KR20100068694A - 레이저 빔 성형장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 케이블의 외형을 변형시켜 상기 광섬유 케이블을 통해 조사되는 레이저 빔의 강도분포를 균질하면서도 평탄하게 성형시키기 위한 레이저 빔 성형장치에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 광섬유 케이블을 안착시키기 위해 구비되는 안착판은 상기 광섬유 케이블이 길이방향으로 안착 되도록 한다. 상기 안착판 상에 배치되는 고정수단은 상기 광섬유 케이블의 일측 및 타측을 각각 고정시키기 위한 적어도 하나 이상 구비된다. 또한, 굴곡수단은 상기 안착판 상에 배치되며, 상기 고정수단을 통해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분에 길이방향으로부터 수직방향으로 외력을 제공하여 상기 광섬유 케이블의 일부분을 변형시킨다.
따라서, 본 발명에 따르면, 입사되는 레이저의 빔 프로파일과 무관하게 시료면에서 균질하고, 평탄한 빔 프로파일로 변환시킬 수 있기 때문에 정밀 재료의 가공에 이용되는 경우 가공 품질의 균질도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
레이저 빔 균질기, 빔 프로파일, 강도분포, 굴곡

Description

레이저 빔 성형장치{FIBER OPTIC LASER BEAM SHAPER}
본 발명은 레이저 빔을 전송하기 위한 광섬유 케이블의 일부분을 기계적으로 굴곡시켜 상기 광섬유 케이블에서 전파되는 모드들의 강도분포를 상대적으로 변형함으로써, 광섬유 케이블 출사면에서 균질하고 평탄한 강도분포을 갖는 레이저 빔이 출력되고, 상기 출사면의 강도분포를 이미징 광학계를 이용하여 시료면에 전사함으로 균질한 강도분포의 플랫톱 빔이 시료면에 조사되도록 하는 레이저 빔 성형장치이다.
일반적으로, 자외선, 가시광선 또는 근적외선 파장의 레이저 빔(laser beam)이 멀티모드 광섬유의 입사면에서 입사되어 일정 길이의 광섬유를 따라 전송된 후, 출사면을 통해 출사될 때, 출사된 상기 레이저 빔의 휘도분포(빔 프로파일 ; beam profile)는 상기 광섬유 내부에서 상기 레이저 빔의 전송모드들에 대한 여러 물리적 특성 때문에 통상 입사 빔의 프로파일과 동일하지 않으며, 상기 빔 프로파일이 균질하지 않다.
또한, 상기 빔 프로파일을 특정할 수 없으며, 광섬유의 휨, 꼬임, 비틀림, 이송 및 외부진동 등의 기계적 내지 환경적 운전조건에 따라 상기 빔 프로파일이 변형되기도 한다.
상기 레이저 빔을 이용하여 정밀 재료의 가공을 하게 되는데, 상기 레이저 빔이 광섬유를 통해 시료까지 전송되는 경우 특정되지 않는 빔 프로파일, 수시로 조건에 따라 변형되는 빔 프로파일은 원하는 가공 품질을 제공하지 못하고, 품질의 일관성을 결여시킬 수 있다.
강도분포가 균질하며 평탄한 플랫톱 빔 프로파일은 시료면에 고른 강도분포를 제공함으로 레이저 빔과 시료와의 고른 상호작용의 결과를 얻을 수 있다.
이러한, 빔 프로파일을 개선하기 위한 종래의 보편적인 기술은 광섬유 입사면에서 레이저 빔의 집속 크기와 위치, 입사각을 정밀하게 제어하는 것이지만 균질하고 평탄한 빔 분포를 얻기가 어렵다. 광섬유의 출력단에 빔 균질기(Beamhomogenizer) 장치들을 별도로 부가하여 시료면에서 균질하고 평탄한 강도분포를 얻는 방식이 보편적이다.
