KR20110006448A - 멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치 - Google Patents

멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치 Download PDF

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Abstract

멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공 장치는, 복수의 레이저빔을 출사하는 멀티빔 파이버 레이저 발진기와, 복수의 레이저빔을 전송하는 복수의 전송 광파이버와, 복수의 전송 광파이버를 통해 전송된 복수의 레이저빔을 평행광으로 만드는 복수의 콜리메이터 유닛과, 복수의 전송 광파이버를 복수의 콜리메이터 유닛에 착탈 가능하도록 결합하는 복수의 광 컨넥터와, 복수의 콜리메이터 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 가공하고자 하는 기판상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 복수의 스캐너 유닛과, 복수의 스캐너 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 소정 직경의 스폿으로 집속시키기 위한 집속 렌즈를 구비한다. 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기는, 이득매질이 도핑된 코어와 2중 클래드 구조를 가진 복수의 광파이버와, 복수의 광파이버의 양단에 광학적으로 대향하여 배치된 복수의 광공진기와, 복수의 광파이버의 이득매질을 여기시키는 복수의 이득매질 여기유닛과, 복수의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기를 구비한다. 상기 복수의 광파이버, 복수의 광공진기 및 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 케이스 내에 배치되고, 상기 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 베이스 플레이트상에 설치될 수 있다.

Description

멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치{Laser machining apparatus having multi-beam fiber laser generator}
본 발명은 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 레이저빔을 출사할 수 있으며 구조가 콤팩트화된 멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
통상적인 레이저 가공 장치는, 레이저빔을 가공하고자 하는 기판상에 조사하면서 드릴링(drilling), 마킹(marking), 또는 커팅(cutting) 등의 가공 작업을 수행하는 장치를 말한다. 이러한 레이저 가공 장치에는 레이저빔을 출사하는 레이저 발진기가 사용되고 있으며, 최근에는 광파이버를 이용하는 파이버 레이저 발진기의 사용이 증가하는 추세이다.
도 1은 종래의 통상적인 레이저 가공 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 통상적인 파이버 레이저 발진기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 종래의 레이저 가공 장치에 있어서, 파이버 레이저 발진기(10)로부터 출사된 레이저빔은 콜리메이터 유닛(11)에서 평행광으로 된 뒤, 빔 익스팬더(beam expander, 12)에서 원하는 직경으로 조절된다. 상기 빔 익스팬더(12)를 통과한 레이저빔은 스캐너 유닛(14)과 집속렌즈(15)를 거쳐 지지대(17) 상에 안착된 가공하고자 하는 기판(16)상에 조사된다. 상기 스캐너 유닛(14)은 통상적으로 한 쌍의 X축 갈바노미터 스캐너와 Y축 갈바노미터 스캐너로 구성된다. 한편, 레이저빔의 조사 방향에 따라, 레이저빔의 경로상에는 레이저빔의 방향을 변경하기 위한 반사경(13)이 배치될 수 있다.
그리고, 상기 파이버 레이저 발진기(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 이득매질이 도핑된 코어를 가진 광파이버(20)와, 상기 광파이버(20)의 양단에 광학적으로 대향하여 배치된 광공진기(31, 32)와, 광파이버(20) 내의 이득매질을 여기시키기 위한 레이저빔을 출사하는 레이저 다이오드(40)를 포함한다. 상기 광공진기(31, 32)는, 광파이버(20)의 출력단에 배치된 출력경(31)과 반대쪽 단부에 배치된 전반사경(32)으로 이루어져 있다. 상기 광파이버(20), 광공진기(31, 32) 및 레이저 다이오드(40)는 케이스(50) 내에 설치되어 보호된다. 그리고, 상기 파이버 레이저 발진기(10)는 도시되지는 않았지만 레이저 다이오드 전원과, 레이저빔의 출사를 제어하는 제어유닛을 가지고 있다.
