KR20100068079A

KR20100068079A - 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20100068079A
Application number: KR1020080126774A
Authority: KR
Inventors: 신현철; 이경택; 정원웅; 강태욱
Original assignee: 삼성모바일디스플레이주식회사
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-22
Also published as: EP2196833A2; US8295662B2; EP2196833A3; CN101752774A; CN101752774B; JP2010140030A; EP2196833B1; KR100982308B1; US20100150201A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는 레이저 시스템 교환시, 입력되는 레이저빔에 대하여 양 렌즈 사이의 거리 조정, 및 양 렌즈에 레이저빔 센터를 일치시키는 작업을 필요로 하지 않는 레이저 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 입력단에 연결되는 번들형 광케이블로 전송되는 레이저빔을 출력단에 연결되는 싱글형 광케이블로 전송하는 광케이블 점퍼, 및 상기 광케이블 점퍼의 후방에서 상기 싱글형 광케이블에 연결되어 레이저빔을 피사체에 조사하는 레이저건을 포함한다.

레이저빔, 번들, 믹싱, 싱글, 점퍼, 모드 스크램블러

Description

레이저 시스템 {LASER SYSTEM}

본 발명은 레이저 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 번들형 레이저빔을 모아 싱글형 레이저빔으로 전환할 때, 레이저빔의 에너지 밀도를 균일하게 하는 레이저 시스템에 관한 것이다.

레이저는 좁은 영역에 높은 에너지를 집중시킬 수 있으며, 광의 형태를 가지므로 반도체나 디스플레이의 정밀 패터닝 가공 및 실링 공정에 많이 사용되고 있다.

레이저빔은 진행에 따른 확산이 적으나, 레이저빔의 단면 모든 영역에서 에너지가 균일하게 흐르는 것은 아니다. 즉 레이저빔의 단면에서 에너지 흐름은 가우시안 분포에 따라 중앙에 집중된다.

레이저빔을 전송하는 광케이블은 번들형(bundle type)과 싱글형(single type)이 있으며, 필요 및 용도에 따라 번들형 광케이블을 싱글형 광케이블에 연결할 수 있다.

번들형 광케이블과 싱글형 광케이블을 연결하여, 번들형 레이저빔을 싱글형 레이저빔으로 전환하는 레이저빔 믹싱 장치가 사용된다. 레이저빔 믹싱 장치는 입 력되는 레이저빔을 일정한 비율로 믹싱하여 출력한다.

레이저 시스템에 레이저빔 믹싱 장치를 신규로 장착하는 경우, 레이저 시스템의 빔 특성에 따라 레이저빔 믹싱 장치를 조정하여야 한다. 예를 들면, 조정은 레이저빔 믹싱 장치의 입력단과 출력단에 구비되는 각 렌즈에 레이저빔 센터를 일치시키고, 입력단 렌즈와 출력단 렌즈 사이의 거리를 조정하는 작업을 포함한다.

그러나 레이저빔이 3차원 공간에서 진행되므로 양 렌즈 사이의 거리를 조정하면서 양 렌즈에 레이저빔 센터를 일치시키는 작업이 어렵다.

본 발명의 일 실시예는 번들형 레이저빔을 모아 싱글형 레이저빔으로 전환할 때, 레이저빔의 에너지 밀도를 균일하게 하는 레이저 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 입력단에 연결되는 번들형 광케이블로 전송되는 레이저빔을 출력단에 연결되는 싱글형 광케이블로 전송하는 광케이블 점퍼, 및 상기 광케이블 점퍼의 후방에서 상기 싱글형 광케이블에 연결되어 레이저빔을 피사체에 조사하는 레이저건을 포함할 수 있다.

상기 출력단 및 상기 레이저건의 각 NA는, 상기 레이저빔의 에너지 분포가 최대치의 기설정치% 영역에서 레이저빔 프로파일의 제1 직경과, 상기 레이저빔의 포커스 영역에서 레이저빔 프로파일의 제2 직경 차이 값을, 상기 기설정치% 영역과 포커스 영역 사이의 거리로 나눈 값으로 한정될 수 있다.