상기 종래 기술은 정밀한 장치를 이용하여 복잡하게 제어하여 특정한 빔 분포를 출력할 수 있지만 강도분포의 균일도, 평탄도 등을 제어하기가 쉽지 않고 특히 상술한 광섬유의 상태에 따라 빔 분포가 변형이 될 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 광섬유 케이블의 일부분을 적절하게 굴곡 시킴으로써, 상기 광섬유 케이블을 통하여 출사되는 레이저 빔이 균질 하면서도 평탄한 강도분포 및 휘도분포를 가질 수 있는 레이저 빔 성형장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 레이저 빔 성형장치는 레이저 빔을 전달하기 위한 광섬유 케이블; 상기 광섬유 케이블로 레이저 빔을 집속하여 입사시키기 위한 결합광학계; 상기 광섬유 케이블의 소정부위가 길이방향으로 안착되도록 구비되는 안착판; 상기 안착판 상에서 상기 광섬유 케이블의 일측 및 타측을 각각 고정시키기 위한 적어도 하나 이상의 배치되는 고정수단; 및 상기 안착판 상에 배치되며, 상기 고정수단을 통해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분에 길이방향으로부터 수직방향으로 외력을 제공하여 상기 광섬유 케이블의 일부분을 변형시키기 위한 굴곡수단을 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 광섬유 케이블의 출사측과 연결되며, 상기 광섬유를 통해 전달되는 상기 레이저 빔을 이미징하여 시료면에 조사시키기 위한 이미징광학계를 더 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 시료면과 인접하도록 상기 이미징광학계의 촛점면에 위치하며, 상기 시료면에 조사되는 상기 레이저 빔의 강도분포를 계측하기 위한 빔 프로파일러를 더 포함하는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 굴곡수단은 상기 고정수단에 의해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분을 둘러싸도록 형성되는 연결고리; 상기 연결고리와 결합되며, 소정 간격으로 적어도 하나 이상의 고정공이 형성되는 이동판; 및 상기 이동판의 고정공들을 통해 상기 안착판과 결합하기 위한 고정핀을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 굴곡수단은 상기 고정수단에 의해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분을 둘러싸도록 형성되는 연결고리; 상기 연결고리와 결합되며, 일측에 제1연결대가 구비되는 이동판; 상기 이동판의 제1연결대와 연결되어 상대적으로 회전하는 제2연결대가 구비되며, 상기 제2연결대를 회전시켜 상기 이동판을 수직방향으로 이동시키기 위한 구동모터; 및 상기 구동모터를 조작하기 위한 조작수단을 포함하는 것일 수 있다.
이때, 상기 이동판의 하부면에 적어도 하나 이상의 가이드홈이 형성되며, 상기 이동판의 하부면과 접하는 상기 안착판의 상부면에는 상기 가이드홈과 대응하는 위치에 적어도 하나 이상의 가이드 레일이 형성되는 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 광섬유 케이블은 그 코어 단면이 원형(circular) 또는 사각형(square)인 것이 특징이다.
하나의 예로써, 상기 레이저 빔은 광섬유로 전송 가능한 자외선, 가시광선 및 근적외선 파장의 연속 출력과 펄스형 레이저를 포함하는 것이 특징이다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형장치를 이용하면 입사 레이저의 빔 프로파일과 무관하게 시료면에서 균질하고, 평탄한 빔 프로파일로 변환시킬 수 있기 때문에 정밀 재료의 가공에 이용되는 경우 가공 품질의 균질도를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
특히, 고출력 반도체 다이오드 레이저처럼 광섬유 다발(Fiber Bundle)로 출력되어 빔 프로파일이 매우 불균일하거나, TEMoo 싱글 모드 또는 멀티 모드 레이저 빔 프로파일을 플랫톱 프로파일로 변환하고자 하는 경우 매우 용이하다.
