KR102099722B1 - 단일-이미터 라인 빔 시스템 - Google Patents

Abstract

라인 빔 시스템은 복수의 개별적으로 이격된 단일 이미터 다이오드 레이저를 포함하는 단일 이미터 광 엔진을 포함하고, 각각의 이미터는 다이오드 레이저 빔을 방출하도록 구성된다. 빔 이격 광학 기기는 단일 이미터 광 엔진과 광학적으로 결합되고, 조밀한 평행 구성으로 다이오드 레이저 빔의 전달축을 제공하기 위해 위치된다. 길이방향 축을 갖는 광 파이프는 조밀 결합된 빔을 수용하고, 광 파이프 내에 빔을 반사함으로써 하나 이상의 축을 통해 균질화된 강도 프로파일을 갖는 출력 빔을 제공하도록 위치된다. 간섭성 감소는 조밀 결합된 빔의 회절 또는 광 파이프의 전달에 의해 생성된다.

Description

단일-이미터 라인 빔 시스템{SINGLE-EMITTER LINE BEAM SYSTEM}

본 출원은 2014년 2월 5일에 출원된 미국 가출원 제61/935,962호의 권리를 주장하고, 그 전체가 본 명세서의 참고로 인용된다.

본 발명은 고전력 레이저 라인 빔 시스템에 관한 것이다.

종래의 라인 빔 생성기는 일반적으로 많은 마이크로 채널 냉식 레이저 바(microchannel cooled laser diode bar)을 기반으로 하고, 많은 신뢰성 문제를 가진다. 일부 문제들은 마이크로채널 마이크로 냉각기의 무식 및 누수, 오-링(O-ring) 또는 다른 씰(seal) 주변 누수, 및 빠른-축 평행 시준(FAC, fast-axis collimation) 광학장치 시간에 대해 어긋남을 포함한다. 도 1은 종래의 14개의 다이오드 레이저 바(112)를 포함하고 총882개의 다이오드 레이저 빔을 방출하는 바-기반 라인 생성기(100)을 보여주고 있다. 각각은 63개의 이미터를 포함한다. 또한, 길이 방향 축과 직접적으로 정렬되는 입사 빔을 수용하는 균질화 하는 광 파이프(118)를 포함하는 빠른 축 평행 시준 렌즈, 인터리버(interleaver), 편광판(polarizer) 및 거울 일체형 어셈블리(mirror monolithic assembly)(116) 및 다른 라인 빔 기기는 레이저 라인 출력 빔(119)을 형성하기 위해 요구된다. 표준 냉각판으로 냉각시키는 신뢰성 높은 단일 이미터 레이저 소스가 마이크로채널 냉각 바 대신에 고전력 라인 빔 시스템으로 사용될 수 있는 반면, 레이저 소스의 총 수의 감소가 소스 사이에 자기-간섭(또는 간섭성) 효과로 인하여 라인 빔의 불균일성 가능성을 증가시키기 때문에, 상기 사용 가능성은 일반적으로 대안으로 일축된다. 따라서, 잠재적인 신뢰성 문제뿐만 아니라, 고 전력 라인 빔 시스템의 다른 문제도 해결하기 위한 혁신이 필요하다.

본 발명의 목적은 고전력 레이저 라인 빔 시스템을 제공하는데 있다. 여기서, 라인 빔 시스템은 복수의 개별적으로 이격된 단일 이미터 다이오드 레이저를 포함하는 단일 이미터 광 엔진을 포함하고, 각각의 이미터는 다이오드 레이저 빔을 방출하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 라인 빔 시스템은 개별적인 방출 빔 축을 따라 해당 레이저 빔을 방출하도록 각각 구성되는 복수의 이격 단일 이미터 다이오드 레이저(spaced-apart single-emitter diode laser)를 포함한다. 간섭성 감소 광학 시스템은 레이저 빔을 수용하고 광학 빔을 따른 광 경로 길이 차이를 확인하기 위하여 위치된다. 라인 빔 광학 시스템은 감소된 간섭성 빔을 수용하고 대상을 향해 라인 빔을 향하게 한다. 일부 실시예에 따르면, 간섭성 감소 광학 시스템은 길이 방향 축을 포함하는 광 가이드를 포함한다. 광 가이드는 광 가이드의 경로 길이 차이를 기초로 간섭성 감소 출력 빔을 생성한다. 여기서, 광 가이드는 방출 빔을 대칭적으로 수용하기 위해, 광 가이드에 대하여 위치된다. 일부 실시예에서, 광 가이드는 수용된 방출 빔의 각 빔 직경(angular beam diameter)이 광 가이드에 대한 입사각의 약

이다. 다른 실시예에 따르면, 간섭성 감소 광학 시스템은 회절된 빔이 회절 각도와 관련된 빔 경로 차이를 가지면서, 방출 빔을 수용하고 감소된 간섭성 빔을 생성하도록 위치되는 회절 격자를 포함한다. 일부 다른 실시예에서, 빔 이격 광학 시스템은 방출 빔을 수용하고, 조밀 결합 빔과 같은 방출빔보다 더 가까이 이격되는 조밀 축을 따라 방출 빔을 향하게 한다. 여기서, 회절 격자는 졸밀 결합 빔을 수용하고, 조밀 결합빔을 기초로 감소된 간섭성을 생성한다. 추가적인 실시예에 따르면, 빔 이격 광학 시스템은 조밀 축을 따라 적어도 하나의 방출 빔을 향하는 적어도 하나의 장사방향 프리즘을 포함한다. 전형적인 예에서, 빔 이격 광학 시스템은 적어도 하나의 방출 빔으로부터 적어도 두 개의 빔을 생성하도록 위치되는 적어도 하나의 빔 스플리터를 포함하고, 각각의 조밀 축을 따라 두 개의 빔을 향하게 한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 빔 스플리터는 편광의 직교 상태에서 적어도 두 개의 빔을 생성하는 편광 빔 스플리터이다. 다른 실시예에 따르면, 원통형 거울은 회절된 빔을 수용하고 광 가이드로 회절된 빔을 향하도록 위치된다.

