KR20140014032A - 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템 - Google Patents

초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초단파 레이저 펄스가 입사되는 위치에 설치된 제1 프리즘, 상기 제1 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제2 프리즘, 상기 제2 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제3 프리즘, 그리고 상기 제3 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제4 프리즘을 포함하며, 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘 간의 제1 거리와 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘 간의 제2 거리가 차이가 나도록 하여, 스페이셜 처프를 보상하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템에 관한 것이다.

Description

초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템{Optical system for correcting a distortion of ultrashort laser pulse}
본 발명은 초단파 레이저 펄스(Ultrashort laser pulse)의 왜곡 보상에 관한 것으로, 특히, 펨토초(femtosecond) 레이저 펄드 등의 초단파 레이저 펄스에서 발생되는 스페이셜 처프(spatial chirp)를 보상하는 광학 시스템에 관한 것이다.
현재, 레이저를 이용한 미세가공(micromachining) 기술은 반도체, 전자, 자동차, 메카트로닉스 등의 첨단 산업 분야에서 고품질의 부품을 가공하는데 필수적인 기술로 널리 활용되고 있다.
최근 경량, 박판, 고밀도 및 고집적화 되어가는 산업의 추세에 발맞추어 레이저 가공도 펨토초(femtosecond) 레이저와 같은 첨단 초단파 레이저를 사용하여 더욱 정밀한 미세가공이 가능해지고 있다. 예컨대, 펨토초 레이저는 펄스폭이 매우 짧아 비열가공이 가능하며 또한 피크파워가 매우 커서 집속면의 출력밀도를 매우 높게 할 수 있는 장점이 있다.
그러나 비열가공 등의 가공 공정을 위해 조사된 펨토초 레이저 펄스와 같은 초단파 레이저 펄스는 여러 광학계를 거치게 되면 필연적으로 스페이셜 처프와 같은 왜곡이 발생하게 되며, 이와 같은 왜곡은 정밀 가공시에 원하지 않는 특성을 야기한다. 즉, 왜곡이 발생된 초단파 레이저 펄스는 미세가공을 하는데 악영향을 끼친다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초단파 레이저 펄스의 스페이셜 처프를 보정하여 고품질의 부품을 가공할 수 있도록 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 일 특징에 따른 본 발명은 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 제공한다. 상기 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템은 초단파 레이저 펄스가 입사되는 위치에 설치된 제1 프리즘, 상기 제1 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제2 프리즘, 상기 제2 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제3 프리즘, 그리고 상기 제3 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된 제4 프리즘을 포함하며, 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘 간의 제1 거리와 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘 간의 제2 거리가 차이가 나도록 한다.
상기 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템은 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘 사이에 위치하여 상기 제1 거리를 조절하는 제1 거리조절부와, 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘 사이에 위치하여 상기 제2 거리를 조절하는 제2 거리조절부 중 적어도 하나를 더 포함한다.
상기 제1 거리조절부는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘의 레이저 펄스 경로 상에 설치된 제1 및 제4 반사미러와, 제1 이동스테이지 및 상기 제1 이동스테이지에 설치된 제2 및 제3 반사미러를 포함하며, 상기 제1 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스가 상기 제1 반사미러, 상기 제2 반사미러, 상기 제3 반사미러, 그리고 상기 제4 반사미러의 순서로 펄스 경로를 형성하도록 한다.
상기 제2 거리조절부는 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘의 레이저 펄스 경로 상에 설치된 제5 및 제8 반사미러와, 제2 이동스테이지 및 상기 제2 이동스테이지에 설치된 제6 및 제7 반사미러를 포함하며, 상기 제3 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스가 상기 제5 반사미러, 상기 제6 반사미러, 상기 제7 반사미러, 그리고 상기 제8 반사미러의 순서로 펄스 경로를 형성하도록 한다.
상기에서, 제1 거리와 상기 제2 거리는 최소 20mm에서 최대 250mm이고, 상기 제2 프리즘과 상기 제3 프리즘 간의 제3 거리는 최소 10mm에서 최대 250mm이다.