또한, 광섬유의 코어 사이즈를 달리하거나 이미징 광학계의 배율을 달리함으로써 시료면에서 빔 사이즈를 광섬유 코어 사이즈보다 확대하거나 축소시킬 수 있으며, 이미징 광학계를 사용하지 않고 광섬유 케이블 출사면을 그대로 시료에 비추는 경우에도 시료면에서 균질하고 평탄한 강도분포를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 시료면에서 빔 프로파일은 광섬유 케이블의 추가적인 휨, 비틀림, 꼬임, 이송 등의 극심하고 갑작스런 기계적 변형에 영향을 받지 않으므로 보다 열악한 운전환경에서도 안정적으로 레이저 빔의 이용이 가능한 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들에 따른 레이저 빔 성형장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시 예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 각 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 상기 하나의 구성 요소는 상기 다른 구성요소 위에 형성되거나 또는 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 또 다른 구성 요소들이 상기 다른 구성 요소 상에 추가적으로 형성될 수 있다. 또한, 각 구성 요소들이 "제1", "제2" 및/또는 "제3"으로 언급되는 것은 한정하기 위한 것이 아니라 단지 각 구성 요소들을 구분하기 위한 것이다. 따라서 "제1", "제2" 및/또는 "제3"은 각 구성 요소에 대하여 각기 선택적으로 또는 교환적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 레이저 빔 성형장치에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 레이저 빔 성형장치는 레이저 빔(laser beam)을 전달시키기 위해 구비되는 광섬유를 포함한 광케이블(optical cable 이하 '광섬유 케이블'이라 칭함)의 일부분을 물리적으로 휨 또는 구부림을 주어 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 레이저 빔의 강도분포를 상대적으로 변형시킨다.
다시 말해, 상기 광섬유 케이블의 출사면으로 출력되는 레이저 빔은 상기 광섬유 케이블의 일부분을 휨 또는 구부림으로써 균질하고(homogenious), 평탄한(flat-top) 강도분포를 가지게 된다.
또한, 상기 출사면의 강도분포를 이미징광학계를 이용하여 시료면에 전사함으로써 균질한 강도분포를 갖는 플랫톱(flat-top beam) 빔이 시료면에 조사할 수 있게 된다.
여기에서, 상기 플랫톱이란 레이저빔의 강도분포가 사각형 모양처럼 평탄한 분포를 이룰 때 빔 모양을 말한다. 대부분의 레이저 빔은 특별히 가공하지 않는한 가운데 부분이 가장 밝고 중앙에서 멀어질수록 희미해지는 분포를 가지며, 이러한 분포의 대표적인 일 예가 가우시안(gaussian profile) 프로파일이다.
도 5 본 발명 레이저 빔 성형장치에 따라 출사되는 레이저 빔의 강도분포를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 빔 성형장치를 이용하면 상기 광섬유 케이블을 통해 전달되는 다이오드 레이저 빔은 도 5(b)에 나타난 바와 강도분포를 갖는다.
먼저, 도 5(a)를 살펴보면, 일반적인 광섬유 케이블을 통해 전달되는 다이오드 레이저 빔의 강도분포를 계측한 이미지로, 상기 광섬유 케이블에 변형을 주지 않고 레이저 빔을 통과시켰을 때, 시료면에서는 강도분포를 계측할 수 없다.
그러나, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형장치는 상기 도 5(a)에 도시된 바와 같이 상기 광섬유 케이블을 적절하게 휘었을 때, 시료면에서 계측한 이미지는 좌우상하 균일하고 평탄한 레이저 빔 프로파일을 얻게 되는 것을 알 수 있다.
여기에서, 상기 빔 프로파일(beam-profile)이란 레이저 빔의 수직단면에서의 휘도분포를 말한다.
따라서, 상기 레이저 빔 성형장치를 통해 균질하고 평탄한 빔 프로파일로 변환시킬 수 있기 때문에 정밀재료 가공에 이용되는 경우, 가공품질의 균질도를 증대시킬 수 있는 특징이 있다.
