KR20170042628A

KR20170042628A - 레이저 펄스를 변조하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20170042628A
Application number: KR1020177005884A
Authority: KR
Inventors: 얀 돌케메이어; 클라우스 쉬니츨러; 토르스텐 만스; 스테판 베르세; 마틴 헤싱; 웨르겐 마티니
Original assignee: 암포스 게임베하; 아모트로닉스 유쥐
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-04-19
Also published as: US20170237221A1; EP3183783A2; DE102014111774A1; WO2016026484A3; JP2017526018A; CN106716745B; CN106716745A; EP3183783B1; US10389081B2; KR102020245B1; WO2016026484A2

Abstract

본 발명은 펄스화된 변조 전압(5)에 의하여 작동되는 전기광학 변조기(4)에 의하여 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템에 관한 것이다. 변조기(4)의 업스트림에 장착된 전압 컨버터(12)가 출력 전압 레벨의 펄스화 변조된 스위칭 전압(13)을 출력 전압 레벨보다 상대적으로 높은 변조 전압(5)으로 변환한다. 본 발명은 추가적으로, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

레이저 펄스를 변조하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MODULATING LASER PULSES}

본 발명은 펄스화된 변조 전압에 의하여 작동되는 전기광학 변조기를 이용하여 레이저 펄스를 변조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

이러한 유형의 시스템 및 대응하는 방법이, 필름의 천공 및 다른 산업 공정시 레이저 방사에 의한 재료 가공 분야에서, 예컨대 인쇄 산업의 제거 공정 또는 수정 공정과 관련하여 주로 적용되고 있다. 하지만, 계측 및 기초 연구에서도 또한 다양한 적용례가 발견된다. 이 경우에, 펄스화된 레이저 빔이 레이저에 의하여 제공되며, 레이저 빔의 개별 펄스가 각각의 적용례의 요구사항에 따라 변조되어야 한다.

구체적으로, 레이저가 사용되는 적용례에 따라, 하나 이상의 레이저 펄스의 세기를 변화시키는 것이 필요할 수도 있다. 또한, 적용례는 소정의 레이저 펄스만을 시스템의 외부로 유도하고자 하는 경우일 수 있다. 이를 위해, 레이저에 의해 제공되는 레이저 펄스가 각각의 적용례에 따라, 레이저의 빔 경로에 배치되는 변조기에 의하여 변조되거나 조절된다고 공지되어 있다.

포켈스 셀(Pockels cell)과 같은 일반적인 전기광학 변조기(electro-optical modulator)에서는, 변조기, 예를 들어, 입력 측에서 전기적 변조 전압이 인가되고 출력 측에서 레이저 펄스의 위상, 편광 및/또는 세기를 광학적으로 변조할 수 있는 변조기가 제공된다.

목표하는 방식으로 대응하는 변조 조건에 따라 개별 레이저 펄스 또는 복수의 레이저 펄스를 변조할 수 있도록, 변조 전압이 펄스화되는 것도 필요하다. 또한, 변조 전압은 보통 비교적 고전압 레벨에 있으며, 이 레벨은 변조 전압의 매우 짧은 변조 펄스를 생성하는 경우에 특히 문제가 될 수 있는 대개 고전압 범위(HV)에 있기도 한다. 그 이유는, 변조 조건에 따라, 변조 전압이 고전압 소스에 의해 연속 전압으로서 일반적으로 제공되고 다운스트림에 연결된 고전압 스위치의 작동에 의해 펄스화된 전압으로 변환되기 때문이다.

하지만, 이러한 공지된 시스템에 관한 문제는, 특히 짧은 스위칭 시간의 경우에 이러한 시스템이 전반적으로 복잡한 구조를 가지고 있다는 것, 및 고전압 스위치의 구조적 조건으로 인해 스위칭 시간도 또한 임의로 줄일 수 없다는 것이다.

