KR102171494B1 - 고출력 레이저용 광 집속장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 레이저용 광 집속장치를 개시한다. 본 발명은 광축과 동심축에 설치한 광 집속수단을 이용하여 평행하게 진행되는 빛을 광 집속수단의 초점부분으로 집광함으로써, 별도의 집광 렌즈나 반사소자의 구성을 제거할 수 있고, 제조비용의 감소와, 제조공정을 축소시킬 수 있으며, 기구물의 크기를 축소시킬 수 있다.

Description

고출력 레이저용 광 집속장치{OPTICAL FOCUSING DEVICE FOR HIGH POWER LASER}

본 발명은 고출력 레이저용 광 집속장치에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 광축과 동심축에 설치한 광 집속수단을 이용하여 평행하게 진행되는 빛을 광 집속수단의 초점부분으로 집광하는 고출력 레이저용 광 집속장치에 관한 것이다.

고출력 레이저 다이오드는 편광, 간섭성, 직진성 등의 레이저 고유 특성으로 인해 의료산업, 반도체/전자 산업, 자동차/조선 산업 및 국방 산업 등에 널리 사용되고 있다.

이러한 고출력 레이저 다이오드는 단일 광원 칩의 경우 특성 최적화는 많이 구현되어 있으나 집적화에 따른 전기적/광학적 상호 간섭에 의한 특성 변화와 축열에 의한 성능 저하가 발생하는 문제점이 있다.

특히, 어레이 광원 칩과 광섬유 사이의 결합효율을 높이고 반사 문제 등을 최소화하기 위한 최적의 구도 설계가 요구되고 있다.

한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0096299호(발명의 명칭: 레이저 합성 광학 장치)에는 복수의 반도체 레이저 어레이와, 복수의 반도체 레이저 어레이 중 적어도 1개의 반도체 레이저 어레이로부터 출사되는 레이저 광속을 반사하는 반사 소자를 구비하며, 복수의 반도체 레이저 어레이의 각각으로부터 출사되는 레이저 광속이 1개의 집광점에 집광될 때에, 적어도 1개의 반도체 레이저 어레이로부터 출사되는 레이저 광속은 반사 소자에서 반사된 후, 집광점에 집광되도록 구성된 레이저 합성 광학 장치가 개시되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하기 위한 구성을 나타낸 예시도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 합성 광학 장치(1)는, 복수의 반도체 레이저 어레이(10a, 10b, 10c)와, 복수의 반도체 레이저 어레이(10a, 10b, 10c) 중 적어도 1개의 반도체 레이저 어레이(10b, 10c)로부터 출사되는 레이저 광속을 반사하는 반사 소자(11b, 11c)를 구비하며, 복수의 반도체 레이저 어레이(10a, 10b, 10c)의 각각으로부터 출사되는 레이저 광축(15a, 15b, 15c)이 1개의 집광점(14)에 집광될 때에, 적어도 1개의 반도체 레이저 어레이(10b, 10c)로부터 출사되는 레이저 광축(15a, 15b, 15c)은 반사 소자(11b, 11c)에서 반사된 후, 집광점(14)에 집광되도록 렌즈 어레이(12)와 집광 렌즈(13)로 이루어진 집광부(18)를 포함하여 구성된다.

또한, 도 2는 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하기 위한 다른 구성을 나타낸 예시도로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 레이저 합성 광학 장치(2)는 복수의 레이저 어레이(20, 20a)와, 각 레이저 어레이(20, 20a)의 출력광을 집광하기 위한 제1 렌즈(21)와 제2 렌즈(22)가 설치되고, 반사부(24)와 다이크로익 반사부(25)를 통해 반사된 출력광은 제3 렌즈(26)에서 집광되어 평행광으로 출력되며, 필터부(27)를 통과한 다음 광섬유(28)에 입사되도록 구성된다.

그러나, 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하는 구성은 다수의 레이저 광을 집광시키기 위해 다수의 집광렌즈와 반사소자의 조합을 이용하여 광섬유의 입사부에 결속되도록 구성되어 크기가 증가하고, 구성이 커지는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하는 구성은 다수의 집광 렌즈와 반사소자를 사용하여 레이저 다이오드(LD) 모듈의 증가와 그에 따른 정밀한 정렬이 요구되는 문제점이 있다.