상기 NA 중, 상기 레이저건의 NA는 0보다 크고 0.25보다 작을 수 있다. 상기 레이저건의 NA는 0.05 이상이고 0.25보다 작을 수 있다. 상기 NA 중, 상기 출력단의 NA는 0.05 내지 0.15일 수 있다.

상기 광케이블 점퍼는, 경통, 및 상기 경통에 내장되는 1쌍의 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 경통은, 상기 출력단을 형성하고, 상기 1쌍의 마이크로 렌즈를 내장하는 제1 경통과, 상기 제1 경통에 나사 결합되고 상기 입력단을 형성하는 제2 경통을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 상기 광케이블 점퍼에 연결되는 상기 싱글형 광케이블의 곡률반경을 조절하여 레이저빔을 믹싱하는 모드 스크램블러를 더 포함할 수 있다.

상기 모드 스크램블러는, 상기 싱글형 광케이블에 대응하여 제공되는 플레이트, 상기 플레이트에 장착되어 상기 싱글형 광케이블의 양측을 헐겁게 잡아주는 1쌍의 클램프, 및 상기 플레이트에 장착되어 상기 1쌍의 클램프 사이의 상기 싱글형 광케이블의 곡률반경을 제어하는 곡률반경조절기구를 더 포함할 수 있다.

상기 곡률반경조절기구는, 상기 플레이트에 고정 장착되는 몸체, 및 상기 몸체에서 인입/인출 작동되고 상기 싱글형 광케이블에 연결되는 로드를 포함할 수 있 다.

상기 싱글형 광케이블은 상기 모드 스크램블러의 일측에서 감기어 적어도 1 원을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템은, 상기 레이저건의 일측에서 상기 싱글형 광케이블을 직선 상태로 유지시키는 제1 브래킷을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 브래킷은, 서로 마주하여 결합되는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 포함하며, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는, 서로의 마주하여 상기 싱글형 광케이블의 직경에 대응하는 반원형의 제1 홈과 제2 홈을 각각 형성할 수 있다.

상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 상기 싱글형 광케이블의 길이에 대응하는 직선으로 형성되고, 상기 제1 홈과 상기 제2 홈에 의하여 형성하는 원의 직경은 상기 싱글형 광케이블의 직경보다 크게 형성될 수 있다.

상기 레이저건이 장착되는 제2 브래킷은 수직 방향으로 이동하도록 가이드에 장착되고, 상기 가이드와 상기 제1 브래킷은 이동부의 일측에 고정 장착될 수 있다.

상기 제1 브래킷의 상기 레이저건 반대측 끝과 상기 레이저건에 연결되는 상기 싱글형 광케이블 끝 사이 거리는 적어도 50mm로 설정될 수 있다.

상기 기설정치%는 에너지 총량의 86.5%일 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광케이블 점퍼를 사용하여 번들형 광케이블과 싱글형 광케이블을 서로 연결하므로 입력되는 레이저빔에 대하여 양 렌 즈 사이의 거리 조정, 및 양 렌즈에 레이저빔 센터를 일치시키는 작업을 필요로 하지 않게 하는 효과가 있다.

또한, 모드 스크램블러를 사용하여 싱글형 광케이블의 곡률반경을 조절하므로 번들형 레이저빔을 싱글형 레이저빔으로 전환할 때, 레이저빔의 에너지 밀도를 균일하게 하는 효과가 있다.

제1 브래킷으로 레이저건 직전에서 싱글형 광케이블을 직선 상태로 유지시키므로 에너지 밀도가 균일하게 조절된 레이저빔의 센터가 흔들리는 것을 방지하는 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 블록도이다. 도1을 참조하면, 일 실시예의 레이저 시스템(100)은 번들형 광케이블(1)과 싱글형 광케이블(2)을 연결하는 광케이블 점퍼(10), 모드 스크램블러(20), 레이저건(30) 및 제1 브래킷(40)을 포함한다.

