KR101766571B1 - 레이저 광학 프로텍션 - Google Patents

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마이클 더블유. 머레이
멜빈 제이. 리마
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노반타 코포레이션
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Abstract

희생 부품을 통해 천공되는 것과 같은 희생 부품에 대한 실질적인 손상의 압력 표시를 기반으로 희생 부품과 자동 레이저 종료의 개념을 이용하여 외부 오염원으로 인한 손상으로부터 레이저 또는 기타 높은 광 동력원을 보호하는 장치 및 방법을 제공한다.

Description

레이저 광학 프로텍션{LASER OPTIC PROTECTION}
예시적이고 비 제한적인 실시예들은 일반적으로 레이저 광학장치(laser optics)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 오염원으로 인한 손상으로부터 레이저 또는 기타 높은 광 전력원을 보호하는 것에 관한 것이다.
본 단락은 이하에 설명하는 실시예들의 배경 또는 내용을 제공하는 것이다. 본 명세서의 설명은 추구될 수 있는 개념들을 포함할 수 있지만, 반드시 이전에 착상되거나 구현되거나 설명된 것들은 아니다. 그러므로, 달리 명시적으로 언급하지 않는 한 본 단락에서 설명되는 것은 본 출원의 설명에 대한 종래 기술이 아니고 이 단락에 포함되는 것에 의해 선행 술이라고 인정되지 않는다.
가장 기본적인 형태에서, 레이저는 광 방사(광)를 통과하고, 레이저 이외에 공간에 전파할 수 있는 최종 광학 표면을 갖는다. 레이저로부터의 전력이 최종 광학면에 부착할 수 있는 외부 오염물질에 의해 흡수될 때, 최종 광학면은 어느 정도 손상에 취약하다. 오염 물질의 국부적인 가열은 종종 최종 광학 구성요소의 피막 및 기판 물질의 기화를 초래한다. 최종 광학 구성요소는 윈도우, 레이저 출력 커플링 미러, 프리즘, 렌즈 등이 될 수 있다. 최종 광학 구성요소는 그 자체로 고가의 부품일 수 있지만, 더 중요한 것은,이 구성요소는 레이저의 내부 환경을 보호하기 위해 필요할 수 있다. 손상이 최종 광학 표면상에 전개될 때, 레이저로부터의 파워는 레이저 외부에서 시작하여 최종 광학 표면에 구멍을 낼 수 있다. 최종 광학 부품이 완전히 천공되면, 전체 레이저 공진기 캐비티는 수리할 수 없을 정도로 손상될 수 있다.
제1 양태에 따른 장치는 하나 이상의 광학 구성요소 및 하나 이상의 트랜스듀서를 포함는 하우징을 포함하며, 여기서 상기 하나 이상의 광학 구성요소의 적어도 하나는 희생 구성요소이고, 작동 상태에서, 상기 하우징은 하우징의 대응하는 하나 이상의 부분에서 소정의 하나 이상의 가스 압력을 가지며, 또한 상기 하나 이상의 트랜스듀서는, 상기 하우징이 작동 상태이면, 레이저의 종료 명령을 자동으로 발생하도록 구성되며, 이때 상기 하우징의 하나 이상의 부분 중 적어도 한 부분에서의 가스 압력 파라미터는 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서에 의해 검출되고 외부 오염에 의해 야기되는 임계 레벨을 초과하여 변경된다. 또한, 하우징은 레이저에 부착될 수 있거나 레이저의 일부일 수 있다.
제 2 양태에 따른 방법은 하나 이상의 광학 구성요소 및 하나 이상의 트랜스듀서를 포함하는 하우징을 갖는 장치를 제공하고, 여기서 상기 하나 이상의 광학 구성요소의 적어도 하나는 희생 구성요소이고; 상기 하우징의 대응하는 하나 이상의 부분에 미리 정해진 하나 이상의 압력을 제공하고; 상기 하우징의 하나 이상의 부분 중의 적어도 하나에서 가스 압력 파라이터가 레이저의 종료 명령을 발생하도록 외부 오염에 의해 야기된 임계 레벨을 지나서 변경되는 경우 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서를 이용하여 검출하는 과정을 포함한다. 더구나, 상기 방법은 천공된 적어도 하나의 희생 구성요소를 교체하는 과정을 더 포함할 수 있다.
예시적 실시예의 성질 및 목적을 더 잘 이해하기 위하여, 다음 도면과 관련하여 취한 다음의 상세한 설명으로 언급된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저 보호 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 레이저 보호 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 레이저 보호 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 레이저 보호 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 가능한 파장 선택성을 가지는 레이저 캐비티의 레이저 광 보호부 내측의 개략도이다.
도 6은 본 명세서에서 설명되는 실시예들의 수행을 입증하는 흐름도이다.
상술한 문제점은 본 명세서에 기재된 실시예들을 사용하여 해결될 수 있다.
