KR102373311B1 - 레이저 빔 위치결정 시스템용의 위상 어레이 조향 - Google Patents

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Abstract

레이저-기반 시편 가공 시스템(112)의 레이저 빔 위치결정 시스템 (110)은, 빔 위치결정기 스테이지(124)에서, 완전 섬유-결합형 광학기기 위상 어레이 레이저 빔 조향 시스템(80)으로부터 조향된 레이저 입력 빔(106)을 생성한다. 시스템(110)은 1개 이상의 다른 빔 위치결정기 스테이지(130, 131, 134)를 통해 빔(106)을 지향시켜 가공 레이저 빔(116)을 형성하고, 이 빔은 지지체(122) 상에 탑재된 가공물(120)의 표적 피처(118)를 가공한다.

Description

레이저 빔 위치결정 시스템용의 위상 어레이 조향{PHASED ARRAY STEERING FOR LASER BEAM POSITIONING SYSTEMS}
관련 출원
본 출원은 미국 가특허 출원 제61/789,580호(출원일: 2013년 3월 15일, 발명의 명칭: "Quaternary Beam Steering")의 우선권 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 참고로 본 명세서에 편입된다.
저작권 공고
ⓒ 2014 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈, 아이엔씨(ⓒ 2014 Electro Scientific Industries, Inc.). 본 특허 문서의 개시의 일부는 저작권 보호를 받는 자료를 포함한다. 저작권 소유자는, 특허상표청 특허 파일 혹은 기록에 나타나 있으므로, 어느 누군가에 의한 본 특허 문서 혹은 특허 개시내용의 복사에 이의가 없지만, 그 외의 경우 어떤 것이든 모든 저작권을 보유한다. 37 CFR § 1.71(d).
기술 분야
본 개시는 가공물 피처(workpiece feature)들의 레이저 가공, 특히 고-파워 레이저 미세기계가공 시스템용의 위상 어레이 조향(phased array steering)에 관한 것이다.
소정의 레이저 가공 적용은 가공물 상의 표적 개소들의 규칙적으로 이간된(spaced) 패턴의 가공을 수행한다. 예를 들어, 소정의 태양 전지 가공 적용은 규칙적으로 이간된 격자 패턴 내 실리콘 웨이퍼를 통해 비아(via)들을 천공하는 것을 포함한다. 이들 응용 분야를 위한 고객은 초당 수 천 비아 정도의 매우 높은 가공 처리량을 추구하고 있다.
이들 응용 분야에서의 비아들의 간격은 0.25 내지 1㎜ 정도로 상당히 치밀하다. 전체적인 가공된 영역은 상당한데, 전형적으로 150×150 평방 ㎜ 웨이퍼이다. 따라서, 레이저 가공 시스템은 치밀-피치(tight-pitch) 비아들을 빠르게 천공함으로써 이 영역을 가공한다. 이러한 시스템의 정밀도는 3 내지 20㎛ 정도이다. 각 비아에 대한 천공 시간(drill time)은 레이저 특성(파장, 펄스 주파수, 펄스 전력 및 펄스 폭), 비아 직경, 그리고 기판 재료와 두께에 좌우된다. 그러나, 천공 시간은 전형적으로 0.1 내지 0.5밀리초(㎳) 정도이다. 비아 직경은 전형적으로 15 내지 50㎛ 정도이다.
전형적인 종래의 가공 시스템 접근법은, 단독으로(매우 큰 갈보 필드(galvo field)를 이용하여) 또는 선택적으로 2차 이동식 스테이지와 조합하여(이에 따라서 비교적 작은 갈보 필드를 허용하여), 레이저 가공 빔의 갈바노미터(galvanometer)(갈보(galvo))-기반 위치결정에 의존한다. 더욱 최근에, 3차 음향-광학 편향기(acousto-optic deflector: AOD) 스테이지가 구현되어 있다. 그러나, 이들 1차, 2차 및 3차 빔 조향 접근법은 소정의 제한을 지니는 점에 유의해야 한다.
갈보-기반 가공 레이저 빔 위치결정을 수행하는 제1 시스템 구성은 전체 가공물을 커버하기 위하여 단일의 커다란 갈보 필드를 이용한다. 이러한 구현예는 초대형 주사 렌즈 혹은 포스트-렌즈(post-lens) 주사 시스템을 사용한다. 어느 경우에서든, 갈보는 전형적으로 전체 가공물에 대해서 가공 빔을 일정한 속도로 이동시키고, 제어기는 갈보를 정지시키는 일 없이 각 비아 개소에서 레이저 펄스를 발사시킨다(fire). 비교적 작은 수의 펄스가 각 비아에 대해서 사용되므로, 각 비아를 충분히 천공하도록 수회의 가공 단계가 수행된다. 따라서, 표적 비아 개소의 규칙적으로 이간된 패턴이 가공 시간을 향상시킨다. 이 접근법은 빈번한 갈보 가속 및 감속의 타이밍 오버헤드(timing overhead) 및 열 효과를 피하게 되는데, 그 이유는 갈보 턴어라운드(turnarounds)가 가공물의 가장자리에서만 일어나기 때문이다. 가공물 표면에서의 레이저 스팟(또는 단순히 스팟)이 자유 공간 광학 기기(free-space optics)에 의해 지나치게 왜곡되지 않고, 초점이 맞게 유지되는 각도 편향 범위의 척도는 전형적으로 하나의 주사축을 가로질러 1,000 내지 10,000 스팟 폭(또는 단순히 스팟)이다.
초대형 주사 렌즈가 전체 가공물 필드를 커버하기 위하여 사용된다면, 이 대형 렌즈는 고-파워 레이저 빔에 의한 작업에 기인되는 광학 기기 가열에 의해 초래되는 정확도 저하를 받게 된다. 상기 대형 렌즈는 또한 소망의 가공물 표면 스팟 크기를 얻기 위하여 대형 빔 직경을 사용한다. 이러한 대형 빔 직경은 대형 갈보를 사용하며, 그 결과, 대형(높은-관성) 갈보와 함께 대형(높은-관성) 미러를 이동시키는 낮은 열 효율에 기인하는 정확도 영향을 받게 된다.