예를 들면, 높은 반복 레이트를 가진 펨토초 레이저(Femtosecond laser) 등의 극초단 펄스 레이저 시스템(ultra-short pulse laser system)에서 레이저 펄스를 변조하는 경우에 특히 불리하다고 입증되었다. 그 이유는, 이 시스템에 의해 제어되는 방식에서, 고전압 스위치가 제1 전압 레벨로부터 제2 전압 레벨까지 전압을 스위칭하기 위해 소정의 스위칭 시간을 필요로 하기 때문이다. 구체적으로, 극초단 펄스 레이저 시스템에서, 이러한 스위칭 시간(상승시간(rise time)이라고도 함)이 종종 개별 레이저 펄스 간의 휴지시간(pause time)보다 길다. 이러한 과도하게 긴 상승시간으로 인해, 개별 레이저 펄스 또는 복수의 레이저 펄스의 부정확한 변조가 발생해서, 예를 들어 재료 가공에 있어서 가공 결과가 바람직하지 않게 저하될 수 있다. 또한, 가공 공정 중에 각각의 레이저 펄스의 정밀 펄스 설정(pulse-accurate setting)이 가능하지도 않다.

따라서, 본 발명의 목적은, 극초단 펄스 레이저 시스템에서도 에러에 민감하지 않은 레이저 펄스의 변조를 수행할 수 있는 시스템 및 방법을 특정하기 위한 것이다.

도입부에서 언급한 이러한 유형의 시스템의 경우, 이 문제가 변조기의 업스트림에 연결된 전압 컨버터에 의하여 해결되며, 이 전압 컨버터는 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압을 출력 전압 레벨보다 상대적으로 높은 변조 전압으로 변환한다.

이러한 시스템의 경우, 원하는 변조 조건에 따라 스위칭 전압이 비교적 낮은 출력 전압 레벨에서 먼저 생성된 다음, 변조 전압으로 변환될 수 있다. 변조 전압은, 전압 컨버터가 출력 전압 레벨에서 발생된 펄스 시퀀스를 유지하면서 출력 전압 레벨에 대해 상대적으로 증가시킨 전압이다. 이 스위칭 전압은 더 단순한 방식으로 그리고 출력 전압 레벨에서 더 짧은 스위칭 시간을 가지면서 스위칭될 수 있다. 전압 컨버터에 의한 스위칭 전압의 변환 이후에도 스위칭 전압의 펄스 시퀀스가 유지되므로, 변조 전압의 더 높은 전압 레벨에서도 상승시간이 짧아진다. 심지어 극초단 펄스 레이저 시스템에서도, 이런 방식으로 부정확한 변조의 위험이 현저하게 줄어든다.

하나의 유리한 구성에 따라, 전압 컨버터가 변압기로서 구현된다. 변압기로서의 본 실시예에 의하여, 단순한 방식으로 전압 컨버터가 구현될 수 있다. 변압기에서, 1차 측 및 2차 측 전기 회로가 갈바닉 절연에 의해 서로 격리되어 있고, 이는 특히 안전 측면의 관점에서 유리하다. 특히, 변압기가 변압기 코어를 가지는 것이 바람직할 수 있으며, 결과적으로 더 높은 효율이 얻어질 수 있다. 또는, 예를 들어, 전압 컨버터가 부스트 컨버터로서 구현될 수도 있다.

펄스 발생기, 특히 변조 펄스 발생기가 전압 컨버터의 업스트림에 연결되는 것이 유리하다. 펄스 발생기가 전압 컨버터의 업스트림에 연결됨으로써, 펄스화된 스위칭 전압이 출력 전압 레벨에서 이미 생성되어 있을 수 있으며, 출력 전압 레벨은 저전압 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 시스템은 저전압 컴포넌트를 사용함으로써 비용 효율적으로 구성될 수 있다.

펄스 발생기가 스위치, 특히 반도체 스위치로서 구현되는 구성이 특히 유리하다. 특히, 스위치가 트랜지스터로서 구현되는 것이 바람직하다. 반도체 스위치 또는 트랜지스터를 사용함으로써, 기계적인 운동없이 전기적 전압을 스위칭할 수 있는 고속 스위치를 구현하는 것이 단순한 방식으로 가능하다. 따라서, 기계적 마모의 영향과 이로 인한 시스템의 손상을 피할 수 있다. 정확한 변조에 필요한 고속 스위칭이 가능하도록, 반도체 스위치 또는 트랜지스터는 매우 짧은 상승시간을 가지고 있다. 예를 들어, 가능한 트랜지스터 구성은 바이폴러 트랜지스터 또는 필드 효과 트랜지스터일 수 있다. 하지만, MOSFET을 펄스 발생기로서 사용하는 것이 특히 바람직하다.