방법은 복수의 단일 이미터 다이오드 레이저 빔을 평행하게 하는 단계 및 조밀 결합빔을 생성하기 위해 상기 시준된 단일 이미터 다이오드 레이저 빔의 방향을 설정하는 단계를 포함한다. 상기 조밀 결합된 빔은 빔 공간 간섭성을 감소시키고, 간섭성 감소 출력 빔을 생성시키기 위해 광 파이프로 향하게 된다. 간섭성 감소 출력 빔의 강도는 간섭성 감소 출력 빔의 전달 방향과 직교하는 적어도 하나의 축을 따라 균질화되고, 라인 빔은 간섭성 감소 출력 빔을 기초로 형성된다. 일반적으로, 조밀 결합 빔은 광 파이프로 비대칭적으로 향하게 된다. 다른 실시예에서, 조밀 결합빔은 빔 간섭성을 감소시키기 위해 회절된 빔을 형성하기 위해 회절되고, 회절된 빔은 광 파이프로 향하게 된다. 또 다른 실시예에서, 회절 격자와 관련된 가장 긴 경로 길이 지연을 갖는 방출 빔은 광 파이프의 길이 방향 축에 관하여 가장 큰 각도로 광 파이프로 향하게 된다.

라인 빔 시스템은 다이오드 레이저가 제2축에 평행한 빔을 방출하도록 제1축을 따라 위치된 개별적인 복수의 다이오드 레이저를 포함하는 적어도 두 개의 단일 이미터 다이오드 레이저 모듈을 포함한다. 여기서, 적어도 두 개의 단일 이미터 레이저 다이오드 모듈은 제3축을 따라 서로에 대하여 옮겨지고, 여기서, 제1, 제2 및 제3축은 실질적으로 상호 직교한다. 빔 이격 광학 시스템은 상기 방출 빔을 수용하고, 조밀 결합 빔을 형성하고, 빔 이격 광학 시스템은 조밀 빔 전달 축을 형성하는 적어도 하나의 장사방형 프리즘 및 적어도 하나의 방출 빔을 수용하고 적어도 두 개의 연관된 조밀 빔에서 생성하는 빔 스플리터를 포함한다. 회절격자 및 광 파이프는 간섭성 감소 빔을 생성하고 조밀 결합빔을 수용하도록 위치된다. 빔 조정 광학은 간섭성 감소 빔을 수용하고 수렴하는 제1원통형 렌즈를 포함한다. 접이식 거울은 수렴되는 간섭성 감소 다이오드 빔을 수용하도록 위치되고, 제2원통형 렌즈는 접이식 거울로부터 수렴되는 간섭성 감소 다이오드 빔을 수용하도록 위치된다. 편광 거울은 간섭성 감소 결합 빔을 수용하고, 편광의 제1상태의 간섭성 감소 결합 빔을 반사한다. 초점 광학 시스템은 편광 라인의 제1상태에서 반사된 간섭성 감소 결합 빔을 수용하도록 위치되고, 대상을 향해 라인 빔을 향하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 편광 거울은 빔 덤프에 대한 대상으로부터 라인 빔의 일부를 전달하도록 위치된다. 다른 실시예에 따르면, 빔 이격 광학 시스템의 빔 스플리터는 편광의 직교 상태에서 출력 빔을 생성하는 편광 빔 스플리터이다.

개시된 기술의 상기 설명된 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 진행되는 하기 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 고 전력 레이저 라인 빔 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 바(bar) 기반 다이오드 레이저 라인 생성기의 측면도이다.
도 2는 복수의 단일 레이저 다이오드 이미터상 기반의 개별적인 라인 생성기의 측면도이다.
도 3은 다른 대표 단일 이미터 기반 레이저 라인 생성기의 측면도이다.
도 4는 도 2에서 도시된 실시예의 부분 확대도이다.
도 5는 도 3에서 도시된 실시예의 부분 확대도이다.
도 6 내지 8은 경로 길이 변화를 나타내는 다이어그램이다.
도 9 및 도 10은 간섭 감소 방법의 예를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11b는 개별적인 레이저 다이오드로부터 빔을 결합하기 위한 프리즘 어셈블리를 나타낸다.
도 12는 공 파이프에 대한 복수의 개별적인 레이저 빔을 포함하는 결합된 레이저 빔의 비대칭 발생 정도를 나타낸다.

상기 명세서 및 청구항에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 “하나(a)”, “하나(an)”, 및 “상기(the)”는 문백상 달리 명시되지 않는다면 복수형태를 포함한다. 또한, 용어 “포함한다”는 “구성되다”를 의미한다. 또한, 용어 ”결합된”은 결합된 아이템 사이에 중간 요소의 존재를 포함하지 않는다.

시스템, 장치 및 방법은 임의의 방법으로 한정하여 해석되지 않는다. 대신에, 본 발명은 서로 다양한 조합 및 하위 조합 및 단독으로 다양한 개시된 실시예의 모든 신규하고 명백하지 않은 특징 및 관점에 관한 것이다. 개시된 시스템, 방법 및 장치는 임의의 구체적인 관점 또는 특징 또는 이들의 결합으로 한정되지 않고, 개시된 시스템, 방법 및 장치는 하나 이상의 구체적인 장점이 나타나거나 문제가 해결되도록 요구하는 것도 한정하지 않는다. 임의의 동작 이론은 설명에 용이하지만, 공개된 시스템, 방법 및 장치는 상기 동작 이론 설명에 한정하지 않는다.

