KR20130058685A - 레이저 빔 분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 전력 레이저 빔에 의해 생성된 레이저 빔의 공간 프로파일, 진원도, 중심, 비점수차 및 M2 값들의 실시간 측정을 가능하게 하는 장치에 관한 것이다. 그 장치는 초점 렌즈 및 커버 글래스를 포함하여, 프로세스 애플리케이션에서 이용되는 광학기기들을 채용한다. 감쇠 모듈은 서로에 대하여 레이저 빔으로의 공통 입사각으로 이격된, 평행 배치된 고 반사 미러 플레이트 쌍을 포함한다. 빔 덤프는 제 1 및 제 2 미러들에 의해 반사된 광의 수신 관계에서 레이저 빔의 이동 경로 밖에 위치된다. 카메라는 제 1 및 제 2 미러를 통과하는 광의 스폿들을 검출한다. 고 반사 미러 쌍에 의해 형성된 고 전력 감쇠기는 소스와 감쇠 모듈 사이에 위치된다. 제 2 실시형태는 고 반사 표면들을 갖는 단일 미러 플레이트를 포함한다.

Description

레이저 빔 분석 장치{LASER BEAM ANALYSIS APPARATUS}

관련된 출원들의 상호 참조

본 출원은 2010 년 4 월 8 일에 출원된 "레이저 빔 분석 장치" 라는 명칭의 현재 계류중인 미국 특허 가출원 제 12/756,476 호를 우선권 주장하며, 이 가출원은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.

발명의 기술분야

본 발명은 일반적으로, 레이저 빔들을 분석하는 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 고전력 레이저 빔들을 분석하는 기술에 관한 것이다.

고전력 레이저 빔을 분석하기 위한 종래의 장치는 칼날과 같이 작용하는 회전형 니들을 포함한다. 회전형 니들은 포커싱된 레이저 빔의 소형 샘플링을 검출기 내로 반사한다. 니들은 회전될 때 광학 축을 따라 이동하며, 포커싱된 레이저 빔의 빔 웨이스트 (beam waist) 를 측정한다.

Primes GmbH 는 전력을 10 킬로와트 (CW) 까지 측정할 수 있는 유닛을 판매한다. 그 유닛은 세심한 조정을 필요로 하며, 측정을 수행하는데 몇 분이 걸린다. 그 유닛은 부피가 크고, 생산 프로세스에서 실시간 측정이 용이하지 않다.

미국 특허들 제 5,064,284 호, 제 5,069,527 호, 제 5,078,491 호, 제 5,100,231 호, 제 5,214,485 호, 제 5,267,012 호 및 제 5,459,565 호와 같은 다수의 특허들은 멀티 모드 레이저 빔을 회전형 칼날을 통과시킨 후 초점을 광학 축을 따라 검출기로 이동시킴으로써 멀티 모드 레이저 빔을 분석하는 방법을 개시한다.

이러한 접근 방식의 단점은 장치의 부피가 크고 다수의 가동부들을 필요로 한다는 점이다. 따라서, 레이저 빔의 신속한 실시간 분석이 용이하지 않다.

미국 특허 제 5,329,350 호는 한 쌍의 웨지들 및 제 2 감쇠 어셈블리로 빔을 감쇠시킴으로써 레이저 빔을 분석하는 방법을 개시한다. 그 후에 광은 렌즈 및 일련의 부분 반사 플레이트들을 통과하며, 여기서 생성되는 빔들의 수는 이용된 부분 반사 플레이트들의 수의 2 배이고, 그 후에 다수의 스폿들을 동시에 보기 위해 빔을 검출기 상에 지향시킨다.

이러한 방법은 상당수의 광학기기들을 필요로 하고, 긴 초점 거리의 렌즈들로 레이저 빔을 분석하도록 제한된다. 이러한 제한은 일련의 플레이트들을 적층하는 것이 측정될 수 있는 빔 웨이스트를 제한하기 때문에 존재하며, 약 300 밀리미터 (300㎜) 보다 훨씬 적은 초점 거리로 빔을 분석하는 얇은 플레이트들을 제작하는 것을 어렵게 한다.

