KR102435425B1 - 노이즈 보정을 사용하는 광학 위상 어레이 동적 빔 성형 - Google Patents
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Abstract
레이저 시스템은 시드 레이저, 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 및 단속적 시간들에서의 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 포함하며, 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 단속적 시간들 간의 시간 간격 동안 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시킨다.
Description
관련 출원
2017년 11월 7일자에 출원된 이스라엘 특허 출원 제255496호 "OPTICAL PHASED ARRAY DYNAMIC BEAM SHAPING WITH NOISE CORRECTION", 2017년 12월 4일에 출원된 이스라엘 특허 출원 제256107호 "SEED LASER FAILURE PROTECTION SYSTEM", 2017년 12월 4일자에 출원된 미국 임시 특허 출원 제 62/594,167호 "LASER BACK-REFLECTION PROTECTION USING OPTICAL PHASED ARRAY LASER", 2018년 4월 25일자에 출원된 이스라엘 특허 출원 제258936호 "SCALED PHASE MODIFICATION, PHASE CALIBRATION AND SEED LASER PROTECTION IN OPTICAL PHASED ARRAY", 2018년 6월 13일자에 출원된 미국 임시 특허 출원 제 62/684,341호 "MULTIPLE DETECTORS AND CORRESPONDING MULTIPLE CLOSELY SPACED OPTICAL PATHWAYS IN OPTICAL PHASED ARRAY LASER", 및 2018년 7월 28일자에 출원된 미국 임시 특허 출원 제 62/702,957호 "DETECTOR MASK IN OPTICAL PHASED ARRAY LASER"가 본원에서 참조되며, 이들 모두의 개시내용은 본원에서 인용되어 포함되며 이들 모두의 우선권들이 37 CFR 1.78(a)(4) 및(5)(i)에 따라서 본원에서 주장된다.
미국 특허 제9,893,494호가 또한 참조되며, 이의 개시내용은 본원에 인용되어 포함된다.
기술분야
본 발명은 전반적으로 레이저 코히어런트 빔 결합에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 광학 위상 어레이에 관한 것이다.
다양한 유형의 광학 위상 어레이가 당업계에 공지되어 있다.
본 발명은 레이저 광학 위상 어레이에 의해 생성된 동적으로 성형된 빔에서의 노이즈 보정 및 위상 수정과 관련된 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 및 단속적 시간들에서의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 포함하며, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 단속적 시간들 간의 시간 간격들 동안 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시킨다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 및 노이즈 샘플링 레이트에서의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 포함하며, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시킨다.
바람직하게는, 상기 노이즈 샘플링 레이트 및 상기 위상 변화 레이트 중 적어도 하나는 시간에 따라 변한다.
바람직하게는, 상기 노이즈 샘플링 레이트는 미리 결정된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조를 제공하기 위해 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시킨다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조와 결합하여 제공되고, 상기 기계적 공간적 변조와 결합된 상기 공간적 변조는 상기 공간적 변조가 없을 때의 상기 기계적 공간적 변조보다 신속하다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조와 결합하여 제공되며, 상기 기계적 공간적 변조와 결합된 상기 공간적 변조는 상기 공간적 변조가 없을 때의 상기 기계적 공간적 변조보다 정밀하다.
바람직하게는, 상기 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 형상 및 직경 중 적어도 하나의 변조를 포함한다.
바람직하게는, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 분할 후에 그리고 상기 결합 전에 레이저 빔 증폭을 제공한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력은 상기 결합된 레이저 출력의 적어도 하나의 구성성분 빔에 적어도 2 개의 위상 변화를 순차적으로 적용하고, 상기 적어도 하나의 구성성분 빔의 최대 출력 강도에 대응하는 상기 적어도 2 개의 위상 변화들 중 하나의 위상 변화를 식별하는 것에 기초하여, 계산된다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 결합된 레이저 출력의 적어도 일부를 검출하기 위해 상기 노이즈 제거 서브시스템에 협력적으로 결합된 적어도 하나의 검출기를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 검출기는 상기 검출을 연속적으로 수행한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력은 상기 결합된 레이저 출력에서 강도 노이즈를 제거시킨다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 강도를 변화시키기 위한 적어도 하나의 강도 변조기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력은 상기 결합된 레이저 출력에서의 위치 노이즈를 제거시킨다.
바람직하게는, 상기 시스템은 상기 결합된 레이저 출력의 위치를 변화시키기 위한 적어도 하나의 위치 변조기를 포함한다.
바람직하게는, 레이저 절단 시스템은 본 발명의 레이저 시스템을 포함한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 적층 가공 시스템은 본 발명의 레이저 시스템을 포함한다.
또한 추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 용접 시스템은 본 발명의 레이저 시스템을 포함한다.
또한 추가적으로 또는 대안적으로, 자유 공간 광 통신 시스템은 본 발명의 레이저 시스템을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 위상 변화된 레이저 출력에서 노이즈 보정을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계, 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할 및 결합하는 단계, 단속적 시간들에서의 상기 노이즈를 고려하여, 노이즈 제거 위상 보정 출력을 상기 결합된 레이저 출력에 적용하는 단계, 및 상기 단속적 시간들 간의 시간 간격들 동안 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 위상 변화된 레이저 출력에서 노이즈 보정을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계, 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할 및 결합하는 단계, 노이즈 샘플링 레이트에서의 상기 노이즈를 고려하여, 노이즈 제거 위상 보정 출력을 상기 결합된 레이저 출력에 적용하는 단계, 및 상기 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 노이즈 샘플링 레이트 및 상기 위상 변화 레이트 중 적어도 하나는 시간에 따라 변한다.
바람직하게는, 상기 노이즈 샘플링 레이트는 미리 결정된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 위상을 변화시키는 단계는 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조를 제공한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조와 결합하여 제공되고, 상기 기계적 공간적 변조와 결합된 상기 공간적 변조는 상기 공간적 변조가 없을 때의 상기 기계적 공간적 변조보다 신속하다.
추가적으로 또는 대안적으로, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조와 결합하여 제공되며, 상기 기계적 공간적 변조와 결합된 상기 공간적 변조는 상기 공간적 변조가 없을 때의 상기 기계적 공간적 변조보다 정밀하다.
바람직하게는, 상기 공간적 변조는 상기 결합된 레이저 출력의 형상 및 직경 중 적어도 하나의 변조를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 분할 후에 그리고 상기 결합 전에 상기 출력을 증폭시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 방법은, 상기 결합된 레이저 출력의 적어도 하나의 구성성분 빔에 적어도 두 개의 위상 변화를 순차적으로 적용하고, 상기 적어도 하나의 구성성분 빔의 최대 출력 강도에 대응하는 적어도 2 개의 위상 변화들 중 하나의 위상 변화를 식별하는 것에 기초하여, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력을 계산하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 결합된 레이저 출력의 적어도 일부를 검출하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 검출은 연속적으로 수행된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력은 상기 결합된 레이저 출력에서 강도 노이즈를 제거한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 분할 후에 그리고 상기 결합 전에 상기 출력의 강도를 변조하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력은 상기 결합된 레이저 출력에서 위치 노이즈를 제거한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 분할 전에 그리고 상기 결합 전에, 상기 출력의 위치를 변조하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 레이저 절단 방법은 본 발명의 방법을 포함한다.
부가적으로 또는 대안적으로, 적층 가공 방법은 본 발명의 방법을 포함한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 레이저 용접 방법은 본 발명의 방법을 포함한다.
또한 추가적으로 또는 대안적으로, 자유 공간 광 통신 방법은 본 발명의 방법을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템으로서, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는, 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 단속적 시간들에서 상기 결합된 레이저 출력을 검출하는 복수의 검출기, 및 상기 결합된 레이저 출력과 상기 복수의 검출기들 간에 존재하는 복수의 광 경로로서, 자신을 따라서 상기 결합된 레이저 출력을 상기 복수의 검출기에 제공하며, 당해 복수의 광 경로의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 더 큰, 복수의 광 경로를 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력은 노이즈를 가지며, 상기 레이저 시스템은, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 상기 단속적 시간들에서 상기 복수의 검출기에 의해 검출된, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 광 경로는 복수의 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유들의 단부들은 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 큰 상기 공간 밀도로 배열된다.
바람직하게는, 상기 복수의 광 경로들은 20 내지 1000 마이크론의 거리만큼 이격되어 있다.
바람직하게는, 상기 복수의 검출기들은 5 내지 50 mm의 거리만큼 이격되어 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 출력을 검출하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계, 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할 및 결합하는 단계, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계, 및 복수의 광 경로를 따라 복수의 검출기에 상기 결합된 레이저 출력을 제공하는 단계로서, 상기 복수의 광 경로의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 큰, 레이저 출력을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력은 노이즈를 가지며, 상기 방법은, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 상기 복수의 검출기에 의해 검출된 상기 결합된 레이저 출력의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 광 경로는 복수의 광섬유를 포함하고, 상기 광섬유들의 단부들은 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 큰 상기 공간 밀도로 배열된다.
바람직하게는, 상기 복수의 광 경로들은 20 내지 1000 마이크론의 거리만큼 이격되어 있다.
바람직하게는, 상기 복수의 검출기들은 5 내지 50 mm의 거리만큼 이격되어 있다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템으로서, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는, 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 상기 결합된 레이저 출력을 검출하는 적어도 하나의 검출기, 및 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 포함하며 상기 결합된 레이저 출력을, 각기, 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 통해서 그리고 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나로부터, 상기 적어도 하나의 검출기에 제공하기 위한 광학 마스크를 포함한다.
바람직하게는, 상기 투과 영역 및 상기 반사 영역 중 상기 적어도 하나는 상기 결합된 레이저 출력의 형상 및 궤적 중 적어도 하나에 따라 구성된다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 결합된 레이저 출력을 상기 적어도 하나의 검출기에 포커싱하기 위해 상기 광학 마스크 및 상기 적어도 하나의 검출기를 인터페이싱(interfacing)하는 포커싱 서브시스템을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 포커싱 서브시스템은 적어도 하나의 포커싱 렌즈를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 검출기는 단일 검출기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 투과 영역은 불균일한 투명도를 갖는다.
바람직하게는, 상기 투과 영역의 상기 불균일한 투명도는 상기 결합된 레이저 출력의 강도에서의 노이즈와 관련이 없는 불균일성을 보상한다.
바람직하게는, 상기 광학 마스크는 전기적으로 변조된 디바이스를 포함하고 상기 투과 영역 및 상기 반사 영역 중 적어도 하나는 전자적으로 수정 가능하다.
바람직하게는, 상기 광학 마스크는 LCD 스크린을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 반사 영역은 불균일한 반사율을 갖는다.
바람직하게는, 상기 반사 영역의 상기 불균일 반사율은 상기 결합된 레이저 출력의 강도에서의 노이즈와 관련이 없는 불균일성을 보상한다.
바람직하게는, 상기 반사 영역은 DMM을 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력은 노이즈를 가지며, 상기 레이저 시스템은 상기 결합된 레이저의 위상을 변화시키는 동안 상기 적어도 하나의 검출기에 의해 검출되는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 출력을 검출하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계, 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할 및 결합하는 단계, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계, 광학 마스크가, 상기 결합된 레이저 출력을 적어도 하나의 검출기로 제공하는 단계로서, 상기 광학 마스크는 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 광학 마스크는 각기, 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 통해서 그리고 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나로부터, 상기 결합된 레이저 출력을 상기 적어도 하나의 검출기에 제공하는, 단계, 및 상기 위상을 변화시키는 동안, 상기 적어도 하나의 검출기가 상기 결합된 레이저 출력을 검출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 투과 영역 및 상기 반사 영역 중 적어도 하나는 상기 결합된 레이저 출력의 형상 및 궤적 중 적어도 하나에 따라 구성된다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 결합된 레이저 출력을 상기 적어도 하나의 검출기에 포커싱하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 포커싱을 수행하기 위해 상기 광학 마스크와 상기 적어도 하나의 검출기를 인터페이싱하는 포커싱 렌즈를 제공하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 검출기는 단일 검출기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 투과 영역은 불균일한 투명도를 갖는다.
바람직하게는, 상기 투과 영역의 상기 불균일한 투명도는 상기 결합된 레이저 출력의 강도에서의 노이즈와 관련이 없는 불균일성을 보상한다.
바람직하게는, 상기 광학 마스크는 전기적으로 변조된 디바이스를 포함하고, 상기 투과 영역 및 상기 반사 영역 중 적어도 하나는 전자적으로 수정 가능하다.
바람직하게는, 상기 광학 마스크는 LCD 스크린을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 반사 영역은 불균일한 반사율을 갖는다.
바람직하게는, 상기 반사 영역의 상기 불균일 반사율은 상기 결합된 레이저 출력의 강도에서의 노이즈와 관련이 없는 불균일성을 보상한다.
바람직하게는, 상기 반사 영역은 DMM을 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력은 노이즈를 가지며, 상기 방법은 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 상기 적어도 하나의 검출기에 의해 검출된 상기 결합된 레이저 출력의 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 상기 출력을 결합하여 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 분할 및 결합 서브시스템, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키기 위한 위상 변조 서브시스템, 및 상기 위상 변조 서브시스템에 인가된 전압을 상기 위상 변조 서브시스템에 의해 생성된 위상 변조 출력과 상관시키고 상기 위상 변조 서브시스템을 캘리브레이션하는 데 유용한 전압-대-위상 상관 출력을 제공하기 위한 전압-대-위상 상관 서브시스템으로서, 상기 상관은 상기 위상을 변화시키는 동안 주기적으로 수행되는, 전압-대-위상 상관 서브시스템을 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 복수의 위상 변조기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압은 위상 변조 제어 모듈에 의해 상기 복수의 위상 변조기에 인가된다.
바람직하게는, 상기 전압은 2π의 상기 결합된 레이저 출력의 위상 시프트를 생성하도록 의도된 전압을 포함한다.
바람직하게는, 상기 상관은 상기 전압의 인가 후에 상기 결합된 레이저 출력의 원역장 강도(far-field intensity) 패턴의 강도 변화를 측정하고, 상기 전압과 상기 강도 변화에 대응하는 위상 시프트 간의 관계를 유도하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압은 상기 복수의 위상 변조기들 중 대응하는 것들에 순차적으로 인가된다.
바람직하게는, 상기 상관은 상기 위상을 변화시키는 레이트보다 느린 레이트로 수행된다.
바람직하게는, 상기 위상을 변화시키는 동작은 초당 백만 번의 레이트로 수행되고 상기 상관 동작은 초당 1 회의 레이트로 수행된다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템의 위상 캘리브레이션을 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계, 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할 및 결합하는 단계, 위상 변조 서브시스템에 의해 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계, 상기 위상을 변화시키는 동안, 주기적으로, 상기 위상 변조 서브시스템에 전압을 인가하고 상기 전압을 상기 위상 변조 서브시스템에 의해 생성된 위상 변조 출력과 상관시키는 단계, 및 상기 위상 변조 서브시스템을 캘리브레이션하는 데 유용한 전압-대-위상 상관 출력을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 복수의 위상 변조기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 전압을 인가하는 단계는 위상 변조 제어 모듈에 의해 수행된다.
바람직하게는, 상기 전압은 2π의 상기 결합된 레이저 출력의 위상 시프트를 생성하도록 의도된 전압을 포함한다.
바람직하게는, 상기 상관은 상기 전압의 인가 후에 상기 결합된 레이저 출력의 원역장 강도 패턴의 강도 변화를 측정하고 상기 전압과 상기 강도 변화에 대응하는 위상 시프트 간의 관계를 유도하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 복수의 위상 변조기들 중 해당하는 것들에 상기 전압을 순차적으로 인가하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 상관은 상기 위상을 변화시키는 레이트보다 느린 레이트로 수행된다.
바람직하게는, 상기 위상을 변화시키는 동작은 초당 백만 번의 레이트로 수행되고 상기 상관 동작은 초당 1 회의 레이트로 수행된다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 상기 레이저 시스템은, 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고, 상기 출력을 복수의 서브-빔으로 분할하고 상기 복수의 서브-빔을 포함하는 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템, 및
상기 복수의 서브-빔 중 해당하는 것들의 적어도 일부를 서브-빔의 복수의 그룹으로 그룹화하는 위상 변조 서브시스템을 포함하며, 상기 위상 변조 서브시스템은, 상기 복수의 서브-빔 그룹들에 걸쳐서 병렬로, 각 그룹의 위상을 변화시키도록 각 그룹 내의 각 서브-빔의 위상을 해당 그룹 내의 다른 서브-빔들의 위상들에 대해 변화시키고, 각 그룹의 위상을 상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상들에 대해 변화시켜서, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시킨다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 그룹화를 수행하기 위한 적어도 하나의 원통형 렌즈를 포함한다.
대안적으로, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 그룹화를 수행하기 위한 미러 어레이 및 대응하는 포커싱 렌즈를 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 서브-빔들의 위상을 변화시키기 위한 복수의 위상 변조기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 복수의 위상 변조기의 동작 제어 시에 적어도 하나의 전자 제어 모듈을 포함한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 복수의 그룹 각각의 원역장 강도 패턴을 검출하기 위해, 상기 복수의 그룹에 대응하는 복수의 검출기를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 시스템은, 상기 복수의 검출기 중 대응하는 것을 마스킹하는 복수의 광학 마스크를 더 포함하며, 각각의 광학 마스크는 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 포함하며, 각기, 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 통해서 그리고 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나로부터, 상기 원역장 강도 패턴을 상기 복수의 검출기의 대응하는 검출기들에 제공한다.
바람직하게는, 상기 복수의 검출기는 상기 검출을 적어도 부분적으로 서로 동시에 수행한다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 복수의 그룹의 결합된 원역장 강도 패턴을 검출하기 위한 추가 보조 검출기를 포함한다.
상기 위상 변조 서브시스템은 복수의 추가 위상 변조기를 포함하고, 각각의 추가 위상 변조기는 상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 해당 그룹의 상기 위상을 변화시키기 위해 각각의 해당 그룹 내의 모든 서브-빔들에 공통된다.
바람직하게는, 상기 위상 변조 서브시스템은 상기 복수의 추가 위상 변조기의 동작 제어 시에 추가적인 전자 제어 모듈을 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 복수의 검출기의 각각의 검출기는 복수의 검출기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 복수의 그룹 각각의 상기 원역장 강도 패턴과 상기 복수의 검출기들 간에 존재하는 복수의 광 경로를 더 포함하며, 상기 복수의 광 경로들은 자신을 따라서 상기 원역장 강도 패턴을 복수의 검출기들에 제공하며, 상기 복수의 광 경로의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 더 크다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 단계는 상기 결합된 레이저 출력의 강도를 최대화하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 단계는, 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조를 수반하지 않으면서 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조를 제공한다.
바람직하게는, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 분할 후에 그리고 상기 결합 전에 레이저 빔 증폭을 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 출력의 위상 변화를 수행하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 레이저 출력을 수신하는 단계, 상기 레이저 출력을 복수의 서브-빔으로 분할하고 상기 복수의 서브-빔을 결합하여 결합된 레이저 출력을 제공하는 단계, 상기 복수의 서브-빔들 중 해당하는 것들의 적어도 일부를 복수의 서브-빔 그룹들로 그룹화하는 단계, 상기 복수의 서브-빔 그룹들에 걸쳐서 병렬로, 각 그룹의 위상을 변화시키기 위해, 해당 그룹 내의 다른 서브-빔들의 위상에 대해 각 해당 그룹 내의 각 서브-빔의 위상을 변화시키는 단계, 및 상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 해당 그룹의 상기 위상을 변화시켜서, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 그룹화는 적어도 하나의 원통형 렌즈에 의해 수행된다.
바람직하게는, 상기 그룹화는 미러 어레이 및 대응하는 포커싱 렌즈에 의해 수행된다.
바람직하게는, 상기 서브-빔의 상기 위상을 변화시키는 단계는 복수의 위상 변조기에 의해 수행된다.
바람직하게는, 상기 방법은 적어도 하나의 전자 제어 모듈에 의해 상기 복수의 위상 변조기를 제어하는 더 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 대응하는 복수의 검출기에 의해, 상기 복수의 그룹 각각의 원역장 강도 패턴을 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 방법은, 복수의 광학 마스크에 의해, 상기 복수의 검출기들 중 대응하는 것들로 상기 원역장 강도 패턴을 제공하는 단계를 더 포함하며, 각각의 광학 마스크는 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 포함하며, 각기, 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나를 통해서 그리고 상기 투과 영역 및 반사 영역 중 적어도 하나로부터, 상기 원역장 강도 패턴을 상기 복수의 검출기들 중 대응하는 검출기에 제공한다.
바람직하게는, 상기 검출은 상기 복수의 그룹에 대해 적어도 부분적으로 서로 동시에 수행된다.
바람직하게는, 상기 방법은, 보조 검출기에 의해, 상기 복수의 그룹의 결합된 원역장 강도 패턴을 검출하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 해당 그룹의 상기 위상을 변화시키는 단계는 복수의 추가 위상 변조기에 의해 수행되고, 각각의 추가 위상 변조기는 상기 각 그룹 내의 모든 서브-빔들에 공통적이다.
바람직하게는, 상기 방법은, 추가 전자 제어 모듈에 의해 상기 복수의 추가 위상 변조기를 제어하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 복수의 검출기의 각각의 검출기는 복수의 검출기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 복수의 그룹들 각각의 상기 원역장 강도 패턴을 복수의 광 경로를 따라 복수의 검출기 각각에 제공하는 단계를 더 포함하며, 상기 복수의 광 경로의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기의 공간 밀도보다 크다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 단계는 상기 결합된 레이저 출력의 강도를 최대화하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 단계는, 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조를 수반하지 않으면서 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조를 제공한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 분할 후에 그리고 상기 결합 전에, 상기 레이저 출력을 증폭시키는 단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템이 제공되며, 본 레이저 시스템은, 광학 위상 어레이 레이저를 포함하며, 상기 광학 위상 어레이 레이저는, 시드 레이저, 및 상기 시드 레이저로부터 레이저 출력을 수신하고 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템을 포함하며, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시켜 상기 결합된 레이저 출력을 기판 상에 포커싱하고, 상기 결합된 레이저 출력은 상기 위상을 변화시키는 동작의 부재 시에 상기 기판 상에 포커싱되지 않는다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템으로부터 상기 결합된 레이저 출력을 수신하고 상기 결합된 레이저 출력을 상기 기판과 일치하지 않는 초점에 포커싱하는 광학 소자를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판으로부터 백스캐터링된 레이저 빔은 상기 광학 위상 어레이 레이저에 포커싱되지 않는다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템에서 레이저 빔을 포커싱하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 레이저 출력을 수신하는 단계, 상기 레이저 출력을 분할 및 결합하여 결합된 레이저 출력을 제공하는 단계, 및 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시켜 상기 결합된 레이저 출력을 기판 상에 포커싱시키는 단계로서, 상기 결합된 레이저 출력은, 상기 위상을 변화시키는 동작의 부재 시에, 상기 기판 상에 포커싱되지 않는, 포커싱시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 광학 소자에 의해, 상기 결합된 레이저 출력을 상기 기판과 일치하지 않는 초점에 포커싱하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판으로부터 백스캐터링된 레이저 빔은 상기 레이저 시스템에 포커싱되지 않는다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 증폭기 시스템이 제공되며, 이 시스템은, 레이저 출력을 제공하는 시드 레이저, 제1 광 경로를 따라 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신하고 증폭된 레이저 출력을 제공하는 증폭 서브시스템, 및 제2 광 경로를 따라 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신하는 검출기 서브시스템으로서, 상기 레이저 출력에서의 적어도 하나의 결함이 상기 검출기 서브시스템에 의해 검출될 때, 상기 증폭 서브시스템을 비활성화시키도록 동작하는, 검출기 서브시스템을 포함하며, 상기 시드 레이저로부터 상기 증폭 서브시스템으로의 상기 제1 광 경로를 따르는 상기 레이저 출력의 제1 비행 시간이, 상기 시드 레이저로부터 상기 검출기 서브시스템으로의 상기 제2 광 경로를 따르는 상기 레이저 출력의 제2 비행 시간과 상기 검출기 서브시스템이 상기 증폭 서브시스템을 비활성화시키는 데 걸린 시간의 합보다 크다.
바람직하게는, 상기 제1 광로는 코일형 광섬유를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 결함은 상기 레이저 출력의 파워 감소 및 상기 레이저 출력의 라인 폭의 열화 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는, 상기 증폭 서브시스템은 파워 증폭기를 포함하고, 상기 레이저 증폭기 시스템은 MOPA를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템에서 증폭 서브시스템의 손상을 방지하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 제1 광 경로를 따라 레이저 출력을 수신하는 단계, 증폭된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 레이저 출력을 증폭하는 단계, 상기 시드 레이저로부터 제2 광 경로를 따라 레이저 출력을 수신하는 단계, 상기 제2 광 경로를 따라 수신된 상기 레이저 출력에서 적어도 하나의 결함을 검출하는 단계, 및 상기 레이저 출력에서 상기 적어도 하나의 결함을 검출할 시에 상기 증폭을 정지시키는 단계로서, 상기 제1 광 경로를 따르는 상기 레이저 출력의 제1 비행 시간은, 상기 제2 광 경로를 따르는 상기 레이저 출력의 제2 비행 시간과 상기 증폭의 상기 정지가 구현되는 데 걸리는 시간의 합보다 더 큰, 증폭을 정지시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 광로는 코일형 광섬유를 포함한다.
바람직하게는, 상기 적어도 하나의 결함은 상기 레이저 출력의 파워 감소 및 상기 레이저 출력의 라인 폭의 열화 중 적어도 하나를 포함한다.
바람직하게는, 상기 증폭 서브시스템은 파워 증폭기를 포함하고, 상기 레이저 증폭기 시스템은 MOPA를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 증폭기 시스템이 제공되며, 이 시스템은, 레이저 출력을 제공하는 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신하도록 구성된 제1 증폭기로서, 상기 제1 증폭기는 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신할 때 제1 증폭된 레이저 출력을 제공하고, 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신하지 못할 때에는 증폭된 자발 방출 및 추가 레이저 출력 중 하나를 제공하는, 제1 증폭기, 및 상기 제1 증폭기로부터 상기 제1 증폭된 레이저 출력, 상기 증폭된 자발적 방출 및 상기 추가 레이저 출력 중 하나를 수신하며, 제2 증폭된 레이저 출력을 제공하는 제 2 증폭기로서, 상기 제2 증폭기에 의해 제공되는 증폭은 상기 제1 증폭기에 의해 제공되는 증폭보다 더 큰, 제2 증폭기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 시드 레이저 하류에 그리고 상기 제1 증폭기의 상류에 필터 구조를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 필터 구조는, 상기 레이저 출력을 제1 광 경로 및 제2 광 경로를 따라 분할하는 빔 분할기로서, 상기 제1 광 경로는 상기 제2 광 경로보다 긴, 상기 빔 분할기, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로로부터의 결합된 레이저 출력을 검출하는 검출기, 상기 검출기에 연결되어 상기 검출기로부터 출력을 수신하는 전자 제어 모듈, 및 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로 중 하나를 따라 위치된 위상 제어 모듈로서, 상기 전자 제어 모듈에 의해 동작되어, 상기 검출기가 상기 결합된 레이저 출력에서의 간섭을 검출하면, 상기 레이저 출력의 위상을 수정하는, 위상 제어 모듈을 포함한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템에서 증폭기의 손상을 방지하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 시드 레이저로부터 레이저 출력을 수신하는 단계, 상기 시드 레이저로부터 상기 레이저 출력을 수신하면, 제1 증폭기에 의해 제1 증폭된 레이저 출력을 제공하는 단계, 상기 제1 증폭기가 상기 시드 레이저로부터의 상기 레이저 출력을 수신하지 못하면, 상기 제1 증폭기가 증폭된 자발 방출 및 추가 레이저 출력 중 하나를 제공하는 단계, 및 제2 증폭기가 상기 제1 증폭된 레이저 출력, 상기 증폭된 자발적 방출 및 상기 추가 레이저 출력 중 하나를 수신하고 제2 증폭된 레이저 출력을 제공하는 단계로서, 상기 제2 증폭된 레이저 출력은 상기 제1 증폭된 레이저 출력보다 큰, 제2 증폭된 레이저 출력을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 시드 레이저 하류에서 그리고 상기 제1 증폭기 상류에서 상기 레이저 출력을 필터링하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 필터링하는 단계는, 상기 레이저 출력을 제1 광 경로 및 제2 광 경로를 따라 분할하는 단계로서, 상기 제1 광 경로는 상기 제2 광 경로보다 긴, 단계, 검출기에 의해, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로로부터의 결합된 레이저 출력을 검출하는 단계, 전자 제어 모듈에 의해, 상기 검출기로부터의 출력을 수신하는 단계, 및 상기 결합된 레이저 출력에서의 간섭을 상기 검출기가 검출하면, 상기 제1 광 경로 및 제2 광 경로 중 하나를 따라 상기 레이저 출력의 위상을 수정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 증폭기 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 제1 파워를 갖는 제1 레이저 출력을 제공하는 시드 레이저, 상기 시드 레이저로부터 상기 제1 레이저 출력을 수신하고 증폭된 레이저 출력을 제공하는 증폭 서브시스템, 및 적어도 상기 제1 레이저 출력이 중단되면, 제2 레이저 출력을 제공하는 보조 레이저 서브시스템으로서, 상기 제2 레이저 출력은 상기 제1 파워보다 낮은 제2 파워를 갖는, 보조 레이저 서브시스템을 포함한다.
바람직하게는, 상기 보조 레이저 서브시스템은, 상기 제1 레이저 출력을 제공하는 시간과 적어도 동시에, 상기 제2 레이저 출력을 상기 증폭 서브시스템에 제공하는 추가 시드 레이저를 포함한다.
