KR20080108219A - Ｙａｇ 레이저, 파이버 레이저용 렌즈 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

YAG 레이저, 파이버 레이저의 빔을 굴절 집광시키는 렌즈로는 유리 렌즈나 석영 렌즈가 이용되고 있다. 이들 재료의 렌즈는 1장의 렌즈로 특정 기능을 실행시키는 경우 전후의 만곡면을 적절히 부여할 수 없는 경우가 있다. 유리, 석영 렌즈에서는 수차가 크게 나오는 경우도 있다. 1장의 fθ 렌즈로 하는 경우, YAG, 파이버 레이저의 원형 단면의 빔을 주사하여 렌즈에 부여한 경우 주변부로 굴절되는 빔은 단면이 타원형으로 변형되는 경우가 있다. 해결 수단으로서 ZnSe를 재료로 하여 렌즈를 제작한다. ZnSe는 유리나 석영보다 굴절률이 1 정도 높기 때문에 렌즈 전후의 만곡면의 곡률을 작게 할 수 있어 수차를 작게 할 수 있다. fθ 렌즈로 하는 경우 주변부로 굴절된 빔 단면의 타원화를 저감할 수 있다.

Description

ＹＡＧ 레이저, 파이버 레이저용 렌즈 및 레이저 가공 장치{YAG LASER, LENS FOR FIBER LASER AND LASER PROCESSING SYSTEM}

본 발명은 YAG 레이저 또는 파이버(fiber) 레이저용 렌즈 및 이를 이용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다. YAG 레이저의 파장은 1.06 ㎛이며 근적외광이다. 파이버 레이저의 파장은 0.9 ㎛, 1.06 ㎛, 1.11 ㎛ 등의 것이 있다. 그 외의 것도 있으나 파이버 레이저의 파장은 0.8 ㎛∼1.2 ㎛의 근적외광이다. YAG 레이저, 파이버 레이저의 광학계로서는, 통상의 광학 유리(크라운 유리, 플린트 유리)의 렌즈나 석영 렌즈를 이용할 수 있다. 광학 유리로의 흡수는 작으며 투과율은 100％에 가깝다. YAG, 파이버 레이저 빔을 집광하고 피처리물에 집광하여 피처리물을 가공하는 경우, 2장∼5장 세트의 광학 유리나 석영으로 이루어지는 렌즈 세트가 이용된다.

일본 특허 공개 제2003-164985호는 YAG 레이저의 빛을 광 파이버로 유도하여 유리제 렌즈를 통해 평행광으로 되게 하고, ZnSe제 회절형 광학 부품(DOE)에 의해 회절시켜 원하는 형상의 복수개의 빔으로 분할 정형하고 유리제 렌즈로 모아서 대상물인 투명·불투명 수지에 조사하여, 불투명 수지를 순식간에 용융하여 투명 수지와 접착하도록 하고 있다. 앞뒤에 있는 유리제 렌즈는, 파이버로 유도된 YAG의 빛을 평행 빔으로 되게 하고, 회절형 광학 부품에 넣어 분할 빔을 집광하여 대상물에 조사하는 것이다. 회절형 광학 부품은 종횡으로 분할되어 두께가 다른 화소를 가지며, 1개의 평행 입사 빔을 다수개의 빔으로 하는 것이다. 갈바노 미러(galvano mirror)와 같이 기계적으로 진동하여 빔을 전후좌우로 움직이는 것이 아니다. 정적으로 빔을 분할하고 동시에 다수의 점에 강한 빔을 조사할 수 있도록 하고 있다. 빔을 분할하는 광학 부품은 ZnSe의 회절형 광학 부품으로 되어 있다. 이곳에서 발열하기 때문에 냉각 기구를 설치하여 ZnSe를 냉각하고 있다. 경화시켜야할 수지(대상물)는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등이다. 회절형 광학 부품에 의해 만들어진 빔의 단면은 띠 형상, 원환 형상, 사변형 고리, 격자점 형상 등이 된다. 이는 대상물인 수지의 분포에 따라 변한다. ZnSe를 냉각수 등으로 냉각하는 것은 이곳에서 YAG 광의 흡수가 있어 발열하기 때문이다.

일본 특허 공개 제2003-232993호는 인공 위성에 탑재하는 카메라의 결상 렌즈군, 필드 렌즈군, 릴레이 렌즈군으로 이루어지는 광학계에 있어서 수차를 없애기 위해 굴절률이 다른 4종류의 렌즈를 조합하고 있다. 수차에는 구면 수차, 비점 수차, 코마 수차, 상면 만곡, 왜곡 수차 등이 있으며, 이들 수차를 없애기 위해서는 굴절률이 다른 렌즈를 여러 장 조합할 필요가 있다. 그래서 일본 특허 공개 제2003-232993호는 SLAH65, 석영, ZnSe, ZnS와 같이 굴절률이 다른 4종류 재료의 렌즈를 8장 조합하여 인공 위성용 카메라의 광학계로 하고 있다. 우주로부터의 적외광을 수광하는 것이며, 주로 1 ㎛대의 근적외 파장(980 ㎚∼1020 ㎚)의 빛을 받아 정확한 상을 상면에 연결하도록 하는 것이다. 레이저용이 아니다.

일본 특허 공개 제2001-051191호는 파장 10.6 ㎛의 탄산 가스 레이저의 강한 펄스광을 갈바노미터(galvanometer) 등으로 이차원 주사하고 이를 모아 피처리물에 조사하여 등간격으로 다수의 구멍을 천공하는데 적합한 fθ 렌즈를 제공하는 것이다. 탄산 가스 레이저의 파장 10.6 ㎛의 강한 빛을 통과시켜야 하기 때문에 렌즈 재료는 ZnSe나 Ge이다. 물계측에 볼록한 정 렌즈(positive lens)로 이루어지는 제1군, 물계측에 오목한 부 렌즈(negative lens)로 이루어지는 제2군, 정 렌즈만 혹은 정/부 렌즈, 혹은 정/정 렌즈의 조합으로 전체로서 정의 굴절률을 가지는 제3군으로 이루어지며, 전체의 초점 거리를 f, 전측 초점으로부터 후측 초점까지의 거리를 d로 하여, -2.2

f₂/f

-0.3, 0.4

f₃/f

0.9, 1.8

d/f

2.4로 하고 있다.