이런 맥락에서, 펄스 발생기가 반도체 하프 브릿지 또는 반도체 풀 브릿지로서 구현되면 훨씬 더 유리하다. 특히, 반도체 하프 브릿지 또는 반도체 풀 브릿지가 트랜지스터 하프 브릿지 또는 트랜지스터 풀 브릿지로서 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 하프-풀 브릿지 부분 또는 풀 브릿지 부분은 스위칭 중에 비교적 낮은 스위칭 손실만이 발생한다는 사실에 의해 구별되며, 따라서 효율이 유리하다. 또한, 짧은 상승시간 또는 짧은 스위칭 시간이 얻어질 수 있다.

저전압 소스가 펄스 발생기의 업스트림에 연결되는 다른 유리한 구성이 제공된다. 펄스 발생기에 저전압을 공급하면 저전압 컴포넌트가 사용될 수 있다는 이점이 있다. 결과적으로, 종래 기술에 정상적으로 사용되는 고전압 컴포넌트에 비해, 예를 들어 플래쉬오버(flashover) 및 실제 전자기 손상의 위험도 감소될 수 있기 때문에, 안전 이점이 얻어질 수 있다. 저전압 소스가 10 V 내지 1000 V의 전압, 특히 10 V 내지 250 V의 전압을 가지는 것이 유리하지만, 특히 대략 100 V의 전압을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 구성에서, 펄스 발생기가 제어 유닛에 의해 생성되는 제어 전압에 의하여 통제 가능하다고 제안된다. 제어 전압에 의하여 펄스 발생기를 제어함으로써, 바람직하게는 저전압 범위에 있는 스위칭 전압이, 예컨대 재료 가공 공정의 타입에 의해 사전 정의된 변조 조건에 따라, 예컨대 사전 정의된 비트 스트림에 의하여 변조될 수 있다. 이와 관련하여, 펄스화된 스위칭 전압이 제어 전압에 의하여 각각의 응용 예의 변조 조건, 예컨대 재료 가공에서의 변조 조건에 따라 생성될 수 있고, 그 다음에 스위칭 전압은 변조를 유지하면서 전압 컨버터에 의해 필요한 전압 레벨의 변조 전압으로 변환될 수 있다. 제어 전압에 의하여, 스위칭 전압이 특히 진폭과 펄스 지속시간의 관점에서 설정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 유리한 구성에 따르면, 최대 변조 전압이 800 V 내지 10 kV의 범위에 있다. 대부분의 전기광학 변조기 및, 특히, 포켈스 셀은 이 범위에서 신뢰성 있게 작동될 수 있다. 바람직하게는, 최대 변조 전압은 800 V 내지 5 kV의 범위, 특히 바람직하게는 800 V 내지 3 kV의 범위에 있다.

또 다른 유리한 구성은 레이저를 제공하며, 이 레이저는 전기광학 변조기를 통해 통과되는 펄스화된 레이저 빔을 제공한다. 레이저의 펄스와 변조 전압의 펄스가 서로 조절되는 것이 유리하다. 펄스 정밀 변조(pulse-accurate modulation)를 달성할 수 있기 위해, 펄스화된 레이저 빔을 발생시키는 레이저에 사용되는 레이저 신호가 레이저 펄스의 원하는 변조를 얻기 위해 제어 유닛의 제어 신호와 매칭되는 것이 이 맥락에서 특히 유리하다.

변조 전압의 상승시간이 2개의 레이저 펄스 간의 휴지시간(pause time)의 절반 이하인 구성이 특히 유리하다. 휴지가 스위칭 프로세스에 즉시 이용될 수 있기 때문에, 그 결과로서 가능한 부정확한 변조의 위험이 현저하게 줄어들 수 있다. 변조 전압의 상승시간이 2개의 레이저 펄스 간 휴지시간의 1/4보다 작고, 특히 바람직하게는 2개의 레이저 펄스 간 휴지시간의 1/8보다 작다는 이점이 있다.