상기 과제를 해결하기 위한 다른 특징에 따른 본 발명은 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 제공한다. 상기 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템은 입사하는 초단파 레이저 펄스를 제1 프리즘, 제2 프리즘, 제3 프리즘 및 제4 프리즘의 순서로 통과시켜 출력하는 왜곡보상 광학계, 상기 왜곡보상 광학계에서 출력된 상기 초단파 레이저 펄스를 제1 및 제2 초단파 레이저 펄스로 분기시키는 듀플리케이션부, 그리고 상기 제2 초단파 레이저 펄스를 수신하여 왜곡 발생 정도를 분석하고, 상기 제2 초단파 레이저 펄스의 왜곡이 보상되도록 위치 보상 동작을 수행하며, 상기 왜곡 보상 동작에 의해 상기 제1 및 제2 프리즘간의 제1 거리와 상기 제3 및 제4 프리즘간의 제2 거리 중 적어도 하나를 조절하는 위치 보정부를 포함하며, 상기 위치 보정부는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 차이가 나도록 하는 위치 보정 동작을 수행한다.
상기 위치 보정부는 상기 제2 초단파 레이저 펄스를 수신하는 펄스 수신부,
상기 펄스 수신부에 의해 수신된 초단파 레이저 펄스에 대한 파형을 분석하여 템포럴 처프와 PFT의 발생 정도를 파악하는 파형 분석기, 상기 파형 분석기에 의해 파악된 템포럴 처프의 발생 정도와 PFT의 발생 정도에 대응하는 제어신호를 발생하고 출력하는 제어기와, 상기 제어기의 제어신호에 따라 구동하여 상기 제1 거리와 상기 제2 거리 중 적어도 하나를 조절하는 구동부를 포함한다.
상기 제1 거리와 상기 제2 거리는 최소 20mm에서 최대 250mm이고, 상기 제2 프리즘과 상기 제3 프리즘 간의 제3 거리는 최소 10mm에서 최대 250mm이다.
상기 왜곡보상 광학계는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘 사이에 위치하여 상기 구동부의 구동에 따라 동작하여 상기 제1 거리를 조절하는 제1 거리조절부와, 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘 사이에 위치하여 상기 구동부의 구동에 따라 동작하여 상기 제2 거리를 조절하는 제2 거리조절부 중 적어도 하나를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 초단파 레이저 펄스에 발생된 스페이셜 처프를 용이하게 보정할 수 있게 하는 효과가 있다. 또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 펨토초 레이저 같은 초단파 레이저를 이용하여 고밀도의 미세 가공을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 제1 사용예를 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 제2 사용예를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 출력 펄스에 대한 왜곡 보상 실험 결과를 보인 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이제, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 설명한다.
설명에 앞서, 이하에서는 거리와 간격을 구분하여 표기한다. 거리는 레이저 펄스가 이동한 거리이고, 간격은 물체간의 거리이다.
도 1 및 도 2를 참조로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템이 사용되는 예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 제1 사용 예를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 제2 사용 예를 보인 도면이다.
일반적으로, 초단파 레이저 예컨대, 펨토초 레이저(10)에서 조사된 레이저 펄스가 가공 또는 그 밖의 공정을 위한 가공용 광학계(20)를 거치면서 왜곡된 펨토초 레이저 펄스가 출력된다. 이때 펨토초 레이저 펄스에 발생된 왜곡은 스페이셜 처프 등이다. 여기서 가공용 광학계(20)는 적어도 하나의 광학계로 이루어져 있으며, 통상적으로 사용되고 있는 광학계이므로, 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템(100a 또는 100b)은 펨토초 레이저 펄스의 왜곡을 보상하여 원래(orginal)의 펨토초 레이저 펄스로 만들기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 가공용 광학계(20)와 작업대상 사이에 위치하여 왜곡된 펨토초 레이저 펄스를 수신하고, 수신된 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프를 보상한다.
우선 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템(100a)의 제1 사용 예를 설명한다. 이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 “왜곡보상 광학시스템”으로 약칭한다.
제1 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)은 위치보정 시스템(200)을 포함하지 않는 경우에 대한 것이다. 즉, 본 발명의 제1 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)은 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 작업을 수행하는 중에 위치보정 시스템(200)을 이용하지 않는다.