이때, 상기 도 5에서는 파장 810nm의 다이오드 레이저를 실험예로 적용하였 지만, 여기에 국한되는 것이 아니라 상기 레이저 빔은 광섬유 케이블로 전송 가능한 모든 파장의 레이저 광을 적용하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
예를 들면, 355nm의 UV레이저에 대해서도, 532nm의 녹색레이저에 대해서도 동이란 효과를 얻을 수 있는바, 상기 레이저 빔은 광섬유 케이블로 전송 가능한 자외선(ultraviolet rays), 가시광선(visible rays) 및 근적외선(near infrared ray) 파장을 포함하며, 상기 파장들의 연속 출력은 물론, 펄스형 레이저를 모두 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 레이저 빔 성형장치는 이미징광학계를 사용하지 않고도 상기 광섬유 케이블의 출사면을 그대로 시료에 비추는 경우에도 시료면에 균질하고 평탄한 강도분포를 제공할 수 있다.
한편, 도 6은 사각형 코어를 갖는 광섬유 케이블을 본 발명 레이저 빔 성형장치에 적용한 예를 보인 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 6(a)은 일반적인 사각형 코어의 광섬유 케이브를 보인 도면이며, 본 발명에 따른 빔 성형장치를 이용하면 도 6(b)과 같이 평탄한 강도분포를 갖는 결과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 상기 광섬유 케이블은 그 코어 단면이 원형(circular)일 때뿐만 아니라, 사각형(square)일 때도 동일한 효과를 제공할 수 있게 된다.
이하 설명되는 본 발명의 제1 및 제2실시예를 통해 상기 레이저 빔 성형장치에 대해 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
실시예1
도 1은 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제1실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제1실시예에 따른 빔 프로파일러를 설명하기 위한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형장치를 도시한 도면으로, 도면에 도시한 바와 같이 레이저에서 출사된 레이저 빔은 집속 렌즈로 공간에서 직접 또는 광섬유 케이블(10)을 통해 커플링광학계로 입사된다.
상기 커플링광학계는 상기 레이저 빔을 상기 광섬유 케이블(10)에 입사시키기 위한 결합광학계(20)의 일 예로, 커플링광학계 내부의 집속렌즈는 레이저 빔을 상기 광섬유 케이블(10)의 광섬유 코어에 집속시킴으로써 레이저 빔을 상기 광섬유 케이블(10)에 입사시키게 된다.
여기에서, 상기 결합광학계(coupling optics)(20)는 레이저에서 출력되는 빔 또는 광섬유에서 출력되는 레이저빔을 렌즈 등의 광학 집속장치로 전송하고자 하는 광섬유에 입사시키는 광학계를 말한다.
한편, 상기 광섬유 케이블(10)은 레이저 빔을 전달하기 위한 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유가 유연한 스테인리스 케이블 내부를 통과하기 때문에 관을 휘면 상기 광섬유도 함께 휘게 된다. 이때, 상기 광섬유 케이블(10)의 입사면과 출사면은 각각 콘넥터로 장치되어 있다.
여기에서, 상기 광섬유 케이블(10)은 자외선, 가시광선 및 근적외선 파장 등의 다양한 레이저 빔을 입사시킬 수 있는 멀티모드(multi-mode) 광섬유 케이블인 것이 바람직하다.
또한, 상기 광섬유 케이블(10)은 본 실시예에 따른 굴곡수단(60)에 의해 휨 변형이 이루어지게 되고, 상기 굴곡수단(60)의 이동판(610)의 위치이동에 따라 휘는 정도를 조절할 수 있게 된다.
구체적으로, 도 1을 참조하면, 상기 굴곡수단(60)은 상기 레이저 빔을 전달하기 위한 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분을 굴곡시키기 위한 것으로, 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분과 연결된다.
이때, 일부분이 굴곡되는 상기 광섬유 케이블(10)은 안착판(40)에 길이방향으로 안착되며, 고정수단(50)에 의해 양측이 고정된 상태로 배치된다.