서론으로, 미국 특허 제5,359,176호 및 미국 특허 제5,898,522호는 레이저 외부 근원으로부터 오염 때문에 손상으로부터 레이저 광학계의 보호를 위한 종래의 해결책을 예시하고 있다. 상기 두 특허들은 레이저 광학계에서 떠나서 직접적인 오염에 대해 유동 가스의 사용을 필요로 한다. 그러나, 유동 가스에 대한 요구는 많은 레이저 애플리케이션, 특히 작은 소형 레이저의 경우에는 항상 실용적이지 않다. 유동가스의 사용은 미국 특허 제4,439,862 호에 개시된 바와 같이 광학 브루스터(Brewster) 윈도우로 저압 레이저 가스의 체적을 밀봉함으로써 피할 수 있다. 여기서, 광학 브루스터 윈도우와 레이저 거울 사이의 가스 공간은 외부 오염이 광학 브루스터 윈도우에 도달하는 것을 방지하기 위해 밀봉된다. 레이저의 출력 미러가 외부 오염으로 인해 손상되면, 출력 거울과 관련된 광학 브루스터 윈도우도 또한 종종 광학 윈도우 또는 미러의 내측 표면상에 형성되는 화재로 유도될 수 있는 이물질에 의해 손상될 수 있다. 하지만, 미국 특허 제4,439,862의 기술내용은 출력 거울 및/또는 관련된 광학 브루스터 윈도우 및 레이저의 다른 내부 부품들의 궁극적인 파괴를 초래할 수 있는 레이저를 끄기(turning off) 위한 어떤 자동 해결책을 제공하지 않는다.
상술한 문제점은 본 명세서에 기재된 실시예들을 사용하여 해결될 수 있다.
본 장치 및 방법은, 희생 광학 구성요소(sacrificial optical component)를 통한 천공과 같은 희생 광학 구성요소에 상당한 손상의 압력 표시를 기반으로, 희생 광학 구성요소 및 자동 레이저 종료의 개념을 이용하여 레이저 또는 기타 높은 광전력원을 외부의 오염원으로 인한 손상으로부터 보호하기 위해 제공된다. 레이저는 광학 스펙트럼(예컨대 이온 아르곤 레이저)의 가시 부분에서, 근적외선(예컨대 Nd : YAG 또는 반도체 GaAs 레이저)에서, 원적외선(예컨대 CO2 레이저)에서 임의의 고강도 레이저일 수 있다. 보호 디바이스/장치(도 1-도 4 참조)는 하나 이상의 광학 구성요소를 포함하는 하우징을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 하나 이상의 광학 구성요소 중 적어도 하나는 희생 구성요소이고, 상기 하우징은 레이저의 적어도 하나 이상의 출력 광학 구성요소(예컨대 윈도우, 레이저 출력 커플링 미러, 렌즈 등)을 보호하기 위해 레이저에 장착될 수 있고, 부착된 작동 위치에서 상기 하우징은 하우징의 하나 이상의 대응 부분에 하나 이상의 소정 가스 압력을 가진다.
또한 보호 디바이스/보호 모듈의 광학 구성요소는 반사 손실 및 가능한 간섭 및 재반사방지(backreflection) 효과를 감소시키기 위해, 레이저의 동작 파장 범위를 위한 반사방지막(antireflecion) 피막을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에 기재된 레이저 광학 차단 구성요소를 포함하는 하우징은 도 5를 참조하여 더 논의되는 바와 같이 레이저 캐비티의 내부 모듈로서 구현될 수 있다.
또한, 하우징이 부착된 작동 위치(또는 레이저 캐비티의 내부)에 있을 때, 보호 디바이스/레이저/장치는 상기 하우징의 하나 이상의 부분중 적어도 하나에서 가스 압력 파라미터가 임계 레벨을 초과하여 변경될 때, 레이저의 종료 명령을 자동 생성하도록 구성된 이상의 트랜스듀서 (예컨대 압력 센서)를 포함할 수 있고, 이러한 임계 레벨의 변경은 하나 이상의 센서들 중 적어도 하나의 압력 센서에 의해 검출되고, 외부의 오염에 의해 발생된다.
