KR102359965B1 - Optical amplifier and laser processing apparatus including the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광 증폭기 및 이를 포함하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an optical amplifier and a laser processing apparatus including the same.
일반적으로 레이저 가공 장치란 집광렌즈를 이용하여 레이저 빔을 하나의 초점 형태로 집광시키고 그 초점을 가공 대상물의 표면 또는 내부에 조사하여 가공하는 장치를 말한다. In general, a laser processing apparatus refers to an apparatus for condensing a laser beam in the form of a single focus using a condensing lens, and irradiating the focus to the surface or the inside of an object to be processed.
이러한 레이저 가공 장치는, 시그널 빔을 생성하는 발진기와, 이러한 발진기에서 생성된 시그널 빔을 증폭시키는 광 증폭기를 포함할 수 있다.Such a laser processing apparatus may include an oscillator for generating a signal beam, and an optical amplifier for amplifying the signal beam generated by the oscillator.
광 증폭기는 시그널 빔을 증폭시킬 수 있는 이득 물질과, 이득 물질 내부에 밀도 반전을 유도하기 위해 이득 물질에 펌프 빔을 제공하는 펌핑 소스를 포함할 수 있다.The optical amplifier may include a gain material capable of amplifying the signal beam and a pumping source providing a pump beam to the gain material to induce a density reversal within the gain material.
광 증폭기의 증폭 효율은 이득 물질 내부에 입사되는 펌프 빔이 의도치 않게 빠져 나가거나 산란되는 양에 따라 달라질 수 있다.The amplification efficiency of the optical amplifier may vary depending on the amount of unintentional escaping or scattering of a pump beam incident inside the gain material.
본 발명은 이득 물질 내부에서 의도치 않게 빠져 나가거나 산란되는 펌프 빔의 양을 최소화함으로써, 증폭 효율을 향상시킨 광 증폭기 및 레이저 가공 장치를 제공한다.The present invention provides an optical amplifier and a laser processing apparatus having improved amplification efficiency by minimizing the amount of a pump beam that is unintentionally escaping or scattered inside a gain material.
본 발명은 이득 물질의 열전도 효율을 개선함으로써, 이득 물질의 내부에서의 온도 차이를 줄일 수 있는 광 증폭기 및 레이저 가공 장치를 제공한다.The present invention provides an optical amplifier and a laser processing apparatus capable of reducing the temperature difference inside the gain material by improving the heat conduction efficiency of the gain material.
본 발명은 발산각이 큰 펌프 빔의 재사용을 통해 이득 물질 내부에서 시그널 빔의 빔의 증폭 효율을 향상시킨 광 증폭기 및 레이저 가공 장치를 제공한다.The present invention provides an optical amplifier and a laser processing apparatus that improve the amplification efficiency of a signal beam in a gain material through reuse of a pump beam having a large divergence angle.
본 발명의 일 측면에 따른 광 증폭기는,An optical amplifier according to an aspect of the present invention,
시그널 빔이 입사되는 제1면과, 상기 제1면과 반대 측에 배치된 제2면을 가지며, 입사된 상기 시그널 빔이 상기 제2면까지 이동하는 동안 증폭되어 상기 제2면으로 출사되는 이득 물질; 및A gain that has a first surface on which a signal beam is incident and a second surface disposed on the opposite side to the first surface, and is amplified while the incident signal beam moves to the second surface and is emitted to the second surface matter; and
상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 하나의 면으로 펌프 빔을 제공하도록 연결된 펌핑 소스;를 포함하며,a pumping source coupled to provide a pump beam to at least one of the first side and the second side;
상기 이득 물질은 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하며, 상기 펌프 빔이 상기 제1면 또는 상기 제2면을 향해 이동하는 동안 상기 펌프 빔을 반사하는 산란 방지면을 포함하며,the gain material includes an anti-scattering surface connecting the first surface and the second surface and reflecting the pump beam while the pump beam moves toward the first surface or the second surface;
상기 시그널 빔은 상기 산란 방지면에 의해 상기 펌프 빔이 반사되어 집중되는 집중 영역을 지나가도록 구성될 수 있다.The signal beam may be configured to pass through a concentration area where the pump beam is reflected and focused by the anti-scattering surface.
상기 산란 방지면의 표면 평탄도는 람다(λ)/1 이하일 수 있다.The surface flatness of the scattering prevention surface may be lambda (λ)/1 or less.
상기 이득 물질은 상기 펌프 빔이 집중되는 제1 집중 영역과, 상기 제1 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제1 발산 영역과, 상기 제1 발산 영역을 지나 상기 산란 방지면에 의해 반사되어 집중되는 제2 집중 영역과, 상기 제2 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제2 발산 영역을 포함할 수 있다.The gain material includes a first concentration area where the pump beam is focused, a first divergent area where the pump beam is diverged past the first concentration area, and a first divergent area that is reflected by the anti-scattering surface It may include a second concentration area to be focused, and a second diverging area from which the pump beam is diverged through the second concentration area.