상기 안착판(40)은 상기 광섬유 케이블(10)의 입사측 부근에서 상기 광섬유 케이블(10)의 소정부위와 인접하는 위치에 배치되고, 상기 광섬유 케이블(10)을 길이방향으로 안착시킨다. 또한, 상기 고정수단(50)은 상기 안착판(40) 상에서 상기 광섬유 케이블(10)의 일측 및 타측을 각각 고정시키기 위해 적어도 하나 이상 배치된다.
다시, 상기 굴곡수단(60)은 상기 안착판(40) 상에 배치되며, 상기 고정수단(50)을 통해 고정되는 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분에 길이방향으로부터 수직방향으로 외력을 제공하여 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분을 변형시키게 된다. 즉, 고정되는 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분에 상방으로 힘을 작용시켜 광섬유 케이블(10)의 형상을 굴곡시키게 된다.
예를 들면, 광섬유 케이블마다 최소 bending radius 라는 수치가 제조사에 의해 권장되는데 이는 그 수치 이하로 구부리게 되면 상기 광섬유케이블이 부러질 수 있기 때문이다. 이에 따라, 대부분의 광섬유 케이블의 사용에 있어서, 이 수치 이하로 구부러지지 않게 핸들링하게 된다.
본 발명에서는 상기 권장 bending radius의 임계치에 근접하도록 구부리게 되면, 광섬유 케이블에 광학적 스트레스를 유발하게 되고, 상기 광섬유 케이블 내 광섬유에서 전송되는 모드들이 서로 믹싱하게 되므로 모드들의 광 분포가 골고루 섞여 결과적으로 빔 프로파일이 평탄하게 된다.
따라서, 상기 광섬유 케이블(10)의 각 제조사 별로 공지되는 권장 bending radius의 임계치에 근접하는 값으로 또는 임계치 이하의 값으로, 상기 광섬유 케이블(10)을 본 발명에 따른 레이저 빔 성형장치의 굴곡수단(60)을 통해 굴곡 시키는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 굴곡수단(60)의 구조는 예를 들면, 상기 도 1의 확대 사시도에 도시된 바와 같이, 연결고리(600), 이동판(610) 및 고정핀(620)을 포함할 수 있다.
상기 연결고리(600)는 상기 고정수단(50)에 의해 고정되는 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분을 둘러싸도록 형성되며, 상기 이동판(610)과 결합된다. 이때, 상기 이동판(610)은 소정 간격으로 적어도 하나 이상의 고정공이 형성되는 것이 바람직하지만, 도면에 도시된 바와 같이 길이방향의 일자형 고정공이 형성되어도 무방하다.
또한, 상기 고정핀(620)은 상기 고정공을 관통하여 상기 안착판(40)과 결합하여 상기 이동판(610)을 고정하기 위한 것으로, 예를 들면, 외주면에 나사산이 형 성된 볼트 타입인 것이 바람직하며 이때, 상기 안착판(40)은 상기 볼트 타입의 고정핀(620)과 상응하는 결합공이 적어도 하나 이상 형성되어 상기 고정핀(620)이 결합하게 된다.
즉, 상기 굴곡수단(60)의 이동판(610)은 상기 광섬유 케이블(10)의 길이방향에 수직방향으로 이동 가능하며, 상기 이동판(610)의 수직 이동에 따라 연결고리(600)에 연결된 상기 광섬유 케이블(10)이 함께 움직이게 된다. 이에 따라, 일측 및 타측이 고정된 상기 광섬유 케이블(10)은 수직방향의 외력에 의해 굴곡되어 그 형상이 완곡한 'U'자 형으로 변형되며, 상기 이동판(610)의 위치를 변경함으로써 휘는 정도가 조절된다.
또한, 상기 이동판(610)을 통해 적절한 위치로 이동 및 굴곡된 상기 광섬유 케이블(10)은 상기 고정핀(620)에 의해 상기 이동판(610)이 고정됨으로써, 상기 적절한 굴곡에 따라 상기 광섬유 케이블(10)의 출사면에서 균질하고 평탄한 강도분포의 레이저 빔을 출력하고 유지할 수 있게 된다.