전반적으로 조립 관점에서 매우 편리하므로 설계 관점에서 유리한 구성에서는, 모듈을 구성하기 위해 펄스 발생기, 전압 컨버터, 및 제어 유닛이 결합, 특히 공간적으로 결합된다. 또한 기능적으로, 모듈을 구성하기 위한 결합을 생각할 수 있다. 이 모듈이 자체 완비된 구조적 및/또는 기능적 유닛을 시스템 내부에서 구성할 수 있다. 이 모듈을 구성하기 위해 개별 컴포넌트를 결합함으로써, 조립 비용을 줄일 수 있다. 또한, 이 모듈은, 예를 들어 하우징에 배치될 수 있으며, 결과적으로 개별 컴포넌트가 환경적인 영향 또는 손상으로부터 보호될 수 있다. 펄스 발생기, 전압 컨버터, 및 제어 유닛을 포함하는 이러한 모듈은 고전압 라인을 통해 전기광학 변조기에 연결될 수 있는 이점을 가지며, 전기광학 변조기가 반드시 모듈의 일부이어야 하는 것은 아니다.

다른 구성에서, 제1 모듈을 구성하기 위해 펄스 발생기와 제어 유닛이 결합되고, 제2 모듈을 구성하기 위해 전압 컨버터와 전기광학 변조기가 결합된다. 이 경우에, 2개의 모듈이 저전압 라인을 통해 서로 연결될 수 있고, 이로 인해 2개의 모듈 간에 저전압이 전송되어 안전 위험이 낮고 손실이 적다는 이점을 제공한다.

또 다른 구성에 따르면, 모듈을 구성하기 위해 펄스 발생기, 전압 컨버터, 및 전기광학 변조기가 결합된다. 이 구성의 경우, 제어 유닛만이 모듈로부터 격리되는 방식으로 배치되고, 따라서 이 모듈과 제어 유닛 간에는 하나의 신호 라인만이 배치되어야 한다. 이로 인해, 안전 및 마찬가지로 전자파 적합성(electromagnetic compatibility, EMC)에 관해서 추가적인 이점이 제공된다.

시스템의 또 다른 유리한 구성이 제공된다. 이 구성에서, 펄스 발생기 및/또는 전압 컨버터가 히트싱크에 의하여, 특히 액체 냉각식 세라믹 캐리어에 의하여 냉각 가능하다. 예를 들어, 과열 및 이에 따른 개별 컴포넌트의 고장이 발생하지 않도록, 펄스 발생기 및/또는 전압 컨버터를 냉각시킴으로써, 손실 및 전하-반전 전류(charge-reversal current)에 의한 열 손실을 분산시키는 것이 가능하다. 레이저에 대해 제공되는 레이저 냉각이 펄스 발생기 및/또는 전압 컨버터를 냉각시키기 위해 부수적으로 사용되는 것이 유리할 수 있으며, 따라서 더 단순하면서 비용 효율적으로 구성된다.

히트싱크가 펄스 발생기 및/또는 전압 컨버터를 둘러싸고 있는 것이 유리하다. 이러한 구성은 열이 커다란 영역에 걸쳐서 또한 복수의 방향으로 분산되는 것을 보장할 수 있다.

대안으로서 또는 추가적으로, 히트싱크가 액체가 흐르는 플레이트로서 구현될 수도 있다. 이 구성은 펄스 발생기가 트랜지스터를 포함하는 경우에 특히 유리하다. 양호한 열 방출이 단지 하나의 방향에서 이미 구현되어 있을 수 있도록, 후자는 바람직하게는 냉각 플레이트 상에 수평으로 장착될 수 있다.

또한, 전술한 문제를 해결하기 위해, 도입부에서 언급한 타입의 변조 방법의 경우, 변조기의 업스트림에 연결된 전압 컨버터가 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압을 출력 전압 레벨에 대해 상대적으로 증가시킨 변조 전압으로 변환하는 것이 제안된다.

시스템과 관련하여 이미 설명한 이점이 여기서도 제공된다.

이러한 맥락에서, 전술한 특징을 가진 시스템이 변조 방법을 수행하기 위해 사용되는 경우에 훨씬 더 유리하며, 이 시스템의 특징이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

이 변조 방법의 하나의 유리한 전개에 따르면, 스위칭 전압의 진폭을 변화시킴으로써 변조 전압의 진폭을 조절하는 것이 제안된다. 스위칭 전압을, 바람직하게는 저전압 범위에 있는 스위칭 전압의 진폭을 변화시킴으로써, 바람직하게는 고전압 범위에 있는 스위칭 전압의 정밀한 펄스-대-펄스 변화(pulse-to-pulse variation), 결과적으로 변조 전압의 정밀한 펄스-대-펄스 변화를 구현하는 것이 가능할 수도 있다. 이는 레이저 펄스를 더 정확하게 변조하는 이점을 제공한다.