구체적으로, 위치보정 시스템(200)은 제1 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)을 사용하기 전(즉, 작업전)에 이용되며, 왜곡보상 광학시스템(100a)을 구성하는 4개의 프리즘(P1, P2, P3, P4) 간의 거리 및 광로의 마지막에 위치한 프리즘(P4)의 기울어짐 각도를 조절한다.
위치보정 시스템(200)에 의해 이루어지는 프리즘 간의 거리 조절은 초단파 레이저 펄스에 포함된 왜곡인 스페이셜 처프를 보정하기 것이다.
위치보정 시스템(200)의 동작을 보다 상세히 설명한다.
위치보정 시스템(200)은 펄스 수신부(210), 파형 분석기(220), 제어기(230) 및 구동부(240)를 포함한다.
펄스 수신부(210)는 왜곡보상 광학시스템(100a)에서 출력된 펨토초 레이저 펄스를 수신한다. 펄스 수신부(210)는 일 예로 CCD(charge-coupled device) 촬상장치이다.
파형 분석기(220)는 펄스 수신부(210)에 의해 수신된 펨토초 레이저 펄스에 대한 파형을 분석하여 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프의 발생 정도를 파악한다. 이때 파형 분석기(200)는 펨토초 레이저(10)에서 초기 조사된 원본 펨토초 레이저 펄스와 수신된 펨토초 레이저 펄스 간의 비교 차이를 통해 스페이셜 처프의 발생 정도를 파악한다.
제어기(230)는 파형 분석기(220)에 의해 파악된 스페이셜 처프의 발생 정도에 대응하는 제어신호를 발생하여 구동부(240)에 제공한다. 이때 제어신호는 첫 번째 프리즘(P1)과 두번째 프리즘(P2) 간의 거리(이하 “제1 거리”라 함)를 조정하는 제1 제어신호와, 세 번째 프리즘(P3)과 마지막 프리즘(P4) 간의 거리(이하 “제2 거리”라 함)를 조정하는 제2 제어신호 중 적어도 하나이다.
이때 제어기(230)는 제1 제어신호 또는/및 제2 제어신호를 구동부(240)에 전송하여 제1 거리와 제2 거리가 차이가 나도록 변화시킨다.
구동부(240)는 액츄에이터(actuator)로서, 제1 제어신호에 따라 물리적으로 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 제1 거리를 조절하고, 제2 신호에 따라 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 제2 거리를 조절한다.
여기서, 제1 거리와 제2 거리의 조절은 제1 거리를 기준으로 한 후 제2 거리를 변화시키거나, 제2 거리를 기준으로 한 후 제1 거리를 변화시킨다. 물론 제1 거리 또는 제2 거리를 기준으로 하더라도, 제2 거리 또는 제1 거리의 변화에도 불구하고 스페이셜 처프가 만족할만큼 보상이 되지 않으면 기준이 된 제1 거리 또는 제2 거리를 조절한 후 다시 제2 거리 또는 제1 거리를 변화시킨다.
예컨대, 제1 거리를 기준으로 하고 제1 및 제2 거리의 최소치가 20mm이고 최대치가 100mm인 경우를 설명하면, 제1 거리를 20mm로 한 후 제2 거리를 21mm, 22mm, ..., 100mm으로 변화시켜 스페이셜 처프의 보상을 파악한다. 이때 스페이셜 처프가 만족할만큼 보상이 이루어지지 않으면 제2 거리를 예를 들어 25mm로 조절한 후 다시 제2 거리를 21mm, 22mm, ..., 100mm로 변화시킨다.
결국, 이렇게 제1 거리와 제2 거리를 차이가 나도록 조절함에 따라서, 왜곡보상 광학시스템(100a)에서 출력되는 펨토초 레이저 펄스는 스페이셜 처프의 보상이 이루어진다.
본 발명의 제1 사용예에 따르면, 스페이셜 처프의 왜곡이 만족할만큼 보정된 펨토초 레이저 펄스가 출력되도록 제1 거리와 제2 거리의 조절이 이루어지면, 왜곡보상 광학시스템(100a)은 위치보정 시스템(240)과 물리적으로 분리된 후 실제 작업에 적용된다.
다음으로, 도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템(100b)의 제2 사용 예를 설명한다.