YAG 레이저, 파이버 레이저의 빛을 집광하기 위해 광학 유리 렌즈나 석영이 이용되고 있다. 이는 오랜 사용경험을 가지며, YAG의 1.06 ㎛, 파이버 레이저의 0.80 ㎛∼1.20 ㎛에 적합한 렌즈이다. 렌즈의 제조 방법, 연마 방법도 잘 발달되어 있다. 재료 비용도 낮아 유용하다. 수차를 억제하기 위해 복수 장의 렌즈를 조합하는 경우라도 한 장당 재료 비용이 낮기 때문에 복합 렌즈로 해도 비용이 그다지 상승하지 않는다.

유리 렌즈(크라운 유리, 플린트 유리 등)는 용융시켜서 틀에 넣어 적당한 형상으로 만들 수 있다. 이를 연마하여 적당한 면으로 다듬질하는데 비용면에서 우수하며 또 흡수도 거의 없다. 비용을 고려하면 복수 장의 렌즈를 조합한 조합 렌즈의 경우, 광학 유리 렌즈가 YAG 레이저, 파이버 레이저에 적합하다. 석영도 YAG, 파이버 레이저 렌즈로서 사용된 적이 있다.

그러나 석영이나 광학 유리는 굴절률이 낮다는 결점이 있다. YAG의 1.06 ㎛나 파이버 레이저의 0.80 ㎛∼1.20 ㎛에 대하여, 광학 유리는 굴절률 n=1.4∼1.6 정도이다. 굴절률이 낮기 때문에 집광 직경이 왜곡되어 비대해지는 경우가 있다. 굴절률이 낮은 렌즈일수록 동일한 집광 성능을 가지기 위해서는 요철을 보다 크게 할 필요가 있다. 즉 렌즈면의 곡률을 높여야 한다.

특히 스캔 광학계에 이용하는 렌즈에서 렌즈 수가 적은 경우, 굴절률이 낮으면 영역의 외측에서 집광 성능이 나빠지는 경우가 있다. 스캔 광학계라는 것은 왕복 요동하는 갈바노 미러나 회전하는 각주(角柱) 미러로 빔을 전후좌우로 주사하는 광학계를 말한다. 빔을 갈바노 미러로 반사하여 좌우로 주사하면, 렌즈의 중앙부뿐만 아니라 주변부에도 빔이 통과하게 된다. 중앙부를 통과하는 빔은 원형으로 잘 집광되지만, 주변부를 통과하는 빔은 타원 형상으로 퍼져 버린다. 이는 좋지 않다.

렌즈의 매수를 많게 하면 그와 같은 빔 형상의 변형을 방지할 수 있다. 렌즈 매수를 늘림으로써 여러 가지 수차를 없앨 수 있다. 상술한 일본 특허 공개 제2003-232993호도, 8∼9장의 렌즈를 조합하여 수차가 적으며 결상 성능이 우수한 굴절 광학계를 구성하고 있다. 인공 위성에 탑재하는 카메라의 경우는, 비용을 저감할 필요가 없기 때문에 렌즈 수가 많아도 지장이 없다. 그러나 일반용 기기의 경우, 저비용의 요구가 강한 경우도 있다.

탄산 가스 레이저용의 fθ 렌즈는 상술한 일본 특허 공개 제2001-051191호와 같이, 2장 이상의 렌즈를 조합하여 수차가 적은 광학계를 만드는 것이 좋다. 수차가 큰 것으로는 전면에 걸쳐 균일한 가공을 할 수 없다.

본 발명의 YAG, 파이버 레이저용 렌즈는 ZnSe를 이용한 렌즈이다. ZnSe로 이루어지는 1장 혹은 2장∼5장 정도로 적은 수의 렌즈이다. 복수매로 이루어지는 경우는 그 중의 1장 이상에 ZnSe를 사용하는 경우도 있지만, 1장의 fθ 렌즈 등에 적합하다. 유리보다 굴절률이 높기 때문에 만곡을 적게 할 수 있다. 이 때문에 수차를 억제할 수 있다. 적은 수의 렌즈로 원하는 효과를 올릴 수 있다. 1장의 fθ 렌즈로 하는 경우는 전면(前面) 오목면의 곡률을 크게 할 수 있으며, 상면(像面)에 조사한 빔 스폿의 파워 분포가 타원화되는 것을 방지할 수 있다. 1장만으로도 성능이 좋은 fθ 렌즈를 제공할 수 있다.

본 발명은, YAG 레이저의 1.06 ㎛, 파이버 레이저의 0.80 ㎛∼1.20 ㎛의 파장의 빔을 집광하는데 광학 유리(플린트 유리, 크라운 유리) 렌즈, 석영 렌즈가 아니라, ZnSe 렌즈를 이용하고 있다. ZnSe는 굴절률이 유리보다 1 정도 높기 때문에 굴절 능력이 좋다. 굴절률이 높기 때문에 동일한 초점 거리를 갖는 경우라도 곡률을 작게 할 수 있다. 도 10은, 동일한 초점 거리를 가진 렌즈의 전면 곡률 1/R₁(볼록한 경우를 정으로 한다)과 후면의 곡률 1/R₂(볼록한 경우를 정으로 한다)의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 실선은 석영 렌즈의 경우를 나타낸다. 전면(제1면), 후면(제2면)의 곡률이 모두 크다. 파선은 ZnSe 렌즈의 경우이다. 전면, 후면 모두 곡률이 작다. 곡률이 작다는 것은 곡률 반경이 크다는 것으로 제작이 용이하다.

곡률이 작으면 렌즈 제작이 용이하다. 또 수차가 작아진다. 이 때문에 1장의 렌즈 혹은 단순한 조합의 렌즈여도, 주변부에서의 빔 왜곡을 줄일 수 있다. 통상의 유리나 석영제 렌즈 1장의 경우에는 곡률이 크기 때문에 수차가 크게 된다. 1장의 렌즈의 경우, ZnSe 렌즈로 하면 유리 렌즈보다도 주변부에서의 빔 왜곡을 1/2∼1/4 정도로 할 수 있다. 렌즈의 주변부도 이용하는 주사계 렌즈나, 회절형 광학 부품을 사용하는 분기 빔계 렌즈로서, ZnSe를 재료로 하는 렌즈가 최적이다.

