KR102661934B1 - 레이져 빔 결합기 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents
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Abstract
예시적인 실시예들에 레이저 빔 결합기는 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 레이저 빔들을 결합시켜 제2 레이저 빔을 생성하고, 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 방출하도록 구성된 레이저 빔 결합기로서, 상기 레이저 빔 결합기는, 상기 제1 방향에 평행한 제1 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제1 레이저 빔들이 입사하도록 정렬된 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및 상기 제1 방향에 평행한 제2 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성된 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 기술적 사상은 레이져 빔 결합 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
빔 조사 시스템은 일반 가정으로부터 항공기, 선박 및 자동차 분야 등 다양한 산업에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용된다. 전통적인 빔 조사 시스템에서 빔 소스로서 전기적으로 작동되는 필라멘트 또는 아크 램프를 사용되는데, 이러한 빔 조사 시스템에서 발생된 광을 집속하여 의도된 타겟으로 유도하는 집속 렌즈들 및/또는 반사 표면들이 요구된다. 특히, 하나의 광원이 아닌 다중 광원을 이용하는 경우, 해당 다중 광원에서 출력되는 복수의 광이 동일한 경로를 따라 가이드 되어 결합된 레이저 빔이 되도록하는 광학 요소가 필요한데, 이를 빔 결합기(beam combiner)라고 한다.
최근에는, 반도체 공정에도 레이져 응용분야가 확대되고 있으며, 그 중에서도 미세화된 공정에 적합한 인해 다중 레이져(Multi laser system)가 주목 받고 있다. 다중 레이져 적용함에 있어서 빔(Beam)의 결합은 원하는 형태의 광 강도 분포 품질(light intensity distribution quality)에 있어 가장 핵심적 요소이다. 이에 따라, 반도체 제조 공정에서 광 강도 분포 품질 확보를 위해, 레이저 빔 결합기에 대한 다양한 연구들이 수행되고 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 신뢰성이 제고된 광 결합기를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한, 예시적인 실시예들에 따르면 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 레이저 빔들을 결합시켜 제2 레이저 빔을 생성하고, 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 방출하도록 구성된 레이저 빔 결합기가 제공된다. 상기 레이저 빔 결합기는, 상기 제1 방향에 평행한 제1 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제1 레이저 빔들이 입사하도록 정렬된 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및 상기 제1 방향에 평행한 제2 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성된 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함할 수 있다.
다른 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들을 포함하는 레이저 빔 결합기가 제공된다. 상기 제1 레이저 빔 결합 유닛은, 각각 순서대로 제1 내지 제4 레이저 빔들이 입사하도록 구성되고, 제1 꼭지점을 공유하는 제1 내지 제4 면을 포함하고, 상기 제1 레이저 빔 결합 유닛은 상기 제1 내지 제4 레이저 빔을 결합시키도록 구성되고, 상기 제2 레이저 빔 결합 유닛은, 상기 제1 내지 제4 레이저 빔을 결합시켜 결합된 레이저 빔을 생성하도록 구성되고, 상기 제2 레이저 빔 결합 유닛은 상기 결합된 레이저 빔을 방출하도록 구성되고 하나의 제2 꼭지점을 공유하는 제1 내지 제4 면을 포함할 수 있다.