제2 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)은 위치 보정부(200)를 포함하는 경우에 대한 것이다. 즉, 본 발명의 제2 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)은 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 작업을 수행하는 중에 위치 보정부(200)를 이용하여 작업을 수행한다.
이를 위해 본 발명의 제2 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)은 왜곡보상 광학계(100a), 위치 보정부(200)와 듀플리케이션부(300)를 포함한다.
여기서, 왜곡보상 광학계(100a)는 제1 사용 예의 왜곡보상 시스템(100a)과 동일하므로 동일한 도면 부호를 부여하였고, 그리고 위치 보정부(200)는 또한 제1 사용 예에서 설명한 위치 보정부(200)와 동일하므로 동일 도면 부호를 부여하였다.
제2 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)은 작업시 위치 보정부(200)와 함께 사용할 수 있도록 듀플리케이션(duplication)부(300)를 가진다. 듀플리케이션부(300)는 왜곡보상 광학계(100a)에서 출력된 펨토초 레이저 펄스(R)를 2개의 펄스(R1, R2)로 분기시키고, 분기된 하나의 펨토초 레이저 펄스(R1)는 작업대상에 조사되도록 하고, 다른 하나의 펨토초 레이저 펄스(R2)는 위치 보정부(200)에 수신되게 한다.
여기서, 왜곡보상 광학계(100a)에서 출력된 펨토초 레이저 펄스(R)의 강도에 비해 작업대상에 조사된 펨토초 레이저 펄스(R1)의 강도는 듀플리케이션부(300)에 의한 분기에 의해 떨어진다. 만약 왜곡보상 광학계(100a)에서 출력된 펨토초 레이저 펄스(R)의 강도와 작업대상에 조사된 펨토초 레이저 펄스(R1)의 강도의 차이가 심하게 되면, 원하는 작업의 품질을 얻을 수 없다. 그러므로 출력된 펨토초 레이저 펄스(R)와 작업대상에 조사된 펨토초 레이저 펄스(R1) 간의 강도 차이가 작업에 영향을 주지 않을 정도로 적게 한다.
*듀플리케이션부(300)에 의해 분기되어 작업대상에 조사된 펨토초 레이저 펄스(R1)는 작업용으로 사용되고, 위치 보정부(200)에 수신되는 펨토초 레이저 펄스(R2)는 왜곡 보정에 이용된다.
위치 보정부(200)는 수신되는 펨토초 레이저 펄스(R2)를 분석하여 왜곡보상 광학계(100a)에 의해 펨토초 레이저 펄스에 포함된 왜곡(즉, 스페이셜 처프)의 보상(즉, 제거)이 이루어졌는지를 판단하고, 왜곡 성분이 여전히 남아있으면 왜곡을 보상하기 위해 구동부(240)의 동작을 제어하여 왜곡보상 광학계(100a)를 이루는 프리즘들 간의 제1 및 제2 거리를 조절한다.
결국, 왜곡보상 광학계(100a)와 듀플리케이션부(300)와 위치 보정부(200)는 페루프(closed loop)를 형성하여, 왜곡보상 광학계(100a)에서 출력한 펨토초 레이저 펄스가 위치 보정부(200)에 피드백되고 피드백된 펨토초 레이저 펄스의 왜곡 성분을 파악하여 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프를 보상한다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조로 하여 본 발명의 제1 사용 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 상세 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왜곡보상 광학계(100)는 4개의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4)으로 구성된다.
제1 프리즘(P1)은 왜곡된 펨토초 레이저 펄스가 입사되는 위치에 설치된다.
그리고 제2 프리즘(P2)은 제1 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된다. 이때 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L1)는 최소 20mm에서 최대 250mm이다.
제3 프리즘(P3)은 제2 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된다. 이때 제2 프리즘(P2)과 제3 프리즘(P3) 간의 거리(L2)는 최소 10mm에서 최대 250mm이다.
제4 프리즘(P4)은 제3 프리즘(P3)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된다. 이때 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L3)는 최소 20mm에서 최대 250mm이다.
여기서, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4)은 위치 보정부(200)에 의해 이미 펨토초 레이저 펄스의 왜곡 즉, 스페이셜 처프를 보상하도록 배열되어 있다. 즉, 제1 내지 제4 프리즘(P1 내지 P4)은 고정 위치로 배열되어 있다.