포스트-렌즈 주사 시스템이 전체 가공물 필드를 커버하는데 이용된다면, 렌즈 열 정확도 효과가 저감된다. 그러나, 가공 시스템은, 천공된 비아들의 품질을 저하시키는 비-텔레센트릭 빔 전달(non-telecentric beam delivery)의 영향을 받게 된다. 게다가, 이러한 텔레센트릭 에러를 저감시키는 것은, 긴 초점 거리를 유지함으로써 달성될 수 있지만, 이는 목적으로 하는 가공물 표면 스팟 크기를 얻기 위하여 대형 빔 직경을 이용하는 것을 수반할 것이다. 이것은 이러한 시스템에 이용되는 대형 갈보 때문에 상술한 것들과 유사한 열 정확도 쟁점을 유발한다. 텔레센트릭 에러가 중요하지 않다면, 보다 짧은 FL 렌즈를 사용할 수 있고, 동적 초점 요소를 이용함으로써 비-평탄 초점 필드 문제를 회피할 수 있다. 이러한 접근법의 단점은 비용; 복잡성, 초점 요소에 의한 부정확도 기여; 초고속 적용을 위한 초점 요소의 비용; 및 잔류 텔레센트릭 에러를 포함한다.
제2 시스템 구성은 컴파운드 위치결정 시스템인데, 이는 소형 갈보 필드(전형적으로 약 20 평방 ㎜)가 가공물 위에 갈보 헤드를 이동시키는 구조적 기구와 함께(X-Y 가공물 테이블을 통해서 또는 교차축 이동식 광학 기기 구성에 의해) 구현된다. 제1 시스템 구성에서처럼, 갈보는, 각 비아 개소에서 정지되는 오버헤드를 피하기 위하여, 일정 속도로 비아들 위로 주사되어, 각 비아에서 가공 레이저 빔을 펄스화할 수 있다. 갈보가 그의 필드 위에 신속하게 주사됨에 따라서, 갈보는, 가공물보다 상당히 작기 때문에 주사 필드의 가장자리에서 가속 및 감속시키는 데 상당한 양의 시간을 소비한다. 이러한 시간 비용은 상당한 처리량 저감을 초래하며, 그리고 높은 가속이 턴어라운드 시간을 저감시키기 위하여 사용된다면, 갈보의 열적 가열(thermal heating)이 정확도를 저하시키고 달성 가능한 가속에 대한 상한을 둔다. 그러나, 제2 시스템 구성은 보다 높은 정확도(보다 소형의 주사 렌즈를 이용하는 저감된 렌즈 왜곡으로부터 기인함), 개선된 비아 품질(보다 소형의 낮은 왜곡 주사 렌즈 및 텔레센트릭 주사 필드로부터 기인함), 그리고 잠재적으로 높은 빔 위치결정 속도(소형 갈보들 및 미러들로부터 기인함)의 이점들을 지닌다. 그러나, 이 접근법은, 각 비아를 가공하는데 이용되는 레이저 펄스의 수에 따라서, 상술한 처리량 제한 때문에 실행 불가능할 수 있다.
3차 빔 위치 스테이지에서의 AOD는 갈보의 대역폭(약 2.5㎑)보다 3차수 큰 크기에 가까운 대역폭(약 1㎒)을 지닌다. 따라서, AOD는 그의 편향 범위(대략 10 내지 50 스팟) 내로의 초고속 빔 조향뿐만 아니라 갈보를 위한 에러 보정을 가능하게 한다. 그러나, 아트 레이저(및 더욱 현재 개발 중인 실험 레이저)의 상태는 점증적으로 보다 빠른 반복률(예컨대, 수 ㎒ 내지 수백 ㎒)에서 점증적으로 더 높은 파워를 제공한다. 또한, 몇몇 레이저는 반복률을 또한 1㎒ 이상으로 증가시킴으로써 파워를 용이하게 더욱 규모 조절할 수 있고, 이에 따라서 1.6㎒ 이상에서 최대 평균 파워에 도달할 수 있다. 이들 대역폭은 그의 이웃하는 펄스로부터 각 펄스를 완전히 공간적으로 분리하기 위하여 3차 빔 위치결정 시스템의 용량을 초과한다. 완전히 이산적인 펄스가 레이저-미세기계가공 도메인에서 많은 처리에 의해 이용되는데, 그 이유는, 펄스가 부분적으로 중첩될 경우, 이하의 2가지 부작용이 일어나기 때문이다: 국소적인 열 축적이 초고속 레이저에 의해 제공되는 열-삭마의 유익한 효과를 무효화하는 점, 펄스-플룸 상호작용(pulse-plume interaction)이 있는 점.
위치 명령(position command)에 응답하여 가공물 상의 표적 개소를 향해 레이저 빔을 지향시키는(directing) 장치는, 위치 명령의 저주파수 부분에 응답하여 가공물과 레이저 빔 중 적어도 한쪽을 서로에 대해서 지향시키는 저-대역폭 위치결정기 스테이지; 위치 명령의 중간주파수 부분에 응답하여 가공물과 레이저 빔 중 적어도 한쪽을 서로에 대해서 지향시키는 중간-대역폭 위치결정기 스테이지; 및 위치 명령의 고주파수 부분에 응답하여 가공물에 대해서 레이저 빔의 위상 어레이 조향(phased array steering)을 위하여 구성된 위상 변조기 어레이를 포함하는 고-대역폭 위치결정기 스테이지를 포함한다.
위치 명령에 응답하여 가공물 상의 표적 개소를 가공하기 위하여 레이저 빔을 지향시키는 방법은, 위치 명령의 저주파수 부분에 응답하여 가공물과 레이저 빔 중 적어도 한쪽을 서로에 대해서 지향시키는 단계; 위치 명령의 중간주파수 부분에 응답하여 가공물과 레이저 빔 중 적어도 한쪽을 서로에 대해서 지향시키는 단계; 및 위상 변조기 어레이를 이용해서, 위치 명령의 고주파수 부분에 응답하여 가공물에 대해서 레이저 빔을 위상 어레이 조향시키는 단계를 포함한다.