대안적으로, 상기 증폭 서브시스템은 상기 제1 레이저 출력이 수신되는 입구 및 상기 증폭된 레이저 출력이 제공되는 출구를 포함하고, 상기 레이저 증폭기 시스템은 상기 입구에 위치된 제1 반사 격자 및 상기 출구에 위치된 제2 반사 격자를 포함하고, 상기 증폭 서브시스템과 조합하여 상기 제1 격자 및 제2 반사 격자는 상기 보조 레이저 서브시스템을 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 반사 격자 및 제2 반사 격자는 1090nm 내지 1100nm의 파장 범위에서 반사성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 제2 레이저 출력은 상기 제1 레이저 출력과 상이한 파장을 갖는다.
바람직하게는, 상기 시스템은, 상기 시드 레이저 하류에 그리고 상기 증폭 서브시스템의 상류에 필터를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 필터는, 제1 광 경로 및 제2 광 경로를 따라 상기 제1 레이저 출력을 분할하는 빔 분할기로서, 상기 제1 광 경로는 상기 제2 광 경로보다 긴, 빔 분할기, 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로로부터의 결합된 레이저 출력을 검출하는 검출기, 상기 검출기에 연결되어 상기 검출기로부터 출력을 수신하는 전자 제어 모듈, 및 상기 제1 광 경로 및 상기 제2 광 경로 중 하나를 따라 위치된 위상 제어 모듈로서, 상기 전자 제어 모듈에 의해 동작되어, 상기 검출기가 상기 결합된 레이저 출력에서 간섭을 검출하면, 상기 제1 레이저 출력의 위상을 수정하는, 위상 제어 모듈을 포함한다.
바람직하게는, 상기 시드 레이저로부터의 상기 제1 레이저 출력을 검출하기 위한 검출기 서브시스템을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 검출기 서브시스템은, 상기 제1 레이저 출력을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 분할기, 상기 제2 부분을 증폭시키고 증폭된 출력을 제공하는 추가 증폭기, 및 상기 증폭된 출력을 수신하는 광섬유로서, 상기 제1 레이저 출력의 선폭이 허용할 수 없을 정도로 좁아지면, 비선형 효과를 발휘하도록 구성된, 광섬유를 포함한다.
바람직하게는, 상기 광섬유는 길이가 25 m이고 코어 직경이 6 마이크론이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 레이저 시스템에서 증폭기의 손상을 방지하는 방법이 제공되며, 이 방법은, 제1 파워를 갖는 제1 레이저 출력을 제공하는 단계, 증폭기가 상기 제1 레이저 출력을 증폭하여 증폭된 레이저 출력을 제공하는 단계, 적어도 상기 제1 레이저 출력의 제공이 중단되면, 제2 레이저 출력을 제공하는 단계로서, 상기 제2 레이저 출력은 상기 제1 파워보다 낮은 제2 파워를 갖는, 제2 레이저 출력을 제공하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 레이저 출력을 제공하는 단계는 상기 제1 레이저 출력을 제공하는 단계와 적어도 동시에 수행된다.
바람직하게는, 상기 증폭기는 상기 제1 레이저 출력이 수신되는 입구 및 상기 증폭된 레이저 출력이 제공되는 출구를 포함하고, 상기 방법은, 상기 입구에 제1 반사 격자 및 상기 출구에 제2 반사 격자를 위치시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 반사 격자 및 제2 반사 격자는 상기 증폭기와 조합되어 상기 제2 레이저 출력을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1 반사 격자 및 제2 반사 격자는 1090nm 내지 1100nm의 파장 범위에서 반사성을 갖는다.
바람직하게는, 상기 제2 레이저 출력은 상기 제1 레이저 출력과 상이한 파장을 갖는다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 제1 레이저 출력을 증폭하는 단계 이전에, 상기 제1 레이저 출력을 필터링하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 필터링하는 단계는, 상기 제1 레이저 출력을 제1 광 경로 및 제2 광 경로를 따라 분할하는 단계로서, 상기 제1 광 경로는 상기 제2 광 경로보다 긴, 단계, 검출기에 의해 상기 제1 광 경로 및 제2 광 경로로부터의 결합된 레이저 출력을 검출하는 단계, 전자 제어 모듈에 의해 상기 검출기로부터의 출력을 수신하는 단계, 및 상기 검출기로부터의 상기 출력에 기초하여 상기 검출기가 상기 결합된 레이저 출력에서 간섭을 검출하면, 상기 제1 광 경로 및 제2 광 경로 중 하나를 따라 상기 제1 레이저 출력의 위상을 수정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 제1 레이저 출력을 검출하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 검출 단계는, 상기 제1 레이저 출력을 제1 부분 및 제2 부분으로 분할하는 단계, 상기 제2 부분을 증폭시키고 증폭된 출력을 제공하는 단계, 및 상기 증폭된 출력을 광섬유가 수신하는 단계로서, 상기 광섬유는 상기 제1 레이저 출력의 선폭이 허용할 수 없을 정도로 좁아지면 비선형 효과를 발휘하도록 구성된, 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 광섬유는 길이가 25 m이고 코어 직경이 6 마이크론이다.
본 발명은 도면들과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명에 기초하여 보다 완전하게 이해되고 인식될 것이다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 2a는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 2b 및 도 2C는 도 2a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 3a는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 3b 및 3c는 도 3a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 4b 및 4c는 도 4a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 5a 내지 5g는 도 1a 내지 도 4c에 도시된 임의의 유형의 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 출력의 가능한 원거리 움직임의 단순화된 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 다수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광학 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, ek수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 다수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광학 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 궤적에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 10은 다양한 레벨의 투명도를 나타내는 도 9에 도시된 유형의 검출기 마스크의 단순화된 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 형상에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 12는 다양한 레벨의 투명도를 도시하는, 도 11에 도시된 유형의 검출기 마스크의 단순화된 개략도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 전압-위상 상관 기능을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 14는 도 13에 도시된 유형의 시스템에서 전압-위상 상관을 수행하기 위한 단계들을 도시한 간략화된 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 추가적인 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 개략 평면도이다.
도 17a 및 도 17b는 도 15 또는 도 16에 도시된 유형의 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 평면도 및 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 20a 및 도 20b는 도 18 또는 도 19에 도시된 유형의 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 평면도 및 사시도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 각각의 제1 초점 상태 및 제2 초점 상태의 단순화된 개략도이다.
도 23은 도 22a 및 도 22b에 도시된 유형의 광학 위상 어레이 레이저 시스템에서 백스캐터링의 단순화된 표현이다.
도 24는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 25는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 26은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 31은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 33은 도 24 내지 도 32에 도시된 임의의 유형의 레이저 증폭 시스템에 유용한 센서의 간략화된 개략도이다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 2a는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 2b 및 도 2C는 도 2a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 3a는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 3b 및 3c는 도 3a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 4b 및 4c는 도 4a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현이다.
도 5a 내지 5g는 도 1a 내지 도 4c에 도시된 임의의 유형의 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 출력의 가능한 원거리 움직임의 단순화된 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 다수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광학 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, ek수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 다수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접 이격된 광학 경로를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 궤적에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 10은 다양한 레벨의 투명도를 나타내는 도 9에 도시된 유형의 검출기 마스크의 단순화된 개략도이다.
도 11은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 형상에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 12는 다양한 레벨의 투명도를 도시하는, 도 11에 도시된 유형의 검출기 마스크의 단순화된 개략도이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 전압-위상 상관 기능을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 14는 도 13에 도시된 유형의 시스템에서 전압-위상 상관을 수행하기 위한 단계들을 도시한 간략화된 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 추가적인 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 개략 평면도이다.
도 17a 및 도 17b는 도 15 또는 도 16에 도시된 유형의 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 평면도 및 사시도이다.
도 18은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 20a 및 도 20b는 도 18 또는 도 19에 도시된 유형의 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 평면도 및 사시도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략 평면도이다.
도 22a 및 도 22b는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 각각의 제1 초점 상태 및 제2 초점 상태의 단순화된 개략도이다.
도 23은 도 22a 및 도 22b에 도시된 유형의 광학 위상 어레이 레이저 시스템에서 백스캐터링의 단순화된 표현이다.
도 24는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 25는 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 26은 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 31은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 33은 도 24 내지 도 32에 도시된 임의의 유형의 레이저 증폭 시스템에 유용한 센서의 간략화된 개략도이다.
이제 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 1a를 참조하며, 도 1a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현인 도 1b 및 도 1c를 참조한다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(100)이 제공되며, 이 시스템은 본 도면에서 예시적으로 레이저 절단 시스템(102) 내에서 사용되는 것으로 도시된다. 레이저 절단 시스템(102)은 다축 포지셔닝 테이블(104)에 대해 이격되게 장착된 OPA 레이저 시스템(100)을 포함할 수 있으며, 이 테이블(104) 상에서, 물품(106)과 같은 물품이 레이저 시스템(100)을 사용하여 절단될 수 있다. 레이저 절단 시스템(102)이 본 명세서에서 테이블(104)과 관련하여 예시되어 있지만, 절단 시스템(102)은 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 임의의 유형의 레이저 절단 시스템으로서 구현될 수도 있다는 것으로 이해된다.
확대부(110)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, OPA 레이저(100)는 시드 레이저(112) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(114)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(114)은 바람직하게는 시드 레이저(112)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(116)을 따라 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(112)로부터의 출력은 10 개의 채널(116)에 대응하는 10 개의 서브-빔으로 분할되는 것으로 도시되지만, 분할 및 결합 서브시스템(114)은 시드 레이저(112)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(116)을 따라 위치된 위상 변조기(118)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(112)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조된 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(119)를 향해 전파된다. 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 이어서 예를 들어 초점 렌즈(120)에서 결합되어 출력 빔(122)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(114)은 바람직하게는 시드 레이저(112)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(122)을 형성하기 이전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수도 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(114)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위해 채널들(116) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(124)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(100)의 파워 출력 요건에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(122)의 위상, 및 따라서, 그의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(122)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔들의 상대 위상들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 1a에 도시된 레이저 절단과 같은 많은 응용 시에, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 이동시키고 성형하는 것이 바람직하다. 이는, 레이저 시스템(100)에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(114)이 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 결합된 레이저 출력(122)의 위상을 변화시켜서 이의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어함으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 물품(106)의 절단을 위한 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(130)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(130)은 바람직하게는 OPA 레이저(100)에서 제어 전자 모듈(132)의 일부를 형성하고, 바람직하게는 채널(116)을 따라 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변조하도록 각각의 위상 변조기(118)를 제어한다.
OPA 시스템(100) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(122)은 노이즈를 갖는다. 출력 빔(122) 내의 노이즈는 통상적으로 열적 또는 기계적 효과에 의해서 및/또는 광학 증폭기(124)가 OPA 시스템(100)에 존재하는 경우에는 증폭 프로세스에 의해서 생성된 위상 노이즈이다. 본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은 레이저 시스템(100)이 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(122)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(140)을 포함한다는 점이다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(140)은 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용한다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(140)에 의해 위상 변조기(118)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(122)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(122)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(140)은 제어 전자 모듈(132)에 포함될 수 있다.
출력 빔(122)은 강도 노이즈를 포함하는, 위상 노이즈 이외의 노이즈 유형에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 강도 노이즈를 갖는 출력 빔(122)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(140)은 출력 빔(122)의 강도 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(100)은 채널(116)별 각 서브-빔의 강도를 변조하기 위한 채널(116)별 강도 변조기(142)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(122)은 서브-빔의 상대 위치에 영향을 줄 수 있는 기계적 노이즈에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 위치 노이즈를 갖는 출력 빔(122)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(140)은 출력 빔(122) 내의 위치 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(100)은 채널(116)별 각 서브-빔의 위치를 변조하기 위한 채널(116)별 위치 변조기(144)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(122)에 위상 변화 및 노이즈 보정을 적용하는 것을 용이하게 하기 위해서, OPA 레이저(100)의 출력의 일부는 바람직하게는, 추출되어 본 도면에서 단일 검출기(150)로서 도시된 적어도 하나의 검출기로 향한다. 대안적으로, 검출기(150)는, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 기술될 바와 같이, 다수의 검출기로서 구현될 수 있다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 1a에 도시된 실시형태에서, 채널(116)들에 대응하는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(160)를 향한다. 빔 분할기(160)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(162) 및 반사된 부분(164)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(160)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(162)은 바람직하게는 초점 렌즈(120)를 향해 전파되며, 상기 초점 렌즈(120)에서, 서브-빔들이 결합되어 물품(106)의 표면 상에 입사하는 원역장 강도 패턴(166)을 갖는 출력 빔(122)을 형성한다. 서브-빔의 반사된 부분(164)은 바람직하게는 추가적인 초점 렌즈(168)를 향해 반사되며, 상기 추가적인 초점 렌즈(168)에서, 서브-빔들이 결합되어, 검출기(150)의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(172)을 갖는 출력 기준 빔(170)을 형성한다.
빔 분할기(160) 및 초점 렌즈(120 및 168)를 포함하는, 본 도면에서 도시된 빔 분할 및 재결합 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(100)은 다양한 이러한 요소들뿐만 아니라, 단지 예시적으로, 추가의 또는 다른 렌즈, 광섬유 및 코히어런트 자유-공간 원거리 결합기를 포함하는, 추가의 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔(122)의 원역장 강도 패턴(166)의 형상 및 위치, 및, 이에 따라서, 기준 빔(170)의 원역장 강도 패턴(172)의 형상 및 위치는, 서브-빔의 상대 위상의 지속적인 변화로 인해 지속적으로 변한다. 결과적으로, 원역장 강도 패턴(172)은 검출기(150) 상에서 고정되지 않고 오히려 구성성분 서브-빔들의 결합된 상대 위상들에 따라 검출기(150) 주변에서 지속적으로 이동된다. 그러나, 검출기(150)가 요구되는 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하기 위해, 검출기가 원역장 강도 패턴(172)의 강도를 측정하고 이로써, 그에 따른 노이즈 보정을 적용하기 위해서는 원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)에 입사되어야 하며, 따라서, 고정된 출력 빔이 생성된다.
원역장 강도 패턴(172)의 위상 변화에 의한 원역장 강도 패턴(172)의 동적 성질과 원역장 강도 패턴(172)을 도출하고 이에 노이즈 보정을 적용하기 위해 원역장 강도 패턴(172)에 요구되는 고정된 성질 간의 충돌은, 상이한 시간들과 레이트들로 노이즈 제거 및 위상 변화를 제공함으로써, 본 발명에서 유리하게 해결된다.
노이즈 제거 위상 보정 출력은 노이즈 샘플링 레이트에서 검출기(150)에서 측정된 노이즈를 고려하여 제공된다. 출력 빔(122)은, 요구되는 노이즈 샘플링 레이트와 같거나 높은 레이트로 출력 및 기준 원역장 강도 패턴들(166, 172)의 형상 및 위치로의 동적 변화 과정 동안, 원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)에 입사되도록 제어된다. 원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)로 복귀되는 단속적 시간들 동안 기준 빔(170)의 노이즈가 고려된다.
원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)에 입사되는 단속적 시간들 간의 시간 간격에서, 결합된 출력 빔들(122 및 170)의 위상은 물품(106)의 레이저 절단을 수행하기 위해 요구된 바와 같은, 그의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키기 위해 변화된다. 결합된 레이저 출력은, 원역장 강도 패턴의 위상, 및 이로써, 형상 및 위치를 신속하게 변화시키기 위해서, 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 변화된다. 예를 들어, 노이즈 샘플링 레이트는 10 내지 1000 Hz 정도일 수 있는 반면, 위상 변화 레이트는 10,000 Hz보다 클 수 있다.
본 발명의 실시형태들에서 노이즈 제거 및 위상 변화가 바람직하게 수행되는 상이한 레이트들 및 시간 스케일들은, 도 1a에 도시된 그래프(180) 및 도 1b에 도시된 그의 확대 버전을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1b에서 가장 명확하게 보여지는 바와 같이, 그래프(180)는 검출기(150)에서 측정된 원역장 강도 패턴(172)의 시간에 따른 강도 변화를 나타내는 상부 부분(182), 및 출력 빔(122) 및 기준 빔(170)에 기여하는 다수의 서브-빔들의 상대 위상들의 동일한 시간 구간에 걸친 변화를 보여주는 하부 부분(184)을 포함한다. 간략성을 위해서, 10 개의 서브-빔의 상대 위상들이 그래프(180)에 표시되지만, OPA 시스템(100) 및 이로써 본 명세서에 제공된 설명은 보다 소수의, 보다 통상적으로는, 훨씬 더 많은 수의 서브-빔들에 적용 가능하다는 것으로 이해된다.
상부 부분(182)에서 볼 수 있는 바와 같이, 강도 피크(186)는 원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)를 지나갈 때에 기준 빔(170)의 측정된 강도를 나타낸다. 하부 부분(184)에서 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(186)는 각각의 서브-빔의 상대 위상이 0인 단속적 시간들 Ti에서 발생하고, 여기서 0은 서브-빔들 간에서 위상의 시프트가 없다는 것을 의미하므로, 결합된 출력 빔의 위치는 변경되지 않고 이로써 원역장 강도 패턴(172)은 검출기(150)에 직접 입사된다. 이와 달리, 검출기(150)는 자신이 위치하는 위치에서 서브-빔들의 상대 위상이 0이 안되도록 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 2 개 이상의 위치들에서 이를 따라서 원역장 강도 패턴(172)이 측정될 수 있도록 2 개 이상의 검출기가 사용될 수 있다.
원역장 강도 패턴(172)이 검출기(150)의 어느 한쪽으로 이동하여 검출기(150)에 직접 입사하지 않은 때에, 강도 피크들(186) 간에서, 측정된 강도는 0에 가깝다. 상부 부분(182)을 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(186)의 크기는 레이저 출력 빔에서 노이즈의 존재로 인해 일정하지 않으며, 이러한 노이즈는 원역장 강도 패턴(172)을 열화시킨다.
하부 부분(184)에서 알 수 있는 바와 같이, 서브-빔의 상대 위상은 단속적 시간들(Ti) 간의 시간 간격(Tbetween)에서 변화된다. 본 명세서에 예시된 위상 변화 함수에서, 서브-빔들의 상대 위상은 주기적으로 규칙적으로 반복되는 패턴으로 변화되는 것으로 도시되며, 여기서 동일한 위상 시프트가 양의 방향 및 음의 방향으로 적용된다. 이러한 단순한 패턴은 단지 예시일 뿐이며 위상 변화가 반드시 규칙적으로 반복되는 것도 아니며 반드시 양의 방향과 음의 방향에서 대칭적인 것도 아니라는 것으로 이해된다. 또한, 시간 간격들 Tbetween은 바람직하게는 단속적 시간들 Ti과 중첩하지는 않은데 반드시 그러한 것은 아니다고 이해된다. 또한, 위상 변화 레이트 및 노이즈 샘플링 레이트 중 적어도 하나는 일정하거나 시간에 따라 변할 수 있음이 이해된다.
노이즈 제거 서브시스템(140)은 바람직하게는, 단속적 시간 Ti에서의 노이즈를 고려하고 단속적 시간 Ti에서 감지된 노이즈에 기초하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공함으로써 동작한다. 노이즈 제거 서브시스템(140)은 바람직하게는, 노이즈를 감지하고 그에 따라 감지된 노이즈를 보정하기 위해 알고리즘을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 노이즈 제거 서브시스템(140)은, 상대 위상이 검출기(150)에 대한 원역장 강도 패턴(172)의 각 이동 사이클 동안 소정의 위상 변화 Δφ만큼 수정되도록 하나의 채널의 상대 위상이 변경되는 알고리즘을 사용한다. 상이한 위상 변화 Δφ가 각각의 사이클에 걸쳐 선택된 서브-빔에 적용되는 다수의 사이클 후에, 알고리즘은 모든 사이클에 걸쳐 최대 출력 강도를 확인하고 이러한 최대 강도를 생성한 최적의 위상 변화 Δφ를 찾는다. 이어서, 선택된 서브-빔의 위상 변화는 후속 사이클에 대한 최적의 위상 변화 Δφ로 고정되고, 알고리즘은 다른 서브-빔을 최적화하기 위해 진행한다.
그래프(180)는 총 10 개의 서브-빔 중 3 개의 서브-빔 또는 채널 A, B 및 C에서 이러한 예시적인 알고리즘에 따른 노이즈 제거를 도시한다. 명확성을 위해, 서브-빔 A, B 및 C는 도 1c에 단독으로 표시된다. 서브-빔 A, B 및 C의 위상 변화 및 노이즈 보정을 나타내는 트레이스의 선 스타일은 도 1a 및 1b와 비교하여 도 1c에서 수정되어서, 이하의 설명을 위해서 다양한 서브-빔들 간을 서로 구별하는 것을 돕는다고 이해된다.
채널 A의 경우에 처음에 보여지는 바와 같이, 그리고 확대부(190)의 고려로부터 가장 명확하게 이해될 수 있는 바와 같이, 파선 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(130)에 의해 적용되는 바와 같은, 서브-빔 A의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Auncorrected로 표현될 수 있다. 일점 쇄선 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 A의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스를 Acorrected라 지칭할 수 있다. Acorrected의 수정된 상대 위상은 서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 차 ΔφA만큼, Auncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(150)에서 측정된 강도(186)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 서브-빔 A의 최적화의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 변한다.
서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφA를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제2 위상 시프트 ΔφA만큼 생성된 IAmax인 것으로 보인다. 이로써, 서브-빔 A의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제2 위상 시프트 ΔφA에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 B를 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 A의 최적화의 순차적인 사이클 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 A의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
서브-빔 B의 경우에 더 볼 수 있고 확대부(192)를 고려하여 가장 명확하게 이해되는 바와 같이, 채널 B의 최적화 동안 더 두꺼운 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(130)에 의해 적용될 수 있는 바와 같은, 서브-빔 B의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Buncorrected라고 지칭할 수 있다. 채널 B을 최적화하는 동안 더 얇은 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 B의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스는 Bcorrected라고 지칭할 수 있다. Bcorrected의 수정된 상대 위상은 최적화 서브-빔 B의 5 개의 사이클에 걸쳐 차 ΔφB만큼 Buncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(150)에서 측정된 강도(186)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 최적화 서브-빔(B)의 이들 5 개의 사이클에 걸쳐 변한다.
서브-빔 B의 이러한 5 개의 사이클 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφB를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제4 위상 시프트 ΔφB만큼 생성된 IABmax인 것으로 보인다. 이어서, 서브-빔 B의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제4 위상 시프트 ΔφB에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 C을 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 B의 최적화의 5 개의 사이클들 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 B의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
유사한 최적화 프로세스가 서브-빔 C에 대해서는 바람직하게 구현되며, 이 경우에, 출력 빔 강도를 최적화하고 서브-빔 C의 위상 노이즈로 인한 강도 저하를 보정하기 위해 위상 변화 ΔφC가 여러 사이클에 걸쳐 적용된다.
적어도 하나의 검출기(150)는 서브-빔의 상대 위상을 연속적으로 최적화하고 그 내에 존재하는 위상 노이즈를 보정하기 위해 연속적으로 동작할 수 있다. 그러나, 검출기(150)의 유한 응답 시간으로 인해, 검출기(150)는 비교적 느린 노이즈 샘플링 레이트로, 단속적들 시간들로, 기준 빔(170)의 노이즈만을 고려한다. 노이즈 샘플링 레이트는 바람직하게는 사전에 결정될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다. 이와 달리, 노이즈 샘플링 레이트는 랜덤일 수 있다.
그래프(180)에 도시된 노이즈 보정 알고리즘의 특정 파라미터는 단지 예시적인 것이며 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 용이하게 수정될 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, 위상 시프트 Δφ는 본원에서 예시된 것보다 더 많거나 적은 수의 사이클에 걸쳐 최적화될 수 있고, 각각의 서브-빔은 해당 서브-빔이 검출기(150)를 지나갈 때마다 완전히 최적화될 수 있거나, 또는 수 개의 서브-빔 또는 모든 서브-빔은, 원역장 강도 패턴이 검출기(150)를 지나가는 각각의 사이클 동안 최적화될 수 있다. 또한, 스토캐스틱(Stochastic) 병렬 구배 하강 최적화 알고리즘을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비순차적 노이즈 보정 최적화 알고리즘이 대안적으로 구현될 수 있다.
레이저 절단을 위해 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔을 사용하는 것은 매우 유리하며 신속한 빔 조향, 신속한 파워 변조, 신속한 빔 포커싱 및 빔 형상 맞춤을 가능하게 한다. 재료를 절단할 수 있는 속도 및 품질은 기존의 레이저 절단 방법에 비해, 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력을 사용하면 향상된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 노이즈 보정이 없다면, 광학 위상 어레이 출력 빔의 형상 및 위치는 열화될 것이며, 이로써 레이저 절단 공정의 품질, 속도 및 정밀도가 저하된다.
특정 레이저 절단 응용 분야에서 유리한 바와 같이, 빔의 원역장 강도 패턴이 이동할 때 출력 빔 강도를 유지하기 위해, 출력 빔의 이동은, 저강도 위치들에서의 감소된 파워 전달을 보상하기 위해, 이러한 저강도 위치들에서 빔이 더 많은 시간을 사용하도록 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 출력 빔의 강도를 수정하기 위해 중립 밀도(ND) 필터와 같은 강도 프로파일 마스크가 출력 빔에 적용될 수 있다.
이제, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 2a를 참조하고, 도 2a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현인 도 2b 및 2c를 참조한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(200)이 제공되며, 이 시스템은 본 도면에서 예시적으로 적층 가공 시스템(202) 내에서 사용되는 것으로 도시된다. 적층 가공 시스템(202)은 스캐닝 미러(203) 및 다축 포지셔닝 테이블(204)에 대해 이격되게 장착된 OPA 레이저 시스템(200)을 포함할 수 있으며, 이 테이블(204) 상에서, 물품(206)과 같은 물품이 레이저 시스템(200)을 사용하여 적층 가공될 수 있다. 적층 가공 시스템(202)이 본 명세서에서 스캐닝 미러(203)와 관련하여 예시되어 있지만, 적층 가공 시스템(202)은 본 기술 분야의 당업자에게 이해될 임의의 유형의 적층 가공 시스템으로서 구현될 수도 있다는 것으로 이해된다.
확대부(210)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, OPA 레이저(200)는 시드 레이저(212) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(214)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(214)은 바람직하게는 시드 레이저(212)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(216)을 따라 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(212)로부터의 출력은 10 개의 채널(216)에 대응하는 10 개의 서브-빔으로 분할되는 것으로 도시되지만, 분할 및 결합 서브시스템(214)은 시드 레이저(212)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(216)을 따라 위치된 위상 변조기(218)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(212)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조된 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(219)를 향해 전파된다. 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 이어서 예를 들어 초점 렌즈(220)에서 결합되어 출력 빔(222)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(214)은 바람직하게는 시드 레이저(212)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(222)을 형성하기 이전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수도 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(214)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위해 채널들(216) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(224)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(200)의 파워 출력 요건에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(222)의 위상, 및 따라서, 그의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(222)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔들의 상대 위상들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 2a에 도시된 레이저 적층 가공과 같은 많은 응용 시에, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 이동시키고 성형하는 것이 바람직하다. 이는, 레이저 시스템(200)에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(214)이 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 결합된 레이저 출력(222)의 위상을 변화시켜서 이의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어함으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 물품(206)의 3D 프린팅을 위한 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(230)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(230)은 바람직하게는 OPA 레이저(200)에서 제어 전자 모듈(232)의 일부를 형성하고, 바람직하게는 채널(216)을 따라 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변조하도록 각각의 위상 변조기(218)를 제어한다.
OPA 시스템(200) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(222)은 노이즈를 갖는다. 출력 빔(222) 내의 노이즈는 통상적으로 열적 또는 기계적 효과에 의해서 및/또는 광학 증폭기(224)가 OPA 시스템(200)에 존재하는 경우에는 증폭 프로세스에 의해서 생성된 위상 노이즈이다. 본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은 레이저 시스템(200)이 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(222)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(240)을 포함한다는 점이다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(240)은 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용한다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(240)에 의해 위상 변조기(218)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(222)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(222)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(240)은 제어 전자 모듈(232)에 포함될 수 있다.
출력 빔(222)은 강도 노이즈를 포함하는, 위상 노이즈 이외의 노이즈 유형에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 강도 노이즈를 갖는 출력 빔(222)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(240)은 출력 빔(222)의 강도 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(200)은 채널(216)별 각 서브-빔의 강도를 변조하기 위한 채널(216)별 강도 변조기(242)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(222)은 서브-빔의 상대 위치에 영향을 줄 수 있는 기계적 노이즈에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 위치 노이즈를 갖는 출력 빔(222)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(240)은 출력 빔(222) 내의 위치 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(200)은 채널(216)별 각 서브-빔의 위치를 변조하기 위한 채널(216)별 위치 변조기(244)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(222)에 위상 변화 및 노이즈 보정을 적용하는 것을 용이하게 하기 위해서, OPA 레이저(200)의 출력의 일부는 바람직하게는, 추출되어 본 도면에서 단일 검출기(250)로서 도시된 적어도 하나의 검출기로 향한다. 대안적으로, 검출기(250)는, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 기술될 바와 같이, 다수의 검출기로서 구현될 수 있다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하는데, 이러한 기준 빔의 특성에 기초하여, 상기 요구된 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 2a에 도시된 실시형태에서, 채널(216)들에 대응하는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(260)를 향한다. 빔 분할기(260)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(262) 및 반사된 부분(264)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(260)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(262)은 바람직하게는 초점 렌즈(220)를 향해 전파되며, 상기 초점 렌즈(220)에서, 서브-빔들이 결합되어 스캐닝 미러(203) 상에 입사하는 원역장 강도 패턴(266)을 갖는 출력 빔(222)을 형성한다. 서브-빔의 반사된 부분(264)은 바람직하게는 추가적인 초점 렌즈(268)를 향해 반사되며, 상기 추가적인 초점 렌즈(268)에서, 서브-빔들이 결합되어, 검출기(250)의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(272)을 갖는 출력 기준 빔(270)을 형성한다.
