KR20130100890A - 고 전력 레이저들을 위한 열 보상 렌즈 - Google Patents

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KR20130100890A
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Abstract

고 전력 레이저들을 위한 광학 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법은 고 전력 레이저 빔을 시준하기 위해 용융 실리카 렌즈를 제공하고, 그 렌즈를 레이저 빔과 시준 관계로 위치시키는 단계를 포함한다. 초점 렌즈 어셈블리는 시준된 레이저 빔을 포커싱하도록 제공되고, 시준된 레이저 빔과 포커싱 관계로 위치된다. 용융 실리카 렌즈의 굴절률에 있어서 열에 의해 유도된 변경을 상쇄시키기 위해 음의 dn/dT 를 갖는 적어도 하나의 렌즈가 시준 렌즈 어셈블리의 일부 및 초점 렌즈 어셈블리의 일부로서 포함된다. 음의 dn/dT 를 갖는 렌즈가 음의 dn/dT 를 갖는 글래스들의 그룹으로부터 선택된다. 렌즈들의 전력은 상기 광학 시스템이 넓은 온도 범위에 거쳐 초점을 유지하도록 상쇄되는 음의 dn/dT 렌즈와 밸런싱된다.

Description

고 전력 레이저들을 위한 열 보상 렌즈{THERMALLY COMPENSATING LENS FOR HIGH POWER LASERS}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 2010 년 4 월 8 일에 출원된 "고 전력 레이저들을 위한 열 보상 렌즈" 라는 명칭의 현재 계류중인 미국 특허 가출원 제 12/756,642 호를 우선권 주장하며, 상기 가출원은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
본 발명의 기술 분야
본 발명은 일반적으로 레이저 기술에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 고 전력 레이저들을 위한 렌즈에 관한 것이다.
하나 이상의 고품질 용융 실리카 렌즈들은 1 킬로와트 (1㎾) 를 초과하는 고 전력 파이버 레이저들을 포커싱하는데 이용된다. 더욱 상세하게는, 적어도 하나의 고품질 용융 실리카 렌즈는 파이버 레이저로부터 방사된 레이저 광을 시준 (collimate) 하는데 이용되며, 여기서 파이버는 직경이 50 마이크론부터 300 마이크론까지이다. 광이 시준된 후에, 광은 컷팅, 드릴링, 스크라이빙, 마킹 또는 용접될 표면상에 광을 포커싱하는 하나 이상의 고품질 용융 실리카 렌즈들로 이루어진 초점 렌즈 어셈블리로 향한다.
용융 실리카 렌즈 물질은 고 투과성이고, 일부 방사는 그 렌즈 내에서 흡수되거나 산란되어 렌즈가 가열되게 한다. 모든 광학 글래스 물질들은 그들이 가열될 때 렌즈의 포커스 특징들을 변경시키는 특정 열 속성들을 갖는다. 특히, 열 팽창 계수 α 및 온도의 함수에 따른 굴절률 (n) 의 변경값 (dn/dT) 은 렌즈의 전력을 변경시킨다. 렌즈의 전력은 상기 2 가지 속성들에 의해 영향받으며, 렌즈의 열 전력이라 지칭된다:
Figure pct00001
그러므로, 렌즈의 전력은 하기의 식에 의해 온도의 함수에 따라 변경된다:
Figure pct00002
상기 Φ 는 렌즈의 전력이다. 그 후에, 전력의 변화값은 렌즈의 원래 전력과 렌즈의 열 전력 ΨP 을 곱한 값이다.
Figure pct00003
용융 실리카는 매우 낮은 열팽창 계수, 전자기 스펙트럼의 자외선부터 적외선 근처까지의 파장들에 걸쳐 매우 높은 전송율 및 낮은 산란 품질들을 갖는다. 이는 현재 가장 비용 효율적인 작업용 글래스이다. 그러나, 앞의 식들에 의해 나타난 바와 같이, 모든 다른 광학 글래스들과 함께, 글래스의 온도가 증가함에 따라 초점 전력 변경들에 민감하다. 열로 인한 초점 전력 변경들의 문제점은 20㎾ 를 초과하는 평균 전력을 갖는 종래의 파이버 레이저들에 있어 문제가 되었다.