흡수가 염려된다. 그러나 ZnSe는 YAG 레이저의 1.06 ㎛, 파이버 레이저의 0.80 ㎛∼1.20 ㎛의 파장에 대해서 거의 흡수가 없으며 유리 렌즈와 거의 같다.

ZnSe는 광학 유리보다 고가이기 때문에 재료 비용은 오르지만, 지금까지 2장∼4장의 유리 렌즈의 조합이었던 것과 동등한 것을 1장의 렌즈로 구성할 수도 있다. 마운트를 포함하면 비용상 장점이 있는 경우가 많다. 동일한 1장의 렌즈라면, ZnSe가 주변부에서의 빔의 왜곡이 작아 유용하다.

도 1은 YAG 레이저 빔을 2개의 갈바노 미러(G)로 주사하여 1장 fθ 렌즈에 의해 상면에 집광하는 광학계의 개략적인 구성도이다.

도 2는 1장의 fθ 렌즈(N)로서 석영 유리 렌즈와 ZnSe 렌즈를 이용했을 때의 상면(I)에서의 중앙부, 주변부에서의 빔 스폿의 강도 분포를 도시한 도면이다. 상 면에서, 15 ㎜, 30 ㎜, 45 ㎜, 60 ㎜, 75 ㎜각(角; square)의 정방형 영역을 상정하여 그 최외(가장 바깥쪽) 코너에서의 빔 파워 분포를 등고선으로 나타낸다.

도 3은 1장의 렌즈인 fθ 렌즈(N)의 집광 작용을 설명하기 위하여, 빔 요동점인 갈바노 미러(광원점)(G), fθ 렌즈(N), 상면(I)에서의 빔 경로를 도시하는 광학계 설명도이다.

도 4는 1장의 렌즈인 fθ 렌즈(N)에 있어서, 근축 광선은 초점 거리가 길어서 상면(I)에 집광되지만, 원축 광선은 초점 거리가 짧기 때문에 상면(I)보다 렌즈측에서 집광되어 수차가 없는 경우보다 중심쪽에 결상되기 때문에 fθ성을 갖도록 할 수 있다는 것을 설명하기 위한, 갈바노 미러(광원점)(G), fθ 렌즈(N), 상면(I)에서의 빔 경로를 도시하는 광학계 설명도이다.

도 5는 1장의 렌즈인 fθ 렌즈(N)에 있어서, 원축 광선은 렌즈의 전면(R1)으로 비스듬히 입사하고 이것이 상점(像点)으로부터 출발하는 것으로 상정되는 빔에 의해 상면(I)에 투영되기 때문에 원축 광선이 상면(I)에서는 반경 방향으로 신장되는 타원이 되는 것을 설명하기 위한, 광원점(G), fθ 렌즈(N), 상면(I)에서의 광선의 사시도이다.

도 6은 1장의 렌즈인 fθ 렌즈(N)에 있어서, 렌즈 전면의 곡률 반경(R1)이 광원·렌즈간 거리(a)보다 훨씬 길기 때문에, 광원점(G)으로부터의 평행 원단면 빔은 렌즈 전면(R1)으로 비스듬히 입사하여 렌즈면에 타원 단면을 형성하고, 이것이 상점(H)으로부터의 직원통형의 빔이 되어 렌즈로 모여져서 상면(I)에 타원 단면의 스폿이 되는 것을 설명하기 위한 광학계 구성도이다.

도 7은 광원점(G)으로부터 평행 원통형 단면의 빔(S_G)이 나와서 렌즈 전면점 (E)에서 타원 단면의 빔(S_E)이 되고, 상점(H)으로부터의 빔이 타원(S_H) 단면으로서 렌즈에서 축소되어 타원 단면의 스폿 빔(S_JL)이 되는, 원통 빔 단면의 변화를 설명하기 위한 빔 단면도이다.

도 8은 1장의 fθ 렌즈(N)를 석영 렌즈와 ZnSe 렌즈로 제작하는 경우 빔 단면의 타원 왜곡을 방지하기 위해 전면을 깊은 오목형으로 하고 싶지만 석영 렌즈로는 이것이 어렵고 ZnSe 렌즈로는 용이하게 깊은 오목형으로 할 수 있다는 것을 설명하기 위한 렌즈 단면도이다. 도 8의 (1)은 석영 렌즈, 도 8의 (2)는 ZnSe 렌즈의 단면이다.

도 9는 양볼록 렌즈의 경우에 있어서 동일한 초점 거리(f)를 가지기 위한 석영 렌즈와 ZnSe 렌즈의 단면을 도시한 도면이다. 석영 렌즈는 중앙부가 보다 볼록하게 비대해져 있다. ZnSe 렌즈는 중앙부의 볼록한 정도가 작다.

도 10은 볼록 형상을 정으로 하며 렌즈의 전면과 후면의 곡률 반경을 R₁, R₂로 하고, 초점 거리를 동일하게 한 경우에 전후면 곡률 1/R₁, 1/R₂이 만족해야 할 값을 나타내는 그래프이다. 석영 렌즈는 ZnSe 렌즈보다 곡률의 합계가 3배 이상이며 조형이 어렵다는 것을 알 수 있다.

도 11은 탄산 가스 레이저의 10.6 ㎛의 빛과, YAG 레이저의 1.06 ㎛의 빛을 믹싱 필터로 동일 광축 상에 중첩시키고, ZnSe의 렌즈에 의해 탄산 가스 레이저, YAG 레이저 빔을 모아서 대상물에 조사하여 절단 및 용접 모두를 행할 수 있도록 한 레이저 가공 장치의 구성도이다.