앞서 언급된 특허들에 개시된 이전의 발명들은 종래의 재료 프로세싱 시스템의 광학 컴포넌트들 전부를 이용하여 빔을 분석할 수 없다. 종래 기술의 디바이스들은 또한 레이저 빔이 오프라인으로 측정되어야 한다.

미국 특허 제 6,313,910 호는 분석될 빔 웨이스트의 광학 축을 따라 배치된 개구부의 회전을 개시한다. 이러한 디바이스는 다소 소형이며, 더 실시간의 측정을 허용하지만, 측정 프로세스를 늦추는 가동부들을 포함하고, 수십 킬로와트의 전력으로 레이저들을 분석하기 위해 허용되지 않는 감쇠 수단을 제공한다.

따라서, 소형이고 가동부들에 대해 자유로우며, 적은 수의 광학기기들을 가지고, 종래의 재료 프로세싱 시스템의 광학 컴포넌트들 전부를 이용하며, 빔을 허용가능한 방식으로 감쇠시켜 빔이 인 시츄 (in situ) 로 측정될 수 있게 하는, 고 전력 레이저 빔들을 분석하는 장치가 요구된다.

그러나, 본 발명이 형성되는 시점에 전체적으로 고려되는 기술과 관련하여, 그 기술의 제한들이 극복될 수 있는 방식은 당업자에게 명백하지 않다.

오랫동안, 그러나 지금까지, 가동부들 없이 실시간에 온라인으로 레이저 빔들을 분석하는 소형의 장치들에 대한 실현되지 않았던 요구는, 지금부터 신규하고, 유용하며, 명백하지 않은 발명에 의해 충족된다.

신규한 장치는 고 전력 레이저에 의해 생성된 레이저 빔의 공간 프로파일, 진원도 (circularity), 중심 (centroid), 비점수차 (astigmatism) 및 M2 값들의 실시간 측정 및 분석을 가능하게 한다. 그 장치는 초점 렌즈 및 커버 글래스를 포함하여 프로세스 애플리케이션에서 이용되는 광학기기들을 채용한다.

신규한 장치는 고 전력 레이저 빔을 감쇠시키고 복수의 포커싱된 레이저 스폿들을 제공하기 위해 최소 수의 광학기기들을 채용한다. 각각의 스폿은 관심있는 포커싱된 빔 웨이스트의 일부분을 나타낸다. 각각의 스폿은 단일 CCD, CMOS 또는 임의의 다른 픽셀단위 (pixilated) 검출기 또는 카메라에 충돌한다. 따라서, 그 장치는 레이저의 빔 속성들에 관한 실시간 데이터를 제공한다.

특히, 고 전력 레이저 빔들의 분석을 가능하게 하는 본 발명의 장치는 서로에 대하여 레이저 빔에 대한 공통 입사각으로 이격된, 평행 배치된 고 반사 미러 플레이트 쌍을 포함하는 감쇠 모듈을 포함한다.

고 반사 미러 플레이트 쌍은 레이저 빔의 소스에 면하는 제 1 표면상에 반사 방지 코팅을 갖고 소스와 떨어져 있는 제 2 표면상에 고 반사 코팅을 갖는 제 1 미러를 포함한다.

고 반사 미러 플레이트 쌍은 또한 소스와 떨어져 있는 제 2 표면상에 반사 방지 코팅을 가지고 소스에 면하는 제 1 표면상에 고 반사 코팅을 가지는 제 2 미러를 포함한다.

제 1 빔 덤프는 제 1 및 제 2 미러들에 의해 반사되는 광의 수신과 관련하여 레이저 빔의 이동 경로 밖에 위치된다.

