KR20070103842A - 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법 - Google Patents

극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070103842A
KR20070103842A KR1020060035683A KR20060035683A KR20070103842A KR 20070103842 A KR20070103842 A KR 20070103842A KR 1020060035683 A KR1020060035683 A KR 1020060035683A KR 20060035683 A KR20060035683 A KR 20060035683A KR 20070103842 A KR20070103842 A KR 20070103842A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser
divided
ultra
processing apparatus
pulse
Prior art date
Application number
KR1020060035683A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100787236B1 (ko
Inventor
김재구
나석주
황경현
장원석
조성학
Original Assignee
한국기계연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국기계연구원 filed Critical 한국기계연구원
Priority to KR1020060035683A priority Critical patent/KR100787236B1/ko
Publication of KR20070103842A publication Critical patent/KR20070103842A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100787236B1 publication Critical patent/KR100787236B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/101—Lasers provided with means to change the location from which, or the direction in which, laser radiation is emitted
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/1073—Beam splitting or combining systems characterized by manufacturing or alignment methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10061—Polarization control
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0262—Photo-diodes, e.g. transceiver devices, bidirectional devices

Abstract

본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치는 열적 물리적 손상이 없는 정밀한 가공을 수행할 수 있도록, 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 발생부와, 상기 발생부에서 발생한 레이저 펄스를 분할하여 서로 다른 길이의 경로로 진행시키는 분할부와, 상기 분할부에서 출사된 레이저 펄스의 진행 경로를 병합하는 병합부, 및 진행 경로가 병합된 상기 레이저 펄스를 이용하여 재료를 가공하는 가공부를 포함한다.
극초단 펄스 레이저, 마스크, 편광변경부재, 빔 분할기, 편광판