상기 파이버 레이저 발진기(10)에 있어서, 레이저 다이오드(40)로부터 출사된 여기용 레이저빔이 광결합기(fiber combiner)(22)를 통해 광파이버(20) 내로 입사되면, 광파이버(20) 내의 이득매질이 여기되면서 레이저빔이 발생되고, 발생된 레이저빔은 광파이버(20)의 출력단에 배치된 출력경(31)을 통해 출사된다.
상기한 바와 같이, 레이저 발진기(10)로부터 출사되는 레이저빔은 레이저 가 공 장치의 레이저빔 전송수단, 예컨대 콜리메이터 유닛(11), 빔 익스팬더(12), 반사경(13), 스캐너 유닛(15), 및 집속렌즈(15) 등을 통해 전송된 후, 최종적으로 가공하고자 하는 기판(16)상에 조사되면서 상기한 가공 작업이 수행되는 것이다.
한편, 레이저 가공 속도의 향상 또는 다양한 가공 작업의 동시 수행 등을 위해 다수의 레이저빔이 사용되는 경우가 있다. 이와 같은 경우, 종래에는 하나의 레이저 발진기로부터 출사된 레이저빔을 빔 스플리터를 이용하여 두 개 또는 네 개 이상의 레이저빔으로 분할하여 사용하거나, 레이저 가공 장치에 복수의 레이저 발진기를 설치하여 사용하였다.
그런데, 전자의 경우에는 레이저빔이 빔 스플리터를 거치면서 출력 손실이 일어나게 되는 단점과, 복수의 레이저빔이 하나의 레이저 발진기로부터 출사된 것이어서 각각의 레이저빔을 별도로 제어하기 곤란한 단점이 있다. 따라서, 복수의 레이저빔이 동일한 가공 작업만 수행할 수 있는 단점이 있으며, 또한 레이저 발진기에 이상이 있을 경우 전체 가공 작업이 중단되는 단점도 있다.
그리고, 후자의 경우, 즉 레이저 가공 장치에 복수의 레이저 발진기를 설치할 경우에는, 설치 공간이 커지게 되는 단점과 비용이 증가하는 단점이 있다.
또한, 후자의 경우, 복수의 레이저 발진기로부터 출사된 복수의 레이저빔과 그 각각의 전송수단의 광학계들 사이의 광축 정렬은 매우 어려운 작업이다. 그런데, 레이저 가공 장치에 대한 시험이 끝난 후, 다른 장소로 이동하여 재설치할 경우에는, 운송 및 설치 과정에서 레이저빔의 광축이 흔들릴 수 있으며, 이 경우에는 다시 광축 정렬을 하여야 하는 불편한 점이 있다. 그리고, 복수의 레이저 발진기 중 일부 또는 전부를 교체할 경우에도 다시 광축 정렬을 하여야 하는 불편한 점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 특히 복수의 레이저빔을 출사할 수 있으면서 구조가 콤팩트화된 멀티빔 파이버 레이저 발진기를 구비한 레이저 가공 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 가공 장치는,
복수의 레이저빔을 출사하는 멀티빔 파이버 레이저 발진기; 상기 복수의 레이저빔을 전송하는 복수의 전송 광파이버; 상기 복수의 전송 광파이버를 통해 전송된 복수의 레이저빔을 평행광으로 만드는 복수의 콜리메이터 유닛; 상기 복수의 전송 광파이버를 상기 복수의 콜리메이터 유닛에 착탈 가능하도록 결합하는 복수의 광 컨넥터; 상기 복수의 콜리메이터 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 가공하고자 하는 기판상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 복수의 스캐너 유닛; 및 상기 복수의 스캐너 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 소정 직경의 스폿으로 집속시키기 위한 집속 렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 광 컨넥터는 각각 상기 전송 광파이버 각각의 출력단에 결합된 플러그와, 상기 복수의 콜리메이터 유닛 각각에 결합된 어댑터를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 콜리메이터 유닛과 복수의 스캐너 유닛 사이에는 복수의 레이저빔의 직경을 조절하기 위한 복수의 빔 익스팬더가 배치될 수 있 다.