용융 실리카에 대한 열팽창 계수 (CTE) 는 약 0.5×10-6/°K 이고, 10×10-6/°K 까지의 dn/dT 를 갖는다. 200㎜ 의 공칭 초점 거리를 갖는 용융 실리카 렌즈는 100℃ 온도 증가에 대하여 350 마이크론 이상의 포커스의 변경을 갖는다. 이는, 이러한 긴 초점 거리 렌즈에 대하여 엄청난 양은 아니지만, 파이버에 대한 시준장치 (collimator) 로서 이용될 경우에 광이 파이버로부터 시준되는 방식에 상당한 영향을 미친다.
Abt et al 에 의해 기재된 논문, Focusing High - Power , Single Mode Laser Beams, Photonics Spectra Magazine, May 2008 은 이러한 문제점에 대하여 논의하며, 다양한 용융 실리카 렌즈와 gradium 지수 글래스들을 이용하여 레이저 전력의 100 와트 내지 900 와트 전력 범위를 통해 1 과 2 ㎜ 사이의 포커스 쉬프트들을 보여준다. Steele et at 는 the Department of Energy 에 의해 공개된 논문, Spot Size and Effective Focal Length Measurements for a Fast Axial Flow CO2 Laser 에서 CO2 레이저와 유사한 작용을 설명한다. 윈도우 물질들에서 열 렌즈는 Klein 에 의해 Materials for High - Energy Laser Windows : How thermal Lensing and Thermal Stress Control Performance, SPIE Proceedings Vol. 6666, 66660Z1 (2007) 에서 추가로 논의된다.
광학 시스템의 열 렌즈를 처리하기 위한 종래의 방법은 시스템을 3 또는 4 분 동안 열적으로 안정화시킨 후에 시준 광학기기들 및 포커싱 광학기기의 포커스를 재조정하는 것이었다. 이는 매우 바람직하지 않으며, 생산 환경에서 비용이 드는 지연을 발생한다.
미국 특허 제 5,128,953 호는 초점 렌즈들과 잔해 차폐물 (debris shield) 사이에 작은 갭을 배치시킴으로써 렌즈의 냉각을 돕는 방법을 개시한다. 이러한 방법은 저전력 레이저들에 유용하다. 고 전력 레이저가 회피되어야 하는 추가의 광학기기들을 부가하지 않으면 고 전력 파이버 레이저들의 시준 문제들은 해결되지 않는다. 종래 기술은 광학 성능을 개선하지 않고, 다중 엘리먼트 렌즈가 요구될 경우 냉각 가스를 제공하는 수단을 제공하지 않고 추가의 윈도우, 즉 추가의 광학기기를 요구한다.
유럽 특허 출원 EP 1 791 229 A1 은 ZnSe 에서 응력 복굴절 및 방사상 편광을 이용하여 열 렌즈를 감소시키는 방법을 개시한다. 이러한 접근법은 유용성이 매우 제한되고, 편광되지 않은 고 전력 파이버 레이저들에 실현가능하지 않다.
비-열활성화 (athermalization) 는 중적외선 광학 시스템들에 공통적으로 적용되지만 특히 고 전력 레이저들에는 적용되지 않는다. 이러한 시스템들은 적외선 내에서 넓은 스펙트럼에 걸쳐 열 변경들을 보상하도록 구성된다. 비-열활성화는 Smith 에 의해 Modern Optical Engineering, McGraw Hill 2000 및 Practical Optical System Layout and Use of Stock Lenses, McGraw Hill, 1997 에서, 및 Fishcer et al 에 의해 Optical System Design, McGraw Hill, 2008 에서 논의된다. 이러한 문서는 3 개의 연립 방정식을 푸는 것에 의해 무색화 및 비-열활성화하는 것을 교시한다:
Figure pct00004
상기 Φ 는 렌즈 시스템의 전력이고, Φa 및 Φb 는 개별 렌즈 엘리먼트들의 전력들이며; φa 및 φb 는 각각의 엘리먼트의 색 전력들이고, Ψa 및 Ψb 는 렌즈들의 열 전력들이다. 렌즈의 색 전력은 아베 (abbe) 값 v 의 역이다.
본 발명이 형성된 시점에 전체적으로 고려된 종래 기술과 관련하여, 종래 기술의 제한들이 극복될 수 있는 방식은 당업자에게 명백하지 않을 것이다.