가공물 피처 가공 동안 레이저 빔을 지향시키는 레이저 빔 위치결정 및 광학 부품들에 대한 동적 부하 및 열 부하에 기인하는 가공물 피처 가공 부정확도 및 품질 저하를 최소화하면서 치밀하게 이간된 패턴으로 배열된 가공물 피처의 고성능 레이저 가공을 달성하는 방법은, 지지체 상에 가공물을 위치결정하는 단계(여기서, 가공물은 처리 표면적을 획정하는 처리 표면을 가짐); 가공물의 처리 표면 상의 피처 개소에서 입사용의 가공 레이저 빔을 제공하기 위하여 빔 위치결정 시스템에 레이저 빔을 지향시키는 단계(여기서, 빔 위치결정 시스템은 이동식 스테이지와, 가공물의 처리 표면 상의 피처 개소에서 가공물 피처를 치밀하게 이간된 패턴으로 가공하기 위하여 이동식 스테이지와 협조하는 제1 및 제2 빔 위치결정기를 포함하고, 제1 빔 위치결정기는 처리 표면의 주사 필드 영역(scan field region) 내에 가공 레이저 빔을 위치결정시키도록 동작 가능하고 제1 응답 시간을 가지며, 제2 빔 위치결정기는 주사 필드 영역 내의 개소들에 가공 빔을 위상 어레이 조향시키도록 동작 가능하고 제2 응답 시간을 가지는 위상 변조기 어레이를 포함하고, 제2 응답 시간은 제1 응답 시간보다 짧음); 및 주사 필드 영역 내에 가공 레이저 빔을 위치결정하고 주사 필드 영역을 이동시켜 처리 표면을 덮기 위하여 이동식 스테이지, 제1 빔 위치결정기 및 제2 빔 위치결정기의 동작을 조율하는(coordinating) 단계를 포함한다.
추가적인 양상들 및 이점들은 첨부 도면과 관련하여 진행되는 이하의 실시형태들의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 1차원 레이저 빔 조향 시스템의 블록도;
도 2는 멀티코어 광자 결정 섬유(multicore photonic crystal fiber)의 단면도를 도시한 주사 전자 현미경 사진의 렌더링;
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6은 도 2의 멀티코어 광자 결정 섬유에 의해 투과된 2쌍의 빔 프로파일의 렌더링으로, 각 쌍은 근거리- 및 원거리-필드 렌더링(near- and far-field rendering)을 포함함;
도 7은 개시된 섬유-결합형 광학기기 레이저 빔 조향 시스템의 일 실시형태의 하드웨어 아키텍처(hardware architecture)의 블록도;
도 8은 개시된 레이저 빔 위치결정 시스템의 일 실시형태의 하드웨어 아키텍처의 블록도;
도 9, 도 10, 도 11 및 도 12는, 도 8의 레이저 빔 위치결정 시스템의 상대적 편향 효율 대 편향 위치의 그래프로, 위상 어레이 조향 주사 필드를 가로질러 빔 세기를 평탄화(flattening)하기 위하여 기가헤르츠 진폭 변조의 효과를 나타내는 파선들을 나타냄.
AOD의 속도는 음향 속도에 의해 기본적으로 제한된다. 이 제약은 현재의 AOD를 약 1㎒의 대역폭으로 제한하는데, 이는 마치 갈보가 약 2.5㎑ 대역폭으로 제한되는 것과 유사하다. 1㎒ 이하의 대역폭은 1㎒ 미만(전형적으로 500㎑ 이하)의 반복률에서 작동하는 Q-스위치 레이저에 대한 단일 스팟 배치 제어를 가능하게 하지만, 다이오드 시드 변조되고 모드 고정된 레이저는 수십 ㎒ 범위에서 작동가능하고, 수백 ㎒ 범위로 용이하게 확장된다.
이들의 보다 높은 반복률을 수용하기 위하여, 본 명세서에서 논의되는 소정의 실시형태는 레이저 빔 위치결정 시스템의 조향 속도 능력을 1㎓를 초과하는 비율로 증가시키는 완전 섬유-결합형 광학기기 기술을 이용하는 초고속 위상 어레이 조향을 포함한다. 이러한 훨씬 높은 대역폭으로 인해, 이 접근법은 약 1㎱를 초과하는 레이저 펄스 지속시간 동안 레이저 펄스 자체의 지속시간 내에 조향(즉, 펄스내 빔 조향)을 가능하게 한다. 따라서, 작은 2차원의 피처들이, 목적으로 하는 패턴으로 직렬로 다수의 이산적인 펄스를 배치하는 것을 통해서라기보다는 오히려 단일의 펄스의 초고속 조향에 의해 작업 표면 상에서 가공될 수 있다. 이러한 매우 높은 작업 표면 속도로 인해, 레이저 재료 상호작용-특히 그의 유체역학적 측면에 관하여-은, 보다 긴 펄스 폭으로 혹은 더 느린 반복률에서 전달되는 일련의 펄스의 배치에 의해 용이하게 달성 가능하지 않은 방식으로 맞춤화될 수 있다.
위상 어레이 조향 및 완전 섬유-결합형 광학기기를 이용하는 이러한 시스템의 일례가 도 8을 참조하여 기재된다. 그러나, 먼저, 위상 어레이 조향 및 완전 섬유-결합형 광학기기 실시형태들이 도 1 내지 도 7을 참조하여 소개된다. 마지막으로, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 완전 섬유-결합형 광학기기 기술과 함께 위상 어레이 조향을 이용해서 기가헤르츠 대역폭까지 상대적인 편향 효율 보정을 달성하기 위한 실시형태들이 기재된다.
위상 어레이 조향은 비교적 더 긴 전자기 파장에서 확립된 기술이고, 따라서, 예를 들어, 레이더에서 흔히 이용된다. 개념상, 위상 어레이 조향 원리는 또한 흔히 고-파워 레이저 미세기계가공 도메인에서 이용되는 비교적 짧은 광파장-특히, 적외선, 가시광선 및 UV 파장-에 적용될 수 있다.
McManamon 등은 논문[표제 "A Review of Phased Array Steering for Narrow-Band Electrooptical Systems", Proceedings of the IEEE, vol. 97, no. 6, pp. 1078-96 (2009)]에서 위상 어레이 조향 배후의 물리학을 기술하고 있다. 일반적으로, 위상 어레이 조향은 그의 파면에 수직인 레이저 빔 전파에 기초하고 있다. 따라서, 조향된 파면은, 이후에 정형화된(조향된) 파면을 발생시키기 위하여 (재)조합하는 다수의 개별적으로 치밀하게 패킹된 위상-고정 이미터 빔(소위 빔렛(beamlet))으로부터, 일부 빔렛을 지연시키지만 다른 것들은 그렇지 않은 위상 변조기 어레이를 이용함으로써 확립될 수 있다. 이것은 파면의 몇몇 부분이 지연되기 때문에 파면을 효과적으로 경사지게 하고, 이에 따라서 얻어지는 조합된 빔을 조향시킨다. 현재의 위상 변조기는 AOD보다 수 차수 빠른 크기인 1㎓ 초과의 대역폭을 지니며, 이에 따라서 컴파운드 빔 위치결정 시스템에 대한 대역폭 계층의 다음 수준을 제공한다.