또한, 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하는 구성은, 다수의 반사 소자를 사용함으로써, 도 2의 이미지(29)와 같이 균일하지 못한 배광을 형성하는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 공개번호 제10-2015-0096299호(발명의 명칭: 레이저 합성 광학 장치)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광축과 동심축에 설치한 광 집속수단을 이용하여 평행하게 진행되는 빛을 광 집속수단의 초점부분으로 집광하는 고출력 레이저용 광 집속장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수의 발광소자가 어레이된 광원부; 및 상기 광원부로부터 출력된 빛이 입사되는 입사부와 상기 입사된 빛이 출사되는 출사부를 구비한 집광부를 포함하고, 상기 집광부는 내측 표면이 상기 입사부로부터 출사부측으로 좁아지는 포물면을 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 광원부는 집광부와 동심축 상에 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 광원부의 발광소자는 입사부의 직경(d1) 범위 이내에 배치되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 발광소자는 상기 집광부의 입사부 측에 동심원 형상으로 배치되고, 바람직하게는 레이저 다이오드로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 광원부는 발광소자의 동작으로 발생되는 열을 방출하는 방열부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 집광부는 포물면이 빛을 반사하는 반사성을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 포물면은 금속, 유전체 미러 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 집광부는 Al, Ag, STS 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 집광부는 CPC(Compound Parabolic Concentrator)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 집광부의 출사부는 포물면에 의해 형성되는 초점위치에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 광축과 동심축에 설치한 광 집속수단을 이용하여 평행하게 진행되는 빛을 광 집속수단의 초점부분으로 집광함으로써, 별도의 집광 렌즈나 반사소자의 구성을 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 집광 렌즈와 반사소자의 제거를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 별도의 정렬과정을 배제함으로써 제조공정을 축소시킬 수 있으며, 기구물의 크기를 축소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하기 위한 구성을 나타낸 예시도.
도 2는 종래기술에 따른 레이저 광을 집광하기 위한 다른 구성을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 구조를 나타낸 단면도.
도 5는 도 3에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 광 집광부를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 배광분포를 나타낸 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치를 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 구조를 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 3에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 광 집광부를 나타낸 단면도이다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 광 집속장치(100)는 광원부(110)와, 집광부(120)와, 광섬유(130)를 포함하여 구성된다.

상기 광원부(110)는 복수의 발광소자(111)가 어레이된 구성으로서, 집광부(120)의 일측에 평행하게 설치되고, 발광소자(111)와 기판부(112)와, 방열부(113)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 광원부(110)는 집광부(120)와 동심축 상에 설치하여 평행하게 진행하는 빛이 집광부(120)를 통해 집광될 수 있도록 한다.

또한, 상기 광원부(110)의 발광소자(111)는 집광부(120)의 입사부(121) 측에 동심원 형상으로 배치된다.

즉, 광원부(110)의 발광소자(111)를 입사부(121)의 주변을 중심으로 동심원 형태로 배치함으로써, 좁은 영역에서 발광소자(111)의 밀집도가 증가될 수 있도록 구성한다.

또한, 상기 광원부(110)의 발광소자(111)는 입사부(121)의 직경(d1) 범위 이내에 배치되도록 구성한다.

이러한 발광소자(111)의 배치를 통해 상기 발광소자(111)의 방사각 범위(0°~ 2°)에서 출력되는 빛이 입사부(121)로 입사되어 집광부(120)를 통해 집광됨으로써, 발광소자(111)로부터 출력된 빛의 입사율과 집광부(120)의 의한 빛의 집광율이 증가될 수 있도록 한다.

또한, 상기 발광소자(111)는 입사부(121)의 직경(d1) 범위내에서 동심원 형상으로 배치하거나, 또는 직선형상, 다각형상 등 임의의 형상으로 자유롭게 배치할 수도 있다.

상기 발광소자(111)는 바람직하게는 레이저 다이오드로 구성되지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 레이저, 일정 파장범위의 빛을 출력하는 반도체 발광소자, 고출력의 빛을 출력하는 발광소자로 실시예를 변경하여 구성할 수도 있다.

또한, 상기 광원부(110)는 발광소자(111)의 동작으로 발생되는 열을 방출하는 방열부(113)를 기판부(112)의 배면에 추가 구성함으로써, 상기 발광소자(111)가 일정 온도를 유지할 수 있도록 한다.