제 1 카메라는 제 1 및 제 2 미러들을 통과하는 광의 스폿들을 검출한다. 레이저 빔은 제 1 카메라에 의해 분석될 수 있도록 실질적으로 감쇠된다.

초점 렌즈는 소스와 감쇠 멀티-스폿 모듈 사이에 배치되고, 도브 프리즘 (dove prism) 은 소스와 초점 렌즈 사이에 배치된다. 제 2 카메라는 레이저 빔의 이동 경로 밖에 배치되고 도브 프리즘은 레이저 빔으로부터의 적어도 일부 광을 제 2 카메라 내에 반사시키는 제 1 반사면을 갖는다.

고 반사 미러 쌍에 의해 고 전력 감쇠기가 형성되고, 이 감쇠기는 소스와 도브 프리즘 사이에 배치된다. 고 반사 미러 쌍은 소스에 면하는 제 1 표면을 갖는 제 1 고 반사 미러와 소스에 면하는 제 1 표면을 갖는 제 2 고 반사 미러를 포함한다. 제 2 빔 덤프는 레이저 빔의 이동 경로 밖에 배치되고, 제 1 고 반사 미러는 소스로부터의 광을 제 2 빔 덤프로 반사시킨다. 제 3 빔 덤프 또한 레이저 빔의 이동 경로 밖에 배치되고, 제 2 고 반사 미러는 소스로부터의 광을 제 3 빔 덤프로 반사시킨다.

제 1 고 반사 미러는 레이저 빔의 이동 경로에 대하여 45 도 각도로 위치되고, 제 2 고 반사 미러는 이동 경로에 대하여 135 도 각도로 위치된다. 제 1 고 반사 미러는 원래의 이동 경로에서 굴절-관련 변위를 발생하고, 제 2 고 반사 미러는 레이저 빔을 원래의 이동 경로로 리턴시킨다.

제 1 및 제 2 카메라들은 픽셀단위 검출기들이다. 이들 각각은 전하-결합 소자, 상보형 금속 산화물 반도체, 또는 기타 등등의 형태로 제공된다.

본 발명의 주요 목적은 커팅, 드릴링, 스크라이빙, 마킹, 용접 또는 다른 트리트먼트를 위해 이용되는 종래의 재료 프로세싱 시스템으로 높은 전력 (수십 킬로와트, CW) 을 인 시츄로 측정하는 것이다.

다른 목적은 가동부들을 가지지 않는 장치를 제공하는 것이다.

또 다른 중요한 목적은 광학 소자들의 수를 감소시키고, ND 필터 (neutral density filter) 의 이용을 회피하는 것이다.

본 발명의 상기의 및 다른 중요한 목적들, 장점들 및 특징들은 하기의 설명이 계속됨에 따라 명확해질 것이다.

따라서, 본 발명은 하기의 설명에서 예시될 구성의 특징들, 엘리먼트들의 결합 및 부품들의 배치를 포함하며, 본 발명의 범위는 청구항들에 나타날 것이다.

본 발명의 특징과 목적들의 더 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면들과 관련하여 하기의 상세한 설명이 참조될 것이다:
도 1 은 신규한 장치의 도면이다.
도 2 는 고 전력 레이저에 대하여 구성될 경우 신규한 장치의 도면이다.
도 3 은 도 1 및 도 2 의 실시형태들의 반사면들의 확대도이며, 고정된 축 지연에 의해 광이 감쇠되고 다중 빔들로 분할되는 방식을 도시한다.
도 4 는 픽셀단위 검출기 상에 포커싱된 광의 강도 분포와 광이 빔 웨이스트를 통해 포커싱되는 방식의 그래프이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태를 도시한다.
도 6 은 도 5 의 실시형태의 반사면들의 확대도이다.

이제 도 1 을 참조하면, 신규한 장치의 도식적인 표현이 전체적으로 도면부호 10 으로 표시되는 것이 보여질 것이다.