이 방법의 추가적인 구성에 따르면, 변조 전압에 의하여 레이저 펄스의 펄스 정밀 변조가 얻어질 수 있도록, 펄스화된 레이저 빔을 발생시키기 위해 사용되는 레이저 신호가 제어 유닛을 제어하기 위해 사용되는 제어 신호와 동기화된다.

펄스 정밀 레이저 펄스 변조 시퀀스(pulse-accurate laser pulse modulation sequence)가 전기광학 변조기에 의하여 생성되는 것이 유리하고, 그 결과 정확한 가공, 또는 측정 등이 가능하다.

이하, 예시적인 실시예의 매우 개략적인 도면에 포함된 것을 부분적으로 참조하여 본 발명에 따른 시스템의 이점과 세부사항 및 본 발명에 따른 방법에 대해 설명할 것이다:
도　1은 먼저 종래 기술에 따른 시스템의 블록도이다.
도　2는 종래 기술에 따른 레이저 펄스, 변조 전압, 및 제어 전압 간의 관계의 개략도이다.
도　3은 도 1의 도시에 대응하는 본 발명에 따른 시스템의 도면이다.
도　4는 도 2의 도시에 대응하는 본 발명에 따른 시스템의 레이저 펄스, 변조 전압, 및 제어 전압의 도면이다.
도　5는 펄스 발생기를 나타내는 도면이다.
도　6은 본 발명에 따른 시스템의 다양한 변형 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 히트싱크의 제1 변형 실시예를 구비한 고전압 컨버터를 나타내는 도면이다.
도 8은 히트싱크의 제2 변형 실시예를 구비한 펄스 발생기를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술로부터 공지된 시스템(100) 및 이와 연관된 불리한 점에 대해 설명한 다음, 도　3 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 시스템(100)에 대해 설명할 것이다.

도 1은 레이저(1) 및 레이저(1)의 다운스트림으로 연결된 전기광학 변조기(4)를 포함하는, 종래 기술로부터 공지된 시스템(100)의 구성을 도시하고 있다. 전기광학 변조기(4)가 레이저(1)에 의해 생성된 펄스화된 레이저 빔(2)을 특정 변조 조건에 따라 변조하고자 한다. 이러한 시스템(100)은 종종 재료 가공에 사용되지만, 계측법 또는 기초 연구에서도 사용된다. 그 이유는 펄스화된 방식으로 제공되는 레이저 빔(2)이 적용례의 각각의 요구사항에 따라 변조되는 것이 필요하기 때문인데, 여기서 개별 펄스(3)를 목표하는 방식으로 변조하는 것이 종종 필요하다.

펄스화된 레이저 빔(2)을 사용하고자 하는 적용례에 따라, 레이저 펄스(3)를 펄스의 세기 관점에서 변조하거나 및/또는 레이저 빔(2)으로부터 개별 레이저 펄스(3)를 유도하는 것이 필요하다. 예를 들어, 이러한 변조를 위해 포켈스 셀과 같은 전기광학 변조기(4)를 제공한다고 공지되어 있다. 변조기(4)는 레이저 펄스(3)를 펄스의 편광, 위상, 및 세기의 관점에서 변조할 수 있게 한다.

마찬가지로 도 1의 도시로부터 알 수 있는 바와 같이, 공지된 시스템(100) 내의 전기광학 변조기(4)가 고전압, 특히 변조 전압(5)으로 작동된다. 이 경우에, 변조 전압(5)아 마찬가지로 펄스화되며, 펄스화는 종래 기술에서 고전압 스위치(6)에 의하여 구현된다. 입력 측에서, 고전압 스위치(6)는 1000 V 또는 그 이상의 연속 전압을 생성할 수 있는 고전압 소스(7)에 연결된다.

