KR102173445B1 - 빔 파워 생성 및 안정화 시스템 - Google Patents

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정성훈
민창기
구치성
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포항공과대학교 산학협력단
구치성
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Abstract

본 발명은, 제1 성질을 가진 제1 레이저 빔이 생성되는 제1 빔생성부; 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔을 다른 성질을 갖는 제2 레이저 빔으로 변환하는 제2 빔생성부; 및 상기 제1 빔생성부와 제2 빔생성부 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔의 파장을 안정화시키는 빔안정화부;를 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템을 제공한다.

Description

빔 파워 생성 및 안정화 시스템{SYSTEM FOR GENERATING AND STABILIZING OF BEAM POWER}
본 발명은 구조가 개선된 빔 파워 생성 및 안정화 시스템에 관한 것이다.
레이저 실험 장치는 레이저를 사용하여 다양한 현상을 실험하기 위한 장치이며, 여러 가지 레이저 실험 장치 중에서 레이저 가속기는 방사광 선형가속기의 전자빔을 만들기 위한 고출력 극초단파 레이저 장치이다.
이러한 레이저 가속기의 응용분야는 의료분야로서 방사선 치료 및 진단 장치의 중요한 소자이며, 이외에도 방사선 가공기술로서 고분자 재료개발, 전력반도체 제조, 멸균 등의 다양한 산업분야에서 중요한 구성요소로서 적용되고 있다.
이러한 레이저 빔에 대한 종래기술로서 대한민국 공개특허 제10-1996-0009578호(발명의 명칭: 레이저 빔 셔터 안전 제어방법)과 일본 공개특허 특개2009-283728호(발명의 명칭: 안전장치) 등이 있다.
그러나, 이러한 종래 특허는 레이저 빔의 생성보다는 레이저 빔의 생성을 위한 공간의 안전을 위한 셔터 제어 방법을 제시하고 있을 뿐이며, 종래 기술에 따라 생성된 펄스 레이저 빔은 온도, 습도 또는 공기 흐름에 민감하여 긴 시간 드리프트가 어려울 뿐만 아니라 짧은 시간 동안에도 펄스 최고점(peak to peak)의 흔들림도 상당하기 때문에, 보다 양질의 레이저 빔을 생성하기 위한 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 양질의 빔 파워를 생성하고 빔 파워의 안정화를 도모할 수 있는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 제1 성질을 가진 제1 레이저 빔이 생성되는 제1 빔생성부; 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔을 다른 성질을 갖는 제2 레이저 빔으로 변환하는 제2 빔생성부; 및 상기 제1 빔생성부와 제2 빔생성부 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔의 파장을 안정화시키는 빔안정화부;를 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템을 제공한다.
또한, 상기 빔안정화부는 상기 제1 레이저 빔이 통과하는 편광판; 상기 편광판을 수용하여 정, 역회전시키는 구동부; 및 상기 제1 빔생성부와 편광판 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔의 상태를 추출하여 기설정된 제1 레이저 빔의 상태를 만들기 위해 상기 구동부를 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔안정화부는 상기 구동부와 제2 빔생성부 사이에 배치되는 파장판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장판은 λ/2 파장판일 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 레이저 빔의 상태를 추출하는 광센서; 상기 광센서로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔의 정보를 수집하는 데이터수집부; 상기 광센서로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔의 신호를 증폭시키는 연산증폭기; 및 상기 연산증폭기로부터 증폭된 상기 제1 레이저 빔의 신호를 가지고 기설정된 상기 제1 레이저 빔의 신호가 되도록 상기 구동부에 정, 역회전을 위한 전원을 인가하는 연산부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 중공부가 형성되는 고정하우징; 상기 편광판이 수용되는 제1 홀과 상기 제1 홀에 연통되어 상기 제1 레이저 빔이 통과되는 제2 홀이 형성되며, 상기 중공부에 회전 가능하게 배치되는 회전하우징; 및 상기 회전하우징의 외주면에 배치되도록 상기 중공부에 수용되어 상기 제어부로부터 제어 신호를 인가받아 정, 역회전하는 구동모터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 회전하우징의 외주면과 상기 중공부 내부 사이에 배치되는 적어도 한 개 이상의 베어링을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동모터는 내부에 상기 제어부로부터 전원을 공급받는 코일이 권취되며, 상기 중공부의 내주면에 고정되는 링 형상의 고정체; 상기 회전하우징의 외주면을 고정하는 수용홀이 형성되고 외측면은 다각형의 형상을 가지며 상기 고정체의 내부에 배치되는 회전체; 및 상기 회전체의 각각의 면에 배치되어 상기 고정체의 외주면에 접하는 복수 개의 자석;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 빔생성부와 빔안정화부 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔의 펄스 폭과 강도를 조정하는 빔파워조정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔파워조정부와 빔안정화부 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔을 상기 제어부로 보내거나 상기 편광판으로 보내는 빔분배부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 빔생성부로부터 생성된 제2 레이저 빔을 가지고 전자빔을 생성하여 가속하기 위한 전자총을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 빔생성부와 전자총 사이에 배치되어 상기 제2 레이저 빔이 상기 전자총으로 이동되도록 빔의 위치를 고정시키는 빔포인팅부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 입사 빔의 사양과 성질에 적합한 시스템을 구성하는데 용이하며 short-term과 long-term drift를 동시에 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 빔파워조절부 및/또는 빔안정화부를 포함하여 양질의 빔 파워를 생성하고 빔 파워의 안정화를 도모하여 레이저 가속기의 정확성과 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 파워 생성 및 안정화 시스템의 개략적인 모듈도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동부의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동부의 측단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 파워 생성 및 안정화 시스템의 사용 전후의 레이저 빔 상태를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 당업자가 이해하는 용어의 일반적인 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에서 사용된 용어가 당해 용어의 일반적인 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다.