상업적으로 이용가능한 고 전력 광섬유 레이저는 10 킬로와트 (10㎾) 를 초과하는 전력을 갖는다. 그 일부는 20 킬로와트 (20㎾) 를 초과하는 전력을 갖는다. 신규한 장치는 10 킬로와트보다 큰 전력을 갖는 광섬유 레이저 빔 (12) 을 한쌍의 고 반사 미러 플레이트들 (16 및 18) 을 포함하는 감쇠 모듈 (14) 내에 수용한다.

도 2 에 도시된 것과 같이, 고 전력 레이저에 대하여 신규한 장치가 구성된 경우에, 레이저 빔 (12) 은 45 도 (45°) 의 입사각으로 배향된 제 1 플레이트 (20) 에 부딪친다. 99 퍼센트 (99%) 이상의 광이 제 1 수냉식 (water-cooled) 고전력 빔 덤프 (22) 쪽으로 반사되어 레이저의 전력 대부분을 소멸시킨다.

제 1 플레이트 (20) 의 고 반사 표면을 통과하는 소량의 광은 고스트 반사 (ghost reflection) 를 최소화하도록 반사 방지 코팅된 제 1 미러 플레이트 (20) 의 제 2 표면에 부딪힌다. 그 후에, 광은 - 45 도 (- 45°) 입사각으로 배향된 제 2 고 반사 미러 플레이트 (24) 에 부딪히며, - 45°입사각은 또한 135 도 (135°) 입사각으로 설명될 수도 있다. 제 2 고 반사 미러 플레이트 (24) 는 도시된 것과 같은 제 1 미러 플레이트 (20) 에 의해 생성된 굴절-관련 빔 워크오프 (walk-off) 를 보상한다.

고 반사 미러 (24) 를 보상함으로써 반사된 광의 거의 99 퍼센트 (99%) 는 제 2 수냉식 빔 덤프 (26) 쪽으로 향한다. 레이저 전력 중 10 킬로와트 (10 ㎾) 가 장치 (10) 에 인가되면, 제 1 미러 (20) 는 제 1 액체 냉각식 빔 덤프 (22) 내에 약 9,900 와트 (9,900W) 를 덤핑한다. 그 후에, 약 100 와트 (100W) 가 제 2 미러 (24) 에 부딪히고, 제 2 미러 (24) 는 99 와트 (99W) 를 제 2 액체 냉각식 빔 덤프 (26) 에 보낸다. 레이저 전력 중 1 와트 (1W) 가 제 2 보상기 플레이트 (24) 를 통과한다.

레이저 빔 (12) 은 반사 방지 코팅된 도브 프리즘 (28) 으로 향한다. 도브 프리즘 (28) 의 제 1 표면으로부터의 적은 반사는 레이저 빔 (12) 의 공간 프로파일, 중심 및 엘립시비티 (ellipsivity) 를 측정하기 위해 전하-결합형 소자 (CCD; 30), 상보형 금속 산화물 반도체 (CMOS) 또는 다른 도시되지 않은 픽셀단위 검출기로 향한다.

대부분의 CCD 및 CMOS 카메라들은 대각선으로 1 인치 미만의 포맷들을 갖는다. 그러므로, 도시되지 않은 빔 감소 망원경은 빔 직경을 검출기 (30) 내로 감소시키는데 이용될 수 있으며, 이는 집광된 고 전력 광섬유 레이저의 직경이 직경 1 인치를 초과할 수 있기 때문이다.

도브 프리즘 (28) 은 빔 프로파일 카메라 (30) 에 대한 고스트-프리 (ghost free) 반사를 제공하고, 나머지 빔은 일탈 없이 광학 축을 따라 초점 렌즈 (32) 로 전파한다.