이하 YAG 레이저에 사용하는 렌즈의 경우에 대해서 설명한다. 파이버 레이저에도 동일하게 적용할 수 있다. 1장의 볼록 렌즈를 사용하여 근사적으로 fθ 렌즈로 할 수 있다. 이는, 일본 특허 공개 제2001-051191호에 소개된 것과 같은 3∼5장의 렌즈를 이용한 것과는 달리, 여러 가지 수차를 없앨 수 없다. 그러나 fθ 렌즈로서의 기능은 있기 때문에 저비용의 fθ 렌즈로 할 수 있다. 어떻게 배치할 경우에 fθ 렌즈가 되는지에 대해 우선 설명한다. 도 1은 실시예의 구조를 나타내기 때문에 나중에 설명하겠지만 여기서도 간단히 설명한다. YAG 레이저 빔은 콜리메이터(도시하지 않음) 등에 의해 직경이 넓은 평행 빔으로 정형된다. 평행 빔은 제1 갈바노 미러(M₁)로 y방향 주사되고, 제2 갈바노 미러(M₂)로 x방향 주사된다. 주사 빔은 마운트(MT)에 지지된 렌즈(N)에 의해 집광되어 상면(I)의 어느 점(J)에 조사된다. xy방향으로 주사되기 때문에 J점은 전후좌우로 이동한다. 펄스 레이저이기 때문에 이격 조사점이 된다.

이하에서는 수식을 포함하여, 다소 대담한 가정이나 근사를 하여 비교가 분명해지도록 설명한다. 이론적이지 않은 점도 있을 것으로 사료되나, 이미지화하여 이해하기 위한 것으로 생각해 주기 바란다.

fθ 렌즈는 제2 갈바노 미러(M₂) 이후부터 문제가 된다. 이 어느 점을 이하 G라고 한다. 도 3은 갈바노 미러(G), 볼록 렌즈(N), 상면(I)으로 이루어지는 fθ 렌즈 광학계의 약도이다. 갈바노 미러(G), 렌즈(N)의 중심(K), 상면(I) 의 중심(O)이 z축 방향으로 일직선상으로 늘어서 있다. 광축은 GKO에 의해 표현할 수 있다. 갈바노 미러(G)가 2개 있고 y방향, x방향으로 요동하도록 되어 있는 경우에는, 여기서 뒤쪽의 갈바노 미러(M₂)만을 고려하면 된다. 그 갈바노 미러의 요동 중심이 G이다. 렌즈(N)와 상면(I) 간의 거리가 f이다. 평행한 레이저 빔이 갈바노 미러(G)에 의해 θ의 방향으로 반사되었다고 한다. 그 빔이 GE이다.

그러므로 ∠EGK=θ이다. 이것이 렌즈(N)에서 굴절하여 상면(I)의 J점에 닿는다. 렌즈 중심(K)으로부터 조사점(J)에 그은 직선(KJ)이 광축(KO)과 각도(θ)를 이룬다. ∠JKO=θ이다. 렌즈 중심(K)과 상면 중심(O)의 거리가 초점 거리(f)이다. OJ=ftanθ이다.

렌즈 중심(K)으로부터 갈바노 미러(G)까지의 거리를 a로 한다. 광원점(G(a))은 전 초점보다 렌즈 쪽에 있다. 그에 대한 상의 위치를 H점이라고 한다. 간단히 상점(H)이라 부른다. 상면(I)과 상점(H)은 전혀 다르다. 혼동하여서는 안 된다. 이는 광원점(G)보다 렌즈(K)로부터 뒤쪽으로 떨어진 위치로 할 수 있다. 상점(H)의 렌즈 중심(K)으로부터의 거리를 b로 한다. 직관적으로 알기 쉬우므로 b는 정의 값을 취하기로 한다.

G로부터 나온 빛이 렌즈(N)에서 굴절되어 상면(I)의 J점에 도달한다. OJ=x=ftanθ이다. 상점(H)에 생기는 것은 정립 허상이다. H점으로부터 직선의 빔 HEJ가 나오는 것처럼 보인다. 삼각형 HKJ에 있어서 GE와 KJ는 평행하다. 삼각형 HJO에 있어서 EK와 JO는 평행하다.

a:b=GK:HK=EJ:HJ=KO:HO=f:(f+b) (1)

이 된다. 이로부터

bf=a(f+b) (2)

가 되지만, 전체를 abf로 나누어,

1/a-1/b=1/f (3)

가 된다. 이는 두께가 얇은 렌즈의 광원·렌즈·상의 거리(a, b)와 초점 거리(f)의 관계와 같다. KO=f로 두고 있기 때문에 평행 빔을 상면에서 수렴시킬 수 있다. 이와 같이 전 초점보다도 광원을 렌즈측으로 하고(a＜f), 렌즈의 앞쪽, 광원보다 앞에 허상(b＞a)을 만드는 배치를 취하면, 평행 빔을 전후좌우로 움직여 상면(I)에 수렴시킬 수 있다. 그러나 그렇게 하면 ftanθ 렌즈가 될 뿐이다. 그래도 갈바노 미러(G)의 운동을 적당히 제어함으로써 상면에 등간격으로 빔 스폿을 닿게 할 수 있다. 갈바노 미러(G)의 운동이 등각 속도인 경우, 상면(I)에 등간격으로 스폿을 그리기 위해서는 역시 ftanθ로는 불가능하고 fθ 렌즈로 해야 한다.

복수매의 조합 렌즈이면 fθ성을 부여하기 쉽다. 1장 렌즈라도 비구면으로 하면 어떻게든 이는 가능하다. 그러나 비구면은 비용이 높아진다. 여기서는 비구면으로 하지 않고 구면 렌즈로 가능한 한 fθ에 가깝게 하는 것을 생각한다. 두께가 얇은 렌즈의 공식(3)은 근축 광선에 대해서 성립하는 근사이며, 원축 광선에서는 벗어난다. 원축 광선은 렌즈에서 강하게 굴절되기 때문에 집광점도 렌즈측에 근접한다.

도 4에 도시한 바와 같이 광축과 θ₁을 이루는 근축 광선(GE₁)은 상면(I)의 점(J₁)에 수렴한다고 해도, 광축과 θ₂를 이루는 원축 광선(GE₂J₂)은 그보다 가까운 Q₂점에서 수렴한다. 즉 초점 거리가 실효적으로 짧아진다. ∠P₂KO=θ₂이기 때문에, OP₂=ftanθ₂이다. 만약 초점 거리의 단축화가 없다면 원축 광선은 ∠P₂KO=θ₂인 P₂점에 이르게 될 것이다. 그러나 초점 거리의 단축화가 발생하기 때문에, 원축 광선은 GE₂Q₂라는 경로를 거쳐 Q₂점에서 집광한다. 그러므로 상면(I)에서의 조사점은 J₂가 되며 P₂보다 중심(O)에 가깝다. 그러므로 입사점의 중심으로부터의 거리(OJ₂)는 ftanθ보다도 fθ에 가까워진다. 이것이 1장의 구면 렌즈라도 근사적으로 fθ 렌즈로 할 수 있는 이유이다. 그중에서도 fθ 렌즈에 가깝게 하기 위해서는 요동점(G)과 렌즈 중심(K)의 거리(a)를 적당히 결정할 필요가 있다.