상기 이득 물질의 길이는 상기 이득 물질의 폭의 10배 이상 100 배 이하일 수 있다.The length of the gain material may be 10 times or more and 100 times or less the width of the gain material.
상기 광 증폭기는 상기 산란 방지면의 외곽에 배치된 금속층을 더 포함할 수 있다.The optical amplifier may further include a metal layer disposed outside the scattering prevention surface.
상기 금속층은 상기 펌프 빔에 대한 반사율이 95% 이상인 재질을 포함할 수 있다.The metal layer may include a material having a reflectance of 95% or more with respect to the pump beam.
상기 광 증폭기는 상기 이득 물질을 수용하는 홈을 포함하는 방열 구조체를 더 포함할 수 있다.The optical amplifier may further include a heat dissipation structure including a groove for accommodating the gain material.
상기 발열 구조체의 열 전도율은 상기 이득 물질의 열 전도율보다 클 수 있다.A thermal conductivity of the heating structure may be greater than a thermal conductivity of the gain material.
상기 이득 물질의 길이 방향과 수직인 방향으로 단면 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나일 수 있다.A cross-sectional shape in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gain material may be at least one of a circle, an ellipse, and a polygon.
본 발명의 다른 측면에 따른 레이저 가공 장치는,Laser processing apparatus according to another aspect of the present invention,
시그널 빔을 생성하는 레이저 발진기;a laser oscillator that generates a signal beam;
상기 발진기에서 생성된 시그널 빔을 증폭시키는 광 증폭기;를 포함하며,Including; an optical amplifier for amplifying the signal beam generated by the oscillator;
상기 광 증폭기는,The optical amplifier is
상기 시그널 빔이 입사되는 제1면과, 상기 제1면과 반대 측에 배치된 제2면을 가지며, 입사된 상기 시그널 빔이 상기 제2면까지 이동하는 동안 증폭되어 상기 제2면으로 출사되는 이득 물질; 및It has a first surface on which the signal beam is incident, and a second surface disposed on the opposite side to the first surface, and is amplified while the incident signal beam moves to the second surface and is emitted to the second surface. gain substance; and
상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 하나의 면으로 펌프 빔을 제공하도록 연결된 펌핑 소스;를 포함하며,a pumping source coupled to provide a pump beam to at least one of the first side and the second side;
상기 이득 물질은 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하며, 상기 펌프 빔이 상기 제1면 또는 상기 제2면을 향해 이동하는 동안 상기 펌프 빔을 반사하는 산란 방지면을 포함하며,the gain material includes an anti-scattering surface connecting the first surface and the second surface and reflecting the pump beam while the pump beam moves toward the first surface or the second surface;
상기 시그널 빔은 상기 산란 방지면에 의해 상기 펌프 빔이 반사되어 집중되는 집중 영역을 지나가도록 구성될 수 있다.The signal beam may be configured to pass through a concentration area where the pump beam is reflected and focused by the anti-scattering surface.
상기 산란 방지면의 표면 평탄도는 람다(λ)/1 이하일 수 있다.The surface flatness of the scattering prevention surface may be lambda (λ)/1 or less.
상기 이득 물질은 상기 펌프 빔이 집중되는 제1 집중 영역과, 상기 제1 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제1 발산 영역과, 상기 제1 발산 영역을 지나 상기 산란 방지면에 의해 반사되어 집중되는 제2 집중 영역과, 상기 제2 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제2 발산 영역을 포함할 수 있다.The gain material includes a first concentration area where the pump beam is focused, a first divergent area where the pump beam is diverged past the first concentration area, and a first divergent area that is reflected by the anti-scattering surface It may include a second concentration area to be focused, and a second diverging area from which the pump beam is diverged through the second concentration area.
상기 이득 물질의 길이는 상기 이득 물질의 폭의 10배 이상 100 배 이하일 수 있다.The length of the gain material may be 10 times or more and 100 times or less the width of the gain material.
상기 광 증폭기는 상기 산란 방지면의 외곽에 배치된 금속층을 더 포함할 수 있다.The optical amplifier may further include a metal layer disposed outside the scattering prevention surface.
상기 금속층은 상기 펌프 빔에 대한 반사율이 95% 이상인 재질을 포함할 수 있다.The metal layer may include a material having a reflectance of 95% or more with respect to the pump beam.
상기 광 증폭기는 상기 이득 물질을 수용하는 홈을 포함하는 방열 구조체를 더 포함할 수 있다.The optical amplifier may further include a heat dissipation structure including a groove for accommodating the gain material.
상기 발열 구조체의 열 전도율은 상기 이득 물질의 열 전도율보다 클 수 있다.A thermal conductivity of the heating structure may be greater than a thermal conductivity of the gain material.
상기 이득 물질의 길이 방향과 수직인 방향으로 단면 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나일 수 있다.A cross-sectional shape in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gain material may be at least one of a circle, an ellipse, and a polygon.