본 발명에 있어서, 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 일 예는, 이득매질이 도핑된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 제1클래드층과, 상기 제1클래드층을 둘러싸는 제2클래드층을 포함하는 복수의 광파이버; 상기 복수의 광파이버의 양단에 광학적으로 대향하여 배치된 복수의 광공진기; 상기 복수의 광파이버의 이득매질을 여기시키는 복수의 이득매질 여기유닛; 및 상기 복수의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기;를 구비하며,
상기 복수의 광파이버, 복수의 광공진기 및 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 케이스 내에 배치되고, 상기 복수의 광파이버의 출력단들을 통해 복수의 레이저빔이 출사되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 광공진기는, 상기 복수의 광파이버의 양단에 각각 배치된 전반사경과 출력경 또는 파이버 브래그 그레이팅을 포함할 수 있다.
한편, 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 다른 예는, 이득매질이 도핑된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 제1클래드층과, 상기 제1클래드층을 둘러싸는 제2클래드층을 포함하는 공유 광파이버; 상기 공유 광파이버로부터 분할된 복수의 분할 광파이버; 상기 공유 광파이버의 일단과 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 광학적으로 대향하여 배치된 광공진기; 상기 공유 광파이버의 이득매질을 여기시키는 복수의 이득매질 여기유닛; 및 상기 복수의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기;를 구비하며,
상기 공유 광파이버, 복수의 분할 광파이버, 광공진기 및 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 케이스 내에 배치되고, 상기 복수의 분할 광파이버의 출력단들을 통해 복수의 레이저빔이 출사되는 것을 특징으로 한다.
상기 광공진기는, 상기 공유 광파이버의 일단에 배치된 전반사경과 상기 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 배치된 출력경을 포함할 수 있다. 또는, 상기 광공진기는, 상기 공유 광파이버의 일단과 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 배치된 파이버 브래그 그레이팅을 포함할 수 있다.
상기 복수의 분할 광파이버는 광결합기를 통해 상기 공유 광파이버에 연결될 수 있다.
상기 제1클래드층의 굴절률은 상기 코어의 굴절률보다 낮고, 상기 제2클래드층의 굴절률은 상기 제1클래드층의 굴절률보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 복수의 이득매질 여기유닛을 구동하기 위한 복수의 전원이 마련되고, 상기 제어기는 상기 복수의 전원에 연결될 수 있다.
상기 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 베이스 플레이트상에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 복수의 이득매질 여기유닛 각각은 여기용 레이저빔을 출사하는 복수의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 복수의 이득매질 여기유닛 각각은 하나의 모듈로 구성되어 상기 베이스 플레이트에 착탈 가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 베이스 플레이트의 하부에는 히트싱크가 설치될 수 있다.
상기한 구성을 가진 본 발명에 따른 레이저 가공 장치에 의하면, 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 구성요소들이 하나의 케이스 내에 배치되고, 복수의 이득매질 여기유닛을 구성하는 모든 레이저 다이오드가 하나의 베이스 플레이트상에 설치되므로, 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 구조가 콤팩트화되어 그 크기가 종래에 비해 훨씬 작아질 수 있다. 따라서, 상기한 멀티빔 파이버 레이저 발진기를 장착한 레이저 가공 장치의 크기도 종래 단순히 복수의 레이저 발진기를 장착한 경우에 비해 줄어들 수 있으며 제조 원가도 감소될 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치에 구비된 멀티빔 파이버 레이저 발진기는 복수의 이득매질 여기유닛 각각을 별도로 제어할 수 있도록 구성된다. 따라서, 복수의 레이저빔 각각이 독립적인 가공 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 필요에 의해 복수의 이득매질 여기유닛 전부를 제어하여 복수의 레이저빔을 출사할 수 있으며, 하나 또는 일부의 이득매질 여기유닛을 제어하여 하나 또는 일부의 레어저빔만 출사할 수 있는 장점이 있다. 또한, 어느 하나의 이득매질 여기유닛에 이상이 있을 경우, 그 이득매질 여기유닛만 분리하여 교체하거나 수리할 수 있는 장점이 있으며, 이때 다른 레이저빔은 사용이 가능한 장점도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치에 있어서는, 멀티빔 파이버 레이저 발진기와 콜리메이터 유닛이 전송용 광파이버와 광 컨넥터에 의해 착탈 가능하게 결합된다. 따라서, 레이저 가공 장치에 대한 시험이 끝난 후, 다른 장소로 이동하여 재설치할 경우와 레이저 발진기를 교체하거나 수리할 경우에도 광축 정렬을 다시 할 필요가 없는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3과 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치는, 복수의 레이저빔을 출사하는 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)와, 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)로부터 출사된 복수의 레이저빔을 가공하고자 하는 기판(108)상에 조사되도록 하는 레이저빔 전송수단을 포함한다.