본 명세서에서 기술된 예시적 실시예들은 외부오염으로 인한 손상으로부터 레이저 및/또는 레이저 캐비티의 최종 광학 구성요소를 분리하기 위해 , 저렴한 비용의 희생 광학 구성요소를 이용함으로써 레이저의 파괴를 방지하기 위한 것이다. 보다 저렴한 비용의 광학 구성요소의 예는 ZnS를 사용하여 제작된 광학 구성요소일 수 있고, 이와 대조적으로 ZnSe, Ge 또는 CdTe와 같은 더 비싼 재료는 더욱 필요한 최종 광학 요소를 위해 사용될 수 있다. 설명된 실시예들의 목적은 레이저의 출력 미러/윈도우 또는 레이저 공진기 캐비티에 대한 손상이 발생하기 전의 손상 형태로서, 희생 광학 구성요소(S) 상의 손상을 검출하여 레이저를 자동으로 종료할 수 있는 것이다. 희생 광학 구성요소에 손상이 발생하면, 보통 오염이 존재하고 있는 희생 광학 구성요소(11)의 외부 표면(11a)에서 화재가 시작할 수 있다(참조 번호는 상세히 후술하는 바와 같이 도 1 내지 도 5에 적용 가능하다). 종종 화재는 또한 희생 광학 구성요소(11)의 내부 표면(11b)에 형성할 수 있다. 다음에 본 목적은 희생 광학 구성요소(11)가 천공되는 때의 압력 변화를 감지하는 (압력 작동 스위치, 압력 센서 등으로 구현되는) 압력 트랜스듀서(19)를 이용하여 희생 광학 구성 요소(11)의 손상을 검출하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 도 1 내지 도4에 도시된 바와 같이 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12) 또는 최종 광학 구성요소(12)와 희생 광학 구성요소(11) 사이의 임의의 광학 구성요소로부터 떨어진 잔해에 관한 것이다. 이하의 도 5를 참조하여 논의되는 바와 같이, 유사한 효과는 레이저 공진기 캐비티를 보호하기 위해 레이저 캐비티의 내측에서 구현될 수 있다. 또 다른 목적은 레이저 전원 공급장치(20)를 종료하고자 압력 트랜스듀서(19)로부터의 전기 신호(종료 명령)를 이용하여 레이저에 대한 손상을 방지하는 것이다. 대안적으로, 종료 명령(shutdown command)은 레이저의 전원 공급장치를 종료함 없이 (즉 레이저 캐비티 내측 셔터를 폐쇄함에 의해) 레이저의 레이징(lasing) 성능의 종결을 야기할 수 있다.
희생 광학 구성요소(11)(또는 11')에 대한 손상은 또한 소수의 예를 열거하면 UV(자외선) 포토다이오드, 음이온 연기 검출기, 광 연기 검출기(optical smoke detectors), 마이크로폰, 적외선 검출기를 포함하는 다양한 다른 트랜스듀서에 의해 검출할 수 있다. 이들 형태의 트랜스듀서들은 압력 트랜스듀서에 추가하여 사용될 수 있다. 모든 경우에, 도 1 내지 도 4에 개시된 희생 광학 구성요소(11) 또는 도 5에 개시된 구성요소(11')와 교차하는 압력 차이(pressure differential)의 사용은 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12) 또는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 최종 광학 구성요소(12)와 희생 광학 구성요소(11) 사이의 임의의 광학 구성요소로부터 떨어지거나 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 공진기 캐비티로부터 떨어진 잔해를 지향하는 것이 유리하다.
도 1 내지 도 4는 레이저 보호 장치(10)를 구현하는 4개의 실시예를 보이며, 도 5는 추가의 실시예에 따라 가능한 파장 선택성과 빌트인 캐비티 프로텍션(build-in cavity protection)를 가지는 레이저를 보이고 있다.
도 1에 도시된 제1 실시예에 따르면, 희생 광학 구성요소(11)는 제2 광 윈도우(14)가 사용될 수 있는 광 윈도우일 수 있다. 제1 실시예의 경우, 두 광 윈도우는 모든 표면들 상에 반사방지 코팅을 가질 수 있다. 두 광학 윈도우는 광학가스 기밀(예컨대 밀폐) 밀봉을 형성시키는 수단에 의해 하우징(15)에 장착된다. 가스 기밀 밀봉은 도 1에서 (뿐만 아니라 다른 도 2 내지 도 5에서) 도시된 바와 같은 클램프 링(26)에 의해 압축된 O-링 밀봉(16)에 의해 또는 레이저(13)의 수명 외에 신뢰할만한 밀봉을 유지하는, 이로 제한되지 않지만, 금속 밀봉 또는 열경화성 밀봉과 같은 다른 수단에 의해 형성된다. 하우징(15), 희생 광학 구성요소(11) 및 제2 광 윈도우(14)는 레이저(13)의 광축과 실질적으로 공축으로 정렬되는 광축(17)을 가지는 조립체의 일부를 형성한다. 보호성 광학 구성요소(11, 14)는 레이저 공진기 캐비티 내로 바람직하지 않은 재반사를 방지하고자 선택적으로 약 2°내지 5°로 약간 오정렬될 수 있다. 이에 대한 측정은 보호성 광학 구성요소(11, 14) 상에 반사방지 코팅에 추가하여 또는 이 대신에 구현될 수 있다. 더욱이, 이러한 특징은 도 2 내지 도 5에 예시된 다른 실시예들에도 적용될 수 있다. 따라서, 용어 "실질적으로 공축으로 정렬된"은 본 명세서에 기술된 바와 같이 넓게 해석하며, 즉 적어도 5°이내로 정렬되는 것으로 해석된다.