본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기 및 레이저 가공 장치는 이득 물질 내부에서 의도치 않게 빠져 나가거나 산란되는 펌프 빔의 양을 최소화함으로써, 증폭 효율을 향상시킬 수 있다.The optical amplifier and the laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention minimize the amount of the pump beam that is unintentionally escaping or scattered inside the gain material, thereby improving amplification efficiency.
본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기 및 레이저 가공 장치는 이득 물질의 열전도 효율을 개선함으로써, 이득 물질의 내부에서의 온도 차이를 줄일 수 있으며, 그에 따라 발열에 따른 부작용을 최소화할 수 있다.The optical amplifier and the laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention can reduce the temperature difference inside the gain material by improving the heat conduction efficiency of the gain material, thereby minimizing side effects due to heat generation.
본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기 및 레이저 가공 장치는 발산각이 큰 펌프 빔의 재사용을 통해 이득 물질 내부에서 시그널 빔의 빔의 증폭 효율을 향상시킬 수 있다.The optical amplifier and the laser processing apparatus according to the embodiment of the present invention can improve the amplification efficiency of the signal beam in the gain material through the reuse of the pump beam having a large divergent angle.
도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 증폭기를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광 증폭기를 도시한 것이다.
도 4는 실시예에 따른 이득 물질의 산란 방지면을 설명하기 위한 도면이며,
도 5는 비교예에 따른 이득 물질에서의 난반사를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 다른 실시예에 따른 광 증폭기를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 일부를 확대한 도면이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광 증폭기를 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9e는 실시예에 따른 이득 물질의 단면 형상의 예를 설명하기 위하 도면이다.
도 10은 시그널 빔의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 다른 실시예에 따른 광 증폭기를 개념적으로 나타낸 도면이다.1 is a view conceptually showing a laser processing apparatus according to an embodiment.
2 is a diagram conceptually illustrating an optical amplifier according to an embodiment.
3 shows an optical amplifier according to an embodiment.
4 is a view for explaining the anti-scattering surface of the gain material according to the embodiment,
5 is a view for explaining diffuse reflection in a gain material according to a comparative example.
6 is a diagram illustrating an optical amplifier according to another embodiment.
FIG. 7 is an enlarged view of a part of FIG. 6 .
8 is a view for explaining an optical amplifier according to another embodiment.
9A to 9E are diagrams for explaining an example of a cross-sectional shape of a gain material according to an embodiment.
10 is a diagram for explaining movement of a signal beam.
11 and 12 are diagrams conceptually illustrating an optical amplifier according to another embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals refer to the same components, and the size or thickness of each component may be exaggerated for clarity of description.
“제1”, “제2” 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. “및/또는” 이라는 용어는 복수의 관련된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 항목들 중의 어느 하나의 항목을 포함한다. Terms including an ordinal number such as “first” and “second” may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. The term “and/or” includes a combination of a plurality of related items or any one of a plurality of related items.
