KR101602780B1 - 레이저 빔 형성 방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템 - Google Patents

레이저 빔 형성 방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

소출력의 레이저 시스템을 이용해 대출력을 얻을 수 있는 레이저 발생 방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템에 대해 기술한다. 레이저 발생 방법:은 동위상을 가지는 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계; 상기 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계; 그리고 상기 결합된 레이저 빔을 출력하는 단계;를 포함한다.

Description

레이저 빔 형성 방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템{Method for forming a laser beam and Laser System adopting the method}
본 발명은 레이저 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 출력 증배가 용이한 레이저 시스템에 관한 것이다.
레이저 시스템은 고출력의 광 에너지를 이용하여 다양한 기계적 가공에 적용된다. 예를 들어 기계 가공뿐 아니라 미세 패턴의 형성 및 가공이 요구되는 반도체 소자 제조 공정 등에도 사용된다.
이러한 고출력 레이저 시스템 중, 기체 레이저인 엑시머 레이저 시스템은 발진 파장이 짧은 고출력의 레이저 빔을 효율적으로 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 기체 레이저 시스템은 구조적으로 독성 물질을 사용할 뿐 아니라, 기체의 순도를 유지시키기 위하여 주기적으로 기체 및 펌프 챔버의 주기적 교환이 필요하다.
본 발명에 따라, 저출력의 레이저 발생기를 이용해 고출력의 레이저 발생이 가능한 레이저 빔 발생 방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템이 제시된다.
본 발명에 따르면 독성 물질을 이용하지 않고 시스템 관리 부담이 적은 레이저 빔 형성방법 및 이를 적용하는 레이저 시스템이 제시된다.
본 발명에 따른 레이저 빔 형성 방법:은
동위상을 가지는 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계;
상기 복수의 레이저 빔을 하나로 결합하는 단계; 그리고
상기 결합된 레이저 빔을 출력하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 레이저 빔 형성 방법의 구체적인 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔의 발생을 위한 동기신호와 캐리어 주파수 신호를 발생하는 단계; 그리고 상기 동기신호와 캐리어 주파수 신호를 이용해 상기 다수의 레이저 빔을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 빔 형성 방법의 구체적인 다른 실시 예에 따르면, 상기 다수의 레이저 빔을 PBS를 이용해 하나로 결합할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 시스템:은
동기 신호에 의해 동위상의 레이저 빔을 발생하는 것으로 레이저 공진기와 상기 레이저 공진기를 구동하는 RF 드라이버를 포함하는 다수의 단위 레이저 시스템;
상기 각 레이저 공진기로부터의 레이저 빔을 하나로 결합하는 광학 결합부; 그리고
상기 동기 신호를 발생하는 신호 발생부;를 구비한다.
본 발명에 따른 레이저 시스템의 구체적인 실시 예에 따르면, 상기 신호 발생부:는 상기 다수의 단위 레이저 시스템 중 어느 하나의 RF 드라이버에 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 시스템의 구체적인 다른 실시 예에 따르면, 상기 다수의 단위 레이저 시스템의 RF 드라이버 각각은, 상기 동기 신호를 목표 시점으로 이동시키는 지연회로를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 시스템의 구체적인 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 신호 발생부는 상기 동기신호를 발생하는 동기 신호 발생 블럭과 상기 레이저의 발진을 위한 캐리어 주파수 신호를 발생하는 캐리어 주파수 신호 발생 블록을 포함할 수 있다.
작은 출력의 반도체 레이저를 이용해서 고출력을 얻을 수 있으므로, 독성 물질을 사용하고 관리 부담이 있는 기체 레이저를 사용하지 않아도 된다. 이로써 적은 비용으로도 고출력 레이저의 얻을 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 개략적 구성도이다.
도2는 다수의 레이저 공진기로부터의 레이저 빔이 동기되지 않았을 때와 동기화 되었을 때의 합성 빔의 파워 변화를 설명하는 도면이다.
도3은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 보다 구체적인 구조를 보이는 구성도이다.