오랫동안, 그러나 지금까지, 고 전력 레이저들을 위한 시준 수단에 대하여 실현되지 않았던 요구는, 지금부터 신규하고, 유용하며, 명백하지 않은 발명에 의해 충족된다.
본 발명의 구성은 2 이상의 광학 엘리먼트들로 이루어진 열 보상 렌즈 어셈블리를 포함하며, 여기서 제 1 엘리먼트는 시스템의 전체 전력을 변경시키지 않기 위해 제 2 엘리먼트의 열 전력을 보상한다. 본 발명의 시스템에서, 추가의 광학기기들은 렌즈 시스템의 광학 성능을 개선시키고, 냉각 가스를 제공하는 수단을 제공한다.
본 발명은 용융 실리카의 열적 장점들을 이용하고, 음의 dn/dT 를 갖는 제 2 물질에 따른 굴절률에서의 변경을 상쇄시킴으로써 종래의 기술을 개선시킨다. 대부분의 글래스들은 물질의 온도가 증가함에 따라 굴절률에서 양의 변화를 경험하지만, CaF2, BaF2, LiF2, NaCl, KCl 과 같은 일부 글래스들은 음의 dn/dT 를 갖는다. 다른 글래스들은 음의 dn/dT 를 가지며, 본 발명은 예시를 위해 여기에 열거된 글래스들에 제한되는 것은 아니다. 상쇄되는 dn/dT 를 갖는 시스템에서 렌즈들의 전력을 밸런싱함으로써, 광학 시스템은 넓은 온도 범위에 걸쳐 그 포커스를 유지한다.
전술된 것과 같이, 2 렌즈 시스템의 전력은 하기와 같이 제공되며:
Figure pct00005
상기 Φa 는 제 1 엘리먼트의 전력이고, Φb 는 제 2 엘리먼트의 전력이다. 렌즈 시스템이 온도 변경될 경우, 그 전력은 하기와 같이 변경된다:
Figure pct00006
상기 식은 각각의 엘리먼트의 전력과 그 열 전력 Ψ 을 곱한 값들의 합이다. 포커스의 제로 쉬프트를 획득하기 위해, 2 개의 렌즈의 전력들은 하기와 같이 밸런싱되어야 한다:
Figure pct00007
레이저는 단색 광원이며, 따라서 렌즈의 색 전력에 무관하며, 상기 식들은 모두 레이저 초점 렌즈를 비-열활성화하는데 요구된다. 이상적인 상황은 각 글래스의 팽창 계수 α가 동일하고, 제 1 물질의 dn/dT 가 제 2 물질의 정확한 음의 값인 경우이다. 이러한 이상은 실현불가능하지만, α 및 dn/dT 에서의 오프셋들은 각각의 ΨΦ 의 더 정확한 절대 값들을 달성하기 위해 엘리먼트들의 두께 및 곡률들을 변경시킴으로써 보상된다.
본 발명의 주요 목적은 주변 온도와 열적으로 안정화된 온도 사이에서 온도가 변화할 때 시스템의 레일리 거리 (초점 심도) 내에서 일정한 초점 위치를 유지하는 것이다.
다른 목적은 레이저 전력이 증가될 때 흡수되는 열을 분산시키기 위해 광학 엘리먼트들에 대한 열적 관리를 제공하는 것이다.
본 발명의 이러한 다른 중요한 목적들, 장점들 및 특징들은 본 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 파이버의 출력으로부터 방사되고 일 표면 상에 다시 포커싱되는, 종래기술의 고 전력 파이버 레이저 광을 도시한다.
도 2 는 다중-열 구성을 갖는 도 1 의 렌즈들을 도시한다.
도 3 은 도 2 의 포커스의 확대도이다.
도 4 는 고 전력 파이버 레이저를 위한 종래의 파이버 시준장치를 도시한다.
도 5 는 도 4 에 도시된 시준 렌즈 더블릿의 스폿 다이어그램이다.
도 6 은 본 발명이 고 전력 파이버 레이저를 위한 파이버 시준장치로서 구성되는 것을 도시한다.
도 7 은 도 6 에 도시된 시준장치에 대한 스폿 다이어그램이다.
도 8 은 고 전력 파이버 레이저를 위한 초점 대물렌즈로서 구성된 본 발명을 도시한다.
도 9 는 도 8 에 도시된 초점 대물렌즈에 대한 스폿 다이어그램이다.