도 1은 실시예에 따른 레이저 가공 장치(1)를 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 실시예에 따른 광 증폭기를 개념적으로 나타낸 도면이다.1 is a view conceptually showing a laser processing apparatus 1 according to an embodiment. 2 is a diagram conceptually illustrating an optical amplifier according to an embodiment.
도 1 및 도 2를 참조하면, 레이저 가공 장치(1)는 레이저 발진기(10), 광 증폭기(20)를 포함할 수 있다.1 and 2 , the laser processing apparatus 1 may include a
레이저 발진기(10)는 시그널 빔(SB)을 생성할 수 있다. 레이저 발진기(10)는 시그널 빔(SB)을 광 증폭기(20)로 전달한다. 시그널 빔(SB)은 펄스 레이저 빔일 수 있다. The
광 증폭기(20)는 이득 물질(100)과, 이득 물질(100)에 펌프 빔(PB)을 제공하는 펌핑 소스(200)를 포함한다.The
이득 물질(100)은 시그널 빔(SB)이 입사되는 제1면(101)과, 제1면(101)과 반대 측에 배치된 제2면(102)을 가진다. 이득 물질(100)은 예시적으로 이터븀(Yb), 네오디뮴(Nd), 어븀(Er), 툴륨(Tm) 등과 같은 희토류 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수 있다. 또한 이득 물질(100)은 예시적으로 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 등과 같은 전이금속 원소들로부터 얻은 활성 이온(active ion)들을 포함할 수도 있다.The
펌핑 소스(200)는 펌프 빔(PB)을 이득 물질(100)의 제1면(101) 및 제2면(102) 중 적어도 하나의 면으로 제공하도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 펌핑 소스(200)는 펌프 빔(PB)을 이득 물질(100)의 제1면(101)으로 제공하도록 연결될 수 있다. 펌핑 소스(200)에 의해 제공된 펌프 빔(PB)은 제1면(101)으로 입사되며, 입사된 펌프 빔(PB)에 의해 이득 물질(100) 내에서 밀도 반전이 일어난다. 밀도 반전이 일어난 이득 물질(100)을 시그널 빔(SB)이 지나가는 과정에서, 시그널 빔(SB)의 증폭이 나타난다.The
펌핑 소스(200)와 이득 물질(100) 사이에는 펌프 빔(PB)을 집광하여 이득 물질(100) 내로 전달하는 광학 부재(30)가 배치될 수 있다. 일 예로서, 광학 부재(30)는 펌프 빔(PB)을 집광하는 집속 렌즈(31) 및 펌프 빔(PB)의 방향을 전환하는 반사 미러(32) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이득 물질(100)을 통과한 펌프 빔(PB)은 반사 미러(33)에 의해 반사된 후 덤프(34)에 의해 흡수될 수 있다.도 3은 일 실시예에 따른 광 증폭기(20)를 도시한 것이다. An
도 3을 참조하면, 이득 물질(100)은 제1면(101)에서 제2면(102)으로 연장된 로드 형태(Rod-type)를 가질 수 있다. Referring to FIG. 3 , the
이득 물질(100)은 소정의 길이(L)를 가질 수 있다. 예를 들어, 이득 물질(100)의 길이(L)는 이득 물질(100)의 폭(D)의 10배 이상 100배 이하일 수 있다. 이득 물질(100)의 폭(D)은 이득 물질(100)의 형태가 원통 형태일 경우 직경으로 표시될 수 있다.The
이득 물질(100)의 폭(D)은 2 mm 이하일 수 있다. 이득 물질(100)의 길이(L)는 100 mm 이하일 수 있다.The width D of the
시그널 빔(SB)과 펌프 빔(PB) 모두 이득 물질(100)의 길이 방향으로 입사될 수 있다. 예를 들어, 시그널 빔(SB)과 펌프 빔(PB)은 이득 물질(100)의 같은 면인 제1면(101)으로 입사될 수 있다. 다만, 반드시 이에 한정되지 아니하며, 시그널 빔(SB)과 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 길이 방향으로 입사되는 경우라면, 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 펌프 빔(PB)은 시그널 빔(SB)의 출사면인 제2면(102)으로 입사(도 11 참조)되거나, 시그널 빔(SB)의 입사면인 제1면(101) 및 출사면인 제2면(102)으로 입사(도 12 참조)될 수 있다.Both the signal beam SB and the pump beam PB may be incident in the longitudinal direction of the
이득 물질(100)은 제1면(101)과 제2면(102)을 연결하는 산란 방지면(110)을 포함한다.The
산란 방지면(110)은 이득 물질(100)의 내부에서 제1면(101) 및 제2면(102) 중 적어도 하나의 면을 향해 이동하는 펌프 빔(PB)을 반사하되, 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 내부에서 난반사되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.The
펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 제1면(101)으로 입사된 경우, 산란 방지면(110)은 이득 물질(100)의 내부에서 제2면(102)을 향해 이동하는 펌프 빔(PB)을 반사하되, 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 내부에서 난반사되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.When the pump beam PB is incident on the
도 4는 실시예에 따른 이득 물질(100)의 산란 방지면(110)을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 비교예에 따른 이득 물질(100)에서의 난반사를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the
