KR20160118723A - 버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치 - Google Patents

버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치가 개시된다. 본 발명의 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치는, 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저 증폭기; 레이저 증폭기에서 출력되는 레이저광을 분할하여 일부의 레이저광을 출력단으로 출력하는 광 분할기; 광분할기에서 분할된 다른 일부의 레이저광을 설정시간 지연시켜 서브 펄스를 갖는 레이저광으로 출력하는 시간 지연기; 및 레이저 오실레이터와 레이저 증폭기 사이에 매개되어 시간 지연기에서 출력되는 서브펄스를 갖는 레이저광을 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광에 합체시키는 광 합체기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING BUSTER MODE PULSE LASER}
본 발명은 버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 오실레이터에서 발생된 펄스 레이저광을 광섬유를 이용하여 서브펄스로 분할하여 버스트 모드의 펄스 레이저를 발생시키는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치에 관한 것이다.
전자산업 등의 정밀 부품 가공을 위해 레이저 가공 기술은 점점 더 초정밀화, 초고속화, 대면적화 가공으로 기술 발전이 이루어지고 있다. 특히, 반도체, 디스플레이, 태양전지, 차세대 고부가/고기능 PCB, 차세대 패키징 산업 등을 포함하는 마이크로 전자산업 분야의 부품을 가공하기 위해서는 초정밀 가공이 필수적이다.
이러한 마이크로 크기의 초정밀 가공을 위해서 레이저 사양도 고성능이 요구된다. 가공의 미세화를 위해 자외선 영역의 레이저를 이용하거나, 펄스폭이 매우 짧은 펨토초 및 피코초 펄스 레이저가 이용된다. 이와 동시에 레이저 빔의 공간 분포가 단일 모드인 고품위 레이저가 요구된다. 또한 고속화 및 대면적화를 위해서는 고반복률, 고출력의 펄스 레이저가 요구된다.
레이저 펄스 구현 방법으로 펌핑 소스에 전류를 직접 변조하여 펄스로 작동하는 방법 외에 짧은 펄스를 형성하기 위한 방법으로 큐 스위칭(Q-Switching), 모드잠금(mode locking) 방법이 이용되고 있다.
큐 스위칭 방법을 이용하여 수 나노초에서 수 마이크로초, 모드잠금 방법은 수 펨토초에서 수백 피코초 영역의 펄스폭을 갖는 펄스를 발생시킬 수 있다. 펌핑 소스를 직접 변조하는 경우에는 전류 변조에 따라 수십 마이크로초의 펄스폭을 갖는 펄스에서 연속출력으로까지 작동할 수 있다. 고품질 레이저 빔을 갖는 고출력의 펄스 레이저 시스템은 저출력, 고품질의 펄스 레이저 공진기와 공진기의 출력을 고출력으로 증폭하는 증폭기로 구성되는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 방식이 이용된다.
이때, 증폭기는 최종 출력의 크기에 따라 1단 또는 다단으로 구성된다. 일반적으로 이와 같은 고출력 고품질의 레이저는 희토류 이온(대표적으로 Nd, Yb, Er, Tm 이온 등)이 함유된 레이저 이득 매질을 이용하여 근적외선(NIR) 영역에서 작동한다. 가시광선 또는 자외선(UV) 영역의 고출력, 고품질 펄스 레이저는 이와 같은 근적외선 레이저 출력을 비선형 광결정으로 파장 변환하여 출력을 내는 방법을 주로 이용하고 있다.
그러나, 팸토초 레이저의 강도(Intensity)는 충분히 높으나 상호반응 시간(Interaction Time)이 매우 짧기 때문에 주변부와의 열적결합 시간(Thermal Coupling Time)이 짧아 저온절삭(Cold Machining)의 장점은 있으나, 재료제거 관점에서는 전체적인 작용시간이 너무 짧기 때문에 레이저 에너지가 충분히 전달되지 않는다. 따라서 열확산 시간 보다 더 짧은 간격으로 레이저 에너지를 공급하여 레이저와 물질 간 상호작용 시간을 증가시켜야 할 필요성이 있다.