상기 집광부(120)는 광원부(110)로부터 출력되어 평행하게 조사되는 빛을 집광시키는 구성으로서, 상기 광원부(110)로부터 출력된 빛이 입사되는 입사부(121)와 상기 입사된 빛이 출사되는 출사부(122)와, 내측 표면이 상기 입사부(121)로부터 출사부(122)측으로 좁아지는 포물면(123)을 포함하여 구성된다.

즉, 입사부(121)의 직경(d1)은 출사부(122)의 직경(d2)보다 일정 크기 작게 이루어진다.

또한, 상기 출사부(122)는 입사부(121)로부터 일정 거리(l) 이격된 위치에 형성되고, 바람직하게는 포물면(123)에 의해 형성되는 초점위치에 상기 출사부(122)를 형성한다.

또한, 상기 집광부(120)는 CPC(Compound Parabolic Concentrator, 복합 포물면 집광기)로 구성되고, 상기 CPC는 광원부(110)로부터 출력된 평행광이 입사되면, 상기 입사된 평행광을 내부의 포물면에서 반사를 통해 집광시키는 구성이다.

또한, 상기 CPC는 내부의 포물면에 금속 또는 유전체 코팅과 같은 반사 코팅을 형성하는 중공 CPC(hollow CPC)로 구성하거나 또는 빛이 내부 전반사(TIR)에 의해 CPC의 표면으로부터 반사되는 중실 CPC(solid CPC)로 구성할 수 있다.

상기 포물면(123)은 빛을 반사하는 반사성을 갖도록 구성되고, 상기 포물면(123)은 금속, 유전체 미러 또는 그 조합을 포함하는 구성을 통해 반사성을 갖도록 구성할 수 있다.

본 실시예에서는 상기 집광부(120) 구성을 CPC로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 내부 형상이 포물면을 형성하고 상기 포물면에 반사부재를 구비한 집광부재면 무방하다.

또한, 상기 집광부(120)는 Al, Ag, STS 등과 같은 금속재로 구성할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 고출력 레이저용 광 집속장치의 배광분포를 나타낸 예시도로서, 도 6은 광원부(110)에서 출력된 평행광이 집광부(120)에서 집광되어 출사부(122)에 연결된 광섬유(130)로 입사되고, 이때 상기 출사부(122)에서 형성되는 배광분포를 측정한 것으로서, 집광율이 종래 기술과 비교하여 월등히 향상된 것을 알 수 있다.

또한, 광원부의 광축과 동심축에 집광부를 설치하여 별도의 집광 렌즈나 반사소자의 구성없이 평행하게 진행되는 빛을 집광부의 포물면 초점부분에서 집광시켜 광섬유로 입사되도록 구성함으로써, 별도의 정렬과정 없이 구성할 수 있고, 제조비용의 감소, 제조공정의 축소, 기구물의 크기 등을 축소시킬 수 있게 된다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있으며, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

100 : 광 집속장치
110 : 광원부
111 : 레이저 다이오드
112 : 기판부
113 : 방열부
120 : 집광부
121 : 입사부
122 : 출사부
123 : 포물면
130 : 광섬유

Claims (11)

1. 복수의 발광소자(111)가 집광부(120)의 입사부(121) 측에 동심원 형상으로 배치되도록 어레이된 광원부(110); 및
   상기 광원부(110)로부터 출력된 빛이 입사되는 입사부(121)와 상기 입사된 빛이 출사되는 출사부(122)를 구비한 집광부(120)를 포함하되,
   상기 광원부(110)는 집광부(120)와 동심축 상에 설치되어 평행광이 상기 집광부(120)에 입사되도록 하고,
   상기 집광부(120)는 입사된 평행광을 내측 표면에서 반사를 통해 집광시키며, 상기 내측 표면은 입사부(121)로부터 출사부(122)측으로 좁아지는 포물면(123)을 형성하되,
   상기 집광부(120)의 출사부(122)는 포물면(123)에 의해 형성되는 초점위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 광원부(110)의 발광소자(111)는 입사부(121)의 직경(d1) 범위 이내에 배치되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 발광소자(111)는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 광원부(110)는 발광소자(111)의 동작으로 발생되는 열을 방출하는 방열부(113)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 집광부(120)는 포물면(123)이 빛을 반사하는 반사성을 갖는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 포물면(123)은 금속, 유전체 미러 또는 그 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 집광부(120)는 Al, Ag, STS 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광부(120)는 CPC(Compound Parabolic Concentrator)인 것을 특징으로 하는 고출력 레이저용 광 집속장치.
11. 삭제

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