산란 방지면(110)은 광학적으로 평탄한 표면을 가질 수 있다. 예를 들어, 산란 방지면(110)의 표면 평탄도(또는 광학적 편평도(optical flatness))는 람다(λ)/1 이하일 수 있다. 예를 들어, 산란 방지면(110)의 표면 평탄도는 람다(λ)/2 이하일 수 있다. 예를 들어, 산란 방지면(110)의 표면 평탄도는 람다(λ)/4 이하일 수 있다. 예를 들어, 산란 방지면(110)의 표면 평탄도는 람다(λ)/8 이하일 수 있다. 이를 위해, 이득 물질(100)의 외부 표면은 광학적 폴리싱에 의해 처리될 수 있다.The
도 4를 참조하면, 산란 방지면(110)은 펌프 빔(PB1, PB2, PB3)을 일정하게 반사시킴으로써, 펌프 빔(PB1, PB2, PB3)이 이득 물질(100)의 내부에서 정해진 영역에서 집중될 수 있으며, 난반사에 의해 펌프 빔(PB)이 의도치 않게 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. Referring to FIG. 4 , the
그에 반해, 도 5를 참조하면, 이득 물질(1000)이 산란 방지면(110)을 가지지 않을 경우, 다시 말해서 평탄하지 않은 표면(1100)을 가질 경우, 펌프 빔(PB1, PB2, PB3)은 이득 물질(100)의 표면(1100)에서 난반사될 수 있으며, 일부 펌프 빔(PB2, PB3)이 외부로 빠져 나가게 될 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 5 , when the
다시 도 3을 참조하면, 펌프 빔(PB)은 이득 물질(100)의 소정의 위치에 집광되도록 입사될 수 있다. 산란 방지면(110)에 의해 펌프 빔(PB)이 반사됨에 따라, 이득 물질(100)의 내부에는 복수의 집중 영역(121, 122, 123)이 나타나게 된다.Referring back to FIG. 3 , the pump beam PB may be incident to be focused on a predetermined position of the
이득 물질(100)은 펌프 빔(PB)이 집광되는 제1 집중 영역(121)과, 제1 집중 영역(121)을 지나 펌프 빔(PB)이 발산되는 제1 발산 영역(131)과, 제1 발산 영역(131)을 지나 산란 방지면(110)에 의해 반사되어 집중되는 제2 집중 영역(122)과, 상기 제2 집중 영역(122)을 지나 펌프 빔(PB)이 발산되는 제2 발산 영역(132)을 포함할 수 있다. 이득 물질(100)은 제2 발산 영역(132)을 지나 산란 방지면(110)에 의해 반사되어 집중되는 제3 집중 영역(123)을 더 포함할 수 있다.The
펌프 빔(PB)은 이득 물질(100)에서 집중 영역(121, 122, 123)에 상대적으로 집중될 수 있다. 그에 따라, 시그널 빔(SB)이 집중 영역(121, 122, 123)을 지나가는 동안 증폭되는 양은 시그널 빔(SB)이 발산 영역(131, 132)을 지나가는 동안 증폭되는 양보다 크다.The pump beam PB may be relatively focused on the
집중 영역(121, 122, 123)에서 펌프 빔(PB)의 최소 직경(D1)은 발산 영역(131, 132)에서 펌프 빔(PB)의 최대 직경의 1/2 이하일 수 있다. 예를 들어, 집중 영역(121, 122, 123)에서 펌프 빔(PB)의 최소 직경(D1)은 발산 영역(131, 132)에서 펌프 빔(PB)의 최대 직경의 1/5 이하일 수 있다. 예를 들어, 집중 영역(121, 122, 123)에서 펌프 빔(PB)의 최소 직경(D1)은 발산 영역(131, 132)에서 펌프 빔(PB)의 최대 직경의 1/10 이하일 수 있다. 발산 영역(131, 132)에서 펌프 빔(PB)의 최대 직경은 이득 물질(100)의 폭(D)(또는 직경)과 동일할 수 있다.The minimum diameter D1 of the pump beam PB in the
실시예에 따른 광 증폭기(20)(20)에서는, 산란 방지면(110)에 의해 이득 물질(100) 내에 복수의 집중 영역(121, 122, 123)이 나타나게 되며, 시그널 빔(SB)은 이러한 복수의 집중 영역(121, 122, 123)을 지나감에 따라, 증폭 효율이 향상될 수 있다. In the
집중 영역(121, 122, 123)에서 펌프 빔(PB)의 최소 직경(D1)은 이득 물질(100)을 지나가는 시그널 빔(SB)의 최소 직경보다 작을 수 있다.The minimum diameter D1 of the pump beam PB in the
도 6는 다른 실시예에 따른 광 증폭기(20A)를 나타낸 도면이다. 도 7은 도 6의 일부를 확대한 도면이다.6 is a view showing an
도 6 및 도 7을 참조하면, 실시예에 따른 광 증폭기(20A)는 이득 물질(100)의 외곽에 배치된 금속층(150)을 더 포함할 수 있다. 금속층(150)은 산란 방지면(110)에 접촉하도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 금속층(150)은 이득 물질(100)의 산란 방지면(110)에 코팅될 수 있다. 상술한 실시예와 중복된 구성은 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 중복 설명은 생략하기로 한다.6 and 7 , the
산란 방지면(110)은 평탄한 표면을 가지기 때문에, 금속층(150)과 산란 방지면(110) 사이에 발생하는 틈새를 최소화하면서 밀착될 수 있다.Since the
금속층(150)은 이득 물질(100)의 외부로 빠져나가려는 펌프 빔(PB1, PB2, PB3)을 반사시킬 수 있다. 상술한 것처럼, 이득 물질(100)의 산란 방지면(110)이 평탄한 표면을 가진다 하더라도, 실제로 완벽하게 평평한 표면을 가지기는 어렵다. 그에 따라, 비록 미약하긴 하지만, 산란 방지면(110)에서도 산란 또는 난반사가 나타나게 되며, 그 과정에서 일부 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 외부로 빠져나갈 가능성이 존재한다.The
실시예에 따른 광 증폭기(20)에서는, 금속층(150)이 이득 물질(100)의 외곽에 배치되어 있기 때문에, 일부 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 외부로 빠져나가려고 하는 것을 차단하고, 이득 물질(100)의 내부로 반사할 수 있다.In the
금속층(150)의 재질은 펌프 빔(PB)의 파장 및 그에 대한 반사율을 고려하여 결정될 수 있다. 금속층(150)은 펌프 빔(PB)에 대한 반사율이 95% 이상인 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속층(150)은, 이득 물질(100)의 내부에 입사된 펌프 빔(PB)이 전반사 각도에서 반사율이 95% 이상인 재질을 포함할 수 있다. The material of the