레이저, 전치증폭기, 및 위상 어레이 조향용의 위상 변조기 어레이를 포함하는 전기광학 위상 어레이 조향 시스템의 완전 일체형 온-칩 버전이 Doylend 등의 논문[표제 "Hybrid III/IV silicon photonic source with integrated 1D free-space beam steering", Optics Letters, vol. 37, no. 20, pp. 4257-59 (2012)]에 기재되어 있다. 그러나, 이 시스템은, 비교적 낮은 레이저 파워에서 작동한다.
미세기계가공은 전형적으로 위상 변조기 어레이에 의해 취급될 수 있는 것보다 더 높은 평균 및 피크 파워에 의존한다. 레이저의 증폭 스테이지 전에 위상 변조를 제공함으로써 더 높은 파워가 달성된다. 위상 변조가 실제로 빔을 조향하는 것을 고려할 때, 조향된 빔이 그의 빔렛의 간섭 합계로서 전파되도록 허용된다면, 위상 변조 후의 증폭은 중대하다. 예를 들어, 대형 슬래브 증폭기(slab amplifier) 없이도, 조향된 빔은 고-이득 증폭 영역으로부터 조향될 수 있었다. 한편, 빔 조향 편향 범위의 전체 폭을 포함하는 균질한 증폭 영역을 지니는 대형 슬래브 증폭기는, 어느 일 시간에 빔이 그 영역의 상당히 작은 부분을 통과한다고 해도, 전체 적용 영역이 펌핑될 필요가 있기 때문에 비효율적일 것이다.
위상 변조 후의 증폭은 매사추세츠공과대학의 링컨 랩에서 입증되었다. 논문[표제 "High speed, high power one-dimensional beam steering from a 6-element optical phased array", Optics Express, vol. 20, no. 16, pp. 17311-18 (2012)]에서, Huang 등은 스플리터(18)에 의해 미조향된 빔렛들(20)로 분할된 레이저 빔(16)을 생성하는 마스터-발진기 파워-증폭기(master-oscillator power-amplifier: MOPA) 구조체(14)를 포함하는 시스템(10)을 기재하고, 도 1은 이를 도시하고 있다. 빔렛들(20)은 조향 전자기기(24)에 조작 가능하게 결합된 위상 변조기 어레이(22)로 개별적으로 지향된다. 전자기기(24)는 빔렛들(20) 중 대응하는 것을 지연시키도록 어레이(22)의 몇몇 변조기에 지시하고, 이에 따라서, 위상 어레이 조향된 빔렛들(26)을 생성한다. 빔렛들(26)은 슬래브 결합식 광 도파로형 반도체 증폭기(slab coupled optical waveguide semiconductor amplifier: SCOWA)들(30)의 어레이에 도입되어, 증폭 스테이지를 통해 증폭되어서, 변환 렌즈(32)에서 집광되고, 피드백 경로(36) 및 출력 경로(38)를 향해 빠져나간다.
SCOWA들(30)의 도파로 속성은 SCOWA들(30)을 통해 이행되는 위상 어레이 조향된 빔렛들(26)의 이동을 저지한다. 그러나, SCOWA들(30) 중의 개별적인 이산적인 증폭기(40)들의 독특한 증폭 특성 및 내포된 벌크(슬래브 결합식) 광학기기로 인한 위상-드리프트(phase-drift)는 유지 간격 스위치(42)가 위상 어레이 조향 동작을 일시적으로 불가능하게 하는 규칙적인 유지 간격으로 초래하고, SPGD(stochastic parallel gradient decent) 제어기(44) 알고리즘을 활성화시켜 전류 구동기(46)에 대한 유지 조정을 수행한다.
유지는 SCOWA들(30)의 출구에서 빔렛들(26) 간의 위상 관계를 재확립(예컨대, 교정)한다. 능동적 위상-고정 보상 재위상화 유지 동작 동안의 시간 간격은 미세기계가공 처리를 늦춘다. 간행된 논문에서, 시스템(10)에 대한 작동 듀티 사이클은 66%였다. 이 듀티 사이클은 개선될 수 있는 반면, 이산적인 증폭기(40)들이 시간 경과에 따라 실질적인 미분 위상 드리프트를 여전히 생성할 것이다.
벌크 증폭기에 기인하는 미분 위상 드리프트의 저감을 얻기 위하여, 멀티코어 광자 결정 섬유(MC-PCF)(50)(도 2에 단면도로 예시됨)는 수동적 위상 고정 증폭 또는 능동적 위상 고정 증폭을 제공할 수 있다. MC-PCF(50)는, MC-PCF(50) 내에 펌프-소스 에너지(도시 생략)를 포획하는 주변 공기 모세관(52), 7개의 이트륨-도핑된 코어(56), 그리고 이들 코어(56)를 통해 투과된 저- 또는 고-빔렛 에너지(60, 62)(도 3 내지 도 6)의 회절 에너지 손실을 저지하지만 여전히 펌프-소스 에너지가 자유로이 이동하고 이에 따라서 투과된 빔렛 에너지(60, 62)를 증폭시키는 비교적 소형의 공기 증폭기(58)을 포함한다.
논문[표제 "Generation of 150 MW, 110 fs pulses by phase-locked amplification in multicore photonic crystal fiber", Optics Letters, vol. 35, no. 14, pp. 2326-28 (2010)]에서, Fang 등은, 보다 높은 피크 파워를 가능하게 하도록 광자 결정 섬유 내의 효과적인 모드-영역의 규모를 조절하는 맥락에서 MC-PCF의 사용을 기술하고 있다. 이 논문은, 코어들 간의 수동적 위상-고정을 가능하게 하는 순간적으로 결합되는 코어(evanescently coupled core)를 가진 MC-PCF의 사용을 기술하고 도 3 내지 도 6은 이를 도시하고 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4는 20W의 펌프 동력에서 발생된 MC-PCF 출력의 각각의 근거리 필드 및 원거리 필드 빔 프로파일 도면으로, 수동적 위상 고정이 없는 것을 도시하는 한편; 도 5 및 도 6은 60W의 펌프 동력에서 발생된 수동적 위상 고정을 도시한다. 즉, 도 3은 코어들 간의 위상이 랜덤하고 이에 따라서 도 4의 빔 프로파일의 잡음을 생성하는 것을 도시하는 한편; 도 5는 위상이 안정적이어서 도 6의 깨끗한 가우스 빔 프로파일을 얻는 것을 도시하고 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 수동적 위상-고정은 능동적 위상-안정화에 소비되는 자원을 저감시킨다. 또한, MC-PCF는 내재적으로 높은 패킹 밀도를 가지며, 이것은 광의 유효 이미터들 간에 비교적 작은 거리(및 성능차)가 있다는 것을 의미한다. 높은 패킹 밀도는 측면 로브의 것에 비해서 원거리 필드에서 중앙 로브에 포함된 에너지의 높은 비를 유지한다.