도4는 본 발명에 따라 레이저 시스템에서 적용되는 광학 결합부의 일 실시 예를 도시한다.
도5는 본 발명에 따라 레이저 시스템에서 적용되는 광학 결합부의 일 실시 예를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 레이저 시스템의 바람직한 실시 예를 설명한다. 도1은 본 발명에 따른 레이저 시스템의 개념을 설명하는 블록 다이어그램이다.
본 발명에 따른 레이저 빔 발생방법은 기본적으로 아래의 3 단계를 포함한다.
가. 동위상을 가지는 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계
나. 상기 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계
다. 상기 결합된 레이저 빔을 출력하는 단계
이러한 방법을 수행하는 본 발명에 따른 레이저 시스템은 동기 신호에 의해 동위상의 레이저 빔을 발생하는 것으로 레이저 공진기와 상기 레이저 공진기를 구동하는 RF 드라이버를 포함하는 다수의 단위 레이저 시스템, 상기 각 레이저 공진기로부터의 레이저 빔을 하나로 결합하는 광학 결합부, 그리고 상기 동기 신호를 발생하는 신호 발생부;를 구비한다.
도1을 참조하면 본 발명에 따른 레이저 시스템은 병렬 구조의 레이저 공진기가 적용됨을 알 수 있다. 즉, 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)이 다수 병렬로 배치되고 그 들로부터의 레이저 빔이 하나의 광학 결합(200)를 통해 하나의 빔으로 결합되어 출력된다.
도1에서, 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)는 동일한 위상 또는 타이밍을 가지는 레이저 빔을 발생하며, 따라서 각 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 레이저 빔을 하나의 출력 빔(300)으로 결합함으로써 그 출력이 증가한다. 각 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)은, RF 드라이버를 포함하는 이는 파워 스테이션(111, 121, 131)의 한 요소이다. 상기 RF 드라이버는 공진기(112, 122, 132)를 구동하는 것으로 동위상의 레이저 빔을 발생하도록 제어한다.
본 실시 예에 따른 레이저 시스템은 3개의 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)을 구비하는 것으로 기술하고 있으나, 본 발명의 다른 실시 에에 따라, 둘 또는 4 개 이상의 단위 레이저 시스템을 구비할 수도 있다. 이러한 단위 레이저 시스템의 개수를 단위 레이저 시스템의 출력을 고려한 최종 목표 출력에 의해 결정될 것이다.
상기 광학 결합부(200)는 동위상의 복수의 레이저 빔을 하나로 레이저 빔을 결합하는 것으로서, 레이저 빔 진행 경로를 하나로 일치시킴으로써 레이저 빔의 결합이 가능하며, 이에 대해서는 다시 설명된다.
도2는 복수의 레이저 공진기로부터의 레이저 빔들이 출력 시점이 일치할 때와 일치하지 않아 시차가 발생했을 때의 출력 빔의 증가와 출력 빔의 감쇄를 비교 도시한다.
도2에서 첫 번째와 두 번째 라인은 두 공진기로부터의 출력을 시축 상에 나타내 보이며, 세 번째 라인은 광학 결합부에서 출력되는 출력 빔을 나타내 보인다.
도2에 도시된 바와 같이 두 공진기에서의 출력 시점이 일치하는 경우(b) 출력이 최대화(Maximum power)되고, 그리고 그 양측(a, c)에서 두 공진기에서의 출력 시점이 일치하지 않는 경우, 레이저 빔의 감쇄가 이루어진다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 시스템의 단위 레이저 시스템(110,120,130)들은 동일 시점에 레이저 빔이 출사함으로써, 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)으로부터의 동일 위상의 레이저 빔을 하나로 결합하여 증강된 출력을 실현하다.
