KR102153510B1 - 빔 균질기 및 이를 채용한 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 시스템은, 고에너지 펄스 레이저를 발생하는 고에너지 펄스 레이저 발생기; 고에너지 펄스 레이저 발생기의 후단에 연결되어 입사된 레이저 빔을 균질화하는 빔 균질기; 및 빔 균질기의 출력단에 배치되는 광섬유 다발을 포함하고,
상기 빔 균질기는, 복수의 렌즈 셀로 이루어진 제1 렌즈 어레이; 복수의 렌즈 셀로 이루어진 제2 렌즈 어레이; 및 복수의 렌즈 셀로 이루어진 빔 안내부를 포함하고, 상기 빔 안내부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 통해 균질화되고 다수개로 분할된 빔을 광섬유 다발의 각각의 광섬유에 입사하도로 구성된다.

Description

빔 균질기 및 이를 채용한 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템{BEAM HOMOGENIZER AND HIGH ENERGY PULSED LASER TRANSMISSION SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 빔 균질기 및 이를 채용한 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템에 관한 것이다.

종래 고에너지 펄스 레이저로부터 생성된 광을 광섬유에 전달하는 빔 전송 시스템이 알려져 있다. 산업적으로 고출력 레이저 펄스 빔은 융발(ablation) 효과에 의한 초음파의 생성, 재료의 가공이나 표면처리 등에 널리 사용될 수 있다. 그러나 통상 고출력 레이저 시스템은 그 규모가 크고 주기적인 정비가 필요하며 외부 환경에 민감하여 산업적 응용이 제한되고 있다. 즉, 복잡한 구조를 갖거나 열악한 환경 하에 있는 대상의 경우에는 상기한 바와 같은 고출력 레이저 시스템을 접근시키기 어렵기 때문에 고출력 레이저 펄스 빔의 전송이 필요하다.

이와 같은 고출력 레이저 펄스 빔의 원격 전송은 광섬유를 이용하면 용이하게 실현될 수 있다. 그러나 이와 같은 광섬유를 이용한 레이저 펄스의 전송은 하나의 광섬유가 전송할 수 있는 최대 전송 에너지가 제한되기 때문에 고출력의 펄스 빔이 필요한 경우에는 그 동안 광섬유 전송의 적용이 실제적인 효과를 갖지 못하는 문제점이 상존하고 있다.

도 1은 하나의 광섬유를 이용하는 레이저 펄스 빔 전송에 관한 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종레의 레이저 광섬유 빔 전송 시스템은 펄스 레이저 장치(100)로부터의 광이 균질화기(200)에 입사되고 균질화된 광이 균질화기의 맨 끝에 위치된 집광렌즈 요소(230)를 통해 하나의 점으로 수렴되어 광섬유(300)에 입사된다.

그러나 이와 같은 구조와 같이 하나의 광섬유를 이용하여 최대 전송한 에너지는 최대 나노초 레이저 전송 에너지가 200mJ 미만이었으며, 통상적인 고출력 레이저 펄스 빔의 응용에 있어서 충분하지 않다. 따라서 고출력 레이저 펄스의 산업적 응용에 필요한 최대 펄스 에너지는 응용 분야나 응용 대상의 종류 및 상태 등에 따라 다르므로, 광섬유에 의한 펄스 빔 전송의 활용도를 제고하기 위하여 최대 전송 에너지의 증대가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 안출된 발명으로 종래의 고출력 레이저 펄스 빔 보다 더 높은 에너지를 갖는 펄스 레이저를 광섬유 통해 전송을 가능하게 하는 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일양태에 따르면, 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템이 제공되고, 이 시스템은,

고에너지 펄스 레이저를 발생하는 고에너지 펄스 레이저 발생기;

고에너지 펄스 레이저 발생기의 후단에 연결되어 입사된 레이저 빔을 균질화하는 빔 균질기; 및

빔 균질기의 출력단에 배치되는 광섬유 다발을 포함하고,

상기 빔 균질기는,

복수의 렌즈 셀로 이루어진 제1 렌즈 어레이;

복수의 렌즈 셀로 이루어진 제2 렌즈 어레이; 및

복수의 렌즈 셀로 이루어진 빔 안내부를 포함하고, 상기 빔 안내부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 통해 균질화되고 다수개로 분할된 빔을 광섬유 다발의 각각의 광섬유에 입사하도로 구성된다.

전술한 양태에서 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레는 동일한 피치와 동일한 수의 렌즈 셀로 이루어진다.

또한 전술한 양태에서 제1 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 초점면을 향해 수렴한 후 초점면을 지나 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 향해 입사되고,

제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 각각의 렌즈 셀의 광축에 평행하게 시준되어 상기 빔 안내부로 입사되도록 구성된다.