도 7은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 완전 섬유-결합형 광학기기 도파로 및 MC-PCF 증폭기의 사용에 의해 위상 변조 후의 증폭을 실시하는 섬유-결합형 광학기기 레이저 빔 조향 시스템(80)을 도시하고 있다.
시드 레이저원(seed laser source)(84)는 (예컨대, 1㎓의 대역폭을 지니는 마하젠더 간섭계(Mach Zehnder Interferometer)를 통해서) 가변적인, 펨토초, 피코초 또는 나노초 펄스 폭 지속시간 및 1㎑ 내지 1㎓ 범위의 펄스 반복률을 지니는 저 파워 레이저 펄스들(86)을 생성한다. 나노초 펄스 타이밍은, 도 9 내지 도 12를 참조하여 논의되는 바와 같이, 1 나노초 기간에 따라서 가변 세기의 변화를 허용한다. 시드 레이저원(84)은 임의의 낮은 파워 레이저일 수 있었지만, 일 실시형태는 본 발명의 양수인인 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈사(오리건주의 포틀랜드시에 소재)로부터 입수 가능한 파이로포토닉스 2W 레이저(PyroPhotonics 2W laser)를 포함한다.
독일의 예나에 소재한 예놉틱사(Jenoptik)로부터 입수 가능한 스플리터(88)는, 레이저 펄스들(86)을 수개의 빔렛(90)으로 분할한다. 빔렛(90)들은, 시스템(10)의 것과 유사한, 조향 전자기기(94)에 작동 가능하게 결합된 위상 변조기 어레이(92)로 개별적으로 지향된다.
위상 변조기 어레이(92)는, 다수의 입력 및 출력을 구비하는 단일의 어레이 기구, 또는 예놉틱사로부터 입수 가능한 수개의 개별적인(이산적인) 변조기로 구성된 어레이일 수 있다. 다른 실시형태는 프랑스의 브장송에 소재한 포틀라인사(Photline)로부터 입수 가능한 NIR-MPX-LN-05 변조기를 이용한다. 레이저가 위상 어레이 조향될 수 있는 속도는 위상 변조기의 속도에 달려 있다. 위에 언급된 변조기는 현재 1㎓를 초과하는 대역폭을 지니는데, 이러한 대역폭은 고속 기계식 갈보 또는 현재 입수 가능한 AOD/EOD 레이저 가공 빔 조향 기술보다 수 차수 크기로 더 빠르다.
위상 변조기 어레이(92)는 빔렛들(96)이 3차원의 단일 모드 도파로(100)를 향하여 어레이(92)를 통해 이동함에 따라서 빔렛들(96) 간에 위상 차를 발생한다. 적절한 도파로는 영국의 리빙스톤에 소재한 옵토스크라이브사(OptoScribe)로부터 입수 가능하다. 도파로(100)는 어레이(92)와 7 내지 21 코어(도시 생략)의 범위를 지니는 MC-PCF(102) 간에 섬유-결합된다. MC-PCF(102)는, 도 2 내지 도 6을 참조하여 이미 기술한 바와 같이, 펌프 구동기(104)에 의해 펌핑된 멀티코어 섬유(또는 멀티코어 광자 섬유 로드)를 포함한다. 멀티코어 섬유는, 예를 들어, 일본 도쿄에 소재한 엔티티 커뮤니케이션즈사(NTT Communications)에 의해 통신 산업을 위하여 개발 중에 있다. 또한 멀티코어 광자 결정 섬유 로드를 제작 가능한 회사는 다음과 같다: 덴마크의 비르케뢰드에 소재한 엔케이티 포토닉스 에이/에스사(NKT Photonics A/S); 프랑스의 라니옹에 소재한 포토닉스 브레타젠사(Photonics Bretagne); 및 캐나다 퀘백주에 소재한 아이엔오사(INO).
시스템(80)의 완전 섬유-접속식(fiber-spliced) 빔 경로는 높은 이득과 높은 평균 및 피크 파워 양립성을 지니는 조향된 빔(106)을 제공한다. MC-PCF(102)의 치밀하게 패킹된 증폭기 코어들은 MC-PCF(102) 증폭기의 상대적 위상 드리프트를 저감시킨다. 완전 섬유-결합식 시스템(80)은 자유 공간 광학기기를 지니지 않으므로, 시스템(10)과 비교할 때 더욱 안정적이다.
위상 어레이 조향 기술은 AOD 또는 임의의 기타 3차 빔 조향 기술을 대체할 필요는 없다. 기술적으로 말하면 그의 성능 능력 및 특성은 기존의 빔 위치결정 시스템을 교체하거나 보완하기 위하여 기본적으로 규모 조절 가능하다. 그러나 기존의 레이저 빔 위치결정 시스템의 일부로서, 위상 어레이 조향은 빔 조향 대역폭의 증대된 다음 층을 제공하는 빔 조향 구성요소의 제4(4차) 스테이지로서 편입될 수 있었다.
도 8은, 일 실시형태에 따른 레이저-기반 시편 가공 시스템(112)의 레이저 빔 위치결정 시스템(110)의 하드웨어 아키텍처를 도시한다. 빔 위치결정 시스템(110)은 시스템(80)으로부터 위상 어레이 조향된 레이저 입력 빔(106)을 생성하여, 이것을 지향시켜서 가공 레이저 빔(116)을 형성하고, 이러한 빔은 지지체(122) 상에 탑재된 가공물(120)의 표적 피처들(118)(예컨대, 비아들)을 가공처리한다.
빔 위치결정 시스템(110)은 시스템(80)을 구비한 빔 조향 스테이지(124), 미러-기반 빔 위치결정기(130), 제로-관성 광 편향기(132)(예컨대, AOD)를 구비한 제로-관성 광 편향기 스테이지(131), 및 가공 빔(116)을 지향시켜 가공물(120)의 처리 표면(138) 상의 표적 피처 개소(136)에서 표적 피처들(118)을 가공처리하기 위한 이동식 스테이지(134)를 포함한다. 이들 4개의 스테이지는 이하의 특성을 지닌다.