도 1에 도시된 시스템(100)에 관해 불리한 점은, 시스템에 의해 제어되는 방식의 이러한 고전압 스위치(6)의 경우 고전압 스위치(6)를 사용함으로써 비교적 긴 상승시간 때문에 고속 스위칭이 가능하지 않다는 것이다. 오히려, 이러한 고전압 스위치(6)는 일반적으로 1 MHz의 스위칭 주파수로 제한된다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다소 짧은 펄스를 가진 레이저 빔(2)을 변조하는 경우 문제가 종종 발생한다. 이러한 경우에, 변조 전압(5)의 상승시간이 종종 2개의 레이저 펄스(3) 간의 휴지시간(P)보다 크기 때문이다. 상승시간(A)은 변조 전압(5)이 제1 전압 값(여기서, 0 V의 전압)으로부터 제2 전압 값(여기서, 5 kV의 전압 값)까지 상승하는 시간이며, 이 점에 관해서는 특히 도 2a와 도 2b를 비교하라.

스위치(6)가 너무 느려서 마찬가지로 직접 스위칭할 수 없는 구조적인 조건 때문에, 제어 전압(10)(도 2c와 비교)에 의하여 고전압 스위치(6)를 정확하게 제어하는 것이 가능하다. 따라서, 고전압 스위치(6) 분야에서는 필요한 고전압 변조 전압(5)에 도달할 때까지 25 ns보다 큰 상승시간이 전적으로 통례이다. 그 결과, 개별 레이저 펄스(3)가 도 2d의 도시에 따라 펄스 세기의 관점에서 바람직하지 않게 바뀌거나 또는 전적으로 컷오프되는 부정확한 변조가 일어날 수 있다. 부정확한 변조는, 예컨대 재료 가공에 있어서 워크피스(workpiece)를 가공하기 위한 공정에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

펨토초 레이저와 같은 극초단 펄스 레이저 시스템을 사용하는 경우에 특히 문제가 있다고 판명되었다. 이 경우에, 레이저(1)가 100 MHz 또는 그 이상의 주파수까지의 펄스 주파수를 가진 매우 고도로 반복적인 레이저 빔(2)을 생성하기 때문이다. 공지된 시스템으로는 이러한 레이저 빔(2)이 매우 부적절하게만 변조될 수 있다. 양호한 결과를 얻기 위하여, 1 MHz 이상의 스위칭 주파수를 제공할 필요가 있다. 또한, 각각의 개별 레이저 펄스(3)에 대한 변조 전압(5)의 펄스 정밀 변화도 또한 시도되며, 이는 공지된 고전압 스위치(6)로 구현될 수 없다.

단순한 수단을 이용하여 이러한 문제점을 해결하는 본 발명에 따른 시스템(100)이 도 3 내지 도 8에 도시되어 있고, 이하에서 상세하게 설명할 것이다.

본 발명에 따른 시스템(100)의 경우, 마찬가지로 변조기(4)가 레이저의 빔 경로(1)에 위치하며, 변조기(4)가 레이저 펄스(3)를 변조하고자 한다. 하지만, 도 1에 도시된 시스템(100)과는 대조적으로, 전압 컨버터(12)가 변조기(4)의 업스트림에 연결되고, 전압 컨버터(12)가 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압(13)을 출력 전압 레벨에 대해 상대적으로 증가시킨 변조 전압(5)으로 변환한다.

본 실시예에서, 출력 전압 레벨의 스위칭 전압(13)은 저전압 범위에 있고, 전압 레벨의 변조 전압(5)은 고전압 범위에 있다. 이하, 전압 레벨의 개념적 구분을 위해 저전압 스위칭 전압(LV 스위칭 전압) 및 고전압 변조 전압(HV 변조 전압)과 같은 표현을 사용할 것이다. 하지만, 본 발명에 따라, 변조 전압(5)이 마찬가지로 저전압 범위에 있으나 스위칭 전압(13)에 비해 크게 증가된 구성도 또한 가능하다는 것을 유의해야 한다.

변조기(4)의 업스트림에 연결되고 저전압 범위에 있는 스위칭 전압(13)을 바람직하게는 고전압 범위에 있는 증가된 변조 전압(5)으로 변환하는 전압 컨버터(12)에 의하여, 펄스화된 LV 스위칭 전압(13)을 변조 조건에 따라 저전압 범위 에서 이미 생성할 수 있고, 그 다음에 LV 스위칭 전압(13)이 고전압 컨버터(12)의 도움으로 펄스 시퀀스를 유지하면서 HV 변조 전압(5)으로 변환된다.