상면(I)은 수렴점(Q₂)보다 앞쪽이 되기 때문에 발산의 시초가 된다. 이와 같이 근축 광선의 집광점(가우스 상면)은 멀고, 원축 광선의 집광점은 가깝다. 초점 거리(f)는 근축 광선의 집광점이라고 하기보다, 실제로는 중간인 거리에 상면(I)을 두도록 하는 경우도 있다. 그 경우 KO는 평균적인 초점 거리 <f>가 된다.

본 발명은 1장의 렌즈로 YAG 레이저 광학계를 구성하는 경우, 석영보다도 ZnSe 렌즈 쪽이 왜곡이 적고 우수하다는 것을 주장한다. 1장의 fθ 렌즈의 경우 스폿 간격은 fθ성을 만족하더라도, 조사점에서의 원축 광선의 빔 단면이 타원형으 로 왜곡된다는 문제가 있다.

도 5에 의해 원축 광선의 상면(I)에서의 투영이 타원으로 왜곡되는 이유를 설명한다. 이는 도 3, 4의 광학계를 사시도로 하여 빔 단면을 알기 쉽게 나타낸다. 렌즈 중심(K)과 상면 중심(O)은 더 떨어져 있지만 빔 형상을 알기 쉽게 하기 위해 가깝게 그리고 있다. 갈바노 미러(G)에서는 원형 단면의 평행 빔(S_G)이다. 도 7의 (1)에 S_G빔 단면을 도시한다. 평행 원형 단면 빔이 각도(θ)를 이루어 비스듬히 렌즈(N)에 입사한다. 렌즈(N)의 전면에 비직각 입사한다. 렌즈 전면(곡률 반경(R₁))과의 이루는 각이 90도가 아니기 때문에, 반경 방향으로 신장된 타원(S_E)이 된다. 도 7의 (2)에 S_E의 단면을 도시한다.

상점이 H이기 때문에 H로부터 광선이 신장되어 와서 S_E를 투사하는데, 이것이 S_H가 된다. 단면 S_H는 도 7의 (3)에 도시한다. 이 단면으로 빔이 수렴된다. 상면에서는 S_JS가 된다. 이것은 작기 때문에 알기 어렵지만, 렌즈의 작용은 축소 작용이므로, 상점(H)으로부터 신장된 타원통과 상면(I)의 교선으로 결정되는 타원(S_JL)과 서로 닮은 형상이 될 것이다. 확대형 S_JL을 도 7의 (4)에 도시한다. 이것이 보다 이심률이 큰 타원이 되는 것은 상점(H)으로부터의 빔과 상면(I)이 이루는 각도가 직각에서 벗어나 있기 때문이다.

도 5로부터, 원축 광선의 상면(I)에서의 타원화는, G점으로부터의 빔(GE)과 렌즈(N)의 전면(제1면: 곡률 반경(R₁))이 이루는 각도가 직각에서 크게 벗어나 있는 것이 원인이 되어 발생하는 것을 알 수 있다. 그 외의 원인도 있지만, GE와 제1면(R₁)이 비스듬히 교차하는 것이 가장 큰 원인이다. 렌즈 입사점에 세운 법선과 입사선의 차이가 있기(렌즈에서의 입사각 γ는 0이 아니다) 때문에, S_E가 타원이 된다.

렌즈면에서의 입사각(법선과 입사선의 각도)을 γ라고 하면 렌즈면(R₁)에 있어서 반경 방향으로 1/cosγ의 비율로 신장된다. 원주 방향으로는 불변이므로 타원이 된다. 이 말은 입사각(γ)을 0에 가깝게 하면 타원화를 방지할 수 있다는 것이다. GK=a(광원·렌즈 거리)이며, 제1면의 곡률 반경은 R₁이다. 이는 오목면인 경우를 정으로 하고 있다. 렌즈면에 있어서 입사점의 중심으로부터의 거리을 h로 한다(h=KE). γ는 근사식으로

γ=(h/a)-(h/R₁) (4)

와 같이 표현할 수 있다. 만약 R₁=a이면 GE선과 렌즈 제1면은 직교하여 γ=0이 된다. 그 경우 S_E는 원이 된다.

그러나 a는 매우 작은 거리이며 R₁=a가 되는 것과 같은 현저한 곡률의 렌즈를 만들 수 없다. 반드시 R₁＞a가 된다.

R₁을 a에 가능한 한 가깝게 함으로써 원축 광선(h가 크다)의 타원 왜곡을 경 감할 수 있다. 렌즈(N)의 제1면을 깊은 오목면으로 함으로써 R₁→a로 하여 타원 왜곡의 문제를 저감할 수 있다.

그런데 원하는 초점 거리(f)가 처음에 주어진다. 근사이지만 초점 거리(f), 굴절률(n), 렌즈의 전후 곡률 반경(R₁, R₂) 사이에

(1/R₂)-(1/R₁)=1/(n-1)f (5)

와 같은 관계가 있다. R₁, R₂는 전후면의 곡률 반경, (1/R₁), (1/R₂)은 전후면의 곡률이다. R₁은 오목을 R₂는 볼록을 정으로 하고 있기 때문에 (5)의 부호가 다르다. (5)의 우변은 굴절률(n)에서 1을 뺀 것에 반비례한다. 석영의 경우 (n-1)은 대체로 0.45이며 (5)의 우변이 2.2/f가 되어 커진다. R₁을 작게 하고 싶지만, 그러면 (1/R₁)이 커진다. (1/R₂)이 그 때문에 현저히 커지는 것이다. 렌즈 후면의 곡률(1/R₂)을 크게 하는 것은 비대한 렌즈로 하는 것이다. 제작은 어렵지만 어느 정도의 것은 할 수 있다. 그러나 이에도 한계가 있다.