광학 윈도우(11, 14) 사이의 하우징(15) 내부 공간(18)은 공기 또는 건조 질소와 같은 가스로 대기압 이상으로 크게 가압될 수 있다. 공간(18) 내의 압력은 일반적으로 30 ~ 50 psi(14 psi는 대기압임)의 범위일 수 있다. 압력 작동 스위치나 압력 센서 형태의 트랜스듀서(또는 압력 트랜스듀서)(19)는 윈도우 (11, 14) 사이의 공간(18) 내의 압력 손실을 감지하도록 하우징(15) 상에 장착된다. 희생 광학 구성요소(11)가 천공되는 경우에, 공간(18) 내의 가압 가스는 희생 광학 구성요소(11)에 천공된 구멍을 통해, 공간(18)으로부터 유출함에 의해 제2 광 윈도우(14)를 보호하게 될 것이다. 임의의 잔해는 광축(17)을 따라 흩날려서 제2 광 윈도우(14)로부터 멀리 떨어지게 된다. 상기 공간(18) 내의 가스 압력이 소정 임계 레벨 아래로 떨어짐에 따라, 트랜스듀서(19)로부터의 전기신호는 레이저(13)의 레이저 전원 공급장치(20)를 종료하여 추가의 광 손실을 방지할 것이다. 하지만 많은 경우 희생 광학 구성요소(11)의 내부 표면(11b)을 통해 연소되기 전에 내측 표면 상에 불이 나게 된다. 이 경우, 또한 제2 광 윈도우(14)의 내부 표면(14a)에도 손상을 형성할 수 있다. 그러므로, 제2 광 윈도우(14) 이전에 희생광학 구성요소(11)가 연소되도록 제2 광 윈도우(14)의 두께보다 현저히 작게 희생 광학 구성요소(11)를 만드는 것이 유리하다. 희생 광학 구성요소(11)를 교체한 후, 공간(18)은 충진 메카니즘(21)을 이용함에 의해 다시 가압될 수 있다. 충진 메카니즘(21)은 체크 밸브처럼 간단히 구성할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 오염이 공간(28)으로 들어가 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12)에 이르는 것이 방지되도록 먼지 밀봉(27)이 필요할 수 있다. 더스트 시일(dust seal : 27)은 발포체 가스켓일 수 있고, 일반적으로 대기압에서 반드시 밀폐적인 밀봉 공간(28)일 필요는 없다.
도 2에 예시된 본 발명의 제 2 실시예에서는 제2 광 윈도우(14)는 사용되지 않는다. 제2 광 윈도우(14)을 제거하면 비용을 줄이고 레이저 내부의 불필요한 반사광의 가능한 근원을 제거한다. 이 경우에, 희생 광학 구성요소(11)는 외부 표면(11a)과 내부표면(11b)에 반사방지 피막을 가질 수 있다. 그리고, 제2 실시예에 있어서, 하우징(15)은 가스 기밀(밀폐) 밀봉을 이용하여, 레이저(13)의 본체에 직접 장착될 수 있다. 희생 광학 구성요소(11)와 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12) 사이의 공간(18a)은 공기 또는 건조 질소와 같은 가스로 대기압 이상으로 현저하게 가압된다. 공간(18a) 내의 압력은 일반적으로 30 내지 50 psi의 범위일 수 있다. 희생 광학 구성요소(11)가 천공되는 경우에, 상기 공간(18a)에서 가압된 가스가 최종 광학 구성요소(12)로부터 잔해를 강제로 멀리 송풍함으로써 최종 광학 구성요소(12)를 보호할 것이다. 제1 실시예의 경우에서와 같이, 공간(18a) 내의 가스 압력이 떨어지면 트랜스듀서(19)(압력 트랜스듀서)가 전기신호를 발생하여, 레이저(13)의 전원 공급(20)를 종료시킴으로써, 추가적인 광학적 손상을 방지할 것이다. 제2 실시예에서는, 레이저 광 보호장치(10)가 장착되어 레이저(13) 상에 밀봉되기 때문에 더스트 시일(27)은 필요하지 않다.