금속층(150)의 재질은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The material of the
한편, 금속층(150)은 전반사 각도보다 큰 각도의 펌프 빔(PB)을 다시 내부로 반사시킬수 있다. 그에 따라, 펌프 빔(PB)을 재사용할 수 있으며, 펌프 빔(PB)의 발산각을 크게 설계하는 등 자유로운 설계 변경이 가능하게 된다.Meanwhile, the
금속층(150)은 이득 물질(100)보다 열 전도율이 클 수 있다. 그에 따라, 이득 물질(100)을 방열시키는 기능을 수행할 수 있다. 이득 물질(100)의 열전도 효율을 개선함으로써, 이득 물질(100)의 내부에서의 온도 차이를 줄일 수 있다. 그에 따라, 의도치 않은 이득 물질(100)의 발열에 따른 부작용, 예를 들어, 열 렌즈(thermal lensing) 현상, 열 스트레스(thermal stresses), 광탄성 효과(photoelastic effects), 스트레스 복굴절(stress birefringence) 현상을 최소화할 수 있다.The
도 8은 다른 실시예에 따른 광 증폭기(20B)를 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 광 증폭기(20B)는 이득 물질(100)을 수용하는 홈(310)을 포함하는 방열 구조체(300)를 더 포함할 수 있다.8 is a view for explaining an
방열 구조체(300)를 통해, 이득 물질(100)에 발생한 열을 외부로 발산할 수 있다. Through the
방열 구조체(300)는 이득 물질(100)보다 열 전도율이 큰 재질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방열 구조체(300)의 재질은 구리를 포함할 수 있다. 다만, 방열 구조체(300)의 재질은 이에 한정되지 아니하며, 이득 물질(100)보다 열 전도율이 큰 재질이라며 다양하게 변형될 수 있다. The
방열 구조체(300)는 금속층(150)보다 큰 열 전도율을 가지는 재질을 포함할 수 있다.The
금속층(150) 및 방열 구조체(300)를 통해 이득 물질(100)의 열전도 효율을 개선함으로써, 이득 물질(100)의 내부에서의 온도 차이를 줄일 수 있다. 그에 따라, 의도치 않은 이득 물질(100)의 열 렌즈 현상을 최소화할 수 있다.By improving the heat conduction efficiency of the
상술한 실시예에서는 이득 물질(100)이 금속층(150)에 의해 둘러싸인 예를 중심으로 설명하였으나, 금속층(150)은 선택적인 구성으로 필요에 따라 생략될 수 있다. 예를 들어, 도시하지 않았으나, 광 증폭기(20B)는 금속층(150) 없이 이득 물질(100)이 방열 구조체(300)에 직접 접촉하는 구조를 가질 수도 있다.Although the above-described embodiment has been mainly described with respect to an example in which the
도 9a 내지 도 9e는 실시예에 따른 이득 물질(100, 100A, 100B, 100C, 100D)의 단면 형상의 예를 설명하기 위하 도면이다. 도 10은 시그널 빔(SB)의 이동을 설명하기 위한 도면이다.9A to 9E are views for explaining examples of cross-sectional shapes of
도 9a를 참조하면, 이득 물질(100)은 원통 형상이며, 그 단면 형상은 원형일 수 있다. 다만, 이득 물질(100)의 단면 형상은 이에 한정되지 아니하며, 다양하게 변형될 수 있다.Referring to FIG. 9A , the
시그널 빔(SB)은 도 10과 같이, 이득 물질(100) 내에서 직선 형태(점선으로 표시)으로 이동하지 않고, 나선 형태로 이동할 수 있다. 이 경우, 시그널 빔(SB)은 이득 물질(100)의 중심부를 통과하지 않고 주변부를 통과할 수 있다.The signal beam SB does not move in a straight line (indicated by a dotted line) within the
이와 같이, 시그널 빔(SB)이 주변부를 통과할 수 있는 점을 고려하여, 이득 물질(100A, 100B, 100C, 100D)의 단면 형상을 원형이 아닌 다른 형상을 가지도록 설계할 수 있다. 이를 통해, 이득 물질(100)의 주변부를 통과하는 시그널 빔(SB)은 이득 물질(100)의 산란 방지면(110)에 의해 반사될 수 있으며, 그에 따라 시그널 빔(SB)이 이득 물질(100)의 중심부를 통과하도록 유도할 수 있다.As described above, in consideration of the fact that the signal beam SB may pass through the peripheral portion, the cross-sectional shape of the
예를 들어, 이득 물질(100A, 100B, 100C, 100D)의 단면 형상은 다각 형상이거나 적어도 일부가 비대칭적인 형상일 수 있다. 예를 들어, 이득 물질(100A, 100B, 100C, 100D)의 단면 형상은 도 9b와 같이 팔각 형상이거나, 도 9c와 같이 육각 형상이거나, 도 9d와 같이 모서리가 둥근 사각 형상이거나, 도 9e와 같이 타원 형상일 수 있다.For example, the cross-sectional shape of the
한편, 상술한 실시예에서는 펌프 빔(PB)이 시그널 빔(SB)이 동일 방향으로 이득 물질(100)에 입사되는 방식인 포워드 펌핑(forward pumping) 방식이 적용된 광 증폭기(20)를 중심으로 설명하였다. Meanwhile, in the above-described embodiment, the
그러나, 광 증폭기(21, 22)는 이에 한정되지 아니하며, 도 11과 같이 펌프 빔(PB)이 시그널 빔(SB)이 반대 방향으로 이득 물질(100)에 입사되는 백워드 펌핑(backward pumping) 방식이 적용되거나, 도 12와 같이 펌프 빔(PB)이 이득 물질(100)의 제1면(101) 및 제2면(102)으로 입사되는 바이 펌핑(bi-pumping) 방식이 적용될 수도 있다. 도 12에서는 편의상 덤프(24)에 대한 도시를 생략하였다. 바이 펌핑 방식이 적용된 광 증폭기(22)는 다른 펌핑 방식이 적용된 광 증폭기(20, 21)에 비해 이득 물질(100)의 온도 분포가 균일할 수 있다.However, the