한편, 본 실시예에 따르면, 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이 상기 광섬유 케이블(10)의 출사측과 연결되며 상기 광섬유 케이블(10)을 통해 전달되는 상기 레이저 빔을 이미징시켜 시료면(1)으로 조사시키기 위한 이미징광학계(30)를 더 포함한다.
상기 이미징광학계(imaging optics)(30)를 간략히 설명하자면, 현미경이나 카메라 렌즈처럼 실물을 이미지 시키는 렌즈 광학계로, 본 발명에서는 광섬유 끝 단면에서 형성되는 빔 이미지와 프로파일을 이미징광학계로 샘플로 이미징 시키는 것을 의미한다. 예를 들면, 카메라에서 실물을 CCD(charge-coupled device)센서나 필름면에 이미징 시키는 것과 동일한 개념이다.
따라서, 출사면의 강도분포를 상기 이미징광학계(30)를 이용하여 시료면(1)에 전사함으로써 균질 강도분포의 플랫톱 레이저 빔(평탄한 레이저 빔)이 시료면(1)에 조사할 수 있게 된다.
또한, 상기 이미징광학계(30)는 그 배율을 달리하게 함으로써, 상기 시료면(1) 조사되는 빔 이미지를 확대 또는 축소할 수도 있다.
이때, 바람직하게는 상기 시료면(1)과 인접하도록 상기 이미지광학계(30)의 촛점면에는 빔 프로파일러(beam profiler)(70)를 구비하여 상기 시료면(1)에 조사되는 상기 레이저 빔의 강도분포 및 휘도분포를 계측할 수 있게 하여 상기 광섬유 케이블(10)의 휨 정도에 따른 강도분포 및 휘도분포를 확인할 수 있도록 한다.
예를 들면, 상기 빔 프로파일러(70)는 상기 시료면(1)에서 이미징된 프로파일이 플랫톱이 되는지를 계측하기 위한 것으로, 빔 프로파일러(70)의 입사부에는 디지털 카메라와 같이 CCD(charge-coupled device)센서가 내장되어 있다. 이에 따라, 상기 이미지광학계(30)의 촛점면에 상기 빔 프로파일러(70)의 CCD 센서면이 위치하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형장치를 통해 광섬유 케이블(10)의 출사면에서 균질하고, 평탄한 강도분포의 레이저 빔이 출력된다.
이에 따라, 출력되는 레이저 빔은 플랫톱의 빔 성형은 물론, 다른 빔 프로파일로도 성형가능해질 수 있다.
예를 들면, 본 발명을 응용하면 가우시안 프로파일을 더욱 정밀한 좌우대칭의 가우시안 빔 프로파일을 얻을 수 있게 된다.
구체적으로, 상술한 이미징광학계(30)의 초점면에서는 광섬유 케이블(10)의 끝단면의 빔 프로파일이 정확히 이미지되므로, 상기 광섬유 케이블(10)의 끝단면의 빔 프로파일이 플랫톱이면 상기 이미징광학계(30)의 초점면에서 플랫톱 이미지가 얻어진다.
그러나, 그 상태에서 시료면이 또는 빔 프로파일러가 상기 초점면에서 멀어지거나 가까워지게 되면 즉, 디포커싱 현상(defocusing)이 나타나게 되면, 빔 이미지는 더 이상 플랫톱이 되지 않는다. 마치 카메라 촛점이 안맞아 영상이 희미하게 되거나 뿌옇게 되는 것과 같은 현상이 나타나는데, 상기 촛점면이나 시료면에서 플랫톱 이미지는 디포커싱 위치에서는 더 이상 플랫톱 이미지가 되지 않고 양 모서리부터 이미지가 뭉개져서 둥글게 변하게 되고, 어느 위치부터는 거의 안전한 가우시안 프로파일로 변화하게 된다.
이러한, 가우시안 프로파일은 최초의 입사된 프로파일과는 무관하게 상기 디포커싱 현상을 통해 거의 완벽한 가우시안 프로파일을 성형해 낸다.