다만, 이하에 기술될 발명은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것은 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 파워 생성 및 안정화 시스템의 개략적인 모듈도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동부의 사시도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동부의 측단면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔 파워 생성 및 안정화 시스템은 크게 제1 빔생성부(100), 빔안정화부(400) 및 제2 빔생성부(500)를 포함할 수 있으며, 빔파워조정부(200), 빔분배부(300), 빔포인팅부(600) 및/또는 전자총(700)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 빔생성부(100)는 제1 성질을 가진 제1 레이저 빔(B1)이 생성될 수 있다. 이러한 제1 빔생성부(100)는 레이저 오실레이터(Laser Oscillator)로써 구현될 수 있으며, 고출력 레이저 빔을 만들기 위한 씨드 빔 발진장치이다.
예를 들어, 상기 제1 레이저 빔(B1)이 가지는 제1 성질은 760nm, 120Hz의 적외선(IR) 레이저 빔일 수 있다.
상기 빔파워조정부(200)는 상기 제1 빔생성부(100)와 후술할 빔안정화부(400) 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부(100)로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔(B1)의 펄스 폭과 강도를 조정할 수 있다.
예를 들어, 이러한 빔파워조정부(200)는 재생증폭기(Regenerative Amplifier)로써 구현될 수 있으며, 상기 제1 레이저 빔(B1)의 펄스 폭과 강도를 조정해 고출력 레이저 빔으로 상기 제1 레이저 빔(B1)의 제1 성질을 재생성할 수 있다.
상기 빔분배부(300)는 상기 빔파워조정부(200)와 후술할 빔안정화부(400) 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부(100)로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔(B1) 및/또는 상기 빔파워조정부(200)로부터 재생성된 제1 레이저 빔(B1)을 후술할 빔안정화부(400)의 제어부(430)로 보내거나 편광판(410)으로 보낼 수 있다.
상기 빔안정화부(400)는 상기 제1 빔생성부(100)와 후술할 제2 빔생성부(500) 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔(B1)의 파장을 안정화시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 빔안정화부(400)는 상기 제1 레이저 빔(B1)이 통과하는 편광판(410, Polarizer)과, 상기 편광판(410)을 수용하여 정, 역회전시키는 구동부(420)와, 상기 제1 빔생성부(100)와 편광판(410) 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔(B1)의 상태를 추출하여 기설정된 제1 레이저 빔(B1)의 상태를 만들기 위해 상기 구동부(420)를 제어하는 제어부(430)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔안정화부(400)는 상기 구동부(420)와 제2 빔생성부(500) 사이에 배치되는 파장판(440, Wave Plate)을 더 포함할 수 있으며, 상기 편광판(410)과 함께 상기 제1 레이저 빔(B1)의 파장 및/또는 파워를 미세하게 조정할 수 있다.
예를 들어, 상기 파장판(440)은 λ/2 파장판(440)으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 빔안정화부(400)의 제어부(430)는 광센서(431), 데이터수집부(432), 연산증폭기(433) 및 연산부(434)를 포함할 수 있다.
상기 광센서(431)는 상기 제1 레이저 빔(B1)의 상태를 추출할 수 있으며, 구체적으로 상기 제1 레이저 빔(B1)의 광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이러한 광센서(431)는 다양한 수단으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 포토다이오드(Photo-Diode)로써 구현될 수 있다.