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described above, these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
1: 레이저 가공 장치 10 : 레이저 발진기
20, 20A, 20B : 광 증폭기 30 : 광학 부재
31 : 집속 렌즈 32 : 반사 미러
100 : 이득 물질 101 : 제1면
102 : 제2면 110 : 산란 방지면
121 : 제1 집중 영역 122 : 제2 집중 영역
131 : 제1 발산 영역 132 : 제2 발산 영역
150 : 금속층 200 : 펌핑 소스
300 : 방열 구조체 SB : 시그널 빔
PB : 펌프 빔1: laser processing device 10: laser oscillator
20, 20A, 20B: optical amplifier 30: optical member
31: focusing lens 32: reflective mirror
100: gain material 101: first side
102: second surface 110: anti-scattering surface
121: first concentration area 122: second concentration area
131: first diverging region 132: second diverging region
150: metal layer 200: pumping source
300: heat dissipation structure SB: signal beam
PB : pump beam
Claims (18)
시그널 빔이 입사되는 제1면과, 상기 제1면과 반대 측에 배치된 제2면을 가지며, 입사된 상기 시그널 빔이 상기 제2면까지 이동하는 동안 증폭되어 상기 제2면으로 출사되는 이득 물질; 및
상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 하나의 면으로 펌프 빔을 제공하도록 연결된 펌핑 소스;를 포함하며,
상기 이득 물질은, 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하며, 상기 펌프 빔이 상기 제1면 또는 상기 제2면을 향해 이동하는 동안 상기 펌프 빔을 반사하는 산란 방지면을 포함하며,
상기 광 증폭기는 상기 산란 방지면의 외곽에 상기 산란 방지면에 접촉하도록 배치된 금속층을 더 포함하며,
상기 시그널 빔은 상기 산란 방지면에 의해 상기 펌프 빔이 반사되어 집중되는 집중 영역을 지나가도록 구성되며,
상기 금속층은 상기 펌프 빔을 반사하도록 상기 펌프 빔에 대한 반사율이 95% 이상인 재질을 포함하는, 광 증폭기.An optical amplifier comprising:
A gain that has a first surface on which the signal beam is incident and a second surface disposed on the opposite side to the first surface, and is amplified and output to the second surface while the incident signal beam moves to the second surface matter; and
a pumping source coupled to provide a pump beam to at least one of the first side and the second side;
the gain material comprises an anti-scattering surface connecting the first surface and the second surface and reflecting the pump beam while the pump beam moves toward the first surface or the second surface;
The optical amplifier further includes a metal layer disposed outside the scattering prevention surface in contact with the scattering prevention surface,
The signal beam is configured to pass through a concentration area where the pump beam is reflected and focused by the anti-scattering surface,
The metal layer includes a material having a reflectance of 95% or more with respect to the pump beam to reflect the pump beam.
상기 산란 방지면의 표면 평탄도는 람다(λ)/1 이하인, 광 증폭기.According to claim 1,
and a surface flatness of the anti-scattering surface is lambda (λ)/1 or less.
상기 이득 물질은
상기 펌프 빔이 집중되는 제1 집중 영역과, 상기 제1 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제1 발산 영역과, 상기 제1 발산 영역을 지나 상기 산란 방지면에 의해 반사되어 집중되는 제2 집중 영역과, 상기 제2 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제2 발산 영역을 포함하는, 광 증폭기.According to claim 1,
The gain material is
A first concentration area where the pump beam is focused, a first divergent area where the pump beam is diverged through the first concentration area, and a second area where the pump beam is focused through the first diverging area and reflected by the scattering prevention surface An optical amplifier comprising: a concentration region; and a second divergent region through which the pump beam diverges past the second concentration region.