빔 분할기(260) 및 초점 렌즈(220 및 268)를 포함하는, 본 도면에서 도시된 빔 분할 및 재결합 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(200)은 다양한 이러한 요소들뿐만 아니라, 단지 예시적으로, 추가의 또는 다른 렌즈, 광섬유 및 코히어런트 자유-공간 원거리 결합기를 포함하는, 추가의 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔(222)의 원역장 강도 패턴(266)의 형상 및 위치, 및, 이에 따라서, 기준 빔(270)의 원역장 강도 패턴(272)의 형상 및 위치는, 서브-빔의 상대 위상의 지속적인 변화로 인해 지속적으로 변한다. 결과적으로, 원역장 강도 패턴(272)은 검출기(250) 상에서 고정되지 않고 오히려 구성성분 서브-빔들의 결합된 상대 위상들에 따라 검출기(250) 주변에서 지속적으로 이동된다. 그러나, 검출기(250)가 요구되는 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하기 위해, 검출기가 원역장 강도 패턴(272)의 강도를 측정하고 이로써, 그에 따른 노이즈 보정을 적용하기 위해서는 원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)에 입사되어야 하며, 따라서, 고정된 출력 빔이 생성된다.
원역장 강도 패턴(272)의 위상 변화에 의한 원역장 강도 패턴(272)의 동적 성질과 원역장 강도 패턴(272)을 도출하고 이에 노이즈 보정을 적용하기 위해 원역장 강도 패턴(272)에 요구되는 고정된 성질 간의 충돌은, 상이한 시간들과 레이트들로 노이즈 제거 및 위상 변화를 제공함으로써, 본 발명에서 유리하게 해결된다.
노이즈 제거 위상 보정 출력은 노이즈 샘플링 레이트에서 검출기(250)에서 측정된 노이즈를 고려하여 제공된다. 출력 빔(222)은, 요구되는 노이즈 샘플링 레이트와 같거나 높은 레이트로 출력 및 기준 원역장 강도 패턴들(266, 272)의 형상 및 위치로의 동적 변화 과정 동안, 원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)에 입사되도록 제어된다. 원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)로 복귀되는 단속적 시간들 동안 기준 빔(270)의 노이즈가 고려된다.
원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)에 입사되는 단속적 시간들 간의 시간 간격에서, 결합된 출력 빔들(222 및 270)의 위상은 물품(206)의 적층 가공을 수행하기 위해 요구된 바와 같은, 그의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키기 위해 변화된다. 결합된 레이저 출력은, 원역장 강도 패턴의 위상, 및 이로써, 형상 및 위치를 신속하게 변화시키기 위해서, 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 변화된다. 예를 들어, 노이즈 샘플링 레이트는 10 내지 1000 Hz 정도일 수 있는 반면, 위상 변화 레이트는 10,000 Hz보다 클 수 있다.
본 발명의 실시형태들에서 노이즈 제거 및 위상 변화가 바람직하게 수행되는 상이한 레이트들 및 시간 스케일들은, 도 2a에 도시된 그래프(280) 및 도 2b에 도시된 그의 확대 버전을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 2b에서 가장 명확하게 보여지는 바와 같이, 그래프(280)는 검출기(250)에서 측정된 원역장 강도 패턴(272)의 시간에 따른 강도 변화를 나타내는 상부 부분(282), 및 출력 빔(222) 및 기준 빔(270)에 기여하는 다수의 서브-빔들의 상대 위상들의 동일한 시간 구간에 걸친 변화를 보여주는 하부 부분(284)을 포함한다. 간략성을 위해서, 10 개의 서브-빔의 상대 위상들이 그래프(280)에 표시되지만, OPA 시스템(200) 및 이로써 본 명세서에 제공된 설명은 보다 소수의, 보다 통상적으로는, 훨씬 더 많은 수의 서브-빔들에 적용 가능하다는 것으로 이해된다.
상부 부분(282)에서 볼 수 있는 바와 같이, 강도 피크(286)는 원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)를 지나갈 때에 기준 빔(270)의 측정된 강도를 나타낸다. 하부 부분(284)에서 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(286)는 각각의 서브-빔의 상대 위상이 0인 단속적 시간들 Ti에서 발생하고, 여기서 0은 서브-빔들 간에서 위상의 시프트가 없다는 것을 의미하므로, 결합된 출력 빔의 위치는 변경되지 않고 이로써 원역장 강도 패턴(272)은 검출기(250)에 직접 입사된다. 이와 달리, 검출기(250)는 자신이 위치하는 위치에서 서브-빔들의 상대 위상이 0이 안되도록 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 2 개 이상의 위치들에서 이를 따라서 원역장 강도 패턴(272)이 측정될 수 있도록 2 개 이상의 검출기가 사용될 수 있다.
원역장 강도 패턴(272)이 검출기(250)의 어느 한쪽으로 이동하여 검출기(250)에 직접 입사하지 않은 때에, 강도 피크들(286) 간에서, 측정된 강도는 0에 가깝다. 상부 부분(282)을 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(286)의 크기는 레이저 출력 빔에서 노이즈의 존재로 인해 일정하지 않으며, 이러한 노이즈는 원역장 강도 패턴(272)을 열화시킨다.
하부 부분(284)에서 알 수 있는 바와 같이, 서브-빔의 상대 위상은 단속적 시간들(Ti) 간의 시간 간격(Tbetween)에서 변화된다. 본 명세서에 예시된 위상 변화 함수에서, 서브-빔들의 상대 위상은 주기적으로 규칙적으로 반복되는 패턴으로 변화되는 것으로 도시되며, 여기서 동일한 위상 시프트가 양의 방향 및 음의 방향으로 적용된다. 이러한 단순한 패턴은 단지 예시일 뿐이며 위상 변화가 반드시 규칙적으로 반복되는 것도 아니며 반드시 양의 방향과 음의 방향에서 대칭적인 것도 아니라는 것으로 이해된다. 또한, 시간 간격들 Tbetween은 바람직하게는 단속적 시간들 Ti과 중첩하지는 않은데 반드시 그러한 것은 아니다고 이해된다. 또한, 위상 변화 레이트 및 노이즈 샘플링 레이트 중 적어도 하나는 일정하거나 시간에 따라 변할 수 있음이 이해된다.
노이즈 제거 서브시스템(240)은 바람직하게는, 단속적 시간 Ti에서의 노이즈를 고려하고 단속적 시간 Ti에서 감지된 노이즈에 기초하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공함으로써 동작한다. 노이즈 제거 서브시스템(240)은 바람직하게는, 노이즈를 감지하고 그에 따라 감지된 노이즈를 보정하기 위해 알고리즘을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 노이즈 제거 서브시스템(240)은, 상대 위상이 검출기(250)에 대한 원역장 강도 패턴(272)의 각 이동 사이클 동안 소정의 위상 변화 Δφ만큼 수정되도록 하나의 채널의 상대 위상이 변경되는 알고리즘을 사용한다. 상이한 위상 변화 Δφ가 각각의 사이클에 걸쳐 선택된 서브-빔에 적용되는 다수의 사이클 후에, 알고리즘은 모든 사이클에 걸쳐 최대 출력 강도를 확인하고 이러한 최대 강도를 생성한 최적의 위상 변화 Δφ를 찾는다. 이어서, 선택된 서브-빔의 위상 변화는 후속 사이클에 대한 최적의 위상 변화 Δφ로 고정되고, 알고리즘은 다른 서브-빔을 최적화하기 위해 진행한다.
그래프(280)는 총 10 개의 서브-빔 중 3 개의 서브-빔 또는 채널 A, B 및 C에서 이러한 예시적인 알고리즘에 따른 노이즈 제거를 도시한다. 명확성을 위해, 서브-빔 A, B 및 C는 도 2c에 단독으로 표시된다. 서브-빔 A, B 및 C의 위상 변화 및 노이즈 보정을 나타내는 트레이스의 선 스타일은 도 2a 및 2b와 비교하여 도 2c에서 수정되어서, 이하의 설명을 위해서 다양한 서브-빔들 간을 서로 구별하는 것을 돕는다고 이해된다.
채널 A의 경우에 처음에 보여지는 바와 같이, 그리고 확대부(290)의 고려로부터 가장 명확하게 이해될 수 있는 바와 같이, 파선 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(230)에 의해 적용되는 바와 같은, 서브-빔 A의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Auncorrected로 표현될 수 있다. 일점 쇄선 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 A의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스를 Acorrected라 지칭할 수 있다. Acorrected의 수정된 상대 위상은 서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 차 ΔφA만큼, Auncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(250)에서 측정된 강도(286)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 서브-빔 A의 최적화의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 변한다.
서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφA를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제2 위상 시프트 ΔφA만큼 생성된 IAmax인 것으로 보인다. 이로써, 서브-빔 A의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제2 위상 시프트 ΔφA에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 B를 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 A의 최적화의 순차적인 사이클 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 A의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
서브-빔 B의 경우에 더 볼 수 있고 확대부(292)를 고려하여 가장 명확하게 이해되는 바와 같이, 채널 B의 최적화 동안 더 두꺼운 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(230)에 의해 적용될 수 있는 바와 같은, 서브-빔 B의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Buncorrected라고 지칭할 수 있다. 채널 B을 최적화하는 동안 더 얇은 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 B의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스는 Bcorrected라고 지칭할 수 있다. Bcorrected의 수정된 상대 위상은 최적화 서브-빔 B의 5 개의 사이클에 걸쳐 차 ΔφB만큼 Buncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(250)에서 측정된 강도(286)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 최적화 서브-빔(B)의 이들 5 개의 사이클에 걸쳐 변한다.
서브-빔 B의 이러한 5 개의 사이클 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφB를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제4 위상 시프트 ΔφB만큼 생성된 IABmax인 것으로 보인다. 이어서, 서브-빔 B의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제4 위상 시프트 ΔφB에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 C을 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 B의 최적화의 5 개의 사이클들 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 B의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
유사한 최적화 프로세스가 서브-빔 C에 대해서는 바람직하게 구현되며, 이 경우에, 출력 빔 강도를 최적화하고 서브-빔 C의 위상 노이즈로 인한 강도 저하를 보정하기 위해 위상 변화 ΔφC가 여러 사이클에 걸쳐 적용된다.
검출기(250)는 서브-빔의 상대 위상을 연속적으로 최적화하고 그 내에 존재하는 위상 노이즈를 보정하기 위해 연속적으로 동작할 수 있다. 그러나, 검출기(250)의 유한 응답 시간으로 인해, 검출기(250)는 비교적 느린 노이즈 샘플링 레이트로, 단속적들 시간들로, 기준 빔(270)의 노이즈만을 고려한다. 노이즈 샘플링 레이트는 바람직하게는 사전에 결정될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다. 이와 달리, 노이즈 샘플링 레이트는 랜덤일 수 있다.
그래프(280)에 도시된 노이즈 보정 알고리즘의 특정 파라미터는 단지 예시적인 것이며 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 용이하게 수정될 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, 위상 시프트 Δφ는 본원에서 예시된 것보다 더 많거나 적은 수의 사이클에 걸쳐 최적화될 수 있고, 각각의 서브-빔은 해당 서브-빔이 검출기(250)를 지나갈 때마다 완전히 최적화될 수 있거나, 또는 수 개의 서브-빔 또는 모든 서브-빔은, 원역장 강도 패턴이 검출기(250)를 지나가는 각각의 사이클 동안 최적화될 수 있다. 또한, 스토캐스틱 병렬 구배 하강 최적화 알고리즘을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비순차적 노이즈 보정 최적화 알고리즘이 대안적으로 구현될 수 있다.
레이저 적층 가공을 위해 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔을 사용하는 것은 매우 유리하며 신속한 빔 조향, 신속한 파워 변조, 신속한 빔 포커싱 및 빔 형상 맞춤을 가능하게 한다. 물품을 가공할 수 있는 속도 및 품질은 기존의 레이저 3D 프린팅 방법에 비해, 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력을 사용하면 향상된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 노이즈 보정이 없다면, 광학 위상 어레이 출력 빔의 형상 및 위치는 열화될 것이며, 이로써 레이저 적층 가공 공정의 품질, 속도 및 정밀도가 저하된다.
특정 적층 가공 응용 분야에서 유리한 바와 같이, 빔의 원역장 강도 패턴이 이동할 때 출력 빔 강도를 유지하기 위해, 출력 빔의 이동은, 저강도 위치들에서의 감소된 파워 전달을 보상하기 위해, 이러한 저강도 위치들에서 빔이 더 많은 시간을 사용하도록 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 출력 빔의 강도를 수정하기 위해 ND 필터와 같은 강도 프로파일 마스크가 출력 빔에 적용될 수 있다.
이제 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 3a를 참조하며, 도 3a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현인 도 3b 및 도 3c를 참조한다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 도면에서 예시적으로 자유 공간 광 통신 시스템(302) 내에서 사용되는 것으로 도시된 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(300)이 제공된다. 자유 공간 광 통신 시스템(302)은 건물 위와 같은 실외 위치에서, OPA 레이저(300)로부터 나오는 광 신호를 수신하기 위한 수신기(303)와 이격되게 설치된 OPA 레이저 시스템(300)을 포함할 수 있다. 자유 공간 광 통신 시스템(302)이 2 개의 고정점들 간의 통신의 맥락에서 본 명세서에 예시되어 있지만, 자유 공간 광 통신 시스템(302)은 당업자에게 잘 이해될 바와 같이, 서로에 대해 이동하는 2 개의 위치들 간의 통신에 사용되도록 적응될 수 있다는 것으로 이해된다. 또한, 자유 공간 광 통신 시스템(302)이 지상 통신과 관련하여 본 명세서에 도시되어 있지만, 자유 공간 광 통신 시스템(302)은 당업자에게 이해될 수 있는 외계 통신에 사용되도록 구성될 수 있다는 것으로 이해된다.
자유 공간 광 통신 시스템(302)은 단지 단순성을 위해서 단일 OPA 레이저(300) 및 수신기(303)만을 포함하는 것으로 도 3a에 도시되어 있지만, 시스템(302)의 통신 요건에 따라 이들 각각을 더 많은 개수로 포함할 수 있음이 이해된다. 수신기(303)는 OPA 레이저(300)와 유사하고 수신 기능을 갖는 유형의 OPA 레이저일 수 있다는 것으로 이해된다. 또한, OPA 레이저(300)는 그들 간의 광학 신호의 송수신을 위해, OPA 레이저들(300, 303)의 이중 동작을 가능하게 하는 수신 기능을 포함할 수 있다.
확대부(310)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, OPA 레이저(300)는 시드 레이저(312) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(314)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(314)은 바람직하게는 시드 레이저(312)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(316)을 따라 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(312)로부터의 출력은 10 개의 채널(316)에 대응하는 10 개의 서브-빔으로 분할되는 것으로 도시되지만, 분할 및 결합 서브시스템(314)은 시드 레이저(312)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(316)을 따라 위치된 위상 변조기(318)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(312)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조된 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(319)를 향해 전파된다. 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 이어서 예를 들어 초점 렌즈(320)에서 결합되어 출력 빔(322)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(314)은 바람직하게는 시드 레이저(312)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(322)을 형성하기 이전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수도 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(314)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위해 채널들(316) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(324)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(300)의 파워 출력 요건에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(322)의 위상, 및 따라서, 그의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(322)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔들의 상대 위상들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 3a에 도시된 자유 공간 광 통신과 같은 많은 응용 시에, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 이동시키고 성형하는 것이 바람직하다. 이는, 레이저 시스템(300)에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(314)이 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 결합된 레이저 출력(322)의 위상을 변화시켜서 이의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어함으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 수신기(303)로의 전송을 위한 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(330)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(330)은 바람직하게는 OPA 레이저(300)에서 제어 전자 모듈(332)의 일부를 형성하고, 바람직하게는 채널(316)을 따라 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변조하도록 각각의 위상 변조기(318)를 제어한다.
OPA 시스템(300) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(322)은 노이즈를 갖는다. 출력 빔(322) 내의 노이즈는 통상적으로 열적 또는 기계적 효과에 의해서 및/또는 광학 증폭기(324)가 OPA 시스템(300)에 존재하는 경우에는 증폭 프로세스에 의해서 생성된 위상 노이즈이다. 본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은 레이저 시스템(300)이 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(322)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(340)을 포함한다는 점이다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(340)은 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용한다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(340)에 의해 위상 변조기(318)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(322)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(322)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(340)은 제어 전자 모듈(332)에 포함될 수 있다.
출력 빔(322)은 강도 노이즈를 포함하는, 위상 노이즈 이외의 노이즈 유형에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 강도 노이즈를 갖는 출력 빔(322)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(340)은 출력 빔(322)의 강도 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(300)은 채널(316)별 각 서브-빔의 강도를 변조하기 위한 채널(316)별 강도 변조기(342)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(322)은 서브-빔의 상대 위치에 영향을 줄 수 있는 기계적 노이즈에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 위치 노이즈를 갖는 출력 빔(322)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(340)은 출력 빔(322) 내의 위치 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(300)은 채널(316)별 각 서브-빔의 위치를 변조하기 위한 채널(316)별 위치 변조기(344)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(322)에 위상 변화 및 노이즈 보정을 적용하는 것을 용이하게 하기 위해서, OPA 레이저(300)의 출력의 일부는 바람직하게는, 추출되어 본 도면에서 단일 검출기(350)로서 도시된 적어도 하나의 검출기로 향한다. 대안적으로, 검출기(350)는, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 기술될 바와 같이, 다수의 검출기로서 구현될 수 있다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하는데, 이러한 기준 빔의 특성에 기초하여, 상기 요구된 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 3a에 도시된 실시형태에서, 채널(316)들에 대응하는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(360)를 향한다. 빔 분할기(360)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(362) 및 반사된 부분(364)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(360)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(362)은 바람직하게는 초점 렌즈(320)를 향해 전파되며, 상기 초점 렌즈(320)에서, 서브-빔들이 결합되어 원역장 강도 패턴(366)을 갖는 출력 빔(322)을 형성한다. 서브-빔의 반사된 부분(364)은 바람직하게는 추가적인 초점 렌즈(368)를 향해 반사되며, 상기 추가적인 초점 렌즈(368)에서, 서브-빔들이 결합되어, 검출기(350)의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(372)을 갖는 출력 기준 빔(370)을 형성한다.
빔 분할기(360) 및 초점 렌즈(320 및 368)를 포함하는, 본 도면에서 도시된 빔 분할 및 재결합 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(300)은 다양한 이러한 요소들뿐만 아니라, 단지 예시적으로, 추가의 또는 다른 렌즈, 광섬유 및 코히어런트 자유-공간 원거리 결합기를 포함하는, 추가의 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔(322)의 원역장 강도 패턴(366)의 형상 및 위치, 및, 이에 따라서, 기준 빔(370)의 원역장 강도 패턴(372)의 형상 및 위치는, 서브-빔의 상대 위상의 지속적인 변화로 인해 지속적으로 변한다. 결과적으로, 원역장 강도 패턴(372)은 검출기(350) 상에서 고정되지 않고 오히려 구성성분 서브-빔들의 결합된 상대 위상들에 따라 검출기(350) 주변에서 지속적으로 이동된다. 그러나, 검출기(350)가 요구되는 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하기 위해, 검출기가 원역장 강도 패턴(372)의 강도를 측정하고 이로써, 그에 따른 노이즈 보정을 적용하기 위해서는 원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)에 입사되어야 하며, 따라서, 고정된 출력 빔이 생성된다.
원역장 강도 패턴(372)의 위상 변화에 의한 원역장 강도 패턴(372)의 동적 성질과 원역장 강도 패턴(372)을 도출하고 이에 노이즈 보정을 적용하기 위해 원역장 강도 패턴(372)에 요구되는 고정된 성질 간의 충돌은, 상이한 시간들과 레이트들로 노이즈 제거 및 위상 변화를 제공함으로써, 본 발명에서 유리하게 해결된다.
노이즈 제거 위상 보정 출력은 노이즈 샘플링 레이트에서 검출기(350)에서 측정된 노이즈를 고려하여 제공된다. 출력 빔(322)은, 요구되는 노이즈 샘플링 레이트와 같거나 높은 레이트로 출력 및 기준 원역장 강도 패턴들(366, 372)의 형상 및 위치로의 동적 변화 과정 동안, 원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)에 입사되도록 제어된다. 원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)로 복귀되는 단속적 시간들 동안 기준 빔(370)의 노이즈가 고려된다.
원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)에 입사되는 단속적 시간들 간의 시간 간격에서, 결합된 출력 빔들(322 및 370)의 위상은 물품(206)의 적층 가공을 수행하기 위해 요구된 바와 같은, 그의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키기 위해 변화된다. 결합된 레이저 출력은, 원역장 강도 패턴의 위상, 및 이로써, 형상 및 위치를 신속하게 변화시키기 위해서, 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 변화된다. 예를 들어, 노이즈 샘플링 레이트는 10 내지 1000 Hz 정도일 수 있는 반면, 위상 변화 레이트는 10,000 Hz보다 클 수 있다.
본 발명의 실시형태들에서 노이즈 제거 및 위상 변화가 바람직하게 수행되는 상이한 레이트들 및 시간 스케일들은, 도 3a에 도시된 그래프(380) 및 도 3b에 도시된 그의 확대 버전을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 3b에서 가장 명확하게 보여지는 바와 같이, 그래프(380)는 검출기(350)에서 측정된 원역장 강도 패턴(372)의 시간에 따른 강도 변화를 나타내는 상부 부분(382), 및 출력 빔(322) 및 기준 빔(370)에 기여하는 다수의 서브-빔들의 상대 위상들의 동일한 시간 구간에 걸친 변화를 보여주는 하부 부분(384)을 포함한다. 간략성을 위해서, 10 개의 서브-빔의 상대 위상들이 그래프(380)에 표시되지만, OPA 시스템(300) 및 이로써 본 명세서에 제공된 설명은 보다 소수의, 보다 통상적으로는, 훨씬 더 많은 수의 서브-빔들에 적용 가능하다는 것으로 이해된다.
상부 부분(382)에서 볼 수 있는 바와 같이, 강도 피크(386)는 원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)를 지나갈 때에 기준 빔(370)의 측정된 강도를 나타낸다. 하부 부분(384)에서 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(386)는 각각의 서브-빔의 상대 위상이 0인 단속적 시간들 Ti에서 발생하고, 여기서 0은 서브-빔들 간에서 위상의 시프트가 없다는 것을 의미하므로, 결합된 출력 빔의 위치는 변경되지 않고 이로써 원역장 강도 패턴(372)은 검출기(350)에 직접 입사된다. 이와 달리, 검출기(350)는 자신이 위치하는 위치에서 서브-빔들의 상대 위상이 0이 안되도록 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 2 개 이상의 위치들에서 이를 따라서 원역장 강도 패턴(372)이 측정될 수 있도록 2 개 이상의 검출기가 사용될 수 있다.
원역장 강도 패턴(372)이 검출기(350)의 어느 한쪽으로 이동하여 검출기(350)에 직접 입사하지 않은 때에, 강도 피크들(386) 간에서, 측정된 강도는 0에 가깝다. 상부 부분(382)을 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(386)의 크기는 레이저 출력 빔에서 노이즈의 존재로 인해 일정하지 않으며, 이러한 노이즈는 원역장 강도 패턴(372)을 열화시킨다.
하부 부분(384)에서 알 수 있는 바와 같이, 서브-빔의 상대 위상은 단속적 시간들(Ti) 간의 시간 간격(Tbetween)에서 변화된다. 본 명세서에 예시된 위상 변화 함수에서, 서브-빔들의 상대 위상은 주기적으로 규칙적으로 반복되는 패턴으로 변화되는 것으로 도시되며, 여기서 동일한 위상 시프트가 양의 방향 및 음의 방향으로 적용된다. 이러한 단순한 패턴은 단지 예시일 뿐이며 위상 변화가 반드시 규칙적으로 반복되는 것도 아니며 반드시 양의 방향과 음의 방향에서 대칭적인 것도 아니라는 것으로 이해된다. 또한, 시간 간격들 Tbetween은 바람직하게는 단속적 시간들 Ti과 중첩하지는 않은데 반드시 그러한 것은 아니다고 이해된다. 또한, 위상 변화 레이트 및 노이즈 샘플링 레이트 중 적어도 하나는 일정하거나 시간에 따라 변할 수 있음이 이해된다.
노이즈 제거 서브시스템(340)은 바람직하게는, 단속적 시간 Ti에서의 노이즈를 고려하고 단속적 시간 Ti에서 감지된 노이즈에 기초하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공함으로써 동작한다. 노이즈 제거 서브시스템(340)은 바람직하게는, 노이즈를 감지하고 그에 따라 감지된 노이즈를 보정하기 위해 알고리즘을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 노이즈 제거 서브시스템(340)은, 상대 위상이 검출기(350)에 대한 원역장 강도 패턴(372)의 각 이동 사이클 동안 소정의 위상 변화 Δφ만큼 수정되도록 하나의 채널의 상대 위상이 변경되는 알고리즘을 사용한다. 상이한 위상 변화 Δφ가 각각의 사이클에 걸쳐 선택된 서브-빔에 적용되는 다수의 사이클 후에, 알고리즘은 모든 사이클에 걸쳐 최대 출력 강도를 확인하고 이러한 최대 강도를 생성한 최적의 위상 변화 Δφ를 찾는다. 이어서, 선택된 서브-빔의 위상 변화는 후속 사이클에 대한 최적의 위상 변화 Δφ로 고정되고, 알고리즘은 다른 서브-빔을 최적화하기 위해 진행한다.
그래프(380)는 총 10 개의 서브-빔 중 3 개의 서브-빔 또는 채널 A, B 및 C에서 이러한 예시적인 알고리즘에 따른 노이즈 제거를 도시한다. 명확성을 위해, 서브-빔 A, B 및 C는 도 3c에 단독으로 표시된다. 서브-빔 A, B 및 C의 위상 변화 및 노이즈 보정을 나타내는 트레이스의 선 스타일은 도 3a 및 3b와 비교하여 도 3c에서 수정되어서, 이하의 설명을 위해서 다양한 서브-빔들 간을 서로 구별하는 것을 돕는다고 이해된다.
채널 A의 경우에 처음에 보여지는 바와 같이, 그리고 확대부(390)의 고려로부터 가장 명확하게 이해될 수 있는 바와 같이, 파선 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(330)에 의해 적용되는 바와 같은, 서브-빔 A의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Auncorrected로 표현될 수 있다. 일점 쇄선 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 A의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스를 Acorrected라 지칭할 수 있다. Acorrected의 수정된 상대 위상은 서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 차 ΔφA만큼, Auncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(350)에서 측정된 강도(386)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 서브-빔 A의 최적화의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 변한다.
서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφA를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제2 위상 시프트 ΔφA만큼 생성된 IAmax인 것으로 보인다. 이로써, 서브-빔 A의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제2 위상 시프트 ΔφA에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 B를 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 A의 최적화의 순차적인 사이클 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 A의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
서브-빔 B의 경우에 더 볼 수 있고 확대부(392)를 고려하여 가장 명확하게 이해되는 바와 같이, 채널 B의 최적화 동안 더 두꺼운 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(330)에 의해 적용될 수 있는 바와 같은, 서브-빔 B의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Buncorrected라고 지칭할 수 있다. 채널 B을 최적화하는 동안 더 얇은 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 B의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스는 Bcorrected라고 지칭할 수 있다. Bcorrected의 수정된 상대 위상은 최적화 서브-빔 B의 5 개의 사이클에 걸쳐 차 ΔφB만큼 Buncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(350)에서 측정된 강도(386)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 최적화 서브-빔(B)의 이들 5 개의 사이클에 걸쳐 변한다.
서브-빔 B의 이러한 5 개의 사이클 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφB를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제4 위상 시프트 ΔφB만큼 생성된 IABmax인 것으로 보인다. 이어서, 서브-빔 B의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제4 위상 시프트 ΔφB에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 C을 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 B의 최적화의 5 개의 사이클들 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 B의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
유사한 최적화 프로세스가 서브-빔 C에 대해서는 바람직하게 구현되며, 이 경우에, 출력 빔 강도를 최적화하고 서브-빔 C의 위상 노이즈로 인한 강도 저하를 보정하기 위해 위상 변화 ΔφC가 여러 사이클에 걸쳐 적용된다.
검출기(350)는 서브-빔의 상대 위상을 연속적으로 최적화하고 그 내에 존재하는 위상 노이즈를 보정하기 위해 연속적으로 동작할 수 있다. 그러나, 검출기(350)의 유한 응답 시간으로 인해, 검출기(350)는 비교적 느린 노이즈 샘플링 레이트로, 단속적들 시간들로, 기준 빔(370)의 노이즈만을 고려한다. 노이즈 샘플링 레이트는 바람직하게는 사전에 결정될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다. 이와 달리, 노이즈 샘플링 레이트는 랜덤일 수 있다.
그래프(380)에 도시된 노이즈 보정 알고리즘의 특정 파라미터는 단지 예시적인 것이며 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 용이하게 수정될 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, 위상 시프트 Δφ는 본원에서 예시된 것보다 더 많거나 적은 수의 사이클에 걸쳐 최적화될 수 있고, 각각의 서브-빔은 해당 서브-빔이 검출기(350)를 지나갈 때마다 완전히 최적화될 수 있거나, 또는 수 개의 서브-빔 또는 모든 서브-빔은, 원역장 강도 패턴이 검출기(350)를 지나가는 각각의 사이클 동안 최적화될 수 있다. 또한, 스토캐스틱 병렬 구배 하강 최적화 알고리즘을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비순차적 노이즈 보정 최적화 알고리즘이 대안적으로 구현될 수 있다.
