KR20020021165A - 직교형 가스레이저 장치 - Google Patents

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KR20020021165A
KR20020021165A KR1020027001239A KR20027001239A KR20020021165A KR 20020021165 A KR20020021165 A KR 20020021165A KR 1020027001239 A KR1020027001239 A KR 1020027001239A KR 20027001239 A KR20027001239 A KR 20027001239A KR 20020021165 A KR20020021165 A KR 20020021165A
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다니구찌 이찌로오, 기타오카 다카시
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Abstract

공진기(12)의 일단에 배치된 한개의 부분 반사경(19) 및 2개의 전반사경(21) ,(23)과 공진기(12)의 타단에 배치된 3개의 전반사경(20),(22),(24)를 구비하고, 공진기(12)의 각단에 3개 배치된 반사경(19),(21) 및 (23)과 (20),(22) 및 (24)에서의 레이저광의 중심이 3각형을 이루도록 반사경(19),(21) 및 (23)과 (20),(22) 및 (24)를 배치한다. 또, 레이저 매질(10)이 흐르는 방향의 방전영역의 하류단에 공진기(12)의 각단에 3개 배치된 반사경(19),(21) 및 (23)과 (20),(22)와 (24)중의 2개(19) 및 (21)과 (20) 및 (22)를 배치한다.

Description

직교형 가스레이저 장치{ORTHOGONAL GAS LASER DEVICE}
도 8은 종래의 직교형 가스레이저 장치를 표시하는 구성도이고, 도면에서 1은 레이저 발진기, 2는 레이저 발진기(1) 내부에 있는 방전전극, 3은 레이저 발진기(1) 내부에 있는 가스순환 블로워, 4는 부분반사경, 5는 전반사경, 6은 열교환기, 7은 냉각유닛, 8은 전원반, 9는 제어장치, 10은 레이저 매질, 11은 레이저 발진기(1)에서 인출되는 레이저광이다.
부분반사경(4) 및 전반사경(5)은 공진기(12)를 구성하고 있다. 냉각유닛(7)은 부분반사경(4), 전반사경(5)이나 열교환기(6)를 냉각하는 것이다. 또, 전원반 (8)에는 방전전극(2)에서 방전을 발생시키는 기기, 가스순환 블로워(3)를 제어하는 기기 및 레이저 발진기(1)를 진공으로 하는 기기등이 배치되어 있다.
다음 도 8의 직교형 가스레이저 장치의 동작에 대해 설명한다.
제어장치(9)로부터의 기동신호에 의해 전원반(8)내의 가스순환 블로워(3)를 제어하는 기기를 구동함으로써 가스순환 블로워(3)가 회전하고, 레이저 발진기(1)의 내부에 충전하고 있는 레이저 매질(10), 예를들면 탄산가스 레이저에서는 CO2가스가 순환한다.
이 상태에서 제어장치(9)에서 출력신호가 부여되면 방전전극(2)에 고전압이 투입되고 레이저 매질(10)이 방전으로 여기된다. 여기된 레이저 매질(10)은 광을 방출하고 기저준위로 떨어진다.
방출된 광은 공진기(12)를 구성하는 부분반사경(4)과 전반사경(5)과의 사이에서 반사 증폭된다.
즉, 레이저광은 부분반사경(4)로부터 일부는 외부로 인출되고 나머지는 다시 전반사경(5)에서 반사되어 반사증폭이 반복된다. 또, 외부로 인출되는 레이저 광 (11)은 제어장치(9)에 의한 지령의 출력 상당이 인출 되도록 제어된다.
도 8의 구성은 레이저광(11)의 방향, 방전방향 및 레이저 매질(10)이 방전전극(2)간을 흐르는 방향의 3방향이 각각 직교하므로 3축 직교형이라 부른다.
레이저 발진기(1)에서 인출된 레이저광(11)은 레이저 가공기 등에 전송되고 절단 및 용접등의 가공작업이나 계측작업등에 이용된다.
도 9는 일본국 특개소 60-127773호 공보에 개시된 공진기를 3개의 전반사경에 의한 레이저광의 되돌림 구성으로 한 직교형 가스레이저 장치에서의 반사경과방전전극(2)과의 위치관계를 표시하는 구성도이다.
