사선 방향의 적절한 선택에 의해 또는 빔 진행 방향에 대한 비선형 매질의 적절한 배향에 의해, 제2 조화파의 생성은 다른 주파수에 걸쳐서 바람직한 것이 될 수 있다. 이러한 과정의 자세한 이론적인 내용에 대해서는 관련 전문가의 문헌을 참조하고, 이러한 관점에서 상세한 설명은 생략한다.
상기 공정에서, 제2 조화파의 순간 강도는 기본파의 순간 강도의 제곱에 비례한다. 이 경우에 제2 조화파의 신호 레벨은 결정적으로 기본파의 피크 강도에 의해서 결정된다. 상기 피크 강도는 초점에서 기본파의 초점 크기(허리 반경(waist radius)의 제곱), 펄스 에너지, 및 기본파 방사선의 펄스 지속 시간에 의존한다. 제2 조화파의 순간적인 평균 에너지와 기본파 방사선의 순간적인 평균 에너지의 몫(quotient)으로 정의되는 주파수 이배화의 효율(변환 효율)은 기본파 에너지 및 기본파 방사선의 피크 강도에 똑같이 비례하므로, 변환 효율에 있어서 초점에서의 기본파 방사선의 초점 크기와 그 펄스 지속 시간에 대한 의존성은 역시 유지된다. 기본파 방사선의 일정한 펄스 에너지를 고려할 때, 변환 효율의 변화는 시간적 및/또는 공간적 빔 품질(펄스 포락선, 빔 프로파일 등), 및/또는 파면의 형상 변화 및 집속 능력의 변화를 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 형태에서, 광학적 비선형 매질로 사용되는 크리스탈의 길이는 크리스탈 내에 집속되는 기본파 방사선의 레일리 길이(Rayleigh length)보다 현저하게 크다. 기본파 방사선의 발산에서의 약간의 변화(이배기 크리스탈에서 초점 평면의 약간의 이동)는 제2 조화파의 강도 신호에 거의 영향을 미치지 않는다.
또한, 크리스탈 내에 가해지는 에너지의 방향 및 스펙트럼 분포에 대한 위상 정합의 의존성을 줄이기 위하여, 기본파 방사선이 비교적 짧은 초점 길이로 우선적으로 크리스탈 내에 집속된다. 인가되는 기본파 방사선의 집속에 의해, 기본파 방사선의 입사 방사선의 방향 또는 기본파 방사선의 중간 파장에 약간의 변화가 있는 경우에도 위상 정합을 달성하기 위해 적합한 방사선 성분이 항상 존재한다. 따라서, 적어도 대략 동일한 제2 조화파의 강도 신호가 달성될 수 있게 하는, 입사 방사선 방향의 비교적 넓은 각도 범위가 얻어질 수 있다. 레이저 공급원이 정해진 사양 내에서 작동되는 한, 측정 과정에 영향을 주지 않거나 또는 단지 약간의 영향을 미친다.
한편, 만약 예를 들어 기본파 방사선의 파면 왜곡의 결과로서 펄스 지속 시간 및/또는 집속 능력이 변하면 이러한 영향은 보상되지 않으며, 대신에 변환 효율에 직접적인 영향을 준다. 기본파 방사선의 빔 경로에 오염된 디스크가 삽입되면, 파면 왜곡은 예를 들어 특정한 상황하에서 기본파 에너지가 대부분 또는 완전히 보존되는 것으로 보여 질 수 있다. 작고 평탄한 파동 표면들이 두드러질수록 양호한 초점은 더 이상 달성될 수 없기 때문에, 이러한 이유로 주파수 이배화는 현저하게 저하되거나 또는 심지어 중지된다. 제2 조화파의 에너지의 변화는 상응하게 기본파 방사선의 파면에서의 변화와 연관된다. 따라서, 레이저 시스템에서 파면 왜곡(wavefront distortion)은 제2 조화파(또는 고차의 다른 조화파)의 에너지를 감시하는 것에 의해서 그리고 이 에너지를 기준 에너지와 비교함으로써 검출되며, 기준 에너지는 해당 기본파 에너지로 최대한 달성될 수 있는 제2 조화파의 에너지로 우선적으로 표시된다. 이 방식에서, 실질적인 에너지의 손실 없이 기본파 방사선의 저하된 빔 품질은 매우 민감하게 즉각적으로, 즉 실시간으로 검출될 수 있으며, 에너지가 현저한 감소가 검출되기 전에 응답이 상응하게 신속히 실행될 수 있다.