기존의 펄스 레이저의 기준 반복률을 원하는 상호반응 시간만큼 서브펄스(Subpulse)로 분할하여 이용하는 공정 방법이 버스트 모드(Burst Mode) 방법이다.
본 발명의 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0122102호(공개일 : 2012.11.07.)인 "다중 레이저 소스를 이용한 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 버스트 모드, 가변 버스트 모드 제어 방법"에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 오실레이터에서 발생된 펄스 레이저광을 광섬유를 이용하여 서브펄스로 분할하여 버스트 모드의 펄스 레이저를 발생시키는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치는, 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저 증폭기; 레이저 증폭기에서 출력되는 레이저광을 분할하여 일부의 레이저광을 출력단으로 출력하는 광 분할기; 광분할기에서 분할된 다른 일부의 레이저광을 설정시간 지연시켜 서브 펄스를 갖는 레이저광으로 출력하는 시간 지연기; 및 레이저 오실레이터와 레이저 증폭기 사이에 매개되어 시간 지연기에서 출력되는 서브펄스를 갖는 레이저광을 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광에 합체시키는 광 합체기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 레이저 오실레이터, 레이저 증폭기, 광 분할기, 시간 지연기 및 광 합체기는 광섬유를 통해 서로 연결 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 시간 지연기와 광 합체기 사이에 매개되어 서브펄스의 출력을 단속하는 광 스위치; 레이저 오실레이터에서 발생되는 레이저광을 검출하는 제 1광검출기; 광 분할기에서 출력단으로 출력되는 레이저광을 검출하는 제 2광검출기; 및 제 1광검출기에서 검출된 레이저 오실레이터에서 발생된 레이저광의 펄스와 제 2광검출기를 통해 출력단으로 출력되는 레이저광의 펄스를 기반으로 설정된 펄스간격과 펄스수를 얻을 수 있도록 광 스위치를 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 광 스위치는, 음향광학 소자와 전기광학소자 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제어기는, 제 1광검출기에서 검출된 레이저 오실레이터에서 발생된 레이저광의 펄스가 제 2광검출기에서 검출되면 광 스위치를 온 시키고, 제 1광검출기에서 다음 펄스가 도착하기 전에 광 스위치를 오프 시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 1광검출기는, 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 1미세광 분할기; 및 제 1미세광 분할기에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 1광전 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제 2광검출기는, 광 분할기에서 출력되는 일부 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 2미세광 분할기; 및 제 2미세광 분할기에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 2광전 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치는 레이저 오실레이터에서 발생된 펄스 레이저광을 광섬유를 이용하여 서브펄스를 갖는 레이저광으로 분할 지연시키고, 이를 선택적으로 회귀시켜 합체시킴으로써 원하는 펄스간격과 펄스수를 갖는 버스트 모드의 펄스 레이저를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치를 나타낸 블록구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생 장치를 나타낸 블록구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치는, 레이저 증폭기(40), 광 분할기(50), 시간 지연기(80), 광 합체기(30), 광 스위치(90), 제 1광검출기(20), 제 2광검출기(60) 및 제어기(100)를 포함한다.
레이저 증폭기(40)는 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 팸토초(femto-second)의 기준 반복률을 갖는 펄스 레이저광을 증폭하여 출력한다.
광 분할기(50)는 레이저 증폭기(40)에서 출력되는 레이저광을 분할하여 일부의 레이저광을 출력단으로 출력한다.
그리고, 시간 지연기(80)는 광 분할기(50)에서 분할된 다른 일부의 레이저광을 설정시간 지연시켜 서브 펄스를 갖는 레이저광으로 출력한다.
이때 설정시간은 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 기준 반복률의 주기 이내에서 서브 펄스의 최소 펄스간격으로 결정될 수 있다.
따라서, 서브 펄스는 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 레이저광의 펄스에 대비하여 설정시간 만큼의 지연을 갖게 된다.