상기 파이버 레이저 발진기(100)는, 하나의 케이스(190) 내에 콤팩트하게 배치된 구조를 가지면서 복수의 레이저빔, 예컨대 2 개 이상, 바람직하게는 4 개의 레이저빔을 출사할 수 있는 구성을 가진다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명하기로 한다.
상기 레이저빔 전송수단은, 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)로부터 출사된 복수의 레이저빔, 예컨대 4 개의 레이저빔 각각을 전송하는 4 개의 전송 광파이버(101)와, 4 개의 콜리메이터 유닛(103)과, 4 개의 스캐너 유닛(106)과, 적어도 하나의 집속 렌즈(107)를 포함한다.
상기 4 개의 전송 광파이버(101)는 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)로부터 출사된 4 개의 레이저 빔을 4 개의 스캐너 유닛(103)으로 전송하기 위한 것이다.
상기 4 개의 콜리메이터 유닛(103)은 각각 콜리메이터 렌즈(102a)를 가지고 있으며, 4 개의 레이저빔 각각을 평행광으로 만드는 역할을 하게 된다.
상기 4 개의 전송 광파이버(101)와 4 개의 스캐너 유닛(103)은 서로 대응되는 것끼리 광 컨넥터(102)에 의해 연결된다. 구체적으로, 상기 광 컨넥터(102)는 전송 광파이버(101)의 출력단에 결합된 플러그(102a)와, 스캐너 유닛(103)에 결합된 어댑터(102b)를 구비하고 있으며, 상기 플러그(102a)가 어댑터(102b)에 착탈 가능하도록 결합된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 가공 장치에 있어서는, 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)와 콜리메이터 유닛(102)이 전송용 광파이버(101)와 광 컨넥터(102)에 의해 착탈 가능하게 결합된다. 따라서, 레이저 가공 장치에 대한 시험이 끝난 후, 다른 장소로 이동하여 재설치할 경우에도 광축이 흔들릴 염려가 없으므로 레이저빔과 광학계들 사이의 광축 정렬을 다시 할 필요가 없는 장점이 있다. 그리고, 레이저 발진기(100)를 교체하거나 수리할 경우, 광 컨넥터(102)의 플러그(102a)와 어댑터(102b)를 서로 분리한 후, 교체나 수리 후에 다시 결합하면 되므로, 이 경우에도 광축 정렬을 다시 할 필요가 없는 장점이 있다.
그리고, 상기 4 개의 스캐너 유닛(106) 각각은 입사된 레이저빔을 지지대(109)상에 안착된 기판(108)상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 것으로, 입사된 레이저빔을 X축 방향으로 제어하기 위한 X축 갈바노미터 스캐너와, 입사된 레이저빔을 Y축 방향으로 제어하기 위한 Y축 갈바노미터 스캐너로 구성될 수 있다.