또한 전술한 양태에서 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 형성하는 각각의 렌즈 셀들의 피치 간격은 n이고, 빔 안내부를 형성하는 각각의 렌즈 셀들의 피치 간격은 n의 정수배로 구성된다.

또한 전술한 양태에서 빔 안내부를 통과한 빔은 후단에 배치되는 광섬유 다발의 매트릭스 배열(ax b)와 동일한 배열의 렌즈 셀 매트릭스 배열을 가진다.

또한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 고에너지 펄스 레이저에 이용되는 빔 균질기가 제공되고, 빔 균질기는,

복수의 렌즈 셀로 이루어진 제1 렌즈 어레이;

복수의 렌즈 셀로 이루어진 제2 렌즈 어레이; 및

복수의 렌즈 셀로 이루어진 빔 안내부를 포함하고, 상기 빔 안내부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 통해 균질화되고 다수개로 분할된 빔을 광섬유 다발의 각각의 광섬유에 입사하도로 구성되고,

제1 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 초점면을 향해 수렴한 후 초점면을 지나 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 향해 입사되고, 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 각각의 렌즈 셀의 광축에 평행하게 시준되어 상기 빔 안내부로 입사되고,

상기 빔 안내부는, 빔 균질기의 후단에 배치되는 광섬유 다발의 매트릭스 배열(ax b)와 동일한 배열의 렌즈 셀 매트릭스 배열을 가진다.

본 발명에 따르면 하나의 광섬유가 아닌 광섬유 다발로 이루어진 빔전송 매체에 고에니지 펄스 레이저를 분할하여 전송함으로써 1J 이상의 고에너지 나노초 레이저를 전송할 수 있다.

도 1은 종래 고에너지 펄스 레이저로부터 생성된 광을 광섬유에 전달하는 빔 전송 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템의 횡단면도를 나타내는 도면;
도 4는 도 3에 도시된 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템에서 피치와 초점면을 설명하기 위한 설명도;
도 5는 도 3에 도시된 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템에서 제2 렌즈 어레이와 빔 안내부 사이의 피치와의 상관관계를 설명하기 위한 부분 확대도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템(1)의 일례를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이 고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템(1)은 고에너지 펄스 레이저를 발생하는 고에너지 펄스 레이저 발생기(10), 고에너지 펄스 레이저 발생기(10)의 후단에 연결되어 입사된 레이저 빔을 균질화하는 빔 균질기(20); 및 빔 균질기(20)의 출력단에 배치되는 광섬유 다발(30)을 포함한다.

본 발명에 따른 고에너지 펄스 레이저 발생기로부터 발생되는 빔은 1000mJ/pulse 이상의 에너지를 가지며, 바람직하게는 약 1000~1100mJ/pulse 의 에너지를 가지며 갖는다.

이후 고에너지 펄스 레이저로부터 발생된 레이저 빔은 광균질기(20)를 통과하게 된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광 균질기(20)는 적어도 3개의 렌즈 어레이(21,22,23)로 구성된다.

제1 렌즈 어레이(21)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 렌즈 셀 어레이로 형성되고, 제1 렌즈 어레이(21)의 각각의 렌즈를 통과한 레이저 빔은 초점면을 향해 수렴되고, 초점면을 지나 확산되도록 설계된다.

제2 렌즈 어레이(22)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 렌즈 어레이(22)와는 반대로 초점면을 두고 제1 렌즈 어레이와는 서로 대칭이 되도록 형성된다. 제2 렌즈 어레이(22) 역시 복수의 렌즈 셀 어레이로 형성되고, 제2 렌즈 어레이(22)의 각각의 렌즈를 통과한 레이저 빔은 복수의 렌즈 어레이 각각의 광축에 대략 평행이 되도록 시준된다.

제1 렌즈 어레이(21) 및 제2 렌즈 어레이(22)를 구성하는 각각의 렌즈 셀은 동일하게 m의 피치를 가지며, a × b (a, b는 정수)개의 사각형 매트릭스 패턴으로 동일하게 형성된 것이 바람직하지만, 렌즈 셀 배열의 패턴은 이에 한정되는 것은 아니고 원형, 사각형, 육각형 등과 같은 다양한 기하학적 구조를 가질 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 렌즈 어레이(22)를 통해 균질화되고, 대략 광축에 평행하게 시준된 레이저 빔은 광섬유 다발로 각각 안내하기 위한 빔 안내부(또는 제3 렌즈 어레이)(23)으로 입사된다.