1차 이동식 스테이지(134)는 (이론적으로) 스팟의 수에 있어서 무제한적인 빔 편향 범위와 약 100㎐의 대역폭을 지닌다. 몇몇 스테이지는 편향의 점에서 특징으로 하지만, 이동식 스테이지는, 예를 들어, 빔을 이동시키고, 엄격하게 말해서 빔을 편향시키지는 못한다. 이동식 스테이지(134)는 갈바노미터 헤드(130), AOD(132) 및 시스템(80)을 지지하고, X축을 따른 방향(140)으로 그리고 Y축을 따른 방향(142)으로 이동식 스테이지(134)에 변위를 부여하는 조립체의 일부이다.
2차 (갈보) 미러-기반 빔 위치결정기 스테이지(130)는 약 2.5㎑의 대역폭을 지닌다. 그의 편향 범위는 하나의 주사축을 가로질러 약 1,000 스팟(또는 그 초과) 정도이다. 따라서, 그의 편향 면적은, 스팟의 제곱으로 환산해서, 약 1,000 스팟(또는 그 초과) × 1,000 스팟(또는 그 초과)이다. 미러-기반 빔 위치결정기(130)는 2축 고속 조향 미러(fast steering mirror: FSM) 또는 2축 갈바노미터 빔 위치결정기 헤드일 수 있고, 후자는 기재된 실시형태들에서 이용된다. 적절한 예의 FSM은 PI S330 피에조 팁/틸트 플랫폼이며, 이것은 독일의 카를수루에/팜파흐에 소재한 피직 인스트루멘테 게엠베하 운트 코. 카게(Physik Instrumente GmbH & Co. KG)로부터 입수 가능하다. 적절한 갈바노미터는 6230 H 갈바노미터이고, 이것은 매사추세츠주의 렉싱턴시에 소재한 캠브리지 테크놀로지사(Cambridge Technology, Inc.)로부터 입수 가능하다.
3차 제로-관성 광 편향기 스테이지(131)는 100㎑ 내지 1㎒ 범위의 대역폭과 약 10 내지 100 × 약 10 내지 100 스팟의 편향 면적을 지닌다. 적절한 예의 AOD는 Neos 45100-5-6.5 DEG-.51 1차원 편향기이며, 이것은 플로리다주의 멜버른시에 소재한 네오스 테크놀로지즈사(Neos Technologies, Inc.)로부터 입수 가능하다.
4차 위상 어레이 조향 스테이지(124)는 1㎓를 초과하는 대역폭과 7 내지 19 스팟의 편향 면적을 지닌다. 스팟의 이 면적-또는 주사 필드-는 시스템(80)에서 이용 가능한 위상 변조기/증폭기 코어의 수에 좌우된다. 현재 비교적 값비싸지만, 위상 변조기의 수는 이론적으로 무제한일 수 있고, 이것은 위상 어레이 조향이 더 느린 스테이지를 교체할 수 있다는 것을 입증한다.
시스템(110)은 추가의 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 종래의 릴레이 렌즈 구성요소(144)는 AOD(132)에 의해 편향된 후 그리고 갈바노미터 헤드(130) 상에 입사하기 전에 조향된 빔(106)을 조건 조절하도록 위치결정된다. 릴레이 렌즈(144)는 AOD(132)로부터 갈바노미터 헤드(130)의 주사 미러 표면으로 전파 중인 조향된 빔(106)의 "피벗 점"을 옮긴다. 릴레이 렌즈(144)는 AOD(132)의 각도 편향 범위 및 빔 경로 길이에 따라서 임의선택적이다. 릴레이 렌즈(144)의 목적은 갈바노미터 주사 미러에 충돌하는 빔의 편향을 저감시키는 것이다. 빔은 해당 빔이 센터링되지 않은 경우 스팟 왜곡 및 주사 필드 왜곡을 저지하도록 갈바노미터 주사 미러의 중앙에 충돌해야 한다. 다른 유사한 릴레이 렌즈 시스템은 위상 어레이 조향 시스템(80)과 AOD(132) 사이에 배치될 수 있었다.
주사 렌즈(146)는 갈바노미터 헤드(130)에 의해 편향된 후 그리고 가공물(120)의 처리 표면(138)에 입사하기 전에 가공 빔(116)을 조건 조절하도록 위치결정된다.
갈바노미터 헤드(130)는 가공 빔(116)으로 덮인 처리 표면(138)의 주사 필드 영역(150)을 획정하는 X-Y 변위 한계를 특징으로 한다. 주사 필드 영역(150)은 각 축방향 치수를 따라 1㎜ 내지 50㎜ 범위의 크기이다. AOD(132)는, 인가된 RF 파워에 응답하여, 조향된 빔(106)을 편향시켜 하나의 축(즉, X축)을 따라 가공 빔(116)을 이동시켜서 주사 필드 영역(150) 내의 가공 밴드(152)를 따라 위치된 다수의 표적 피처들(118)을 가공처리한다. 이동식 스테이지(134)는 가공물(120)의 표적 피처들(118) 모두를 가공처리하기 위하여 처리 표면(138)에 걸쳐서 그 전체로 주사 필드 영역(150)을 회전(slew)시킨다.
제어기(160)는 시스템(80), AOD(132), 갈바노미터 헤드(130) 및 이동식 스테이지(134)의 동작들을 조율한다. 이와 같이 해서, 빔 위치결정 시스템(110)은 제어기(160)에 의해 조율된 이하의 빔 위치결정 수순에 따라서 가공 빔(116)을 이동시킴으로써 비아들(118)을 형성하도록 작동한다.
우선, 시스템(80)은 빔(106)을 조향시키고, AOD(132)는 조향된 빔(106)을 편향시키므로, 가공 빔(116)은 가공 밴드(152)를 따라 작용선(line of action: LOA)(152)의 형태로 비아 개소들(136)에서 비아들(118)의 선을 가공처리하도록 X-축 방향(140)으로 이동된다. 가공 빔(116)은, 바람직하게는 작은 수(예컨대, 1 내지 5)의 레이저 펄스를 이용해서 펀칭함으로써 비아(118)를 천공하기에 충분한 시간 동안 비아 개소들(136)의 각각에서 체류(dwell)한다.
LOA(152)를 따른 비아들(118)의 선의 천공 완료 시, 갈바노미터 헤드(130)는, 가공 빔(116)의 LOA(152)를 위치결정하여, 시스템(80) 및 AOD(132)의 빔 편향 동작들을 반복함으로써, 주사 필드 영역(150) 내의 비아 개소들(136)에서 비아들(118)의 인접한 선을 천공한다. LOA(152)의 위치결정 및 비아들(118)의 선의 천공은 주사 필드 영역(150)에 의해 포괄되는 비아들(118)의 모든 선의 천공이 완료될 때까지 반복된다. 이동식 스테이지(134)는 미천공 비아 개소들(136)을 커버하고 시스템(80), AOD(132) 또는 이들 둘 다로부터의 빔 편향에 응답하여 가공 레이저(116)에 의해 이들의 천공을 가능하게 하기 위하여 처리 표면(138)에 걸쳐서 주사 필드 영역(150)을 회전시킨다. 추가의 빔 위치결정 수순 동작들은, 본 발명의 양수인이기도 한 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈, 아이엔씨에게 양도된 미국 특허 제8,680,430호에 기재되어 있다.