개시된 방법의 일부 동작이 편리한 설명을 위해 특정한 연속적인 순서로 설명되지만, 특정 순서가 아래 명시된 특정 언어에 의해 요구되지 않는다면, 이 설명 방법은 재배치를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 순차적으로 설명된 동작은 일부 경우에 재배치되거나 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 단순화시키기 위해, 첨부된 도면은 개시된 시스템, 방법 및 장치가 다른 시스템, 방법 및 장치와 함께 사용될 수 있는 다양한 방법을 나타내지 않는다. 또한, 때때로 설명은 개시된 방법을 설명하기 위해 “생성하다” 및 “제공하다”와 같은 용어를 사용한다. 상기 용어들은 수행되는 실제 동작의 높은 수준의 추상적 개념이다. 이러한 용어에 해당하는 실제 작업은 특정 구현에 매우 의존할 것이고 당업자 중 한 명에 의해 쉽게 식별할 수 있다.

일부 실시예에서, 값, 절차 또는 장치는 “가장 낮은”, “최고의”, “최소의” 등으로서 지칭된다. 상기 설명은 많이 사용되는 기능적 대안 사이 선택이 형성될 수 있도록 나타내도록 의도되고, 상기 선택은 다른 선택에 대해 더 좋고, 더 작거나 달리 바람직할 필요는 없다.

실시예는 “위”, “아래”, “상부”, “하부” 등과 같이 표시된 방향을 참조하여 설명된다. 이러한 용어는 편리한 설명을 위해 사용되지만 임의의 특정 공간 방향을 의미하지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 광학 방사선은 약 100nm 내지 10 μm 및 일반적으로 약 500nm 내지 2 μm의 파장으로 전자기 방사선을 의미한다. 이용 가능한 레이저 다이오드 소스(source)를 기초로 한 실시예는 800nm 내지 1700nm의 파장과 일반적으로 관련이 있다. 일부 실시예에서, 광학 방사선을 전달하는 단계는 빔 파장 및 빔 형성을 위해 사용되는 광학 시스템에 따르는 지름, 빔 단면적 및 빔 발산을 포함하는 하나 이상의 빔을 의미한다. 편리성을 위해, 광학 방사선은 일부 실시예에서 광으로서 언급되고, 눈에 보이는 파장일 필요는 없다.

광학 빔 및 광학 소자는 하나 이상의 축에 관하여 일부 실시예에서 설명된다. 일반적으로, 축은 하나 이상의 직선 세그먼트를 포함하고, 광학 빔은 하나 이상의 직선 세그먼트를 따라 전달하거나, 하나 이상의 광학 소자는 하나 이상의 직선 세그먼트를 따라 위치된다. 상기 축은 반사면과 함께 휘어지거나 접힐 수 있어, 축은 단일 직선 세그먼트를 필요로 하지 않는다. 일부 예에서, 하나 이상의 프리즘에서 내부 반사에 의해 한정되는 반사 면이 사용되지만, 상기 반사 표면은 상기 유전체 또는 금속 코팅과 같은 반사면으로서 제공될 수 있다. 추가적으로, 장사방형 프리즘은 편리한 실례로 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 장사방형 프리즘은 다른 세트의 표면에 대하여 45도의 각으로 각 세트의 광학 표면을 갖는 두 세트의 평행한 광학 면을 가지는 고체이다. 일부 경우에, 편광 의존 코팅은 일반적으로 편광의 빔 스플리터의 일부로서 광학 빔의 s-편광 및 p-편광 요소로 사용된다. 광 가이드는 빔 간섭성을 감소시키기 위해 사용된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 광 가이드는 원형, 직사각형 또는 다른 단면의 광 파이프를 포함한다. 광 가이드는 빔이 전달하는 캐비티(cavity)를 가지는 광 파이프일 수 있지만, 로드 인티그레이터(rod integrator) 또는 다른 빔 호모지나이저(beam homogenizer)와 같은 광 가이드의 다른 유형이 사용될 수 있다. 라인 빔을 형성하기 위해, 일반 평면의 레이저 빔 또는 좁은 시트를 형성하는 레이저 빔은 실질적으로 일반 평면 또는 좁은 시트를 유지하면서 광 파이프에 의해 반사되도록 직사각형 또는 정사각형 광 파이프로 향한다.

일부 실시예에서, 각각의 빔 축을 따라 전달하는 복수의 레이저 빔은 더 가까이 이격된 축을 따라 빔을 다시 보내는 빔 이격 광학 시스템으로 향해진다. 상기 빔은 조밀함을 의미하고, 결합 빔은 조밀 결합빔이라고 한다. 또한, 빔 이격 광학 시스템과 같은 일부 실시예에서는 빔 수를 증가시키기 위해 빔 스플리터를 포함한다.

일 실시예에서, 라인 생성기는 라인 생성기 광학기기와 결합된 자유 공간인 복수의 단일 이미터 다이오드 레이저를 포함한다. 자유 공간 결합(free-space coupling)은 빔 품질을 유지하는 이득을 얻을 수 있다. 더욱이, 종래 시스템에 의해 요구되는 인터리버(interleaver)는 제거될 수 있다. 일부 개시된 실시예에서, 복수의 단일 이미터를 수용하는 단일 광 엔진 모듈이 사용된다. 복수의 다이오드 이미터는 연속파 출력 전력으로 200W 내지 1,000W 를 생성할 수 있다. 상기 일 실시예에서, 72의 단일 이미터는 연속파 전력으로 500W를 생성하도록 분리되어 배치된다. 단일 이미터 출력과 연계된 공간 및 시간의 간섭성 문제를 약화시키기 위해, 각 빔을 가로지르는 시간 간섭성 길이의 위상 지연이 도입된다. 위상 지연 및 관련된 간섭성 감소는 하나 이상의 회절결자, 단일 이미터 다이오드 레이저 빔의 균질화(homogenization)를 위해 사용되는 광 파이프 및 레이저 빔과 광 파이프 사이 입사각의 선택에 의해 형성된다.