도3은 단위 레이저 시스템들이 동일 위상의 레이저 빔을 출력할 수 있도록 하는 동기화 시스템을 구비하는 레이저 시스템을 예시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 첫 번째 단위 레이저 시스템(110)은 다른 단위 레이저 시스템(120, 130)을 제어하여 모든 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 레이저 출력 시점을 일치시키기 위한 신호를 발생하는 마스터 레이저 시스템으로서의 기능을 가진다. 이러한 첫 번째 레이저 시스템(110)의 파워스테이션(111)에 마련된 RF 드라이버는 신호 발생부를 포함한다. 이 신호 발생부는 동기신호 발생블록(SyncGen)과 캐리어 주파수 발생블록(Carrier Freq Gen)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 RF 드라이버는 상기 두 블록(SyncGen, Carrier Freq Gen)이 각각 연결되는 지연회로로서 캐리어 주파수 신호와 동기신호를 지연시키는 지연발생 블록(DelayGen), 그리고 두 지연발생 블록으로부터의 신호에 따라 해당 공진기(112, 122, 132)를 구동하는 RF 앰프(Radio Frequency Amplifier)를 구비한다.
그리고 상기 첫 번째 단위 레이저 시스템(110)에 의해 제어되는 두 번째 단위 레이저 시스템(120) 및 세 번째 단위 레이저 시스템(130)의 파워 스테이션(121, 131)의 RF 드라이버는 상기 첫 번째 단위 레이저 시스템으로부터의 동기 신호 발생 블록과 캐리어 주파수 발생 부로부터의 신호를 각각 받아들이는 지연 발생 블록(DelayGen)을 구비한다.
도3에 도시된 본 발명에 따른 레이저 시스템에서, 첫 번째 단위 레이저 시스템의 동기신호 발생 블록(SyncGen) 모든 단위 레이저 시스템의 동기화를 위한 동기 신호를 발생한다. 이 동기 신호는 모든 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 지연 발생 블록(DelayGen)으로 전송되고, 이 신호에 의해 각 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 지연 발생 블록(DelayGen)은 해당 시스템의 공진기(112, 122, 132)의 고유 지연시간을 보상한다. 한편, 첫 번째 단위 레이저 시스템(110)의 캐리어 주파수 발생 블록(Carrier FreqGen)은 RF 앰프의 캐리어 주파수(Carrier frequency) 신호를 발생시키고 이 신호는 모든 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 지연발생블록(DelayGen)으로 전송된다. 상기 지연발생블럭은 동기화된 신호를 원하는 시점을 이동시키기 위한 지연회로이다. 따라서, RF 앰프에서는 상기 동기 신호 및 캐리어 주파수 신호에 대응하는 캐리어 주파수를 발생한다.
이러한 동작에 의해 모든 단위 레이저 시스템(110, 120, 130)의 RF 앰프는 동일한 캐리어 주파수(Carrier Frequency)를 가지며 그리고 동일한 시간에 변조(Modulation)할 수 있는 조건을 갖게 된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 신호 발생부, 구체적으로 상기 동기신호 발생블록(SyncGen)과 캐리어 주파수 발생블록(Carrier Freq Gen)은 다수의 단위 레이저 시스템 중 어느 하나에 마련될 수 있으며, 다른 실시 예에 따르면 단위 레이저 시스템(110)으로부터 분리되어 별도의 독립적인 요소로 마련될 수 있다. 이러한 신호 발생부, 구체적으로 동기신호 발생블록(SyncGen)과 캐리어 주파수 발생블록(Carrier Freq Gen)의 설치 위치 등은 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.
이러한 본 발명이 고체 레이저 시스템에 적용하면, 0.15ns 스텝(step) 단위로 단위 레이저 시스템으로부터의 레이저 출력시점을 제어할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 레이저 시스템은 복수의 단위 레이저 시스템의 레이저 출력 시점을 제어하고, 이들로부터의 레이저 출력을 하나의 광 경로상에 결합함으로써 하나의 단위 레이저 시스템으로부터 얻을 수 없는 고출력 레이저의 실현이 가능하다.