도 10 은 도 8 에 도시된 대물렌즈의 광선 추적의 확대도이다.
도 11 은 최소 초점 쉬프트 변이를 위해 열적으로 최적화된 용융 실리카 및 CaF2 더블릿의 스폿 다이어그램이다
도 12 는 렌즈 고정 장치의 단면도이다.
도 13 은 도 12 에서 라인 13-13 을 따라 취득된 단면도이다.
도 14 는 도 12 에서 라인 14-14 을 따라 취득된 단면도이다.
도 1 은 그 전체가 도면 부호 10 에 의해 표시되는 종래의 렌즈 배열의 도식적인 표현이다.
특히, 도 1 은 파이버 (12) 의 출력으로부터 방사된 고 전력 파이버 레이저를 도시한다. 렌즈 (14) 는 광 (16) 을 시준하고, 렌즈 (18) 는 그 광을 초점 (20) 으로 다시 포커싱하며, 이러한 초점 (20) 은 컷팅, 드릴링, 스크라이빙, 마킹, 용접 또는 처리될 물질의 표면상에 형성된다. 양자의 렌즈들은 고품질 용융 실리카로 제조된다.
도 2 는 도 1 의 렌즈들을 도시하지만 다중-열 구성이 설정되며, 여기서 렌즈들 (14 및 18) 은 각각 주변 온도가 25℃ 이고, 다음에 각각 50℃, 75℃ 및 125℃ 로 증가한다. 포커스 (20) 는 온도 증가로 인해 상기 렌즈 쪽으로 쉬프트한다. 각각의 구성은 온도가 증가될 때 포커스의 변경을 보여주기 위해 2 밀리미터 (2㎜) 의 오프셋으로 오버레이된다.
도 3 은 도 2 의 포커스의 확대도이다. 도 3 의 상부에서의 주변 환경으로부터 도 3 의 하부에서의 최고 온도로의 포커스 쉬프트는 0.644㎜ 이다.
도 4 는 고 전력 파이버 레이저 (22) 에 대한 종래의 파이버 시준장치를 도시한다. 평면 볼록 렌즈 (24a) 와 양면 볼록 렌즈 (24b) 를 포함하는 용융 실리카 더블릿 (24) 은 최소 파면 에러로 적절한 시준 레벨을 생성한다.
도 5 는 도 4 에 도시된 시준 렌즈 더블릿 (24) 의 스폿 다이어그램이다. 이러한 렌즈 시스템에 대한 에어리 디스크 반경 (회절 제한 발산) 은 0.074 mradian 이다. 온도 값들이 이전 50℃ 에서 증가하면, 광선들은 회절 제한을 넘어서 발산하기 시작하며, 광선들의 가장 바깥쪽 세트들은 125℃ 에서 0.161 mradian 으로 확장한다.
도 6 은 본 발명이 고 전력 파이버 레이저를 위한 파이버 시준장치로서 구성되는 것을 도시한다. 제 1 렌즈 (26) 는 용융 실리카 렌즈이고, 제 2 렌즈 (28) 는 Schott N-PSK53A 로 만들어진다.
도 7 은 도 6 에 도시된 신규한 시준장치에 대한 스폿 다어그램이다. 더 높은 온도에서 시스템의 발산은 0.083 mradian 으로 감소되며, 이는 0.0701 mradian 의 회절 제한에 매우 가깝다.
도 8 은 고 전력 파이버 레이저를 위한 초점 대물렌즈로서 본 발명을 도시한다. 제 1 렌즈 (30) 는 용융 실리카 렌즈이고, 제 2 렌즈 (32) 는 Schott N-PSK53A 로 만들어진다.
도 9 는 도 8 에 도시된 초점 대물렌즈에 대한 스폿 다이어그램이다. rms 스폿 반경은 2.129 마이크론이고, 지오메트릭 반경은 3.936 마이크론이며, 이는 8.737 마이크론의 회절 제한치 미만이다.
도 10 은 도 8 에 도시된 대물렌즈의 광선 추적의 확대도이며, 렌즈 시스템의 온도가 각각 상위부터 하위까지 25℃, 50℃, 75℃ 및 125℃ 의 범위에 걸쳐 증가할 때 초점 위치 (20) 에 어떤 구별가능한 차이도 없음을 보여준다.