Description

극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법{PROCESSING APPARATUS AND MEHTOD OF USING ULTRASHORT PULSE LASER}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치의 레이저 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3f는 극초단 레이저 펄스를 이용하여 가공된 가공표면을 나타내는 사진이다.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
1 : 레이저 발생부 2 : 측정용 빔 분할기
3 : 자기상관계 4 : 빔 감쇄기
6 : 마스크 8 : 레이저 펄스
9 : 빔 조절부 10 : 분할부
11 : 빔 분할기 14 : 편광변경부재
15 : 편광판 20 : 이송부재
24 : 이송 스테이지 27 : 병합부
30 : 진단부재 31 : 진단용 빔 분할기
32 : 포토다이오드 34 : 오실로스코프
40 : 가공부 41 : CCD 카메라
43 : 렌즈 45 : 가공 스테이지
47 : 모니터 50 : 제어부
본 발명은 극초단 펄스 레이저 가공 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 열적 손상을 최소화할 수 있는 극초단 펄스 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저를 이용한 융삭은 고정도 정밀부품 제작을 위하여 많이 사용되고 있다. 그리고 빠른 펄스를 사용하면 주위에 미치는 열적인 손상이 적은 장점을 가지고 있으며 나노초 단위의 펄스를 가지는 YAG 레이저나 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 가공기가 제공되고 있고 이를 일반적으로 나노초 레이저 가공기라 불리우고 있다.
이들 중 산화알루미늄을 인공적으로 결정체로 만들어 레이저를 발생토록 하는 ND-YAG 레이저를 사용한 가공기의 경우, 가공된 측벽이 거칠게 되는 경향이 있다. 그리고 적외선계인 CO2 레이저는 가공부위에 크레이터가 만들어지는 단점을 가지고 있기 때문에 마이크로미터 단위 이상의 정밀도를 요구하는 미세가공에서는 그 사용의 제약을 받고 있다. 또한, CO2, ND-YAG 레이저는 파장이 길고 나초초 펄스폭을 가지기 때문에 가공부위에 대한 열적 영향이 큰 문제점이 있다.
이외에 엑시머 레이저의 경우도 파장이 짧아 미세가공에 유리하나, 금속 가공의 경우 나노초의 펄스폭을 가지므로 열적 영향이 크고, 유리 등의 절연체 가공에도 열응력에 의해 크랙등이 발생하여 가공 품질이 저하되는 문제가 있다.
즉, 상기 가공들은 빛 에너지를 열 에너지로 변형하여 수행하는 레이저 열가공이라고 할 수 있으며 가공하고자 하는 영역 주변에 열영향영역(HAZ; Heat Affected Zone)이 발생하며 이 열영향영역은 레이저 피가공물의 품질을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다.
한편, 펄스 방사시간이 10-15s대인 펨토초 레이저(femtosecond laser)를 이용한 가공 시에도 레이저의 출력이 높은 경우에는 열적 효과를 무시할 수 없으므로 열적 효과를 최소화 하면서 정밀가공을 위해서는 출력이 작은 레이저를 중합하여 가공하게 되는데, 이 때 편광에 수직인 방향으로 줄무늬 패턴이 나타나는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저 가공 시, 열적 물리적 손상이 없는 정밀한 가공을 수행할 수 있는 극초단 펄스 레이저 가공장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공장치는 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 발생부와, 상기 발생부에서 발생 한 레이저 펄스를 분할하여 서로 다른 길이의 경로로 진행시키는 분할부와, 상기 분할부에서 출사된 레이저 펄스의 진행 경로를 병합하는 병합부, 및 진행 경로가 병합된 상기 레이저 펄스를 이용하여 공작물을 가공하는 가공부를 포함한다.
상기 분할부는 분할된 레이저 펄스의 편광을 변화시키는 편광변경부재와 레이저의 출력을 조절하는 편광판을 포함할 수 있다.
상기 분할부는, 레이저 펄스를 분할하는 빔 분할기와, 분할된 적어도 하나의 레이저 펄스의 편광을 변화시키는 편광변경부재, 및 분할된 레이저 펄스의 경로를 조절하는 이송부재를 포함할 수 있다.
