KR20070034949A - 광 레벨 제어 장치, 이를 제어하는 방법 및 레이저 응용장치 - Google Patents

광 레벨 제어 장치, 이를 제어하는 방법 및 레이저 응용장치 Download PDF

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KR20070034949A
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요시노리 오오따
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레이저프론트 테크놀로지스 가부시키가이샤
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Abstract

광 레벨 제어 장치는 레이저 발진기로부터 조사된 파장이 다른 2개의 비임의 강도를 독립적으로 제어하며, 광 레벨 제어 장치는 파장 의존성 파장판과 편광 비임 스플리터를 포함한다. 파장 의존성 파장판은 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능한다. 광축을 중심으로 한 편광 비임 스플리터의 회전각만이 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 제2 광파의 강도를 설정하도록 조절된다. 그 후, 편광 비임 스플리터는 조절된 각도로 고정되며, 광축을 중심으로 한 파장판의 회전각은 제1 광파의 강도를 설정하도록 조절된다.
광 레벨 제어 장치, 레이저 발진기, 파장판, 편광 비임 스플리터, 광축

Description

광 레벨 제어 장치, 이를 제어하는 방법 및 레이저 응용 장치{OPTICAL LEVEL CONTROL DEVICE, METHOD FOR CONTROLLING SAME, AND LASER APPLICATION DEVICE}
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치를 도시하는 개략적인 사시도.
도2는 본 발명의 광 레벨 제어 장치에 제공된 편광 비임 스플리터의 회전각에 대한 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 기본파의 투과율을 도시하는 도면.
도3은 본 발명의 광 레벨 제어 장치에 제공된 파장판의 회전각에 대한 제2 고조파의 편광 회전각을 도시하는 도면.
도4는 본 발명의 광 레벨 제어 장치에 제공된 파장판의 회전각에 대한 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 제2 고조파의 투과율을 도시하는 도면.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치의 구조를 도시하는 개략적인 사시도.
도6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치의 구조를 도시하는 개략적인 사시도.
도7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치의 구조를 도시하는 개략적인 사시도.
도8a 및 도8b는 본 발명의 광 레벨 제어 장치를 이용하는 레이저 가공 장치의 광학계의 구조를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 광 레벨 제어 장치
2: 레이저 발진기
3: 파장 의존성 파장판
4: 편광 비임 분할기
5: 광 레벨 제어 장치
6: 파장 의존성 파장판
7: 광 레벨 제어 장치
8: 파장 의존성 파장판
9: 광 레벨 제어 장치
11: 레이저 발진기
20: 광학계
21: 레이저 발진기
22: 레이저 발진기
30: 집광 광학계
40: 작업물
100: 광 레벨 제어 장치
본 발명은 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 복수의 광파(light wave) 각각의 강도를 임의로 변화시킬 수 있는 광 레벨(optical level) 제어 장치, 이를 제어하는 방법 및 이 광 레벨 제어 장치를 이용하는 레이저 응용 장치에 관한 것이다.
동일한 광축에서 상이한 파장을 갖는 복수의 광 비임의 각각의 강도를 임의로 변화시키는 광 레벨 제어 장치의 용도는 다수이다. 이러한 용도의 일례는 레이저 가공이다. 레이저 가공은 대상물에 레이저 펄스를 조사하여 대상물과의 접촉 없이 이를 절단, 천공, 용접 및 기타 공정을 수행하는 방법이다. 작업물의 빛 흡수 및 반사 특성, 열적 특성 및 기타 물리적인 특성에 따라 조사된 레이저의 파장, 펄스 폭, 시간 파형, 피크 에너지 및 비임 단면 내의 분포 및 기타 특성을 적절하게 조절한다. 또한, 복수의 파장을 갖는 빛의 비임을 함께 혼합하여 사용하는 경우도 있다. 복수의 파장을 갖는 빛을 이용하는 경우, 각각의 빛의 강도를 임의로 변화시키는 능력은 작업물의 흡수 및 반사 스펙트럼 특성에 적합한 가공 조건을 선택할 수 있게 한다. 이러한 능력은 또한 가공 자유도를 향상시킨다. 최근 주목받고 있는 생물학 및 의학용 레이저 응용 분야에서는, 조사된 신체의 부위, 및 환부(affected area)의 유형, 및 기타 특성에 따라 혼합된 빛의 비율을 변화시키는 기술이 요구된다.