도 3은 희생 광학 구성요소(11)는 갈릴레오식 빔 팽창 망원경의 발산 렌즈인 제3 실시예를 예시한다. 뿐만 아니라 희생 광학 구성요소(11)는 케플러식 망원경의 수렴 렌즈일 수 있다. 하지만, 발산 렌즈가 제2 광 윈도우(14)의 두께에 상대적으로 광축(17)이 집광렌즈보다 얇기 때문에 갈릴레오식 망원경이 유리할 수 있다. 어느 경우든지, 희생 광학 구성요소(11)보다 훨씬 낮은 광 강도(전력 밀도)가 가해지는 두꺼운 대물 렌즈(22)를 가질 수 있다. 대물 렌즈(22)의 외부 표면(22a)에 침적되는 외부 오염물질은 대물 렌즈(22)의 내부 표면(22b)에 형성하는 화재의 원인이 될 수 있다. 대물 렌즈(22)의 내부 표면(22b)에서의 연기 및 잔해는 광 강도가 매우 높은 희생성 광 요소(11)의 외부 표면(11a)에 침적될 수 있다. 대물 렌즈(22)의 두께에 대한 망원경 설계의 필요에 따라 희생 광학 구성요소(11)가 우선적으로 천공되도록 희생 광학 구성요소(11)보다 더 크게 설계되어야 한다. 본 발명의 상술한 실시예의 경우에는, 공간(18)이 가압되고, 희생 광학 구성요소(11)가 천공되면, 압력 강하를 압력 트랜스듀서(19)가 검출하여 레이저(13)의 전원 공급(20)를 종료한다. 하지만, 전술한 실시예들과 달리, 제3 실시예는 하우징(15) 내에 추가 공간(23)을 제공한다. 상기 공간(23)은 상기 공간(18)보다 훨씬 넓은 체적을 가지며 상기 공간(18)보다 낮은 압력이다. 상기 공간(23) 내의 가스의 압력은 대기압에서 진공(몇 mTorr)의 범위이다. 희생 광학 구성요소(11)가 천공되면, 잔해는 공간(23)으로 불어 넣어져서 제2 광 윈도우(14)와 멀리 떨어진다. 제2 광 윈도우(14)에 손상되지 않은 나머지에 의해 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12)를 보호한다. 희생 광학 구성요소(11)가 교체된 후, 상기 공간(18)은 충진 메카니즘(21)을 이용함에 의해 가압될 수 있다. 또한, 공간(23) 내의 가스 압력을 공간(18) 내의 압력보다 낮은 값으로 펌프 다운(pump down)하는 데 제2 충진 메카니즘(21a)이 이용될 수 있다. 제4 실시예의 경우, 외부 오염이 레이저(13)의 최종 광 요소(12)에 이르는 것을 방지하도록 더스트 시일(27)이 요구된다.
도 4는 희생 광학 구성요소(11)가 케플러식 비임 팽창 망원경의 수렴 렌즈인 제4 실시예를 예시한다. 케플러식 비임 팽창 망원경의 경우, 레이저 비임은 작은 직경의 초점(24)에 초점이 맞추어진다. 희생 광학 구성요소(11) 쪽으로의 연기 및 잔해의 전달이 느려지도록, 초점(24)에 작은 구멍 홀을 가지는 다이아프램(25)을 놓는 것이 유리하다. 한편, 작은 구멍 홀은 레이저 비임이 다이아프램(25)을 관통하기에 충분히 크게 만들 수 있고, 대물 렌즈(22)의 내부 표면(22b)에 발생하는 화재의 경우에 희생 광학 구성요소(11)에 대한 연기 및 잔해의 전달을 지연하기에 충분히 작게 만들 수 있다. 대물렌즈(22)가 희생 광학 구성요소(11)보다 두껍다는 사실에도 불구하고, 다이어프램(25)의 존재는 대물 렌즈(22)를 희생 광학 구성요소(11)에 앞서서 천공할 수 있다. 제3 실시형태의 경우에서와 같이, 상기 공간(18)이 가압된다. 하지만, 상기 공간(23)은 대기압 아래에서 펌프 다운되어, 대물 렌즈(22)나 희생 광학 구성요소(11)를 천공하면, 대기압에 대해 상대적인 공간(23) 내의 가스의 압력을 압력 트랜스듀서(19)가 감지한다. 압력 트랜스듀서(19)로부터의 신호는 레이저(13)의 전원 공급장치(20)를 종료하는 데 이용될 수 있어 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12)에의 손상을 방지할 수 있다. 제 4 실시예에 있어서, 외부 오염이 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12)에 이르는 것을 방지하도록 더스트 시일(27)이 요구된다.
도 5에 예시되는 추가 실시예들은 특수 코팅된 고가의 확산 그래이팅 또는 미러가 필요 없는 가능한 파장의 선택성으로 레이저(13)의 레이저 공진기 캐비티의 레이저 광 보호를 제공한다. 도 5에 있어서, 레이저 광 보호는 레이저의 레이저 캐비티내에 만들어지고, 캐비티에는 희생 광학 구성요소(11')가 도 1 내지 도 4의 최종 광학 구성요소(12)와 유사한 기능을 가진다.