구체적으로, 펨토초 레이저 펄스의 템포럴 처프와 PTF를 보상하는 제1 내지 제4 프리즘(P1 내지 P4)의 배열 관계를 보면, 템포럴 처프를 보상하기 위해 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L1)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L3)를 차이가 나도록 배치되어 있다.
다음으로, 도 4를 참조로 하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템을 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 상세 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)은 4개의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4)과, 2개의 제1 및 제2 거리조절부를 포함한다.
제1 내지 제4 프리즘(P1 내지 P4)은 제1 실시 예의 제1 내지 제4 프리즘과 각각 동일하여 동일한 도면 부호를 부여하였다.
제1 거리조절부는 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 사이에 위치하고, 제2 거리조절부는 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 사이에 위치한다. 제1 및 제2 거리조절부는 프리즘간의 거리를 조절한다.
이를 위해 제1 및 제2 거리조절부 각각은 쌍을 이루는 4개의 반사미러와 한 개의 이동스테이지를 포함한다.
구체적으로, 제1 거리조절부는 쌍을 이루는 4개의 반사미러(M11, M12, M13, M14)와 제1 이동스테이지(110)를 포함한다.
반사미러(M11)는 제1 프리즘(P1)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M12)는 반사미러(M11)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M13)는 반사미러(M12)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M14)는 반사미러(M13)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시켜 제2 프리즘(P2)으로 진행시킨다. 여기서, 반사미러(M11 및 M14)는 제1 및 제2 프리즘(P1, P2) 사이에 고정되어 설치되고, 반사미러(M12 및 M13)는 제1 이동스테이지(110)에 설치된다.
그리고, 제2 거리조절부는 쌍을 이루는 4개의 반사미러(M21, M22, M23, M24)와 제1 이동스테이지(120)를 포함한다.
반사미러(M21)는 제3 프리즘(P1)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M22)는 반사미러(M21)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M23)는 반사미러(M22)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시킨다. 반사미러(M24)는 반사미러(M23)에 의해 반사된 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치되어 입사되는 펨토초 레이저 펄스를 설정 각도로 반사시켜 제4 프리즘(P4)으로 진행시킨다. 여기서, 반사미러(M21 및 M24)는 제3 및 제4 프리즘(P3, P4) 사이에 고정되어 설치되고, 반사미러(M22 및 M23)는 제2 이동스테이지(120)에 설치된다.
한편, 제1 이동스테이지(110)는 구동부(240)의 제1 직선구동기(241)의 구동에 따라 전진 이동 및 후진 이동을 한다. 전진 이동시 제1 이동스테이지(110)에 설치된 반사미러(M12 및 M13)는 반사미러(M11 및 M14)와의 간격이 좁혀지며, 후진 이동시 제1 이동스테이지(110)에 설치된 반사미러(M12 및 M13)는 반사미러(M11 및 M14)와의 간격이 넓어진다.
따라서 제1 이동스케이지(110)의 전진 이동시에는 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)가 짧아지고, 후진 이동시에는 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)가 길어진다.
여기서, 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)는 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간에 펨토초 레이저 펄스가 이동한 거리이다.
또한, 제2 스테이지(120)는 구동부(240)의 제2 직선구동기(242)의 구동에 따라 전진 이동 및 후진 이동을 한다. 제2 스테이지(120)는 제1 스테이지(110)와 마찬가지로 전진 이동시 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)를 짧아지도록 하고, 후진 이동시 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)를 길어지도록 한다. 물론 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)는 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간에 펨토초 레이저 펄스가 이동한 거리이다.
한편, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4) 및 제1 및 제2 거리조절부는 위치 보정부(200)에 의해 이미 펨토초 레이저 펄스의 왜곡 즉, 스페이셜 처프를 보상하도록 배열되어 있다.
제1 내지 제4 프리즘(P1 내지 P4), 반사미러(M11 내지 M14 및 M21 내지 M24), 그리고 제1 및 제2 이동스테이지(110, 120)는 템포럴 처프와 PTF를 보상하도록 위치가 고정되어 배열되어 있다.
구체적으로, 템포럴 처프를 보상하기 위해 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)는 차이가 나도록 배치되어 있다.