도4는 복수의 레이저 빔을 하나로 결합하는 광학 결합부를 설명하기 위한 것으로서 두 개의 레이점 빔을 하나의 출력 빔으로 합성 또는 결합하는 광학 결합부(210)를 예시한다. 여기에서, 도4에 도시된 광학 결합부(210)는 두 공진기(112, 122)가 나란하게 배치되고 그리고 동일 방향의 편광성분을 가지는 레이저 빔을 발생하는 경우에서의 광학 결합부(210)의 구조를 보인다.
도4를 참조하면, 예를 들어, 두 개의 단위 레이저 시스템(112, 122)의 공진기로부터의 두 레이저 빔(112a, 122a)가 광학 결합부(210)에 의해 하나로 결합된다. 구체적으로 두 레이저 빔(112a, 122a)의 결합은 편광빔분리기(Polarizing Beam Splitter, 213)에 의해 이루어진다. 편광빔분리기(213)는 잘 알려진 바와 같이 특정 방향의 편광은 통과시키고 다른 특정방향의 편광은 반사한다. 예를 들어 P파에 대해서는 투과성을 가지면 S파에 대해서는 반사성을 가진다. 이러한 성질을 이용하면 두 공진기(111, 121)로부터의 레이저 빔(112a, 122a)을 하나의 광 축 상에 결합할 수 있다. 즉, 편광빔분리기(213)로 입사하는 레이저 빔이 하나의 광축으로 진행할 수 있도록 서로 다른 방향의 성분을 가지는 레이저 빔을 입사시키되, 하나의 레이저 빔은 레이저 빔은 편광빔분리기(213)를 통과할 수 있는 편광 성분을 가지며, 그리고 다른 하나의 레이저 빔은 편광빔분리기(213) 내부에서 반사할 수 있는 편광축을 가지도록 한다.
예를 들어 나란히 배치된 두 공진기(112, 122)가 P파의 레이저 빔을 출사하는 경우 편광빔분리기(213)는 P파에 대해 투과성을 가지도록 한다. 따라서, 두 번째 공진기(122)로부터의 레이저 빔(122a)은 편광빔분리기(213)의 제1면(213a)과 그 반대편의 제3면(213c)을 통해 출사광축(214)으로 출사한다.
한편, 두 번째 공진기(122)와 나란히 배치된 첫 번째 공진기(112)로부터의 레이저 빔(112a)을 반사 미러(211)의 의해 상기 편광빔분리기(213)의 제1면과 제3면에 직교하는 제2면(213b)을 통해 입사시킨다. 이때에 첫 번째 공지기(112)로부터의 레이저 빔(112a)이 편광빔분리기(213)의 제2면(213b)로 입사하기 전 반파장판(212)을 통과시킨다. 이렇게 하면 레이저 빔(112a)의 편광 방향이 바뀌게 되며, 따라서 이 레이저 빔(112a)이 편광빔분리기의 제2면(213b)으로 입사한 후 반사하여 편광빔분리기(213)의 제3면(213c)을 통해 출사 광축(214)을 따라 진행한다. 그 결과, 상기 두 공진기(112, 122)로부터의 두 레이저 빔(112a, 122a)이 하나로 결합되어 하나의 출력광을 형성하며, 이때에 본 발명에 따라 이 두 빔이 동일한 위상을 가지면 이들로부터의 얻어지는 출력 광은 최대로 증가하게 된다.
도5는 3개의 공진기로부터의 레이저 빔을 하나로 결합하는 구조의 광학 결합부를 예시한다.
도5의 광학 결합부는 도4의 광학 결합부의 구조를 기반으로 하며 두 번째 공진기와 세 번째 공진기로부터의 레이저 빔(122a, 132a)를 하나의 빔으로 결합하기 위한 제2편광빔분리기(215)와 결합된 빔을 선평광화하여 제1편광빔분리기(213)를 통과시키기 위한 1/4 파장판을 포함하는 선형편광변화기를 가진다. 도5에서 참조 번호 217은 반사미러이며, 216은 반파장판으로서, 세번째 공진기(132)로부터의 레이저 빔(132a)을 제2빔스플리터에서 반사될 수 있는 편광성분으로 변환한다.