일본 특허 출원 공개 (평)06-106378호 및 제2002-028795호는 파장 흡수 감도 가 다른 대상물을 적절히 가공하기 위하여 1개의 레이저 발진 장치로부터 복수의 파장을 갖는 레이저 빛을 전환 및 추출하여 작업 대상물에 레이저를 조사하는 레이저 가공 장치의 기술을 개시한다.
일본 특허 출원 공개 (평)06-106378호(제2면 내지 제4면, 도1)에 개시된 기술은, 고조파 발생기(harmonic generator)가 YAG(이트륨 알루미늄 가닛) 레이저 발진기(oscillator)에 의해 출력된 빛으로부터 복수의 파장의 빛을 발생시켜 발생한 복수의 파장의 빛을 공간적으로 분리하고 각각의 파장의 빛을 별도의 빛-가변 광 감쇠기로 투과시키고, 그 후에 빛이 다시 하나의 비임으로 조합되어 가공 헤드로 안내되도록 레이저 가공 장치를 구성한다. 이러한 기술은 파장 흡수 감도가 다른 샘플을 적절하게 가공할 수 있게 한다.
일본 특허 출원 공개 제2002-028795(제4면 내지 제7면, 도1)에 개시된 기술은, 기본파(fundamental wave)로 진동하는 제1 레이저 장치로부터의 출력 비임과 별도의 Q 스위치(switch)로부터 SHG(제2 고조파 발생) 빛을 출력하는 제2 레이저 장치로부터의 출력 비임을 이색성 거울(dichroic mirror)에 의해 결합시켜 집광된 빛(condessed light)을 대상물에 조사하는 레이저 용접 장치이다. 이러한 기술은 반사율 및 열 확산율이 알루미늄 합금보다 높은 순수한 알루미늄, 순수한 구리 및 기타 금속에 유효한 레이저 용접에 의한 접합을 형성할 수 있게 한다.
일본 특허 출원 공개 (평)06-106378호에 개시된 가변 광 감쇠기는, 복수의 파장을 갖는 레이저 빛을 전환 및 추출하여 이 레이저 빛을 대상물에 조사하지만, 함께 혼합된 복수의 파장의 빛의 강도의 비율을 자유롭게 변화시키지는 못한다.
일본 특허 출원 공개 제2002-028795호에서, 발명의 구성요소는 2개의 레이저 장치 중 어느 하나의 장치로부터의 출력의 강도 및 기타 특성을 조절하기 위한 메커니즘을 포함하지 않는다. 그러므로, 이러한 발명은 용접 조건을 폭넓게 변화시키는 데에 필요한 자유도를 제공하지 못한다.
본 발명의 목적은 동일한 광축에서 또는 실질적으로 동일한 광축에서 상이한 파장을 갖는 복수의 빛의 비임 각각의 비임 강도 레벨을 임의로 변화시킬 수 있는 광 레벨 제어 장치, 이를 제어하는 방법, 및 이 광 레벨 제어 장치를 이용하는 레이저 응용 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치는 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 2개의 광파 각각의 광 투과율을 임의로 변화시킬 수 있는 광 레벨 제어 장치이며, 이 광 레벨 제어 장치는 제1 광파에 대하여 1/2 파장판(half-wave plate)으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판(full-wave plate)으로서 기능하는 파장 의존성 파장판과, 파장판을 통해 투과된 2개의 광파를 더 투과시키는 편광 비임 스플리터를 포함한다.
파장판과 편광 비임 스플리터는 광축을 중심으로 회전될 수 있으며, 파장판과 편광 비임 스플리터의 회전각은 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 2개의 광파의 투과율을 설정하도록 조절되는 것이 바람직하다.
파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판이 파장판의 전방 스테이지에 제공될 수도 있다.
광축을 중심으로 회전될 수 있으며 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판이 또한 편광 비임 스플리터의 후방 스테이지에 제공될 수도 있다.
본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법에서, 광 레벨 제어 장치는 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 파장 의존성 파장판과, 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 파장판을 통해 투과된 2개의 광파를 더 투과시키는 편광 비임 스플리터를 포함하며, 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법은 파장판과 편광 비임 스플리터의 회전각을 조절하는 단계와, 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 2개의 광파의 투과율을 임의로 설정하는 단계를 포함한다.
파장판과 편광 비임 스플리터의 회전각을 조절하는 단계는 파장판의 회전각을 고정시키고 편광 비임 스플리터를 회전시키는 단계와, 편광 비임 스플리터의 회전각이 고정된 상태에서 파장판을 회전시키는 단계를 포함한다.