희생 광학 구성요소(11')는 출력 레이저 캐비티 미러와 같은 표면(11b') 상에 부분 반사 코팅을 가질 수 있고, 표면(11a')상에 반사방지 코팅을 가질 수 있다. 또한 도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 광 윈도우(14)와 유사한 제2 광학 구성요소(14')는 외부 표면(14a)과 내부 표면(14b)에 반사방지 코팅을 가질 수 있다. 제 2 광 윈도우(14')는 도 1 내지 도 4에 도시된 레이저(13)의 최종 광학 구성요소(12)에 대한 경우와 다르게 레이저(13)의 내부 환경을 보호할 수 있다. 더욱이, 희생 광학 구성요소(11')와 제2 광 윈도우(14') 사이의 공간(18b)은 레이저 광 출력 파워가 소망되는 파장을 제외한 모든 광 파장에서 강한 광 흡수를 가지도록 선택된 특수 가스 혼합으로 대기압 이상으로 충분히 가압될 수 있다. 공간(18b) 내의 압력은 전형적으로 30 내지 50 psi의 범위일 수 있다. 예를 들어, 황헥사플루오라이드 가스(sulfur hexafluoride gas)는 CO2 레이저가 정상적으로 작동할 때의 파장 10.6 미크론에서 매우 강한 흡수를 갖는다. 그러나, CO2 레이저는 또한 9.6 미크론 파장에서 동작할 수 있으며, 이 파장은 황헥사플루오라이드를 거의 흡수하지 않는 파장이다. 상기 공간(18b) 내로 황헥사플루오라이드를 도입하는 것은 10.6 미크론에서의 레이저 작동을 억제하며, 상기 레이저는 9.6 미크론으로 전이된 다음에, CO2 레이저에 대한 최강 파장으로 이동한다. 하지만, 외부 오염으로 희생 광학 구성요소(11')가 천공되지 않으면, 압력 트랜스듀서(19)는 레이저(13)의 전원 공급장치(20)를 종료하여 추가의 광학적 손상을 방지하게 된다. 도 5에서 설명한 실시예의 경우에 있어서, 레이저 광 보호 모듈이 장착되고, 레이저(13)의 일부분으로 밀폐되어 있기 때문에, 더스트 시일(27)은 요구되지 않는다. 또한 도 5에 도시된 실시예는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 사용된 가압 사이에 따라 스펙트럼/파장을 선택하여 사용하거나 아니면 선택없이 사용된다.
더욱이, 도 5에서 보여지는 바와 같이, 도 1 내지 도 4에 도시된 다른 예들은 스펙트럼/파장 선택성을 가진 가스들에 사용되지만, 도 1 내지 도 4의 예에서는 레이저 캐비티 외측에서 간단한 스텍트럼 필터로서 사용되었다. 도 1 내지 도 5에 도시된 모든 전술한 실시예에 있어서, 단일 압력 트랜스듀서(19)는 공간(18, 18a 또는 23) 내의 게이지 압력을 감지하는 데 이용될 수 있다. 하지만, 하나 이상의 압력 트랜스듀서가 공간(18, 18a 또는 23) 내의 게이지 압력을 감지하는 데 이용될 수 있다. 또한 트랜스듀서(19) 및/또는 추가 트랜스듀서는 예컨데 도 3 및 도 4에 도시된 공간(18)과 공간(23) 사이의 압력 차이의 변화를 감지하도록 기계적으로 구현되는 차동 압력 트랜스듀서이거나 절대 압력 트랜스듀서일 수 있다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예들의 구현을 보이는 흐름도의 예를 도시한다. 도 6에 도시된 단계들의 순서는 절대적으로 필요한 것은 아니지만, 원칙적으로 다양한 단계가 예시된 순서로 수행될 수 있다. 또한 특정 단계가 생략될 수 있고 또는 선택된 단계 또는 단계별 그룹으로 별도의 응용 프로그램에서 수행될 수 있다.
본 실시예에 따른 방법에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같은 첫 번째 단계 (50)에서, 레이저 보호 장치 또는 빌트인 레이저 보호 장비를 구비한 레이저가 제공되며, 장치는 하나 이상의 광학 구성요소 중 적어도 하나가 희생성 요소인 하나 이상의 광학 구성요소를 포함하고, 하나 이상의 트랜스듀서를 가지는 하우징을 포함한다.(도 1 내지 도 5의 예 참조)
다음 단계(52)에서, 상기 장치는 상기 레이저들 중 적어도 하나의 출력 광 요소를 보호하고자 레이저에 부착된다.(도 1 내지 도4의 예 참조) 본 단계는 도 1 내지 도 4에 도시된 실시예에 대해서만 수행되는 옵션이다.
다음 단계(54)에서, 하우징의 하나 이상의 대응하는 부분 내의 하나 이상의 가스 압력이 도 1 내지 도 5의 예에 보여지는 바와 같이 제공된다.
다음 단계(56)에서, 하우징의 하나 이상의 부분들 중 적어도 하나에서의 가스 압력 파라미터가 외부 오염 물질에 의해 레이저의 종료 명령을 발생하는 임계 레벨이상으로 변화될 때, 즉 도 1 내지 도 5의 실시예에서 보여지는 바와 같이, 레이저의 종료 명령을 생성하는, 예를 들어, 적어도 하나의 희생성 광 요소가 천공되는 때를 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서가 검출한다.
다음 단계 (58)에서, 손상된 희생성 광 요소가 교체되고, 단계(52) 또는 단계(54)로 되돌아 간다.
본 명세서에서 설명된 다양한 제안되는 않는 실시예들이 특정 어플리케이션을 위해 별도로, 결합되거나 선택적으로 결합 될 수 있음을 유의한다.
또한, 상기 비 제한적인 실시예들의 다양한 특징들의 일부는 기타 설명된 특징들의 대응하는 사용 없는 이점에 사용될 수 있다. 그러므로, 전술한 설명은 본 발명의 원리, 교시 및 예시적 실시예를 단순히 예시적인 것으로 고려해야 하는 것이지만, 이로서 제한되는 것은 아니다.