자유 공간 광 통신을 위해 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔을 사용하는 것은 매우 유리하며 신속한 빔 조향, 신속한 파워 변조, 신속한 빔 포커싱 및 빔 형상 맞춤을 가능하게 한다. 통신 속도 및 품질은 기존의 자유 공간 광 통신 방법에 비해, 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력을 사용하면 향상된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 노이즈 보정이 없다면, 광학 위상 어레이 출력 빔의 형상 및 위치는 열화될 것이며, 이로써 전송된 레이저 출력의 품질, 속도 및 정밀도가 저하된다.
특정 자유 공간 광 통신 응용 분야에서 유리한 바와 같이, 빔의 원역장 강도 패턴이 이동할 때 출력 빔 강도를 유지하기 위해, 출력 빔의 이동은, 저강도 위치들에서의 감소된 파워 전달을 보상하기 위해, 이러한 저강도 위치들에서 빔이 더 많은 시간을 사용하도록 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 출력 빔의 강도를 수정하기 위해 ND 필터와 같은 강도 프로파일 마스크가 출력 빔에 적용될 수 있다.
이제 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 노이즈 보정된 동적 빔 성형을 위한 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 4a를 참조하며, 도 4a에 도시된 유형의 시스템에서 위상 변화 및 노이즈 보정의 단순화된 그래픽 표현인 도 4b 및 도 4c를 참조한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(400)이 제공되며, 이 시스템은 본 도면에서 예시적으로 레이저 용접 시스템(402) 내에서 사용되는 것으로 도시된다. 레이저 용접 시스템(402)은 레이저 용접 로봇(404) 상에 장착되거나 이의 부분 내부에 장착된 OPA 레이저 시스템(400)을 포함할 수 있다. 물품(406)과 같은 물품은 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 레이저 용접 로봇(404)에 의해 용접될 수 있다. 레이저 용접 시스템(402)이 용접 로봇(404)의 맥락에서 본 명세서에 예시되어 있지만, 시스템(402)은 당업자에게 이해될 바와 같이 임의의 용접 셋업에서 사용되도록 구성될 수 있다는 것으로 이해된다.
확대부(410)에서 가장 잘 볼 수 있는 바와 같이, OPA 레이저(400)는 시드 레이저(412) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(414)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(414)은 바람직하게는 시드 레이저(412)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(416)을 따라 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(412)로부터의 출력은 10 개의 채널(416)에 대응하는 10 개의 서브-빔으로 분할되는 것으로 도시되지만, 분할 및 결합 서브시스템(414)은 시드 레이저(412)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(416)을 따라 위치된 위상 변조기(418)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(412)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조된 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(419)를 향해 전파된다. 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 이어서 예를 들어 초점 렌즈(420)에서 결합되어 출력 빔(422)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(414)은 바람직하게는 시드 레이저(412)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(422)을 형성하기 이전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수도 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(414)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위해 채널들(416) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(424)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(400)의 파워 출력 요건에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(422)의 위상, 및 따라서, 그의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(422)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔들의 상대 위상들에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 4a에 도시된 레이저 용접과 같은 많은 응용 시에, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 이동시키고 성형하는 것이 바람직하다. 이는, 레이저 시스템(400)에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(414)이 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 결합된 레이저 출력(422)의 위상을 변화시켜서 이의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어함으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 물품(406)의 용접을 위한 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(430)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(430)은 바람직하게는 OPA 레이저(400)에서 제어 전자 모듈(432)의 일부를 형성하고, 바람직하게는 채널(416)을 따라 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변조하도록 각각의 위상 변조기(418)를 제어한다.
OPA 시스템(400) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(422)은 노이즈를 갖는다. 출력 빔(422) 내의 노이즈는 통상적으로 열적 또는 기계적 효과에 의해서 및/또는 광학 증폭기(424)가 OPA 시스템(400)에 존재하는 경우에는 증폭 프로세스에 의해서 생성된 위상 노이즈이다. 본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은 레이저 시스템(400)이 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(422)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(440)을 포함한다는 점이다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(440)은 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용한다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(440)에 의해 위상 변조기(418)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(422)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(422)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(440)은 제어 전자 모듈(432)에 포함될 수 있다.
출력 빔(422)은 강도 노이즈를 포함하는, 위상 노이즈 이외의 노이즈 유형에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 강도 노이즈를 갖는 출력 빔(422)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(440)은 출력 빔(422)의 강도 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(400)은 채널(416)별 각 서브-빔의 강도를 변조하기 위한 채널(416)별 강도 변조기(442)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(422)은 서브-빔의 상대 위치에 영향을 줄 수 있는 기계적 노이즈에 의해 추가적으로 또는 달리 영향을 받을 수 있는 것으로 이해된다. 위치 노이즈를 갖는 출력 빔(422)의 경우, 노이즈 제거 서브시스템(440)은 출력 빔(422) 내의 위치 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작할 수 있다. 그러한 경우에, OPA 레이저 시스템(400)은 채널(416)별 각 서브-빔의 위치를 변조하기 위한 채널(416)별 위치 변조기(444)를 선택사양적으로 추가로 포함할 수 있다.
출력 빔(422)에 위상 변화 및 노이즈 보정을 적용하는 것을 용이하게 하기 위해서, OPA 레이저(400)의 출력의 일부는 바람직하게는, 추출되어 본 도면에서 단일 검출기(450)로서 도시된 적어도 하나의 검출기로 향한다. 대안적으로, 검출기(450)는, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 기술될 바와 같이, 다수의 검출기로서 구현될 수 있다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 4a에 도시된 실시형태에서, 채널(416)들에 대응하는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(460)를 향한다. 빔 분할기(460)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(462) 및 반사된 부분(464)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(460)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(462)은 바람직하게는 초점 렌즈(420)를 향해 전파되며, 상기 초점 렌즈(420)에서, 서브-빔들이 결합되어 물품(406)의 표면 상에 입사하는 원역장 강도 패턴(466)을 갖는 출력 빔(422)을 형성한다. 서브-빔의 반사된 부분(464)은 바람직하게는 추가적인 초점 렌즈(468)를 향해 반사되며, 상기 추가적인 초점 렌즈(468)에서, 서브-빔들이 결합되어, 검출기(450)의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(472)을 갖는 출력 기준 빔(470)을 형성한다.
빔 분할기(460) 및 초점 렌즈(420 및 468)를 포함하는, 본 도면에서 도시된 빔 분할 및 재결합 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(400)은 다양한 이러한 요소들뿐만 아니라, 단지 예시적으로, 추가의 또는 다른 렌즈, 광섬유 및 코히어런트 자유-공간 원거리 결합기를 포함하는, 추가의 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔(422)의 원역장 강도 패턴(466)의 형상 및 위치, 및, 이에 따라서, 기준 빔(470)의 원역장 강도 패턴(472)의 형상 및 위치는, 서브-빔의 상대 위상의 지속적인 변화로 인해 지속적으로 변한다. 결과적으로, 원역장 강도 패턴(472)은 검출기(450) 상에서 고정되지 않고 오히려 구성성분 서브-빔들의 결합된 상대 위상들에 따라 검출기(450) 주변에서 지속적으로 이동된다. 그러나, 검출기(450)가 요구되는 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하기 위해, 검출기가 원역장 강도 패턴(472)의 강도를 측정하고 이로써, 그에 따른 노이즈 보정을 적용하기 위해서는 원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)에 입사되어야 하며, 따라서, 고정된 출력 빔이 생성된다.
원역장 강도 패턴(472)의 위상 변화에 의한 원역장 강도 패턴(472)의 동적 성질과 원역장 강도 패턴(472)을 도출하고 이에 노이즈 보정을 적용하기 위해 원역장 강도 패턴(472)에 요구되는 고정된 성질 간의 충돌은, 상이한 시간들과 레이트들로 노이즈 제거 및 위상 변화를 제공함으로써, 본 발명에서 유리하게 해결된다.
노이즈 제거 위상 보정 출력은 노이즈 샘플링 레이트에서 검출기(450)에서 측정된 노이즈를 고려하여 제공된다. 출력 빔(422)은, 요구되는 노이즈 샘플링 레이트와 같거나 높은 레이트로 출력 및 기준 원역장 강도 패턴들(466, 472)의 형상 및 위치로의 동적 변화 과정 동안, 원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)에 입사되도록 제어된다. 원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)로 복귀되는 단속적 시간들 동안 기준 빔(470)의 노이즈가 고려된다.
원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)에 입사되는 단속적 시간들 간의 시간 간격에서, 결합된 출력 빔들(422 및 470)의 위상은 물품(406)의 레이저 용접을 수행하기 위해 요구된 바와 같은, 그의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키기 위해 변화된다. 결합된 레이저 출력은, 원역장 강도 패턴의 위상, 및 이로써, 형상 및 위치를 신속하게 변화시키기 위해서, 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 변화된다. 예를 들어, 노이즈 샘플링 레이트는 10 내지 1000 Hz 정도일 수 있는 반면, 위상 변화 레이트는 10,000 Hz보다 클 수 있다.
본 발명의 실시형태들에서 노이즈 제거 및 위상 변화가 바람직하게 수행되는 상이한 레이트들 및 시간 스케일들은, 도 4a에 도시된 그래프(480) 및 도 4b에 도시된 그의 확대 버전을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 4b에서 가장 명확하게 보여지는 바와 같이, 그래프(480)는 검출기(450)에서 측정된 원역장 강도 패턴(472)의 시간에 따른 강도 변화를 나타내는 상부 부분(482), 및 출력 빔(422) 및 기준 빔(470)에 기여하는 다수의 서브-빔들의 상대 위상들의 동일한 시간 구간에 걸친 변화를 보여주는 하부 부분(484)을 포함한다. 간략성을 위해서, 10 개의 서브-빔의 상대 위상들이 그래프(480)에 표시되지만, OPA 시스템(400) 및 이로써 본 명세서에 제공된 설명은 보다 소수의, 보다 통상적으로는, 훨씬 더 많은 수의 서브-빔들에 적용 가능하다는 것으로 이해된다.
상부 부분(482)에서 볼 수 있는 바와 같이, 강도 피크(486)는 원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)를 지나갈 때에 기준 빔(470)의 측정된 강도를 나타낸다. 하부 부분(484)에서 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(486)는 각각의 서브-빔의 상대 위상이 0인 단속적 시간들 Ti에서 발생하고, 여기서 0은 서브-빔들 간에서 위상의 시프트가 없다는 것을 의미하므로, 결합된 출력 빔의 위치는 변경되지 않고 이로써 원역장 강도 패턴(472)은 검출기(450)에 직접 입사된다. 이와 달리, 검출기(450)는 자신이 위치하는 위치에서 서브-빔들의 상대 위상이 0이 안되도록 위치될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 도 6 내지 도 8 및 도 15 내지 도 21을 참조하여 이하에서 상세하게 설명될 바와 같이, 2 개 이상의 위치들에서 이를 따라서 원역장 강도 패턴(472)이 측정될 수 있도록 2 개 이상의 검출기가 사용될 수 있다.
원역장 강도 패턴(472)이 검출기(450)의 어느 한쪽으로 이동하여 검출기(450)에 직접 입사하지 않은 때에, 강도 피크들(486) 간에서, 측정된 강도는 0에 가깝다. 상부 부분(482)을 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 강도 피크(486)의 크기는 레이저 출력 빔에서 노이즈의 존재로 인해 일정하지 않으며, 이러한 노이즈는 원역장 강도 패턴(472)을 열화시킨다.
하부 부분(484)에서 알 수 있는 바와 같이, 서브-빔의 상대 위상은 단속적 시간들(Ti) 간의 시간 간격(Tbetween)에서 변화된다. 본 명세서에 예시된 위상 변화 함수에서, 서브-빔들의 상대 위상은 주기적으로 규칙적으로 반복되는 패턴으로 변화되는 것으로 도시되며, 여기서 동일한 위상 시프트가 양의 방향 및 음의 방향으로 적용된다. 이러한 단순한 패턴은 단지 예시일 뿐이며 위상 변화가 반드시 규칙적으로 반복되는 것도 아니며 반드시 양의 방향과 음의 방향에서 대칭적인 것도 아니라는 것으로 이해된다. 또한, 시간 간격들 Tbetween은 바람직하게는 단속적 시간들 Ti과 중첩하지는 않은데 반드시 그러한 것은 아니다고 이해된다. 또한, 위상 변화 레이트 및 노이즈 샘플링 레이트 중 적어도 하나는 일정하거나 시간에 따라 변할 수 있음이 이해된다.
노이즈 제거 서브시스템(440)은 바람직하게는, 단속적 시간 Ti에서의 노이즈를 고려하고 단속적 시간 Ti에서 감지된 노이즈에 기초하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공함으로써 동작한다. 노이즈 제거 서브시스템(440)은 바람직하게는, 노이즈를 감지하고 그에 따라 감지된 노이즈를 보정하기 위해 알고리즘을 사용한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 노이즈 제거 서브시스템(440)은, 상대 위상이 검출기(150)에 대한 원역장 강도 패턴(472)의 각 이동 사이클 동안 소정의 위상 변화 Δφ만큼 수정되도록 하나의 채널의 상대 위상이 변경되는 알고리즘을 사용한다. 상이한 위상 변화 Δφ가 각각의 사이클에 걸쳐 선택된 서브-빔에 적용되는 다수의 사이클 후에, 알고리즘은 모든 사이클에 걸쳐 최대 출력 강도를 확인하고 이러한 최대 강도를 생성한 최적의 위상 변화 Δφ를 찾는다. 이어서, 선택된 서브-빔의 위상 변화는 후속 사이클에 대한 최적의 위상 변화 Δφ로 고정되고, 알고리즘은 다른 서브-빔을 최적화하기 위해 진행한다.
그래프(480)는 총 10 개의 서브-빔 중 3 개의 서브-빔 또는 채널 A, B 및 C에서 이러한 예시적인 알고리즘에 따른 노이즈 제거를 도시한다. 명확성을 위해, 서브-빔 A, B 및 C는 도 4c에 단독으로 표시된다. 서브-빔 A, B 및 C의 위상 변화 및 노이즈 보정을 나타내는 트레이스의 선 스타일은 도 4a 및 4b와 비교하여 도 4c에서 수정되어서, 이하의 설명을 위해서 다양한 서브-빔들 간을 서로 구별하는 것을 돕는다고 이해된다.
채널 A의 경우에 처음에 보여지는 바와 같이, 그리고 확대부(490)의 고려로부터 가장 명확하게 이해될 수 있는 바와 같이, 파선 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(430)에 의해 적용되는 바와 같은, 서브-빔 A의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Auncorrected로 표현될 수 있다. 일점 쇄선 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 A의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스를 Acorrected라 지칭할 수 있다. Acorrected의 수정된 상대 위상은 서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 차 ΔφA만큼, Auncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(450)에서 측정된 강도(486)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 서브-빔 A의 최적화의 처음 5 개의 사이클들에 걸쳐 변한다.
서브-빔 A의 처음 5 개의 사이클들 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφA를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제2 위상 시프트 ΔφA만큼 생성된 IAmax인 것으로 보인다. 이로써, 서브-빔 A의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제2 위상 시프트 ΔφA에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 B를 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 A의 최적화의 순차적인 사이클 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 A의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
서브-빔 B의 경우에 더 볼 수 있고 확대부(492)를 고려하여 가장 명확하게 이해되는 바와 같이, 채널 B의 최적화 동안 더 두꺼운 트레이스는 임의의 노이즈 보정없이 위상 제어 서브시스템(430)에 의해 적용될 수 있는 바와 같은, 서브-빔 B의 상대 위상에서의 변화 패턴을 나타낸다. 이 트레이스는 Buncorrected라고 지칭할 수 있다. 채널 B을 최적화하는 동안 더 얇은 트레이스는 최적의 위상 노이즈 보정을 찾기 위해 노이즈 보정 알고리즘에 의해 수정된 서브-빔 B의 실제 상대 위상을 나타낸다. 이 트레이스는 Bcorrected라고 지칭할 수 있다. Bcorrected의 수정된 상대 위상은 최적화 서브-빔 B의 5 개의 사이클에 걸쳐 차 ΔφB만큼 Buncorrected의 수정되지 않은 상대 위상으로부터 시프트된다. 검출기(450)에서 측정된 강도(486)는 상대 위상 시프트에서의 의도적인 변화로 인해 최적화 서브-빔(B)의 이들 5 개의 사이클에 걸쳐 변한다.
서브-빔 B의 이러한 5 개의 사이클 후에, 알고리즘은 최대 강도를 확인하고 이 최대 강도를 생성하는 위상 변화 ΔφB를 찾는다. 이 경우, 최대 강도는 제4 위상 시프트 ΔφB만큼 생성된 IABmax인 것으로 보인다. 이어서, 서브-빔 B의 상대 위상 변화에 적용된 위상 변화는 후속 사이클 동안 제4 위상 시프트 ΔφB에 고정되고 알고리즘은 서브-빔 C을 최적화하도록 진행한다.
서브-빔 B의 최적화의 5 개의 사이클들 동안, 서브-빔들 중 나머지의 상대 위상들은 통상적으로 변하는데, 각각이 서브-빔 B의 노이즈가 고려되는 노이즈 샘플링 레이트를 훨씬 초과하는 위상 변화 레이트로 변한다.
유사한 최적화 프로세스가 서브-빔 C에 대해서는 바람직하게 구현되며, 이 경우에, 출력 빔 강도를 최적화하고 서브-빔 C의 위상 노이즈로 인한 강도 저하를 보정하기 위해 위상 변화 ΔφC가 여러 사이클에 걸쳐 적용된다.
검출기(450)는 서브-빔의 상대 위상을 연속적으로 최적화하고 그 내에 존재하는 위상 노이즈를 보정하기 위해 연속적으로 동작할 수 있다. 그러나, 검출기(450)의 유한 응답 시간으로 인해, 검출기(450)는 비교적 느린 노이즈 샘플링 레이트로, 단속적들 시간들로, 기준 빔(470)의 노이즈만을 고려한다. 노이즈 샘플링 레이트는 바람직하게는 사전에 결정될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다. 이와 달리, 노이즈 샘플링 레이트는 랜덤일 수 있다.
그래프(480)에 도시된 노이즈 보정 알고리즘의 특정 파라미터는 단지 예시적인 것이며 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 용이하게 수정될 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, 위상 시프트 Δφ는 본원에서 예시된 것보다 더 많거나 적은 수의 사이클에 걸쳐 최적화될 수 있고, 각각의 서브-빔은 해당 서브-빔이 검출기(450)를 지나갈 때마다 완전히 최적화될 수 있거나, 또는 수 개의 서브-빔 또는 모든 서브-빔은, 원역장 강도 패턴이 검출기(450)를 지나가는 각각의 사이클 동안 최적화될 수 있다. 또한, 스토캐스틱 병렬 구배 하강 최적화 알고리즘을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비순차적 노이즈 보정 최적화 알고리즘이 대안적으로 구현될 수 있다.
레이저 용접을 위해 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔을 사용하는 것은 매우 유리하며 신속한 빔 조향, 신속한 파워 변조, 신속한 빔 포커싱 및 빔 형상 맞춤을 가능하게 한다. 재료를 절단할 수 있는 속도 및 품질은 기존의 레이저 절단 방법에 비해, 동적으로 성형되고 노이즈가 보정된 광학 위상 어레이 출력을 사용하면 향상된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 노이즈 보정이 없다면, 광학 위상 어레이 출력 빔의 형상 및 위치는 열화될 것이며, 이로써 레이저 절단 공정의 품질, 속도 및 정밀도가 저하된다.
특정 레이저 절단 응용 분야에서 유리한 바와 같이, 빔의 원역장 강도 패턴이 이동할 때 출력 빔 강도를 유지하기 위해, 출력 빔의 이동은, 저강도 위치들에서의 감소된 파워 전달을 보상하기 위해, 이러한 저강도 위치들에서 빔이 더 많은 시간을 사용하도록 제어될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 출력 빔의 강도를 수정하기 위해 ND 필터와 같은 강도 프로파일 마스크가 출력 빔에 적용될 수 있다.
이제 도 5a 내지 5g를 참조하는데, 이들 도면은 도 1a 내지 도 4c에 도시된 유형의 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 출력의 가능한 원거리 움직임의 단순화된 예시이다.
전술한 바와 같이, 레이저 절단, 레이저 적층 가공, 레이저 용접 및 레이저 자유 공간 광 통신을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 다양한 레이저 응용 분야에서, 동적으로 성형된 노이즈 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔을 사용하는 것은 매우 유리하며, 신속한 빔 조향, 신속한 파워 변조, 신속한 빔 포커싱 및 빔 형상 맞춤을 가능하게 한다. 본 발명의 실시형태에 따른 신속한 빔 조향을 나타내는 예시적인 원거리 패턴이 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 이들 빔 조향 패턴은 기계적 빔 조향과 같은 빔의 기계적 공간적 변조를 보완하기 위해 그리고 이와 조합하여 제공될 수 있다. 기계적 빔 조향은 도 1a에 도시된 포지셔닝 테이블(104)에 의해 제공된 움직임에 기인하거나; 도 2a에 도시된 유형의 적층 가공 시스템에서는 미러 스캐닝에 기인하거나; 도 3a에 도시된 레이저 시스템(300)과 수신기(303) 간의 기계적 움직임에 기인하거나; 도 4a에 도시된 로봇(404)에 의해 제공된 움직임에 기인하거나, 또는 다른 기계적 움직임 소스에 기인한다.
기계적 움직임은 목표되거나 그렇지 않은 움직임일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 실시형태에 의해 제공되는 원거리 급속 빔 조향은 목표 결합 빔 움직임을 달성하도록 기계적 움직임을 보완한다. 이러한 목표 결합 빔 움직임은 기계적 빔 변조 단독의 결과로서 생성되는 것보다 더 신속하고/하거나 정확할 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 동적으로 성형된 노이즈 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔은 제1 빔 경로(502)에 의해 예시된 바와 같이, 신속한 다중 지점 점프를 나타낼 수 있으며, 이러한 신속한 다중 지점 점프는 제2 빔 경로(504)로 표현되는 기계적 스캐닝으로 인한 빔 움직임을 보완한다.
예시적으로, 이러한 다중 지점 점핑은 처리되는 재료의 각 지점에서 에너지가 흡수되기까지 시간이 걸리는 재료 처리에 유리할 수 있다. 다중 지점 점프를 사용하면 빔이 지점들 간에 점프하여, 각 지점으로 여러 번 되돌아가므로, 많은 지점을 병렬적으로 처리할 수 있다. 또한, 예시적으로, 이러한 다중 지점 점핑은 다수의 위치로의 병렬 전송을 실현함으로써 통신 시스템에서 유리할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 동적으로 성형된 노이즈 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔의 사용은 제3 빔 경로(506)에 의해 도시된 바와 같이, 신속한 스캐닝을 용이하게 하며, 이러한 신속한 스캐닝은 제4 빔 경로(508)에 의해 표현되는 기계적 스캐닝으로 인해 빔 움직임을 보완한다. 이러한 신속한 스캐닝은 연속적이고 부드러운 기계적 빔 움직임을 용이하게 하며, 이러한 움직임의 미세한 특징은 본 발명의 실시형태에 따른 원거리 동적 성형에 의해 제공될 수 있다. 또한, 기계적으로 변조된 빔 패턴에 존재할 수 있는 부정확성을 보정하기 위해 기계적 빔 움직임과 결합하여 동적 노이즈 보정된 원거리 변조가 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 전기 광학 빔 워블(wobble)을 나타내는 예시적인 원거리 빔 패턴이 도 5c에 도시되어 있다. 도 5c에 도시 된 바와 같이, 동적으로 성형된 노이즈 보정된 광학 위상 어레이 출력 빔은 빔 움직임 방향(512)을 따른 신속한 빔 워블(510)을 나타내도록 제어되며, 이는 예를 들어, 도 4a에 도시된 바와 같은 레이저 용접 시스템에서 특히 유용하다.
본 발명의 바람직한 실시형태들에 따른 초점 심도의 동적 변형을 나타내는 예시적인 원거리 빔 패턴이 도 5d 내지 5f에 도시되어 있다. 도 5d 내지 5f에 도시된 바와 같이, 빔 초점 심도는 본 발명의 시스템에 의해 동적으로 변경될 수 있으며, 이는 스캐닝(도 5e) 및 깊은 절단(도 5d 및 5f)을 위한 가변 빔 초점 길이를 가능하게 하며, 도 1a, 2a 및 4a에 도시된 유형의 절단, 적층 가공 및 용접 시스템에서 특히 유용하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 동적 빔 성형을 나타내는 예시적인 원거리 빔 패턴이 도 5g에 도시되어 있다. 도 5G에 도시된 바와 같이, 빔의 형상은 목표 빔 형상 출력을 생성하도록 동적으로 변경될 수 있다. 이는 예를 들어 도 1a, 2a 및 4a에 도시된 유형의 절단, 적층 가공 및 용접 시스템뿐만 아니라 다른 상황에서도 특히 유용할 수 있다. 당업계에 잘 알려진 바와 같이, 레이저 절단, 용접 및 3D 프린팅의 품질 및 속도는 통상적으로 빔 크기 및 형상에 의해 영향을 받는다. 본 발명은 임의의 지점에서 빔을 최적의 형상으로 동적으로 적응시킬 수 있게 한다.
도 5a 내지 도 5g에 도시된 다양한 원거리 빔 움직임 패턴은 모두 바람직하게는 임의의 가동 부품을 필요로 하지 않으면서 디지털 전자 제어를 사용하여 본 발명의 시스템에 의해 생성되는 것으로 이해된다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 다수의 검출기들 및 이에 대응하는 다수의 근접 이격된 광학 경로들을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 6을 참조한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저(600)가 제공된다. OPA 레이저(600)는 일반적으로 도 1a 내지 도 4c 중 임의의 것에 도시된 유형일 수 있으며, 바람직하게는 시드 레이저(612) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(614)을 포함한다. 분할 및 결합 서브시스템(614)은 바람직하게는 시드 레이저(612)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(616)을 따르는 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(612)로부터의 출력은 4 개의 채널(616)을 따르는 4 개의 서브-빔으로 분할되는 것으로 도시되지만, 분할 및 결합 서브시스템(614)은 시드 레이저(612)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 채널(616) 각각을 따라 위치된 위상 변조기(618)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(612)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(619)를 향해 전파된다. 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 이어서 예를 들어, 초점 렌즈(620)에서 결합되어 출력 빔(622)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(614)은 또한 바람직하게는, 시드 레이저(612)의 출력 빔을 서브-빔들로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(622)을 형성하기 전에, 서브-빔들의 레이저 증폭을 제공할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(614)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위해 채널들(616) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(624)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(600)의 파워 출력 사양에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(622)의 위상, 및 그에 따른 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(622)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔들의 상대 위상에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 1a 내지 도 5g를 참조하여 전술한 바와 같이, 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 적층 가공 및 광학 자유 공간 통신과 같은 많은 응용분야들에서, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 움직이고 성형하는 것이 바람직하다. 이는 레이저 시스템(600)에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(614)이 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 레이저 출력의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어하도록 상기 결합된 레이저 출력(622)의 위상을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(630)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(630)은 바람직하게는 OPA 레이저(600)에서 제어 전자 모듈(632)의 부품을 형성하고 바람직하게는, 각기, 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a의 위상 제어 서브시스템들(130, 230, 330, 430)을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 채널들(616)에 대응하는 서브-빔들의 상대 위상을 동적으로 변조하도록 각각의 위상 변조기(618)를 제어한다.
OPA 시스템(600) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(622)은 노이즈를 갖는다. 출력 빔(622)에서의 노이즈는 통상적으로 광학 증폭기(624)가 OPA 시스템(600)에 존재하는 경우 열적 또는 기계적 효과 및/또는 증폭 프로세스에 의해 생성된 위상 노이즈이다. OPA 시스템(600)은 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(622)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(640)을 포함하는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(640)은, 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용하며, 이러한 알고리즘은 바람직하게는, 그러나 반드시 그럴 필요는 없지만, 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 유형일 수 있다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(640)에 의해 위상 변조기(618)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(622)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(622)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(640)은 제어 전자 모듈(632)에 포함될 수 있다.
출력 빔(622)에 대한 위상 변화 및 노이즈 보정의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(600)의 출력의 일부가 추출되어 복수의 검출기(650)로 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 채널들(616)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(660)를 향한다. 빔 분할기(660)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(662) 및 반사된 부분(664)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(660)는 각각의 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(662)은 바람직하게는 초점 렌즈(620)를 향해 전파되며, 이 초점 렌즈(620)에서, 서브-빔들이 원역장 강도 패턴(666)을 갖는 출력 빔(622)을 형성하도록 결합된다. 서브-빔의 반사된 부분(664)은 바람직하게는 추가 초점 렌즈(668)를 향해 반사되며, 이 추가 초점 렌즈(668)에서, 서브-빔은 복수의 검출기들(650) 중 하나 이상의 검출기들의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(672)을 갖는 출력 기준 빔(670)을 형성하도록 결합된다.
도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 바와 같이, 노이즈 제거 위상 보정 출력은 노이즈 샘플링 레이트에서 검출기(650)에서 측정된 노이즈를 고려하여 제공되는 것이 바람직하다. 출력 빔(622)은, 요구되는 노이즈 샘플링 레이트와 같거나 높은 레이트로 출력 원역장 강도 패턴 및 기준 원역장 강도 패턴(666, 672)의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키는 과정 동안 원역장 강도 패턴(672)이 검출기들(650)에 입사되도록, 제어된다. 원역장 강도 패턴(672)이 검출기(650)로 복귀되는 이러한 단속적 시간 동안 기준 빔(670)의 노이즈가 고려된다.