도 9의 (a)는 레이저광(11)의 광측방향에서 레이저 발진기를 본 단면도이다. 또, 도 9의 (b)는 레이저 광(11)의 광축방향으로 직교하는 방향에서 레이저 발진기를 본 단면도이고, 레이저 광로를 표시하고 있다.
도면에서 12는 공진기, 13은 부분반사경, 14 ~ 16은 전반사경, 17은 각각의 반사경 전부에 배치하고, 빔 모드의 형상 결정이다. 레이저광 증폭의 가이드 기능을 갖는 어퍼처 18은 방전공간이다.
부분반사경(13)과 전반사경(16)과의 사이의 레이저 광로에 전반사경(14) 및 (15)를 배치하고 부분반사경(13)에서 반사한 레이저광이 전반사경(14),(15) 및 (16)에 의해 3회 되돌림된 후 동일 광로를 되돌아가는 구성으로 되어 있다.
도 10은 직교형 가스레이저 장치에서의 방전에 의한 이득분포를 표시하는 단면도이고, 이득이 레이저 매질(10)이 흐르는 방향의 위치에 의해 변화하는 모양을 표시하는 것이다.
도 10으로 부터 방전영역에서 레이저 매질(10)이 흐르는 방향의 하류측이 높은 것을 알 수 있다.
이러한 특성에 따라 도 9의 구성에서도 레이저 광로를 레이저 매질(10)이 흐르는 방향의 하류단에 배치하고 있다.
다음 도 9와 같이 공진기(12)를 복수의 반사경에 의해 레이저 광을 되돌리는 구성으로 하는 이유에 대해 레이저 발진의 이론식을 기초로 설명한다.
레이저 출력 Wr는 다음식으로 부여된다.
Wr = ηㆍ(Wd - WO) (1)
여기서 η은 여기효율, Wd는 방전입력, WO는 발진임계치이고, 여기효율 η는 다음식으로 부여된다.
η = FㆍηO (2)
여기서 F는 방전공간 이용율, ηO는 레이저 매질의 광에의 변환효율이다.
또, 식(1)의 발진임계치 WO는 다음식으로 부여된다.
WO = wO/m (3)
여기서 wO는 공진기를 구성하는 부분반사경의 투과율등의 공진기 전체의 손실에서 유도되는 파라미터, m은 레이저광의 되돌림 회수이다.
식(1)에서 여기효율 η가 높을수록 또 발진임계치 WO가 낮을수록 레이저 출력 Wr가 크다. 즉 레이저광에의 변환효율이 높다는 것을 알 수 있다.
또 식(2),(3)으로 부터 방전공간 이용율 F가 높을수록 여기효율 η는 상승하고, 레이저광의 되돌림 회수 m가 많을수록 발진임계치 WO는 내려가고, 따라서 고효율의 직교형 가스레이저 장치가 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와같이 콤팩트하고 레이저광에의 변환효율이 높은 직교형 가스레이저 장치를 얻을 목적으로 공진기를 다수의 반사경에 의해 레이저광을 되돌리는 구성으로 한 직교형 가스레이저 장치가 사용된다.
이와같은 다수의 반사경에 의한 레이저광의 되돌림 구성에 의한 고효율화는 직교형의 특징적인 현상이고, 동일한 방전공간을 레이저광이 여러번 왕복하면서 방전에 의해 여기됨으로써 비로서 실현 시킬 수 있는 것이다.
즉, 예를들면 일본국 특개소 56-29969호 공보에 개시된 축류형의 가스레이저 장치와 같이 하나의 레이저관 내부에 하나의 광축만 가지는 구성에서는 실현 시킬 수가 있는 것이다.
직교형 가스레이저 장치에서는 상기한 도 9와 같은 구성으로 레이저광의 발진효율을 높이고 있었으나, 작금의 성에너지화 추진의 요청에서 또 다른 고 효율화가 요망되고 있다.
또, 스페이스화를 도모하는 관점에서 보다 콤팩트한 직교형 가스레이저 장치의 요구가 높이고 있다.