다른 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기를 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 제1 방향으로 복수의 제1 레이저 빔들을 방출하도록 구성된 복수의 레이저 빔 소스들; 상기 제1 레이저 빔들을 결합시켜 상기 제1 방향으로 진행하는 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 결합기; 및 상기 레이저 빔 결합기 의 광을 투영 시키는 투영 렌즈 시스템;을 포함하되, 상기 레이저 빔 결합기는, 상기 제1 방향에 평행한 제1 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고, 상기 제1 레이저 빔들이 입사되도록 정렬된 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및 상기 제1 방향에 평행한 제2 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고, 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성된 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기를 포함하는 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 제1 방향으로 복수의 제1 레이저 빔들을 방출하도록 구성된 복수의 레이저 빔 소스들; 상기 제1 레이저 빔들을 결합시켜 상기 제1 방향으로 진행하는 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 결합기; 및 상기 레이저 빔 결합기의 광을 투영 시키는 투영 렌즈 시스템;을 포함하되, 상기 레이저 빔 결합기는, 상기 제1 레이저 빔들이 입사되도록 정렬되고 다각뿔 형상을 갖는 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성되고 상기 다각뿔 형상을 갖는 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함하되, 상기 다각뿔은 상기 제1 레이저 빔의 수와 동일한 개수의 옆면을 포함하는 것을 특징으로 한다
본 발명의 기술적 사상에 따르면, 비교적 간단한 광학 요소들(Optical Element)들을 이용하여 고 신뢰도의 레이저 빔 결합기를 구현할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따르면 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 다른 일부 실시예에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7 및 도 8은 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 다른 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따르면 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 다른 일부 실시예에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7 및 도 8은 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9a 및 도 9b는 다른 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다. 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되어 표현되었고, 이에 따라 실제의 형상 및 비율과 다소 상이할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기(100)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기(100)를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1 및 도 2에, 레이저 빔 결합기(100)에 입사하는 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)이 도시되어 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 비축 광학 요소일 수 있다. 일반적으로 비축 광학계는 입사광의 광축이 광학계의 기계적(즉, 물리적) 중심과 일치하지 않는 광학 시스템을 지칭한다. 본 명세서에서, 비축 광학계라 함은, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2) 각각의 광 축이 결합된 레이저 빔(ILB)의 광축과 불일치함을 의미한다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 투광성 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 유리를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 산화 유리, 알루미노실리케이트 유리, 소다석회 유리, 보로실리케이트 유리, 납 유리, 알칼리바륨 유리, 알루미노보로실리케이트 유리 등을 포함할 수 있다. 다른 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 플라스틱을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 레이저 빔 결합기(100)는 단일 굴절률 물질, 복굴절 물질 및 그레이디드 인덱스(Graded index) 물질 중 어느 하나일 수 있다. 여기서 그레이디드 인덱스 물질은, 굴절률이 광 축에 수직한 단면 상의 위치의 함수로 변화하는 물질을 뜻한다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 팔면체일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 육각 기둥 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(100)는 제1 내지 제8 면(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제4 면들(S1, S2, S3, S4)은 광학적 기능을 할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 면(S1, S2)을 통해 각각 순서대로 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)이 입사할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)은 레이저 빔 결합기(100)에서 결합되어, 시준된 평행광인 결합 빔(ILB)이 생성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2) 각각의 빔 단면의 크기는 서로 같을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)은 서로 평행하게 진행할 수 있다. 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)의 진행 방향을 제1 방향(Z 방향)으로 정의하고, 제1 방향(Z 방향)에 수직하고 서로 직교하는 방향들을 제2 및 제3 방향(X 방향, Y 방향)으로 정의한다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)은 동일한 레이저 빔일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)은 파장, 세기 및 빔 단면의 형상, 빔 단면의 크기가 서로 실질적으로 동일할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
일부 실시예들에 따르면, 결합 빔(ILB)은 제3 및 제4 면들(S3, S4)이 결합하는 모서리를 통해 방출될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결합 빔(ILB)은 제3 및 제4 면들(S3, S4)을 통해 방출될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결합 빔(ILB)의 광 세기 분포는 제3 및 제4 면들(S3, S4)이 접하는 모서리에서 최대 값을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에 따르면, 결합 빔(ILB)은 제1 방향(Z 방향)에 실질적으로 평행한 방향으로 방출되고 진행할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 결합빔(ILB)의 빔 단면은 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2) 각각의 빔 단면보다 더 클 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결합빔(ILB)의 빔 단면은 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2) 각각의 빔 단면의 합보다 같거나 작을 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 결합빔(ILB)의 빔 단면은 제1 및 제2 레이저 빔들(LB1, LB2)의 빔 단면과 닮음일 수 있다.
제1 및 제3 면(S1, S3)은 서로 대향할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제3 면(S1, S3)은 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 제2 및 제4 면(S2, S4)은 서로 대향할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제2 및 제4 면(S2, S4)은 서로 실질적으로 평행할 수 있다. 제1 및 제4 면(S1, S4)은 각각 제5 면(S5)과 연결될 수 있다. 제2 및 제3 면들(S2, S3)은 각각 제6 면(S6)과 연결될 수 있다. 제1 내지 제6 면들(S1, S2, S3, S4, S5, S6)은 각각 제7 및 제8 면들(S7, S8)과 연결될 수 있다.