다시 말해, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형장치를 통해 출력되는 플랫톱 프로파일은 디포커싱 위치에서 측정하게 되면, 상기 가우시안 프로파일은 일반적인 가우시안 프로파일과는 다르게 더욱 정밀한 좌우대칭인 가우시안 커브를 얻을 수 있게 된다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 빔 성형장치를 응용하게 되면, 광섬유 케이블(10)을 굴곡시켜 얻은 플랫톱 프로파일을 기본으로 하여 다른 형태의 빔 프로파일, 예를 들면, 더욱 정밀한 가우시안 프로파일로 성형 가능하게 된다.
실시예2
도 3은 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제2실시예를 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 상기 도 3의 확대 사시도이다.
본 실시예에서는 광섬유 케이블(10)의 일부분을 굴곡시키기 위한 굴곡수단(60)이 구동모터(80)에 의해 이동되며, 상기 구동모터(80)를 조작하기 위한 조작수단(90)을 더 포함함으로써 좀 더 용이하게 광섬유 케이블의 휨 정도를 조절할 수 있다.
여기에서, 본 실시예에 따른 레이저 빔 성형장치는 실질적으로 상술한 제1실시예와 동일한 구성을 갖고 있으므로, 본 실시예의 요지인 굴곡수단(60)의 구조에 대해서만 기술하기로 한다.
상기 굴곡수단(60)은 전원을 공급받아 작동되는 구동모터(80)에 의해 이동판(610)이 수직방향으로 이동되며, 상기 이동판(610)의 수직 이동에 따라 연결고리(600)와 연결된 상기 광섬유 케이블(10)이 함께 움직이게 된다.
이에 따라, 적어도 하나 이상의 고정수단(50)에 의해 일측 및 타측이 고정된 상기 광섬유 케이블(10)은 수직방향의 외력에 의해 굴곡되어 그 형상이 완곡한 'U'자 형으로 변형되며, 상기 이동판(610)의 위치를 변경함으로써 휘는 정도가 조절된다.
이때, 본 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 구동모터(80)와 전기적으로 연결되어 상기 구동모터(80)를 조작하기 위한 조작수단(90)이 구비된다.
상기 조작수단(90)은 외부 전원을 입력받아 상기 구동모터(80)로 전원을 인가하기 위한 ON/OFF 스위치 등이 구성되며, 상기 구동모터(80)의 속도 및 회전 방향 등을 제어하기 위해 다양한 전자 소자들로 구성된다.
한편, 상기 굴곡수단(60)의 이동판(610)은 고정되어 있는 상기 광섬유 케이블(10)의 일부분을 둘러싸도록 형성되는 상기 연결고리(600)와 결합된다.
이때, 상기 이동판(610)의 일측에는 상기 구동모터(80)의 회전축과 연결되어 상대적으로 회전하기 위한 제1연결대(630)가 구비된다. 예를 들어, 상기 제1연결대(630)는 상기 이동판(610)의 측면에 배치되며, 일반적인 기어 방식에 사용되는 톱니 형상의 랙(Rack)기어 형태인 것일 수 있다.
이와 함께, 상기 구동모터(80)는 상기 이동판(610)의 제1연결대(630)와 연결하기 위한 제2연결대(800)가 구비된다. 상기 제2연결대(800)는 일측이 상기 구동모터(80)의 회전축과 연결되고, 타측이 상기 제1연결대(630)와 연결된다. 이에 따라, 상기 구동모터(80)의 구동에 따라 제1 및 제2연결대(630, 800)는 회전하게 되며, 상기 제1연결대(630)와 연결된 상기 이동판(610)이 수직 이동이 가능해 진다.
이때, 상기 구동모터(80)의 제2연결대(800)는 상기 안착판(40)의 내부를 관통하여 상기 제1연결대(630)와 연결되거나, 외부로 노출되어 연결될 수 있다.