이상과 같은 광 결합 구조를 이용하며, 3 개 또는 그 이상의 레이저 빔을 결합할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 광학 결합부는 결합 또는 합성하는 레이저 빔 수에 의해 기술적 범위가 제한되지 않는다.
이상에서 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 시스템은 20~200W 출력의 고체레이저를 이용해서도 200W를 넘는 기체 레이저에서와 같은 고출력의 레이저빔을 형성할 수 있다. 이에 따르면, 고출력의 레이저 빔을 얻기 위하여 사용되었던 기체 레이저 시스템의 단점, 예를 들어 기체의 사용에 따른 제반 비용을 절감할 수 있고, 독성 가스의 사용 및 관리에 수반하는 위험성 및 관리 부담으로부터 자유로울 수 있게 된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 실시 예의 이해를 통해 그 밖에도 다양한 변형 예가 가능함을 알 수 있을 것이다. 이러한 이유로, 본 발명의 기술적 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
110, 120, 130: 단위 레이저 시스템
111, 121, 131: 파워스테이션
112, 122,132: 공진기
200, 210: 광학 결합부
112a, 122a: 레이저 빔
211: 반사 미러
212: 반파장판
213: 편광빔분리기
214: 출력빔

Claims (8)

  1. 복수의 단위 레이저 시스템으로 인가되는 동기 신호를 발생시키는 단계;
    상기 각 단위 레이저 시스템에 포함된 지연발생블록에 상기 동기 신호를 수신하여 상기 각 단위 레이저 시스템에 포함된 공진기의 고유 지연 시간을 보상하고, 상기 단위 레이저 시스템에서 발생하는 신호를 목표 시점으로 이동 시키는 단계;
    목표 시점으로 지연된 동기 신호를 이용해 동위상을 가지는 복수의 레이저 빔을 발생하는 단계;
    상기 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계; 그리고
    상기 결합된 레이저 빔을 출력하는 단계;를 포함하며,
    상기 복수의 단위 레이저 시스템 중, 하나의 단위 레이저 시스템은 마스터 레이저 시스템으로서 다른 단위 레이저 시스템을 제어하여 모든 단위 레이저 시스템의 레이저 출력 시점을 일치시키기 위한 상기 동기 신호를 발생하도록 하는, 레이저 빔 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 발생을 위한 캐리어 주파수 신호를 발생하는 단계; 그리고
    상기 동기신호와 캐리어 주파수 신호를 이용해 상기 다수의 레이저 빔을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 형성방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다수의 레이저 빔을, 편광빔분리기를 포함하는 광학 결합부를 이용해 하나의 레이저 빔으로 결합하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 형성방법.
  4. 동기 신호에 의해 동위상의 레이저 빔을 발생하는 것으로 레이저 공진기와 상기 레이저 공진기를 구동하는 RF 드라이버를 포함하는 다수의 단위 레이저 시스템;
    상기 각 레이저 공진기로부터의 레이저 빔을 하나로 결합하는 광학 결합부; 그리고
    상기 동기 신호를 발생하는 신호 발생부;를 포함하고,
    상기 다수의 단위 레이저 시스템의 RF 드라이버 각각은, 상기 레이저 공진기의 고유 지연시간을 보상하기 위하여 상기 동기 신호를 목표 시점으로 이동시키는 지연회로를 구비하며, 그리고
    상기 다수의 단위 레이저 시스템 중, 하나의 단위 레이저 시스템은 마스터 레이저 시스템으로서 상기 신호 발생부를 포함하여 상기 다른 단위 레이저 시스템을 제어하여 모든 단위 레이저 시스템의 레이저 출력 시점을 일치시키기 위한 동기 신호를 발생하도록 하는, 레이저 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 발생부는 상기 다수의 단위 레이저 시스템 중 어느 하나의 RF 드라이버에 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  6. 삭제
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 신호 발생부는 상기 동기신호를 발생하는 동기 신호 발생블럭과 상기 레이저의 발진을 위한 캐리어 주파수 신호를 발생하는 캐리어 주파수 신호 발생 블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  8. 삭제
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