광 레벨 제어 장치는 파장판의 전방 스테이지에 제공되어 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판을 더 포함할 수 있다.
광축을 중심으로 회전될 수 있으며 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그 리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판이 또한 편광 비임 스플리터의 후방 스테이지에 제공될 수 있으며, 2개의 광파의 편광 주축의 각도 차이에 대한 가변성을 제공하도록 별도의 파장 의존성 파장판을 회전시키는 단계가 또한 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 응용 장치는 레이저 비임 시스템을 포함하며, 레이저 비임 시스템은 파장이 다른 2개의 광파를 동일한 광축에서 출력하는 레이저 발진기와, 전술한 임의의 광 레벨 제어 장치를 구비한다.
본 발명에 따른 레이저 응용 장치는 또한 레이저 비임 시스템을 포함하며, 레이저 비임 시스템은 파장이 다른 2개의 광파를 발생시키는 2개의 레이저 발진기와, 2개의 광파를 실질적으로 동일한 광축에서 결합하여 출력하는 광 커플러와, 전술한 임의의 광 레벨 제어 장치를 구비한다.
본 발명에 따른 레이저 응용 장치는 상이한 파장을 생성하는 전술한 레이저 비임 시스템들과, 복수의 레이저 비임 시스템으로부터 출력되는 복수의 레이저 비임을 실질적으로 동일한 광축에서 결합하여 출력하는 광 커플러를 또한 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치는 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 파장 의존성 파장판과, 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 파장판을 통해 투과된 2개의 광파를 더 투과시키는 편광 비임 스플리터를 포함한다. 그러므로, 광 레벨 제어 장치를 통과하는 파장이 다른 2개의 광파 각각의 광 투과율을 임의적으로 변화시킬 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명의 제1 실시예를 먼저 설명하기로 한다. 도1은 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치를 도시하는 개략적인 사시도이다. 레이저 발진기(2)는 파장이 다른 2개의 광 비임을 동시에 조사하고, 2개의 비임은 동일한 광축을 갖는다. 이러한 유형의 레이저 발진기의 일례는 기본파 레이저 발진기 및 이 기본파로부터 고조파를 발생시키는 고조파 발생 소자로 구성된 레이저 장치이다. 고조파 발생 소자에 의해 고조파가 기본파로부터 발생하는 변환 효율은 100%가 아니고, 예컨대 50%이다. 따라서, 레이저 발진기(2)의 출력 비임은 기본파 및 고조파 모두를 성분으로서 포함하여, 에너지 비율은 기본파가 50%이고 고조파가 50%이며 두 파장은 동일한 광축을 갖는다.
광 레벨 제어 장치(1)는 레이저 발진기(2)에 의해 출력된 2개의 비임의 강도를 독립적으로 제어한다. 이러한 광 레벨 제어 장치(1)에서, 레이저 발진기(2)로부터 조사된 동일한 광축의 2개의 광 비임이 파장 의존성(wavelength-dependent) 파장판(3)으로 입사하고 파장판(3)을 통해 투과된 광 비임이 편광 비임 스플리터(polarization beam splitter; 4)로 입사하도록, 파장판(3) 및 편광 비임 스플리터(4)가 레이저 발진기(2)로부터의 광 비임의 광축 상에 배치된다.
광 레벨 제어 장치(1)의 구성 요소 중 하나인 파장 의존성 파장판(3)은 하기의 특성을 갖는다. 파장판(3)은 기본파 및 고조파 중 하나의 광파에 대해서는 1/2 파장판으로서 기능하고 다른 하나의 광파에 대해서는 전 파장판으로서 기능한다. 파장 의존성 파장판(3)은 빛이 투과되는 광축을 중심으로 회전될 수도 있다. 따라서, 파장판(3)이 회전될 때, 1/2 파장판의 영향을 받는 광파는 광파의 편광면이 파장 의존성 파장판(3)의 회전과 함께 회전되는 상태에서 파장판(3)으로부터 조사된다. 그러나, 전 파장판의 영향을 받는 광파는 그의 편광면이 파장판(3)의 회전에 의해 회전되지 않는 상태에서 파장판(3)으로부터 조사된다.
파장판(3)은 투명한 복굴절 결정을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 넓은 투과 파장역(band of transmitted wavelength)을 갖는 결정을 결정의 C-축과 거의 평행한 방향으로 연마(grinding)함으로써 파장판(3)을 형성할 수도 있다.