레이저 시스템에 의해 제공되는 가공 레이저 빔의 빔 품질을 실시간으로 감시하기 위하여 진행되는 예시적인 방식은, 레이저가 가능한 에너지 범위 내에서의 다양한(명목상의) 방사 에너지로 설정되는 교정 작업이 먼저 실행되고 각각 설정된 방사 에너지에서 기본파 에너지 및 제2 조화파(또는 다른 고차 조화파)의 에너지가 측정되는 것으로 구성될 수 있다. 이 경우에 교정 작업은 기본파 방사선의 최고의 집속 능력으로 레이저 시스템의 간섭 방지 상태(interference-free state)에서 실행되어야 한다. 이 방식에서, 기본파 에너지 및 고차 조화파 에너지의 측정값이 최대값 또는 최적값을 나타내도록 할 수 있다. 이 최대값들은 해당 경우에 설정된 방사 에너지에서 최대로 얻을 수 있는 기본파 및 고차 조화파의 에너지를 나타낸다.
몫(제2 조화파의 에너지를 기본파 에너지로 나눈 것)의 형성에 의해, 추가적으로 변환 효율의 값이 확인될 수 있고, 레이저의 각각의 설정 방사 에너지로 배정될 수 있다.
교정 작업의 범위 내에서 얻어진 데이터는 예를 들어 메모리에 도표 형태로 저장될 수 있다.
그 후의 재료 가공 중에, 다시 기본파 에너지 및 고차 조화파의 에너지가 연속적으로 또는 시간적 간격을 두고 측정된다. 다음에 두 개의 별개인 점검 단계들이 실행될 수 있다. 제1 점검 단계에서, 측정된 기본파 에너지가 기준값과 비교될 수 있다. 이 기준값은 교정 작업의 범위 내에서 얻어지고 메모리에 저장된 데이터로부터 확인된다. 기준값은 레이저의 설정된 방사 에너지에서 기본파 에너지의 최적값을 나타낸다. 만약 측정된 기본파 에너지가 실질적으로 기준값에서 벗어나지 않거나 또는 기준값과 관련된 소정의 허용 한계 내에 있다면, 이것은 적어도 레이저 빔의 에너지를 현저하게 감소시킬 수 있는 이상이 없다는 것을 의미한다. 그러나, 만약 소정의 허용 한계보다 큰 편차가 존재하면, 이것은 예를 들어 경고 표시의 출력 및/또는 레이저의 중단을 포함할 수 있는 미리 정해진 경고 응답 또는 비상 응답을 유발시키는 원인으로 받아들여질 수 있다.
제2 점검 단계에서, 또한 고차 조화파의 측정된 에너지가 기준값과 비교되거나, 및/또는 변환 효율(고차 조화파의 측정된 에너지와 측정된 기본파 에너지의 몫)이 기준값과 비교될 수 있다. 고차 조화파의 에너지 및 변환 효율의 기준값은 또한 저장된 교정 데이터로부터 확인될 수 있고, 교정 데이터는 고차 조화파 에너지의 바람직한 값(최적값)을 명시하고 각각 명목상으로 설정된 레이저의 방사 에너지의 변환 효율, 즉 레이저의 작동 지점에서의 변환 효율을 명시한다. 만약 비교해서 소정의 한계를 벗어난 것으로 나타나면, 전술한 바와 같이 경고 응답 또는 비상 응답이 작동될 수 있다. 한편, 만약 제1 점검 단계와 제2 점검 단계(물론, 반드시 이러한 순서로 실행되어야 하는 것은 아님) 모두에서 용인할 수 없는 편차를 보이지 않는다면, 레이저 빔의 출력이 허용되며 재료 가공 장치의 작동은 아무런 방해도 받지않고 계속될 수 있다.