상기 이득 물질의 길이는 상기 이득 물질의 폭의 10배 이상 100 배 이하인, 광 증폭기.According to claim 1,
and a length of the gain material is at least 10 times and no more than 100 times a width of the gain material.
상기 이득 물질을 수용하는 홈을 포함하는 방열 구조체를 더 포함하는, 광 증폭기.According to claim 1,
and a heat dissipation structure including a groove for receiving the gain material.
상기 방열 구조체의 열 전도율은 상기 이득 물질의 열 전도율보다 큰, 광 증폭기.8. The method of claim 7,
and a thermal conductivity of the heat dissipation structure is greater than a thermal conductivity of the gain material.
상기 이득 물질의 길이 방향과 수직인 방향으로 단면 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나인, 광 증폭기.The method of claim 1,
and a cross-sectional shape in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gain material is at least one of a circle, an ellipse, and a polygon.
상기 발진기에서 생성된 시그널 빔을 증폭시키는 광 증폭기;를 포함하며,
상기 광 증폭기는,
상기 시그널 빔이 입사되는 제1면과, 상기 제1면과 반대 측에 배치된 제2면을 가지며, 입사된 상기 시그널 빔이 상기 제2면까지 이동하는 동안 증폭되어 상기 제2면으로 출사되는 이득 물질; 및
상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 하나의 면으로 펌프 빔을 제공하도록 연결된 펌핑 소스;를 포함하며,
상기 이득 물질은 상기 제1면과 상기 제2면을 연결하며, 상기 펌프 빔이 상기 제1면 또는 상기 제2면을 향해 이동하는 동안 상기 펌프 빔을 반사하는 산란 방지면을 포함하며,
상기 광 증폭기는 상기 산란 방지면의 외곽에 상기 산란 방지면에 접촉하도록 배치된 금속층을 더 포함하며,
상기 시그널 빔은 상기 산란 방지면에 의해 상기 펌프 빔이 반사되어 집중되는 집중 영역을 지나가도록 구성되며,
상기 금속층은 상기 펌프 빔을 반사하도록 상기 펌프 빔에 대한 반사율이 95% 이상인 재질을 포함하는, 레이저 가공 장치.a laser oscillator that generates a signal beam;
Including; an optical amplifier for amplifying the signal beam generated by the oscillator;
The optical amplifier is
It has a first surface on which the signal beam is incident, and a second surface disposed on the opposite side to the first surface, and is amplified while the incident signal beam moves to the second surface and is emitted to the second surface. gain substance; and
a pumping source coupled to provide a pump beam to at least one of the first side and the second side;
the gain material includes an anti-scattering surface connecting the first surface and the second surface and reflecting the pump beam while the pump beam moves toward the first surface or the second surface;
The optical amplifier further includes a metal layer disposed outside the scattering prevention surface in contact with the scattering prevention surface,
The signal beam is configured to pass through a concentration area where the pump beam is reflected and focused by the anti-scattering surface,
The metal layer includes a material having a reflectance of 95% or more with respect to the pump beam to reflect the pump beam.
상기 산란 방지면의 표면 평탄도는 람다(λ)/1 이하인, 레이저 가공 장치.11. The method of claim 10,
The surface flatness of the scattering prevention surface is lambda (λ)/1 or less, laser processing apparatus.
상기 이득 물질은
상기 펌프 빔이 집중되는 제1 집중 영역과, 상기 제1 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제1 발산 영역과, 상기 제1 발산 영역을 지나 상기 산란 방지면에 의해 반사되어 집중되는 제2 집중 영역과, 상기 제2 집중 영역을 지나 상기 펌프 빔이 발산되는 제2 발산 영역을 포함하는, 레이저 가공 장치.11. The method of claim 10,
The gain material is
A first concentration area where the pump beam is focused, a first divergent area where the pump beam is diverged through the first concentration area, and a second area where the pump beam is focused through the first diverging area and reflected by the scattering prevention surface A laser processing apparatus comprising: a concentration area; and a second divergent area through which the pump beam diverges past the second concentration area.
상기 이득 물질의 길이는 상기 이득 물질의 폭의 10배 이상 100 배 이하인, 레이저 가공 장치.11. The method of claim 10,
The length of the gain material is not less than 10 times and not more than 100 times the width of the gain material, laser processing apparatus.
상기 이득 물질을 수용하는 홈을 포함하는 방열 구조체를 더 포함하는, 레이저 가공 장치.11. The method of claim 10,
Further comprising a heat dissipation structure including a groove for receiving the gain material, laser processing apparatus.
상기 방열 구조체의 열 전도율은 상기 이득 물질의 열 전도율보다 큰, 레이저 가공 장치.17. The method of claim 16,
wherein the thermal conductivity of the heat dissipation structure is greater than the thermal conductivity of the gain material.
상기 이득 물질의 길이 방향과 수직인 방향으로 단면 형상은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나인, 레이저 가공 장치.11. The method of claim 10,
A cross-sectional shape in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gain material is at least one of a circle, an ellipse, and a polygon.
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