광 레벨 제어 장치(1)의 다른 구성 요소인 편광 비임 스플리터(4)는 통상 사용되는 편광 비임 스플리터이며, 유전체 다층막이 그의 경사면에 제공된 2개의 직각 프리즘의 경사면을 함께 부착함으로써 형성되는 구조를 갖는다. 프리즘의 경사면에 대하여 P파 성분이 투과되고 S파 성분은 반사된다. 이러한 구조를 갖는 편광 비임 스플리터의 편광 특성은 파장 의존성을 갖지 않는다. 편광 특성이 파장 의존성이 아닌 편광 비임 스플리터는 청색 LD(반도체 레이저), 적색 LD 및 근적외선 LD를 포함하는 3개의 광원이 제공되어 고해상도 DVD, 보통 해상도 DVD, CD 및 기타 다른 형식의 광 디스크를 기록/재생하는 광 디스크 장치의 광 헤드에 이미 사용되고 있다.
파장 의존성 파장판(3)과 편광 비임 스플리터(4)를 광축을 중심으로 회전시키는 것에 의해, 편광 비임 스플리터(4)를 통하여 직선적으로 투과되는 기본파 및 고조파의 강도를 독립적으로 제어할 수 있다.
다음으로, 제1 실시예의 광 레벨 제어 장치(1)의 작동을 설명하기로 한다. 레이저 발진기(2)의 기본파는 수평인 직선 편광된 빛이며 고조파 발생 소자는 제2 고조파를 발생시키는 요소인 것으로 가정한다. 보다 구체적으로는, 고조파 발생 소자는 위상 정합 조건이 유형 1인 제2 고조파를 발생시키는 소자이다. 따라서, 기본파와 함께 레이저 발진기(2)로부터 출력된 제2 고조파의 편광은 기본파와 평행한 선형 편광인 것으로 가정한다. 파장판의 두께는 또한 파장 의존성 파장판(3)이 기본파에 대하여 전 파장판으로서 기능하고 제2 고조파에 대하여 1/2 파장판으로서 기능하도록 설정된다.
먼저, 편광 비임 스플리터(4)의 광축을 중심으로 한 회전각만이 조정되며, 편광 비임 스플리터(4)를 통해 직선적으로 투과되는 기본파의 강도를 설정한다. 그 후, 편광 비임 스플리터(4)는 조정된 각도로 고정되고, 파장판(3)의 광축을 중심으로 한 회전각이 조절되며, 제2 고조파의 강도를 설정한다.
도2에서, 직선 편광된 기본파의 빛이 편광 비임 스플리터(4)를 통해 최대 투과율로 전파되는 각도(수평 편광된 빛: P-편광 빛)가 원점으로 도시되어 있으며, 편광 비임 스플리터(4)가 최대 투과각으로부터 멀리 광축을 중심으로 회전되는 각도(θ)가 수평축 상에 플로팅되며, 편광 비임 스플리터(4)를 통해 직선적으로 투과되는 기본파의 투과율이 수직축 상에 플로팅되어 있다. θ=90°인 경우, 기본파의 선형 편광된 빛은 편광 비임 스플리터(4)의 경사면 상으로 S-편광 빛으로서 입사되고, 직선 투과 강도는 최소치에 도달한다. 파장 의존성 파장판(3)이 기본파에 대 하여 전 파장판으로서 기능하기 때문에, 레이저 발진기(2)에 의해 출력된 기본파는 선형 편광의 방향이 파장판의 C-축의 방향과 무관하게 유지되는 상태에서 투과되어, 편광 비임 스플리터(4) 상으로 입사된다.
편광 비임 스플리터(4)는 광축을 중심으로 회전되어, 도2에 도시된 직선 투과 강도는 원하는 레벨로 설정된다. 구체적으로, I = cos2θ는 편광 비임 스플리터(4)의 직선 투과 강도(I)와 편광 비임 스플리터(4)가 수평으로 광축을 중심으로 회전되는 각도(θ) 사이의 관계를 나타낸다. 편광 비임 스플리터(4)를 통과하는 기본파의 원하는 강도가 Iω = 1/2인 경우, θ0 = 45°로 설정된다.