대안적인 구현예에서, 제어기(160)는, 이동식 스테이지(134)가 이동함에 따라서도, 처리 표면(138) 상의 일정한 개소에 LOA(152)를 유지하기 위하여 이동식 스테이지(134) 및 갈바노미터 헤드(130)의 이동을 조율할 수 있다. 이러한 동작은, 미국 특허 제5,798,927호 및 제5,751,585호에 기재된 컴파운드 빔 위치결정기 시스템에 의해 달성되며, 이들 두 특허는 모두 일렉트로 사이언티픽 인더스트리즈, 아이엔씨에게 양도되어 있다.
시스템(80)의 위상 어레이 조향 동작은 가공 빔(116)을 그 다음의 인접한 비아 개소(136)로 신속하게 위치결정시킴으로써, LOA(152)를 따라서 비아 개소들(136) 간의 이동 시간을 효과적으로 제거하는 한편, 가공 레이저 빔(116)을 가공을 위한 각 비아 개소(136)에 체류시킬 수 있다. 이 이동-및-체류 용량은, AOD(132) 및 갈바노미터 헤드(130)가 주사 필드 영역(150)의 위치결정을 중지 혹은 지연시키면서 비아 개소들(136)을 가공할 수 있게 한다.
도 9 내지 도 12는, 예를 들어, 위상 어레이 조향 시스템 설계, 해당 예시적인 시스템의 주사 필드를 가로지르는 스팟 크기 효율 대 편향 그래프를 도시한다. 이 그래프는 빔 편향이 위상 어레이 조향 시스템에 의해 증가됨에 따라서 조향된 빔이 에너지를 손실하고 기계 가공 시 덜 효과적으로 되는 것을 나타낸다. 위상 어레이 조향 시스템의 주사 필드를 가로지르는 작업 표면에서 일정한 에너지를 유지하기 위하여, 시드 레이저 출력 파워는 편향 범위에 따라 변조되고, 편향 제어와 동기적으로(보상적으로) 편향 효율의 변동을 보상한다. 이 펄스간 또는 펄스내 진폭 변조는, 위상 변조기 어레이(92)의 것과 동일한 1㎓ 대역폭에서 수행된다. 따라서, 펄스간 및 펄스내 진폭 변조는 위상 어레이 조향과 동기될 수 있으므로, 1㎓까지로 전달된 펄스가 편향량에 따라서 진폭 변조되고, 이에 따라서 높은 편향에 기인하는 효율 손실을 보상한다. 파선(180)은 개선된 진폭 변조 펄스의 전달을 나타낸다.
위상 어레이 조향은 조향에 부가해서 빔 정형화를 수행하는 능력을 제공한다. 예를 들어, 어레이(92)의 변조기들을 제어하기 위한 선형 위상 지연 프로파일을 이용하는 대신에, 스팟의 포커싱 혹은 디포커싱을 위한 포물선형 위상 지연 프로파일이 이용될 수 있다. 그러나, 원리상, 어느 유형의 파면이 MC-PCF 내의 코어의 패킹 밀도 및 위상 변조기들의 수에 의해 부여되는 공간적 해상도 내에서 발생될 수 있는 바, 이것은 일부 빔 정형화뿐만 아니라 일부 파면 왜곡 보상이 본 발명의 범위 내인 것을 의미한다. 이들 기술은 (현재) 1㎱를 초과하는 펄스 폭 지속시간을 위하여 펄스내 빔 정형화로 확장될 수 있다. 펄스내 빔 정형화를 이용해서, 펄스의 시작부는 하나의 영역에서 포커싱되고, 펄스의 말단부는 다른 영역에서 포커싱된다.
빔 위치결정 시스템(110)의 이점은 다음을 포함한다. 빔 위치결정 시스템(110)은, 빔 위치결정 및 광학 부품들에 대한 동적 부하 및 열 부하에 기인하는 정확도 및 가공물 피처 품질의 저하를 최소화하면서 규칙적으로 이간된 가공물 피처들(118)의 고성능 가공을 제공한다. 빔 위치결정 시스템(110)은, 빔 조향 및 정형화뿐만 아니라 1㎓ 대역폭을 달성할 수 있다. 빔 조향 및 정형화는 펄스간 혹은 펄스내 레이저 포커싱을 제공함으로써, 추가적인 시스템 구성요소들을 제거할 수 있다.
본 발명의 기본적인 원리로부터 벗어나는 일 없이 위에서 기재된 실시형태들의 상세에 대해서 많은 변화가 이루어질 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 단지 이하의 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.