상기 데이터수집부(432, DAQ)는 상기 광센서(431)로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔(B1)의 정보를 수집할 수 있다.
상기 연산증폭기(433, Operational Amplifier)는 상기 광센서(431)로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔(B1)의 신호를 증폭시킬 수 있다.
상기 연산부(434)는 상기 연산증폭기(433)로부터 증폭된 상기 제1 레이저 빔(B1)의 신호를 가지고 기설정된 상기 제1 레이저 빔(B1)의 신호가 되도록 상기 구동부(420)에 정, 역회전을 위한 전원을 인가할 수 있다.
또한, 상기 연산부(434)로써 후술할 구동모터(423)의 제어는 다양한 공지 수단으로 구현될 수 있으나, 예를 들어, 양극 또는 음극의 전원을 공급하는 전원공급부(435)를 통해 구현될 수 있다.
한편, 상기 구동부(420)는 고정하우징(421), 회전하우징(422) 및 구동모터(423)를 포함할 수 있으며, 베어링(424)을 더 포함할 수 있다.
상기 고정하우징(421)은 중공부(421a)가 형성되며, 지면 또는 장치의 베이스(425) 상에 고정될 수 있다. 상기 중공부(421a)는 상기 제1 레이저 빔(B1)의 진행 방향과 평행한 축 방향을 갖도록 형성될 수 있다.
상기 회전하우징(422)은 상기 편광판(410)이 수용되는 제1 홀(422a)과 상기 제1 홀(422a)에 연통되어 상기 제1 레이저 빔(B1)이 통과되는 제2 홀(422b)이 형성되며, 상기 중공부(421a)에 회전 가능하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 홀(422a)과 제2 홀(422b)의 중심축은 동일하게 형성될 수 있으며, 이러한 제1 홀(422a)과 제2 홀(422b)은 상기 제1 레이저 빔(B1)의 진행 방향과 평행한 축 방향을 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 홀(422a)은 편광판(410)을 수용하는 홀이고 상기 제2 홀(422b)은 상기 제1 레이저 빔(B1)이 통과되는 통로이므로, 상기 제1 홀(422a)과 제2 홀(422b)의 내경은 다르게 형성될 수 있다.
상기 구동모터(423)는 상기 회전하우징(422)의 외주면에 배치되도록 상기 중공부(421a)에 수용되어 상기 제어부(430)로부터 제어 신호를 인가받아 정, 역회전할 수 있다.
구체적으로, 상기 구동모터(423)는 내부에 상기 제어부(430)로부터 전원을 공급받는 코일(423a)이 권취되며, 상기 중공부(421a)의 내주면에 고정되는 링 형상의 고정체(423b)와, 상기 회전하우징(422)의 외주면을 고정하는 수용홀(423ca)이 형성되고 외측면은 다각형의 형상을 가지며 상기 고정체(423b)의 내부에 배치되는 회전체(423c)와, 상기 회전체(423c)의 각각의 면에 배치되어 상기 고정체(423b)의 외주면에 접하는 복수 개의 자석(423d)을 포함할 수 있다.
상기 코일(423a)의 일단과 타단은 상기 고정체(423b)의 외측으로 돌출될 수 있으며, 상기 제어부(430)의 전원공급부(435)와 연결될 수 있다.
한편, 상기 구동부(420)는 상기 구동모터(423)의 정, 역회전의 정도를 감지하여 상기 제어부(430)에 회전 정보를 송신하는 엔코더(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 상기 구동모터(423)의 정밀한 회전 조절이 가능해질 수 있다.
상기 베어링(424)은 적어도 한 개 이상이 상기 회전하우징(422)의 외주면과 상기 중공부(421a) 내부 사이에 배치될 수 있으며, 상기 고정하우징(421) 내에서 상기 회전하우징(422)의 원활한 회전을 도모할 수 있다.
상기 제2 빔생성부(500)는 상기 제1 빔생성부(100)로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔(B1)을 다른 성질을 갖는 제2 레이저 빔(B2)으로 변환할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 레이저 빔(B2)이 가지는 다른 성질은 266nm, 120Hz의 자외선(UV) 레이저 빔일 수 있다.
상기 전자총(700, Photo Cathode Gun)은 상기 제2 빔생성부(500)로부터 생성된 제2 레이저 빔(B2)을 가지고 전자빔을 생성하여 가속하기 위한 장치이며, 상기한 구성 요소들과 다른 구역에 구획되어 배치될 수 있다.