레이저 소스(50)는 복수의 레이저 다이오드들(미도시)을 구비한다. 레이저 다이오드들의 병렬 조합에 의하여 레이저 소스(50)의 최종 파워가 결정된다. 번들형 광케이블(1)은 레이저 소스(50) 즉, 레이저 다이오드들에 연결되는 광파이버들을 하나로 묶어 번들을 형성한다. 번들형 광케이블(1)의 끝에서 레이저빔은 레이저 다이오드 및 광파이버의 고유 특성에 의하여, 에너지 밀도가 불균일한 상태를 형성한다.

광케이블 점퍼(10)는 입력단(11)과 출력단(12)을 가지며, 입력단(11)에 번들형 광케이블(1)이 연결되고, 출력단(12)에 싱글형 광케이블(2)이 연결된다. 따라서 광케이블 점퍼(10)는 입력단(11)의 번들형 광케이블(1)로 전송되는 레이저빔을 출력단(12)의 싱글형 광케이블(2)로 전송한다.

이때, 광케이블 점퍼(10)는 입력단(11)으로 입력되는 레이저빔을 1쌍의 마이크로 렌즈(13, 14)를 통하여 축소시킨 후, 출력단(12)으로 전송한다. 광케이블 점퍼(10)는 번들형 광케이블(1)과 싱글형 광케이블(2)을 연결함에 있어서, 마이크로 렌즈(13, 14)를 사용하므로 구성을 단순하게 하고, 또한 전체적으로 레이저 시스템(100)의 구성을 단순하게 한다. 또한 광케이블 점퍼(10)는 1쌍의 마이크로 렌즈(13, 14) 사이에서 레이저빔의 센터를 맞추기 위한 별도의 추가 조정 작업을 불필요하게 한다.

도2는 도1의 광케이블 점퍼의 분해 단면도이다. 도2를 참조하면, 광케이블 점퍼(10)는 1쌍의 마이크로 렌즈(13, 14)를 내장하는 제1 경통(15)과, 제1 경통(15)에 나사 결합되는 제2 경통(16)을 포함한다. 1쌍의 마이크로 렌즈(13, 14)는 레이저빔을 축소시키도록 예를 들면, 1.28:1의 비율로 설정될 수 있다.

제1 경통(15)은 출력단(12)을 형성하고, 출력단(12)에 싱글형 광케이블(2)이 연결된다. 제2 경통(16)은 입력단(11)을 형성하고, 입력단(11)에 번들형 광케이블(1)이 연결된다. 입력단(11)의 번들형 광케이블(1)로 전송되는 레이저빔은 마이크로 렌즈(13, 14)에 의하여 1.28:1의 비율로 축소되어 출력단(12)의 싱글형 광케이블(2)로 전송된다.

도3은 도1의 레이저 시스템에 적용되는 NA를 정의하는 개념도이다. 도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 엔에이(NA, Numerical Aperture, 이하 "NA"라 한다)는 레이저빔의 에너지 밀도 분포에 따른 2설정 영역의 제1 직경(D1)과 제2 직경(D2)의 차이 값(D1-D2)을 2직경 사이의 거리(L)로 나눈 값((D1-D2)/L)으로 설정된다. 본 실시예에서 NA는 광케이블 점퍼(10)에서 설정되는 제1 NA와 레이저건(30)에서 설정되는 제2 NA를 포함한다.

제1 직경(D1)은 레이저빔 프로파일 상에서, 에너지 총량의 기설정치%(예를 들면, 86.5%) 영역에 설정된다. 제2 직경(D2)은 레이저빔 프로파일 상에서, 레이저빔 사이즈가 최소인 지점, 즉 포커스 영역에 설정된다.

즉 광케이블 점퍼(10)의 출력단(12)에 설정되는 제1 NA는 광케이블 점퍼(10)에서 출력되는 레이저빔 에너지 총량의 86.5% 영역(A1)에 형성되는 레이저빔 프로파일의 제1 직경(D1)과 포커스 영역(A2)에 형성되는 레이저빔 프로파일의 제2 직경(D2)의 차이 값(D1-D2)을 2영역 사이의 거리(L)로 나눈 값((D1-D2)/L)으로 설정된다.

예를 들면, 광케이블 점퍼(10)의 출력단(12)에 설정되는 제1 NA는 0.05 내지 0.15를 포함한다.