상기 이송부재는 분할된 레이저 펄스의 경로의 전환시키는 반사부재와 상기 반사부재를 이송시키는 이송 스테이지를 포함할 수 있다.
상기 이송부재는 두 개의 반사부재를 포함하며 상기 반사부재들은 레이저 펄스의 진행 경로를 180도로 전환시킬 수 있도록 서로 대칭되는 구조로 설치될 수 있다.
병합부는 분할된 레이저 펄스의 진행 경로가 교차하는 곳에 설치될 수 있다.
상기 병합부와 상기 가공부 사이에는 병합된 레이저 펄스들의 경로의 일치 여부를 진단하는 진단부가 설치될 수 있다.
상기 진단부는 진단용 빔 분할기와 상기 진단용 빔 분할기에서 분할된 레이저 펄스가 입사되는 포토다이오드(Photodiode), 및 상기 포토다이오드에서 전송되는 신호를 현시하는 오실로스코프를 포함할 수 있다.
상기 가공부는 공작물이 장착되는 가공 스테이지와 상기 가공 스테이지의 상 부에 설치되어 레이저 펄스를 반사하는 반사부재와 반사된 상기 레이저 펄스를 집속하여 상기 가공 스테이지로 전달하는 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 발생부와 상기 빔 분할부 사이에는 상기 레이저 펄스의 집중도를 완화시키는 마스크가 설치될 수 있다.
상기 레이저 발생부와 상기 분할부 사이에는 상기 레이저 발생부에서 발생된 레이저 펄스를 전달받아 레이저 펄스를 분할하는 측정용 빔 분할기와, 상기 측정용 빔 분할기로부터 하나의 레이저 펄스를 전달받아 레이저 펄스의 폭을 실시간으로 측정하는 자기상관계와, 상기 측정용 빔 분할기로부터 다른 레이저 펄스를 전달받아 레이저 펄스의 출력을 감소시키는 빔 감쇄기와, 및 상기 레이저 펄스의 집중도를 분산시키는 마스크를 포함하는 빔 조절부가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 방법은 극초단 펄스 레이저 펄스를 발생시키는 단계와, 레이저 펄스를 분할하는 단계와, 분할된 레이저 펄스를 길이가 서로 다른 경로로 진행시키는 단계와, 분할된 레이저 펄스의 경로를 병합하는 단계, 및 시간차를 갖는 레이저 펄스를 공작물로 조사하여 가공하는 단계를 포함할 수 있다.
극초단 펄스 레이저 가공 방법은 마스크를 이용하여 극초단 펄스 레이저 펄스의 집중도를 완화시키는 단계를 포함할 할 수 있다.
또한 극초단 펄스 레이저 가공 방법은 분할된 적어도 하나의 레이저 펄스의 편광을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 분할된 레이저 펄스를 길이가 서로 다른 경로로 진행시키는 단계에 있 어서, 분할된 상기 레이저 펄스는 분할된 상기 레이저 펄스를 반사시키는 반사부재가 설치된 이송 스테이지의 이동에 의하여 경로가 변화될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 대해 당업자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치를 도시한 개략적인 구성도이다.
상기한 도면을 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치는 레이저(laser)(8)를 발생시키는 레이저 발생부(1)와, 레이저 발생부(1)에서 발생한 레이저(8)를 분할하여 서로 다른 길이의 경로로 진행시키는 분할부(10)와, 분할부(10)에서 출사된 레이저(17, 25)의 진행 경로를 병합하는 병합부(27), 및 진행 경로가 병합된 레이저 (29)를 이용하여 재료를 가공하는 가공부(40)를 포함한다.
레이저 발생부(1)에서 발생하는 레이저 펄스(8)는 극초단 펄스 레이저로서 펄스 당 시간 폭이 10 피코초(10-11s) 내지 10 펨토초(10-15s)대이다. 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 레이저 펄스(8)는 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
레이저 발생부(1)와 분할부(10) 사이에는 레이저 발생부(1)에서 발진된 레이저 펄스(8)를 조절하는 빔 조절부(9)가 설치된다. 빔 조절부(9)는 레이저 펄스(8)의 폭을 실시간으로 측정할 수 있는 자기상관계(3)와 레이저펄스(8)를 분할하여 자 기상관계(3)로 전달하는 측정용 빔 분할기(2)를 포함한다. 측정용 빔 분할기(2)는 일부 레이저 펄스는 투과시키고 나머지 레이저 펄스는 반사시키는 부재로서 반사된 레이저 펄스는 자기상관계(3)로 입사되어 레이저 펄스의 폭이 측정된다. 빔 조절부(9)는 측정용 빔 분할기(2)를 통과한 레이저 펄스(8)의 출력을 일차적으로 감소시키는 빔 감쇄기(4)와 레이저 발생부(1)에서 발생된 레이저 펄스(8)의 수를 조절하는 빔 셔터기(5), 및 회절 효과를 이용하여 이미지 전사 가공방식을 구현하는 마스크(6)를 더 포함한다.