상기와 같이 레이저광의 되돌리는 회수가 많을 수록 고효율화를 도모할 수 있으나 도 9의 구성에서 다시 되돌림 회수를 증가하는 것은 곤란하다. 이 이유는 방전전극의 간극은 안정방전 발생 때문에 한정되고 통상 100mm이하이고, 모든 광축을 상기 하류단에 배치하는 것은 반사경의 배치나 각 반사경을 보존하는 홀더의 구조상의 제약으로 곤란하기 때문이다.
또, 레이저광의 되돌림에 의한 레이저광의 겹치기에 의해 출력 레이저광의 형상 대상성이 저하하고, 예를들면 이 출력레이저광을 사용한 가공에서 방향성이 발생하기 때문이다.
[발명의 개시]
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 된 것으로 고출력화, 성에너지화 및 콤팩트화에 적합한 직교형 가스레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 직교형 가스레이저 장치는 한개의 부분반사경 및 복수의 전 반사경으로 된 공진기를 내장하는 레이저 발진기를 구비하는 직교형 가스레이저 장치에서 적어도 5개의 전반사경을 구비한 것이다.
또, 공진기의 일단에 배치된 한개의 부분반사경 및 2개의 전반사경과, 상기 공진기의 타단에 배치된 3개의 전반사경을 구비하고, 상기 공진기의 각단에 3개 배치된 상기 반사경에서의 레이저광의 중심이 3각형을 이루도록 상기 반사경을 배치하는 것이다.
또, 레이저 매질이 흐르는 방향의 방전영역의 하류단 또는 그 근방에 상기 공진기의 각단에 3개 배치된 상기 반사경의 중의 2개를 배치하는 것이다.
또, 상기 부분반사경을 상기 하류단 또는 그 근방에 배치하는 것이다.
또, 상기 부분반사경을 상기 하류단 보다도 상류측에 배치하고, 상기 부분 반사경에 닿는 레이저광의 경을 확대하는 것이다.
또, 상기 반사경에서의 레이저광의 되돌림부의 겹치는 방향을 분산 시키도록 상기 반사경을 배치하는 것이다.
본 발명은 상기와 같이 구성되어 있으므로 아래에 표시한 바와 같은 효과를 나타낸다.
본 발명에 관한 직교형 가스레이저 장치는 고출력화,성에너지화 및 콤팩트화에 적합하다.
또. 부분반사경의 열에 의한 비틀림을 억제할 수가 있다.
또, 출력 레이저광의 형상 대상성을 높일 수가 있다
본 발명은 직교형 가스레이저 장치의 개량에 관해 보다 상세하게는 한개의 부분 반사경 및 복수의 전반사경으로 된 공진기를 내장하고, 레이저 광을 되돌리는 구성에 의해 고출력화, 성에너지화 및 컴팩트화를 도모할 수 있는 직교형 가스레이저 장치의 개량에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 직교형 가스레이저 장치의 공진기 부분을 표시하는 구성도,
도 2는 되돌림 회수에 의한 방전공간 이용율의 변화를 표시하는 도면,
도 3은 입출력특성을 표시하는 도면,
도 4는 레이저광의 되돌림부의 겹치는 상황과 출력 레이저광의 예를 표시하는 설명도,
도 5는 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 직교형 가스레이저 장치의 공진기 부분을 표시하는 구성도,
도 6은 각 어퍼처의 경이 다른 경우에서의 레이저광의 형상 대상성을 향상 시키기 위한 반사경의 배치방법을 표시하는 설명도,
도 7은 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 직교형 가스레이저 장치의 공진기 부분을 표시하는 구성도,
도 8은 종래의 직교형 가스레이저 장치를 표시하는 구성도,
도 9는 종래의 직교형 가스레이저 장치에서의 반사경과 방전전극의 위치 관계를 표시하는 구성도,
도 10은 직교형 가스레이저 장치에서의 방전에 의한 이득분포를 포시하는 도면.