이에 따라 제1 내지 제4 면들(S1, S2, S3, S4)은 광학적 기능을 수행하는 광학면들(예컨대, 레이저 빔 입사면들 및 출사면들)일 수 있다. 제5 내지 제8 면들(S5, S6, S7, S8)은 광학 면들을 연결하는 면일 수 있다. 필요에 따라, 제5 내지 제8 면들(S5, S6, S7, S8)에 외부 광을 차단하고 내부로부터 광의 유출을 막기 위한 차광막들이 추가로 제공될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 내지 제4 면들(S1, S2, S3, S4)은 동일한 면적을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 내지 제4 면들(S1, S2, S3, S4)은 서로 동일한 직사각형 평면일 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 내지 제4 면들(S1, S2, S3, S4)은 평면에 투영될 경우 직사각형을 이루는 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제5 및 제6 면들(S5, S6)은 동일한 면적을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제5 및 제6 면들(S5, S6)은 서로 동일한 직사각형 평면일 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제5 및 제6 면들(S5, S6)은 평면에 투영될 경우 직사각형을 이루는 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제7 및 제8 면들(S7, S8)은 동일한 면적을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제7 및 제8 면들(S7, S8)은 서로 동일한 육각형 평면일 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제7 및 제8 면들(S7, S8)은 평면에 투영될 경우 육각형을 이루는 오목면 또는 볼록면일 수 있다.
도 1 및 도 2에서 레이저 빔 결합기(100)가 육각 기둥 형상을 갖는 것으로 도시되었으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 레이저 빔 결합기(100)는 프레넬 렌즈이거나 메타 렌즈일 수 있다. 예컨대, 레이저 빔 결합기(100)는 프레넬 렌즈이거나 메타 렌즈인 경우 더 적은 부피로 구현될 수 있다. 또한 도시되지 않았으나, 레이저 빔 결합기(100)를 보호하고 지지하기 위한 배럴이 더 제공되어, 빔 입사면인 제1 및 제2 면들(S1, S2) 빔 출사면인 제3 및 제4 면들(S3, S4)을 노출시키고 제5 내지 제8 면들(S5, S6, S7, S8)을 커버할 수 있다.
종래에 광 결합 시스템은, 망원 렌즈, 비구면 반사경, 스플리터 및 시준 렌즈와 같은 복잡하고, 높은 제조 비용이 요구되는 광학 요소들에 의해 구현된다.
일부 실시예들에 따르면, 종래 기술에 사용된 광 결합 시스템에 비해 간단한 구성으로 광학 구성으로 복수개의 레이저 빔을 결합시킬 수 있다. 또한 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기는 내부 전반사 특성이 아닌, 굴절 투과 특성을 이용하여 입사하는 레이저 빔들을 결합시킬 수 있다. 이에 따라, 반사 타입의 광 결합 시스템에서 발생하는 광 손실을 방지할 수 있는바, 실질적인 에너지 손실이 없는 레이저 빔 결합기를 제공할 수 있다.
도 3은 일부 실시예들에 따르면 레이저 빔 결합기(200)를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기(200)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면 레이저 빔 결합기(200)는 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 레이저 빔 결합기(200)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 레이저 빔 결합기(100)와 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)은 원뿔형일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)은 광축에 대해 회전 대칭성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)은 각각 순서대로 제1 및 제2 축(미도시)을 중심으로 회전 대칭일 수 있으다. 상기 제1 및 제2 축은 제1 방향(Z 방향)에 평행한 일직선 상에 있도록 정렬될 수 있다.
제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)이 원뿔 형을 갖는바, 레이저 빔 결합기(200)는 임의의 개수의 레이저 빔을 결합시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3 및 도 4에서 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)이 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)으로 입사한 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 임의의 개수, 예컨대 2개, 3개, 또는 5개 이상의 레이저 빔들이 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)으로 입사하는 것도 가능하다.
제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)은 서로 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)은 서로 실질적으로 동일한 빔단면, 실질적으로 동일한 세기 분포, 및 실질적으로 동일한 파장의 레이저 빔들일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)의 파장, 세기 분포 및 빔 단면 중 적어도 어느 하나가 서로 다른 것도 가능하다.