한편, 상기 안착판(40)과 접하는 상기 이동판(610)은 안정적인 수직 이동으 로 이탈을 방지하기 위해 가이드 구조를 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 이동판(610) 및 안착판(40)은 서로 접하는 면에 가이드 구조를 갖는다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 이동판(610)의 하부면에는 적어도 하나 이상의 가이드홈(640)이 형성되며, 상기 이동판(610)의 하부면과 접하는 상기 안착판(40)의 상부면에는 상기 가이드홈(640)과 대응하는 위치에 적어도 하나 이상의 가이드 레일(400)이 형성된다.
이상에서 살펴본 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었으나, 본 발명의 기술사상범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제1실시예를 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제1실시예에 따른 빔 프로파일러를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명 레이저 빔 성형장치의 제2실시예를 설명하기 위한 도면.
도 4는 상기 도 3의 확대 사시도.
도 5는 본 발명 레이저 빔 성형장치에 따라 출사되는 레이저 빔의 강도분포를 설명하기 위한 도면.
도 6은 사각형 코어를 갖는 광섬유 케이블을 본 발명 레이저 빔 성형장치에 적용한 예를 보인 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 간단한 설명***
1 : 시료면
10 : 광섬유 케이블 20 : 결합광학계
30 : 이미징광학계 40 : 안착판
50 : 고정수단 60 : 굴곡수단
70 : 빔 프로파일러 80 : 구동모터
90 : 조작수단 600 : 연결고리
610 : 이동판 620 : 고정핀
630 : 제1연결대 800 : 제2연결대

Claims (8)

  1. 레이저 빔을 전달하기 위한 광섬유 케이블;
    상기 광섬유 케이블로 레이저 빔을 집속하여 입사시키기 위한 결합광학계;
    상기 광섬유 케이블의 소정부위가 길이방향으로 안착되도록 구비되는 안착판;
    상기 안착판 상에서 상기 광섬유 케이블의 일측 및 타측을 각각 고정시키기 위한 적어도 하나 이상의 배치되는 고정수단; 및
    상기 안착판 상에 배치되며, 상기 고정수단을 통해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분에 길이방향으로부터 수직방향으로 외력을 제공하여 상기 광섬유 케이블의 일부분을 변형시키기 위한 굴곡수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블의 출사측과 연결되며, 상기 광섬유를 통해 전달되는 상기 레이저 빔을 이미징하여 시료면에 조사시키기 위한 이미징광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시료면과 인접하도록 상기 이미징광학계의 촛점면에 위치하며, 상기 시 료면에 조사되는 상기 레이저 빔의 강도분포를 계측하기 위한 빔 프로파일러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 굴곡수단은
    상기 고정수단에 의해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분을 둘러싸도록 형성되는 연결고리;
    상기 연결고리와 결합되며, 소정 간격으로 적어도 하나 이상의 고정공이 형성되는 이동판; 및
    상기 이동판의 고정공들을 통해 상기 안착판과 결합하기 위한 고정핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 굴곡수단은
    상기 고정수단에 의해 고정되는 상기 광섬유 케이블의 일부분을 둘러싸도록 형성되는 연결고리;
    상기 연결고리와 결합되며, 일측에 제1연결대가 구비되는 이동판;
    상기 이동판의 제1연결대와 연결되어 상대적으로 회전하는 제2연결대가 구비되며, 상기 제2연결대를 회전시켜 상기 이동판을 수직방향으로 이동시키기 위한 구동모터; 및
    상기 구동모터를 조작하기 위한 조작수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  6. 제4항 또는 5항에 있어서,
    상기 이동판의 하부면에 적어도 하나 이상의 가이드홈이 형성되며, 상기 이동판의 하부면과 접하는 상기 안착판의 상부면에는 상기 가이드홈과 대응하는 위치에 적어도 하나 이상의 가이드 레일이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 케이블은
    그 코어 단면이 원형(circular) 또는 사각형(square)인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 레이저 빔은
    광섬유로 전송 가능한 자외선, 가시광선 및 근적외선 파장의 연속출력과 펄스형 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형장치.
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