제1 NA가 0.05 미만인 경우, 제1, 제2 경통(15, 16) 및 마이크로 렌즈(13, 14)의 직경이 거의 같아져 직경 차이가 거의 없거나 제1, 제2 경통(15, 16)의 길이가 지나치게 길어진다.

또한 제1 NA가 0.15 초과인 경우, 제1, 제2 경통(15, 16) 및 마이크로 렌즈(13, 14)의 직경 차이가 지나치게 크거나 제1, 제2 경통(15, 16)의 길이가 지나치게 짧아진다.

따라서 제1 NA는 마이크로 렌즈(13, 14) 사이에서 레이저빔의 센터 조정을 편리하게 하면서, 크기와 제작상 어려움이 없는 범위 내로 한정된다.

또한 제1 NA를 0.05 내지 0.15로 한정하는 근거는 하기에 기술되는 제2 NA를 0보다 크고 0.25보다 작도록 한정하거나, 더 나아가서 0.05 이상이고 0.25보다 작도록 한정하는 근거를 참조할 수 있다.

모드 스크램블러(20)는 광케이블 점퍼(10)의 후방에 배치되어, 싱글형 광케이블(2)의 곡률, 즉 제1 곡률반경(R1)을 조정한다. 즉 광케이블 점퍼(10)의 출력단(12)에서 빔의 센터가 정확하게 맞춰지지 않은 경우, 싱글형 광케이블(12)은 제1 곡률반경(R1)으로 굴곡됨에 따라 레이저빔의 센터를 싱글 코아의 중심에 일치시킬 수 있다.

도4는 도1의 레이저 스크램블러의 사시도이다. 도4를 참조하면, 모드 스크램블러(20)는 플레이트(21), 1쌍의 클램프(22) 및 곡률반경조절기구(23)를 포함한다. 플레이트(21)는 설치되는 싱글형 광케이블(2)의 도중, 즉 싱글형 광케이블(2)에 부 분적으로 대응하여 제공된다.

1쌍의 클램프(22)는 플레이트(21) 상에서 싱글형 광케이블(2)의 양측을 헐겁게 잡아줌으로써, 플레이트(21) 상에서 싱글형 광케이블(2)의 제1 곡률반경(R1)을 조절할 때, 싱글형 광케이블(2)이 길이 방향으로 유동할 수 있게 한다.

곡률반경조절기구(23)는 1쌍의 클램프(22) 사이에서 플레이트(21)에 장착되어, 싱글형 광케이블(2)의 제1 곡률반경(R1)을 제어할 수 있도록 형성된다. 일례를 들면, 곡률반경조절기구(23)는 플레이트(21)에 고정 장착되는 몸체(23a)와, 몸체(23a)에서 인입/인출 작동되는 로드(23b)를 포함한다. 즉 곡률반경조절기구(23)는 마이크로 미터로 형성될 수 있다.

곡률반경조절기구(23)는 몸체(23a)에서 로드(23b)를 인입/인출 작동시킴에 따라 로드(23b)에 연결된 싱글형 광케이블(2)의 제1 곡률반경(R1)을 조절할 수 있다.

또한, 싱글형 광케이블(2)는 곡률반경조절기구(23)의 후방에서 감기어 적어도 1원을 형성할 수 있다. 원 상태로 감긴 싱글형 광케이블(2)은 제2 곡률반경(R2)을 형성한다.

제2 곡률반경(R2)은 싱글형 광케이블(2)로 전송되는 레이저빔을 싱글 코아 내에서 더욱 산란시키므로 에너지 밀도를 균일하게 믹싱한다. 이때, 제1 곡률반경(R1)이 제2 곡률반경(R2) 보다 더 큰 경우, NA의 추가 개선으로 빔 프로파일에서 에너지 밀도를 더욱 균일하게 한다.

레이저건(30)은 모드 스크램블러(20)의 후방에서 싱글형 광케이블(2)에 연결 되어 싱글형 광케이블(2)을 통하여 전송되는 레이저빔을 사용처에 조사한다. 이를 위하여, 레이저건(30)은 전송되는 레이저빔을 사용처에 조사하는 1:1 비율의 광학계(미도시)를 구비한다.