본 실시예에서, 전압 컨버터(12)는 변압기로서 구현되고, 변압기는 고전압 컨버터로서 구현되며, 변압기는 자체의 물리적 특성을 개선하고 효율을 향상시키기 위해 페라이트 코어(20)를 가지고 있다. 또한, 변압기(12)를 회로 기판 변압기로서 구현하는 것이 가능하며, 권선이 회로 기판으로서 구현된다. LV 스위칭 전압(13)이 변압기(12)에 인가된다. 변압기(12)에서, 그 다음에 LV 스위칭 전압(13)이 2차 측에서 사전 정의된 권선비에 따라 변압기(12)에 의하여 HV 변조 전압(5)으로 변환된다. 그 다음에, 이 변조 전압은 변조기(4)에 인가된다.

종래 기술에 관해 이미 설명한 바와 같이, 레이저 빔(2)의 펄스 시퀀스에 적응되어 있는 펄스화된 HV 변조 전압(5)이 변조기(4)에 인가되어야 한다. 본 발명에 따르면, 이러한 펄싱(pulsing)이 저전압 범위에서 생성된다. 이를 위해, 펄스 발생기(6)가 제공되고, 변조 조건에 따라 펄스 저전압 소스(11)에 의해 계속 제공되는 저전압을 펄스화한다.

저전압 소스(11)는 펄스 발생기(6)의 업스트림에 연결되고, 10 V 내지 1000 V의 범위의 전압을 제공하는데, 특히 100 V의 범위에 있는 전압을 제공하는 것이 바람직하다. 변압기(12)의 1차 측에서 저전압을 사용함으로써 저전압 컴포넌트를 사용하는 것이 가능하다. 저전압 컴포넌트는 보통 많은 수로 사용 가능하고 단순한 방식으로 입수 가능한 표준 컴포넌트이다. 또한, 플래쉬오버의 위험 및 고전압 컴포넌트의 사용과 연관된 전자기 부하가 현저하게 낮다. 하지만, 저전압 컴포넌트의 가장 큰 장점은 매우 짧은 상승시간(A)이 발생할 수 있다는 것이다.

펄스 발생기(6)는 저전압 소스(11)에 의해 발생된 저전압을 변조 조건에 따라 스위치 온/오프할 수 있는 스위치로서 구현된다. 본 실시예에서, 스위칭 엘리먼트는 트랜지스터와 같은 개별 반도체 컴포넌트(14)를 포함하거나 또는 복수의 병렬 연결된 반도체 컴포넌트(14)를 포함하는 반도체 또는 트랜지스터 캐스케이드로서 구현되며, 트랜지스터 하프 브릿지로서 상호 연결된다. 도 5는 이러한 트랜지스터 하프 브릿지를 펄스 발생기(6)로서 도시한 개략도이다. 하지만, 대안으로서, 트랜지스터 풀 브릿지를 사용하는 것도 또한 가능하다.

저전압 범위에서 고속 스위칭이 가능하도록 트랜지스터(14) 및 특히 MOSFET을 사용하는 것은, 짧은 상승시간(A)의 이점을 제공한다. 심지어 극초단 펄스 레이저 시스템을 사용하면서도, 레이저 펄스(3)의 정확한 펄스-대-펄스 변조가 가능한 것이다. 트랜지스터 하프 브릿지 또는 풀 브릿지를 이용함으로써, 제1 전압과 제2 전압 간에 스위칭되는 동안 하부 스위칭 손실이 발생한다. 또한, 고전하-반전 전류(high charge-reversal current)에 의해 발생되는 열 손실이 낮게 유지된다.

마찬가지로 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 2개의 트랜지스터(14)로 이루어진 트랜지스터 캐스케이드는 변압기(12)로의 1차 측에 연결되어 있고, 변압기(12)의 2차 측은 펄스화된 LV 스위칭 전압(13)을 HV 변조 전압(5)으로 변환한다.

펄스 발생기(6)가 펄스화된 LV 스위칭 전압(13)을 생성할 수 있도록, 변조 조건에 따라 제어 전압(10)을 전술한 펄스 발생기에 인가하는 것이 필요하다(도3과 비교). 따라서, 제어 전압(10)은 변조 조건에 따라 또한 펄스화된다.