레이저 빔들은 그 개수에 따라서 대칭적인 경로를 통해 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)에 입사할 수 있다. 예컨대, 도3 및 도 4에 도시된 것처럼 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)이 결합되는 경우, 광 축을 중심으로 인접한 레이저 빔들 사이의 편각은 약 90도일 수 있다. 다른 예로, 레이저 빔 결합기(200)에 3개의 레이저 빔들이 결합되는 경우, 광 축을 중심으로 인접한 레이저 빔들 사이의 편각은 약 120도일 수 있다. 다른 예로, 레이저 빔 결합기(200)에 5개의 레이저 빔들이 결합되는 경우, 광 축을 중심으로 인접한 레이저 빔들 사이의 편각은 약 72도일 수 있다.
제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)은 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)이 입사되고 집광시킬 수 있다. 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)은 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)으로부터 집광된 광을 수광하여 결합된 레이저 빔(ILB)을 방출하도록 구성된다. 도 3 및 도4 에서 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)이 분리된 별도의 유닛으로 도시되었으나, 이에 제한되지 않는다. 경우에 따라 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)이 결합되어, 연속되고 통합된 구조의 레이저 빔 결합기(200)가 제공될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)의 단면은 삼각형일 수 있다. 즉, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)의 빔 입사면(또는 원뿔의 옆면)은 평평한 형상을 가질 수 있다. 즉, 도 4와 같이 제1 방향(Z 방향)에 평행한 임의의 단면에서 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a, 200b)의 원뿔의 옆면 프로파일은 직선일 수 있다.
이 경우, 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4) 각각은 레이저 빔 결합기(200) 통과 전후로 동일한 빔 단면을 가질 수 있다. 즉, 제2 내지 제4 레이저 빔들(LB2, LB3, LB4)을 방출하는 레이저 빔 소스는 오프되고, 제1 레이저 빔(LB1)을 방출하는 레이저 빔 소스만 온 되는 경우, 레이저 빔 결합기(200)에 입사하는 빔 단면의 면적은 레이저 빔 결합기(200)으로부터 방출되는 빔 단면의 면적과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)은 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)보다 더 큰 크기(예컨대, 부피)를 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a)은 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)과 동일한 크기(예컨대, 부피)를 갖거나, 더 작은 크기(예컨대, 부피)를 갖는 것도 가능하다.
도 5a 및 도 5b는 다른 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 단면도들이다. 보다 구체적으로 도 5a 및 도 5b는 도 4에 대응되는 단면도들로서, 설명의 편의상 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고, 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 5a를 참조하면, 레이저 빔 결합기(200')는 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a', 200b')을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 달리, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a', 200b')은 볼록한 옆면을 가질 수 있다. 이 경우 레이저 빔 결합기(200')는 입사한 광을 포커스(또는 축소)시킬 수 있다.
이 경우, 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4) 각각은 레이저 빔 결합기(200) 통과 후, 통과 전 보다 더 작은 빔 단면을 가질 수 있다. 즉, 제2 내지 제4 레이저 빔들(LB2, LB3, LB4)을 방출하는 레이저 빔 소스는 오프되고, 제1 레이저 빔(LB1)을 방출하는 레이저 빔 소스만 온 되는 경우, 레이저 빔 결합기(200)로부터 방출된 레이저 빔의 빔 단면의 면적은 레이저 빔 결합기(200)에 입사하는 레이저 빔의 빔 단면의 면적보다 작을 수 있다.
도 5b를 참조하면, 레이저 빔 결합기(200")는 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a", 200b")을 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 것과 달리, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(200a", 200b")은 오목한 옆면을 가질 수 있다. 이 경우 레이저 빔 결합기(200')는 입사한 광을 분산(또는 확대)시킬 수 있다.
이 경우, 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4) 각각은 레이저 빔 결합기(200) 통과 후, 통과 전 보다 더 큰 빔 단면을 가질 수 있다. 즉, 제2 내지 제4 레이저 빔들(LB2, LB3, LB4)을 방출하는 레이저 빔 소스는 오프되고, 제1 레이저 빔(LB1)을 방출하는 레이저 빔 소스만 온 되는 경우, 레이저 빔 결합기(200)로부터 방출된 레이저 빔의 빔 단면의 면적은 레이저 빔 결합기(200)에 입사하는 레이저 빔의 빔 단면의 면적보다 클 수 있다.