도 2는 도시된 하나의 평면 그룹핑 및 그 아래에 위치된 다른 평면 그룹핑을 갖는 두 개의 평행한 평면 그룹핑(grouping)에서 해당 빔(226)을 생성하는 18개 단일 이미터 다이오드 레이저(224)로 구성된 4개의 줄(222)을 포함하는 라인 빔 시스템(220)을 도시한다. 줄(222)의 범위에서 다이오드 레이저(224)는 도 2의 평면에 수직한 방향, 즉, 좌표계(coordinate system)(10)에 대하여 X-방향으로 쌓기 위해 배치된다. 또한, 선택된 줄 또는 모든 줄에서 다이오드 레이저는 Z-축을 따라 상쇄될 수 있다. 빔(226)은 더 가까이 함께 같은 평면 그룹핑에서 전달하기 위해 빔(226)을 변환하는 하나 이상의 프리즘과 같은 빔 이격 제어 광학 기기(228)로 안내된다. 다른 실시예에서, 빔 이격 제어 기기는 더 크거나 더 작기 위해서 빔 이격을 조절하도록 구성될 수 있고, 빔들 사이의 빔 이격은 동일할 필요는 없다. 일 실시예에서, 단일 이미터 다이오트 레이저 출력 전력의 범위가 가능하다는 것을 알 수 있겠지만, 단일 이미터 다이오드 레이저(224)의 각각은 해당 다이오드 바의 각 이미터보다 더 높은 전력으로 약 14번 동작한다.

결합된 빔을 생성하도록 사용되는 광학 빔의 수의 제곱근(square root)에 비례하는 경향이 있기 때문에, 14배 적은 단일 이미터 다이오드의 사용으로 기인하는 간섭 효과는 약 3.7 배(factor)로 증가한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 이미터의 감소된 수를 이용한 시스템에서 간섭성을 감소시키기 위해, 빔(226)은 광 파이프(230)의 길이 방향 축(232)에 대한 각도에서, 광 파이프(230)로 빔 형성 광학 기기(236)과 함께 향한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 빔 형성 광학 기기는 바람직한 방향을 따라 결합 빔을 향하게 하기 위해 하나 이상의 반사면과 광 파이프(230)를 연결하도록 결합 빔을 만나게 하는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 광 파이프(230)는 편리할 수 있도록 고체 또는 중공 광 파이프일 수 있다. 빔(226)은 광 파이프(230)의 축(232)에 관한 각도의 범위에서 광 파이프(230)로 입사한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 빔(226)은 단면 반 각(single sided half angle)으로 입사하고, 일반적으로 결합 빔은 광 가이드(230)의 전체 이용 가능한 수의 개구부(aperture)를 채우지 않는다. 광 파이프(230)으로부터 출력 빔은 대상면(272)에 대한 출력 빔(248)으로서, 렌즈 시스템(249)에 의해 방향이 설정된다.

도 3은 추가적인 간섭성 감소을 제공할 수 있는 대표적인 라인 빔 시스템(300)을 도시한다. 줄(322)로 배치된 단일 이미터 다이오드 레이저(324)는 평행한 축을 따라 전달하는 빔(326)을 생성한다. 빔 이격 프리즘 시스템(328)은 빔(326)을 수용하고, 평행하지만 상이하게 이격된 축, 일반적으로 더 근접하여 이격된 축을 따라 이격하여 조절되는 결합 빔으로 빔(326)을 출력한다. 회절 격자(342)는 이격 조절 결합 빔(spacing-adjusted combined beam)(326)을 수용하도록 배치되고, 방향 재설정(redirected) 결합 빔(343)과 같은 각도로 빔 전력의 실질적인 부분(예를 들어, 80%, 90%, 95% 이상의 빔 전력)을 회절한다. 회절되지 않은 빔은 빔 정지부(344)로 초점이 맞추어지고 향해진다. 그리고 나서, 방향 재설정 결합 빔(redirected combined beam) (343)은 오목 거울(concave mirror)(360), 렌즈(362, 364) 및 반사기(reflector)(363)와 함께 광 파이프(330)으로 초점이 맞추어지고 향해진다. 방향 재설정 결합 빔은 광 파이프 축(332)에 관한 각도로 광 파이프(330)로 향해진다. 광 파이프(300)로부터 균질화된 간섭성 감소된 빔은 렌즈 시스템(350)으로 입사하고, 작업 빔(348)로서 대상 표면(372)로 향해진다.

빔 이격 프리즘 시스템과 같은 도 2 내지 도 3의 대표적인 실시 예, 광 파이프로 결합 빔을 향하게 하는 포커싱 시스템(focusing systems)의 일부 및 광 파이프 또는 광 가이드는 하나 이상의 레이저 다이오드 바와 함께 사용될 수 있다. 일부의 경우에, 하나 이상의 상기 일부는 이전에 구축된 라인 빔 시스템으로 통합될 수 있어서, 하우징부와 광학기기를 포함하는 존재하는 라인 빔 설치의 대부분은 그대로 남아있을 수 있다.

도 4는 대표적인 라인 빔 시스템(400)의 일부에 대한 확대도를 나타낸다. 다이오드 어셈블리(402)와 관련된 단일 이미터 다이오드 레이저(미도시)는 도 4의 평면에 관하여 수직으로 연장되는 계단에 (즉, X-방향으로) 배치되고, 빠른 축 평행 시준 광학 기기(미도시) 및 대표적인 느린 축 평행 시준 광학 기기(434)와 같은 느린 축 평행 시준 광학 기기에 의해 개별적으로 평행하게 정렬되는 다이오드 레이저 빔을 방출한다.