광 합체기(30)는 레이저 오실레이터(10)와 레이저 증폭기(40) 사이에 매개되어 시간 지연기(80)에서 출력되는 서브펄스를 갖는 레이저광을 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 레이저광에 합체시켜 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 기준 반복률 이상의 펄스를 갖는 레이저광을 발생시킬 수 있다.
이와 같이 광 합체기(30)에서 합체된 레이저광은 레이저 증폭기(40)를 통해 증폭되어 출력되고, 합체된 레이저광을 다시 광 분할기(50), 시간 지연기(80)와 광 합체기(30)를 통과하여 반복적으로 회귀시킬 경우 기준 반복률의 주기보다 짧은 펄스간격의 펄스를 갖는 버스트 모드의 레이저광을 발생시킬 수 있다.
광 스위치(90)는 시간 지연기(80)와 광 합체기(30) 사이에 매개되어 서브펄스의 출력을 단속하여 설정된 펄스간격과 펄스수를 얻을 수 있도록 한다.
즉, 회귀하는 서브펄스를 갖는 레이저광을 단속함으로써 펄스간격을 늘릴 수 있고 펄스수를 줄일 수 있다. 또한, 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 레이저광의 다음 펄스와의 중첩을 방지할 수 있다.
이때 광 스위치(90)는 음향광학 소자와 전기광학소자 중 어느 하나로 구성되어 제어기(100)에서의 제어신호에 따라 레이저광을 스위칭할 수 있다.
제 1광검출기(20)는 레이저 오실레이터(10)에서 발생되는 레이저광의 펄스를 검출하여 제어기(100)에 제공한다. 따라서, 레이저 오실레이터(100)에서 발생되는 레이저광의 펄스 시점을 제어기에서 인식하여 다음 펄스와의 중첩을 방지할 수 있도록 한다.
여기서 제 1광검출기(20)는 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 1미세광 분할기(22)와 제 1미세광 분할기(22)에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 1광전 다이오드(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 광신호를 검출하기 위해 레이저 오실레이터(10)에서 출력되는 레이저광 중에서 미량의 광만을 분할하여 광신호를 검출한다.
제 2광검출기(60)는 광 분할기(50)에서 출력단으로 출력되는 레이저광을 검출하여 제어기(100)에 제공한다. 따라서, 출력단으로 출력되는 레이저광의 도착시점을 제어기가 인식하여 펄스간격과 펄스수를 제어할 수 있도록 한다.
여기서 제 2광검출기(60)는 출력단으로 출력되는 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 2미세광 분할기(62)와 제 2미세광 분할기(62)에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 2광전 다이오드(64)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 광신호를 검출하기 위해 출력단으로 출력되는 레이저광에서 미량의 광만을 분할하여 광신호를 검출한다.
제어기(100)는 제 1광검출기(20)에서 검출된 레이저 오실레이터(10)에서 발생된 레이저광의 펄스와 제 2광검출기(60)를 통해 출력단으로 출력되는 레이저광의 펄스를 기반으로 설정된 펄스간격과 펄스수를 얻을 수 있도록 광 스위치(90)를 제어한다.
즉, 제 1광검출기(20)에서 검출된 레이저 오실레이터(10)에서 발생된 레이저광의 펄스가 제 2광검출기(60)에서 검출되면 광 스위치(90)를 온 시키고, 설정된 펄스간격과 펄스수에 따라 광 스위치(90)를 온오프 시킨 후 제 1광검출기(20)에서 다음 펄스가 도착하기 전에 광 스위치(90)를 오프 시켜 다음 펄스와의 중첩을 방지한다.
이와 같이 제어기(100)를 통해 선택적으로 반복하여 서브펄스를 갖는 레이저광을 회귀시킴으로써 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광의 기준 반복률에 해당하는 시간보다 ??은 펄스간격을 구현 할 수 있을 뿐만 아니라 펄스수를 얻을 수 있다.
최종 레이저 증폭기(70)는 이와 같이 제어된 펄스간격과 펄스 수를 갖는 레이저광을 증폭하여 출력함으로써 평균 에너지가 높은 버스트 모드의 펄스 레이저광을 얻을 수 있다.