도 11 은 최소 초점 쉬프트 변화에 대해 열적으로 최적화된 용융 실리카 및 CaF2 더블릿의 스폿 다이어그램이다.
렌즈 고정 장치 (40) 의 단면도가 도 12 에 제공된다. 장치 (40) 는 도 13 에 도시된 것과 같이 환형 기준 엔드 캡 (44) 과 협력하여 그 사이에 환형 메인 하우징 (46) 을 고정시키는 환형 압축 엔드 캡 (42) 을 포함한다. 렌즈들 (30, 32) 은 도시된 것과 같은 메인 하우징 (46) 안쪽에 방사형으로 위치된 환형 인바 (invar) 분리기 (48) 에 의해 그 각각의 주변 에지들에서 분리된다. 환형 리테이닝 링 (50) 은 종합하여 52 로 표시된 복수의 둘레가 이격된 웨이브 스프링 시트들과 협력하여 그들 사이에 환형 웨이브 스프링 (54) 을 고정시킨다. 웨이브 스프링 (54) 은 약 65 파운드 (65 lbs) 이다.
렌즈들은 도 13 에 도시된 것과 같이 4 개의 커플링들 (56) 과 유체 전달하는 개별 회로들에 의해 냉각된다. 도 12 및 도 14 에 도시된 인트라 렌즈 가스 기기 (58) 는 공기 (0.024 W/m℃) 보다 거의 6 배 큰 0.142 W/m℃ 의 열 전도성을 갖는 원격 가스 소스, 바람직하게는 헬륨으로부터 유체 전달을 제공하며, 따라서 렌즈들로부터 떨어진 열을 렌즈들 (30, 32) 사이의 공간으로 더 양호하게 전도할 수 있다. 포트 (60) 는 가스용 통풍구를 제공한다. 헬륨이 이용될 경우, 헬륨은 재활용될 수 있고, 공기가 이용될 경우, 공기는 렌즈 어셈블리로부터 멀어지도록 운반될 수 있다. 임의의 경우에, 냉각 가스는 렌즈를 오염시킬 수 있는 잔여물들 또는 입자들에서 자유로워야 한다.
커플링들 (56 및 58) 은 수냉식 입력 및 출력 포트들이다. 각각의 렌즈들은 자신의 냉각 소스를 가지며, 렌즈 어셈블리의 온도를 조정하는 것을 돕기 위해 물이 순환되어야 한다. 수십 킬로와트의 레이저는 렌즈 표면에서 흡수된 광과 다시 반사된 광 양자로부터 어셈블리 상에 엄청난 양의 열을 발생한다. 예를 들면, 2 엘리먼트 광학기기에 대하여 표면당 0.5 퍼센트 (0.5%) 의 손실이 발생할 경우에, 이는 2 퍼센트 (2%) 손실을 나타내며, 10 킬로와트 (10㎾) 의 2 퍼센트 (2%) 는 200 와트 (200W) 이다. 즉, 상당한 양의 전력이 낭비된다.
모든 실시형태들에서, 다중-엘리먼트 렌즈를 형성하는 엘리먼트들 중 적어도 하나는 음의 dn/dT 값을 가지고, 적어도 하나의 다른 렌즈는 양의 dn/dT 값을 갖는다.
용융 실리카 엘리먼트 및 N-PSK53A 엘리먼트가 바람직한 실시형태에서 채용된다. N-PSK53A 글래스는 성형가능한 글래스이다. 성형성은 구면 수차 (spherical aberration) 를 감소시키는 것을 돕는 비구면 표면을 제작하는데 있어 유리하다. N-PSK53A 는 이용되는 레이저 전력 레벨을 제한할 수 있으며, 이는 용융 실리카와 비교할 때 2 배 이상의 연화점을 가지기 때문이다.