[발명을 실시하기 위한최량의 형태]
실시의형태 1.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 직교형 가스레이저 장치의 공진기 부분을 표시하는 구성도이고, 도 1의(a)는 레이저광(11)의 광축방향에서 레이저 발진기를 본 단면도이고, 도 1의 (b)는 레이저 광로를 표시하는 설명도이다. 도면에서 2는 방전선극, 10은 레이저 매질, 11은 레이저광, 12는 공진기, 18은 방전공간, 10는 부분반사경, 20 ~ 24는 전반사경, 25 ~ 30은 어퍼처이다.
다음 동작에 대해 설명한다.
직교형 가스레이저 장치로서의 기본적인 동작은 종래 기술에서 표시한 도 8과 같다. 방전공간(18)에서 여기된 레이저 매질(10)은 공진기(12)내에서 증폭된다.
공진기(12) 내부에서는 부분반사경(19)로부터 일부 반사된 레이저광이 되돌려져 전반사경(20)으로 부터 순차 전반사경(21),(22),(23)에서 반사되고, 전반사경 (24)에 도달한다.
전반사경(24)에서 반사된 레이저광은 다시 전반사경(23),(22),(21),(20)과 반사되어 부분반사경(19)에 도달하고 그의 일부가 레이저광(11)으로서 인출된다.
이와같이 부분반사경(19)과 전반사경(24)사이의 레이저광로에 전반사경(20) ~ (23)을 배치하고, 부분반사경(19)에서 반사된 레이저광이 전반사경 (20) ~ (24)에 의해 다섯번 되돌려진 후 동일 광로를 되돌아가는 구성으로 되어 있다.
다음에 이러한 되돌림 구성의 실현방법에 대해 설명한다.
종래 기술의 도 10에 표시한 방전에 의한 이득분포로 부터 레이저 광로는 방전영역에서의 레이저 매질이 흐르는 방향의 하류단에 배치하는 것이 바람직하다.
그러나, 방전전극(2)의 간격은 안정방전 발생을 위해 한정되고 통상 100mm이하이고, 모든 광축을 상기 하류단에 배치하는 것을 반사경의 배치나 홀더의 구조상의 제약으로 부터 곤란하다. 또, 레이저 광을 인출하는 최종단에서 광축을 상기 하류단에 배치한쪽이 레이저광의 증폭이 가장 커지므로 효율이 좋다.
따라서, 도 1의(a)와 같이 상기 하류단에 어퍼처(25),(26)간의 광축과 어퍼처(27),(28)의 광축과 어퍼처(26),(27)간의 광축을 배치하고 다른 광축을 상기 하류단 보다도 상류측에 배치함으로써 효율이 높고, 또 안정된 레이저발진을 얻을 수가 있다
도 2는 되돌림 회수에 의한 방전공간 이용율의 변화를 표시하는 것이고, 이 발명의 도 1의 구성의 경우 되돌림 회수가 5회인 경우에 상당하고, 종래 기술의 도 9의 구성인 경우는 되돌림 회수가 3회의 경우에 해당한다.
도2로 부터 이 발명의 구성쪽이 종래 기술의 구성 보다도 방전공간 이용율이 높은것을 알 수 있다.
또, 되돌림회수가 5회를 초과해도 방전공간 이용율은 별로 오르지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 방전공간 이용율의 향상에 의한 여기효율의 상승과 반사경등의 부품증가에 의한 코스트 상승등을 고려하면 되돌림 회수는 5회가 적당 하다고 볼 수 있다.
또, 보다 고출력화를 도모하는 용도에서는 되돌림 회수를 더욱 증가해도 된다.
도 3은 입출력 특성에 대해 이 발명의 도 1의 구성과 종래기술의 도 9의 구성의 비교를 같은 사이즈 및 동 투입전력의 조건으로 표시한 도면이고, 실선이 이 발명에서의 도 1의 구성인 경우 파선이 종래 기술에서의 도 9의 구성의 경우를 표시하고 있다.
본 발명에서 도 1의 구성에서는 상기한 방전공간 이용율의 향상 및 되돌림 회수의 증가에 의해 출력효율이 비약적으로 높아지고, 종래기술에서의 도 9의 구성 보다도 약 14배의 고출력화를 도모할 수가 있다.
따라서, 고출력화, 성에너지화 및 콤팩트화에 적합한 직교형 가스레이저 장치를 얻을 수가 있다.