빔 감쇄기(4)는 흡수 필터 등으로 이루어질 수 있다. 레이저 펄스(8)는 마스크(6)를 통과하면서 넓게 퍼지게 되는데, 마스크(6)에는 소정의 패턴이 형성된다. 이에 따라 가우시안 분포를 형성하는 레이저 펄스(8)의 에너지가 회절에 의해 분산되어 보다 완만한 에너지 분포를 가지게 된다.
마스크(6)를 통과한 빔은 반사부재(7)에 의해 90도로 반사되어 경로가 전환된다. 반사부재(7)를 통과한 레이저 펄스(8)는 분할부(10)로 입사된다.
분할부(10)는 레이저 펄스(8)를 제1 레이저 펄스(17)와 제2 레이저 펄스(25)로 분할하는 빔 분할기(11)와 분할된 제1 레이저 펄스(17)의 위상을 지연시키는 편광변경부재(14), 제1 레이저 펄스(17)의 한쪽 편광성분만 투과하여 세기를 조절하는 편광판, 및 분할된 제2 레이저 펄스(25)의 경로를 조절하는 이송부재(20)를 포함한다.
빔 분할기(11)는 레이저 펄스를 두 개의 레이저 펄스(17, 25)로 분할하며, 빔 분할기(11)를 투과한 제1 레이저 펄스(17)와 빔 분할기(11)에서 반사된 제2 레 이저 펄스(25)는 서로에 대해 90도 각도를 가지고 진행한다.
본 실시예에 따른 빔 분할기(11)는 일부의 레이저 펄스는 투과시키고 나머지 레이저 펄스는 반사시키는 통상적인 빔 분할기(beam splitter)로 이루어진다. 이 빔 분할기(11)는 레이저 펄스(8)를 동일한 비율로 나누는데, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 레이저 펄스(8)는 다양한 비율로 분할될 수 있다.
빔 분할기(11)를 투과한 제1 레이저 펄스(17)는 두 개의 반사부재들(12, 13)에 의하여 각각 반사되어 진행방향이 180도 전환되는데, 이에 따라 제1 레이저 펄스(17)는 빔 분할기(11)에서 출사되는 방향의 반대방향으로 진행하게 된다. 반사부재들(12, 13)을 통과한 제1 레이저 펄스(17)는 편광변경부재(14)와 편광판(15)으로 입사된다. 편광변경부재(14)는 빔의 위상을 지연시키는 역할을 하는 것으로서 반파장판(λ/2 파장판) 등이 적용될 수 있으며, 편광판(15)은 빔의 투과율을 조절한다.
빔 분할기(11)에서 반사된 제2 레이저 펄스(25)는 이송부재(20)로 입사되는데, 이송부재(20)는 제2 레이저 펄스(25)의 진행방향을 전환시키는 두 개의 반사부재들(21, 23)과 제2 레이저 펄스(25)가 빔 분할기(11)에서 출사되는 방향 또는 이와 반대방향으로 반사부재들(21, 23)을 이송시키는 이송 스테이지(24)를 포함한다. 빔 분할기(11)로부터 제2 레이저 펄스(25)를 수용하는 제1 반사부재(21)는 제2 레이저 펄스(25)를 90도로 반사하도록 설치되며, 제1 반사부재(21)로부터 제2 레이저 펄스(25)를 수용하는 제2 반사부재(23)는 제1 반사부재(21)와 대칭되는 구조로 설치된다. 따라서 제2 레이저 펄스(25)는 제1 반사부재(21)와 제2 반사부재(23)에 의하여 진행방향이 180도로 전환된다.
그리고 제1 반사부재(21) 및 제2 반사부재(23)는 이송 스테이지(24) 상에 설치되어 이송 스테이지(24)에 의하여 이송되는데, 이송 스테이지(24)는 제2 레이저 펄스(25)가 빔 분할기(11)에서 출사되는 방향 또는 이와 반대방향으로 제1 반사부재(21)와 제2 반사부재(23)를 이송하여 제2 레이저 펄스(25)의 경로를 조절한다.
이송 스테이지(24)가 제2 레이저 펄스(25)의 출사방향과 동일한 방향으로 진행하면 제2 레이저 펄스(25)의 경로는 길어진다. 이에 따라 제2 레이저 펄스(25)는 제1 레이저 펄스(17)보다 더 긴 경로로 이동하므로, 제2 레이저 펄스(25)는 제1 레이저 펄스(17)보다 늦게 진행하여 양자는 시간차를 갖게 된다.
이와 반대로 이송 스테이지(24)가 제2 레이저 펄스(25)가 빔 분할기(11)에서 출사되는 방향과 반대 방향으로 진행하는 경우에는 제2 레이저 펄스(25)의 경로는 짧아지며 이에 따라 제2 레이저 펄스(17)는 제1 레이저 펄스(25)보다 빨리 진행하여 양자는 시간차를 갖게 된다.
본 실시예에서는 레이저 펄스가 두개의 레이저 펄스로 분할되는 것을 예시하고 있지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 펄스는 셋 이상으로 분할될 수도 있다.