한 쌍의 고 반사 미러들 (14) 은 도 3 에 도시된 것과 같은 개별 고 반사 표면들 (16a, 18a) 상에 반사 방지 코팅된다. 상기 쌍 (14) 은 초점 렌즈 (32) 로부터 다운스크림에 위치된다. 미러들 (16, 18) 은 도 3 에 도시된 것과 같이 서로 면하는 개별 고 반사 표면들 (16b, 18b) 을 갖는다. 미러들 (16, 18) 사이의 간격은 수 마이크론으로부터 1 밀리미터 (1㎜) 이상까지 조절가능하다.

제 2 미러 (18) 는 2 개의 미러들 (14) 이 패브리 페로 공진기 (fabry-perot resonator) 배열을 형성하기 위해 서로 평행하도록 2 개의 미러들 (14) 을 정렬시키기 위해 수직 및 수평 조절 마운트에 의해 조절된다. 명목상 1 와트의 감쇠 전력은 제 1 반사 방지 코팅 표면 (16a) 을 통과함으로써 제 1 미러 (16) 상에 입사하고, 레이저 광의 99 퍼센트 (99%) 이상이 제 1 미러 (16) 에서 반사되어 도 1 및 도 2 에 도시된 것과 같이 간단한 빔 덤프 (34) 로 전송된다.

약 10 밀리와트 (10㎽) 의 나머지 광은 제 1 고 반사 미러 (16) 를 통과하여 제 2 고 반사 미러 (18) 에 부딪힌다. 이러한 2 개의 미러들 (14) 은 서로 평행하며, 따라서 반사광의 약 9 밀리와트 (9㎽) 가 2 개의 미러들 사이에서 전파한다. 각각의 반사는 그 전력의 약 1 퍼센트 (1%) 를 손실한다.

제 1 미러 (18) 를 통과하는 1 퍼센트 (1%) 는 적절한 CCD, CMOS 또는 도 2 에 도시된 것과 같은 다른 검출기 (36) 로 향하며, 2 개의 미러들 (14) 의 각도와 2 개의 고 반사 표면들 간의 에어 갭에 의해 결정된 특정 거리 만큼 이격되는 일련의 초점 스폿들을 모니터링한다.

광학축을 따르는 각각의 연속하는 스폿의 델타는 2(d/cosα) 에 기초하며, 여기서 d 는 미러들 (14) 사이의 공기 간격이고 α 는 거울 상의 광의 입사각이다. 검출기 상의 스폿들 간의 델타는 간격 d 가 감소함에 따라 감소하며, 이에 따라 더 고 해상도의 빔 웨이스트 측정을 제공한다.

카메라 (36) 상에 입사된 다중 스폿들 모두는 카메라 (36) 의 렌즈의 초점에서 레이저 빔 (12) 의 웨이스트를 결정하기 위해 상업적으로 이용가능한 소프트웨어에 의해 분석된다. 카메라 (36) 의 위치는 최소 스폿이 일련의 스폿들의 중앙에 위치하도록 설정된다.

신규한 시스템 (10) 은 검출기 사이즈 및 미러 쌍 (14) 의 각도에 의해서만 제한되는, 상당 수의 스폿들을 카메라 (36) 상에 가질 수 있다. 미러 쌍 (14) 상으로 광의 입사각이 너무 작으면, 광이 자체적으로 간섭하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 미러들의 분리 및 각도는 이러한 간섭을 방지하도록 조정된다.

도 4 는 검출기 (36) 와 같은 픽셀단위 검출기 상에 포커싱된 광의 강도 분포 및 광이 빔 웨이스트를 통해 포커싱되는 방식의 그래프이다.

도 5 는 단일 미러 (38) 가 미러들 (16, 18) 을 대체하는 본 발명의 제 2 실시형태를 도시한다.

도 6 은 고정된 축 지연에 의해 광이 감쇠되고 다중 빔들로 분할되는 방식을 도시하는, 도 5 의 실시형태의 반사 표면들의 클로즈업이다.