레이저 발진기(2)로부터 조사된 다른 광파인 제2 고조파도 역시 수평 편광된다. 파장 의존성 파장판(3)은 제2 고조파에 대하여 1/2 파장판으로서 기능한다. 파장판(3)으로부터 나오는 직선 편광된 빛의 편광각(ψ)은 도3에 도시된 바와 같이 ψ = 2
Figure 112006068950615-PAT00001
이며, 여기서
Figure 112006068950615-PAT00002
는 파장판의 C-축의 방향이 수평으로부터 경사진 각도이다. 따라서, 편광 비임 스플리터(4)를 통해 직선적으로 투과되는 제2 고조파의 강도는 도4에 도시된 바와 같이 파장판의 회전각(
Figure 112006068950615-PAT00003
)에 대하여 변화한다. 편광 비임 스플리터(4)를 통해 투과되는 기본파의 투과율을 절반으로 분할하기 위하여, 편광 비임 스플리터(4)를 통해 투과되는 제2 고조파의 투과율을 1로 산출하는 파장판의 회전각으로서
Figure 112006068950615-PAT00004
= 22.5°로 설정한다. 이는 편광 비임 스플리터(4)가 이미 θ0 = 45°로 회전되었기 때문이다. 그러므로, 편광 비임 스플리터(4)를 통해 직선적으로 투과되는 제2 고조파의 강도는 파장판(3)을 임의의 각도(
Figure 112006068950615-PAT00005
)로 회전시킴으 로써 기본파로부터 독립적으로 설정될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예는 2개의 광파가 기본파 및 제2 고조파인 경우이지만, 파장들의 관계는 이러한 예로 한정되지 않는다. 본 명세서에서 2개의 파장은 λ1 및 λ2로 나타낸다. 파장 의존성 파장판(3)은 λ1에 대하여 전 파장판으로서 기능하고, λ2에 대해서는 1/2 파장판으로서 기능하는 것으로 가정된다. 파장판의 두께가 t일 때, 파장판으로부터 나오는 정상 성분(ordinary component)과 이상 성분(extraordinary component) 사이의 위상 차이가 하기의 방정식 1 및 2로 주어진다.
[방정식 1]
Figure 112006068950615-PAT00006
[방정식 2]
Figure 112006068950615-PAT00007
상기 방정식에서, Δn1과 Δn2는 파장 λ1과 λ2에 대한 복굴절 크기이며, p와 q는 양의 정수이다. 방정식 1과 2로부터 t를 소거하면 하기의 방정식 3을 얻는다.
[방정식 3]
Figure 112006068950615-PAT00008
상기 방정식에서, q는 파장 λl과 λ2에 사용되는 파장의 실제값을 대입하고, Δn1과 Δn2에 사용되는 광 결정의 복굴절 크기의 실제값을 대입하며, p에 적절한 양의 정수를 대입함으로써 구한다(p와 q는 역전될 수도 있다). q항은 반드시 양의 정수인 것은 아니다. p의 값은 q와 양의 정수 사이의 차이가 원하는 값 이하가 되도록 변화된다. 파장판의 두께(t)는 q와 양의 정수 사이의 차이가 원하는 값 이하가 된 때의 p의 값으로부터 결정될 수 있다. 이러한 두께를 갖는 파장판은 파장 λ1에 대하여 전 파장판으로서 신뢰성 있게 기능하지만, 파장 λ2에 대해서는 정상 성분과 이상 성분 사이의 위상 차이가 1/2 파장에 q와 양의 정수 사이의 차이를 곱함으로써 얻은 파장과 같은 크기로 1/2 파장으로부터 오프셋된다.
석영(quartz)이 광 결정으로서 사용되고 λl과 λ2가 전술한 실시예에서와 같이 기본파 및 제2 고조파이며 λ1 = 1.06 μm이고 λ2 = 0.53 μm인 수치 예로서 계산을 수행한다. 결정의 복굴절률은 Δn1 = 0.0087이고 Δn2 = 0.0092이며, p = 47을 대입하면 q = 98.9023이 된다. q와 99 사이의 차이는 O.097이 되어, 이는 약 1/20의 파장 차이이다. 이 때 t = 5.7 mm가 되며 이는 실현 가능한 두께이다.