제 2 실시형태는 CaF2 엘리먼트 및 용융 실리카 엘리먼트를 포함한다. CaF2 및 용융 실리카 양자는 UV 부터 근적외선까지 범위의 고 전력 레이저들을 위한 양호한 물질들이다. 본 발명은 이러한 2 가지 물질들에만 한정되는 것은 아니다. 하기의 표는 음의 dn/dT 값들 및 대응하는 α 값들을 갖는 유용한 글래스들을 보여준다:
Figure pct00008
통상적으로 고 전력 레이저들을 위해 이용되는 글래스들 및 그들의 대응하는 dn/dT 및 α 값들은 하기의 사항을 포함한다:
Figure pct00009
표들은 dn/dT 와 비교할만한 CTE들의 완벽한 매치를 획득할 수 없는 것을 보여준다. 렌즈 엘리먼트들의 두께 및 대응하는 곡률은 고 전력 레이저 광학기기의 최적의 비-열활성화를 위해 최적화될 수 있는 변수들이다. 이는 렌즈 시스템에 대한 공칭 레일리 거리 값에서 초점 쉬프트를 유지하기 위한 간격, 렌즈두께 및 곡률을 최적화기 위해 광학 설계 소프트웨어 프로그램에서 적절한 메리트 함수를 형성함으로써 달성된다. 표들은 글래스들의 조합이 엑시머, Nd:YAG, Nd:YLF, 파이버 및 CO2 레이저들을 포함하지만 이에 제한되지 않는, UV 로부터 원적외선까지의 범위를 갖는 고 전력 레이저들을 위한 비-열활성화를 달성하도록 구성될 수 있는 것을 나타낸다.
하기의 표는 고 전력 파이버 레이저의 통상적인 파장인 1.075 마이크론으로 광을 포커싱하는, 100㎜ 의 공칭 유효 초점 거리를 갖는 용융 실리카 렌즈를 위한 광학적 조치 및 열 설정을 보여준다. 각각의 온도 변화를 위해 후초점 거리가 제공되고, 공칭 온도로의 초점 쉬프트의 대응하는 차이는 "델타" 값들로서 제공된다. 양의 "델타" 는 렌즈 쪽으로의 초점의 감소를 나타내고, 음의 "델타" 는 렌즈로부터 멀어지는 초점의 증가를 나타낸다.
Figure pct00010
다음 표는 1.075 마이크론에서 용융 실리카 더블릿을 위한 광학적 조치를 보여준다.
Figure pct00011
다음 표는 1.075 마이크론으로 파이버 레이저를 포커싱하는 더블릿에 대한 바람직한 실시형태의 조치를 제공한다.
Figure pct00012
25℃ 내지 125℃ 온도 범위에 걸친 포커스 쉬프트는 오직 약 3 내지 4 마이크론이고, 이는 상기 표에서의 용융 실리카 더블릿보다 47 배 개선된 것이다.
N-PSK53A 글래스는 극히 높은 레이저 전력까지 수용할 수 없다. 따라서, 하기의 표는 용융 실리카가 CaF2 와 함께 이용되는 조치를 보여준다.
Figure pct00013
CaF2 의 존재는 시스템의 초점 거리가 용융 실리카 더블릿과는 대조적으로 음의 부호로 표시되는 것과 같이 53 마이크론 만큼 증가하게 한다. 초점 쉬프트는 종래 기술에 비해 3.5 배 개선되고, 광학기기들은 매우 높은 평균 전력 레벨들로 이용될 수 있다. 도 11 의 스폿 다이어그램은 렌즈 시스템이 가열됨에 따라 스폿의 사이즈가 감소하는 것을 나타낸다. 따라서, 초점 거리가 약간 증가하는 경우에도, 수차 (aberration) 가 추가로 감소되고, 렌즈 시스템의 성능이 개선되며, 따라서 회절이 더 제한된다.
광학 설계의 성능을 추가로 증진시키기 위해, 분리 링은 1.5×10-6/℃ 의 CTE 를 갖는 인바 (Invar) 와 같은 낮은 열팽창 물질로 제작된다. 이러한 링은 각각의 엘리먼트의 외부 직경을 넘는 스플릿 링이며, 스플릿은 글래스의 팽창을 허용한다. 인바 분리 링은 렌즈들로부터 떨어져서 열을 전도하는 수단을 추가한다. 인바 분리기의 양 사이드는 렌즈들에 걸쳐 방사상으로 처음 몇 밀리미터 및 그 둘레 상에 최대 영역 접촉을 위해 렌즈들의 윤곽을 따르도록 추가로 기계 가공된다. 대물렌즈 어셈블리의 메인 하우징은 수냉식 포트들을 갖는 황동 물질로 이루어지며, 실제로 어떤 액체도 렌즈에 접촉하지 않는다. 인바 분리기는 스플릿과 180 도 반대방향에 가스 배기 홀을 가지며, 따라서 깨끗하고 건조한 정화 가스가 광학 엘리먼트들을 추가로 냉각시키는데 이용될 수 있다. 광학기기들은 어셈블리의 최종 표면에 부가되고 제 1 엘리먼트와 마주하는 웨이브 스프링에 의해 고정된다. 어셈블리는 제품이 아닌 레이저쪽으로 확장하도록 허용되고, 이에 수반되는 물질들의 열 팽창으로 인해 초점 쉬프트가 추가로 감소된다.