구체적인 실시예에서, 다이오드 어셈블리(402)는 전도성 냉각 판(450)상에 계단식으로 배치된 72개의 단일 이미터 칩렛 다이오드 레이저(single-emitter chiplet diode laser)를 포함한다. 상기 실시예에서, 각 이미터는 350 μm 스트라이프 폭(stripe width)을 가지고, 약 808nm의 파장으로 15W까지 방출할 수 있다. 다른 레이저 다이오드는 사용될 수 있고, 상기 레이저 다이오드는 다른 스트라이프 폭, 출력 전력, 파장 길이 등과 같은 다른 특징들을 가질 수 있고, 특정 어플리케이션 요구사항을 기초로 선택될 수 있다. 일부 경우에, 다이오드 어셈블리(402)는 레이저 다이오드의 다른 유형을 포함한다. 빔의 계단식 구성은 빔의 느린 축에 관하여 광학 빔의 근접 패킹(close packing)을 허용할 수 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 칩렛 이미터(chiplet emitter)는 맞추어 져서, 라인 빔 시스템(20)의 출력 빔(148)에 평행하지만 라인 빔 시스템(20)의 출력 빔(148)의 반대 방향으로 전달하는 광 엔진 출력 빔(446)의 축(447)과 평행한다. 일반적으로, 칩렛은 다이오드 어셈블리(402) 내에 축(447)과 수직방향으로 균등하게 이격된다. 일부 실시예에서, 칩렛은 X 방향으로 서로 떨어져 이격된 두 그룹으로, 즉, 도 4의 평면의 외부 또는 내부로 나누어진다. 일부 실시예에서, 다이오드 어셈블리(402)는 미립자 오염의 위험을 제한하면서, 제조 공정상의 제품 또는 다운 스트림(downstream) 광학 기기와 관련된 임의의 하우징을 열지 않고, 제거될 수 있도록 보호된다. 하나의 대표적인 라인 생성기 시스템에서, 칩렛은 하우징 표면과 열적으로 결합된 기본 냉각판(450)에 장착된다. 기본 냉각판(450)은 알루미늄 또는 구리로 구성되는 것이 바람직하지만, 적절한 열 전도성 물질 또는 다른 금속이 사용될 수 있다. 기본 냉각판(150)은 다이오드 어셈블리 하우징의 일부로 형성될 수 있거나, 개별적으로 하우징에 형성되고 볼트로 결합될 수 있다.

도 4의 실시예에서, 18개의 빔 중 4개의 열은 평행한 평면과 관련된 두 개의 분리된 그룹으로 나타내고, 하나의 평면은 도 4의 평면에 대하여 다른 것 아래에 존재한다. 빔 이격 프리즘 어셈블리(428)은 빔이 조밀 구성에서 전달하도록 빔과 결합되고, 빔을 변환한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 조밀 빔은 축(447)과 평행하게 전달하지만, 다른 예에서, 빔 이격 프리즘 어셈블리(428)은 축(447)에 관하여 하나 이상의 다른 각도로 전달하기 위해 빔을 향하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 열(452, 458)에서 36개의 시준된(collimated) 빔은 인접한 서로 인접하여, 빔(426)의 두 평면 그룹핑 중 동일한 평면 그룹핑으로 전달하도록 향하게 된다. 빔의 다른 열은 조밀한 관계로 유사하게 결합된다.

원통형 렌즈(462)는 조밀 빔을 수용하고, 조밀 빔을 수렴하도록 위치된다. 접이식 거울(464)는 원통형 렌즈(466)로 수렴된 빔을 수용하고, 서로 약 90도로 편광시키는 다른 접이식 거울(468)로 반사된다. 수렴된 결합 빔은 광 파이프(430)의 축(432)에 대하여 영이 아닌 각도로 광 파이프(430)으로 향하게 되도록, 광학 시스템(470)은 편광 거울(polarizer mirror)(468)에 의해 반사되는 빔을 수용하고, 광 파이프(430)으로 빔을 향하게 한다. 대상 면에서 반사되거나 광 파이프(430)로 다시 결합되는 빔의 일부는 구성요소 손상을 방지하기 위해서 라인 빔 시스템(400)을 다시 반사되는 것 대신에, 라인 빔 시스템(400)의 다른 요소로부터 떨어져 안내되도록 거울(474)로 편광 거울(468)을 통해 전달할 수 있다. 거울(474)에 의해 반사되는 다시 반사되는 빔 부분은 빔 덤프로 향해질 수 있다.

도 5는 대표적인 라인 빔 시스템(500)의 일부를 나타내고 있다. 일반 패키지(common package)(504)의 복수의 단일 이미터 레이저 다이오드는 빔 이격 프리즘(506)으로 레이저 빔을 향하게 한다. 회절된 결합 빔은 원통형 거울(510), 원통형 렌즈(512), 빔 성형 광학 시스템(beam shaping optical system)(514) 및 편광 거울(516)과 함께 광 가이드(530)로 결합된다. 회절 결자(508)는 빔 이격 프리즘(506)으로부터 조밀(close-packed) 결합빔을 수용하기 위해 다이오드 레이저 빔의 통로 내에 배치된다. 회절 격자(508)은 빔 이격 프리즘(506) 존재 시, 전달 방향에 대하여 0 내지 90도의 각도로 조밀 결합 빔의 대부분의 전력을 분해한다. 회절되지 않은 빔 부분 및 피가공면(work piece surface)으로부터 반환된 빔 부분은 빔 덥프(520, 522) 각각에 의해 포집된다.

연속파 레이저 빔의 간섭성을 감소시키기 위해, 가변적인 경로길이 지연이 도입될 수 있어, 경로 길이는 빔 폭에 걸쳐 서로 다른 위치에 따라 다르다. 일부 개시된 실시예에서, 축 외 결합빔(off-axis combined beam)을 수용하는 광 파이프 또는 광 가이드는 보다 균일한 빔 세기를 제공하고, 적절한 경로 길이의 다양성을 제공한다. 높은 입사각과 관련된 빔 부분은 축 상 부분(on-axis portion) 또는 더 작은 입사각 부분 보다 더 긴 영로 길이를 갖는다. 결합 빔이 광 파이프에서 직선으로 시작되는 경우, 대칭적인 입사각 빔 부분은 동일한 통로 길이를 갖는다. 간섭성 및 빔 간섭을 감소시키기 위해, 결합 빔은 광 가이드로 비대칭적으로 시작될 수 있다.