제2 점검 단계를 사용하여, 특히 레이저 빔의 에너지 저하가 전혀 일어나지 않거나 또는 단지 약간의 에너지 저하를 나타내지만 심각한 파면 왜곡을 야기하는 이상을 검출할 수 있다. 바람직하지 않은 파면 동요의 경우에, 제2 조화파의 최대 에너지에 대하여 측정된 비율은 쉽게 수 퍼센트(예를 들어, 15% 미만)로 떨어질 수 있는데, 이것은 제2 조화파의 에너지가 레이저 빔에 대한 빔 품질의 양호한 지표라는 것을 보여준다.
본 발명에 따른 재료 가공 장치의 바람직한 실시 형태에 따르면, 적어도 하나의 고차 조화파는 제2 조화파를 포함할 수 있고, 바람직하게는 레이저 빔의 펄스 지속 시간이 펨토초 범위 내에 들어간다.
평가 유닛은 측정된 에너지 값 및/또는 측정된 에너지 값에서 유도된 값(예를 들어, 변환 효율) 중의 적어도 하나를 적어도 하나의 기준값과 비교하고, 측정값 또는 유도값이 기준값으로부터 벗어난 편차의 크기에 의존하여 소정의 응답을 하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 기준값은 레이저의 설정된 방사 에너지에서 기본파 에너지, 고차 조화파 에너지, 또는 주파수 증폭의 변환 효율의 최대로 달성가능한 값을 나타낼 수 있다.
또한 평가 유닛은 복수의 상이하게 설정된 레이저의 방사 에너지로 배정되어 기본파 에너지 및/또는 고차 조화파의 에너지 및/또는 주파수 증폭의 변환 효율의 기준값을 나타내는 미리 저장된 기준 정보로부터 기준값을 취하도록 구성될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 평가 유닛은 고차 조화파의 측정된 에너지 및 측정된 기본파 에너지로부터 몫을 확인하거나, 및/또는 고차 조화파의 측정된 에너지 및 고차 조화파의 에너지의 기준값으로부터 몫을 확인하고 확인된 몫에 의존하는 방식으로 빔 품질을 검사하도록 구성될 수 있다.
또한 평가 유닛은 기준값으로부터 측정값 또는 유도값의 편차의 크기에 의존하는 방식으로 레이저 빔의 출력을 제어하도록 구성된 전자 제어 장치의 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 만약 확인된 편차가 소정의 한계 이내이면 레이저 빔의 출력을 허용할 수 있고, 및/또는 만약 확인된 편차가 소정의 한계를 벗어나면 레이저 빔의 출력을 금지할 수 있다.
측정 장치는, 고차 조화파를 생성하기 위하여 광학적으로 비선형 매질을 포함할 수 있고 또한 레이저 빔에서 벗어나 결합된 부분적인 빔을 비선형 매질에 집속하기 위하여 비선형 매질의 상류에 연결된 집속 유닛을 포함할 수 있다. 게다가, 측정 장치는 레이저 빔에서 벗어나 결합된 부분적인 빔의 에너지를 기본파 에너지로 측정하도록 구성될 수 있다.
평가 유닛은 교정 과정에서 레이저의 복수의 상이한 방사 에너지를 연속해서 설정하고, 레이저의 각각 설정된 방사 에너지로 배정되는 기본파 에너지 및 고차 조화파 에너지의 측정값을 측정하고, 레이저의 다양한 방사 에너지로 배정되는 확인된 측정값 및/또는 측정값으로부터 유도된 값을 메모리에 저장하도록 구성된 전자 제어 장치의 일부가 될 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 펄스 레이저 빔으로 작동되는 재료 가공 장치, 특히 선행 청구항 중의 하나에 따른 재료 가공 장치를 작동시키는 방법을 제공하는데, 상기 방법은:
- 레이저 빔의 기본파 에너지 및 주파수 증폭에 의해 레이저 빔으로부터 생성된 적어도 하나의 고차 조화파의 에너지를 측정하고,
- 측정된 에너지 값 및/또는 측정값에서 유도된 값 중의 적어도 하나를 적어도 하나의 기준값과 비교하고,
- 기준값으로부터 벗어난 측정값 또는 유도값의 편차의 크기에 의존하는 방식으로 소정의 응답을 하는 것을 포함한다.