그런데 ZnSe를 렌즈로 하면, (n-1)은 대체로 1.5이며, (5)의 우변이 0.66/f 정도가 되어 작다. 약 1/3이다. 그러므로 1/R₁을 크게 하더라도 1/R₂을 그다지 크게 하지 않아도 된다는 것이다. 그와 같이 1/R₁, 1/R₂ 모두가 큰 것을 용이하게 만들 수 있다.

도 8의 (1), (2)에 동일한 초점 거리(f)를 가진 석영 렌즈와 ZnSe 렌즈의 단 면을 도시한다. 제1면(R₁)은 오목면으로 하고 있다. 석영 렌즈의 경우 제2면이 큰 곡률(1/R₂)을 가지고 있으며 비대한 형상의 렌즈로 되어 있다. 그에 비해서 ZnSe는 제1면을 상당히 큰 곡률의 오목면으로 할 수 있고, 게다가 제2면의 곡률도 그다지 크게 하지 않아도 된다는 이점이 있다.

이와 같이 1/R₂의 제한이 있기 때문에, 석영의 경우 제1면의 곡률(1/R₁)을 크게 할 수 없지만, ZnSe에서는 1/R₁을 크게 할 수 있다. 이것이 원축 광선의 왜곡을 감소시킬 수 있는 것이다.

이상 설명한 것은 1장의 fθ 렌즈의 경우이다. 그러나 이에 한정되지 않으며, ZnSe는 석영이나 유리에 비해서 전후면의 곡률(1/R₁, 1/R₂)을 낮게 할 수 있기 때문에 제조가 용이하고, 수차도 작은 것이 된다.

도 9는 양볼록 렌즈의 예를 도시한다. 이것도 석영 렌즈의 경우에 보다 비대한 렌즈형으로 되어 있다. ZnSe의 경우는 양볼록의 경우라도 곡률을 보다 작게 할 수 있다. 이 경우는, 전후면의 곡률 반경을 R₁, R₂로 하고 양쪽을 볼록한 경우에 정이라고 하면, 조금 전과 동일한 정도의 근사로

(1/R₂)+(1/R₁)=1/(n-1)f (6)

이 된다. ZnSe의 경우 우변이 작기 때문에 좌변이 작아도 된다. 이 때문에 만곡이 작은 ZnSe 렌즈가 된다.

도 10은 초점 거리가 동일한 석영 렌즈와 ZnSe 렌즈의 전면 곡률(1/R₁)(볼록 을 정)과 후면 곡률(1/R₂)이 만족해야 하는 관계를 나타내는 그래프이다. 이는, 제1 상한(象限)에 45도의 직선이 가로지르고 있기 때문에 초점 거리가 정(正)인 정의 굴절력(positive refractive power)을 가지는 렌즈의 경우이다. ZnSe 쪽이 전후면 모두 곡률의 절대치를 작게 할 수 있다. 곡률이 작다는 것은 제작이 용이하다는 것이다. 또 곡률이 작으면 수차도 작다.

1장의 fθ 렌즈로 하는 경우 전면의 오목면(R₁＜0)의 곡률 반경을 작게 하고 싶으나 석영의 경우는 후면의 비대화가 현저하여 그것이 불가능하지만, ZnSe의 경우는 가능하다. 도 10을 대신해서 제3 상한을 가로지르는 2개의 그래프를 쓸 수도 있다. 이는 전체로서 오목 렌즈로 부의 굴절력(negative refractive power)을 가지는 렌즈의 경우이다. 그 경우라도 ZnSe 쪽이 곡률의 절대치가 작아서 만들기 쉽고 수차도 작다.

[실시예 1: 1장 fθ 렌즈의 예]

펄스 YAG 레이저 빔을 x축, y축의 2방향으로 요동하는 2개의 갈바노 미러(G)에 의해 주사하고 1장의 fθ 렌즈로 집광하여 상면(I)에 스폿 형상으로 조사하였다. 그리고 중앙부나 주변부에서의 스폿 빔의 파워 분포를 조사하였다. YAG 레이저 빔은 가우시안(Gaussian) 빔이며, 피크 파워의 1/e²로 감쇠하는 위치를 주연(周緣)으로 했을 때의 빔 직경은 ø5 ㎜이다. 도 1은 광학계의 개략도이다.

YAG 레이저(M1의 맞은편)의 앞쪽으로 레이저 빔을 반사해서 y방향 주사하기 위한 제1 갈바노 미러(M₁)를 설치한다. z축에 평행한 축 주위에 미러를 요동시켜 부주사(副走査)한다. M₁로부터 x방향 거리 L₁의 위치에, 레이저 빔을 더 반사하여 x방향으로 주사하기 위한 제2 갈바노 미러(M₂)를 설치한다. y축에 평행한 축 주위에 미러를 요동시켜 주주사(主走査)한다. 두번째로 반사된 빔은 평행하며 ø5 ㎜ 그대로의 빔이다. 제2 갈바노 미러(M₂)의 앞쪽(z방향) L₂의 위치에 마운트(MT)를 설치한다. 마운트(MT)에 1장 렌즈인 fθ 렌즈(N)를 설치한다.

일본 특허 공개 제2001-051191호에 대해서 설명한 바와 같이, fθ 렌즈는 4, 5, 6장이라는 수의 렌즈를 조합하여 수차를 없애도록 하는 것이 보통이다. 1장으로 fθ 렌즈를 만든다는 것은 원래 조금 무리가 있는 것이지만, 비용 저감을 위해 여기서는 1장 렌즈로 하고 있다. 재료 비용, 제작 비용 모두 삭감할 수 있으며 마운트(MT)의 구조도 간단하게 할 수 있다. 그 반면 수차가 크게 나온다.

여기서는 갈바노 미러(G)에 의해 xy방향으로 주사하기 때문에 주변부에서의 빔의 왜곡이 커진다. 주변부에서의 빔의 왜곡을 억제할 수 있도록 해야 한다.

fθ 렌즈의 z방향 앞쪽 거리 L₄의 위치에 상면(I)이 있다. 갈바노 미러(G)를 요동시킴으로써 상면(I)에 복수개의 점에 펄스 레이저를 조사하도록 한다. 표 1에 광학계, 렌즈의 파라미터를 나타낸다. 길이의 단위는 ㎜이다.