제1 브래킷(40)은 레이저건(30)의 일측에서 싱글형 광케이블(2)을 직선 상태로 유지시킨다. 즉 제1 브래킷(40)은, 모드 스크램블러(20)에서 믹싱되어 센터가 정확히 맞춰진 레이저빔을 전송하는 싱글형 광케이블(2)을 레이저건(30)의 직전에서 흔들리는 것을 방지한다. 따라서 싱글형 광케이블(2)로 전송되는 레이저빔의 센터가 레이저건(30)의 광학계(미도시) 센터에 불일치 되는 것을 방지한다.

도5는 제1, 제2 브래킷의 사시도이다. 도5를 참조하면, 제1 브래킷(40)은 서로 마주하여 결합되는 제1 플레이트(41)와 제2 플레이트(42)를 포함한다. 도5에 예시된 제1, 제2 브래킷(41, 42)은 나사(43)로 결합된다.

제1, 제2 플레이트(41, 42)는 서로 마주하는 사이에 반원형의 제1 홈(41a)과 제2 홈(42a)을 각각 형성한다. 제1, 제2 홈(41a, 42a)은 싱글형 광케이블(2)의 직경에 대응한다. 또한 제1, 제2 홈(41a, 42a)은 싱글형 광케이블(2)의 길이 방향에 대응하도록 직선으로 형성된다.

제1, 제2 홈(41a, 42a)의 각 반원에 의하여 설정되는 직경은 싱글형 광케이블(2)의 직경보다 크게 형성되어, 싱글형 광케이블(2)의 직경 방향 유동을 제한하면서 길이 방향의 유동을 가능하게 한다. 즉 싱글형 광케이블(2)은 레이저건(30)의 상하 방향 작동시, 제1, 제2 브래킷(41, 42) 내에서 상하 방향으로 유동될 수 있다.

레이저건(30)은 제2 브래킷(31)에 장착되고, 제2 브래킷(31)은 가이드(32)에 수직 방향으로 이동 가능하게 장착되며, 가이드(32)는 레이저 시스템(100)의 이동부(33)에 고정 장착된다. 또한 이동부(33)에 제1 브래킷(40)이 고정 장착된다.

따라서 이동부(33)가 좌우 및 상하 방향으로 이동함(도5 참조)에 따라 제1 브래킷(40)과 가이드(32)는 일체로 좌우 및 상하 방향으로 이동한다. 또한 레이저건(30)을 장착한 제2 브래킷(31)은 이동부(33)의 좌우 방향 이동과 별도로 가이드(32) 상에서 상하 방향으로 이동한다.

제2 브래킷(31) 및 이에 장착된 레이저건(30)의 상하 방향 이동시, 레이저건(30)에 연결된 싱글형 광케이블(2)은 레이저건(30)과 함께 상하 이동하지만, 제1 브래킷(40)은 고정된 상태를 유지하면서 싱글형 광케이블(2)의 상대 유동을 가능하게 한다.

이때, 제1 브래킷(40)의 레이저건(30) 반대측 끝과 레이저건(30)에 연결되는 싱글형 광케이블(2) 끝 사이 거리(SL)는 적어도 50mm로 설정된다. 거리(SL)는 싱글형 광케이블(2)에서 전송되는 레이저빔의 센터가 레이저건(30)의 광학계 센터에 일치되도록 유지시키는 거리로서, 50mm 이하인 경우, 센터 불일치가 발생될 수 있다. 거리(SL)가 지나치게 큰 경우 레이저 시스템(100)의 다른 설비들과 간섭을 일으킬 수 있다. 주변 설비와 간섭 문제가 없다면 거리(SL)은 싱글형 광케이블(2)의 길이 범위 내에서 더 길어질 수 있다.

편의상 도3을 참조하여 설명하면, 레이저건(30)의 출력단에 설정되는 제2 NA는 레이저건(30)에서 출력되는 레이저빔 에너지 총량의 86.5% 영역(A1)에 형성되는 레이저빔 프로파일의 제1 직경(D1)과, 포커스 영역(A2)에 형성되는 레이저빔 프로파일의 제2 직경(D2)의 차이 값(D1-D2)을 2영역 사이의 거리(L)로 나눈 값((D1-D2)/L)으로 설정된다.