실시의 형태 2.
직교형 가스레이저 장치에서의 공진기를 다수의 전반사경에 의해 레이저광을 되돌리는 구성으로 한 경우 반사증폭해 가는 과정에서 레이저광의 되돌림부에 겹치는 곳이 발생한다.
예를들면, 실시의 형태 1의 도 1에 표시한 구성을 예를들면 레이저광의 중첩부(예를들면 도1의 어퍼처(26)의 위치에서 어퍼처(25)에서 오는 레이저광의 상측과 어퍼처(27)에 향하는 레이저광의 하측)에서는 동일공간의 이득을 어퍼처(25)로 부터 오는 레이저광의 상측과 어퍼처(27)로 향하는 레이저광의 하측이 이득의 획득을 위한 쟁탈이 되고, 그 부분에 대해서는 전체의 이득 100%에 대해 각각 이 50%의 이득만이 얻어지게 된다.
이와같이 레이저광의 중첩부의 강도는 레이저광의 겹치지 않는 부분의 강도에 대해 반으로 떨어져 레이저광의 형상 대상성이 저하된다.
도 4의 (a)는 레이저광의 되돌림부의 중첩(도 1의 (b)의 A ~ D부)를 표시한 것이고, 이들의 레이저광에 대해 겹쳐지는 부분의 합이 출력 레이저광이 된다.
도 4의(b)는 이 경우의 출력 레이저광을 표시하고 있다. 같은 검토를 종래기술의 도 9에서 실시하면 출력 레이저광의 상하에만 중첩부가 생기고, 출력 레이저광의 형상 대상성은 보다 저하되고 있다.
출력 레이저광의 형상 대상성이 저하한 경우에는 예를들면 이 출력 레이저광을 용이하게 가공하면 방향성이 발생한다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 직교형 가스레이저 장치의 공진기 부분을 표시하는 구성도이고, 출력 레이저광의 형상 대상성을 보다 향상 시키는 구성을 표시한 것이다.
도 5에서 실시의 형태 1의 도 1과 동일 하거나 또는 상당부분에는 동일부호를 붙이고 있다. 도 5의 (a)는 레이저광(11)의 광축방향에서 레이저 발진기를 본 단면도이고, 도 5의(b)는 레이저광로를 표시하는 설명도이다.
도 5의 반사경 및 어퍼처의 배치는 도 1의 반사경 및 어퍼처의 배치와 다르고 반사경(22) 및 어퍼처(28)가 반사경(24) 및 어퍼처(30)과 교체된 구성으로 되어 있다.
따라서, 도 5의(b)의 레이저 광로는 도 1의(b)의 레이저광로와 다르고, 레이저광의 되돌림부의 중첩방향이 일부 다르게 되어 있다.
이 경우에 도 5의(c)가 도 4의(a)에 상당하고 도 5의(d)가 도 4의(b)에 상당하는 도면이고, 도 5의(a) 및 (b)와 같은 반사경의 배치 및 레이저광로로 함으로써 도 5에(c)와 같이 각 반사경에서의 레이저광의 되돌림부의 중첩 방향이 분산하고, 도5의(d)와 같이 출력 레이저광의 거의 전주에 레이저광이 겹치는 부분이 분산해서 배치되므로 출력 레이저광의 형상 대상성이 향상된다.
또, 도 1 및 도 5의 구성에서도 반사경이 공진기의 양단부에 각 3개씩 배치되고, 공진기의 단부의 3개의 반사경에서의 레이저광의 중심이 3각형을 이루고 있다. 이는 도 1의 예에서는 어퍼처(25),(27), 및 (29) 및 어퍼처(26),(28) 및 (30)을 삼각형으로 배치하는 것에 상당하고, 도 5의 예에서는 어퍼처(25),(27) 및 (29)와 어퍼처(26),(30) 및 (28)을 3각형으로 배치하는 것에 상당한다.