이 방법은 또한 사전에 교정 과정을 수행하는 것을 포함할 수 있는데, 교정 과정에서는 레이저 빔을 제공하는 복수의 상이하게 설정된 레이저의 방사 에너지의 경우에서의 기본파 에너지 및 고차 조화파의 에너지의 측정값들이 얻어지고, 얻어진 측정값 및/또는 측정값에서 유도된 값이 메모리에 저장되고, 기준값은 레이저의 다양한 방사 에너지로 배정된 메모리에 저장된 측정값 및/또는 유도값으로부터 얻어진다.
소정의 응답은 광학적 및/또는 청각적 메세지, 및/또는 레이저 빔의 작동 또는 중단을 포함할 수 있다. 또한, 레이저 빔으로 재료를 가공하는 동안 측정 및 비교의 단계들이 반복적으로, 특히 일정한 시간 간격으로 수행될 수 있다. 이러한 방식에서, 소위 실시간으로 온라인 감시가 가능하며, 주파수를 감시하는 것은 측정이 실시되는 시간 간격에 의존한다. 이와 관련하여 본 발명에 의해 미리 정해지는 시간 간격에 대한 제한은 없다. 즉 측정 장치 및 이용 가능한 연산 능력이 허용하는 만큼 자주 측정이 실행될 수 있다.
도 1은 재료를 레이저 가공하기 위한 재료 가공 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
이하에서는 첨부된 하나의 도면에 기초하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1은 재료를 레이저 가공하기 위한 재료 가공 장치의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 실시예에서 전체적으로 도면 부호 10으로 지정된 재료 가공 장치는 인간의 눈(12)을 레이저 수술하고 예를 들어 눈의 각막 안의 조직을 절개하기 위해 사용된다. 이 장치는 펨토초 범위 내의 펄스 지속 시간으로 펄스 레이저 빔(16)을 발생시키는 레이저 공급원(14)을 포함한다. 레이저 공급원(14)은 예를 들어 파이버 레이저를 포함한다. 게다가, 재료 가공 장치(10)는 레이저 빔(16)을 가공할 물체, 여기에서는 눈(12)에 집속하기 위한 집속 광학 기구(18)를 포함한다. 집속 광학 기구(18)는 예를 들어 에프 세타 대물렌즈(f-theta objective)로 구성된다. 집속 광학 기구(18)의 상류에는 레이저 빔(16)의 초점 위치를 횡방향 및 종방향 제어하기 위해 사용되는 스캐너(20)가 연결된다. 횡방향 굴절을 위해, 스캐너(20)는 예를 들어 갈바로미터식으로 제어되는 미러 쌍 또는 전기적으로 제어되는 굴절 크리스탈을 포함할 수 있다. 종방향 초점 제어를 위해, 스캐너(20)는 예를 들어 레이저 빔(16)의 발산에 영향을 미치는 광학 요소, 예를 들면 빔 진행 방향에서 종방향으로 변위 가능한 렌즈 또는 가변 굴절력의 액체 렌즈 또는 변형가능한 미러를 포함할 수 있다. 레이저 빔(16)의 횡방향 초점 제어 및 종방향 초점 제어를 위해 응답할 수 있는 스캐너(20)의 부품은 레이저 빔(16)의 진행 방향을 따라 상이한 위치에 배열될 수 있다. 따라서, 스캐너(20)는 컴팩트한 유닛이 되어야 하는 것은 아니며, 다양한 스캐너 부품들의 분포 배열이 관건이다.
레이저 공급원(14) 및 스캐너(20)를 제어하기 위해, 메모리(24)에 저장된 제어 프로그램에 따라 작동하는 마이크로프로세서 지원 제어 유닛(22)이 구비된다. 제어 프로그램은 만들어질 절개 형상을 정의하는 적합한 제어 파라미터(예를 들어, 레이저 펄스의 개별적인 발사 위치들을 위한 좌표 형태)를 포함한다.