원역장 강도 패턴(672)이 검출기(650)에 입사되는 단속적 시간들 간의 시간 간격들에서, 결합된 출력 빔(622, 670)의 위상은 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치를 동적으로 변화시키도록 변화된다. 결합된 레이저 출력은, 원역장 강도 패턴의 위상, 및 이로써, 형상 및 위치를 신속하게 변화시키기 위해서, 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 변화된다. 따라서, 노이즈 제거 및 위상 변화는 바람직하게는 서로 상이한 시간 및 레이트로 제공된다.
단일 검출기가 아니라 복수의 검출기(650)를 사용하는 것이 본 발명의 특정 실시형태에서 매우 유리한 것으로 드러났으며, 이후 다양한 세부적인 이점들을 낳을 수 있다. 그러나, 시스템(600)이 컴팩트한 방식으로 형성되기 위해서 바람직한 바와 같이, 추가 초점 렌즈(668)의 초점 길이가 비교적 짧은 경우에, 복수의 검출기(650) 중 일부 검출기들은 바람직하게는 서로 매우 근접하게 위치될 필요가 있을 것이다. 검출기들 간 목표 간격은 수 마이크론 정도일 수 있다. 검출기들(650)의 이러한 높은 공간적 밀도 배열은, 특히, 목표 검출기 간 간격보다 훨씬 큰 치수를 갖는 종래의 검출기들에서, 일반적으로는 비실용적이다.
복수의 검출기(650)에 의한 원역장 강도 패턴(672)의 높은 공간적 밀도 샘플링을 실현하기 위해, OPA 시스템(600)은 복수의 검출기(650)에 대응하는 방식으로 결합된 복수의 광섬유(680)로서, 본 명세서에서, 예시적으로, 구현되는 복수의 광 경로를 포함하는 것이 바람직하다. 기준 빔(670)은 바람직하게는 광섬유들(680)의 복수의 개방 단부(682) 중 하나 이상으로 들어가서 그를 따라서 검출기들(650) 중 대응하는 검출기들로 이동한다. 복수의 광섬유(680)의 복수의 단부(682)는 복수의 검출기(650)의 공간 밀도보다 큰 공간 밀도를 갖도록 배열되는 것이 바람직한데, 이는 인접한 광섬유들(680)의 개방 단부들(682) 간의 간격이 대응하는 인접한 검출기들(650) 간의 간격보다 작다는 것을 의미한다. 이는 검출기들(650)이 이를 따라서 근접 이격된 간격으로 원역장 강도 패턴(672)을 검출할 수 있게 하며, 이 경우에 검출기들(650) 자체가, 원역장 강도 패턴(672)이 샘플링되는 이러한 근접하게 이격된 위치들에 물리적으로 위치될 필요는 없다.
예시적으로, 광섬유들(680)의 단부들(682)은 수 마이크론의 거리만큼 서로 이격될 수 있고, 반면에, 광섬유들(680) 중 대응하는 광섬유들에 연결된 검출기들(650)은 수 밀리미터의 거리만큼 상호 이격될 수 있다. 이러한 배열은 시스템(600)에서 종래의 검출기의 사용을 가능하게 하고, 비싸고 복잡한 소형 검출 시스템에 대한 필요성을 제거할 것으로 이해된다.
광섬유들(680)의 단부들(682) 간의 실제 물리적으로 근접한 이격 거리에 의해 실현되는 바와 같이, 효과적으로 서로 근접하게 이격된 복수의 검출기(650)를 포함하는 것이, 본 발명의 바람직한 실시형태들에서 매우 유리한 것으로 밝혀졌다. 특히, 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 단일 검출기(150)보다는 복수의 검출기(650)를 사용함으로써, 원역장 강도 패턴(672)이 단일 위치가 아니라 복수의 위치들에서 샘플링될 수 있다. 이는 출력 빔(622)의 동적 변화 동안보다 효율적이거나/이고 더 빈번한 노이즈 보정을 가능하게 한다.
복수의 근접하게 이격된 광학 경로들은, 검출기들(650)의 검출기 간 간격보다 작은 섬유 간 말단 간격을 갖는, 단부들(682)이 매우 근접하게 이격된 복수의 광섬유(680)로서 구현되는 것으로 제한되지 않는다는 것으로 이해된다. 이와 달리, 본 발명의 범위는 그를 따라서 원역장 강도 기준 패턴(672)을 복수의 검출기(650)에 전달할 수 있고 충분히 큰 공간 밀도로 배열될 수 있는 임의의 적절한 개수의 복수의 광 경로를 포함하는 것으로 확장된다.
예시적으로, 복수의 근접하게 이격된 광 경로는 도 7에 도시된 바와 같이 복수의 렌즈(780)로서 구현될 수 있다. 복수의 렌즈(780)는 원역장 강도 기준 패턴(672)의 일부를 덜 근접하게 이격된 복수의 검출기(650) 쪽으로 포커싱하기 위해 매우 근접하게 이격될 수 있다. 또한 예시적으로, 복수의 근접하게 이격된 광 경로는 도 8에 도시된 바와 같이 대응하는 복수의 렌즈(882)와 협력하여 동작하는 복수의 미러(880)로서 구현될 수 있다. 복수의 미러(880)는 원역장 강도 기준 패턴(672)의 일부를 덜 근접하게 이격된 복수의 검출기(650)를 향해 반사시키도록 매우 근접하게 이격될 수 있다.
다수의 검출기를 포함하며, 도 6 내지 8 중 어느 하나에 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템은, 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a 중 어느 하나에 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템에 통합되어 이 시스템의 위상 변화된 출력에 대해 보다 효율적이고/이거나 더 빈번한 노이즈 보정을 제공할 수 있음이 이해된다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 궤적에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략도인 도 9를 참조한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저(900)가 제공된다. OPA 레이저(900)는 그 안에 채용된 검출기 구성을 제외하고, 관련 측면에서 도 6의 OPA 레이저(600)와 전반적으로 유사할 수 있다. OPA 레이저(600)는 바람직하게는 대응하는 다수의 근접하게 이격된 광학 경로를 통해 출력 빔을 수신하는 다수의 검출기를 채용하지만, OPA 레이저(900)는 반드시 2 개 이상의 검출기만을 사용하지는 않는다.
도 9에 도시된 본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은, OPA 레이저(900)가, 바람직하게는, 본 도면에서 단일 검출기(650)를 포함하는 것으로 도시되어 있는, 적어도 하나의 검출기(650)에 출력 기준 빔(670)을 자신을 통해서 제공하기 위한 적어도 하나의 투과 영역(982)을 갖는 광학 마스크(980)를 포함하는 것이다. 광학 마스크(980)는 바람직하게는 투과 영역(982)에서만 빔(670)에 대해 투과성인 광학적으로 불투명한 요소이다. 본 도면에서, 예를 들어, 투과 영역(982)은 출력 원역장 강도 패턴 및 기준 원역장 강도 패턴(666, 672)의 별 모양 궤적에 따라 구성된, 별 모양의 투과 경로로서 형성된 것으로서 도시된다.
출력 기준 빔(670)은 바람직하게는 투과 영역(982)을 통해 투과되고 본 도면에서는 초점 렌즈(990)로서 예시적으로 구현되는 포커싱 서브시스템을 통해 검출기(650)에 포커싱된다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는 검출기(650)에 포커싱되고 입사되는 원역장 강도 패턴(672)의 강도를 고려하여 노이즈 제거 서브시스템(630)에 의해 제공된다.
보다 구체적으로, 출력 빔 및 기준 빔(622, 670)의 위상은 바람직하게는, 출력 및 기준 빔(622 및 670)이 별 형상의 투과 영역(982)의 형상에 대응하는 별 형상의 궤적과 같은 소정의 궤적을 횡단하도록 위상 제어 서브시스템(630)에 의해 동적으로 변화된다. OPA 레이저(900)에 노이즈가 없는 경우, 출력 빔 및 기준 빔(622 및 670)이 횡단한 궤적은 투과 영역(982)의 형상과 적어도 거의 정확하게 대응할 것이며, 이로써 검출기(650)에 의해 검출된 원역장 강도 패턴(672)의 강도는 최대의 비열화된 강도가 된다. 그러나, 출력 빔 및 기준 빔(622 및 670)에 노이즈가 존재하기 때문에, 원역장 강도 패턴(672)의 궤도 및 형상은 투과 영역(982)의 형상으로부터 다소 벗어날 수 있으며, 이로써 기준 빔(670)의 일부는 투과 영역(982)이 아니라 마스크(980)의 불투명 영역에 입사되어 투과 영역(982)을 통해 검출기(650)로 전달되지 않도록 한다. 그러한 경우에, 검출기(650)에 의해 검출된 원역장 강도 패턴(672)의 강도는 노이즈가 없을 때 검출될 최대 강도보다 낮다.
이로써, 검출기(650)에 의해 측정된 원거리 장 강도 패턴(672)의 강도의 열화는 바람직하게는 출력 빔 및 기준 빔(622, 670)의 궤적의 노이즈-유발된 왜곡을 나타내는 것이며 이로써, 노이즈 제거 서브시스템(640)에 의해 적용될 노이즈 제거 위상 보정 출력을 도출하는 데 사용될 수 있다.
마스크(980) 뒤에 위치된 전술한 검출기(650)의 배열은, 기준 빔의 궤적을 따르는 기준 빔(670)의 출력 강도를 감지하는 데 단일 검출기(650)만이 사용될 수 있게 한다는 것이 이해되며, 여기서 상기 감지된 출력 강도에 기초하여 노이즈 제거 위상 보정 출력이 적용될 수 있다. 이는, 출력 빔(622)의 동적 변화 동안 충분히 효율적이면서/이거나 빈번한 노이즈 보정을 제공하기 위해 다수의 검출기가 사용될 수 있는, 예를 들어, 도 6 내지 도 8을 참조하여 전술한 것과 같은, 마스크(980)를 포함하지 않는 대안적인 검출기 구성과는 대조적이다.
노이즈로 인한 빔 궤적의 왜곡으로 인해 검출기(650)에 의해 측정된 바와 같은 기준 빔(670)의 강도 변화에 추가하여, 원역장 강도 패턴(672)에서의 고유 강도 변화로 인해, 기준 빔(670)의 강도는 통상적으로 그의 궤적을 따라 변할 수 있다. 이러한 바는 검출기(650)에 의해 제공되는 노이즈 보정 피드백을 복잡하게 할 수 있는데, 그 이유는 기준 빔(670)의 강도의 변화가 노이즈에 기인하거나 노이즈와 관련이 없는 고유의 강도 변화에 기인할 수 있기 때문이다.
검출기(650)에 의해 제공되는 노이즈 보정 피드백의 신뢰성을 향상시키기 위해, 마스크(980)의 투과 영역(982)에는 가변 투명도의 영역이 제공될 수 있으며, 이러한 가변 투명도 영역의 투명도 레벨은 기준 빔의 궤적을 따른 기준 빔(670)의 고유 강도 변화를 보상하도록 설정된다.
불균일한 투명성을 갖는 마스크(980)의 투과 영역(982)의 매우 단순화된 표현이 도 10에 도시되어 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 그의 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2) 사이에 구획된 투과 영역(982)의 제1 부분은 제1 투명도(T1)를 가질 수 있고; 제2 지점(P2)과 제3 지점(P3) 사이에 구획된 투과 영역(982)의 제2 부분은 제1 투명도(T1)와는 상이한 제2 투명도(T2)를 가질 수 있고; 제3 지점(P3)과 제4 지점(P4) 사이에 구획된 투과 영역(982)의 제3 부분은 제1 투명도(T1)를 가질 수 있고; 제4 지점(P4)과 제 5 지점(P5) 사이에 구획된 투과 영역(982)의 제4 부분은 제1 투명도 및 제2 투명도(T1 및 T2)와는 상이한 제3 투명도(T3)를 가질 수 있고; 제 5 지점(P5)와 제1 지점(P1) 사이에 구획된 제 5 투과 영역(982)은 제2 투명도(T2)를 가질 수 있다.
투과성 영역(982)의 다양한 부분은 투명도 값이 개별적으로 상이하거나 또는 원역장 강도 패턴(672)의 강도 보상 요건에 따라, 투과 영역(982)의 투명도는 그 다양한 부분에 걸쳐 점차적으로 변화될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
바람직하게는, 반드시 그런 것은 아니지만, 마스크(980)는 LCD 스크린 또는 유사한 디바이스와 같은 전자적으로 변조된 디바이스이다. 따라서, 투과 영역(982)의 특성은 기준 빔(670)의 출력 특성에 따라 쉽게 전자적으로 변조될 수 있다.
도 9 및 10에 도시된 투과 영역(982)의 특정 형상은 단지 예시적이며, 투과 영역(982)은 출력 원역장 강도 패턴 및 기준 원역장 강도 패턴(666 및 672)의 임의의 궤적에 따라 구성될 수 있다는 것으로 이해된다. 추가적으로, 투과 영역(982)은 2 개 이상의 투과 영역을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다. 이러한 경우에, 단일 검출기(650)는 모든 투과 영역들로부터 광을 수신하는 데 사용될 수 있거나, 대응하는 개수의 검출기가 각각의 투과 영역에 대해 위치될 수 있다.
또한, 투과 영역(982)은 도 11 및 도 12를 참조하여 상세히 설명된 바와 같이, 그의 궤적이 아니라 출력 원역장 강도 패턴 및 기준 원역장 강도 패턴(666 및 672)의 형상에 따라 추가적으로 또는 달리 구성될 수 있다는 것으로 이해된다.
이제, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 예시적인 레이저 빔 형상에 따라 구성된 검출기 마스크를 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 간략화된 개략도인 도 11을 참조한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 관련 측면들에서 시스템(900)과 유사한 시스템(1100)은 도 9 및 도 10의 광학 마스크(980)를 대체하는, 적어도 하나의 투과 영역(1182)을 갖는 광학 마스크(1180)를 포함할 수 있다. 광학 마스크(1180)는, 투과 영역(1182)이 그의 궤적이 아닌 기준 빔(670)의 형상에 따라 구성되는 것을 제외하고, 모든 관련 측면에서 광학 마스크(980)와 유사할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 투과 영역(1182)은 나비 넥타이 형상의 출력 원역장 강도 패턴 및 기준 원역장 강도 패턴(666 및 672)에 따라 구성된 나비 넥타이 형상의 투과 영역인 것으로 도시되어 있다.
투과 영역(1182)은 불균일한 투명도를 가질 수 있으며, 이러한 영역의 단순화된 표현은 도 12에 도시되어 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 투과 영역(1182)의 제1 부분은 제1 투명도(T1)를 가질 수 있고 투과 영역(1182)의 제2 부분은 제1 투명도(T1)와는 상이한 제2 투명도(T2)를 가질 수 있다. 도 10을 참조하여 상술한 바와 같이, 투과 영역(1182)의 다양한 레벨의 투명도들이 사용되어, 출력 빔(670)에서의 고유 강도 변화를 보상하고 따라서 검출기(650)에서 검출된 강도에 기초하여 제공된 노이즈 보정 출력을 개선할 수 있다.
마스크들(980 및 1180)의 투과 영역들(982 및 1182) 각각은 추가적으로 또는 달리 반사 영역들로서 구현될 수 있으며, 이 반사 영역들로부터 출력 기준 빔(670)을 검출기(650)를 향해 반사한다는 것으로 이해된다. 이러한 구성에서, 반사 영역(982, 1182)으로부터의 출력 기준 빔(670)을 검출기(650)의 표면 상으로 향하도록 하기 위해서, 예를 들어, 본 도면에서, 초점 렌즈(990)로서 구현되는 초점 서브시스템에 대한 적절한 수정구성 및/또는 추가구성이 요구될 것이다. 마스크들(980 및 1180)의 반사 영역들은 균일한 반사율을 가질 수 있다. 대안적으로, 마스크(980 및 1180)의 반사 영역은 전술한 바와 같이 출력 기준 빔(670)의 고유 강도 변화를 보상하기 위해 불균일 반사율을 가질 수 있다.
마스크(980 및 1180)가 반사 영역을 포함하는 경우, 마스크(980 및 1180)는 DMD(digital micromirror device) 또는 다른 유사한 디바이스와 같은 전기적으로 변조된 디바이스로서 구현될 수 있다.
투과형 광학 마스크 또는 반사형 광학 마스크를 통해 출력 기준 빔을 수신하는 적어도 하나의 검출기를 포함하는, 도 9 내지 12 중 어느 하나에 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템이, 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a 중 임의의 것에서 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템에 통합되어서 해당 시스템의 위상 변화 출력에 대해 보다 효율적인 노이즈 보정을 제공할 수 있다는 것으로 이해된다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 전압-위상 상관 기능을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 간략화된 개략도인 도 13을 참조한다.
도 13에 도시된 바와 같이, OPA 레이저 시스템(1300)이 제공된다. OPA 레이저(1300)는 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 설명된, 전반적으로 OPA 레이저(100, 200, 300, 400)와 유사한 유형일 수 있다. OPA 레이저(1300)는 시드 레이저(1312) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(1314)을 포함하는 것이 바람직하다. 레이저 분할 및 결합 서브시스템(1314)은 바람직하게는 시드 레이저(1312)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(1316)을 따르는 복수의 서브-빔들로 분할한다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(1316)을 따라 위치된 위상 변조기(1318)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(1312)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조된 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(1319)를 향해 전파된다. 이어서, 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 예를 들어 렌즈(1320)의 초점면에서 결합되어 출력 빔(1322)을 형성한다.
레이저 분할 및 결합 서브시스템(1314)은 또한 바람직하게는, 시드 레이저(1312)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔들을 결합하여 출력 빔(1322)을 형성하기 전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(1314)은 각각의 서브-빔을 증폭하기 위해 채널들(1316) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(1324)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택적이고 OPA 레이저(1300)의 파워 출력 사양에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(1322)의 위상, 및 그에 따른 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(1322)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔의 상대 위상에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 전술한 레이저 절단, 레이저 용접, 자유 공간 광 통신 및 레이저 적층 가공과 같은 많은 응용분야에서, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 움직이고 성형하는 것이 바람직하다. 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 상술한 바와 같이, 출력 빔의 파라미터의 동적 변화는 채널(1316)을 따르는 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고, 이로써 레이저 출력의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어하기 위해 상기 결합된 레이저 출력(1322)의 위상을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 변조 제어 모듈(1330)에 의해 적용된다. 위상 변조기(1318)가 채널(1316)을 따르는 서브-빔의 목표 위상 변조를 생성하도록, 위상 변조 제어 모듈(1330)은 위상 변조기(1318)에 전압을 제공하는 것이 바람직하다. 위상 변조기(1318)와 결합된 위상 변조 제어 모듈(1330)은 위상 변조 서브시스템(1332)의 특히 바람직한 실시형태를 형성하고, 이러한 위상 변조 서브시스템(1332)은 바람직하게는 결합된 레이저 출력(1322)의 위상을 변화시키도록 동작하는 것으로 이해된다.
출력 빔(1322)에 대한 위상 변화의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(1300)의 출력의 일부가 추출되어 적어도 하나의 검출기(1350)를 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 13에 도시된 실시형태에서, 채널(1316)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(1360)를 향한다. 빔 분할기(1360)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(1362) 및 반사된 부분(1364)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(1360)는 각각의 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(1362)은 바람직하게는 초점 렌즈(1320)를 향해 전파되며, 이러한 초점 렌즈(1320)에서, 서브-빔들이 원역장 강도 패턴(1366)을 갖는 출력 빔(1322)을 형성하도록 결합된다. 서브-빔의 반사된 부분(1364)는 바람직하게는 추가 초점 렌즈(1368)를 향해 전파되며, 이러한 추가 초점 렌즈(1368)에서, 서브-빔들은 검출기(1350)의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(1372)을 갖는 추가 기준 빔(1370)을 형성하도록 결합된다.
검출기(1350)는 바람직하게는 자신에 입사된 원역장 강도 패턴(1372)을 샘플링한다. 검출기(1350)는 자신에 입사된 원역장 강도 패턴(1372)을 직접 수신하는 단일 검출기로서 구현되는 것으로 도 13에 도시되어 있지만, 대안적으로, 도 6 내지 8 중 어느 하나에 도시된 다수의 검출기 구성들 중 어느 하나에 따라서 다수의 검출기가 사용될 수 있다는 것으로 이해된다. 대안적으로, 검출기(1350)와 같은 단일 검출기가 도 9 내지 12 중 어느 하나에 도시된 구성들 중 임의의 구성에 따라 광학 마스크와 함께 사용될 수 있다.
검출기(1350)는 위상 변조 서브시스템(1332)과 협력하여, 바람직하게는 목표 원역장 강도 패턴(1372) 및 대응하는 원역장 강도 패턴(1366)을 달성하기 위해 서브-빔의 상대 위상을 최적화한다. 위상 최적화에 적합한 다양한 알고리즘은 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 위상 최적화 방식을 포함하는 순차적 또는 비순차적 최적화 알고리즘을 포함한다.
위상 변조 서브시스템(1332)의 동작에서, 위상 변조 제어 모듈(1330)은 바람직하게는 각각의 위상 변조기(1318)에 전압을 인가하고, 위상 변조기(1318)들은 인가된 전압에 대응하는 위상 변조 출력을 생성한다. 위상 변조기(1318)가 소정의 패턴에 따라 원역장 강도 패턴(1366)을 동적으로 성형하기 위해 요구된 위상 시프트를 생성하기 위해, 위상 변조 제어 모듈(1330)은 각각의 위상 변조기(1318)에 의해 생성되어야 하는 특정 위상 변조 출력에 대응하는 정확한 전압을 각 위상 변조기(1318)에 인가해야 한다.
위상 변조 제어 모듈(1330)에 의해 위상 변조기(1318)에 인가된 전압이 위상 변조기(1318)에 의해 요구되고 의도된 위상 변조 출력을 생성하도록 보장하기 위해, OPA 레이저(1300)는 바람직하게는 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)을 포함한다. 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)은 위상 변조 서브시스템(1332)에 인가된 전압을, 위상 변조 서브시스템(1332)에 의해 그리고 보다 구체적으로는 위상 변조기(1318)에 의해 생성된 위상 변조 출력에 상관시키도록 동작하는 것이 바람직하다.
또한, 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)은 바람직하게는 위상 변조 서브시스템(1332)을 캘리브레이션하는 데 유용한 전압-대-위상 상관 출력을 제공하도록 동작한다. 바람직하게는, 전압-대-위상 상관 서브시스템은 결합된 레이저 출력(1322)의 위상을 변화시키는 과정 동안, 전압과 위상 변조 출력 간의 상관을 주기적으로 수행한다.
OPA 레이저(1300)에 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)과 같은 상관 및 캘리브레이션 서브시스템을 포함시키는 것이 매우 유리하다는 것이 이해되는데, 그 이유는 이로써, 위상 변조기(1318)에 인가되는 전압이 실제로 출력 빔(1322)의 목표 위상 시프트가 일어나게 해서 원역장 강도 패턴(1366)의 형상을 생성하는 데 필요한 정확한 전압이 되도록 하기 때문이다. 이는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 사용하기에 적합한 위상 변조기가 통상적으로 고감도 디바이스이며, 이러한 디바이스들 중 상이한 것들은 상이한 전압-위상 관계들을 나타내는 것을 고려하면, 특히 중요하다. 또한, 개별 위상 변조기의 전압-위상 관계는 일정하지 않고 시간에 따라 그리고 동작 조건에 따라 변할 수 있다.
위상 변조 제어 모듈(1330) 및 전압-위상 상관 제어 모듈(1380)에 의해 각각 제공된 위상 변조 및 캘리브레이션은, 반드시 그런 것은 아니지만, 바람직하게는, 레이저(1300)의 출력이 노이즈를 갖는 경우에, OPA 레이저(1300)의 출력에 노이즈 보정을 적용하는 것과 협력하여 수행된다. 이 경우에, 위상 변조 제어 모듈(1330) 및 전압-위상 상관 제어 모듈(1380)은, 서로 조합되어서, 위상 제어 서브시스템(130)(도 1a), 230(도 2a), (330)(도 3a) 및 430(도 4a)과 같은 위상 제어 서브시스템의 특히 바람직한 실시형태를 형성하는 것이 고려될 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 예시적인 전압-위상 상관 및 캘리브레이션 방식이 도 14의 흐름도(1400)에 도시되어 있다. 그러나, 흐름도(1400)의 특정 단계는 예시일 뿐이며, 전압-위상 상관 서브시스템(1380)은 출력 빔(1322)의 위상 변화 동안 주기적으로 위상 변조 서브시스템(1332)을 캘리브레이션할 수 있는 OPA 레이저(1300) 내의 임의의 적절한 서브시스템으로서 구현될 수 있다는 것으로 이해된다. 또한, 흐름도(1400)에 도시된 다양한 단계들이 반드시 도시되고 설명된 순서대로 수행될 필요는 없으며, 단계들 중 다양한 단계가 생략될 수 있거나, 당업자에게 명백한 바와 같은 추가적인 또는 대안적인 단계들에 의해 보충될 수 있다는 것으로 이해된다.
제1 단계(1402)에서 보여지는 바와 같이, 위상 변조 제어 모듈(1330)은 채널(1316)을 따르는 서브-빔의 목표 위상 시프트를 생성하기 위해 위상 변조기(1318)에 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 기준 출력 빔(1372)의 원역장 강도 패턴은 제2 단계(1404)에서 보여지는 바와 같이 검출기(1350)에서 측정된다. 서브-빔의 필요한 위상 시프트가 확인되고 전압이 위상 변조기(1318)에 다시 인가된다. 제1 단계(1402)에서의 전압의 인가 및 제2 단계(1404)에서의 기준 출력 빔(1372)의 측정은 소정의 반복 레이트로 다수 회 주기적으로 반복될 수 있다. 단지 예시적으로, 제1 및 제2 단계는 초당 백만 번의 레이트로 20 회 반복될 수 있다.
20 회와 같은 미리 결정된 횟수만큼 제1 단계 및 제2 단계(1402, 1404)의 반복 후에, 전압-위상 상관 서브시스템(1380)이 활성화될 수 있다. 제3 단계(1406)에서 볼 수 있는 바와 같이, 2π의 위상 시프트를 생성하도록 의도된 전압은 바람직하게는 하나의 위상 변조기(1318)에 인가된다. 제4 단계(1408)에서 볼 수 있는 바와 같이, 원역장 강도 패턴(1372)의 강도는 바람직하게는 검출기(1350)에서 측정된다.
이어서, 제 5 단계(1410)에서 원역장 강도 패턴(1372)의 위상 시프트가 체크되어 위상 시프트가 0인지를 확인한다. 제3 단계(1406)에서 인가된 전압이 실제로 2π의 위상 시프트를 생성하는 정확한 전압인 경우에, 빔(1322)의 위상 시프트는 0이 되고 이로써 인가된 전압에 응답하여 원역장 강도 패턴(1372)의 강도는 변하지 않을 것으로 이해된다. 이 경우, 제3 단계(1406)에서 2π 위상 시프트가 적용된 위상 변조기(1318)는 정확하게 캘리브레이션되는 것으로 입증되며 특정 위상 변조기(1318)의 추가적인 캘리브레이션이 필요하지 않다.
제3 단계(1406)에서 인가된 전압이 2π의 위상 시프트를 생성하지 않는 경우에, 빔(1322)의 위상 시프트는 0이 아니고, 이에 따라서, 원역장 강도 패턴(1372)의 강도는 인가된 전압에 응답하여 변할 것이며, 이는 제7 단계(1414)에서 볼 수 있다. 이 경우, 인가된 전압과 결과적인 위상 시프트 간의 관계가 바람직하게는 제7 단계(1414)에서 도출된다. 그 후, 위상 변조기(1318)는 바람직하게는 제8 단계(1416)에서 볼 수 있는 바와 같이, 제7 단계(1414)에서 도출된 전압-위상 관계에 따라 캘리브레이션된다.
질의단계(1418)에서 볼 수 있는 바와 같이, 제8 캘리브레이션 단계(1416)에서의 특정 위상 변조기(1318)의 캘리브레이션 또는 제5 단계(1410)에서의 특정 위상 변조기(1318)의 적절한 캘리브레이션을 확인한 후, 제9 단계(1420)에서 볼 수 있는 바와 같이, 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)은 바람직하게는 미리 결정된 수의 위상 변조기(1318)가 캘리브레이션되었는지를 검사하고, 필요하다면, 다음 위상 변조기를 캘리브레이션하는 것으로 진행한다. 전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)은 시스템(1300)에 포함된 모든 위상 변조기(1318)를 연속적으로 캘리브레이션하거나, N 위상 변조기(1318)와 같은 미리 결정된 수의 위상 변조기(1318)를 캘리브레이션할 수 있다. 미리 결정된 개수의 위상 변조기(1318)가 캘리브레이션되었으면, 서브시스템(1380)은 바람직하게는 비활성화되고 출력 빔(1322)의 위상 변화는 단계 1402에서 재개된다.
전압-대-위상 상관 서브시스템(1380)이 활성화되는 주파수는 바람직하게는 출력 빔(1322)의 위상 변화가 수행되는 주파수보다 현저히 낮은 것으로 이해된다. 예시적으로, 출력 빔(1322)의 위상 변화는 초당 백만 번 수행될 수 있는 반면, 전압-대-위상 상관은 초당 1 회 활성화될 수 있다.
또한, 흐름도(1400)가 노이즈 보정을 위한 단계를 포함하지 않을 지라도, 이러한 노이즈 보정은, 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 바와 같이, 출력 빔(1322)에 기여하는 서브-빔의 위상 시프트 과정 동안, 적용될 수 있다.