도 5를 예로하면 각 어퍼처의 경이 같은 경우에는 어퍼처(25),(27) 및 (29)가 형성하는 3각형은 어퍼처(25),(27)의 중심을 연결한 선을 저변으로 하는 2등변 3각형 어퍼처(26),(30) 및 (28)이 형성하는 3각형은 어퍼처(26),(30)의 중심을 연결한 선을 저변으로 하는 2등변 3각형으로 되어 있다.
도 5의 구성에서 각 어퍼처의 경이 다른 경우에는 도 6에 표시한바와 같이 어퍼처(25)와 어퍼처(27)의 중심을 연결한 선과 어퍼처(25) 및 (27)의 외형이 교차한 점이다.
P점 및 Q점을 연결하는 선분PQ의 중점 R을 방전전극과 평행하게 레이저 매질이 흐르는 방향의 상류측으로 이동한 위치에 어퍼처(29)의 중심을 배치 하도록 하면 출력 레이저광의 형상 대상성을 향상 시킬 수가 있다.
실시의 형태 3.
레이저광을 인출하는 부분반사경은 과대한 입열이 있고, 열 비틀림이 생기는등의 문제가 있다. 이같은 열 비틀림을 완화하기 위해서는 부분반사경에 닿는 레이저광의 경을 크게하고, 단위 면적당의 입열량을 저감 시키는 방법이 가장 효과적이다.
실시의 형태 1의 도 1의 실시의 형태 2의 도 5에서의 반사경 및 어퍼처의 배치에서는 부분반사경(19) 및 어퍼처(25)위에 전반사경(21) 및 어퍼처(27)가 배치되므로 부분반사경(19)에 닿는 레이저광의 경을 물리적으로 크게 하는 것이 곤란하다. 그래서 도 7에 표시한 바와 같이 부분반사경(19) 및 어퍼처(25)의 배치를 상하에 반사경 및 어퍼처가 오지 않도록 배치하면 도 1 및 도 5의 경우에 비해 레이저광을 인출하는 최종단이 방전영역에서의 레이저 매질이 흐르는 방향의 하류단에서 상류측으로 이동하므로 약간의 출력은 저하하나 반사경의 곡율을 변경하는 등에 의한 공진기의 변경 또는 모드차수의 변경등에 의해 부분 반사경(19)에 닿는 레이저광의 경을 넓히는 것이 가능하게 된다.
따라서, 도 7과 같은 반사경의 배치 및 레이저 광로를 채용함으로써 부분 반사경의 열비틀림을 억제 할 수가 있다.
이상과 같이 본 발명에 관한 직교형 가스레이저 장치는 고출력화, 성에너지화 및 콤팩트화를 도모할 수 있으므로 이 직교형 가스레이저 장치의 생산 자체가산업상 유용하다. 또, 가공 및 계측등의 산업에 사용되는데 적합하다.

Claims (6)

1개의 부분반사경 및 다수의 전반사경으로 된 공진기를 내장하는 레이저 발진기를 구비한 직교형 가스레이저 장치에서 적어도 5개의 전반사경을 구비한 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치.
1개의 부분반사경 및 다수의 전반사경으로 된 공진기를 내장하는 레이저 발진기를 구비한 직교형 가스레이저 장치에서 상기 공진기의 일단에 배치된 1개의 부분반사경 및 2개의 전반사경과, 상기 공진기의 타단에 배치된 3개의 전반사경을 구비하고, 상기 공진기의 각단에 3개 배치된 상기 반사경에서의 레이저광의 중심이 3각형을 이루도록 상기 반사경을 배치한 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치.
제 2항에 있어서,
레이저 매질이 흐르는 방향의 방전영역의 하류단 또는 그 근방에 상기 공진기의 각단에 3개 배치된 상기 반사경중의 2개를 배치하는 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치.
제 3항에 있어서,
상기 부분반사경을 상기 하류단 또는 그 근방에 배치하는 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치.
제 3항에 있어서,
상기 부분반사경을 상기 하류단 보다도 상류측에 배치하고 상기 부분반사경에 닿는 레이저광의 경을 확대하는 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치
제1항 내지 제 5항의 어느한 항에서 상기 반사경에서의 레이저광의 되돌림부의 중첩 방향을 분산 시키도록 상기 반사경을 배치하는 것을 특징으로 하는 직교형 가스레이저 장치.
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