합성 석영 렌즈(N₁)와 ZnSe의 렌즈(N₂)를 이용하였다.

YAG 레이저의 빛(1.06 ㎛)에 대하여,

합성 석영의 굴절률(n₁)=1.44963

ZnSe의 굴절률(n₂)=2.48196

이다. 대체로 굴절률에 1.0 정도의 차가 있다. 1장의 fθ 렌즈이며, 수차를 억제하기 위해서 비구면으로 하는 것이 좋지만, 비용을 고려하여 비구면으로 하지 않고 구면 렌즈로 하였다. 구면 렌즈의 경우는 범용의 장치에 의해 렌즈면을 조형할 수 있기 때문에 비용을 저감할 수 있다. 여기서는 모두 요철 렌즈로 되어 있다. 표 1에 광학계의 배치, ZnSe, 석영 렌즈의 파라미터를 나타낸다.

2종류의 렌즈의 곡률 반경, 두께, 직경 등은 다음과 같다. 렌즈의 곡률 반경의 부호는, 왼쪽에 중심이 있으며 오른쪽에 원호를 그렸을 때 R을 정으로 한다. 그러므로 여기서는 R₁에 대해서는 오목면이 정이 되고, R₂에 대해서는 볼록면이 정이 된다.

합성 석영 렌즈(N₁)

입사면측 곡률 반경(R₁)=192.71 ㎜(오목면)

출사면측 곡률 반경(R₂)=50.53 ㎜(볼록면)

중심 두께(H₁)=7.2 ㎜

렌즈 직경(D₁)=40 ㎜

ZnSe 렌즈(N₂)

입사면측 곡률 반경 R₁=82.28 ㎜(오목면)

출사면측 곡률 반경 R₂=62.84 ㎜(볼록면)

중심 두께 H₂=6.4 ㎜

렌즈 직경 D₂=40 ㎜

도 8에 석영, ZnSe 렌즈의 단면을 개략적으로 도시한다. 이것은 두께 방향을 과장하여 그리고 있다. 이와 같은 광학계와 렌즈계에 의해 YAG 레이저 빔을 전후좌우로 주사한다. 이 예에서 석영 렌즈의 전면 곡률 반경과 후면 곡률 반경의 비율은 3.8배이다. ZnSe 렌즈의 전면 곡률 반경과 후면 곡률 반경의 비율은 1.3배이다. 곡률 반경의 비율은 ZnSe의 경우 2 이하로 할 수 있다. 전후 어느 한쪽이 큰 경우도 있기 때문에 전면 곡률 반경 절대치 ｜R₁｜과 후면 곡률 반경 절대치 ｜R₂｜의 비 ｜R₁｜/｜R₂｜를 0.5∼2 사이로 할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 비 ｜R₁｜/｜R₂｜를 0.7∼1.4 사이로 할 수 있다.

상면(I)에 있어서의 빔 파워 분포를 측정하고 등고선에 의해 파워를 표현한 것이 도 2이다. 중앙부나 주변부에서의 빔 파워 분포를 나타낸다. 이들은 9겹의 동심의 고리를 가지는 등고선인데 중앙의 파워 밀도를 1로 하여, 중앙으로부터 순서대로 O.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1의 파워 밀도의 점을 연결한 것이다.

합성 석영 렌즈나 ZnSe 렌즈 모두, 첫 단에 나타내는 상면 중앙부(x=0, y=0)에서의 파워 분포는 완전한 원통 대칭이다. 왜곡 없이 빔이 잘 집광되어 있는 것을 알 수 있다.

다음 단에 나타내는 것은, 상면(I)의 15 ㎜각 최외점(가장 바깥쪽 점; x=7.5 ㎜, y=-7.5 ㎜)에서의 파워 분포이다. 석영 렌즈나 ZnSe 렌즈 모두 등방적인 9겹의 동심원이 되며, 빔은 왜곡 없이 집광된다.

3단째에 나타내는 것은, 상면(I)의 30 ㎜각 최외점(x=15 ㎜, y=-15 ㎜)에서의 파워 분포이다. 석영 렌즈나 ZnSe 렌즈 모두 균일한 9겹의 동심원이 되며 왜곡은 없다.

4단째에 나타내는 것은, 상면(I)의 45 ㎜각 최외점(x=22.5 ㎜, y=-22.5 ㎜)에서의 파워 분포이다. 석영 렌즈의 경우 파워 밀도가 왜곡되어 x-y방향(우측 아래쪽 방향)으로 길어지고 있다. xy방향(우측 위쪽 방향)에 비해서 약 1.5배 신장되어 있다. ZnSe 렌즈의 경우는 거의 왜곡이 없으며, 동심의 파워 분포를 이룬다.

5단째에 나타내는 것은, 상면(I)의 60 ㎜각 최외점(x=30 ㎜, y=-30 ㎜)에서의 파워 분포이다. 석영 렌즈의 경우 파워 밀도가 왜곡되어 x-y방향으로 길어지고 있다. xy방향에 비해서 약 1.9배 신장되어 있다. 또 파워가 분산되어 있으며 등고선의 간격이 넓어지고 있다. ZnSe 렌즈도 왜곡이 나타나며 xy의 방향으로 신장되어 있다. 그러나 석영 렌즈에 비해서 파워 분포의 확대는 작다. xy(우측 위쪽)방향의 신장 및 x-y(우측 아래쪽)방향의 신장으로 비교하면 약 60％ 정도이다. 주변으로 향하는 빔에 대해서 ZnSe 렌즈의 집광성이 우수함을 알 수 있다.

6단째에 나타내는 것은, 상면(I)의 75 ㎜각 최외점(x=37.5 ㎜, y=-37.5 ㎜)에서의 파워 분포이다. 석영 렌즈의 경우, 파워 밀도가 왜곡되어 x-y방향으로 한층더 길어지고 있다. xy방향에 비해서 약 1.9배로 신장되어 있다. 또 파워가 분산되어 있으며 등고선의 간격이 넓어져 중앙에서의 파워 확대에 비해서 xy방향에서 약 2.4배, x-y방향에서 약 4.5배로 넓어지고 있다. ZnSe 렌즈도 왜곡이 나타나며 xy의 방향으로 신장되어 있다. ZnSe의 중앙부에서의 파워 확대에 비해서 xy방향에는 거의 차이가 없다. x-y방향으로는 2.5배 정도 넓어지고 있다. 그러나 석영 렌즈에 비해서 파워 분포의 확대는 작다. xy(우측 위쪽)방향의 신장으로 비교하면 45％ 정도, x-y(우측 아래쪽)방향의 신장으로 비교하면 약 53％ 정도이다. 대체로 절반의 확대이며 면적으로 하면 약 1/4의 확대이다. 특성이 개선되어 있다. 주변으로 향하는 빔에 대하여, 석영 렌즈보다 ZnSe 렌즈 쪽이 집광성에 있어서 현저히 우수함을 알 수 있다.