도 6을 참조하면, 중심축(604)를 갖는 중공 광 파이프(hollow light pipe)(602)는 중심축(604)에 관하여 각도(

)로 존재하는 축(606)을 따라 광학 빔을 수용하도록 위치된다. 상기 빔을 위한 광학 경로 길이(L)는

에 의해 주어지고, 여기서,

는 광 파이프 길이이다. 축(604)과 평행하게 전달하는 광학 빔에 관하여 광학 경로 길이 차이는

이다.

가 작은 각도를 위해

으로 변화하기 때문에, 각도(

)가 충분히 크지 않다면, 상기 경로 길이 차이는 작을 수 있다. 굴절률(refractive index)(n)의 견고한 광 가이드, 입력 빔의 굴절(refraction)은 광 가이드의 전달각(

)을 야기하여, 광학 경로 차이는

이다.

또한, 광 파이프의 경로 차이는 도 12에 도시된다. 축(1202)를 갖는 광 파이프(1200)는 광 파이프 축(1202)에 대하여 입사각(

)로 존재하는 축(1206)을 따라 전달하는 결합 레이저 빔(1204)를 수용하도록 위치된다. 결합 빔은 각 지름(angular diameter)(

)을 갖는다. 각 지름의 절반, 즉,

에 대한 입사각(

)을 설정하는 경우, 빔 경계(beam edge)(1209)를 위한 최대 경로 차이는 상술된 바와 같이 길이(D)의 광 파이프를 위한 빔 경계(1210)에 대하여

이다. 다른 각도에 대한 최대 경로 차이 유사하게 결정된다.

일부 실시예에서, 갑섭성 감소를 위한 충분한 광학 경로 차이는 비대칭적인 광학 빔 시작에 의해 광 파이프로 제공되지 않을 수 있거나, 비대칭적인 시작은 비실용적일 수 있다. 도 7을 참조하면, 투과형 격자(702)는 축(706)과 평행하게 전달하는 광학 빔(704)을 수용하도록 위치된다. 투과형 격자(transmissive grating)는 축(706)에 대하여 각도(

)로 축(701)과 평행하게 전달하는 회절된 빔(708)을 생성한다. 도입된 총 경로 길이 차이는 경로 세스먼트 A 와 B의 합이다. 경로 길이 차이는 광학 빔(704)의 폭에 걸쳐서 변화하고, 충분한 간섭성 감소를 제공할 수 있다. 투과형 격자는 편의를 위해 도시되어 있지만, 반사형 격자도 사용될 수 있다.

광 파이프에서 투과형 격자 및 비대칭 입사각 모두는 경로 길이 차이를 증가시키고, 간섭성을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 입력 광학 빔(802)은 격자(804)에 의해 회절되고, 회절된 빔(806)은 렌즈(810)과 함께 광 가이드(808)로 초점이 맞추어 진다. 격자(804) 회절의 결과로써, 가장 긴 경로 길이를 발생시키는 입력 광학 빔(802)의 부분(812)은 가장 큰 입사각(

)에서 광 가이드(808)로 향한다. 회절된 빔(806)의 상기 부분(812)는 격자(804) 및 광 가이드(808)와 함께 관련된 경로 길이의 합인 경로 길이를 축적한다. 상기 축적은 빔 부분(812) 및 빔 부분(814)에 대한 가장 큰 경로 차이를 생성한다.

도 9는 종래의 다이오드 레이저 바 대신에 단일 이미터를 이용하여 레이저 라인 빔을 형성하는 대표적인 방법(900)을 도시한다. 902에서, 복수의 단일 이미터 다이오드 레이저는 각각의 축을 따라 레이저 빔을 방출하도록 위치된다. 상기 빔이 전달 경로에서 다음 광학 부품으로 향하도록 조작됨으로써, 일반적으로 상기 빔은 빔 특성을 보존하기 위해 시준된다. 904에서, 일반적으로 더 조밀한 빔을 생성하도록 빔 간격을 조절하기 위해, 빔은 프리즘, 거울 또는 다른 광학 소자를 이용하여 결합된다. 결합 빔은 광 파이프와 같은 광 가이드에 의해 수용되기 위해 906에서 초점이 맞추어지고, 접힌다(folded). 908에서, 결합 빔은 광 파이프의 길이 방향 축에 대하여 (일반적으로 비대칭하게) 선택된 각도로 광 파이프로 향하여, 빔 간섭성은 일반적으로 광 파이프의 전달 및 다중 반사를 기초로 감소된다. 901에서, 필요한 경우, 빔의 강도 프로파일(intensity profile)은 균질화되지만, 일반적으로 광 파이프의 전달은 충분한 빔 균질화를 생성한다. 912에서, 광 파이프로부터 출력 빔을 기초로 한 레이저 라인 빔은 대상을 향한다. 라인 빔은 일반적으로 빔 전달 주요 방향과 수직한 라인 축을 따르는 균일한 강도를 가질 수 있다. 강도의 다양성은 라인 빔 폭 중 적어도 75%, 80%, 90%, 95% 또는 그 이상에 대해 5%, 2%, 1%, 0.5%, 또는 0.1%보다 작을 수 있다. 200 W 보다 더 큰 광학 전력 및 1 kW 또는 그 이상까지의 광학 전력은 상기 라인 빔에서 생성될 수 있다.

도 10에 도시된 다른 실시예에서, 방법(1000)은 1002에서 복수의 단일 이미터 레이저 빔을 결합하는 단계와 회절 격자를 이용하여 1004에서 빔 간섭성을 감소시키는 단계를 포함한다. 1006에서, 결합되어 감소된 간섭성 빔은 선택된 어플리케이션을 위해 적절한 라인 빔을 필요에 따라 형성하기 위해 반사, 굴절되고/되거나 초점이 맞추어 진다. 일부 실시예에서, 추가적인 경로 길이는 광 파이프와 함께 도입된 차이이다.