이제, 본 발명의 추가적인 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략적인 평면도인 도 15를 참조한다.
도 15에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(1500)이 제공되며, 이러한 OPA 레이저(1500)는 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 전반적으로 설명된 유형일 수 있다. OPA 레이저(1500)는 시드 레이저(1512) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(1514)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(1514)은 바람직하게는 시드 레이저(1512)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 복수의 채널(1516) 중 대응하는 채널들을 따르는 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(1512)로부터의 출력은 16 개의 대응하는 채널(1516)을 따르는 16 개의 서브-빔들로 구성된 4 x 4 행렬로 분할될 수 있으며, 이러한 서브-빔들 및 채널들(1516) 중 4 개가 도 15의 OPA 레이저(1500)의 평면도에서 보여진다. 그러나, 분할 및 결합 서브시스템(1514)은 시드 레이저(1512)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(1516)을 따라 위치된 위상 변조기(1518)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(1512)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(1519)를 향해 전파된다. 이어서, 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 예를 들어 렌즈(1520)의 초점면에서 결합되어 출력 빔(1522)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(1514)은 또한 바람직하게는 시드 레이저(1512)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔의 결합하여 출력 빔(1522)을 형성하기 전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(1514)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위한 채널들(1516) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(1524)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(1500)의 파워 출력 사양에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(1522)의 위상, 및 이로써, 그의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(1522)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔의 상대 위상에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 전술한 바와 같은, 레이저 절단, 레이저 용접, 자유 공간 광 통신 및 레이저 적층 가공과 같은 많은 응용분야에서, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 움직이고 성형하는 것이 바람직하다. 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔의 파라미터의 동적 변화는 채널(1516)을 따르는 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고, 이로써, 레이저의 출력의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어하도록 상기 결합된 레이저 출력(1522)의 위상을 변화시킴으로써 달성된다.
다수의 개별 서브-빔을 포함하는 OPA 레이저(1500)의 경우, 서브-빔들 중 다른 모든 서브-빔들의 위상에 대한 각각의 해당 서브-빔의 위상 측정 및 대응하는 위상 수정은, 많은 수의 개별 서브-빔들이 관여되기 때문에, 어려울 수 있다. 구체적으로, 결합된 출력(1522)에 기여하는 많은 개수의 개별 서브-빔들로 인해, 결합된 레이저 출력(1522)의 위상을 동적으로 제어하기 위해 다른 서브-빔들에 대하여 각각의 해당 개별 서브-빔의 위상을 측정하고 수정하는 데 걸리는 시간은 허용될 수 없을 정도로 길 수 있다. 또한, 신호 대 잡음비는 허용할 수 없을 정도로 낮을 수 있다.
OPA 레이저(1500)는 바람직하게는 결합된 레이저 출력의 위상 변조를 스케일링된 방식으로 수행하기 위한 위상 변조 서브시스템(1530)을 포함하는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 보다 구체적으로, 위상 변조 서브시스템(1530)은 바람직하게는 레이저 분할 및 결합 서브시스템(1514)에 의해서 제공된 서브-빔들의 적어도 일부를 여러 그룹들로 그룹화한 다음, 서브-빔들의 각 그룹 내의 해당 서브 빔의 위상을, 상기 각 그룹 내의 다른 서브-빔들에 대해서만 변조한다. 이러한 그룹 위상 변조는 바람직하게는 다양한 개별 서브-빔 그룹들에 걸쳐 병렬로 수행된다. 이어서, 위상 변조 서브시스템(1530)은 바람직하게는, 이하에서 상세히 설명될 바와 같이, 결합된 레이저 출력(1522)의 위상을 변화시키기 위해, 서브-빔의 각 그룹의 위상을, 서브-빔 그룹들 중 다른 서브-빔 그룹들의 위상에 대해 최적화한다.
위상 변조 서브시스템(1530)은 위상 변조기(1518)의 동작 제어 시에 위상 제어 전자 모듈(1532)을 포함하는 것이 바람직하다. 위상 제어 전자 모듈(1532)은, 위상 변조 서브시스템(1530)에 의해 확인되는 바와 같이, 출력 빔(1522)의 목표 원역장 강도 패턴에 따라, 채널들(1516)을 따르는 서브-빔들의 상대 위상을 동적으로 변조하도록, 각각의 위상 변조기(1518)를 제어하는 것이 바람직하다.
출력 빔(1522)에 대한 위상 변화의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(1500)의 출력의 일부가 추출되어 복수의 검출기(1550)를 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 15에 도시된 실시형태에서, 채널들(1516)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(1560)를 향한다. 빔 분할기(1560)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(1562) 및 반사된 부분(1564)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(1560)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(1562)은 바람직하게는 초점 렌즈(1520)를 향해 전파되며, 이 초점 렌즈(1520)에서, 서브-빔이 원역장 강도 패턴(1566)을 갖는 출력 빔(1522)을 형성하도록 결합된다. 서브-빔의 반사된 부분(1564)는 원통형 렌즈(1568)를 향해 전파되는 것이 바람직하다. 원통형 렌즈(1568)는 바람직하게는 서브-빔의 반사된 부분(1564)을 수용하고, 서브-빔들을 렌즈(1568)의 곡률 방향을 따라 수렴시킴으로써, 서브-빔들을 다수의 그룹으로 그룹화하도록 동작한다. 본 도면에서, 예시적으로, 서브-빔은 4 개의 그룹(1570)으로 수렴되는 것으로 도시되어 있으며, 각각의 그룹(1570)은 4 개의 서브-빔으로 구성된다.
바람직하게는, 원통형 렌즈(1568)에 의해 그룹화된 서브-빔의 각 그룹(1570)은 복수의 검출기(1550) 중 대응하는 검출기의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(1572)을 갖는 빔을 형성한다. 각각의 검출기(1550)는 바람직하게는 자신에 입사된 그룹 원역장 강도 패턴(1572)을 샘플링한다. 이어서, 각각의 검출기(1550)는 제어 모듈(1532)에 포함된 대응하는 제어 전자 서브 모듈(1574)과 협력하여, 바람직하게는, 각 검출기에 의해서 샘플링된 서브-빔 그룹(1570) 내의 서브-빔들의 상대 위상을, 해당 그룹(1570) 내의 다른 서브-빔들의 위상에 대해서 최적화한다. 이러한 샘플링 및 최적화는 바람직하게는 모든 검출기들(1550)에 걸쳐 원역장 강도 패턴들(1572) 중 해당하는 것들에 대해 병렬로, 바람직하게는 동시에 수행된다. 위상 최적화에 적합한 다양한 알고리즘은 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 바와 같은 노이즈 보정 알고리즘을 포함하는 순차적 또는 비순차 최적화 알고리즘을 포함한다.
그룹들(1570) 중 다른 그룹들(1570)에 대한 각 해당 그룹(1570)의 상대 위상을 최적화하기 위해, 그룹들(1570) 중 일부는 보조 빔 분할기(1580)를 통해, 보조 원통형 렌즈(1582)로 향하는 것이 바람직하다. 보조 원통형 렌즈(1582)의 곡률은 바람직하게는 서브-빔을 포커싱하기 위해 원통형 렌즈(1568)의 곡률에 대해 직교하는 것으로 이해된다. 보조 원통형 렌즈(1582)는 바람직하게는 서브-빔(1570)의 그룹들이, 보조 검출기(1588)에 입사하는 원역장 강도 패턴(1586)을 갖는 단일 빔(1584)으로 수렴되게 한다. 보조 검출기(1588)는 바람직하게는 모든 서브-빔 그룹들(1570)의 조합의 원역장 강도 패턴에 대응하는 원역장 강도 패턴(1586)을 갖는 단일 빔을 수신한다. 보조 검출기(1588)는 전자 제어 모듈(1532)에 포함된 추가 위상 제어 전자 서브 모듈(1590)과 협력하여, 서로에 대해 그룹들(1570)의 위상들을 샘플링하고 최적화하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 위상 제어 전자 모듈(1532)의 하나의 기능은 보조 검출기(1588) 상의 총 파워를 최대화하는 위상 시프트를 적용하도록 각각의 위상 변조기(1518)를 제어하는 것이다.
결합된 레이저 출력(1522)의 위상을 변화시키기 위해 각 서브-빔의 위상이 해당 그룹(1570)의 다른 서브-빔 멤버들의 위상에 대해 최적화되고 그룹들(1570)의 위상들은 서로에 대해 최적화되는, 상기 스케일링된 방식으로 위상 변조를 수행하는 것은, OPA(1500)의 다른 모든 서브-빔들의 위상들에 대해 각 해당 개별 서브-빔의 위상을 최적화하는 것보다, 훨씬 빠르고 덜 복잡하다고 이해된다. 또한, 이는, 제어 전자소자들의 단일 세트를 요구하기보다는, 각각의 검출기(1550)에 각각 결합된 각각의 제어 전자소자 서브 모듈(1574) 내의 제어 전자소자들의 개별 세트들에 의해, 위상 최적화가 수행되게 하며 신호대 잡음비를 개선시킨다.
대안적으로, 그룹들(1570) 중 다른 그룹들에 대해 각 해당 그룹(1570)의 상대 위상을 최적화하는 기능이, 각각의 그룹(1570)의 각각의 서브-빔 멤버의 개별 위상을 변조하도록 동작하는 개별 위상 변조기(1518)에 의한 것이 아니라, 그룹들(1570) 각각의 집합적 위상을 변조하도록 동작하는 추가 그룹 위상 변조기들에 의해 수행될 수 있다는 것으로 이해된다. 이러한 구성의 예시적인 구현은 도 16에 도시되어 있으며, 전반적으로 미국 특허 번호 제9,893,494에 기술된 위상 변조 구성과 유사할 수 있으며, 이 특허 문서의 개시 내용은 그의 일부 측면들이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
도 16에 도시된 바와 같이, 시스템(1500)은 그룹들(1570)의 개수에 대응하는 일련의 그룹 위상 변조기들을 추가함으로써 수정될 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 시스템(1500)은 16 개의 서브-빔을 포함하고, 그 중 4 개의 서브-빔은 4 개의 그룹(1570) 각각에 포함되므로, 총 4 개의 추가적인 그룹 위상 변조기(1618)가 도 16에 도시된 바와 같이 시스템(1500) 내에 포함될 수 있다. 각각의 그룹 위상 변조기(1618)는 바람직하게는 각각의 그룹(1570)의 일부를 형성하는 4 개의 채널(1516)에 대해 공통이며, 이에 연결된 4 개의 채널(1516)을 따르는 서브-빔의 집합 그룹 위상을 최적화하는 위상 시프트를 제공한다.
바람직하게는, 그룹 위상 변조기들(1618) 중 해당하는 것들은 바람직하게는 제어 모듈(1532)에 포함된 추가 제어 서브 모듈(1690)에 의해 제어된다. 보조 검출기(1588)는 바람직하게는 추가 제어 서브 모듈(1690)에 연결된다. 개별 서브-빔 위상 변조기(1518)보다는, 그룹 위상 변조기들(1618)에 의해, 서로에 대해 그룹들(1570)의 상대 위상들을 최적화하는 것이, 보다 효율적일 수 있고 위상 변조 프로세스를 단순화할 수 있지만, 추가적인 위상 변조 및 회로 요소의 채용을 필요로 하므로, 시스템(1500)의 비용 및 복잡성이 증가시킨다는 것으로 이해된다.
결합된 레이저 출력(1522)의 위상의 변화는 바람직하게는 출력(1522)의 공간 변조를 제공한다. 위상 변조 서브시스템(1530)에 의해 수행되는 위상 변조의 스케일된 특성으로 인해, 결합된 레이저 출력(1522)의 위상은 기계적 공간 변조 메커니즘에 의해 달성될 수 있는 것보다 큰 레이트로 매우 빠르게 변화될 수 있다는 것으로 이해된다. OPA 레이저(1500)에 의해 제공되는 공간 변조는 당업계에 공지된 바와 같은, 추가적인 기계적 공간 변조 메커니즘에 의해 선택사양적으로 증대될 수 있거나, 기계적 공간 변조를 수반하지 않을 수 있다.
빔 분할기(1560), 초점 렌즈(1520), 원통형 렌즈(1568), 보조 빔 분할기(1580) 및 보조 원통형 렌즈(1582)를 포함하며 본원에서 도시된 광학 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(1500)은 다양한 그러한 요소들뿐만 아니라, 예를 들어, 추가적인 또는 대안적인 렌즈들, 광섬유들 및 코히어런트 자유 공간 원거리 결합기를 포함하는 추가 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
또한, 원통형 렌즈(1568)는 개별 서브-빔들을 동일한 수의 서브-빔을 포함하는 서로 유사하거나 동일한 그룹들로 그룹화하도록 하는 광학 특성을 가질 수 있다는 것으로 이해된다. 대안적으로, 원통형 렌즈(1568)는 개별 서브-빔을 상이한 수의 서브-빔을 포함하는 서로 다른 그룹들로 그룹화하도록 하는 광학 특성을 가질 수 있다.
도 15 또는 도 16에 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템의 예시적인 구현이 도 17a 및 17b에 도시되어 있다. 이제 도 17a 및 도 17b를 참조하면, 시드 레이저(1512)와 같은 시드 레이저(도시되지 않음)로부터의 출력 레이저 빔이 대응하는 복수의 채널(1716)을 따르는 복수의 서브-빔으로 분할되는 OPA 레이저 시스템(1700)이 제공된다. 예시적으로, 레이저 출력은 예를 들어, 100 개의 대응하는 채널(1716)을 따르는 100 개의 서브-빔의 10 x 10 행렬로 분할될 수 있다. 명확하게 나타내기 위해, 서브-빔들 중 선택된 빔들만이 도 17b에 도시되어 있음을 이해해야 한다. 이어서, 채널들(1716)을 따르는 서브-빔들은 시준 렌즈 및 포커싱 렌즈(1519, 1520)와 같은 시준 요소 및 포커싱 요소(도시되지 않음)에 의해 시준되고 포커싱되어 결합된 출력 빔을 생성할 수 있다.
출력 빔에 대한 위상 변화의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(1700)의 출력의 일부가 추출되어 복수의 검출기(1750)를 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 17a 및 17b에 도시된 실시형태에서, 채널(1716)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(1760)를 향한다. 빔 분할기(1760)는 바람직하게는 미리 결정된 비율에 따라 각각의 서브-빔을 투과된 부분(1762) 및 반사된 부분(1764)으로 분할한다.
서브-빔의 투과된 부분(1762)은 출력 빔을 형성하기 위해 결합되는 것이 바람직하다. 서브-빔의 반사된 부분(1764)는 원통형 렌즈(1768)를 향해 반사되는 것이 바람직하며, 이 원통형 렌즈(1768)는 원통형 렌즈(1568)의 특히 바람직한 실시형태이다. 원통형 렌즈(1768)는 바람직하게는 서브-빔의 반사된 부분(1764)를 수용하고 서브-빔들을 원통형 렌즈(1768)의 곡률 방향을 따라서 다수의 그룹으로 수렴시키도록 동작한다. 예시적으로, 100 개의 서브-빔의 경우에, 원통형 렌즈(1768)는 서브-빔들이 각각이 10 개의 서브-빔들로 구성된 10 개의 그룹들(1770)으로 수렴되게 할 수 있다.
바람직하게는, 원통형 렌즈(1768)에 의해 그룹화된 서브-빔들의 각각의 그룹(1770)은 복수의 검출기(1750) 중 대응하는 것들의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴을 갖는 빔을 형성한다. 예시적으로, 복수의 검출기(1750)는 10 개의 검출기(1750)를 포함할 수 있고, 각 검출기는 10 개의 개별 서브-빔을 포함하는 그룹 빔을 샘플링한다. 각각의 검출기(1750)는 제어 모듈(1532)과 같은 대응하는 제어 전자 모듈(도시되지 않음)과 협력하여, 바람직하게는, 검출기에 의해 샘플링된 서브-빔들의 그룹(1770)에 포함된 서브-빔들의 위상을 최적화하고, 이러한 샘플링 및 최적화는 바람직하게는 모든 검출기들(1750)에 걸쳐 병렬로, 바람직하게는 동시에 수행된다.
그룹들(1770) 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 해당 그룹(1770)의 상대 위상을 최적화하기 위해, 그룹들(1770) 중 일부는 서브-빔 분할기(1780)를 통해 보조 원통형 렌즈(1782)로 향하는 것이 바람직하다. 보조 원통형 렌즈(1782)는 보조 원통형 렌즈(1582)의 특히 바람직한 실시형태인 것으로 이해된다. 보조 원통형 렌즈(1782)의 곡률은 바람직하게는 서브-빔을 포커싱하기 위해 원통형 렌즈(1768)의 곡률에 대해 직교하는 것으로 이해된다. 보조 원통형 렌즈(1782)는 바람직하게는 서브-빔(1770)의 그룹들을 보조 검출기(1788) 상에 입사하는 하나의 결합된 빔(1784)으로 포커싱한다.
보조 검출기(1788)는 바람직하게는 모든 서브-빔 그룹들(1770)의 조합의 원역장 강도 패턴에 대응하는 원역장 강도 패턴을 수신하고, 위상 제어 전자 디바이스(도시되지 않음)와 협력하여, 서로에 대해 그룹들(1770)의 위상들을 샘플링 및 최적화한다. 서로에 대한 그룹들(1770)의 위상들의 최적화는 도 15를 참조하여 전술한 바와 같이, 위상 변조기(1518)에 의한 개별 서브-빔의 위상의 위상 변조에 의해 이루어질 수 있거나, 도 16을 참조하여 전술한 바와 같이, 그룹 위상 변조기(1618)에 의한 서브-빔 그룹의 위상의 위상 변조에 의해 이루어질 수 있다는 것으로 이해된다.
이제, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 동적 빔의 스케일링된 위상 수정을 포함하는 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 단순화된 개략적인 평면도인 도 18을 참조한다.
도 18에 도시된 바와 같이, 광학 위상 어레이(OPA) 레이저 시스템(1800)이 제공되며, 이 OPA 레이저 시스템(1800)은 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 전반적으로 설명된 유형일 수 있다. OPA 레이저(800)는 시드 레이저(1812) 및 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(1814)을 포함하는 것이 바람직하다. 분할 및 결합 서브시스템(1814)은 바람직하게는 시드 레이저(1812)로부터 출력 레이저 빔을 수신하고 출력 레이저 빔을 대응하는 복수의 채널(1816)을 따르는 복수의 서브-빔으로 분할한다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 시드 레이저(1812)로부터의 출력은 16 개의 대응하는 채널(1816)을 따르는 16 개의 서브-빔들로 구성된 4 x 4 행렬로 분할될 수 있으며, 이러한 서브-빔들 및 채널들(1816) 중 4 개가 도 18의 OPA 레이저 (1800)의 평면도에 도시된다. 그러나, 분할 및 결합 서브시스템(1814)은 시드 레이저(1812)의 출력이 분할되는 더 적거나 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있고, 일반적으로 32 개 이상의 채널과 같이 훨씬 더 많은 수의 채널을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
각각의 서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 각각의 채널(1816)을 따라 위치된 위상 변조기(1818)에 의해 개별적으로 변조될 수 있다. 시드 레이저(402)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(1819)를 향해 전파된다. 이어서, 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 예를 들어, 렌즈(1820)의 초점면에서 결합되어 출력 빔(1822)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(1814)은 또한, 바람직하게는, 시드 레이저(1812)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔을 결합하여 출력 빔(1822)을 형성하기 전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(1814)은 각각의 서브-빔을 증폭시키기 위한 채널들(1816) 중 대응하는 채널들을 따라 위치된 복수의 광학 증폭기(1824)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(1800)의 파워 출력 요건에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(1822)의 위상, 및 그에 따른, 출력 빔의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(1822)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔의 상대 위상에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 전술한 바와 같은, 레이저 절단, 레이저 용접, 자유 공간 광 통신 및 레이저 적층 가공과 같은 많은 응용분야에서, 출력 빔의 원역장 강도 패턴을 동적으로 움직이고 성형하는 것이 바람직하다. 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 출력 빔의 파라미터의 동적 변화는, 채널(1816)을 따르는 개별 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변화시키고, 이로써, 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어하도록 해당 결합된 레이저 출력(1822)의 위상을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
다수의 개별 서브-빔을 포함하는 OPA 레이저(1800)의 경우, 서브-빔들 중 다른 모든 서브-빔들의 위상에 대한 각각의 해당 서브-빔의 위상 측정 및 대응하는 위상 수정은, 많은 수의 개별 서브-빔들이 관여되기 때문에, 어려울 수 있다. 구체적으로, 결합된 출력(1822)에 기여하는 많은 개수의 개별 서브-빔들로 인해, 결합된 레이저 출력(1822)의 위상을 동적으로 제어하기 위해 다른 서브-빔들에 대하여 각각의 해당 개별 서브-빔의 위상을 측정하고 수정하는 데 걸리는 시간은 허용될 수 없을 정도로 길 수 있다. 또한, 신호 대 잡음비는 허용할 수 없을 정도로 낮을 수 있다.
OPA 레이저(1800)는 바람직하게는 결합된 레이저 출력의 위상 변조를 스케일링된 방식으로 수행하기 위한 위상 변조 서브시스템(1830)을 포함하는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 보다 구체적으로, 위상 변조 서브시스템(1830)은 바람직하게는 레이저 분할 및 결합 서브시스템(1814)에 의해서 제공된 서브-빔들의 적어도 일부를 여러 그룹들로 그룹화한 다음, 서브-빔들의 각 그룹 내의 해당 서브 빔의 위상을, 상기 각 그룹 내의 다른 서브-빔들에 대해서만 변조한다. 이러한 그룹 위상 변조는 바람직하게는 다양한 개별 그룹들에 걸쳐 병렬로 수행된다. 이어서, 위상 변조 서브시스템(1830)은 바람직하게는, 이하에서 상세히 설명될 바와 같이, 결합된 레이저 출력(1822)의 위상을 변화시키기 위해, 서브-빔의 각 그룹의 위상을, 서브-빔 그룹들 중 다른 서브-빔 그룹들의 위상에 대해 최적화한다.
위상 변조 서브시스템(1830)은 위상 변조기(1818)의 동작 제어 시에 위상 제어 전자 모듈(1832)을 포함하는 것이 바람직하다. 위상 제어 전자 모듈(1832)은, 위상 변조 서브시스템(1830)에 의해 확인되는 바와 같이, 출력 빔(1822)의 목표 원역장 강도 패턴에 따라, 채널들(1816)을 따르는 서브-빔들의 상대 위상을 동적으로 변조하도록, 각각의 위상 변조기(1818)를 제어하는 것이 바람직하다.
출력 빔(1822)에 대한 위상 변화의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(1800)의 출력의 일부가 추출되어 복수의 검출기(1850)를 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 18에 도시된 실시형태에서, 채널들(1816)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(1860)를 향한다. 빔 분할기(1860)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(1862) 및 반사된 부분(1864)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(1860)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(1862)은 바람직하게는 초점 렌즈(1820)를 향해 전파되며, 이 초점 렌즈(1820)에서, 서브-빔이 원역장 강도 패턴(1866)을 갖는 출력 빔(1822)을 형성하도록 결합된다. 서브-빔의 반사된 부분(1864)는 미러들의 어레이(1868)를 향해 전파되는 것이 바람직하며, 여기서 각 미러(1868)는 대응하는 포커싱 렌즈(1869)에 대해서 이격되게 위치된다. 예시적으로, 미러들의 어레이(1868)는 4 개의 포커싱 렌즈(1869)와 이격되어 배치된 4 개의 미러(1868)를 포함할 수 있으며, 미러 및 포커싱 렌즈 중 2 개는 도 18의 시스템(1800)의 평면도에서 볼 수 있다.
미러(1868)는 바람직하게는 자신에 입사되는 서브-빔을 대응하는 포커싱 렌즈(1869)를 향해 반사시키고 이로써 서브-빔의 반사된 부분(1864)를 다수의 그룹으로 그룹화하도록 경사져 있으며, 본 도면에서, 예시적으로, 상기 다수의 그룹들은 4 개의 그룹(1870)으로서 구현되고, 각각의 그룹(1870)은 4 개의 서브-빔을 포함하고, 이들 중 2 개의 그룹이 도 18의 시스템(18100)의 평면도에서 볼 수 있다.
바람직하게는, 각각의 미러(1868)에서 반사된 각각의 서브-빔 그룹은 대응하는 초점 렌즈(1869)에 의해 포커싱되어, 서브-빔 그룹(1870)을 포함하고 복수의 검출기들(1850) 중 대응하는 검출기의 표면에 입사하는 원역장 강도 패턴(1872)을 갖는 단일 빔을 형성한다. 각각의 검출기(1850)는 제어 모듈(1832)에 포함된 대응하는 제어 전자 서브 모듈(1874)과 협력하여, 바람직하게는, 해당 검출기에 의해서 샘플링된 서브-빔(1870)의 그룹 내의 서브-빔의 상대 위상을, 해당 그룹(1870) 내의 다른 서브-빔들의 위상에 대해서 최적화한다. 이러한 샘플링 및 최적화는 바람직하게는 모든 검출기(1850)에 걸쳐 원역장 강도 패턴들(1872) 중 해당하는 것들 대해 병렬로, 바람직하게는 동시에 수행된다. 위상 최적화에 적합한 다양한 알고리즘은 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 바와 같이 노이즈 보정 알고리즘을 포함하는 순차적 또는 비순차 최적화 알고리즘을 포함한다.
그룹들(1870) 중 다른 그룹에 대해 각 해당 그룹(1870)의 상대 위상을 최적화하기 위해, 반사된 부분(1864)의 일부는 보조 빔 분할기(1880)를 통해 보조 렌즈(1882)로 향하는 것이 바람직하다. 보조 렌즈(1882)는 바람직하게는 자신에 입사된 서브-빔이 보조 검출기(1888)에 입사되는 원역장 강도 패턴(1886)을 갖는 단일 빔(1884)으로 수렴되게 한다. 보조 검출기(1888)는 바람직하게는 모든 서브-빔 그룹들(1870)의 조합의 원역장 강도 패턴에 대응하는 원역장 강도 패턴(1886)을 갖는 단일 빔을 수신한다. 보조 검출기(1888)는 전자 제어 모듈(1832)에 포함된 위상 제어 전자 서브 모듈(1890)과 협력하여, 서로에 대해 그룹들(1870)의 위상들을 샘플링하고 최적화하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 위상 제어 전자 모듈(1832)의 하나의 기능은 보조 검출기(1888) 상의 총 파워를 최대화하는 위상 시프트를 적용하도록 각각의 위상 변조기(1818)를 제어하는 것이다.
결합된 레이저 출력(1822)의 위상을 변화시키기 위해 각 서브-빔의 위상이 해당 그룹(1870)의 다른 서브-빔 멤버들의 위상에 대해 최적화되고 그룹들(1870)의 위상들은 서로에 대해 최적화되는, 상기 스케일링된 방식으로 위상 변조를 수행하는 것은, OPA(1800)의 다른 모든 서브-빔들의 위상들에 대해 각 해당 개별 서브-빔의 위상을 최적화하는 것보다, 훨씬 빠르고 덜 복잡하다고 이해된다. 또한, 이는, 제어 전자소자들의 단일 세트를 요구하기보다는, 각각의 검출기(1850)에 각각 결합된 각각의 제어 전자소자 서브 모듈(1874) 내의 제어 전자소자들의 개별 세트들에 의해, 위상 최적화가 수행되게 하며 신호대 잡음비를 개선시킨다.
대안적으로, 그룹들(1870) 중 다른 그룹들에 대해 각 해당 그룹(1870)의 상대 위상을 최적화하는 기능이, 각각의 그룹(1870)의 각각의 서브-빔 멤버의 개별 위상을 변조하도록 동작하는 개별 위상 변조기(1818)에 의한 것이 아니라, 그룹들(1870) 각각의 집합적 위상을 변조하도록 동작하는 추가 그룹 위상 변조기들에 의해 수행될 수 있다는 것으로 이해된다. 이러한 구성의 예시적인 구현은 도 19에 도시되어 있으며, 전반적으로 미국 특허 번호 제9,893,494에 기술된 위상 변조 구성과 유사할 수 있으며, 이 특허 문서의 개시 내용은 그의 일부 측면들이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 시스템(1800)은 그룹들(1870)의 개수에 대응하는 일련의 그룹 위상 변조기들을 추가함으로써 수정될 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 시스템(1800)은 16 개의 서브-빔을 포함하고, 그 중 4 개의 서브-빔은 4 개의 그룹(1870) 각각에 포함되므로, 총 4 개의 추가적인 그룹 위상 변조기(1918)가 도 19에 도시된 바와 같이 시스템(1800) 내에 포함될 수 있다. 각각의 그룹 위상 변조기(1918)는 바람직하게는 각각의 그룹(1870)의 일부를 형성하는 4 개의 채널(1816)에 대해 공통이며, 4 개의 채널(1816)을 따르는 서브-빔의 집합 그룹 위상을 최적화하는 위상 시프트를 제공한다.
바람직하게는, 그룹 위상 변조기들(1918) 중 해당하는 것들은 바람직하게는 제어 모듈(1832)에 포함된 추가 제어 서브 모듈(1990)에 의해 제어된다. 보조 검출기(1888)는 바람직하게는 추가 제어 서브 모듈(1990)에 연결된다. 개별 서브-빔 위상 변조기(1818)보다는, 그룹 위상 변조기들(1918)에 의해, 서로에 대해 그룹들(1870)의 상대 위상들을 최적화하는 것이, 보다 효율적일 수 있고 위상 변조 프로세스를 단순화할 수 있지만, 추가적인 위상 변조 및 회로 요소의 채용을 필요로 하므로, 시스템(1800)의 비용 및 복잡성이 증가시킨다는 것으로 이해된다.