레이저 빔(16)에 의한 미세하고 정밀한 절개를 위해서, 공간적 및 시간적 빔의 높은 품질이 바람직하다. 레이저 빔(16)의 빔 품질을 실시간 감시하기 위해서, 재료 가공 장치(10)는 스캐너에 의한 횡방향 굴절 상류의 빔 진행 방향에서 레이저 빔(16) 밖의 두 개의 부분적인 빔(16', 16")을 결합하기 위한 수단들을 구비하고 있다. 도시된 실시예에서, 이 수단들은 레이저 빔(16)의 빔 경로에서 직렬로 배열된 두 개의 반투과 분할 미러(26, 28)를 포함한다. 제1 파워 미터(30)는 부분적인 빔(16')의 (시간적 평균의) 방사 에너지를 측정하기 위해 사용된다. 이러한 목적을 위해 파워 미터(30)는 예를 들어 광전 다이오드를 포함하며 측정된 방사 에너지, 특히 방사 에너지에 비례하는 신호를 제어 유닛(22)에 제공한다. 본 발명에서 파워 미터(30)에 의해 측정된 에너지는 기본파 에너지에 해당한다.
부분적인 제2 빔(16")은 집속 렌즈(32)에 의해서 광학적 비선형 크리스탈(34)(또는 다른 비선형 매질)에 집속되며, 광학적 비선형 크리스탈에서는 비선형 처리에 의해 주파수 배가된 빔(16''')이 발생하는데 이 주파수 배가된 빔은 나중에 임의의 가능한 동요 하위 라인에서 없어지고 또한 광학적인 대역 패스 필터(36)에 의해서 기본파를 잔류시킨다. 또한 제2 파워 미터(38)는 예를 들어 방사선 검출을 위한 광전 다이오드를 포함할 수 있으며, 주파수 배가된 빔(16''')의 에너지(시간적 평균 에너지)를 측정하기 위해 사용되며 측정된 에너지를 나타내는 신호를 제어 유닛(22)에 제공한다. 본 발명에서 주파수 배가된 빔(16''')의 측정된 에너지는 기본파로부터 발생된 고차 조화파(여기에서는 제2 조화파)의 에너지를 나타낸다.
레이저 공급원(14)에 의해 발생되는 레이저 빔(16)의 파장은 예를 들어 1000 nm 내지 1100 nm 사이의 적외선 범위 내에 있다. 이 방식에서, 비선형 크리스탈(34)에서의 주파수 이배화에 의해 녹색광 내지 황녹색광 빔(16''')이 발생한다.
제어 유닛(22)은 파워 미터(30, 38)에 의해 제공되는 측정된 에너지 신호로부터, 광 빔(16''')의 측정된 에너지를 부분적인 빔(16')의 측정된 에너지로 나누는 것에 의해서 변환 효율을 계산한다.
메모리(24)에는, 선행하는 교정 과정에서 제어 유닛(22)에 의해 확인되었던 추가적으로 저장된 교정 데이터가 존재한다. 교정 데이터는 레이저(14)의 방사 에너지의 상이한 명목상의 값, 각각의 경우에서 부분적인 빔(16')의 에너지, 주파수 배가된 빔(16''') 및 변환 효율에 대한 기준값을 명시한다. 레이저(14)의 상이한 방사 에너지는 상이한 작동 지점에 해당한다. 레이저(14)는 적용 용도에 의존하는 방사 에너지의 범위 내에서 작동될 수 있으며, 제어 유닛(22)은 레이저(14)의 상이한 작동 지점을 설정할 수 있다. 예를 들어, 다양한 방사 에너지는 레이저(14)의 최대로 설정가능한 방사 에너지에 대한 퍼센트 형태로 개별적인 작동 지점을 정의한 퍼센트 값으로 표시된다. 저장된 기준값은 각각의 경우에 최적의 상황, 즉 레이저 빔(16)의 바람직하지 않은(적어도 상당한) 파면 왜곡이 일어나지 않고 그리고 레이저 빔의 진행 경로를 따라 레이저 빔(16) 바람직하지 않은(적어도 상당한) 에너지 저하가 일어나지 않는 정상 작동과 관련되어 있다. 따라서 기준값은 부분적인 빔(16')의 에너지, 주파수 배가된 빔(16''')의 에너지, 변환 효율의 최대로 달성할 수 있는 값을 나타낸다.
부분적인 빔(16') 및 주파수 배가된 빔(16''')의 현재 측정된 에너지 값은, 메모리(24)에 저장된 교정 데이터와 비교에 기초하여 레이저 빔(16)의 빔 품질을 검사하기 위하여 제어 유닛(22)에 의해 사용된다. 구체적으로, 제어 유닛(22)은 부분적인 빔(16')의 측정된 에너지가 레이저(14)의 관련 있는 작동 지점에서 기본파 에너지에 대해 메모리(24)에 저장되어 있는 그 기준값과 적어도 대략 상응하는지 여부를 점검한다. 이 방식에서, 제어 유닛(22)은 이상이 없이 정상 작동하는 경우와 비교하여 레이저 빔(16)의 바람직하지 않은 에너지 저하를 검출할 수 있다.