도 11a 를 참조하면, 레이저 다이오드 모듈(1172)는 결합 빔(1176)으로써, 프리즘 어셈블리(1174)로 향해지는 복수의 빔을 생성하기 위해 레이저 다이오드 및 관련 평행 시준 광학 기기를 포함한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 레이저는 X 방향을 따라 적층되고, 프리즘 어셈블리에 대한 다른 전달 거리를 포함한다. 일부 실시예에서, 레이저는 일반 전달 거리를 갖기 위해, 위치된다. 레이저 다이오드 모듈(1172)와 같은 하나 이상의 레이저 다이오드 모듈은 라인 빔을 생성하도록 사용될 수 있다. 도 11b에 도시된 실시예에서, 상기 4개의 모듈이 사용된다. 모듈은 레이저 다이오드가 X방향(도 11b의 평면에 수직)으로 배치될 수 있도록 위치된다. 대표적인 레이저 다이오드(1102a-1105a) 및 관련된 평행 시준 렌즈(1106-1109)는 축(1122-1125)을 따라 각각의 빔을 향하게 한다. 레이저 다이오드(1102b-1105b)는 레이저 다이오드(1102a-1102b)(즉, X-축을 따라)아래 위치되어, 관련된 평행 시준 렌즈를 포함하고, 축(1122-1125)을 따라 각각의 빔이 향한다. 설명의 편의를 위해, 모듈 각각의 단일 평행 시준 렌즈만이 도 11b에 도시된다. 중심 축(1101)에 더욱 가까운 축에 전달하기 위해서, 장사방형 프리즘(1132, 1134)은 축(1122, 1132)을 따라 전달되는 빔이 향하도록 위치된다. 장사방형 프리즘(1145, 1149)는 수용하기 위해 위치되고, 레이저 다이오드(1102b, 1105b)로부터 빔은 레이저 다이오드로부터 빔(1102a, 1105a)이 영향받지 않도록 한다. 레이저 다이오드(1103b, 1104b)와 관련된 하부 빔은 상부 빔(1103a, 1104a)이 영향받지 않도록 각각의 프리즘(1145, 1149)에 의해 꺽어진다(jogged). 그리고, 장사방형 프리즘(1145, 1149)에 의해 꺽어지는 하부 빔(1102b, 1103b, 1104b, 1105b)은 레이저 다이오드(1102a-1105a)와 관련된 상부 빔 가까이에 또는 동일 면에 대략적으로 프리즘(1116, 1118)과 함께 위로 꺽어진다. 출력 빔(1160, 1162)은 대상으로 전달을 위해 성형되고 초점이 맞추어지기 위해 렌즈(1172) 또는 다른 공학 소자 상으로 향해지는 조밀 결합 빔(1170)을 형성한다. 특정 프리즘 구성은 도 11b에 도시지만, 다른 배치가 사용될 수 있고, 반사 표면은 견고한 프리즘과 함께 또는 프리즘 없이 제공될 수 있다. 또한, 유사한 프리즘 어셈블리는 레이저 다이오드 모듈에서 다른 레이저 다이오드와 함께 사용된다. 또한, 다이오드 레이저 모듈의 일부 또는 전체 레이저 다이오드에 적합하도록 도 11b에 도시된 프리즘 어셈블리는 X축을 따라 연장될 수 있다.

개시된 기술의 원리가 적용될 수 있는 가능한 많은 실시예의 관점에서, 설명된 실시예는 바람직한 실시예이고, 발명의 범위를 제한하지 않는다. 첨부된 청구항의 범위 및 의미 내에 있는 모든 것을 주장한다.

Claims (24)

1. 라인 빔 시스템에 있어서,
   상기 라인 빔 시스템은,
   개별적인 방출 빔 축을 따라 해당 레이저 빔을 방출하도록 각각 구성되는 복수의 이격 단일 이미터 다이오드 레이저;
   레이저 빔들을 수용하고, 레이저 빔들 사이의 광 경로 길이 차이를 확인하기 위하여 위치되는 간섭성 감소 광학 시스템(coherence-reducing optical system); 및
   간섭성 감소 빔을 수용하고, 대상을 향해 라인 빔을 향하게 하는 라인 빔 광학 시스템을 포함하고,
   상기 간섭성 감소 광학 시스템은,
   길이 방향 축(longitudinal axis)을 포함하는 광 가이드(light guide)를 포함하고,
   상기 길이 방향 축은 비대칭적으로 방출 빔 축을 수용하기 위하여
   광 가이드 입력 개구부에서 반대의 한계 방출 빔 축에 대하여 선택된 각각의 비대칭적 입사각으로 배치되고,
   상기 광 가이드는 광 가이드 내에서의 경로 길이 차이 및 비대칭적 입사각을 기초로 간섭성 감소 출력 빔을 생성하는 라인 빔 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광 가이드는,
   상기 수용된 방출 빔의 각 빔 직경이 상기 광 가이드에 대한 비대칭 입사각을 초과하지 않도록 위치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 간섭성 감소 광학 시스템은,
   회절된 빔(diffracted beam)이 회절 각도(diffraction angle)와 관련된 빔 경로 차이를 갖는 회절된 빔(diffracted beam)을 제공함에 의하여 상기 방출 빔을 수용하고, 이의 간섭성을 감소시키도록 위치되는 회절 격자(diffraction grating)를 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 방출빔을 수용하고, 조밀 결합 빔과 같은 방출빔보다 더 가까이 이격되는 조밀 축(close-packed axes)을 따라 상기 방출 빔을 향하는 빔 이격 광학 시스템을 더 포함하고, 여기서, 상기 회절 격자는 조밀 결합빔(close-packed combined beam)을 수용하고, 상기 조밀 결합빔의 간섭성을 감소시키는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 방출 빔을 수용하고, 상기 간섭성 감소 광학 시스템에 대한 조밀 결합 빔으로서, 방출 빔 축보다 더 가까이 이격되는 조밀 축을 따라 방출 빔을 향하는 빔 이격 광학 시스템(beam spacing optical system)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 빔 이격 광학 시스템은,
   조밀 축들의 각각의 하나를 따라 방출 빔들 중 적어도 하나를 향하는 적어도 하나의 장사방형 프리즘(rhomboidal prism)을 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 빔 이격 광학 시스템은,
   조밀 축에 직교하는 축을 따라 방출 빔들 중 적어도 하나를 배향시키도록 위치하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
   