제1 렌즈 어레이(21) 및 제2 렌즈 어레이(22)와 유사하게, 빔 안내부(23)는 복수개의 렌즈 어레이 셀로 이루어지지만, a'× b'(a', b'는 정소, a' ≤ a, b' ≤ b )개의 사각형 매트릭스 패턴으로 이루어진다.

빔 안내부(23)의 렌즈 셀 어레이의 개수는 빔 안내부(23)의 후단에 배치되는 광섬유 다발을 구성하는 광섬유의 매트릭스 배열과 연관된다. 예를 들어, 광섬유의 매트릭스 배열이 3 × 3으로 배열된 경우에 빔 안내부(23)의 렌즈 셀 역시 3 × 3으로 배열된다.

빔 안내부(23)를 구성하는 렌즈 셀의 매트릭스 배열은 도 5에 도시된 바와 같이 빔 안내부(23)의 렌즈 셀 어레이의 피치에 의해 결정되는데, 빔 안내부(23)의 렌즈 셀 어레이의 피치는 제2 렌즈 어레이(22)의 렌즈 셀의 피치 n은 m의 정수배가 된다.

예를 들면 도 5에 도시된 실시예에서 제2 렌즈 어레이(22)의 렌즈 셀의 피치 n이 1인 경우에는 빔 안내부(23)의 렌즈 셀 어레이의 피치 m는 3으로 된다.

다시 도 3을 참조하면, 빔 안내부(23)의 각각의 렌즈 셀이 집광 렌즈로서 기능하고 따라서 빔 안내부(23)를 통해 a' × b'개로 분할된 레이저 빔이 광섬유 다발을 구성하는 각각의 광섬유로 입사되게 될 수 있고, 고에너지 레이저 빔을 여러 개의 빔으로 분할 전송함으로써 광섬유에 손상을 주지 않고 고에너지를 전송할 수 있게 된다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속하는 것으로 해석되어야만 한다.

10: 고에너지 펄스 발생기
20: 빔 균질기
30: 광섬유 다발
21: 제1 렌즈 어레이
22: 제2 렌즈 어레이
23: 빔 안내수단(제3 렌즈 어레이)

Claims (6)

1. 고에너지 펄스 레이저를 발생하는 고에너지 펄스 레이저 발생기;
   고에너지 펄스 레이저 발생기의 후단에 연결되어 입사된 레이저 빔을 균질화하는 빔 균질기; 및
   빔 균질기의 출력단에 배치되는 광섬유 다발을 포함하고,
   상기 빔 균질기는,
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 제1 렌즈 어레이;
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 제2 렌즈 어레이; 및
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 빔 안내부를 포함하고, 상기 빔 안내부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 통해 균질화되고 다수개로 분할된 빔을 광섬유 다발의 각각의 광섬유에 입사하도록 구성되며, 제1 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 초점면을 향해 수렴한 후 초점면을 지나 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 향해 입사되고,
   제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 각각의 렌즈 셀의 광축에 평행하게 시준되어 상기 빔 안내부로 입사되도록 구성된 것을 특징으로 하는
   고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레는 동일한 피치와 동일한 수의 렌즈 셀로 이루어진 것을 특징으로 하는
   고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템.
   
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 형성하는 각각의 렌즈 셀들의 피치 간격은 n이고,
   빔 안내부를 형성하는 각각의 렌즈 셀들의 피치 간격은 n의 정수배인 것을 특징으로 하는
   고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   빔 안내부는 후단에 배치되는 광섬유 다발의 매트릭스 배열(a x b)와 동일한 배열의 렌즈 셀 매트릭스 배열을 가지는 것을 특징으로 하는
   고에너지 레이저 광섬유 빔 전송 시스템.
   
6. 고에너지 펄스 레이저에 이용되는 빔 균질기에 있어서,
   상기 빔 균질기는,
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 제1 렌즈 어레이;
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 제2 렌즈 어레이; 및
   복수의 렌즈 셀로 이루어진 빔 안내부를 포함하고, 상기 빔 안내부는 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 통해 균질화되고 다수개로 분할된 빔을 광섬유 다발의 각각의 광섬유에 입사하도로 구성되고,
   제1 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 초점면을 향해 수렴한 후 초점면을 지나 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 향해 입사되고, 제2 렌즈 어레이의 각각의 렌즈 셀을 통과한 레이저 빔은 각각의 렌즈 셀의 광축에 평행하게 시준되어 상기 빔 안내부로 입사되고,
   상기 빔 안내부는, 빔 균질기의 후단에 배치되는 광섬유 다발의 매트릭스 배열(ax b)와 동일한 배열의 렌즈 셀 매트릭스 배열을 가지는 것을 특징으로 하는
   고에너지 펄스 레이저에 이용되는 빔 균질기.

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