상기한 바와 같이 제1 레이저 펄스(17)와 제2 레이저 펄스(25)는 각각 빔 분할기(11)에서 출사되는 방향을 기준으로 진행방향이 180도 전환된다. 한편, 빔 분할기(11)에서 각 레이저 펄스(17, 25)는 서로에 직각으로 출사되므로 반사부재들(12, 13, 23, 24)에 의해 진행방향이 전환된 제1 레이저 펄스(17)와 제2 레이저 펄스(25)의 진행 경로는 한 지점에서 교차하게 된다.
제1 레이저 펄스(17)와 제2 레이저 펄스(25)가 교차하는 지점에는 병합부(27)가 설치된다. 병합부(27)는 빔 분할기(11)를 투과한 제1 레이저 펄스(17)는 반사시키고 빔 분할기(11)에서 반사된 제2 레이저 펄스(25)는 투과시킨다. 이에 따라 병합부(27)를 통과한 제1 레이저 펄스(17)와 제2 레이저 펄스(25)는 동일한 경로로 진행하게 된다.
이러한 병합부(27)는 통상적으로 사용될 수 있는 빔 분할기가 적용될 수 있으며, 빔 분할기는 빔이 출사되는 방향으로 레이저 펄스가 입사되도록 설치되어 서로 다른 방향에서 입사되는 레이저 펄스가 한 방향으로 진행하도록 작용한다.
병합부(27)에서 출사된 레이저 펄스(29)는 레이저 펄스(29)의 경로가 일치되는지 여부를 검증하는 진단부재(30)로 유입된다. 진단부재(30)는 진단용 빔 분할기(31)와 포토다이오드(32), 및 오실로스코프(34)를 포함한다. 진단용 빔 분할기(31)는 입사되는 빔의 일부를 반시시켜 포토다이오드(32)로 전달하는 역할을 하며, 포토다이오드(32)는 레이저 펄스를 입력 받아 오실로스코프(34)로 일정한 신호를 전달한다. 따라서 작업자는 오실로스코프(34)를 통해서 레이저 펄스의 경로가 일치되는지 여부를 확인할 수 있다.
진단용 빔 분할기(31)를 투과한 레이저 펄스(29)는 가공부(40)로 진행하는데, 가공부(40)는 빔을 반사하여 공작물로 진행시키는 반사부재(42)와 레이저 펄스(29)를 집속하는 렌즈(43), 및 공작물이 설치되며 3축방향으로 공작물을 이송하여 렌즈(43)로부터 전송된 레이저 펄스(29)로 공작물을 가공하는 가공 스테이 지(45)를 포함한다.
그리고 반사부재(42)의 상부에는 가공현상을 관찰할 수 있도록 CCD 카메라(41)가 설치된다. CCD 카메라(41)는 가공상황을 촬영하여 모니터(47)로 전송하며, 작업자는 모니터(47)를 통해서 가공상황을 관찰할 수 있다.
본 실시예에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치는 상기한 부재들을 제어하는 제어부(50)를 포함한다. 작업자는 오실로스코프(34) 또는 모니터(47)를 통해서 작업상황을 관찰하면서 제어부(50)를 통해서 편광변경부재(14), 이송 스테이지(24), 가공 스테이지(45)를 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 가공 장치의 레이저 펄스를 관찰한 일례의 그래프이다.
상기한 그래프는 분기된 펄스가 이광자 여기 포토 다이오드로 입사될 때의 신호를 오실로스코프를 통해서 나타낸 그래프이다. 포토 다이오드는 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 광센서의 일종으로서 이에 의하면 레이저 펄스의 세기를 전압값으로 변환하여 측정할 수 있다.
시간차를 갖도록 분할된 제1 레이저 펄스 P1과 제2 레이저 펄스 P4는 각각 약 0.04볼트의 출력을 가진다. 그런데, P1과 P4가 소정의 시간차를 갖는 경우에는 P3과 같이 약 0.08볼트의 출력을 가지게 되나, 양 펄스 사이의 시간차가 없는 경우에는 P2와 같이 약 0.16볼트의 출력을 갖는 것으로 나타났으며 이는 P3의 두배가 된다.
이와 같이, 펄스 사이의 시간차가 제로인 경우는 시간차가 있는 경우보다 월 등하게 큰 출력을 가지므로, 이송 스테이지를 이송시키면서 전압값이 최대가 되는 지점을 오실로스코프를 통해서 용이하게 찾을 수 있으며, 이는 제1 레이저 펄스와 제2 레이저 펄스의 시간차가 제로가 되는 영점이 된다.
영점이 구해지면 이송스테이지의 이동 정도와 펄스의 시간차와의 관계를 구하여, 이송 스테이지를 이동시킴으로써 원하는 시간차를 용이하게 설정할 수 있다.
도 3a 내지 도 3f는 레이저 펄스를 이용하여 가공된 가공표면을 나타내는 사진이다.
이때, 피가공물은 석영 유리 위에 있는 크롬 박판이 사용되었다. 이때, 조사된 레이저는 250fs(2.5×10-13sec)의 시간 폭을 가지며, 1만개의 레이저 펄스가 100KHz로 크롬 박판으로 조사되었다.