이때 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)는 최소 20mm에서 최대 250mm이다. 그리고 제2 프리즘(P1)과 제3 프리즘(P3) 간의 거리(L2)는 최소 10mm에서 최대 250mm이다.
이하에서는 도 5와 도 6을 참조로 하여 본 발명의 제3 실시 예 및 제4 실시 예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시 예는 본 발명의 제2 실시 예에서 제1 거리조절부가 제거된 경우에 대한 것이다.
즉, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)은 4개의 프리즘(P1 내지 P4)과, 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 사이에 설치된 거리조절부(즉, 제2 거리조절부)를 포함한다.
즉, 제1 프리즘(P1)은 왜곡된 펨토초 레이저 펄스가 입사되는 위치에 설치되고, 제2 프리즘(P2)은 제1 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 설치된다. 그리고 제2 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 제3 프리즘(P3)이 설치되고, 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 사이에 제2 거리조절부가 설치된다.
이러한 본 발명의 제3 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4) 및 제2 거리조절부는 위치 보정부(200)에 의해 이미 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프를 보상하도록 배열되어 있다.
즉, 템포럴 처프를 보상하기 위해 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L1)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)는 차이가 나도록 배치되어 있다. 이때 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L1)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L31)는 최소 20mm에서 최대 250mm이다.
도 6는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시 예는 본 발명의 제2 실시 예에서 제2 거리조절부가 제거된 경우에 대한 것이다.
즉, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)는 4개의 프리즘(P1 내지 P4)과, 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 사이에 설치된 거리조절부(즉, 제1 거리조절부)를 포함한다.
제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 사이에 제1 거리조절부가 설치되고, 제2 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 제3 프리즘(P3)이 설치된다. 그리고 제3 프리즘(P3)을 통과한 제1 프리즘(P2)을 통과한 펨토초 레이저 펄스의 직진 방향에 제4 프리즘(P4)이 설치된다.
이러한 본 발명의 제4 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a)의 제1 내지 제4 프리즘(P1, P2, P3, P4) 및 제1 거리조절부는 위치 보정부(200)에 의해 이미 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프를 보상하도록 배열되어 있다.
즉, 템포럴 처프를 보상하기 위해 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L3)는 차이가 나도록 배치되어 있다. 이때 제1 프리즘(P1)과 제2 프리즘(P2) 간의 거리(L11)와 제3 프리즘(P3)과 제4 프리즘(P4) 간의 거리(L3)는 최소 20mm에서 최대 250mm이다.
이하에서는 도 7을 참조로 하여 도 2를 참조로 설명한 본 발명의 제2 사용 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)을 보다 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 구성도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100b)은 왜곡보상 광학계(100a), 위치 보정부(200)와 듀플리케이션부(300)를 포함한다.
왜곡보상 광학계(100a)는 본 발명의 제1 사용 예에 따른 왜곡보상 시스템(100a)과 동일하다. 즉, 왜곡보상 광학계(100a)는 본 발명의 제1 내지 제4 실시 예에 따른 왜곡보상 광학시스템(100a) 중 하나이다.
위치 보정부(200)는 펄스부(210), 파형 분석기(220), 제어기(230)와 구동부(240)를 포함하며, 이러한 위치 보정부(200)의 각 구성은 도 2를 참조로 하여 기 설명하였으므로 생략한다.
듀플리케이션부(310)는 왜곡보상 광학계(100a)의 제4 프리즘(P4)을 통과(즉, 투과)한 하나의 펨토초 레이저 펄스(R)를 2개의 펄스(R1, R2)로 만들어 서로 다른 광경로를 통해 작업대상과 위치 보정부(200)에 입력되게 한다.
이를 위해 듀플리케이션부(310)는 제4 프리즘(P4)을 투과한 펨토초 레이저 펄스(R)의 직진 방향에 위치한 빔스플리터(beam splitter)(310)를 포함한다. 물론, 듀플리케이션부(310)는 빔스플리터(310) 대신에 빔스플리터(310)와 같이 하나의 펄스를 복수의 펄스로 만드는 광학장비를 이용할 수 있다. 또한 듀플리케이션부(310)과 위치 보정부(200) 간의 위치 배열에 따라, 듀플레케이션부(310)는 빔스플리터(310)와 더불어 적어도 하나 이상의 반사미러를 더 포함할 수 있다.