10. 삭제
11. 제 6항에 있어서,
    상기 회절된 빔을 수용하고, 상기 광가이드로 상기 회절된 빔이 향하도록 위치되는 원통형 거울
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 광 가이드는
    수용된 회절 빔의 각 빔 직경(angular beam diameter)이 상기 광 가이드에 대한 비대칭 입사각을 초과하지 않도록 위치되는 광 파이프인 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
13. 제 5항에 있어서,
    상기 회절 격자는 반사 회절 격자인 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
14. 복수의 단일 이미터 다이오드 레이저 빔을 시준하되, 상기 각 빔은 상응하는 방출 빔 축을 갖는 단계(collimating);
    조밀 결합 빔을 생성하기 위해 상기 시준된 단일 이미터 다이오드 레이저 빔의 방향을 설정하는 단계;
    조밀 결합 빔을 광 파이프로 런칭(launching)하여 반대의 한계(marginal) 방출 빔 축들이 입구 개구부(entrance aperture)에서 광 파이프의 길이 방향 축에 대하여 비대칭 입사각을 갖게 하고, 상기 길이 방향 축에 대하여 수직인 적어도 하나의 축을 가로지르는 결합 빔들의 강도를 균질화하여, 빔들 사이의 광 경로 길이 차이에 기초하여 조밀 결합 빔의 간섭성을 감소시키는 단계; 및
    균질화되고 간섭성이 감소된 출력 빔을 기초로 대상에 라인 빔을 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
    
15. 삭제
16. 제 14항에 있어서,
    회절된 빔을 형성하고, 빔 간섭성을 감소하도록 상기 조밀 결합 빔을 회절 격자로 회절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
    
17. 제 16항에 있어서,
    상기 회절 격자와 관련된 가장 긴 경로 길이 지연(delay)을 갖는 방출 빔 축은 상기 광 파이프의 길이 방향 축에 대하여 가장 큰 입사 각으로 상기 광 파이프로 향하는 것을 특징으로 하는 방법.
    
18. 제5항에 있어서, 상기 라인 빔 시스템은
    개별적 복수개의 다이오드 레이저가 제2축에 평행한 빔을 방출하도록 제1축에 대하여 상호 이격되어 위치하는 복수의 상호 이격된 단일 이미터 다이오드 레이저의 개별적인 복수개를 포함하도록 위치하는 적어도 두 개의 단일 이미터 다이오드 레이저 모듈, 여기서 적어도 두 개의 단일 이미터 레이저 다이오드 모듈은 제3축을 따라 서로에 대하여 옮겨지고, 상기 제1, 제2, 제3 축은 실질적으로 상호 직교함;
    상기 방출 빔을 수용하고, 조밀 결합 빔을 형성하는 빔 이격 광학 시스템, 상기 빔 이격 광학 시스템은 조밀 빔 전달 축을 형성하는 적어도 하나의 장사방형 프리즘을 포함함;
    회절 격자로부터 상기 간섭성 감소 빔을 수용하고, 간섭성 감소 빔을 수렴하도록 위치되는 원통형 거울, 상기 원통형 거울로부터 상기 간섭성 감소 빔을 수용하도록 위치되는 접이식 거울(fold mirror) 및 상기 접이식 거울에서 상기 간섭성 감소 빔을 수용하도록 위치된 원통형 렌즈를 포함하는 빔 설정 광학 시스템;
    상기 간섭성 감소 빔을 수용하고, 편광의 제1상태에서 상기 간섭성 감소 빔을 반사하도록 위치된 편광 거울(polarizing mirror); 및
    편광 상기 제1상태에서 간섭성 감소 빔을 수용하도록 위치되는 빔 성형(shaping) 광학 시스템
    을 더 포함하고,
    광 가이드는 빔 성형 광학 시스템으로부터 간섭성 감소 빔을 수용하여 간섭성 감소 출력 빔을 생성하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 편광 거울은 상기 대상으로부터 수용되는 빔 덤프(beam dump)로 상기 라인 빔의 일부를 전달하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
20. 제5항에 있어서, 상기 방출 빔 축들은 회절 격자의 입력부(input) 및 출력부(output)에서 서로 평행한 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
21. 제1항에 있어서, 광 가이드의 입구 구경은 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    
22. 제14항에 있어서, 광 파이프의 입구 구경은 직사각형 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
    
23. 제16항에 있어서, 방출 빔 축들은 회절 격자의 입력부 및 출력부에서 서로 평행한 것을 특징으로 하는 방법.
    
24. 각각의 방출 빔 축을 따라 상응하는 레이저 빔을 방출하기 위하여 배치되는 복수의 서로 이격된 단일 이미터 다이오드 레이저;
    레이저 빔을 수용하고, 레이저 빔들 사이에 광 경로 길이 차이를 도출하여 감소된 간섭 빔을 생성하도록 위치하는 광 가이드를 포함하는 간섭-감소 광 시스템이되, 상기 광 가이드는 직사각형의 입력부 구경을 갖고 입력부 구경에 대하여 수직인 길이 방향 축을 가지며, 방출 빔 축에 대하여 위치하여, 반대의 한계(marginal) 빔 축이 입력부 구경에서 비대칭 입사각을 갖고, 광 가이드는 광 가이드와 비대칭 입사각에서 경로 길이 차이에 기초한 간섭-감소 출력 빔을 생산하는 광 시스템; 및
    감소된 간섭 빔을 수용하고, 라인 빔을 대상 방향으로 설정하기 위하여 위치하는 라인 빔 광 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 시스템.
    

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