먼저 도 3a 및 도 3b는 서로 다른 편광을 갖는 3mW의 레이저 펄스와 2.9mW의 레이저 펄스를 이용하여 석영 유리 위에 있는 크롬 박판을 가공한 표면을 나타낸다. 이 경우 양자 모두 가공표면에 레이저의 편광 방향에 수직으로 줄무늬 패턴이 나타나고 가공표면이 매우 거친 것을 확인할 수 있다.
도 3c 및 도 3d는 서로 다른 편광을 갖는 9mV의 레이저 펄스를 이용하여 가공한 가공 표면을 나타내는데, 이 경우에도 가공표면의 가장자리에 줄무늬 패턴이 나타나며 중심부분에도 부분적으로 줄무늬 패턴이 나타나는 문제가 있다.
도 3e는 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 장치를 사용하여 크롬 박판을 가공한 표면을 나타내는데, 3mV의 세기를 갖는 레이저 펄스가 10ps(10-11sec)의 시 간차를 두고 조사되었다. 이 경우, 도 3e에 나타난 바와 같이 가공표면의 중심에는 줄무늬 패턴이 나타나지 아니하였고, 표면이 매우 매끄럽게 가공되었다. 또한, 가공표면의 가장자리도 종래에 비하여 매우 양호한 거칠기를 얻을 수 있었다.
도 3f는 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 가공 장치에서 마스크(6, 도 1에 도시)를 제거한 후, 렌즈의 포커싱 위치에 크롬 박판을 위치시키고 시간차를 갖는 레이저 펄스를 조사하여 가공한 표면을 나타내는 사진이다.
이 경우, 마스크(6)가 설치되지 아니하므로 레이저 펄스의 에너지가 분산되지 못하고, 펄스의 중심 부분에 에너지가 집중하게 된다. 이에 따라, 가공 표면의 중심 부분에 지나치게 많은 에너지가 조사되어 크롬 박판의 중앙에 구멍이 생기고 유리기판까지 가공되는 문제가 발생하였다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 마스크가 설치되어 이미지 전사 방식의 가공을 수행하므로, 레이저 펄스의 에너지가 분산되어 가공 표면에 균일한 에너지가 조사되며, 이에 따라 도 3e에 도시한 바와 같이 정밀한 가공 표면을 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면, 레이저 펄스가 분할되어 서로 다른 경로를 따라 진행함으로써 시간차를 갖고 피가공물에 입사될 수 있다. 그리고 분할된 레이저 펄스는 이송 스테이지의 이송을 통해서 수백 피코초까지 시간차가 조절될 수 있다.
또한, 분기된 레이저 펄스는 일측 레이저 펄스만이 편광변경부재와 편광판을 지나게 되므로, 서로 다른 편광을 갖게 된다.
이에 따라 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는 열에 의한 영향을 최소화하여 다양한 재료를 보다 정밀하게 가공할 수 있으며, 단일 펄스에서 나타나는 줄무늬 패턴을 감소시키거나 이를 제거할 수 있다.
또한, 종래에는 생산성을 높이기 위해 출력이 높은 레이저를 사용하였으며 이 경우에도 줄무늬 패턴이 형성되나, 본 발명은 작은 출력의 에너지로도 줄무늬 패턴을 현저하게 감소시켜 에너지 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 레이저의 진행방향에 마스크가 설치되어 레이저 펄스의 에너지를 분산시킬 수 있다. 즉, 종래의 레이저 펄스는 에너지가 가우시안 분포를 이루어 중심에서의 출력이 지나치게 높게 나타나고 이에 따라 중심부를 통한 가공과 가장자리를 통한 가공의 차이가 나타나는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 경우 마스크를 통해서 레이저 펄스의 에너지 분포를 분산시켜 에너지 편차를 해소하여 보다 정밀한 가공을 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 극초단 펄스 레이저 펄스를 분할하여 시간차를 부여하고 분할된 펄스의 편광을 상이하게 조절함으로써 보다 정밀한 가공을 수행할 수 있으며, 단일 펄스 가공에서 나타나는 줄무늬 패턴을 최소화시킬 수 있다.
또한, 하나의 극초단 펄스 레이저를 분할되어 각각 가공을 수행함으로 종래에 에너지 효율이 향상된다.
또한, 마스크가 설치되어 빔의 에너지 편차를 감소시킴으로써 보다 정밀한 가공을 수행할 수 있다.
또한, 이송 스테이지의 이동으로 분할된 펄스의 시간차를 용이하게 조절할 수 있어서 재질과 가공의 종류에 따라 다양한 방법으로 가공을 수행할 수 있다.