빔스플리터(310)는 입사되는 펨토초 레이저 펄스(R)에 대해 일부(R1)를 반사시켜 작업대상으로 조사하고, 입사되는 펨토초 레이저 펄스(R)에 대해 일부(R2)를 투과시켜 위치 보정부(200)에 제공한다.
이때 작업대상에 조사되는 펨토초 레이저 펄스(R1)는 입사되는 펨토초 레이저 펄스(R)와의 강도 차이가 크지 않게 한다. 일반적으로 빔스플리터에 의해 출력된 2개의 광은 오리지널 광에 비해 하나가 약 95%, 다른 하나가 약 5%의 세기를 가지도록 할 수 있다.
위치 보정부(200)는 펨토초 레이저 펄스(R2)가 수신되면, 수신되는 펨토초 레이저 펄스(R2)를 분석하여 왜곡보상 광학계(100a)에 의해 펨토초 레이저 펄스에 포함된 왜곡이 보상(즉, 제거)되었는지를 판단한다. 그리고 위치 보정부(200)는 펨토초 레이저 펄스(R2)에 왜곡 성분이 남아있으면 왜곡을 보상하기 위해 제어기(230)를 통해 구동부(240)의 동작을 제어한다.
이에 따라 구동부(240)의 직선구동기(241, 242)와 회전구동기(243)는 제어기(230)의 제어신호에 따라 구동하여 제1 및 제2 이동스테이지(110, 120) 또는 제2 프리즘(P4)을 동작시킨다.
이러한 위치 보정부(200)의 동작은 펨토초 레이저 펄스의 스페이셜 처프가 완전히 보상될 때까지 이루어진다.
한편, 위치 보정부(200)의 구동부(240)를 이루는 구성은 왜곡보상 광학계(100a)의 구성에 적합하도록 구성되어진다.
즉, 왜곡보상 광학계(100a)가 본 발명의 제1 실시 예에 따른 구성을 가지는 경우이면 구동부(240)는 회전 구동기(243)만을 포함하고, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 구성을 가지는 경우이면 구동부(240)는 제1 및 제2 직선 구동기(241, 242)와 회전 구동기(243)를 포함한다.
그리고 왜곡보상 광학계(100a)가 본 발명의 제3 실시 예에 따른 구성을 가지는 경우이면 구동부(240)는 회전 구동기(243)와 제2 직선 구동기(242)를 포함하고, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 구성을 가지는 경우이면 구동부(240)는 제1 직선 구동기(241)와 회전 구동기(243)를 포함한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템의 출력 펄스에 대한 왜곡 보상 실험 결과를 보인 도면이다.
본 실험에 사용한 펨토초 레이저는 87.2fs의 펄스폭과 100.8fs/mm의 펄스 프론트 틸트(PFT)를 가지고 있다. 이러한 펨토초 레이저 펄스에 왜곡을 인위적으로 가하기 위하여 SF11 글라스(glass)를 사용하여 펄스폭이 약 192fs이고 PFT가 588fs/mm인 왜곡된 펨토초 레이저 펄스를 발생시켰다.
이러한 왜곡을 가진 펨토초 레이저 펄스를 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왜곡보상 시스템(100a)에 조사한 후, 템포럴 처프를 보상하기 위하여 제1 및 제2 프리즘(P1, P2) 간의 거리(L11)와 제3 및 제4 프리즘(P3, P4) 간의 거리(L31)를 차이를 가지도록 변화시키는 실험을 하였다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 이러한 실험에 따른 결과를 보인 도면이다.
도 8의 (a)는 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리보다 8cm 짧게 한 경우에 대한 것이고, 도 8의 (b)는 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리보다 8cm 길게 한 경우에 대한 것이다. 그리고 도 8의 (c)는 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리보다 8cm 길게 한 경우에 대한 것이다.
도 8의 (c)에 도시된 바와 같이, 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리보다 8cm 짧게 한 경우에 스페이셜 처프는 -2.66nm/mm로 측정되었다. 그리고 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리보다 8cm 길게 한 경우에 스페이셜 처프는 1.98nm/mm로 측정되었다. 또한, 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리를 동일하게 한 경우에 스페이셜 처프는 0.54nm/mm로 측정되었다.