따라서, 앞서 설명된 목적들과 전술된 설명으로부터 인식되는 목적들은 효과적으로 달성되며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 앞의 구성에서 어떤 변경들이 실행될 수도 있기 때문에, 전술된 설명에 포함되고 첨부된 도면에 도시된 모든 사안들이 예시적인 것으로 해석되고, 제한적인 관점에서 해석되지 않는 것이 보여질 것이다.

하기의 청구항들은 본 명세서에 설명된 본 발명의 일반적이고 구체적인 특징 모두와 언어상의 문제로서 청구항들 사이에 있는 것으로 보여지는 본 발명의 범위의 모든 서술들을 커버하기 위한 것임이 이해될 것이다.

Claims (3)

1. 레이저 빔 소스로부터 방사된 레이저 빔의 분석을 가능하게 하는 장치로서,
   상기 레이저 빔의 소스에 면하는 제 1 표면상에 반사 방지 코팅을 가지고, 상기 소스로부터 떨어져 있는 제 2 표면상에 상기 레이저 빔의 1 퍼센트 (1%) 미만을 전송하는 비-흡수 고 반사 코팅을 가지는 제 1 미러를 포함하는 패브리 페로 (Fabry-Perot) 공진기로서, 상기 패브리 페로 공진기는 상기 소스로부터 떨어져 있는 제 2 표면상에 반사 방지 코팅을 가지고, 상기 소스에 면하는 제 1 표면상에 상기 레이저 빔의 1 퍼센트 (1%) 미만을 전송하는 비-흡수 고 반사 코팅을 가지는 제 2 미러를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 미러들은 상기 레이저 빔의 이동 경로에서 서로 이격된, 평행하는, 및 축방향의 정렬 관계로 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 미러들은 상기 레이저 빔에 대하여 0 도 이상 5 도 미만의 각도로 기울어지는, 상기 패브리 페로 공진기;
   상기 레이저 빔 소스와 상기 패브리 페로 공진기 사이에 배치된 초점 렌즈; 및
   상기 초점 렌즈와 상기 패브리 페로 공진기를 통과하는 광의 스폿들을 검출하는 제 1 픽셀단위 검출기 (pixelated detector) 를 포함하며,
   상기 초점 렌즈, 상기 패브리 페로 공진기 및 상기 제 1 픽셀단위 검출기는 상기 레이저 빔의 이동 경로에서 서로 축방향 정렬되고, 상기 초점 렌즈는 상기 레이저 빔 소스에 최인접하고, 상기 제 1 픽셀단위 검출기는 상기 레이저 빔 소스로부터 가장 멀리 떨어져 있으며, 상기 패브리 페로 공진기는 상기 초점 렌즈와 상기 제 1 픽셀단위 검출기 사이에 배치되며,
   이에 따라, 상기 레이저 빔은 실질적으로 감쇠되고, 전송된 광은 공간적으로 측면으로 오프셋되고 상기 패브리 페롯 공진기에서의 각각의 라운드 트립에 따라 시간 지연되어 상기 제 1 픽셀단위 검출기에 의해 분석될 수 있는, 레이저 빔의 분석을 가능하게 하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔 소스와 상기 초점 렌즈 사이에 배치되어 상기 레이저 빔 소스로부터의 광이 가공되지 않고 (raw) 포커싱되지 않도록 하는 도브 프리즘을 더 포함하는, 레이저 빔의 분석을 가능하게 하는 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 레이저 빔의 이동 경로 밖에 배치된 제 2 픽셀단위 검출기를 더 포함하고,
   상기 도브 프리즘은 상기 레이저 빔으로부터의 적어도 일부 광을 상기 제 2 픽셀단위 검출기 내에 반사시키는 제 1 반사 표면을 가지고,
   상기 제 2 픽셀단위 검출기는 가공되지 않고 포커싱되지 않은 레이저 빔을 측정하는, 레이저 빔의 분석을 가능하게 하는 장치.

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