도 5a 및 도 5b의 실시예들에서, 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a', 200a") 및 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b', 200b")의 단면상 옆면 프로파일의 형상은 임의의 곡선일 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5a 및 도 5b의 실시예들에서, 제1 레이저 빔 결합 유닛(200a', 200a") 및 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b', 200b")의 단면상 옆면 프로파일은, 호의 일부를 포함하거나, 원형이 아닌 임의의 곡선에 의해 구성되거나, 경우에 따라 다수의 직선 세그먼트들로 구성될 수 있다.
또한 도시되지 않았으나, i)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 직선이고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 볼록한 경우, ii)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 직선이고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 오목한 경우, iii)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 볼록하고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 오목한 경우, iv)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 볼록하고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 직선인 경우, v)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 오목하고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 직선인 경우, 또는 vi)제1 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 오목하고, 제2 레이저 빔 결합 유닛의 단면상 옆면 프로파일이 볼록인 경우도 가능하다.
도 6은 다른 일부 실시예에 따른 레이저 빔 결합기(300)를 설명하기 위한 사시도이다.
설명의 편의상 도 1 내지 도 5b를 참조하여 설명한 것과 중복되는 것을 생략하고 차이점을 위주로 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 레이저 빔 결합기(300)는 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(300a, 300b)을 포함할 수 있다.
레이저 빔 결합기(300)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 레이저 빔 결합기(100)와 동일한 물질을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 레이저 빔 결합기(300)는 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(300a, 300b)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들(300a, 300b)은 대략 사각뿔 형상을 가질 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니고, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 구현하려는 광학계에서 결합되는 레이저 빔의 개수에 따라 다른 형상을 가질 수 있다. 레이저 빔 결합 유닛은 입사하는 광의 개수와 동일한 옆면을 갖는 다각뿔일 수 있다. 예컨대, 3개의 광이 결합되는 경우, 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 삼각뿔형상을 가질 수 있고, 5개의 광이 결합되는 경우 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 오각뿔 형상을 가질 수 있다.
제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)은 레이저 빔 결합기(300)에 의해 결합될 수 있다. 제1 내지 제4 레이저 빔들(LB1, LB2, LB3, LB4)은 제1 레이저 빔 결합 유닛(300a)으로 입사하고 제2 레이저 빔 결합 유닛(300b)으 로부터 방출될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 레이저 빔 결합 유닛(300a)의 크기가 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)의 크기보다 더 큰 것으로 도시되었으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 레이저 빔 결합 유닛(300a)은 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)과 동일한 크기를 같거나, 제2 레이저 빔 결합 유닛(200b)보다 더 작은 크기를 가질 수 있다.
도 7 및 도 8은 일부 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기(400)를 설명하기 위한 사시도이다.
보다 구체적으로, 도 7은 레이저 빔 결합 장치의 전체구조를 도시하며, 도 8은 레이저 빔 결합 장치를 제1 방향에 평행한 두 평면(예컨대, XZ 평면 및 YZ 평면)에 의해 사분할된 단위체(400u)를 도시한다.
사분할된 단위체(400u)는 각각 서로 다른 레이저 빔에 대응된다. 즉, 도 7 및 도 8에 도시된 실시예는, 입사한 네 개의 레이저 빔을 결합시키는 레이저 빔 결합기(400)에 관한 것이다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자는 본 명세서에 기술된 바에 기초하여 세 개, 또는 다섯 개 이상의 레이저 빔을 결합시키는 레이저 빔 결합장치를 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 이 경우, 레이저 빔 결합 장치를 구성하기 위한 분할된 단위체는 입사하는 레이저에 맞춰서, 세 개 또는 다섯개 이상일 수 있다.
레이저 빔 결합기(400)는 직육면체로부터 각 코너 부분이 제1 내지 제3 방향들(X, Y, Z 방향) 각각에 대해 기울어진 평면들을 절단면으로 하여, 상기 절단면들이 노출되도록 제거된 구조를 가질 수 있다.