이러한 결과를 통해 프리즘(P3)과 프리즘(P4) 간의 거리를 프리즘(P1)과 프리즘(P2) 간의 거리를 다르게 변화시키면 스페이셜 처프를 연속적으로 보상할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
P1, P2, P3, P4 : 프리즘
100a : 왜곡보상 시스템, 왜곡보상 광학계
100b : 왜곡보상 시스템
200 : 위치 보정부
210 : 펄스 수신부
220 : 파형 분석기
230 : 제어기
240 : 구동부
241, 242 : 직선 구동기
300 : 듀플레이션부
310 : 빔스플리터
110, 120 : 이동스테이션
M11 내지 M14 및 M21 내지 M24 : 반사미러

Claims (8)

  1. 입사하는 초단파 레이저 펄스를 제1 프리즘, 제2 프리즘, 제3 프리즘 및 제4 프리즘의 순서로 통과시켜 출력하는 왜곡보상 광학계,
    상기 왜곡보상 광학계에서 출력된 상기 초단파 레이저 펄스를 제1 및 제2 초단파 레이저 펄스로 분기시키는 듀플리케이션부, 그리고
    상기 제2 초단파 레이저 펄스를 수신하여 왜곡 발생 정도를 분석하고, 상기 제2 초단파 레이저 펄스의 왜곡이 보상되도록 위치 보상 동작을 수행하며, 상기 왜곡 보상 동작에 의해 상기 제1 및 제2 프리즘간의 제1 거리와 상기 제3 및 제4 프리즘간의 제2 거리 중 적어도 하나를 조절하는 위치 보정부를 포함하며,
    상기 위치 보정부는 상기 제1 거리와 상기 제2 거리를 차이가 나도록 하는 위치 보정 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치 보정부는,
    상기 제2 초단파 레이저 펄스를 수신하는 펄스 수신부,
    상기 펄스 수신부에 의해 수신된 초단파 레이저 펄스에 대한 파형을 분석하여 템포럴 처프와 PFT의 발생 정도를 파악하는 파형 분석기,
    상기 파형 분석기에 의해 파악된 템포럴 처프의 발생 정도와 PFT의 발생 정도에 대응하는 제어신호를 발생하고 출력하는 제어기와,
    상기 제어기의 제어신호에 따라 구동하여 상기 제1 거리와 상기 제2 거리 중 적어도 하나를 조절하는 구동부를 포함하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 거리와 상기 제2 거리는 최소 20mm에서 최대 250mm이고, 상기 제2 프리즘과 상기 제3 프리즘 간의 제3 거리는 최소 10mm에서 최대 250mm인 것을 특징으로 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초단파 레이저 펄스는 펨토초 레이저 펄스인 것을 특징으로 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 왜곡보상 광학계는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘 사이에 위치하여 상기 구동부의 구동에 따라 동작하여 상기 제1 거리를 조절하는 제1 거리조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 왜곡보상 광학계는 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘 사이에 위치하여 상기 구동부의 구동에 따라 동작하여 상기 제2 거리를 조절하는 제2 거리조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 거리조절부는 상기 제1 프리즘과 상기 제2 프리즘의 레이저 펄스 경로 상에 설치된 제1 및 제4 반사미러와, 제1 이동스테이지 및 상기 제1 이동스테이지에 설치된 제2 및 제3 반사미러를 포함하며, 상기 제1 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스가 상기 제1 반사미러, 상기 제2 반사미러, 상기 제3 반사미러, 그리고 상기 제4 반사미러의 순서로 펄스 경로를 형성하도록 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 거리조절부는 상기 제3 프리즘과 상기 제4 프리즘의 레이저 펄스 경로 상에 설치된 제5 및 제8 반사미러와, 제2 이동스테이지 및 상기 제2 이동스테이지에 설치된 제6 및 제7 반사미러를 포함하며, 상기 제3 프리즘을 통과한 상기 초단파 레이저 펄스가 상기 제5 반사미러, 상기 제6 반사미러, 상기 제7 반사미러, 그리고 상기 제8 반사미러의 순서로 펄스 경로를 형성하도록 하는 초단파 레이저 펄스의 왜곡 보상을 위한 광학 시스템.
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