이러한 경우, 상기 빔포인팅부(600)는 상기 제2 빔생성부(500)와 전자총(700) 사이에 배치되어 상기 제2 레이저 빔(B2)이 상기 전자총(700)으로 정확하게 이동되도록 빔의 위치를 고정시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 파워 생성 및 안정화 시스템의 사용 전후의 레이저 빔 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, (a) 구간에서는 제1 레이저 빔(B1)의 안정도가 주변환경 또는 장치 컨디션에 따라 불안정할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 빔안정화부(400)에 의해 상기 제1 레이저 빔(B1)은 (b) 구간과 같이 안정화되고, 안정화된 상기 제1 레이저 빔(B1)은 (c) 구간과 같이 안정화된 제2 레이저 빔(B2)으로 생성될 수 있다.
이상, 상기 설명에 의해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이며, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 및 그와 균등한 범위에 의하여 정해져야 한다.
B1: 제1 레이저 빔 B2: 제2 레이저 빔
100: 제1 빔생성부 200: 빔파워조정부
300: 빔분배부 400: 빔안정화부
410: 편광판 420: 구동부
421: 고정하우징 421a: 중공부
422: 회전하우징 422a: 제1 홀
422b: 제2 홀 423: 구동모터
423a: 코일 423b: 고정체
423c: 회전체 423ca: 수용홀
423d: 자석 424: 베어링
425: 베이스 430: 제어부
431: 광센서 432: 제이터수집부
433: 연산증폭기 434: 연산부
435: 전원공급부 440: 파장판
500: 제2 빔생성부 600: 빔포인팅부
700: 전자총

Claims (12)

  1. 제1 성질을 가진 제1 레이저 빔이 생성되는 제1 빔생성부;
    상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔을 다른 성질을 갖는 제2 레이저 빔으로 변환하는 제2 빔생성부; 및
    상기 제1 빔생성부와 제2 빔생성부 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔의 파장을 안정화시키는 빔안정화부;를 포함하고,
    상기 빔안정화부는,
    상기 제1 레이저 빔이 통과하는 편광판;
    상기 편광판을 수용하여 정, 역회전시키는 구동부; 및
    상기 제1 빔생성부와 편광판 사이에 배치되어 상기 제1 레이저 빔의 상태를 추출하여 기설정된 제1 레이저 빔의 상태를 만들기 위해 상기 구동부를 제어하는 제어부;를 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔안정화부는 상기 구동부와 제2 빔생성부 사이에 배치되는 파장판을 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파장판은 λ/2 파장판인 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 레이저 빔의 상태를 추출하는 광센서;
    상기 광센서로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔의 정보를 수집하는 데이터수집부;
    상기 광센서로부터 추출된 상기 제1 레이저 빔의 신호를 증폭시키는 연산증폭기; 및
    상기 연산증폭기로부터 증폭된 상기 제1 레이저 빔의 신호를 가지고 기설정된 상기 제1 레이저 빔의 신호가 되도록 상기 구동부에 정, 역회전을 위한 전원을 인가하는 연산부;를 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    중공부가 형성되는 고정하우징;
    상기 편광판이 수용되는 제1 홀과 상기 제1 홀에 연통되어 상기 제1 레이저 빔이 통과되는 제2 홀이 형성되며, 상기 중공부에 회전 가능하게 배치되는 회전하우징; 및
    상기 회전하우징의 외주면에 배치되도록 상기 중공부에 수용되어 상기 제어부로부터 제어 신호를 인가받아 정, 역회전하는 구동모터;를 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 회전하우징의 외주면과 상기 중공부 내부 사이에 배치되는 적어도 한 개 이상의 베어링을 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 구동모터는,
    내부에 상기 제어부로부터 전원을 공급받는 코일이 권취되며, 상기 중공부의 내주면에 고정되는 링 형상의 고정체;
    상기 회전하우징의 외주면을 고정하는 수용홀이 형성되고 외측면은 다각형의 형상을 가지며 상기 고정체의 내부에 배치되는 회전체; 및
    상기 회전체의 각각의 면에 배치되어 상기 고정체의 외주면에 접하는 복수 개의 자석;을 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔생성부와 빔안정화부 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔의 펄스 폭과 강도를 조정하는 빔파워조정부를 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 빔파워조정부와 빔안정화부 사이에 배치되어 상기 제1 빔생성부로부터 생성된 상기 제1 레이저 빔을 상기 제어부로 보내거나 상기 편광판으로 보내는 빔분배부를 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 빔생성부로부터 생성된 제2 레이저 빔을 가지고 전자빔을 생성하여 가속하기 위한 전자총을 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 빔생성부와 전자총 사이에 배치되어 상기 제2 레이저 빔이 상기 전자총으로 이동되도록 빔의 위치를 고정시키는 빔포인팅부를 더 포함하는 빔 파워 생성 및 안정화 시스템.
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