상술한 구성들은 본 발명의 원리들의 어플리케이션을 단지 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 수많은 변형들 및 대안적인 배열이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 설계될 수 있고, 첨부된 청구항들은 그러한 변형 및 배열을 포함하도록 의도된다.

Claims (28)

  1. 하나 이상의 광학 부품을 포함하는 하우징으로서, 상기 하나 이상의 광학 부품 중 적어도 하나는 희생 부품이며, 작동 상태에서 상기 하우징은 상기 하우징의 상응하는 하나 이상의 부분에서 하나 이상의 소정의 가스 압력을 갖는, 하우징; 및
    상기 하우징이 상기 작동 상태에 있을 경우, 상기 하우징의 상기 하나 이상의 부분 중 적어도 하나의 영역에서의 가스 압력 파라미터가 임계 레벨을 초과하도록 변화되는 시점에 레이저 종료 명령을 자동 생성하도록 구성된 하나 이상의 트랜스듀서로서, 상기 시점은 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서에 의해 감지되며 외부 오염물에 의해 발생되는, 하나 이상의 트랜스듀서;를 포함하고,
    상기 하우징은 더스트 시일을 이용하여 레이저에 부착되는,
    장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품을 보호하도록 상기 레이저에 부착가능하며, 부착된 작동 상태에서 상기 하우징은 하나의 부분만을 포함하되, 상기 하나의 부분은 대기압 이상으로 가압되고, 상기 하나 이상의 광학 부품들은 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품의 축과 실질적으로 공축으로 정렬된 두 개의 밀봉 연결된 광 윈도우를 포함하며, 그리하여 적어도 하나의 희생 부품으로 작용하는 두 개의 광 윈도우 중 하나가 천공될 때 상기 하우징 내의 상기 하나의 부분에서 압력 감소가 일어나 상기 종료 명령이 생성되는,
    장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    2개의 광 윈도우 중에서 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품으로부터 제2 광 윈도우보다 더 멀리 위치한 제1 광 윈도우는 제2 광 윈도우보다 얇으며, 그리하여 상기 2개의 광 윈도우 중 제1 광 윈도우가 우선 천공되어 상기 종료 명령의 생성을 일으키는,
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품을 보호하도록 상기 레이저에 부착가능하고, 부착된 작동 상태에서 상기 하우징은 하나의 부분만을 포함하되, 상기 하나의 부분은 대기압 이상으로 가압되고, 상기 하나의 부분은 하나 이상의 광학 부품들을 가지며, 상기 하나 이상의 광학 부품은 상기 하우징에 밀봉 연결된 광 윈도우 및 상기 광 윈도우 반대편의 하나의 개구를 포함하며, 상기 광 윈도우와 상기 개구는 상기 레이저의 적어도 하나의 광학 부품의 축과 실질적으로 공축으로 정렬되며, 상기 개구는 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품에 밀봉 연결되어, 적어도 하나의 희생 부품으로 작용하는 상기 광 윈도우가 천공될 때 상기 하우징의 상기 하나의 부분에서 압력 감소가 일어나 상기 종료 명령이 생성되는,
    장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 윈도우는 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품보다 얇은,
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 레이저의 일부인 단지 하나의 부분 만을 포함하며, 상기 하나의 부분은 작동 상태에서 대기압 이상으로 가압되며, 상기 하나의 부분은 적어도 하나의 광학 부품을 가지며, 상기 광학 부품은 상기 레이저의 출력 광학 부품, 및 광 윈도우를 포함하며, 상기 출력 광학 부품과 상기 광 윈도우는 상기 하우징에 밀봉 연결되며, 상기 레이저의 상기 출력 광학 부품의 축과 실질적으로 공축으로 정렬되어, 상기 레이저의 출력 광학 부품이 천공될 때 상기 하우징의 상기 하나의 부분에서 압력 감소가 일어나 상기 종료 명령이 생성되는,
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 대기압 이상으로 가압하기 위한 상기 하우징의 상기 하나의 부분 내의 가스는 레이저 출력 비임의 파장 선택을 위해 또한 사용되는,
    장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    CO2 레이저용으로 9.6 마이크론의 파장을 선택하고 레이저 출력 비임의 10.6 마이크론의 파장을 억제하는 가스는 황헥사플루오라이드인,
    장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징이 레이저에 부착된 작동 상태에서 상기 하우징은,
    대기압 이상으로 가압되며 광 윈도우와 제 1 렌즈를 포함하는 제 1 부분으로서, 상기 광 윈도우와 상기 제 1 렌즈는 상기 하우징에 밀봉 연결되며 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품의 축과 실질적으로 공축으로 정렬되는, 제 1 부분; 및
    상기 레이저로부터 더 멀리 위치하는 제 2 부분으로서, 대기압 이하로 가압되어 상기 제 1 부분과 공유되는 제 1 렌즈와 상기 하우징에 밀봉 연결되어 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품의 축과 공축으로 정렬되는 제 2 렌즈를 포함하는 제 2 부분을 포함하는 제 2 부분을 포함함으로써,
    희생 부품으로 작용하는 상기 제 1 렌즈가 천공될 때 상기 하우징의 제1 및 제2 부분에서 압력의 변화가 일어나 상기 종료 명령이 생성되는,
    장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈는 발산 렌즈(diverging lens)이고 제 2 렌즈는 대물 렌즈이며, 상기 제 1 렌즈와 상기 제 2 렌즈는 갈릴레오식 비임 팽창 망원경을 형성하는,
    장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈는 수렴 렌즈(converging lens)이고 상기 제 2 렌즈는 대물 렌즈이며, 상기 제 1 렌즈와 상기 제 2 렌즈는 케플러식 비임 팽창 망원경을 형성하며, 희생 부품으로 작용하는 제1 렌즈를 잔해와 연기로부터 보호하기 위해 상기 케플러식 비임 팽창 망원경의 초점에 작은 구멍을 구비하는 다이아프램을 포함하는,
    장치.