Claims (15)

  1. 레이저 펄스를 발생시키는 레이저 발생부;
    상기 레이저 발생부에서 발생한 상기 레이저를 분할하여 서로 다른 길이의 경로로 진행시키는 분할부;
    상기 분할부에서 출사된 상기 레이저의 진행 경로를 병합하는 병합부; 및
    진행 경로가 병합된 상기 레이저를 이용하여 공작물을 가공하는 가공부;
    를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 분할부는 분할된 일부 레이저의 편광을 변화시키는 편광변경부재를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 분할부는,
    상기 레이저를 분할하는 빔 분할기;
    분할된 레이저의 편광을 변화시키는 편광변경부재;
    분할된 레이저의 출력을 조절하는 편광판; 및
    분할된 레이저의 경로를 조절하는 이송부재;
    를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 이송부재는 분할된 상기 레이저의 경로의 전환시키는 반사부재와 상기 반사부재를 이송시키는 이송 스테이지를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 이송부재는 두 개의 반사부재를 포함하며 상기 반사부재들은 레이저의 진행 경로를 180도로 전환시킬 수 있도록 서로 대칭되는 구조로 설치되는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 병합부는 분할된 상기 레이저들의 진행 경로가 교차하는 곳에 설치되는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 병합부와 상기 가공부 사이에는 병합된 레이저들의 경로의 일치여부를 진단하는 진단부가 설치되는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 진단부는 진단용 빔 분할기와 상기 진단용 빔 분할기에서 분할된 레이 저가 입사되는 포토다이오드(Photodiode), 및 상기 포토다이오드에서 전송되는 신호를 현시하는 오실로스코프를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 가공부는 상기 공작물이 장착되는 가공 스테이지와 상기 가공 스테이지의 상부에 설치되어 상기 레이저를 반사하는 반사부재와 반사된 상기 레이저를 집속하여 상기 가공 스테이지로 전달하는 렌즈를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생부와 상기 빔 분할부 사이에는 상기 레이저의 에너지편차를 감소시키는 마스크가 설치되는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 레이저 발생부와 상기 분할부 사이에는
    상기 레이저 발생부로부터 상기 레이저를 전달받아 상기 레이저를 분할하는 측정용 빔 분할기;
    상기 측정용 빔 분할기로부터 하나의 레이저를 전달받아 레이저의 폭을 실시간으로 측정하는 자기상관계;
    상기 측정용 빔 분할기로부터 다른 레이저를 전달받아 전달받아 레이저의 출 력을 감소시키는 빔 감쇄기; 및
    상기 레이저의 집중도를 분산시키는 마스크;
    를 포함하는 빔 조절부가 설치되는 극초단 펄스 레이저 가공 장치.
  12. 극초단 펄스 레이저를 발생시키는 단계;
    상기 레이저를 분할하는 단계;
    분할된 상기 레이저를 길이가 서로 다른 경로로 진행시키는 단계;
    분할된 상기 레이저의 경로를 병합하는 단계; 및
    시간차를 갖는 상기 레이저를 공작물로 조사하여 가공하는 단계;
    를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 방법.
  13. 제 12항에서 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저 가공 방법은 마스크를 이용하여 상기 레이저의 에너지 편차를 감소시키는 단계를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 방법.
  14. 제 12항에서 있어서,
    상기 극초단 펄스 레이저 가공 방법은 분할된 일부 레이저의 편광을 변화시키는 단계를 포함하는 극초단 펄스 레이저 가공 방법.
  15. 제 12항에서 있어서,
    상기 분할된 상기 레이저를 길이가 서로 다른 경로로 진행시키는 단계에 있어서, 분할된 상기 레이저는 분할된 상기 레이저를 반사시키는 반사부재가 설치된 이송 스테이지의 이동에 의하여 경로가 변화되는 극초단 펄스 레이저 가공 방법.
KR1020060035683A 2006-04-20 2006-04-20 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법 KR100787236B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060035683A KR100787236B1 (ko) 2006-04-20 2006-04-20 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060035683A KR100787236B1 (ko) 2006-04-20 2006-04-20 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070103842A true KR20070103842A (ko) 2007-10-25
KR100787236B1 KR100787236B1 (ko) 2007-12-21