상기 집속 렌즈(107)는, 상기 스캐너 유닛(103)을 거친 레이저빔을 소정 직경의 스폿으로 집속시켜 가공하고자 하는 기판(108)상에 조사하기 위한 것이다. 도 3에서는 4 개의 레이저빔에 대해 하나의 집속 렌즈(107)가 마련된 것으로 도시되어 있으나, 4 개의 레이저빔 각각에 대해 하나씩의 집속 렌즈(107)가 마련될 수도 있다.
한편, 상기 4 개의 콜리메이터 유닛(103)과 4 개의 스캐너 유닛(106) 각각 사이에는 레이저빔을 원하는 직경으로 조절하기 위한 빔 익스팬더(104)가 배치될 수 있으며, 또한 레이저빔의 방향을 변경하기 위한 반사경(105)이 배치될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)는, 이득매질이 도핑된 코어와 2중 클래드 구조를 가진 4 개의 광파이버(110)와, 상기 4 개의 광파이버(110) 각각의 양단에 광학적으로 대향하여 배치된 4 쌍의 광공진기(121, 122)와, 4 개의 이득매질 여기유닛과, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기(150)를 구비한다.
상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각은 소정 파장의 여기용 레이저빔을 출사하는 복수의 레이저 다이오드(130)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 레이저 다이오드(130)는 광결합기(fiber combiner)(115)를 통해 광파이버(110)에 연결될 수 있다. 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 구성하는 복수의 레이저 다이오드(130)에는 전원(140)이 연결된다. 즉, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각에 대해 하나씩의 전원(140)이 마련된다. 상기 전원(140)은 상기 복수의 레이저 다이오드(130)를 구동하기 위한 것으로, 상기 제어기(150)에 연결된다.
상기 제어기(150)는 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 별도로 제어할 수 있도록 구성된다. 따라서, 복수의 레이저빔 각각이 독립적인 가공 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 필요에 의해 4 개의 이득매질 여기유닛 전부를 제어하여 4 개의 레이저빔을 출사하도록 할 수 있고, 하나 또는 일부의 이득매질 여기유닛을 제어하여 1 개 내지 3 개의 레이저빔을 출사하도록 할 수 있다.
상기 광공진기(121, 122)는, 광파이버(110)의 출력단에 배치된 출력경(122)과 반대쪽 단부에 배치된 전반사경(121)으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 광공진기는 전반사경(121)과 출력경(122) 대신에 파이버 브래그 그레이팅(FBG; Fiber Bragg Grating)으로 구성될 수도 있다.
도 5는 도 4에 도시된 광파이버의 단면 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 광파이버에 의한 레이저빔의 발진 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 4 개의 광파이버(110) 각각은 이득매질이 도핑된 코어(111)와, 상기 코어(111)를 둘러싸는 제1클래드층(112)과, 상기 제1클래드층(112)을 둘러싸는 제2클래드층(113)을 포함하는 구조를 가진다.
상기 코어(111)에 도핑되는 이득매질로는 Nd, Yb 등과 같은 희토류 원소가사용될 수 있다. 그리고, 상기 코어(111)의 굴절률이 가장 높고, 제1클래드층(112)의 굴절률이 코어(111)의 굴절률보다 낮으며, 제2클래드층(113)의 굴절률이 제1클래드층(112)의 굴절률보다 낮도록 구성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(130)로부터 출사된 여기용 레이저빔이 광파이버(110)의 제2클래드층(113)을 통과하여 제1클래드층(112)으로 입사 된다. 여기용 레이저빔은 제1클래드층(112)과 제2클래드층(113)의 경계면에서 전반사되면서 제1클래드층(112)을 따라 진행한다. 이때, 여기용 레이저빔은 코어(111)를 교차하여 통과하면서 코어(111)에 도핑된 이득매질을 여기시키게 되고, 이에 따라 파이버 레이저빔이 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 레이저빔은 코어(111)를 따라 진행하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 출력경(122)을 통해 외부로 출사되는 것이다.