  13. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종료 명령은 적어도 하나의 희생 광학 부품이 천공되는 경우 생성되는,
    장치.
  14. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징의 하나 이상의 상응하는 부분에서 미리 정해진 하나 이상의 가스 압력을 제공하도록 구성된 하나 이상의 충진 메카니즘을 더 포함하는,
    장치.
  15. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징이, 부착되어진 작동 위치에 있는 경우, 하나 이상의 소정의 가스 압력 중 적어도 하나는 대기압 이상이고, 상기 하우징 외측의 압력은 대기압인,
    장치.
  16. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징이 상기 작동 상태에 있는 경우, 상기 하나 이상의 소정의 가스 압력 중 적어도 하나는 대기압 이하인,
    장치.
  17. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 소정의 가스 압력 중 하나는 상기 레이저의 작동 파장 범위에 대한 반사방지 코팅을 포함하는,
    장치.
  18. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 소정의 가스 압력 중 하나는 공기 또는 건조 질소를 이용하여 제공되는,
    장치.
  19. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저는 CO2 레이저인,
    장치.
  20. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저의 상기 종료 명령은 상기 레이저의 전원 공급장치의 종료를 일으키는,
    장치.
  21. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저의 상기 종료 명령은 상기 레이저의 전원 공급장치를 종료시킴 없이 상기 레이저의 레이징(lasing) 성능의 종결을 야기하는,
    장치.
  22. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 트랜스듀서 중 하나는 자외선 포토다이오드, 이온 연기 검출기, 광 스모크 검출기, 마이크로폰 또는 적외선 검출기이며, 상기 하나 이상의 트랜스듀서 중 하나는 적어도 하나의 압력 트랜스듀서에 상보적으로 사용되는,
    장치.
  23. 하우징과 하나 이상의 트랜스듀서를 갖는 장치를 제공하는 단계로서, 상기 하우징은 하나 이상의 광학 부품을 포함하며, 상기 하나 이상의 광학 부품 중 적어도 하나는 희생 부품인, 장치를 제공하는 단계;
    상기 하우징의 상응하는 하나 이상의 부분에 미리 정해진 하나 이상의 압력을 제공하는 단계; 및
    상기 하우징의 하나 이상의 부분 중 적어도 하나의 부분에서 외부 오염물에 의해 발생되는 가스 압력 파라미터가 임계 레벨을 넘도록 변화되는 시점을 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서를 사용하여 검출하여 레이저의 종료 명령을 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 미리 정해진 하나 이상의 압력을 제공하는 단계 전에, 더스트 시일을 이용하여 상기 하우징을 레이저에 부착하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 종료 명령은 적어도 하나의 희생 부품이 천공되는 경우 생성되는,
    방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    천공된 적어도 하나의 희생 부품을 교체하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 레이저의 일부분인,
    방법.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 하우징을 레이저에 부착하는 단계는 상기 레이저의 적어도 하나의 출력 광학 부품을 보호하기 위한 것인,
    방법.
  28. 하나 이상의 광학 부품을 포함하는 하우징으로서, 상기 하나 이상의 광학 부품 중 적어도 하나는 희생 부품이며, 작동 상태에서 상기 하우징은 상기 하우징의 상응하는 하나 이상의 부분에서 하나 이상의 소정의 가스 압력을 갖고, 상기 하나 이상의 부분은 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 상기 희생 부품을 공유하는, 하우징; 및
    상기 하우징이 상기 작동 상태에 있을 경우, 상기 하우징의 상기 제1 및 제2 부분 중 적어도 하나의 영역에서의 가스 압력 파라미터가 임계 레벨을 초과하도록 변화되는 시점에 레이저 종료 명령을 자동 생성하도록 구성된 하나 이상의 트랜스듀서로서, 상기 시점은 상기 하나 이상의 트랜스듀서의 적어도 하나의 압력 트랜스듀서에 의해 감지되며 외부 오염물에 의해 발생되는, 하나 이상의 트랜스듀서;를 포함하고,
    상기 제2 부분은 상기 제1 부분보다 상기 레이저로부터 더 멀리 위치하고, 상기 제1 부분의 가스 압력은 상기 제2 부분의 가스 압력보다 높은,
    장치.




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