일부 실시예들에 따르면 레이저 빔 결합기(400)는 레이저 빔이 입사하는 네 개의 입사면들(IS)과 결합된 레이저 빔이 출사하는 네 개의 빔 출사면들(ES)을 가질 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 네 개의 광 입사면들(ES)은 하나의 코너(꼭지점)를 공유할 수 있고, 인접한 두 개의 광 입사면들(IS)은 하나의 모서리를 공유할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면 네 개의 광 출사면들(ES)은 하나의 코너를 공유할 수 있고, 인접한 두 개의 광 출사면(ES)은 하나의 모서리를 공유할 수 있다.
네 개의 출사면들(ES)이 공유하는 코너와 네 개의 입사면들(IS)이 공유하는 코너는 서로 가장 멀리 배치될 수 있다. 즉, 네 개의 입사면들(IS) 중 네 개의 출사면들(ES)로부터 제1 방향(Z 방향)으로 가장 멀리 이격된 점은, 네 개의 입사면들(IS)이 공유하는 코너일 수 있다. 마찬가지로, 네 개의 출사면들(ES) 중 네 개의 입사면들(IS)로부터 제1 방향(Z 방향)으로 가장 멀리 이격된 점은, 네 개의 출사면들(ES)이 공유하는 코너일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 입사면들(IS) 및 출사면들(ES)은 그 법선이 제1 내지 제3 방향(Z, X, Y 방향) 각각에 대해 기울어진 직사각 평면일 수 있다.
본 실시예에서, 입사면들(IS)과 출사면들(ES)을 연결하는 평면들을 설명의 편의상 지지면(SS)이라고 지칭한다. 일부 실시예들에 따르면, 지지면들(SS)은 XZ 평면, 또는 XY 평면 중 어느 하나와 실질적으로 평행한 육각형일 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 지지면들(SS)은 두 개의 등변 사다리꼴이 결합된 육각형의 평면 형상을 가질 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 다른 실시예들에 따른 레이저 빔 결합기들을 설명하기 위한 사시도들이다. 보다 구체적으로, 도 9a 및 도 9b는 도 8에 대응되는 도면들로서, 서로 다른 실시예들의 사분할 단위체들(400u', 400u")을 도시한다.
도 9a를 참조하면, 사분할 단위체(400u')는 도 8의 사분할 단위체와 실질적으로 동일한 방식으로 형성되되, 회전 대칭 축이 제1 방향(Z 방향)에 대해 정렬된 원기둥으로부터 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 사분할 단위체(400u")는 도 8의 사분할 단위체와 실질적으로 동일한 방식으로 형성되되, 도 7 및 도 8의 실시예와 다르게 정렬된 (예컨대, 제1 방향(Z 방향)을 중심으로 45도 회전된) 직육면체로부터 형성될 수 있다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 시스템(1000)을 설명하기 위한 블록도이다.
일부 실시예들에 따르면 시스템(1000)은 레이저 빔 광원들(LS1, LS2), 레이저 빔 결합기(Laser Beam Combiner, LBC), 파리 눈 렌즈 시스템(Fly Eye Lens System, FELS), 빔 성형기(Beam Former, BF) 및 투영 렌즈 시스템(Projection Lens System, PLS)을 포함할 수 있다.
레이저 빔 광원들(LS1)은 서로 평행한 복수의 레이저 빔을 방출할 수 있다.
레이저 빔 결합기(LBC)는 도 1 내지 도 9b를 참조하여 설명한 레이저 빔 결합기들(100, 200, 300, 400) 중 어느 하나일 수 있다.
파리 눈 렌즈 시스템은(FELS)은 복수의 파리 눈 렌즈를 포함할 수 있다. 여기서 파리 눈 렌즈는 매트릭스를 이루도록 배치된 복수의 렌즈들을 포함할 수 있으며 균일한 광 세기를 구현하기 위해 사용된다.
C 렌즈(CL)는 입사한 레이저 빔을 포커스하고 시준할 수 있다.
투영 렌즈 시스템(PLS)은 복수의 렌즈를 포함할 수 있고, 빔 단면을 목표하는 비율로 확대하거나 축소할 수 있다.