결합된 레이저 출력(1822)의 위상의 변화는 바람직하게는 출력(1822)의 공간 변조를 제공한다. 위상 변조 서브시스템(1830)에 의해 수행되는 위상 변조의 스케일된 특성으로 인해, 결합된 레이저 출력(1822)의 위상은 기계적 공간 변조 메커니즘에 의해 달성될 수 있는 것보다 큰 레이트로 매우 빠르게 변화될 수 있다는 것으로 이해된다. OPA 레이저(1800)에 의해 제공되는 공간 변조는 당업계에 공지된 바와 같은, 추가적인 기계적 공간 변조 메커니즘에 의해 선택사양적으로 증대될 수 있거나, 기계적 공간 변조를 수반하지 않을 수 있다.
빔 분할기(1860), 초점 렌즈(1820), 미러들의 어레이(1868), 및 대응하는 초점 렌즈들(1869)을 포함하며 본원에서 도시된 광학 요소들의 특정 구조 및 구성은 단지 예시적인 것이며 매우 단순화된 형태로 도시된 것으로 이해된다. OPA 레이저 시스템(1800)은 다양한 그러한 요소들뿐만 아니라, 예를 들어, 추가적인 또는 대안적인 렌즈들, 광섬유들 및 코히어런트 자유 공간 원거리 결합기를 포함하는 추가 광학 요소들을 포함할 수 있다는 것으로 이해된다.
또한, 미러들(1868) 및 대응하는 초점 렌즈들(1869)은 개별 서브-빔들을 동일한 수의 서브-빔을 포함하는 서로 유사하거나 동일한 그룹들로 그룹화하도록 하는 서로 유사하거나 동일한 광학 특성을 가질 수 있다는 것으로 이해된다. 대안적으로, 미러들(1868) 및 대응하는 초점 렌즈들(1869)은 개별 서브-빔을 상이한 수의 서브-빔을 포함하는 서로 다른 그룹들로 그룹화하도록 하는 서로 상이한 광학 특성을 가질 수 있다.
도 18 또는 도 19에 도시된 유형의 OPA 레이저 시스템의 예시적인 구현이 도 20a 및 20b에 도시되어 있다. 이제 도 20a 및 도 20b를 참조하면, 시드 레이저(1812)와 같은 시드 레이저(도시되지 않음)로부터의 출력 레이저 빔이 대응하는 복수의 채널(2016)을 따르는 복수의 서브-빔으로 분할되는 OPA 레이저 시스템(2000)이 제공된다. 본 도면에서, 단지 예시적으로, 레이저 출력은 대응하는 100 개의 채널(2016)을 따르는 100 개의 서브-빔들로 구성된 10 x 10 행렬로 분할될 수 있으며, 예시의 명확성을 위해, 이러한 서브-빔들 중 선택된 것들만이 도 20b에 도시된다. 이어서, 채널(2016)을 따르는 서브-빔은 시준 렌즈 및 포커싱 렌즈(1819, 1820)와 같은 시준 요소 및 포커싱 요소(도시되지 않음)에 의해 시준 및 포커싱되어 결합된 출력 빔을 생성할 수 있다.
출력 빔에 대한 위상 변화의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(2000)의 출력의 일부가 추출되어 복수의 검출기(2050)를 향하는 것이 바람직하다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 위상 변화가 계산될 수 있다. 도 20a 및 도 20b에 도시된 실시형태에서, 채널들(2016)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(2060)를 향한다. 빔 분할기(2060)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(2062) 및 반사된 부분(2064)으로 분할한다.
서브-빔의 투과된 부분(2062)은 출력 빔을 형성하도록 결합되는 것이 바람직하다. 서브-빔의 반사된 부분(2064)는 미러들의 어레이(2068)를 향해 전파되는 것이 바람직하며, 여기서 각 미러(2068)는 대응하는 포커싱 렌즈(2069)에 대해서 이격되게 위치된다. 미러들의 어레이(2068) 및 렌즈(2069)는 미러들의 어레이(1868) 및 포커싱 렌즈(1869)의 특히 바람직한 실시형태인 것으로 이해된다.
미러(2068)는 바람직하게는 자신에 입사되는 서브-빔을 대응하는 포커싱 렌즈(2069)를 향해 반사시키고 이로써 서브-빔의 반사된 부분(2064)를 다수의 그룹으로 그룹화하도록 경사져 있으며, 본 도면에서, 예시적으로, 상기 다수의 그룹들은 4 개의 그룹(2070)으로서 구현되고, 각각의 그룹(2070)은 25 개의 서브-빔을 포함한다.바람직하게는, 각각의 미러(2068)에서 반사된 각각의 서브-빔 세트는 25 개의 서브-빔들(2070)로 구성된 그룹을 포함하는 단일 빔을 형성하도록 대응하는 초점 렌즈(2069)에 의해 포커싱된다. 서브-빔(2070)의 각 그룹은 복수의 검출기(2050) 중 대응하는 검출기의 표면에 입사된다. 각각의 검출기(2050)는 바람직하게는 자신에 입사되는 원역장 강도 패턴을 샘플링한다. 각각의 검출기(2050)는 제어 모듈(1832)에 포함된 제어 전자 서브 모듈(1874)과 같은 대응하는 제어 전자 서브 모듈(도시되지 않음)과 협력하여, 바람직하게는, 결합된 위상들이 목표 그룹 원역장 강도 패턴을 생성하도록, 검출기에 의해서 샘플링된 서브-빔들(2070)의 그룹에 포함된 서브-빔들의 위상을 최적화한다. 이러한 샘플링 및 최적화는 바람직하게는 모든 검출기들(2050)에 걸쳐 원역장 강도 패턴들 중 해당하는 것들에 대해 병렬로, 바람직하게는 동시에 수행된다.
그룹들(2070) 중 다른 그룹들에 대해 각 해당 그룹(2070)의 상대 위상을 최적화하기 위해, 반사된 부분(2064)의 일부는 서브-빔 분할기(2080)를 통해 보조 렌즈(2082)로 향하는 것이 바람직하다. 보조 렌즈(2082)는 반사된 부분(2064)의 일부가 보조 검출기(2088)에 입사하는 단일 빔(2084)으로 수렴되도록 하게 하는 것이 바람직하다. 보조 검출기(2088)는 바람직하게는 모든 서브-빔들의 조합의 원역장 강도 패턴에 대응하는 원역장 강도 패턴을 갖는 단일 빔을 수신한다. 보조 검출기(2088)는 바람직하게는 전자 제어 모듈(1832)에 포함된 위상 제어 전자 소자와 협력하여, 서로에 대해 그룹들(2070)의 위상들을 샘플링하고 최적화한다.
서로에 대한 그룹들(2070)의 위상들의 최적화는 도 18을 참조하여 전술한 바와 같이, 위상 변조기(1818)에 의한 개별 서브-빔의 위상의 위상 변조에 의해 이루어질 수 있거나, 도 19를 참조하여 전술한 바와 같이, 그룹 위상 변조기(1918)에 의한 서브-빔 그룹의 위상의 위상 변조에 의해 이루어질 수 있다는 것으로 이해된다.
도 15 내지 도 20b의 OPA 레이저(1500, 1700, 1800 및 2000)의 전술한 실시형태에서, 위상 변조는 바람직하게는, 다수의 그룹들 내의 서브-빔들의 위상 측정을 동시에 수행하기 위해 사용되는 검출기들(1550, 1750, 1850 및 2050), 및 다수의 그룹을 포함하는 단일 빔의 위상 측정을 수행하는 데 사용된 보조 검출기(1586, 1786, 1886 및 2086)와 같은 단일 검출기를 사용하여, 스케일링된 방식으로 수행된다.
그러나, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는 시스템은, 관여하는 서브-빔들의 수에 따라, 검출기들 및 대응하는 광학 소자들의 추가 계층을 더 포함하도록, 추가로 확장 가능할 수 있다는 것으로 이해된다.
예시적으로, 도 21에 도시된 바와 같이, OPA 레이저 시스템(1500)은 서브-빔의 그룹들(1570)을 중간 그룹들(2104)로 포커싱하기 위한 추가 포커싱 렌즈(2102)를 포함하도록 수정될 수 있으며, 여기서 상기 중간 그룹들은 중간 검출기(2106)에 입사된다. 이어서, 중간 그룹들(2104)이 추가로 결합되어 단일 검출기(2108)에 입사되고, 이 단일 검출기(2108)에서, 중간 그룹들(2104)은 바람직하게는 서로에 대해 위상이 수정된다.
또한, 도 15 내지 도 21을 참조하여 전술한 OPA 레이저 시스템들 중 임의의 것은, 도 6 내지 도 8을 참조하여 전술한 본 발명의 실시형태에 따라서, 출력 빔의 샘플링을 개선하기 위해, 시스템 내부의 개별 검출기들 중 하나 이상을 다수의 검출기 및 대응하는 다수의 근접하게 이격된 광 경로로 대체함으로써, 변경될 수 있다는 것이 이해된다. 또한, 대안적으로, 도 15 내지 도 21을 참조하여 상술한 OPA 레이저 시스템들 중 임의의 것은, 출력 빔의 샘플링을 더 개선하기 위해, 도 9 내지 도 12을 참조하여 전술한 본 발명의 실시형태에 따라서, 시스템 내부에 채용된 다수의 검출기들 중 하나 이상을 마스킹하는 투과성 또는 반사성 검출기 마스크를 포함하도록 변경될 수 있다.
또한, 도 15 내지 도 21을 참조하여 전술한 OPA 레이저 시스템들 중 임의의 것은, 본 명세서에서 사용된 위상 변조기의 정확한 캘리브레이션을 보장하기 위해, 도 13 및 도 14를 참조하여 전술한 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른, 전압-위상 캘리브레이션 기능을 포함하도록 변경될 수 있다는 것이 이해된다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 광학 위상 어레이 레이저 시스템의 각각의 제1 초점 상태 및 제2 초점 상태의 단순화된 개략도인 도 22a 및 도 22b를 참조한다.
도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 광학 위상 어레이(OPA) 레이저(2202)를 포함하는 레이저 시스템(2200)이 제공된다. OPA 레이저 시스템(2200)은 본 발명과 동일한 양수인에게 양도된 미국 특허 제9,584,224호 또는 미국 특허 출원 제15/406,032호에서 전반적으로 개시된 유형의 것일 수 있으며, 이들의 내용은 본원에서 인용되어 포함된다. 대안적으로, OPA 레이저 시스템(2200)은 상술한 도 1a 내지 도 21 중 어느 하나 또는 이들의 결합을 참조하여 설명된 유형의 레이저 시스템일 수 있다.
확대부(2210)에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, OPA 레이저(2202)는 시드 레이저(2212) 및 시드 레이저(2212)로부터 레이저 출력을 수신하고 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(2214)을 포함하는 것이 바람직하다. 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템(2214)은 바람직하게는, 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키기 위한 복수의 위상 변조기(2218)를 포함하고, 이러한 위상 변화는 바람직하게는 분할 및 결합 서브시스템(2214)이 시드 레이저(2212)로부터의 레이저 출력을 분할한 후 그리고 결합 동작을 수행하기 이전에 발생한다.
시드 레이저(2212)의 출력의 분할 및 후속 위상 변조에 의해 생성된 각각의 위상 변조 서브-빔은 바람직하게는 시준 렌즈(2219)를 향해 전파된다. 이어서, 개별적으로 시준된 위상 변조된 서브-빔은 예를 들어 초점 렌즈(2220)에서 결합되어 출력 빔(2222)을 형성한다.
분할 및 결합 서브시스템(2214)은 또한 바람직하게는 시드 레이저(2212)의 출력 빔을 서브-빔으로 분할한 후 그리고 서브-빔을 결합하여 출력 빔(2222)을 형성하기 이전에, 서브-빔의 레이저 증폭을 제공할 수 있다. 본 도면에서, 예시적으로, 분할 및 결합 서브시스템(2214)은 각각의 서브-빔을 증폭하기 위한 복수의 광학 증폭기(2224)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이러한 증폭은 선택사양적이고 OPA 레이저(2200)의 파워 출력 사양에 따라 생략될 수 있다는 것으로 이해된다.
출력 빔(2222)의 위상, 및 그에 따른, 출력 빔의 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상은 출력 빔(2222)을 형성하기 위해 결합된 구성성분 서브-빔의 상대 위상에 의해 적어도 부분적으로 제어된다. 도 1a 내지 도 5g를 참조하여 전술한 바와 같은, 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 적층 가공 및 광학 자유 공간 통신과 같은 많은 응용분야에서, 출력 빔(2222)의 원역장 강도 패턴을 동적으로 움직이고 성형하는 것이 바람직하다. 이는 레이저 시스템(2200) 내에서, 레이저 분할 및 결합 서브시스템(2214)이 개별 서브-빔들의 상대 위상을 동적으로 변화시키고 이로써 원역장 강도 패턴의 위치 및 형상을 동적으로 제어하도록 상기 결합된 레이저 출력(2222)의 위상을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.
서브-빔의 상대 위상은 바람직하게는 목표 레이저 출력 패턴에 따라 미리 결정된다. 특히 바람직하게는, 가변 상대 위상은 위상 제어 서브시스템(2230)에 의해 적용된다. 위상 제어 서브시스템(2230)은 바람직하게는 OPA 레이저 시스템(2200) 내의 제어 전자 모듈(2232)의 일부를 형성하고, 바람직하게는, 각각 도 1a, 도 2a, 도 3a 및 도 4a의 위상 제어 서브시스템(130, 230, 330, 430)을 참조하여 전술한 바와 같이, 서브-빔의 상대 위상을 동적으로 변조하도록, 각 위상 변조기(2218)를 제어한다.
OPA 시스템(2200) 고유의 노이즈로 인해, 출력 빔(2222)은 노이즈를 가질 수 있다. 출력 빔(2222) 내의 노이즈는 통상적으로 광학 증폭기(2224)가 OPA 시스템(2200)에 존재하는 경우에, 열적 또는 기계적 효과 및/또는 증폭 프로세스에 의해 생성된 위상 노이즈이다. 출력 빔(2222)이 노이즈를 갖는 경우에, OPA 시스템(2200)은 이하에서 상세하게 기술될 방식으로 출력 빔(2222)의 노이즈를 제거하기 위해 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템(2240)을 포함할 수 있다.
특히 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(2240)은 결합된 레이저 출력에서 위상 노이즈를 감지하고 보정하기 위한 알고리즘을 사용하며, 이러한 알고리즘은 바람직하게는, 반드시 그럴 필요는 없지만, 도 1a 내지 도 4c를 참조하여 전술한 유형 중 하나이다. 노이즈 제거 위상 보정 출력은 바람직하게는, 노이즈 제거 서브시스템(2240)에 의해 위상 변조기(2218)에 제공되는데, 이로써, 출력 빔(2222)의 위상 노이즈가 보정되고, 따라서 출력 빔(2222)의 원역장 강도 패턴의 형상 및 위치의 왜곡이 방지되는데, 이러한 왜곡은 보정이 없는 경우에 노이즈에 의해서 유발될 수 있다. 노이즈 제거 서브시스템(2240)은 제어 전자 모듈(2232)에 포함될 수 있다.
대안적으로, 출력 빔(2222)에서의 노이즈가 상당하지 않은 경우, 노이즈 제거 서브시스템(2240)은 OPA 시스템(2200)으로부터 제거될 수 있고 이에 따라 노이즈 보정이 수행되지 않을 수 있다.
출력 빔(2222)과 관련이 있는 경우 위상 변화 및 노이즈 보정의 적용을 용이하게 하기 위해, OPA 레이저(2202)의 출력의 일부가 추출되어 적어도 하나의 검출기(2250)를 향하는 것이 바람직하다. 본 도면에서, 예시적으로, 적어도 하나의 검출기(2250)는 단일 검출기(2250)로서 구현되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 적어도 하나의 검출기(2250)는 도 6 내지 도 8을 참조하여 전술한 바와 같이, 근접하게 이격된 광 경로를 통해 OPA 레이저(2202)의 출력의 일부를 수신하는 다수의 검출기로서 구현될 수 있거나, 도 9 내지 도 12를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 투과성 또는 반사성 광학 마스크를 통해 OPA 레이저(2202)의 출력의 일부를 수신하는 적어도 하나의 검출기로서 구현될 수 있다는 것이 이해된다. 출력 빔의 추출된 부분은 바람직하게는 기준 빔으로서 기능하며, 이 기준 빔의 특성에 기초하여, 요구되는 노이즈 보정 및/또는 위상 변화가 계산될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 채널들(2216)을 따르는 복수의 서브-빔은 빔 분할기(2260)를 향한다. 빔 분할기(2260)는 바람직하게는 각각의 서브-빔을 미리 결정된 비율에 따라 투과된 부분(2262) 및 반사된 부분(2264)으로 분할한다. 예를 들어, 빔 분할기(2260)는 각 서브-빔을 99.9% 투과된 부분: 0.01% 반사된 부분의 비율로 분할할 수 있다.
서브-빔의 투과된 부분(2262)은 바람직하게는 초점 렌즈(2220)를 향해 전파되며, 이 초점 렌즈(2220)에서, 서브-빔들이 원역장 강도 패턴(2266)을 갖는 출력 빔(2222)을 형성하도록 결합된다. 서브-빔의 반사된 부분(2264)은 바람직하게는 추가 초점 렌즈(2268)를 향해 반사되며, 이 추가 초점 렌즈(2268)에서, 서브-빔들은 하나 이상의 복수의 검출기(2250)의 표면 상에 입사하는 원역장 강도 패턴(2272)을 갖는 출력 기준 빔(2270)을 형성하도록 결합된다.
특정 응용분야에서, 출력 빔(2222)은 바람직하게는 기판(2280)를 향하며, 원역장 강도 패턴(2266)은 바람직하게는 이러한 기판(2280)으로 입사된다. 기판(2280)은 OPA 레이저(2202)에 의해 처리되는 가공물일 수 있다. 예를 들어, OPA 레이저(2202)는 가공물(2280)을 적층 가공, 절단, 용접, 소결 또는 다른 방식으로 처리하도록 동작할 수 있다. 위상 제어 서브시스템(2230)은 출력 빔(2222)을 기판(2280) 상에 포커싱하기 위해 출력 빔(2222)의 위상을 변경하는 것이 바람직하다. 위상 제어 서브시스템(2230)에 의한 이러한 위상 변화의 적용이 없으면, 출력 빔(2222)은 기판(2280)에 포커싱되지 않을 것이라는 것으로 이해된다.
바람직하게는, 출력 빔에 대한 위상 변화의 적용이 없을 때, OPA 레이저(2202)의 출력 빔(2222)이, 기판(2280)의 표면 상의 렌즈(2220)에 의해 포커싱되지 않도록, 초점 렌즈(2220)가 설계되는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 예시적으로, 출력 빔에 대한 위상 변화의 적용이 없는 경우에서의 출력 빔(2222)의 구성을 도시한 도 22a를 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 초점 렌즈(2220)는 기판(2280)의 표면 위의 초점(2284)에서 출력 빔(2222)을 포함하는 위상 변화가 없는 시준된 파면(2282)을 포커싱하도록 광학적으로 설계될 수 있다.
출력 빔에 대한 위상 변화를 적용하는 경우에서의 출력 빔(2222)의 구성을 나타내는 도 22b를 고려하여 알 수 있는 바와 같이, 출력 빔(2222)의 위상-변화는 바람직하게는, 대표적인 위상-변화된 파면(2286)의 경우에서 볼 수 있는 바와 같은, 파면(2282)의 형상 및 이로써 초점을 수정하는 역할을 하며, 상기 위상-변화된 파면(2286)은 바람직하게는 초점 렌즈(2220)에 의해 기판(2280) 상에 포커싱된다. 기판(2280) 상으로의 출력 빔(2222)의 포커싱은, 오직 초점 렌즈(2220)에 의해서 만이 아니라, 도 22b에 도시된 바와 같이, 초점 렌즈(2220)와 결합하여 그의 위상 변화에 의해 달성된다는 것이 이해된다.
출력 빔의 위상 변화에 의해서 달성되는, 기판(2280) 상으로의 출력 빔(2222)의 포커싱의 결과로 인해서, 기판(2280)으로부터 발생하는 백스캐터링(back-scatter)은, OPA 레이저(2202) 상의 초점 렌즈(2220)에 의해 대응하는 방식으로 포커싱되지 않는다. 당업계에 공지된 바와 같이, 레이저 빔에 의해 처리된 표면으로부터의 백스캐터링은 통상적으로 레이저로 되돌아가서, 특히 레이저 증폭 시스템에서, 레이저에 대해 손상을 일으킬 수 있다. 본 발명에 따라서, 이러한 손상은 초점 렌즈(2220)가 OPA 레이저(2202)를 향해 백스캐터링을 포커싱하지 않아서 백스캐터링이 OPA 레이저(2202)에 도달하지 않고 이로써 이를 손상시키지 않기 때문에 회피된다.
기판(2280)으로부터 OPA 레이저(2202)를 향한 백스캐터링의 예시적인 복귀 경로가 도 23에 도시되어 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 기판(2280)으로부터 나오는 백스캐터링된 레이저 빔(2300)은 바람직하게는 초점 렌즈(2220)에 도달한다. 그러나, 백스캐터링된 레이저 빔(2300)은 바람직하게는 초점 렌즈(2220)에 의해 OPA 레이저(2202)에 포커싱되지 않으며, 이로써 백스캐터링에 의한 레이저 손상이 방지된다. 초점 렌즈(2220)가 통상적인 종래의 레이저 시스템에서 그러한 바와 같이, OPA 레이저(2202)로부터의 위상 변화가 없는 레이저 출력을 기판(2280) 상에 포커싱하도록 설계되어야 하는 경우에, 백스캐터링된 빔(2300)의 경로는 초점 렌즈(2220)에 의해 상기 OPA 레이저(2202) 상으로 대응하는 방식으로 포커싱될 수 있고, 이에 따라 레이저가 손상이 야기될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 기판(2280) 상으로의 OPA 레이저(2202)의 출력의 포커싱은 출력 빔(2222)의 적절한 위상 변화에 의해서만 수행될 수 있어서, 초점 렌즈(2220)가 필요 없을 수 있다는 것이 이해된다.
도 1a 내지 도 23을 참조하여 전술한 바와 같이, 시드 레이저로부터의 출력은 그의 증폭을 위한 증폭 시스템으로 향할 수 있다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 증폭 시스템을 공급하는 시드 레이저에 의한 레이저 출력의 결함은 증폭 시스템을 손상시킬 수 있다. 시드 레이저에 의해 연결된 증폭 시스템에 손상을 야기하는, 시드 레이저에 의한 레이저 출력의 통상적인 결함은 시드 레이저 출력의 파워 감소 및 레이저 라인 폭의 열화를 포함할 수 있다. 증폭 시스템에 대한 결과적인 손상은 증폭 시스템에 포함될 수 있는 내부 감지 메커니즘의 응답 시간 이전에, 수 나노초 정도로, 매우 빠르게 발생할 수 있다.
증폭 시스템에 연결된 시드 레이저의 고장 시에 증폭 시스템에 대한 손상을 방지하기 위한 본 발명의 바람직한 실시형태는 도 24 내지 도 33을 참조하여 설명된다. 이하에서 설명될 시드 레이저 고장 방지 시스템은 도 1a 내지 도 23을 참조하여 상술한 임의의 유형의 OPA 레이저에 통합될 수 있거나, 시드 레이저 및 이에 연결된 증폭기를 포함하는 임의의 다른 레이저 시스템에 통합될 수 있다는 것이 이해된다.
이제 도 24를 참조하면, 도 24에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 레이저 출력 및 증폭 서브시스템을 제공하는 시드 레이저(2402)를 포함하는 레이저 시스템(2400)이 제공되며, 본 도면에서 상기 증폭 서브시스템은 예를 들어, 시드 레이저(2402)로부터 레이저 출력을 수신하고 레이저 출력을 증폭하여 증폭된 레이저 출력(2406)을 제공하는 파워 증폭기(2404)로서 구현된다. 레이저 시스템(2400)은, 예시적으로, MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저로 구현될 수 있거나, 시드 레이저 및 파워 증폭기를 포함하는 임의의 다른 레이저 시스템일 수 있다. 시드 레이저(2402)로부터의 레이저 출력은 바람직하게는 본 도면에서 예를 들어, 코일형 광섬유(2410)를 포함하는 것으로서 구현되는 제1 광 경로(2408)를 통해 파워 증폭기(2404)에 도달한다.
시드 레이저(2402)의 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위해, 시스템(2400)은 바람직하게는 시드 레이저(2402)로부터 출력을 수신하는, 바람직하게는 시드 센서(2420)로서 구현되는 검출기 서브시스템을 더 포함한다. 시드 레이저(2402)로부터의 레이저 출력은 바람직하게는 제2 광 경로(2422)를 통해 검출기 서브시스템(2420)에 도달한다. 검출기 서브시스템(2420)은 레이저 출력의 특성을 감지하고, 보다 구체적으로는, 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 센서 서브시스템(2420)은 바람직하게는 파워 증폭기(2404)에 동작 가능하게 결합된다. 센서 서브시스템(2420)은 바람직하게는 시드 레이저(2402)로부터의 레이저 출력에서의 결함의 검출 시에 파워 증폭기(2404)를 비활성화시키도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태의 특별한 특징은 시드 레이저(2402)로부터 파워 증폭기(2404)로의 제1 광 경로(2408)를 따르는 레이저 출력의 제1 비행 시간(TOF = T1)이, 시드 레이저(2402)에서 센서 서브시스템(2420)으로의 제2 광학 경로(2422)를 따르는 레이저 출력의 제2 비행 시간(TOF = T2)과 센서 서브시스템(2420)이 파워 증폭기(2404)를 비활성화시키는 데 걸린 시간의 합보다 크다는 것이다.
시드 레이저(2402)로부터 파워 증폭기(2404)로의 레이저 출력의 비행 시간이 비교적 길기 때문에, 센서 서브시스템(2420)은 바람직하게는 수신된 레이저 출력에서 결함을 검출하고 파워 증폭기(2404)가 결함이 있는 레이저 출력을 수신하기 전에, 파워 증폭기(2404)를 비활성화할 수 있으며, 이로써 파워 증폭기(2404)의 손상을 방지한다.
센서(2420)가 레이저 출력의 결함을 감지하고, 필요에 따라, 파워 증폭기(2404)가 결함이 있는 레이저 출력을 수신하기 전에, 파워 증폭기(2404)를 비활성화시키기 위한 시간을 허용하기 위해서, 시드 레이저(2402)로부터 파워 증폭기(2404)로의 레이저 출력의 비행 시간을 연장하는 것은, 제1 광 경로를 따라 섬유 코일(2410)을 포함시킴으로써, 도 24에 도시된 본 발명의 실시형태에서 달성된다. 예를 들어, 섬유 코일(2410)은 물리적 길이가 10km일 수 있고, 이러한 섬유 코일에 따르는 레이저 출력의 비행 시간은 대략 50 마이크로 초일 수 있다. 이로써, 시드 레이저(2402)로부터의 출력에서 결함이 발생하는 경우, 파워 증폭기(2404)는 시드 레이저(2402)로부터 결함이 있는 출력 신호가 시작된 후 50 마이크로 초 동안 결함이 없는 입력 신호를 계속 수신할 것이다.
시드 레이저(2402)와 센서 서브시스템(2420) 간의 광 경로는 코일(2410)을 포함하지 않으며 직접적이고 훨씬 더 짧은 광 경로일 수 있다. 이로써, 시드 레이저(2402)로부터 센서 서브시스템(2420)으로의 레이저 출력의 비행 시간은 바람직하게는 50 마이크로 초보다 훨씬 짧으며, 예를 들어, 30 마이크로 초 이하이다. 시드 레이저(2402)로부터의 출력에서의 결함의 발달 후에, 센서 서브시스템(2420)은 레이저 출력을 신속하게 수신하고, 그 내의 결함을 검출하고, 파워 증폭기(2404)를 스위치 오프할 수 있고, 이 모든 동작들은 시드 레이저(2402)와 파워 증폭기(2404) 간의 시간 지연이 만료되기 전에 이루어진다. 결과적으로, 파워 증폭기(2404)는 바람직하게는 파워 증폭기(2404)가 센서 서브시스템(2420)에 의해 검출된 결함 신호를 수신하기 전에, 센서 서브시스템(2420)에 의해 스위치 오프되고, 이에 의해 파워 증폭기(2404)의 손상을 방지한다.
시드 레이저(2402)와 센서 서브시스템(2420) 간의 광 경로 시간 및 길이와 비교하여, 시드 레이저(2402)와 파워 증폭기(2404) 간의 광 경로를 연장시키고 이로써 이 경로에 따른 비행 시간을 증가시키는 것은, 시드 레이저(2402)와 파워 증폭기(2404) 간의 광 경로를 따라 섬유 코일을 포함함으로써 달성되는 것으로만 제한되지 않는다는 것이 이해된다. 이와 달리, 시드 레이저(2402)와 파워 증폭기(2404) 간의 광 경로는 예를 들어 도 25에 도시된 바와 같이, 광 지연 라인(2500)을 포함시키는 것과 같이, 임의의 적절한 수단에 의해 연장될 수 있다. 또한, 시드 레이저(2402)와 파워 증폭기(2404) 간의 광 경로는 도 26에 도시된 바와 같이, 자유 공간 광 경로(2600)일 수 있으며, 이 경우에, 이러한 경로를 따르는 비행 시간은 반사 미러와 같은 광학 요소를 사용함으로써 연장될 수 있다. 그러나, 제1 광 경로(2408)에 코일형 섬유(2410)를 포함시키는 것은, 그 컴팩트한 구성으로 인해서 그리고 코일형 섬유(2410)에 의해 시드 레이저 출력의 광학 모드가 유지될 수 있기 때문에, 특히 유리할 수 있다는 것으로 이해된다.