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 (7)

  1. 고 전력 레이저들을 위한 광학 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법으로서,
    고 전력 레이저 빔을 시준하기 위해 양의 dn/dT 렌즈를 제공하고, 상기 양의 dn/dT 렌즈를 상기 고 전력 레이저 빔과 시준 관계로 위치시키는 단계;
    상기 고 전력 레이저 빔을 포커싱하기 위한 초점 렌즈 어셈블리를 제공하고, 상기 초점 렌즈 어셈블리를 상기 시준된 레이저 빔과 포커싱 관계로 위치시키는 단계; 및
    상기 양의 dn/dT 렌즈의 굴절률에 있어서 열에 의해 유도된 변경을 상쇄시키기 위해 음의 dn/dT 를 갖는 적어도 하나의 렌즈를 상기 초점 렌즈 어셈블리의 일부로서 포함하는 단계를 포함하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    음의 dn/dT 를 가지는 렌즈들의 그룹으로부터 상기 양의 dn/dT 렌즈의 양의 dn/dT 와 실질적으로 동일한 음의 dn/dT 를 갖는 적어도 하나의 렌즈를 선택하는 단계를 더 포함하며,
    이에 따라, 상기 광학 시스템에서 상기 양의 dn/dT 렌즈는 상쇄되는 음의 dn/dT 렌즈와 밸런싱되어 상기 광학 시스템이 넓은 온도 범위에 걸쳐 초점을 유지하도록 하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시준된 레이저 빔을 일 표면상에 포커싱하기 위한 초점 렌즈 어셈블리에서 상기 양의 dn/dT 렌즈를 용융 실리카 렌즈의 형태로 제공하고 상기 음의 dn/dT 를 가지는 적어도 하나의 렌즈를 N-PSK53A 렌즈의 형태로 제공하는 단계를 더 포함하며,
    이에 따라, 상기 N-PSK53A 렌즈는 상기 용융 실리카 렌즈의 열 전력을 보상하여 상기 광학 시스템의 전체 전력이 실질적으로 변경되지 않도록 하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  4. 고 전력 레이저들을 위한 시준 광학 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법으로서,
    용융 실리카 렌즈와 N-PSK53A 렌즈를 서로 협력하는 관계 및 고 전력 레이저에 의해 방사된 광의 빔과 시준 관계로 위치시킴으로써 상기 시준 광학 시스템을 형성하는 단계를 포함하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  5. 고 전력 레이저들을 위한 초점 대물 렌즈 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법으로서,
    용융 실리카 렌즈와 N-PSK53A 렌즈를 서로 협력하는 관계 및 고 전력 레이저에 의해 방사된 광의 빔과 포커싱 관계로 위치시킴으로써 상기 초점 대물 렌즈 시스템을 형성하는 단계를 포함하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  6. 고 전력 레이저들을 위한 초점 대물 렌즈 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법으로서,
    용융 실리카 렌즈와 CaF2, BaF2, LiF2, NaCl 및 KCl 글래스로 형성된 렌즈 그룹으로부터 선택된 렌즈를 서로 협력하는 관계 및 고 전력 레이저에 의해 방사된 광의 빔과 초점 대물 관계로 위치시킴으로써 상기 초점 대물 렌즈 시스템을 형성하는 단계를 포함하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
  7. 고 전력 레이저들에 의해 방사된 광의 시준된 빔을 통과시키는 초점 대물 렌즈 시스템에서 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법으로서,
    용융 실리카 렌즈와 CaF2, BaF2, LiF2, NaCl 및 KCl 글래스로 형성된 렌즈 그룹으로부터 선택된 렌즈를 서로 협력하는 관계 및 상기 광의 시준된 빔과 포커싱 관계로 위치시킴으로써 상기 초점 대물 렌즈 시스템을 형성하는 단계를 포함하는, 렌즈들을 열적으로 보상하는 방법.
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