전술한 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치에서, 2개의 광파가 동일 광축을 갖고 기본파와 고조파의 파장 관계를 가지며, 또한 동일한 방향으로 편광된다. 그러나, 광 레벨 제어 장치는 이러한 조건으로 한정되는 것은 아니다. 2개의 광파의 광축이 실질적으로 동일하여 광 커플러(coupler) 등에 의해 혼합될 수 있기에 충분 하기만 하다면, 파장은 또한 임의적일 수도 있으며 본 발명의 광 레벨 제어 장치는 광파가 상이한 편광 상태에 있는 경우에도 효과적으로 작동한다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예를 설명하기로 한다. 도5는 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(5)의 구조를 도시하는 개략적인 사시도이다. 도1의 구성 요소들과 동일한 구조적 구성 요소들에 대하여 동일한 도면 부호가 도5에 사용되며, 이러한 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 전술한 제1 실시예에서, 제2 고조파 발생 소자의 위상 정합 조건은 비선형파 방정식에 따른 유형 1에 대한 것이지만, 위상 정합 조건은 다른 유형, 예컨대 유형 2일 수도 있다. 이러한 경우, 제2 고조파 발생 소자 상에 입사된 기본파가 선형 편광된 빛인 경우에도, 제2 고조파로 완전하게 변환되지 않고 조사된 기본파는 파형을 제2 고조파로 변환하는 비선형 광 결정의 복굴절 효과를 받게 되어, 빛은 일반적으로 타원 편광된 빛으로서 조사된다. 그러므로, 도2의 편광 비임 스플리터의 회전각(θ)에 대하여 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 기본파의 투과율은 1의 최대값에 도달하지 않도록 감소되며, 또한 0의 최소값에 도달하지 않도록 증가된다. 따라서, 광 레벨 제어 장치(1)로부터 출력된 기본파의 동적 범위는 감소된다.
이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(5)는 레이저 발진기(2)로부터 출력된 2개의 비임의 강도를 독립적으로 제어한다. 이러한 광 레벨 제어 장치(5)에는 광축을 중심으로 회전될 수 있는 편광 비임 스플리터(4) 및 파장 의존성 파장판(3)이 제공된다. 광 레벌 제어 장치(5)에는 또한 정위치에 고정되어 회전 메커니즘을 갖지 않으며 파장 의존성 파장판(3)의 전방 스테이지에 마련된 제2 파장 의존성 파장 판(6)이 제공된다. 제2 파장 의존성 파장판(6)은 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대해서는 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능한다. 본 발명에서 파장판의 두께는 파장판이 기본파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 고조파에 대해서는 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능하도록 설정된다. 이러한 설계 방법은 제1 실시예에서 설명한 방정식 1 및 방정식 2를 사용하는 전술한 설계 방법과 동일한 방식으로 구현될 수 있다. 전술한 바와 같이, 레이저 발진기에 의해 출력된 기본파 및 제2 고조파 중에서, 기본파가 타원 편광된 빛인 반면 제2 고조파는 선형 편광된 빛인 유형의 경우에서 1/4 파장판으로서의 제2 파장판(6)의 기능에 의해 기본파는 선형 편광된 빛으로 변환된다. 그러나, 제2 고조파는 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서의 제2 파장판(6)의 기능을 통하여 선형 편광된 빛으로서 변형되지 않고 조사된다. 따라서, 편광 비임 스플리터(4)와 파장 의존성 파장판(3)을 광축을 중심으로 회전시킬 수 있으므로, 제1 실시예와 동일한 방식으로 편광 비임 스플리터(4)를 통해 직선적으로 투과되는 2개의 광파의 레벨을 임의로 설정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예를 설명하기로 한다. 도6은 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(7)의 구조를 도시하는 개략적인 사시도이다. 도1 및 도5의 구성 요소들과 동일한 구조적 구성 요소들에 대하여 동일한 도면 부호가 도6에 사용되며, 이러한 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(7)는 레이저 발진기(2)로부터 출력되는 2개의 비임의 강도를 독립적으로 제어할 수 있으며, 또한 이들의 편광 방향으로의 2개의 광 비임의 각도의 차이를 임의로 제어할 수 있다. 편광 비임 스플리터(4)와 광축을 중심으로 회전될 수 있는 제1 파장 의존성 파장판(3) 외에, 광 레벨 제어 장치(7)에는 회전 메커니즘을 갖고 편광 비임 스플리터(4)의 후방 스테이지에 제공된 제3 파장 의존성 파장판(8)이 또한 제공된다. 제3 파장 의존성 파장판(8)은 제1 파장 의존성 파장판(3)과 동일한 기능을 갖는다. 이 파장판(8)은 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대해서는 전 파장판으로서 기능한다. 구체적으로, 이러한 구조는 도1에 도시된 제1 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(1)의 광축 방향으로 더 후방의 스테이지에 제공된 회전 가능한 파장 의존성 파장판(8)을 추가로 포함한다. 