다시, 도 4를 참조하면, 상기한 구성을 가진 4 개의 광파이버(110), 4 개의 이득매질 여기유닛을 구성하는 다수의 레이저 다이오드(130), 4 쌍의 광공진기(121, 122)는 하나의 케이스(190) 내에 배치된다. 한편, 상기 제어기(150)는 상기 케이스(190) 외부에 설치될 수 있으며, 또는 케이스(190) 내에 설치될 수도 있다.
도 7은 도 4에 도시된 복수의 레이저 다이오드가 하나의 기판상에 배치된 구조를 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 상기 케이스(190)의 베이스 플레이트(192) 상에는 상기 4 개의 이득매질 여기유닛을 구성하는 다수의 레이저 다이오드(130) 모두가 배치된다. 즉, 본 실시예의 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)에 포함되는 모든 레이저 다이오드(130)가 하나의 베이스 플레이트(192) 상에 배치되는 것이다. 상기 베이스 플레이트(192)의 하부에는 다수의 레이저 다이오드(130)로부터 발생된 열을 방출하기 위한 히트싱크(194)가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 구성하는 복수의 레이저 다 이오드(130)는 레이저 다이오드 어레이(132)를 구성할 수 있다. 즉, 상기 베이스 플레이트(192) 상에는 4 개의 레이저 다이오드 어레이(130)가 설치된다. 상기 4 개의 레이저 다이오드 어레이(132) 각각은, 도 7에 도시된 바와 같이, 예컨대 1열로 배열된 6 개의 레이저 다이오드(130)로 구성될 수 있으며, 또는 2열로 배열된 12개의 레이저 다이오드(130)로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 4 개의 레이저 다이오드 어레이(132)는 각각 하나의 모듈로 구성되어 베이스 플레이트(192)에 착탈 가능하도록 설치될 수 있다. 이 경우, 어느 하나의 레이저 다이오드 어레이(132)에 이상이 있을 경우, 그 레이저 다이오드 어레이(132)만 분리하여 교체하거나 수리할 수 있는 장점이 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면, 복수의 이득매질 여기유닛을 구성하는 모든 레이저 다이오드(130)가 하나의 베이스 플레이트(192)상에 설치되고, 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)의 구성요소들이 하나의 케이스(190) 내에 배치되므로, 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)의 구조가 콤팩트화되어 그 크기가 종래의 4 개의 레이저 발진기의 전체 크기에 비해 훨씬 작아질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)를 장착한 레이저 가공 장치의 크기도 종래 단순히 4 개의 레이저 발진기를 장착한 경우에 비해 줄어들 수 있으며 제조 원가도 감소될 수 있는 장점이 있다.
도 8은 도 3에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티빔 파이버 레이저 발진 기(200)는, 이득매질이 도핑된 코어와 2중 클래드 구조를 가진 1 개의 공유 광파이버(210)와, 상기 공유 광파이버(210)로부터 분할된 4 개의 분할 광파이버(218)와, 상기 공유 광파이버(210)의 일단과 4 개의 분할 광파이버(218) 각각의 출력단에 광학적으로 대향하여 배치된 광공진기(221, 222)와, 4 개의 이득매질 여기유닛과, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기(250)를 구비한다.
상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각은 소정 파장의 여기용 레이저빔을 출사하는 복수의 레이저 다이오드(230)를 포함할 수 있다. 상기 복수의 레이저 다이오드(230)는 광결합기(fiber combiner)(215)를 통해 공유 광파이버(210)에 연결될 수 있다. 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 구성하는 복수의 레이저 다이오드(230)에는 전원(240)이 연결된다. 즉, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각에 대해 하나씩의 전원(240)이 마련된다. 상기 전원(240)은 상기 복수의 레이저 다이오드(230)를 구동하기 위한 것으로, 상기 제어기(250)에 연결된다.