예를 들면, 레이저건(30)의 출력단에서 제2 NA는 0보다 크고 0.25보다 작은 범위이며, 보다 구체적으로는 0.05 이상이고 0.25보다 작은 범위로 설정될 수 있다. 또한 제1 NA를 0.05 내지 0.15로 한정하고, 제2 NA를 0보다 크고 0.25보다 작은 범위, 또는 0.05 이상이고 0.25보다 작은 범위로 한정하는 것은 레이저빔의 진행 앞부분에서 제1 NA를 작게 형성함으로써 레이저빔의 진행 뒷부분에서 제2 NA의 제어를 용이하게 하기 위함이다. 즉 최종 목표인 제2 NA를 설정하고, 제1 NA는 제2 NA보다 작게 설정된다.

본 실시예의 레이저 시스템(100)에서 제2 NA는 (D1-D2)/L로 정의된다. 따라서 제2 NA가 0.05 또는 0에 가까울수록 거리(L)가 굉장히 커지거나, 또는 제1, 제2 직경(D1, D2)이 거의 같아야 한다. 제1, 제2 직경(D1, D2)이 거의 같아지면 레이저 빔이 거의 직선 상태이다.

기구 설계상, 거리(L)을 매우 크게 할 수 없으므로 가능한 것으로 보면, 제1, 제2 직경(D1, D2)이 거의 같을 수 있다. 제1, 제2 직경(D1, D2)이 거의 같은 경우, 제2 NA는 0에 가까울 수 있다.

그러나 이 경우, 거리(L)을 조정하더라도 레이저빔의 제1 직경(D1)을 조정할 수 없게 되므로 레이저빔의 제1 직경(D1) 조정을 위하여 별도의 광학계를 더 필요로 한다. 따라서 제2 NA가 어느 정도 이상 확보되어야 피사체에 형성되는 레이저빔 의 제1 직경(D1)을 제어할 수 있다.

제2 NA가 0보다 크고 0.05보다 작은 경우를 예를 들어 본다. 구체적인 예로서, 제2 직경(D2)가 1.2mm이고, 거리(L)가 5mm, 10mm 및 20mm이며, 제2 NA가 0.04인 경우, 제1 직경(D1)을 계산한다((D1-D2)/L = 제2 NA 참조).

(D1-1.2)/5 = 0.04 → D1 = 1.4

(D1-1.2)/10 = 0.04 → D1 = 1.6

(D1-1.2)/20 = 0.04 → D1 = 2.0

수학식 1 내지 3을 참조하면, 거리(L)이 5mm에서 20mm까지 15mm가 증가되어도 피사체에 형성되는 레이저빔의 제1 직경(D1)은 1.4mm에서 2.0mm로 0.6mm 밖에는 증가되지 않는다. 따라서 큰 제1 직경(D1)을 얻기 위해서는 거리(L)가 매우 크거나, 추가적인 광학계가 필요하다.

반대로, 제2 NA가 0.05 이상인 경우를 예를 들어 본다. 구체적인 예로서, 제2 직경(D2)이 1.2mm이고, 거리(L)가 3mm, 5mm, 8mm 및 11mm 이며, 제2 NA가 0.12인 경우, 제1 직경(D1)을 계산한다((D1-D2)/L = 제2 NA 참조).

(D1-1.2)/3 = 0.12 → D1 = 1.56

(D1-1.2)/5 = 0.12 → D1 = 1.80

(D1-1.2)/8 = 0.12 → D1 = 2.16

(D1-1.2)/11 = 0.12 → D1 = 2.52

수학식 4 내지 7을 참조하면, 거리(L)가 3mm에서 11mm까지 8mm로 소폭 증가되어도 피사체에 형성되는 제1 직경(D1)은 1.56mm에서 2.52mm로 0.96mm까지 증가되었다. 따라서 큰 제1 직경(D1)을 얻기 위해서는 거리(L)가 매우 크지 않아도 되는 것을 알 수 있다.