일반적으로 다중 레이져 시스템에서 빔을 결합시키기 위해서 평판 타입 혹은 정사각형, 삼각형의 광분배기(Beam splitter)를 활용한다. 이러한 경우 광분배기(Beam splitter) 특성상 일정 부분 투과 시키고 일정부분은 반사 시킴으로써 광 손실이 크다는 단점을 가지고 있다. 또한, 서로 인접한 광 경로를 갖는 다중 레이져 빔 결합시키는 경우, 결합된 레이저 빔이 원하는 세기 분포를 갖도록 하기 위해 렌즈 광학 시스템들이 채용되고, 상기 렌즈 광학 시스템 들이 비축(Off-axis) 레이져 빔의 품질을 저하시키는 문제점이 있었다.
일부 실시예들에 따르면, 간단하고 컴팩트한 광학 요소들을 이용하여 다중의 레이저를 고품질의 세기 분포를 갖는 단일 레이저 빔으로 결합시킬 수 있는 시스템(1000)을 제공할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 200, 300, 400: 레이저 빔 결합기
LB1, LB2, LB3, LB4: 레이저 빔
LB1, LB2, LB3, LB4: 레이저 빔
Claims (10)
- 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 레이저 빔들을 결합시켜 제2 레이저 빔을 생성하고, 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1 방향으로 방출하도록 구성된 레이저 빔 결합기로서, 상기 레이저 빔 결합기는,
상기 제1 방향에 평행한 제1 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제1 레이저 빔들이 입사하도록 구성된 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및
상기 제1 방향에 평행한 제2 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성된 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함하고,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 원뿔 형상을 가지며,
상기 제1 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면인 제1 면 및 상기 제2 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면인 제2 면 중 어느 하나는 볼록한 면이거나 또는 오목한 면인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 결합기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 상기 제1 방향을 따라 이격된 것을 특징으로 하는 레이저 빔 결합기. - 제2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 일체형인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 결합기. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들의 각각의 원뿔의 꼭지점이 서로 반대 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 결합기. - 삭제
- 삭제
- 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들을 포함하는 레이저 빔 결합기로서,
상기 제1 레이저 빔 결합 유닛은,
각각 순서대로 제1 내지 제4 레이저 빔들이 입사하도록 구성되고, 제1 꼭지점을 공유하는 제1 내지 제4 면을 포함하고, 상기 제1 레이저 빔 결합 유닛은 상기 제1 내지 제4 레이저 빔을 결합시키도록 구성되고,
상기 제2 레이저 빔 결합 유닛은,
상기 제1 내지 제4 레이저 빔을 결합시켜 결합된 레이저 빔을 생성하고, 상기 결합된 레이저 빔을 방출하도록 구성되며, 하나의 제2 꼭지점을 공유하는 제1 내지 제4 면을 포함하고,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 원뿔 형상을 가지며,
상기 제1 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면 및 상기 제2 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면 중 어느 하나는 볼록한 면이거나 또는 오목한 면인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 결합기. - 제1 방향으로 진행하는 복수의 제1 레이저 빔들을 방출하도록 구성된 복수의 레이저 빔 소스들;
상기 제1 레이저 빔들을 결합시켜 상기 제1 방향으로 진행하는 제2 레이저 빔을 생성하도록 구성된 레이저 빔 결합기; 및
상기 레이저 빔 결합기에 의해 생성되고 상기 레이저 빔 결합기로부터 방출된 제2 레이저 빔을 투영 시키는 투영 렌즈 시스템;을 포함하되,
상기 레이저 빔 결합기는,
상기 제1 방향에 평행한 제1 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고, 상기 복수의 제1 레이저 빔들이 입사되도록 정렬된 제1 레이저 빔 결합 유닛; 및
상기 제1 방향에 평행한 제2 축을 기준으로 회전 대칭성을 갖고, 상기 제2 레이저 빔을 방출하도록 구성된 제2 레이저 빔 결합 유닛을 포함하고,
상기 제1 및 제2 레이저 빔 결합 유닛들은 원뿔 형상을 가지며,
상기 제1 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면인 제1 면 및 상기 제2 레이저 빔 결합 유닛의 원뿔의 옆면인 제2 면 중 어느 하나는 볼록한 면이거나 또는 오목한 면인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 삭제
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