상기 제어기(250)는 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 별도로 제어할 수 있도록 구성된다. 따라서, 필요에 의해 4 개의 이득매질 여기유닛 전부를 제어하여 4 개의 레이저빔을 출사하도록 할 수 있고, 하나 또는 일부의 이득매질 여기유닛을 제어하여 1 개 내지 3 개의 레이저빔을 출사하도록 할 수 있다.
상기 광공진기(221, 222)는, 공유 광파이버(210)의 일단에 배치된 전반사경(221)과, 4 개의 분할 광파이버(218) 각각의 출력단에 배치된 출력경(222)으로 구성될 수 있다. 한편, 상기 광공진기는 전반사경(221)과 출력경(222) 대신에 파이버 브래그 그레이팅(FBG; Fiber Bragg Grating)으로 구성될 수도 있다.
상기 공유 광파이버(210)의 구조와 작용은 도 5와 도 6에 도시된 본 발명의 일 실시예의 광파이버(110)와 동일하다. 다만, 도 4에 도시된 파이버 레이저 발진기(100)의 광파이버(110)는 4 개의 이득매질 여기유닛 각각에 대해 하나씩, 모두 4 개가 마련되는데 반하여, 도 8에 도시된 파이버 레이저 발진기(200)에서는 4 개의 이득매질 여기유닛 모두에 대해 공유된 하나의 공유 광파이버(210)만 마련된다는 점에서 차이가 있다. 이와 같이, 공유 광파이버(210) 내에서 발생된 파이버 레이저빔은 4 개의 분할 광파이버(218)를 통해 분할되어 최종적으로는 4 개의 레이저빔으로 출사된다. 상기 4 개의 분할 광파이버(218)는 광결합기(217)를 통해 공유 광파이버(210)에 연결될 수 있다.
상기한 구성을 가진 한 개의 공유 광파이버(210), 4 개의 분할 광파이버(218), 4 개의 이득매질 여기유닛을 구성하는 다수의 레이저 다이오드(230), 광공진기(221, 222)는 하나의 케이스(290) 내에 배치된다. 한편, 상기 제어기(250)는 상기 케이스(290) 외부에 설치될 수 있으며, 또는 케이스(290) 내에 설치될 수도 있다.
그리고, 도 8에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기(200)에 있어서도 도 7에 도시된 구성이 적용될 수 있다. 즉, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛을 구성하는 다수의 레이저 다이오드(230) 모두는 상기 케이스(290)의 베이스 플레이트상에 배치될 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기(200)에 포함되는 모든 레이저 다이오드(230)가 하나의 베이스 플레이트상에 배치되는 것이다. 또한, 상기 4 개의 이득매질 여기유닛 각각을 구성하는 복수의 레이저 다이오드(230)는 레이저 다이오드 어레이를 구성할 수 있다. 또한, 상기 4 개의 레이저 다이오드 어레이는 각각 하나의 모듈로 구성되어 베이스 플레이트에 착탈 가능하도록 설치될 수 있다.
상기한 구성을 가진 멀티빔 파이버 레이저 발진기(200)도 전술한 도 4에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기(100)와 동일한 장점을 가지므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 통상적인 레이저 가공 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 통상적인 파이버 레이저 발진기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 광파이버의 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 광파이버에 의한 레이저빔의 발진 메커니즘을 도시한 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 복수의 레이저 다이오드가 하나의 기판상에 배치된 구조를 도시한 사시도이다.