더욱이, 제어 유닛(22)은 주파수 배가된 빔(16''')의 측정된 에너지가 레이저(14)의 관련된 작동 지점에서 제2 조화파의 에너지에 대한 저장된 교정 데이터에 포함되어 있는 기준값과 적어도 대략 상응하는지 여부를 점검한다. 대안으로 또는 추가적으로, 제어 유닛(22)은 계산된 변환 효율(광 빔(16''')의 측정된 에너지와 부분적인 빔(16')의 측정된 에너지의 몫으로 계산됨)이 레이저(14)의 관련된 작동 지점에서 변환 효율에 대한 교정 데이터에 포함되어 있는 기준값과 적어도 대략 상응하는지 여부를 점검한다. 에너지 측정값 또는 측정값으로부터 유도된 변환 효율이 저장된 기준값에 부합하는지를 점검하는 것은 예를 들어 공제 및/또는 몫의 생성을 포함할 수 있다. 기준값이 레이저 빔(16)의 최적의 집속 능력의 경우에서 재료 가공 장치(10)의 이상없는 작동에서 달성할 수 있는 최적값을 명시하기 때문에, 측정된 에너지 또는 기준값으로부터 계산된 변환 효율 간의 임의의 가능한 편차는 바람직하지 않은 에너지 저하 및/또는 바람직하지 않은 파면 왜곡, 및/또는 레이저 빔(16)의 펄스 지속 시간의 바람직하지 않은 파장의 지표이다.
전술한 교정 과정은 제어 유닛(22)에 의해 자동으로, 예를 들어 재료 가공 장치(10)가 켜질 때마다 또는 사용자가 교정을 실행하기 위해 적절한 시작 명령을 입력할 때마다 수행될 수 있다. 자동 교정 과정의 범위 내에서, 제어 유닛(22)은 연속적으로 레이저(14)의 상이한 작동 지점들을 설정할 수 있고 기본파 에너지 및 제2 조화파의 에너지의 개별적으로 확인된 측정값을 메모리(24)에 저장할 수 있다.
제2 부분적인 빔(16'')을 집속하기 위해, 집속 렌즈(32) 대신에 예를 들어 회절 광학 요소로 만들어진 것이 사용될 수 있다. 비선형 매질(34)은 예를 들어 주기적으로 편광되는 크리스탈이 될 수 있다. 크리스탈은 온도 안정적인 것이 될 수 있으며, 이 경우에 위상 정합은 온도를 통하여 최적화될 수 있다. 또한, 관련 전문 분야에 공지된 비임계 위상 정합 방법에 따라 작동하는 것이 가능하다.

Claims (15)

  1. 펄스 레이저 빔(16)으로 재료를 가공하기 위한 장치에 있어서,
    - 펄스 레이저 빔(16)을 제공하기 위한 레이저(14),
    - 레이저 빔의 기본파 에너지의 측정값 및 주파수 증폭에 의해 레이저 빔으로부터 발생되는 적어도 하나의 고차 조화파 에너지의 측정값을 나타내는, 측정된 에너지 값들을 얻기 위한 측정 장치(30, 32, 34, 36, 38),
    - 측정 장치에 연결되며, 측정된 기본파 에너지, 측정된 고차 조화파 에너지 및 레이저(14)의 설정된 방사 에너지에 기초하여 레이저 빔(16)의 품질을 검사하도록 구성된 평가 유닛(22)을 포함하며,
    상기 측정 장치는 고차 조화파를 생성하기 위하여 광학적으로 비선형 매질(34)을 포함하고 또한 레이저 빔(16)에서 벗어나 결합된 부분적인 빔(16'')을 비선형 매질(34)에 집속하기 위하여 비선형 매질(34)의 상류에 연결된 집속 유닛(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고차 조화파는 제2 조화파를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은 측정된 에너지 값 또는 측정된 에너지 값에서 유도된 값 중의 적어도 하나를 적어도 하나의 기준값과 비교하고, 측정된 에너지 값 또는 유도된 값이 기준값으로부터 벗어난 편차의 크기에 따라 미리 정해진 응답을 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준값은 레이저(14)의 설정된 방사 에너지에서의 기본파 에너지, 고차 조화파 에너지, 또는 주파수 증폭의 변환 효율의 최대로 달성가능한 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은, 레이저(14)의 복수의 상이하게 설정된 방사 에너지로 배정되는 기본파 에너지, 고차 조화파 에너지 및 주파수 증폭의 변환 효율 중의 적어도 하나의 기준값을 나타내는 미리 저장된 기준 정보로부터 기준값을 취하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은 고차 조화파의 측정된 에너지와 측정된 기본파 에너지로부터 몫(quotient)을 확인하고 확인된 몫에 기초하여 빔 품질을 검사하는 것,