위에서 레이저 오실레이터(10), 레이저 증폭기40), 광 분할기(50), 시간 지연기(80), 광 합체기(90) 및 광 스위치는 단일모드(Single Mode)나 다중 모드(Multi Mode)의 광섬유를 통해 서로 연결 구성되어 간단한 설비를 통해 버스트 모드의 레이저를 발생시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치에 따르면, 레이저 오실레이터에서 발생된 펄스 레이저광을 광섬유를 이용하여 서브펄스를 갖는 레이저광으로 분할 지연시키고, 이를 선택적으로 회귀시켜 합체시킴으로써 원하는 펄스간격과 펄스수를 갖는 버스트 모드의 펄스 레이저를 발생시키는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 레이저 오실레이터 20 : 제 1광검출기
22 : 제 1미세광 분할기 24 : 제 1광전다이오드
30 : 광 합체기 40 : 레이저 증폭기
50 : 광 분할기 60 : 제 2광검출기
52 : 제 2미세광 분할기 64 : 제 2광전다이오드
70 : 최종 레이저 증폭기 80 : 시간 지연기
90 : 광 스위치 100 : 제어기

Claims (7)

  1. 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광을 증폭하여 출력하는 레이저 증폭기;
    상기 레이저 증폭기에서 출력되는 레이저광을 분할하여 일부의 레이저광을 출력단으로 출력하는 광 분할기;
    상기 광분할기에서 분할된 다른 일부의 레이저광을 설정시간 지연시켜 서브 펄스를 갖는 레이저광으로 출력하는 시간 지연기; 및
    상기 레이저 오실레이터와 상기 레이저 증폭기 사이에 매개되어 상기 시간 지연기에서 출력되는 서브펄스를 갖는 레이저광을 상기 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광에 합체시키는 광 합체기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 오실레이터, 상기 레이저 증폭기, 상기 광 분할기, 상기 시간 지연기 및 상기 광 합체기는 광섬유를 통해 서로 연결 구성된 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 시간 지연기와 상기 광 합체기 사이에 매개되어 서브펄스의 출력을 단속하는 광 스위치;
    상기 레이저 오실레이터에서 발생되는 레이저광을 검출하는 제 1광검출기;
    상기 광 분할기에서 출력단으로 출력되는 레이저광을 검출하는 제 2광검출기;
    상기 제 1광검출기에서 검출된 상기 레이저 오실레이터에서 발생된 레이저광의 펄스와 상기 제 2광검출기를 통해 출력단으로 출력되는 레이저광의 펄스를 기반으로 설정된 펄스간격과 펄스수를 얻을 수 있도록 상기 광 스위치를 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 광 스위치는, 음향광학 소자와 전기광학소자 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 제 1광검출기에서 검출된 상기 레이저 오실레이터에서 발생된 레이저광의 펄스가 상기 제 2광검출기에서 검출되면 상기 광 스위치를 온 시키고, 상기 제 1광검출기에서 다음 펄스가 도착하기 전에 상기 광 스위치를 오프 시키는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 제 1광검출기는, 상기 레이저 오실레이터에서 출력되는 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 1미세광 분할기; 및 상기 제 1미세광 분할기에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 1광전 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
  7. 제 3항에 있어서, 상기 제 2광검출기는, 상기 광 분할기에서 출력되는 일부 레이저광에서 미량의 광을 분할하는 제 2미세광 분할기; 및 상기 제 2미세광 분할기에서 분할된 미량의 광으로부터 광신호를 검출하는 제 2광전 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 버스트 모드의 펄스 레이저 발생장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110161838A (zh) * 2019-05-06 2019-08-23 浙江大学 带压电力传感器静态漂移自动补偿的切削力主从控制系统
KR20220061159A (ko) * 2019-09-26 2022-05-12 유에이비 ,,익스프라“ 펄스의 기가헤르츠 버스트의 생성 방법 및 그 레이저 장치

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