또한, 본 실시예의 시스템에서 제2 NA는 (D1-D2)/L로 정의된다. 여기서 제2 NA가 크면, 제1 직경(D1)이 제2 직경(D2) 보다 매우 크거나, 또는 거리(L)가 매우 작아야 한다.

제1 직경(D1)이 매우 클 경우, 에너지 총량은 변함이 없으므로 86.5% 지점에서 큰 원을 형성하며, 큰 원에 해당되는 에너지 밀도는 매우 작아진다. 따라서 가우시안 곡선에서의 에너지 최대치는 매우 낮아진다.

반대로, 거리(L)를 매우 작게 하기 위하여, 제2 직경(D2)을 형성하는 포커스 영역과 피사체간 거리가 매우 가까워야 되는데, 이는 기구적으로 매우 불안한 시스템을 형성한다.

또한 제2 NA가 커지면, 레이저빔의 퍼짐각이 매우 커진다. 따라서 이 경우, 거리(L)에 대하여, 레이저빔의 에너지 밀도 및 제1 직경(D1) 등이 매우 민감하게 반응한다.

따라서 일정한 에너지 총량 범위에서 일정치 이상의 에너지 최대치를 가지는 가우시안 곡선과 에너지 밀도를 유지하기 위해서는 제2 NA의 상한치가 제한될 필요가 있다.

제2 NA가 0.25 이상인 경우를 예를 들어 본다. 구체적인 예로서 제2 직경(D2)이 1.2mm이고, 거리(L)가 3mm, 5mm, 8mm 및 11mm이며, 제2 NA가 0.25인 경우, 제1 직경(D1)을 계산한다((D1-D2)/L = 제2 NA 참조).

(D1-1.2)/3 = 0.25 → D1 = 1.95

(D1-1.2)/5 = 0.25 → D1 = 2.45

(D1-1.2)/8 = 0.25 → D1 = 3.20

(D1-1.2)/11 = 0.25 → D1 = 3.95

수학식 8 내지 11을 참조하면, 거리(L)가 3mm에서 11mm까지 8mm로 소폭 증가될 때, 제1 직경(D1)은 1.95mm에서 3.95mm로 2.0으로 증가된다. 따라서 거리(L)를 아주 작게 변경하여도 피사체에 형성되는 제1 직경(D1)이 매우 크게 변경되어, 제1 직경(D1)의 조정이 어려워진다.

결과적으로, 레이저건(30)의 출력단에서 제2 NA는 0보다 크고 0.25 이하로 한정된다. 이 경우, 0보다 크고 0.05 이하의 범위에서는 추가적인 광학계가 사용될 수 있다.

또한, 레이저건(30)의 출력단에서 제2 NA가 0.05 이상이고 0.25 보다 작은 범위로 한정되면 추가적인 광학계가 요구되지 않는다. 이때, 거리(L)를 크게 조정하지 않고도 피사체에 형성되는 레이저빔의 제1 직경(D1) 및 에너지 밀도의 조정이 더 용이해진다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 시스템의 블록도이다.

도2는 도1의 광케이블 점퍼의 분해 단면도이다.

도3은 도1의 레이저 시스템에 적용되는 NA를 정의하는 개념도이다.

도4는 도1의 레이저 스크램블러의 사시도이다.

도5는 제1, 제2 브래킷의 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 레이저 시스템 1 : 번들형 광케이블

2 : 싱글형 광케이블 10 : 광케이블 점퍼

20 : 모드 스크램블러 30 : 레이저건

40 : 제1 브래킷 50 : 레이저 소스

11 : 입력단 12 : 출력단

13, 14 : 마이크로 렌즈 15, 16 : 제1, 제2 경통

21 : 플레이트 22 : 클램프

23 : 곡률반경조절기구 23a : 몸체

23b : 로드 31 : 제2 브래킷

32 : 가이드 33 : 이동부

41, 42 : 제1, 제2 플레이트 41a, 42a : 제1, 제2 홈

D1, D2 : 제1, 제2 직경 L, SL : 거리

R1, R2 : 제1, 제2 곡률반경

Claims

입력단에 연결되는 번들형 광케이블로 전송되는 레이저빔을 출력단에 연결되는 싱글형 광케이블로 전송하는 광케이블 점퍼; 및

상기 광케이블 점퍼의 후방에서 상기 싱글형 광케이블에 연결되어 레이저빔을 피사체에 조사하는 레이저건을 포함하는 레이저 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 출력단 및 상기 레이저건의 각 엔에이(NA, Numerical Aperture)는,