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Claims (34)

  1. 레이저 빔의 위상 어레이 변조(phased array modulation) 장치로서,
    상기 레이저 펄스의 빔을 복수의 빔렛(beamlets)으로 분할하도록 구성된 스플리터(splitter);
    상기 스플리터에 광학적으로 결합되고, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 복수의 빔렛을 위상-변조하도록 동작하는 위상 변조기 어레이;
    상기 위상 변조기 어레이에 동작 가능하게 결합되고, 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하도록 구성되는 조향 전자기기;
    상기 위상-변조된 복수의 빔렛을 증폭하도록 구성되어, 증폭된 레이저 빔을 생성하는 증폭기;
    상기 위상 변조기 어레이의 출력과 상기 증폭기의 입력 사이에 광학적으로 결합되는 도파로(waveguide)를 포함하고,
    상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 복수의 빔렛을 위상-변조하는 것은, 상기 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하여 상기 빔렛들 중 대응하는 것을 지연시키도록, 상기 위상 변조기 어레이에 동작 가능하게 결합된 상기 조향 전자기기를 동작시키는 것을 포함하고,
    상기 조향 전자기기는 상기 증폭된 레이저 빔에서의 레이저 펄스들의 파면(wave front)을 변화시키는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록, 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하도록 동작하여, 상기 증폭된 레이저에서 상기 레이저 펄스들의 파면이 적어도 한번 변하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조향 전자기기는, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 성형하는 방식으로 상기 적어도 하나의 레이저 펄스의 상기 파면을 변화시키는 방식으로, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하기 위해 더 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 디포커싱(defocus)하는 방식으로 상기 적어도 하나의 레이저 펄스의 상기 파면을 변화시키도록 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하기 위해 더 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 시드 레이저는 적어도 1 ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스의 빔을 생성하도록 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 시드 레이저는 1㎑ 내지 1㎓ 범위 내에 있는 펄스 반복률로 상기 레이저 펄스의 빔을 생성하도록 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 위상 변조기 어레이는 적어도 1㎓의 대역폭을 갖는 복수의 위상 변조기를 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 증폭기는 멀티코어 광자 결정 섬유 증폭기(multicore photonic crystal fiber amplifier)인 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 멀티코어 광자 결정 섬유 증폭기는 적어도 7개의 코어를 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 멀티코어 광자 결정 섬유 증폭기는 상기 위상 변조기 어레이에 의해 출력된 상기 빔렛의 증폭 동안 순간적으로 결합되는(evanescently coupled) 복수의 코어를 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  10. 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법으로서,
    시드 레이저원을 사용하여 레이저 펄스의 빔을 생성하는 것;
    상기 레이저 펄스의 빔을 복수의 빔렛으로 분할하는 것;
    위상 변조기 어레이 내에서 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 복수의 빔렛을 위상-변조하는 것;
    상기 위상 변조기 어레이로부터 공통된 증폭기로 상기 위상-변조된 복수의 빔렛을 전파하는 것; 및
    상기 증폭기 내에서 상기 위상-변조된 복수의 빔렛을 증폭하여, 증폭된 레이저 빔을 생성하는 것을 포함하고,
    상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 복수의 빔렛을 위상-변조하는 것은, 상기 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하여 상기 빔렛들 중 대응하는 것을 지연시키도록, 상기 위상 변조기 어레이에 동작 가능하게 결합된 조향 전자기기를 동작시키는 것을 포함하고,
    상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 레이저 펄스들의 파면을 변화시키는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하는 것을 포함하여, 상기 증폭된 레이저 빔에서 상기 레이저 펄스들의 파면이 적어도 한번 변하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 성형하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 적어도 하나의 레이저 펄스의 파면을 변화시키기 위하여 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 더 제어하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 디포커싱하여, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 적어도 하나의 레이저 펄스의 파면을 변화시키기 위하여 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 더 제어하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 빔을 생성하는 것은 적어도 1ns의 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스의 빔을 생성하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 레이저 펄스의 빔을 생성하는 것은 1㎑ 내지 1㎓ 범위 내에 있는 펄스 반복률로 상기 레이저 펄스의 빔을 생성하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  15. 제10항에 있어서, 상기 위상 변조기 어레이에 의해 출력된 상기 빔렛을 증폭하는 것은 섬유 증폭기에 의해 수행되고, 상기 섬유 증폭기는 멀티코어 광자 결정 섬유 증폭기인 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 위상 변조기 어레이에 의해 출력된 상기 빔렛을 증폭하는 것은 수동적 위상 고정 증폭(passive phase-locked amplification)에 의해 증폭하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  17. 제2항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 조향하는 방식으로 상기 적어도 하나의 레이저 펄스의 상기 파면을 변화시키도록 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하기 위하여 더 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  18. 제1항에 있어서, 레이저 펄스의 빔을 생성하도록 구성되는 시드 레이저원(seed laser source)을 더 포함하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 시드 레이저원에 동작 가능하게 결합되는 시드 레이저 출력 파워 변조기 - 상기 시드 레이저 출력 파워 변조기는 상기 시드 레이저원의 출력 파워를 변조하도록 구성됨 -;를 더 포함하고,
    상기 조향 전자기기는 상기 증폭된 레이저 빔을 조향하도록 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하기 위하여 동작하고, 상기 시드 레이저 출력 파워 변조기는 상기 증폭된 레이저 빔을 조향하기 위한 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 기초로 상기 시드 레이저 출력 파워를 변조하도록 구성되는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 상기 적어도 하나의 레이저펄스의 동일한 레이저 펄스로부터 분할된 빔렛 간의 적어도 두 개의 위상 차를 발생시키기 위하여 동작하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  21. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 적어도 하나의 레이저 펄스를 조향하기 위하여 상기 증폭된 레이저 빔에서의 적어도 하나의 레이저 펄스의 파면을 변화시키도록, 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하는 것을 더 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 증폭된 레이저 빔에서의 상기 적어도 하나의 레이저 펄스를 조향하기 위하여 상기 위상 변조기 어레이의 동작이 제어될 때, 상기 위상 변조기 어레이의 동작에 기초하여 상기 시드 레이저 소스의 출력 파워를 변조하는 것을 더 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  23. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 1kHz 내지 1GHz 범위 내에 있는 펄스 반복률로 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 변화시키는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  24. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 적어도 하나의 레이저 펄스의 동일한 레이저 펄스로부터 분할된 빔렛 간의 적어도 두 개의 위상 차를 발생시키는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  25. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 선형 위상 지연 프로파일(linear phase delay profile)에 따라 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  26. 제10항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 포물선형 위상 지연 프로파일(parabolic phase delay profile)에 따라 상기 위상 변조기 어레이의 동작을 제어하는 것을 포함하는 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  27. 제20항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 동일한 레이저 펄스의 다른 부분의 파면이 서로 상이하게 되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하도록 구성되는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  28. 제20항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 동일한 레이저 펄스의 다른 부분이 서로상이하게 포커싱되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하도록 구성되는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  29. 제20항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 동일한 레이저 펄스의 다른 부분이 상이한 위치들로 조향되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하도록 구성되는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  30. 제1항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 선형 위상 지연 프로파일에 따라 상기 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하도록 구성되어 상기 빔렛들 중 대응하는 것을 지연시키는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 조향 전자기기는 포물선 위상 지연 프로파일에 따라 상기 위상 변조기 어레이의 일부 변조기들을 지시하도록 구성되어 상기 빔렛들 중 대응하는 것을 지연시키는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 장치.
  32. 제24항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 동일한 레이저 펄스의 다른 부분의 파면이 서로 상이하게 되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 작동을 제어하는 것을 포함하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  33. 제24항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 동일한 레이저 펄스의 다른 부분이 서로 상이하게 포커싱되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 작동을 제어하는 것을 포함하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
  34. 제24항에 있어서, 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키는 것은 동일한 레이저 펄스의 다른 부분이 상이한 위치들로 조향되게 하는 방식으로 상기 빔렛 간의 위상 차를 발생시키도록 위상 변조기 어레이의 작동을 제어하는 것을 포함하는, 레이저 빔의 위상 어레이 변조 방법.
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