갈바노 미러(G)에 의해 빔을 전후좌우로 요동하는 것이므로 중앙 부분만 집광성이 좋아서는 안 된다. 주변부에서의 집광성이 좋다는 것이 중요하다. 그 점에서 ZnSe 렌즈가 석영 렌즈보다 적합하다고 하는 것이다.

이상은 1장의 fθ 렌즈를 예로 들어 설명했지만, 복수매로 이루어지는 조합 렌즈에 있어서도 그 중의 1장 이상을 ZnSe로 함으로써 특성을 향상시킬 수 있으며, 그 원인은 굴절률이 높기 때문이라는 점이 분명하다.

[실시예 2(YAG 레이저와 탄산 가스 레이저를 공용하는 광학계; 도 11)]

도 11은, ZnSe 렌즈를 공용하는 YAG 레이저와 탄산 가스 레이저를 포함하는 광학계를 도시한다. 탄산 가스 레이저의 빔축 상에 45도의 각도를 이루어 ZnSe의 믹싱 필터(8)를 설치한다. 믹싱 필터(8)의 앞쪽에는 ZnSe의 입사측이 볼록하고 출사측이 평면인 평볼록(凸平) 렌즈(9)를 설치한다. 평볼록 렌즈는 50.8 ㎜ø이며 에지 두께는 7.87 ㎜이다. 평볼록 렌즈(9)에 의한 탄산 가스 레이저 빔, YAG 레이저 빔의 상이 그 앞쪽 WD1, WD2의 거리에 생긴다. 탄산 가스 레이저와 YAG 레이저는, 연속 발진(CW)과 펄스 발진의 어느 것이어도 좋다.

믹싱 필터(8)는 45도 입사의 탄산 가스 레이저(10.6 ㎛)의 빛을 잘 통과시키며(투과율 90％ 이상), 45도 입사의 YAG 레이저(1.06 ㎛)의 빛을 잘 반사한다(반사율 90％ 이상). 믹싱 필터에 이어지는 ZnSe 렌즈(9)는 YAG(1.06 ㎛)도 탄산 가스 레이저(10.6 ㎛)도 반사 없이 잘 통과시키도록 되어 있다. 반사를 줄이기 위해 반사 방지막(AR)을 피복하고 있다. 이것은 YAG만의 반사 방지막과는 다르다. 탄산 가스 레이저만의 반사 방지막과도 다르다. YAG와 탄산 가스 레이저의 양쪽에 대한 반사 방지막이다. ZnSe 렌즈(9)의 탄산 가스 레이저 투과율은 95％ 이상, YAG 레이저 투과율은 90％ 이상이다.

ZnSe의 탄산 가스 레이저에 대한 굴절률은 n=2.403이다. YAG 레이저(1.06 ㎛)에 대한 굴절률은 n=2.4819이다. 굴절률이 다르기 때문에 탄산 가스 레이저의 상 위치(WD₁)와 YAG 레이저의 상 위치(WD₂)가 다르다. WD₁=186.8 ㎜, WD₂=176.7 ㎜이다. 이와 같이 동일한 광축 상에서 탄산 가스 레이저와 YAG 레이저의 광학계를 구성할 수 있기 때문에, 상면의 위치에 대상물을 놓고, 예컨대 한쪽의 빔을 예비 가열용으로 하는 것과 같은 절단, 용접용 장치로 할 수 있다.

지금까지 주로 YAG 레이저에 대해서 설명했지만, 파이버 레이저에도 적용할 수 있다. 파이버 레이저의 파장은 900 ㎚(0.9 ㎛), 1060 ㎚(1.06 ㎛), 1110 ㎚(1.11 ㎛) 등 800 ㎚∼1200 ㎚이며, YAG 레이저의 발진 파장과 비슷하다. ZnSe는 0.8 ㎛∼1.2 ㎛에 대한 흡수가 적으며 굴절률은 높다. 그러므로 YAG 레이저에도 파이버 레이저에도 사용할 수 있다.

실시예에 기재한 ZnSe 렌즈를 1.06 ㎛의 파이버 레이저를 광원으로 해서 사용한 결과, YAG 레이저의 경우와 동일한 특성을 나타내는 것이 확인되었다. 지금까지 YAG 레이저에 대해서 설명해온 것은 전부 0.8 ㎛∼1.2 ㎛의 파이버 레이저에도 적합하다.

Claims (5)

1. YAG 레이저의 1.06 ㎛의 파장 혹은 파이버 레이저의 0.80 ㎛∼1.20 ㎛의 파장의 빔을 굴절 집광시키기 위한 ZnSe를 재질에 포함하는 YAG 레이저, 파이버 레이저용 렌즈.
2. 제1항에 있어서, 1장의 렌즈로 이루어지고 전면이 오목형이며 후면이 볼록형인 fθ 렌즈인 것을 특징으로 하는 YAG 레이저, 파이버 레이저용 렌즈.
3. 제1항에 있어서, 전면의 곡률 반경의 절대치 ｜R₁｜과 후면의 곡률 반경의 절대치 ｜R₂｜의 비가 0.5∼2인 것을 특징으로 하는 YAG 레이저, 파이버 레이저용 렌즈.
4. 탄산 가스 레이저의 빔과 YAG 레이저의 빔을 믹싱 필터로 결합하여 동일한 광축을 따라 ZnSe 렌즈에 입사시켜 대상물에 조사하도록 한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
5. 제4항에 있어서, ZnSe 렌즈의 양면에, 탄산 가스 레이저와 YAG 레이저의 양쪽의 빛에 대한 반사 방지막을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장 치.

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