도 24에 도시된 코일형 섬유(2410)의 특정 구성은 단지 대표적이고 예시적인 것임을 이해해야 한다. 코일형 섬유(2410)는 임의의 적합한 형태로 구현될 수 있고, 코일형 섬유(2410)에 의해 제공되는 광 경로의 유효 길이를 더 증가시키도록 레이저 출력이 단일 방향으로 또는 전후 방향으로 진행하도록 구성될 수 있다.
이제, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도인 도 27을 참조한다.
도 27에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 레이저 출력을 제공하는 시드 레이저(2702)를 포함하는 레이저 시스템(2700)이 제공된다. 시드 레이저(2702)는 바람직하게는 제1 증폭기(2703)에 연결되고, 이어서, 제1 증폭기(2703)는, 본 도면에서, 증폭된 레이저 출력(2706)을 제공하는 파워 증폭기(2704)로서, 예시적으로, 구현된 제2 증폭기(2704)에 연결되는 것이 바람직하다. 레이저 시스템(2700)은, 예시적으로, MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저로 구현될 수 있거나, 시드 레이저 및 파워 증폭기를 포함하는 임의의 다른 레이저 시스템일 수 있다.
당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 그리고 상술한 바와 같이, 시드 레이저(2702)에 의한 레이저 출력의 결함은 파워 증폭기(2704)에 손상을 초래할 수 있다. 파워 증폭기(2704)의 손상을 야기하는 시드 레이저(2702)에 의한 레이저 출력에서의 통상적인 결함은 시드 레이저 출력의 파워의 중단 또는 감소 및 레이저 라인 폭의 열화를 포함할 수 있다. 파워 증폭기에 대한 이러한 손상은 파워 증폭기(2704)에 포함될 수 있는 내부 감지 메커니즘의 응답 시간 이전에, 수 나노 초 정도로 매우 빠르게 발생할 수 있다.
시드 레이저(2702)의 출력에서의 결함의 결과로서 파워 증폭기(2704)에 대한 손상을 피하기 위해, 레이저 시스템(2700)이 추가 증폭기(2703)를 포함하는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 바람직하게는, 추가 증폭기(2703)는 파워 증폭기(2704)에 의해 제공되는 것보다 훨씬 더 낮은 증폭을 제공하고, 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력의 증폭을 위한 목적보다는, 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력의 열화 시 파워 증폭기(2704)에 대한 손상을 방지하기 위한 목적을 위해서, 시스템(2700) 내에 포함된다.
시스템(2700)의 동작에서, 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력은 바람직하게는 제1 증폭기(2703)에 의해 수신된다. 제1 증폭기(2703)는 바람직하게는 제1 증폭된 레이저 출력을 제공하며, 이 제1 증폭된 레이저 출력은 바람직하게는 제2 증폭기(2704)에 의해 수신 및 증폭된다.
시드 레이저(2702)의 오류성 동작으로 인해, 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력이 중단되면, 제1 증폭기(2703)는 더 이상 시드 레이저(2702)로부터 레이저 출력을 수신하지 못한다. 이 경우, 제1 증폭기(2703)는 증폭된 자발적 방출을 생성하고, 이 증폭된 자발적 방출은 제2 증폭기(2704)에 의해 수신된다. 대안적으로, 시드 레이저(2702)로부터 레이저 출력이 중단될 때, 제1 증폭기(2703)가 레이저로서 동작을 시작하고 추가 레이저 출력을 생성하도록, 제1 증폭기(2703)는 구성될 수 있다.
따라서, 시드 레이저(2702)가 레이저 출력을 제공하는 것을 중단한 경우에도, 제2 증폭기(2704)는 증폭된 자발 방출 형태로의 입력 신호를 계속 수신하거나, 제1 증폭기(2703)로부터의 추가 레이저 출력 형태로의 입력 신호를 계속 수신하는 것으로 이해된다. 제1 증폭기(2703)에 의해 제2 증폭기(2704)로 제공되는 증폭된 자발적 방출은 제2 증폭기(2704)에 대한 손상을 방지하기에 충분하고, 그렇지 않은 경우에, 제2 증폭기로의 신호 제공이 중단되어, 손상이 발생할 가능성이 있다. 시스템(2700)은 시드 레이저(2702)로부터 출력된 레이저의 결함을 감지하고 그에 따라 제2 증폭기(2704)를 비활성화하기 위해, 시드 레이저(2702)에 연결된 센서를 추가로 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
시드 레이저(2702)의 적절한 동작 동안, 제1 증폭기(2703)에 의해 제공된 제1 증폭은 바람직하게는 제2 증폭기(2704)에 제공된 제2의 1차 증폭에 비교하여 무시할 수 있을 정도의 것으로 이해된다.
도 27에 도시된 바와 같이, 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력은 제1 증폭기(2703)에 직접 공급될 수 있다. 대안적으로, 도 28에 도시된 바와 같이, 시드 레이저(2702)와 제1 증폭기(2703)를 인터페이싱하는 추가 요소들이 삽입될 수 있다. 특히, 허용될 수 없는 좁은 선폭의 레이저 빔을 필터링하여 그러한 레이저 빔이 제2 증폭기(2704)에 도달하여 이를 손상시키는 것을 방지하기 위해, 시드 레이저(2702)와 제1 증폭기(2703) 간에 필터가 삽입될 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적합한 선폭 필터(2800)의 특히 바람직한 실시형태가도 28에 도시되어 있다.
이제, 도 28을 참조하면, 필터 구조(2800)는 시드 레이저(2702)의 하류에 그리고 제1 증폭기(2703)의 상류에서 구현되는 것으로 보인다. 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력은 바람직하게는 필터(2800)로 진입 할 때 분할기(2805)에서 2 개의 부분으로 분할되고, 필터(2800)로부터 나가기 전에 재결합기(2806)에서 재결합된다. 시드 레이저(2702)로부터 출력된 분할된 레이저의 제1 부분은 바람직하게는 분할기(2805)와 재결합기(2806) 간의 필터(2800)의 제1 아암(2807)을 따라서 이동한다. 시드 레이저(2702)로부터 출력된 분할된 레이저의 제2 부분은 바람직하게는 분할기(2805)와 재결합기(2806) 간의 필터(2800)의 제2 아암(2808)을 따라서 이동한다. 제1 아암 및 제2 아암(2807 및 2808) 간의 비교결과로부터 이해되는 바와 같이, 제1 아암(2807)은 바람직하게는 제2 아암(2808)과 비교하여 추가 부분(2809)을 포함하고 따라서 제2 아암(2808)보다 길다.
시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력이 허용할 수 없을 정도로 좁은 선폭을 갖는 경우, 제1 아암 및 제2 아암(2807 및 2808)으로부터 출력된 레이저 출력들이, 재결합기(2806)에서 재결합될 때, 그들의 비교적 높은 코히어런스로 인해 상호 간섭할 것이다. 재결합된 빔은 바람직하게는 검출기(2810)에 의해 검출되며, 이 검출기(2810)는 바람직하게는 전자 제어 모듈(2811)에 연결된다. 전자 제어 모듈(2811)은 바람직하게는 제2 아암(2808)을 따라 위치된 위상 변조기(2812)의 동작 제어 시에 코히어런트 빔 결합(coherent beam combining: CBC) 카드이다. 위상 변조기(2812)는, 바람직하게는 전자 제어 카드(2811)에 의해 작동되어, 제2 아암(2808)을 따르는 빔의 위상을 변경하여, 실질적으로 재결합기(2806)에서 재결합된 빔들 모두가 검출기(2810)를 향하게 한다. 따라서, 재결합된 빔은 제1 증폭기(2703)를 향해 진행되지 않으므로, 제2 증폭기(2704)에 도달하지 않으며 이에 손상을 유발하지 않는다. 이로써, 제1 증폭기(2703)에 의한 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력의 수신이 정지되고, 제1 증폭기(2703)는 상술한 바와 같이 증폭된 자발 방출 또는 추가 레이저 출력 중 하나를 생성한다.
시드 레이저(2702)가 적절하게 동작하고 시드 레이저(2702)로부터의 레이저 출력이 상당히 넓은 선폭을 갖는 경우, 재결합기(2806)에서 재결합될 때, 제1 아암 및 제2 아암(2807, 2808)으로부터의 레이저 출력들은 상호 간섭하지 않을 것이다. 이는 코히어런스가 비교적 낮고 이로써 상호 간섭이 거의 또는 전혀 발생하지 않도록 라인 폭이 충분히 넓기 때문이다. 이 경우에, 재결합기(2806)에서의 레이저 출력의 일부는 제1 증폭기(2703)를 계속 향할 것이고, 재결합기(2806)에서의 레이저 출력의 일부는 검출기(2810)로 전달될 것이다. 후속하여, 제1 증폭기(2703)에 의해 수신된 레이저 출력은, 바람직하게는 시스템(2700)을 참조하여 위에서 개략적으로 설명한 바와 같이, 제1 증폭기(2703)에 의해 제2 증폭기(2704)로 제공되는 것이 바람직하다.
추가 증폭기(2703) 및 필터 구조(2800)를 포함하고 도 27 및 도 28에 도시된 손상 방지 시스템은 단독으로 또는 도 24 내지 도 26에 도시된 방지 시스템 중 임의의 하나와 결합하여 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
이제, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도인 도 29를 참조한다.
도 29에 도시된 바와 같이, 바람직하게는, 제1 레이저 출력(2903)을 제공하는 시드 레이저(2902), 및 시드 레이저(2902)로부터 제1 레이저 출력(2903)을 수신하고 레이저 출력을 증폭하여 증폭된 레이저 출력(2906)을 제공하는 증폭 서브시스템 - 여기서는 예시적으로 파워 증폭기(2904)로 구현됨 - 을 포함하는 레이저 시스템(2900)이 제공된다. 레이저 시스템(2900)은, 예시적으로, MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저로 구현될 수 있거나, 시드 레이저 및 파워 증폭기를 포함하는 임의의 다른 레이저 시스템일 수 있다.
시드 레이저(2902)의 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위해, 시스템(2900)은 바람직하게는 시드 레이저(2902)로부터 출력을 수신하는, 바람직하게는 시드 센서(2920)로서 구현되는 검출기 서브시스템을 더 포함한다. 센서 서브시스템(2920)은 레이저 출력의 특성을 감지하고, 보다 구체적으로는 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 센서 서브시스템(2920)은 바람직하게는 파워 증폭기(2904)에 동작 가능하게 결합된다. 센서 서브시스템(2920)은 바람직하게는 시드 레이저(2902)로부터의 레이저 출력에서의 결함의 검출 시에 파워 증폭기(2904)를 비활성화시키도록 구성된다.
레이저 시스템(2900)이, 바람직하게는, 본 도면에서, 보조 시드 레이저(2930)로서 구현되는 보조 레이저 서브시스템을 포함하는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 보조 시드 레이저(2930)는, 바람직하게는 제2 레이저 출력(2932)을 증폭기(2904)에 제공하며, 이 제2 레이저 출력(2932)은 바람직하게는 제1 레이저 출력(2903)의 파워보다 상당히 낮은 파워를 갖는다. 단지 예시적으로, 제1 레이저 출력(2903)은 80 내지 100 밀리와트 범위의 제1 파워를 가질 수 있는 반면, 제2 레이저 출력(2932)은 50 내지 70 밀리와트 범위의 제2 파워를 가질 수 있다.
보조 시드 레이저(2930)는, 바람직하게는 적어도 시드 레이저(2902)가 제1 레이저 출력(2903)을 증폭기(2904)에 제공하는 것을 중단하면, 제2 레이저 출력(2932)을 제공한다. 특히 바람직하게는, 보조 시드 레이저(2930)는, 바람직하게는, 시드 레이저(2902)가 제1 레이저 출력(2903)을 제공하는 것을 중단하는 때 및 시드 레이저(2902)가 제1 레이저 출력(2903)을 제공하는 때에 동시에, 증폭기(2904)에 제2 레이저 출력(2932)을 제공하도록 연속적으로 동작한다.
시드 레이저(2902)의 적절한 동작 동안, 증폭기(2904)는 바람직하게는 시드 레이저(2902)로부터 제1 레이저 출력(2903)을 수신하고 보조 시드 레이저(2930)로부터 제2 레이저 출력(2932)을 수신한다. 제2 레이저 출력(2932)의 파워가 제1 레이저 출력(2903)의 파워보다 상당히 낮기 때문에, 증폭된 레이저 출력(2906)에 대한 제2 레이저 출력(2903)의 기여도는 바람직하게는 무시할 수 있다. 바람직하게는, 그러나 반드시 그런 것은 아니지만, 증폭된 레이저 출력(2906)에 대한 제2 레이저 출력(2932)의 영향을 더 감소시키기 위해, 제2 레이저 출력(2932)은 제1 레이저 출력(2903)과는 다른 파장을 갖는다. 단지 예시적으로, 제1 레이저 출력(2903)은 1060 내지 1070 nm 범위의 제1 파장을 가질 수 있는 반면, 제2 레이저 출력(2932)은 1070 내지 1080 nm 범위의 제2 파장을 가질 수 있다.
시드 레이저(2902)로부터의 레이저 출력이 중단되면, 센서 서브시스템(2920)에 의해 감지된 시드 레이저(2902)의 오류성 동작으로 인해, 센서 서브시스템(2920)은 증폭기(2904)를 비활성화하도록 동작하는 것이 바람직하다. 증폭기(2904) 및 검출기 서브시스템(2920)의 유한 응답 시간으로 인해, 증폭기(2904)는 순간적으로 비활성화되지 않고 오히려 시드 레이저(2902)로부터 레이저 출력이 중단된 후 유한 기간 동안 계속 동작한다. 이 기간 동안, 증폭기(2904)는 더 이상 시드 레이저(2902)로부터 제1 레이저 출력(2903)을 수신하지 않는 것으로 이해된다. 그러나, 보조 시드 레이저(2930)는 바람직하게는 증폭기(2904)에 제2 레이저 출력(2932)을 계속 제공한다. 따라서, 시드 레이저(2902)가 레이저 출력 제공을 중단한 경우에도, 증폭기(2904)는 제2 레이저 출력(2932) 형태의 입력 신호를 계속 수신하는 것으로 이해된다. 보조 시드 레이저(2930)에 의해 증폭기(2904)에 제공되는 제2 레이저 출력(2932)은, 증폭기(2904)에 대한 손상을 방지하기에 충분하며, 그렇지 않으면, 증폭기(2904)가 센서(2920)에 의해 비활성화되기 전에, 상기 증폭기로의 신호의 제공이 중단되어, 이의 손상이 발생할 수 있다.
이제, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따라 구성되고 동작하는, 시드 레이저 고장 방지 시스템을 포함하는 레이저 증폭 시스템의 단순화된 개략도인 도 30을 참조한다.
도 30에 도시된 바와 같이, 바람직하게는, 제1 레이저 출력(3003)을 제공하는 시드 레이저(3002) 및 본 도면에서 파워 증폭기(3004)로서 구현되는 증폭 서브시스템을 포함하는 레이저 시스템(3000)이 제공되며, 이러한 파워 증폭기(3004)는 시드 레이저(3002)로부터 제1 레이저 출력(3003)을 수신하고 레이저 출력을 증폭하여 증폭된 레이저 출력(3006)을 제공한다. 레이저 시스템(3000)은, 예시적으로, MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저로 구현될 수 있거나 시드 레이저 및 파워 증폭기를 포함하는 임의의 다른 레이저 시스템일 수 있다.
시드 레이저(3002)의 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위해, 시스템(3000)은 시드 레이저(3002)로부터 출력을 수신하는 검출기 서브시스템(3020)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 검출기 서브시스템(3020)은 레이저 출력의 특성을 감지하고, 보다 구체적으로는, 레이저 출력에서 가능한 결함을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 센서 서브시스템(3020)은 바람직하게는 파워 증폭기(3004)에 동작 가능하게 결합된다. 센서 서브시스템(3020)은 바람직하게는 시드 레이저(3002)로부터의 레이저 출력에서의 결함의 검출 시에 파워 증폭기(3004)를 비활성화하도록 구성된다.
레이저 시스템(3000)이 바람직하게는 한 쌍의 격자(grating)(3030)를 포함하는 것이 본 발명의 바람직한 실시형태의 특정 특징이다. 한 쌍의 격자(3030)는 바람직하게는 증폭기(3004)의 입구(3034)에 위치된 제1 반사 격자(3032) 및 바람직하게는 증폭기(3004)의 출구(3038)에 위치된 제2 반사 격자(3036)를 포함한다. 증폭기(3004)와 결합된 한 쌍의 격자(3030)는 보조 레이저 서브시스템(3040)의 바람직한 실시형태를 형성하는 것이 바람직하다.
시드 레이저(3002)의 적절한 동작 동안, 증폭기(3004)는 시드 레이저(3002)로부터 제1 레이저 출력(3003)을 수신하고 제1 레이저 출력(3003)을 증폭하여 증폭된 레이저 출력(3006)을 제공하는 것이 바람직하다.
시드 레이저(3002)로부터의 레이저 출력이 중단되면, 센서 서브시스템(3020)에 의해 감지된 시드 레이저(3002)의 오류성 동작으로 인해, 센서 서브시스템(3020)은 증폭기(3004)를 비활성화시키도록 동작하는 것이 바람직하다. 증폭기(3004) 및 센서 서브시스템(3020)의 유한 응답 시간으로 인해, 증폭기(3004)는 순간적으로 비활성화되지 않고 오히려 시드 레이저(3002)로부터 레이저 출력이 중단된 후 유한 기간 동안 계속 동작한다. 이 유한 기간 동안, 증폭기(3004)는 더 이상 시드 레이저(3002)로부터 레이저 출력을 수신하지 않는 것으로 이해된다. 이 경우에, 반사 격자들(3030)은 바람직하게는 증폭기(3004)에 신호 피드백을 제공하고, 이로써, 한 쌍의 격자들(3030)과 조합하여 증폭기(3004)는 바람직하게는 레이저로서 동작하기 시작한다. 반사 격자(3030)는, 반사 격자(3030)에 의해 제공된 신호 피드백이 시드 레이저(3002)의 레이저 출력(3003)의 파워보다 낮은 파워가 되도록, 비교적 낮은 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
특히 바람직하게는, 반드시 그런 것은 아니지만, 한 쌍의 격자(3030)는 시드 레이저(3002)의 제1 레이저 출력(3003)의 파장과는 상이한 파장에서 반사적이며, 이로써, 시드 레이저(3002)가 적절하게 동작하는 동안에, 격자들(3030)은 증폭된 출력(3006)에 무시할만한 영향을 미치도록 한다. 단지 예시적으로, 제1 레이저 출력(3003)은 1060 내지 1070 nm 범위의 파장을 가질 수 있는 반면, 격자들(3030)은 1090 내지 1100 nm 범위의 파장에서 반사될 수 있다.
따라서, 시드 레이저(3002)가 레이저 출력을 제공하는 것을 중단한 경우에도, 증폭기(3004)는 격자(3030)로부터의 신호 피드백 형태의 입력 신호를 계속 수신하는 것으로 이해된다. 결과적으로, 격자(3030)와 조합하여 증폭기(3004)는, 시드 레이저(3002)의 동작이 중단되면, 레이저로서 동작하기 시작하고, 이에 의해, 증폭기(3004)에 대한 손상을 방지하는데, 그렇지 않으면, 상기 증폭기로의 신호의 제공이 중단되어, 증폭기의 손상이 발생할 가능성이 있다.
도 29 및 도 30에 도시된 바와 같이, 시드 레이저(2902, 3002)로부터의 레이저 출력은 각각 증폭기(2904, 3004)에 직접 공급될 수 있다. 대안적으로, 도 31 및 도 32에 도시된 바와 같이, 시드 레이저 및 증폭기를 인터페이스싱하는 추가 요소가 삽입될 수 있다. 특히, 허용할 수 없는 좁은 선폭의 레이저 빔을 필터링하여 그러한 레이저 빔이 증폭기들(2904, 3004)에 도달하여 이들을 손상시키는 것을 방지하기 위해서, 시드 레이저(2902, 3002)와 증폭기(2904, 3004) 간에 필터(2800)와 같은 선폭 필터 또는 임의의 다른 적절한 필터가 각기 삽입될 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 24 내지 도 32를 참조하여 설명된 각각의 레이저 시스템은 검출기 서브시스템(2420, 2920 및 3020)과 같은 검출기 서브시스템을 포함할 수 있다. 검출기 서브시스템은 바람직하게는 시드 레이저로부터의 출력을 감지하기 위한 적어도 하나의 센서로서 구현된다. 검출기 서브시스템(2420, 2920 및 3020)과 같은 검출기 서브시스템의 일부를 형성하는 센서의 특히 바람직한 실시형태가 도 33에 도시되어 있다. 그러나, 도 33에 도시된 센서는 본 명세서에 설명된 유형의 시스템에서 사용되는 것으로 제한되지 않으며, 그 사용으로부터 이익을 얻는 임의의 레이저 시스템 내로 레이저 출력 센서로서 통합될 수 있다는 것으로 이해된다.
도 33에 도시된 바와 같이, 검출기 서브시스템(3320)이 제공된다. 시드 레이저로부터의 레이저 출력은 바람직하게는 입력 지점(3330)에서 센서 서브시스템(3320)으로 들어가서 분할기(3334)를 향해 이동한다. 분할기(3334)에서, 레이저 출력의 1%와 같은 작은 부분이 검출기(3336)를 향하고 레이저 출력의 나머지 부분이 센서 증폭기(3340)를 향해 전진한다. 센서 증폭기(3340)는 바람직하게는 파워 증폭기(2404, 2704, 2904 또는 3004)보다 출력이 낮은 파워 증폭기이다. 센서 증폭기(3340)는 증폭된 레이저 출력을 출력하는 것이 바람직하며, 이 증폭된 레이저 출력은 바람직하게는 긴 광 섬유(3344)를 통해 추가 검출기(3342)로 전달된다.
검출기 서브시스템(3320)의 동작에서, 시드 레이저로부터의 출력이 중단되는 경우, 추가 검출기(3342)에서 검출된 증폭된 레이저 출력의 강도가 감소한다. 이 경우, 추가적인 검출기(3342) 및 파워 증폭기(2404, 2704, 2904 또는 3004)와 같은 파워 증폭기에 연결된 제어 모듈(도시되지 않음)은 파워 증폭기의 손상을 방지하기 위해 파워 증폭기를 비활성화시킬 수 있다.
시드 레이저로부터의 출력이 허용할 수 없을 정도로 좁은 선폭을 갖도록 열화되는 경우, 비선형 효과는 섬유(3344)에서 개시될 것이다. 섬유(3344)는 그러한 비선형 효과에 가능한 한 민감하게 구성되는 것이 유리하다는 것이 이해된다. 이를 위해, 섬유(3344)는 시드 레이저로부터 출력되는 레이저의 라인 폭에 대한 섬유(3344)의 감도를 증가시키기 위해, 상당한 길이를 갖는 것이 바람직하고, 작은 코어 직경을 갖는 것이 바람직하다. 단지 예시적으로, 섬유(3344)는 대략 25 m의 길이 및 대략 6 마이크론의 코어 직경을 가질 수 있다.
시드 레이저로부터의 출력의 라인 폭의 좁아짐에 따라 섬유(3344)에서 개시되는 비선형 효과로 인해, 섬유(3344)는 바람직하게는 광을 증폭기(3340) 쪽으로 후방으로 반사시키는 미러로서 동작하기 시작한다. 반사된 광이 증폭기(3340)로 복귀한 결과, 증가된 신호가 분할기(3334)에 도달하고 검출기(3336)에 의해 검출된다. 검출기(3336)가 증가된 신호를 검출할 때, 파워 증폭기는 자신의 손상을 방지하기 위해 비활성화되는 것이 바람직하다.
당업자는 본 발명이 이하에서 구체적으로 청구된 것에 의해 제한되지 않음을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 전술한 특징의 다양한 조합 및 하위 조합뿐만 아니라 도면을 참조하여 상기 설명을 읽었을 때 당업자에게 발생할 수 있으며 종래 기술에서는 존재하지 않은 변형사항 및 수정사항들을 포함한다.
Claims (164)
- 레이저 시스템으로서,
시드 레이저;
상기 시드 레이저로부터 출력을 수신하고 노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하는 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템; 및
노이즈 샘플링 레이트로 단속적 시간들에서 상기 노이즈를 고려하여 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는 노이즈 제거 서브시스템을 포함하며,
상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 노이즈가 고려되는 상기 단속적 시간들 간의 시간 간격들 동안 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키며, 상기 시간 간격들 동안 상기 위상을 변화시키는 것은 상기 결합된 레이저 출력의 위치 및 형상의 동적 변화를 포함하는 공간적 변조를 제공하는, 레이저 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은, 상기 노이즈 샘플링 레이트를 초과하는 위상 변화 레이트로 상기 결합된 레이저 출력의 상기 공간적 변조를 제공하기 위해 상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는, 레이저 시스템. - 청구항 2에 있어서,
상기 위상 변화 레이트로 상기 위상을 변화시키는 것에 의해 제공되는 상기 결합된 레이저 출력의 상기 공간적 변조는 기계적 빔 조향과 결합되어 제공되는, 레이저 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 레이저 시스템을 포함하는 레이저 절단 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 레이저 시스템을 포함하는 레이저 적층 가공 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 레이저 시스템을 포함하는 레이저 용접 시스템.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 레이저 시스템을 포함하는 자유 공간 광 통신 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 동안 상기 단속적 시간들에서 상기 결합된 레이저 출력을 검출하는 복수의 검출기들로서, 상기 노이즈 제거 서브시스템은, 상기 단속적 시간들에서 상기 복수의 검출기들에 의해 검출되는, 상기 결합된 레이저 출력의 상기 노이즈를 고려하여 상기 노이즈 제거 위상 보정 출력을 제공하도록 동작하는, 상기 복수의 검출기들; 및
상기 결합된 레이저 출력을 상기 복수의 검출기들에 제공하기 위한 상기 결합된 레이저 출력과 상기 복수의 검출기들 사이의 복수의 광 경로들로서, 상기 복수의 광 경로들의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기들의 공간 밀도보다 더 큰, 상기 복수의 광 경로들을 더 포함하는, 레이저 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 레이저 빔 분할 및 결합 서브시스템은 상기 시드 레이저로부터의 출력을 복수의 서브-빔들로 분할하고 상기 복수의 서브-빔들을 포함하는 상기 결합된 레이저 출력을 제공하며;
상기 레이저 시스템은 상기 복수의 서브-빔들 중의 서브-빔들의 적어도 일부를 서브-빔들의 복수의 그룹들로 그룹화하는 위상 변조 서브시스템을 더 포함하고,
상기 위상 변조 서브시스템은,
상기 복수의 서브-빔의 그룹들에 걸쳐서 병렬로, 각 그룹의 위상을 변화시키도록 각 그룹 내의 각 서브-빔의 위상을 상기 그룹 내의 다른 서브-빔들의 위상들에 대해 변화시키고,
상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 그룹의 상기 위상을 변화시켜서, 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는, 레이저 시스템. - 청구항 9에 있어서,
상기 위상 변조 서브시스템은 상기 서브-빔들의 위상을 변화시키기 위한 복수의 위상 변조기들을 포함하는, 레이저 시스템. - 청구항 9에 있어서,
상기 위상 변조 서브시스템은 상기 복수의 그룹들 각각의 원역장(far field intensity) 강도 패턴을 검출하기 위해, 상기 복수의 그룹들에 대응하는 복수의 검출기들을 포함하는, 레이저 시스템. - 청구항 10에 있어서,
상기 위상 변조 서브시스템은 복수의 추가 위상 변조기들을 포함하고, 각각의 추가 위상 변조기는 상기 복수의 그룹들 중 다른 그룹들의 위상에 대해 각 그룹의 상기 위상을 변화시키기 위해 각각의 상기 그룹 내의 모든 서브-빔들에 공통되는, 레이저 시스템. - 청구항 11에 있어서,
상기 복수의 검출기들의 각각의 검출기는 복수의 검출기들을 포함하며, 상기 레이저 시스템은 상기 원역장 강도 패턴을 복수의 검출기들에 제공하기 위한 상기 복수의 그룹 각각의 상기 원역장 강도 패턴과 상기 복수의 검출기들 사이의 복수의 광 경로들을 더 포함하고, 상기 복수의 광 경로들의 공간 밀도는 상기 복수의 검출기들의 공간 밀도보다 더 큰, 레이저 시스템. - 청구항 9 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합된 레이저 출력의 상기 위상을 변화시키는 것은, 상기 결합된 레이저 출력의 기계적 공간적 변조를 수반하지 않으면서 상기 결합된 레이저 출력의 공간적 변조를 제공하는, 레이저 시스템. - 위상 변화 레이저 출력에 대하여 노이즈 보정을 수행하기 위한 방법으로서,
시드 레이저로부터 출력을 수신하는 단계;
노이즈를 갖는 결합된 레이저 출력을 제공하기 위해 상기 출력을 분할하고 결합하는 단계;
노이즈 샘플링 레이트로 단속적 시간들에서 상기 노이즈를 고려하여 상기 결합된 레이저 출력에 노이즈 제거 위상 보정 출력을 적용하는 단계; 및
상기 노이즈가 고려되는 상기 단속적 시간들 간의 시간 간격들 동안 상기 결합된 레이저 출력의 위상을 변화시키는 단계로서, 상기 시간 간격들 동안 상기 위상을 변화시키는 것은 상기 결합된 레이저 출력의 위치 및 형상의 동적 변화를 포함하는 공간적 변조를 제공하는, 단계를 포함하는, 위상 변화 레이저 출력에 대하여 노이즈 보정을 수행하기 위한 방법. - 삭제
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