그러므로, 제1 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(1)로부터 출력되는 2개의 광 비임은 편광 비임 스플리터(4)를 통해 P 파로서 직선적으로 투과되는 광 비임과 동일한 방향으로 편광되는 선형 편광된 광 비임인 반면에, 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(7)로부터 출력되는 2개의 광 비임의 편광 방향들 사이의 각도 차이는 제3 파장 의존성 파장판(8)을 회전시킴으로써 임의로 설정될 수 있다. 그러므로, 레이저 가공 장치에서 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(7)를 이용함으로써 작업물의 가공 특성이 파장 의존성 및 편광 의존성 모두를 가질 경우에도 보다 효과적인 레이저 가공을 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제4 실시예를 설명하기로 한다. 도7은 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(9)의 구조를 도시하는 개략적인 사시도이다. 도1, 도5 및 도6의 구성 요소들과 동일한 구조적 구성 요소들에 대하여 동일한 도면 부호가 도7에 사용되며, 이러한 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(9)는 기본파가 타원 편광된 빛인 경우에도 레이저 발진기(2)로부터 출력되는 기본파와 제2 고조파를 포함하는 2개의 비임의 강도를 동적 제어 범위의 감소 없이 독립적으로 제어할 수 있다. 광 레벨 제어 장치(9)는 또한 광 레벨 제어 장치로부터 출력되는 2개의 광 비임의 편광 방향들 사이의 각도 차이를 임의로 제어할 수 있다. 광 레벨 제어 장치(9)의 구조는 도5에 도시된 제2 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(5)의 광축 방향으로 더 후방의 스테이지에 제공되는 회전 가능한 파장 의존성 파장판(8)을 추가로 포함한다. 그러므로, 제2 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(5)로부터 출력되는 2개의 광 비임은 동일한 방향으로 편광되는 선형 편광된 광 비임인 반면에, 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(9)로부터 출력되는 2개의 광 비임의 편광 방향들 사이의 각도 차이는 제3 파장 의존성 파장판(8)을 회전시킴으로써 임의로 설정될 수 있다. 그러므로, 제3 실시예와 동일한 방식으로, 레이저 가공 장치에서 이 실시예에 따른 광 레벨 제어 장치(9)를 이용함으로써 보다 효과적인 레이저 가공이 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제5 실시예를 설명하기로 한다. 도8은 특히 레이저 가공 장치의 광학계가 도시된, 본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치를 이용하는 레이저 응용 장치를 도시하는 구성 블록도를 포함한다. 도1 및 도5 내지 도7의 구성 요소들과 동일한 구조적 구성 요소들에 대하여 동일한 도면 부호가 사용되며, 이러한 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 생략한다. 도8a에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 광학계(10)는 기본파와 제2 고조파를 동일한 광축에서 출력하기 위한 레이저 발진기(11), 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에서 설명된 광 레벨 제어 장치(100), 및 집광 광학계(30)를 포함한다. 기본파와 제2 고조파의 레벨과 편광 방향으로부터 선택된 하나의 변수 또는 두 변수 모두가 광 레벨 제어 장치(100)에 의해 제어되어, 작업물(40)에 조사된다.
도8b에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 광학계(20)는 제1 파장을 갖는 비임을 출력하는 레이저 발진기(21), 제2 파장을 갖는 비임을 출력하는 레이저 발진기(22), 2개의 비임을 결합하기 위한 광 커플러(23), 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에서 설명된 것과 같은 광 레벨 제어 장치(100), 및 집광 광학계(30)를 포함한다. 제1 파장의 빛의 레벨과 편광 방향으로부터 선택된 하나의 변수 또는 두 변수 모두가 광 레벨 제어 장치(100)에 의해 제어되어 빛이 작업물(40)에 조사된다.
레이저 가공 장치에서 본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치(100)를 이용함으로써 작업물(40)의 가공 특성이 파장 의존성 및 편광 의존성 모두를 가질 경우에도 보다 효과적인 레이저 가공을 수행할 수 있다.
더 많은 수의 레이저 비임의 레벨 및 편광 방향이 또한 도8a에 도시된 레이저 발진기(11)와 광 레벨 제어 장치(100)가 조합된 복수의 유닛을 제공함으로써 그리고 광 레벨 제어 장치에 의해 출력되는 빛을 결합하는 광 커플러를 이용함으로써 제어될 수 있다. 도8b에 도시된 레이저 발진기(21), 광 커플러(23) 및 광 레벨 제어 장치(100)가 조합된 복수의 유닛을 제공함으로써 그리고 광 레벨 제어 장치에 의해 출력되는 빛을 결합하는 광 커플러를 이용함으로써 동일한 결과가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 광 레벨 제어 장치를 이용하는 레이저 응용 장치가 도8a 및 도8b에서 레이저 가공 장치의 광학계를 예로서 사용하여 설명되었지만, 이러한 유형의 광학계는 또한 레이저 현미경 및 기타 레이저 관찰 장치에도 적용할 수 있다.