상기 레이저빔의 에너지 분포가 최대치의 기설정치% 영역에서 레이저빔 프로파일의 제1 직경과, 상기 레이저빔의 포커스 영역에서 레이저빔 프로파일의 제2 직경 차이 값을

상기 기설정치% 영역과 포커스 영역 사이의 거리로 나눈 값으로 한정되는 레이저 시스템.
제2 항에 있어서,

상기 엔에이 중, 상기 레이저건의 엔에이는 0보다 크고 0.25보다 작은 레이저 시스템.
제3 항에 있어서,

상기 레이저건의 엔에이는 0.05 이상이고 0.25보다 작은 레이저 시스템.
제4 항에 있어서,

상기 엔에이 중, 상기 출력단의 엔에이는 0.05 내지 0.15인 레이저 시스템.
제5 항에 있어서,

상기 광케이블 점퍼는,

경통, 및

상기 경통에 내장되는 1쌍의 마이크로 렌즈를 포함하는 레이저 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 경통은,

상기 출력단을 형성하고, 상기 1쌍의 마이크로 렌즈를 내장하는 제1 경통과,

상기 제1 경통에 나사 결합되고 상기 입력단을 형성하는 제2 경통을 포함하는 레이저 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 광케이블 점퍼에 연결되는 상기 싱글형 광케이블의 곡률반경을 조절하여 레이저빔을 믹싱하는 모드 스크램블러를 더 포함하는 레이저 시스템.
제8 항에 있어서,

상기 모드 스크램블러는,

상기 싱글형 광케이블에 대응하여 제공되는 플레이트,

상기 플레이트에 장착되어 상기 싱글형 광케이블의 양측을 헐겁게 잡아주는 1쌍의 클램프, 및

상기 플레이트에 장착되어 상기 1쌍의 클램프 사이의 상기 싱글형 광케이블의 곡률반경을 제어하는 곡률반경조절기구를 더 포함하는 레이저 시스템.
제9 항에 있어서,

상기 곡률반경조절기구는,

상기 플레이트에 고정 장착되는 몸체, 및

상기 몸체에서 인입/인출 작동되고 상기 싱글형 광케이블에 연결되는 로드를 포함하는 레이저 시스템.
제9 항에 있어서,

상기 싱글형 광케이블은 상기 모드 스크램블러의 일측에서 감기어 적어도 1 원을 형성하는 레이저 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 레이저건의 일측에서 상기 싱글형 광케이블을 직선 상태로 유지시키는 제1 브래킷을 더 포함하는 레이저 시스템.
제2 항에 있어서,

상기 제1 브래킷은,

서로 마주하여 결합되는 제1 플레이트와 제2 플레이트를 포함하며,

상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는,

서로의 마주하여 상기 싱글형 광케이블의 직경에 대응하는 반원형의 제1 홈과 제2 홈을 각각 형성하는 레이저 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 제1 홈과 상기 제2 홈은 상기 싱글형 광케이블의 길이에 대응하는 직선으로 형성되고,

상기 제1 홈과 상기 제2 홈에 의하여 형성하는 원의 직경은 상기 싱글형 광케이블의 직경보다 크게 형성되는 레이저 시스템.
제14 항에 있어서,

상기 레이저건이 장착되는 제2 브래킷은 수직 방향으로 이동하도록 가이드에 장착되고,

상기 가이드와 상기 제1 브래킷은 이동부의 일측에 고정 장착되는 레이저 시스템.
제12 항에 있어서,

상기 제1 브래킷의 상기 레이저건 반대측 끝과 상기 레이저건에 연결되는 상기 싱글형 광케이블 끝 사이 거리는 적어도 50mm로 설정되는 레이저 시스템.
제2 항에 있어서,

상기 기설정치%는 에너지 총량의 86.5%인 레이저 시스템.