    고차 조화파의 측정된 에너지와 고차 조화파의 에너지 기준값으로부터 몫을 확인하고 확인된 몫에 기초하여 빔 품질을 검사하는 것 중의 적어도 하나를 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은 기준값으로부터 측정값 또는 유도값의 편차의 크기에 따라 레이저 빔의 출력을 제어하도록 구성된 전자 제어 장치의 일부인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 측정 장치는 레이저 빔(16)에서 벗어나 결합된 부분적인 빔(16')의 에너지를 기본파 에너지로서 측정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 평가 유닛(22)은, 교정 과정에서 레이저(14)의 복수의 상이한 방사 에너지를 연속해서 설정하고, 레이저(14)의 각각 설정된 방사 에너지에 대한 기본파 에너지 및 고차 조화파 에너지를 나타내는 에너지 측정값을 확인하고, 레이저(14)의 설정된 방사 에너지와 관련하여 확인된 에너지 측정값 또는 측정값으로부터 유도된 값을 메모리에 저장하도록 구성된 전자 제어 장치의 일부인 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔(16)의 펄스 지속 시간은 펨토초 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 펄스 레이저 빔(16)으로 작동되는 재료 가공 장치(10)를 작동시키는 방법에 있어서,
    - 레이저 빔(16)의 기본파 에너지 및 주파수 증폭에 의해 레이저 빔으로부터 생성된 적어도 하나의 고차 조화파의 에너지를 측정하는 단계,
    - 측정된 에너지 값 또는 측정값에서 유도된 값 중의 적어도 하나를 적어도 하나의 기준값과 비교하는 단계,
    기준값으로부터 벗어난 측정값 또는 유도값의 편차의 크기에 따라 미리 정해진 응답을 발생시키는 단계를 포함하며,
    상기 고차 조화파를 생성하기 위하여 부분적인 빔(16'')은 레이저 빔(16)에서 벗어나 결합되고 집속 유닛(32)에 의해 광학적으로 비선형 매질(34)에 집속되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 방법은 또한 사전에 교정 과정을 수행하는 단계를 포함하며, 교정 과정에서는 레이저 빔을 제공하는 레이저(14)의 설정된 복수의 방사 에너지의 각각에 대한 기본파 에너지 및 고차 조화파 에너지를 나타내는 에너지 측정값들이 얻어지고, 얻어진 에너지 측정값들은 레이저(14)의 설정된 복수의 방사 에너지와 관련하여 메모리(24)에 저장되고, 메모리에 저장된 에너지 측정값으로부터 기준값이 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 방법은 또한 사전에 교정 과정을 수행하는 단계를 포함하며, 교정 과정에서는 레이저 빔을 제공하는 레이저(14)의 설정된 복수의 방사 에너지의 각각에 대한 기본파 에너지 및 고차 조화파 에너지를 나타내는 에너지 측정값들이 얻어지고, 얻어진 에너지 측정값들에서 유도된 값들은 레이저(14)의 설정된 복수의 방사 에너지와 관련하여 메모리(24)에 저장되고, 메모리에 저장된 유도값으로부터 기준값이 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 미리 정해진 응답은 광학적 메세지, 청각적 메세지, 레이저 빔을 중단시키는 것, 레이저 빔을 사용 가능하게 하는 것 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 측정 단계 및 비교 단계는 레이저 빔으로 재료를 가공하는 동안 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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