도 8은 도 3에 도시된 멀티빔 파이버 레이저 발진기의 다른 예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200...멀티빔 파이버 레이저 발진기
101...전송 광파이버 102...광 컨넥터
103...콜리메이터 유닛 104...빔 익스팬더
105...반사경 106...스캐너 유닛
107...집속 렌즈 108...기판
110...광파이버 111...코어
112...제1클래드층 113...제2클래드층
115,215,217...광결합기 121,122,221,222...광공진기
130,230...레이저 다이오드 132...레이저 다이오드 어레이
140,240...전원 150,250...제어기
190,290...케이스 192...베이스 플레이트
194...히트싱크 210...공유 광파이버
218...분할 광파이버

Claims (15)

  1. 레이저 가공 장치에 있어서,
    복수의 레이저빔을 출사하는 멀티빔 파이버 레이저 발진기;
    상기 복수의 레이저빔을 전송하는 복수의 전송 광파이버;
    상기 복수의 전송 광파이버를 통해 전송된 복수의 레이저빔을 평행광으로 만드는 복수의 콜리메이터 유닛;
    상기 복수의 전송 광파이버를 상기 복수의 콜리메이터 유닛에 착탈 가능하도록 결합하는 복수의 광 컨넥터;
    상기 복수의 콜리메이터 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 가공하고자 하는 기판상의 원하는 위치로 편향시키기 위한 복수의 스캐너 유닛; 및
    상기 복수의 스캐너 유닛을 경유한 복수의 레이저빔을 소정 직경의 스폿으로 집속시키기 위한 집속 렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 광 컨넥터는 각각 상기 전송 광파이버 각각의 출력단에 결합된 플러그와, 상기 복수의 콜리메이터 유닛 각각에 결합된 어댑터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 콜리메이터 유닛과 복수의 스캐너 유닛 사이에는 복수의 레이저빔의 직경을 조절하기 위한 복수의 빔 익스팬더가 배치된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기는,
    이득매질이 도핑된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 제1클래드층과, 상기 제1클래드층을 둘러싸는 제2클래드층을 포함하는 복수의 광파이버와;
    상기 복수의 광파이버의 양단에 광학적으로 대향하여 배치된 복수의 광공진기와;
    상기 복수의 광파이버의 이득매질을 여기시키는 복수의 이득매질 여기유닛과;
    상기 복수의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기;를 포함하며,
    상기 복수의 광파이버, 복수의 광공진기 및 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 케이스 내에 배치되고, 상기 복수의 광파이버의 출력단들을 통해 복수의 레이저빔이 출사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 광공진기는, 상기 복수의 광파이버의 양단에 각각 배치된 전반사경과 출력경 또는 파이버 브래그 그레이팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이 저 가공 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 멀티빔 파이버 레이저 발진기는,
    이득매질이 도핑된 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 제1클래드층과, 상기 제1클래드층을 둘러싸는 제2클래드층을 포함하는 공유 광파이버와;
    상기 공유 광파이버로부터 분할된 복수의 분할 광파이버와;
    상기 공유 광파이버의 일단과 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 광학적으로 대향하여 배치된 광공진기와;
    상기 공유 광파이버의 이득매질을 여기시키는 복수의 이득매질 여기유닛; 및
    상기 복수의 이득매질 여기유닛을 제어하는 제어기;를 포함하며,
    상기 공유 광파이버, 복수의 분할 광파이버, 광공진기 및 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 케이스 내에 배치되고, 상기 복수의 분할 광파이버의 출력단들을 통해 복수의 레이저빔이 출사되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광공진기는, 상기 공유 광파이버의 일단에 배치된 전반사경과 상기 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 배치된 출력경을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 광공진기는, 상기 공유 광파이버의 일단과 복수의 분할 광파이버 각각의 출력단에 배치된 파이버 브래그 그레이팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 분할 광파이버는 광결합기를 통해 상기 공유 광파이버에 연결된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  10. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 제1클래드층의 굴절률은 상기 코어의 굴절률보다 낮고, 상기 제2클래드층의 굴절률은 상기 제1클래드층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  11. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 이득매질 여기유닛을 구동하기 위한 복수의 전원이 마련되고, 상기 제어기는 상기 복수의 전원에 연결된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  12. 제 4항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 복수의 이득매질 여기유닛은 하나의 베이스 플레이트상에 설치된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 이득매질 여기유닛 각각은 여기용 레이저빔을 출사하는 복수의 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 이득매질 여기유닛 각각은 하나의 모듈로 구성되어 상기 베이스 플레이트에 착탈 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 하부에는 히트싱크가 설치된 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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