본 발명의 광 레벨 제어 장치에 의하면, 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 파장 의존성 파장판과, 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 파장판을 통해 투과된 2개의 광파를 더 투과시키는 편광 비임 스플리터를 포함함으로써, 광 레벨 제어 장치를 투과하는 파장이 다른 2개의 광파 각각의 광투과율을 임의로 변화시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 실질적으로 동일한 광축에서 결합되는 파장이 다른 2개의 광파 각각의 광 투과율을 임의로 변화시킬 수 있는 광 레벨 제어 장치이며,
    제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 파장 의존성 파장판과,
    상기 파장판을 통해 투과된 상기 2개의 광파를 더 투과시키는 편광 비임 스플리터를 포함하는 광 레벨 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파장판과 상기 편광 비임 스플리터는 상기 광축을 중심으로 회전될 수 있으며,
    상기 파장판과 상기 편광 비임 스플리터의 회전각은 상기 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 상기 2개의 광파의 투과율을 설정하도록 조절되는 광 레벨 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파장판의 전방 스테이지에 제공되고 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판을 더 포함하는 광 레벨 제어 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 편광 비임 스플리터의 후방 스테이지에 제공되고 상기 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판을 더 포함하는 광 레벨 제어 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 따른 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법이며,
    상기 파장판과 상기 편광 비임 스플리터의 회전각을 조절하는 단계와,
    상기 편광 비임 스플리터를 통해 직선적으로 투과되는 상기 2개의 광파의 투과율을 임의로 설정하는 단계를 포함하는, 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 파장판과 상기 편광 비임 스플리터의 회전각을 조절하는 단계는,
    상기 파장판의 회전각을 고정시키고 상기 편광 비임 스플리터를 회전시키는 단계와,
    상기 편광 비임 스플리터의 회전각이 고정된 상태에서 상기 파장판을 회전시키는 단계를 포함하는, 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광 레벨 제어 장치는 상기 파장판의 전방 스테이지에 제공되고 파장이 다른 2개의 광파 중에서 제1 광파에 대하여 1/4 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판 또는 1/2 파장판으로서 기능하는 별도의 파장 의존성 파장판을 더 포함하는, 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광 레벨 제어 장치는 상기 광축을 중심으로 회전될 수 있으며 제1 광파에 대하여 1/2 파장판으로서 그리고 제2 광파에 대하여 전 파장판으로서 기능하며 상기 편광 비임 스플리터의 후방 스테이지에 제공되는 별도의 파장 의존성 파장판을 더 포함하며,
    상기 방법은 상기 2개의 광파의 편광 주축의 각도 차이에 대한 가변성을 제공하도록 상기 별도의 파장 의존성 파장판을 회전시키는 것인, 광 레벨 제어 장치를 제어하는 방법.
  9. 레이저 비임 시스템을 포함하는 레이저 응용 장치이며,
    상기 레이저 비임 시스템은,
    파장이 다른 2개의 광파를 동일한 광축에서 출력하는 레이저 발진기와,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광 레벨 제어 장치를 포함하는 레이저 응용 장치.
  10. 레이저 비임 시스템을 포함하는 레이저 응용 장치이며,
    상기 레이저 비임 시스템은,
    파장이 다른 2개의 광파를 발생시키는 2개의 레이저 발진기와,
    상기 2개의 광파를 실질적으로 동일한 광축에서 결합하여 출력하는 광 커플러와,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 광 레벨 제어 장치를 포함하는 레이저 응용 장치.
  11. 레이저 응용 장치이며,
    상이한 파장을 생성하는 제9항에 따른 복수의 레이저 비임 시스템과,
    상기 복수의 레이저 비임 시스템으로부터 출력되는 복수의 레이저 비임을 실질적으로 동일한 광축에서 결합하여 출력하는 광 커플러를 포함하는 레이저 응용 장치.
  12. 레이저 응용 장치이며,
    상이한 파장을 생성하는 제10항에 따른 복수의 레이저 비임 시스템과,
    상기 복수의 레이저 비임 시스템으로부터 출력되는 복수의 레이저 비임을 실질적으로 동일한 광축에서 결합하여 출력하는 광 커플러를 포함하는 레이저 응용 장치.
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