Family

ID=38818050

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060035683A KR100787236B1 (ko) 2006-04-20 2006-04-20 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100787236B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102379974B1 (ko) * 2021-02-24 2022-03-29 한국광기술원 고형색소 펄스 레이저 장치 및 그 제어 방법
WO2023158265A1 (ko) * 2022-02-17 2023-08-24 한국광기술원 틸팅미러를 사용하는 레이저 시스템 및 그 제어 방법
WO2023158260A1 (ko) * 2022-02-17 2023-08-24 한국광기술원 듀얼파장 레이저 시스템 및 그 제어 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1080786A (ja) 1996-09-05 1998-03-31 Mitsubishi Chem Corp ビーム分割装置およびこれを用いたレーザテキスチャ装置
JPH1174216A (ja) 1997-08-29 1999-03-16 Japan Steel Works Ltd:The パルス光照射方法およびパルス光照射装置
JP2001296503A (ja) 2000-04-13 2001-10-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd スペックル低減装置
JP3942585B2 (ja) 2003-11-28 2007-07-11 住友重機械工業株式会社 レーザ加工方法及び装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102379974B1 (ko) * 2021-02-24 2022-03-29 한국광기술원 고형색소 펄스 레이저 장치 및 그 제어 방법
WO2023158265A1 (ko) * 2022-02-17 2023-08-24 한국광기술원 틸팅미러를 사용하는 레이저 시스템 및 그 제어 방법
WO2023158260A1 (ko) * 2022-02-17 2023-08-24 한국광기술원 듀얼파장 레이저 시스템 및 그 제어 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR100787236B1 (ko) 2007-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6951627B2 (en) Method of drilling holes with precision laser micromachining
US9774160B2 (en) Femtosecond laser processing system with process parameters controls and feedback
EP2465634B1 (en) Laser machining device and laser machining method
US6727462B2 (en) Laser machining device
US11872655B2 (en) Laser processing device
KR20230020532A (ko) 가공 광학계, 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법
KR101425492B1 (ko) 레이저 가공 장치 및 방법
KR20160127462A (ko) 레이저 가공장치 및 그 가공방법
Allegre et al. Real-time control of polarisation in ultra-short-pulse laser micro-machining
JP4610201B2 (ja) レーザ照射装置
KR100787236B1 (ko) 극초단 펄스 레이저 가공 장치 및 방법
KR20230066080A (ko) 공작물 분리 방법
WO2012090520A1 (ja) レーザ加工装置およびレーザ加工方法
US11780028B2 (en) Method for separating a workpiece
US6903824B2 (en) Laser sensitometer
JP5046778B2 (ja) 多結晶膜の製造方法及びレーザ加工装置
KR101421091B1 (ko) 극초단파 펄스 레이저를 이용한 미세패턴 가공장치 및 미세패턴 가공방법
KR102050765B1 (ko) 3차원 고속 정밀 레이저 가공 장치
JP2010023100A (ja) レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法
KR20190071729A (ko) 레이저 가공 장치 및 동작 확인 방법
JP2012135807A (ja) レーザ加工装置およびレーザ加工方法
JPH04322892A (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工方法
Pongratz et al. Beam Shaping the Direct Laser Interference Patterning Spot
JPH0394986A (ja) 金属表面のレーザ加工方法及び装置
JP2005037648A (ja) レーザーパターニング方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121105

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130904

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140917

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150909

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161212

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171212

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181205

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191210

Year of fee payment: 13