제어 전압(10)은 제어 유닛(8)에 의하여 제공된다. 제어 유닛(8)은 예컨대 컴퓨터 또는 이와 유사한 것에 연결될 수 있으며, 사전 정의된 비트 스트림일 수 있는 제어 신호(9)가 이들로부터 제어 유닛(8)까지 전송된다. 제어 신호(9)는 제어 전압(10)에 의해 유지되는 실제 변조 조건을 구성하고, 이 변조 조건은 스위칭 전압(13)을 통해 변조 전압(5)으로 변환된다. LV 스위칭 전압(13)이 변조 조건에 따라 펄스화되도록, 제어 전압(10)은 제어 신호(9)의 도움으로 변조되고 펄스 발생기(6)에 스위칭 조건으로서 입력된다. LV 펄스 발생기(6)를 사용함으로써, 제어 전압(10)이 예컨대 종래 기술로부터의 고전압 스위치의 경우보다 현저하게 낮은 전압 레벨일 수 있는 이점을 제공한다. 따라서, 단순하면서 비용 효율적인 구성이 된다.

이하, 도 4의 도시를 참조하여 본 발명에 따른 시스템(100)이 가진 장점에 대해 더 상세하게 설명할 것이다. 저전압 컴포넌트의 사용에 의하여, 종래 기술에 비해 HV 변조 전압(5)의 상승시간(A)이 현저하게 줄어든다. 이와 관련하여, 2개의 펄스(3) 간의 휴지시간(P)의 절반 이하의 상승시간(A)을 얻는 것이 가능하다. 그 다음에 극초단 펄스 레이저 시스템의 레이저 펄스(3)를 정확하게 변조할 수 있기 위해서는, P/2 이하의 상승시간(A)이 유리한데, P/4 및 구체적으로 P/8보다 작으면 특히 유리한다. 본 발명에 따른 시스템(100)의 HV 변조 전압(5)의 대응하는 실례가 도 4b에 나타나 있다.

HV 변조 전압(5)의 상승시간(A)이 2개의 레이저 펄스(3) 간의 휴지시간(P)보다 짧기 때문에, 부정확한 변조가 방지된다. 왜냐하면, 이에 따라, 소정의 신뢰도 또는 허용 오차를 가진 스위칭 프로세스를 시간적으로 더 긴 휴지시간(P) 내에 수용하는 것이 가능하기 때문이다. 그 결과, 개별 레이저 펄스(3)가 더 이상 바람직하지 않게 컷오프되지 않거나 또는 레이저 펄스(3)의 세기의 의도하지 않는 변경이 더 이상 발생하지 않는다. 부정확한 변조가 신뢰할 수 있게 방지된다. 이와 관련하여, 정밀한 그레이 스케일 비트맵을 생성하는 것이 가능하다.

제어 전압(10)의 진폭이 변화되고 따라서 LV 스위칭 전압(13)의 진폭이 또한 변화되면, HV 변조 전압(5)에서도 변화가 지속된다. 도 4b의 실례로부터 알 수 있는 바와 같이, HV 변조 전압(5)이 예컨대 5 kV의 전압 값으로부터 3 kV 또는 2 kV까지 감소될 수 있어서, 그 다음에 도 4d에 도시된 바와 같이 레이저 펄스(3)의 세기의 감소로 차례대로 이어진다.

또한, 펄스화된 레이저 빔(2)을 생성하기 위한 레이저(1)에 의해 사용되는 레이저 신호(22)가 제어 신호(9)와 동기화되거나 또는 제어 전압(10)과 동기화되는 것이 유리하다. 왜냐하면, 레이저 펄스(3)와 변조 조건 역할을 하는 제어 신호(9) 간의 시간적 위상 매칭이 동기화에 따라 단순한 방식으로 가능하기 때문이다. 개별 위상 각도를 복잡하게 변화시키는 것은 필요하지 않다.

도 6a 내지 도 6c의 도시를 참조하여, 장치(100)의 개별 엘리먼트의 가능한 모듈 디자인에 대해 설명할 것이다. 이하, 용어 "모듈"은 공간적 유닛 및/또는 기능적 유닛을 의미한다고 이해해야 한다.

도 6a는 고전압 컨버터(12), 펄스 발생기(6), 및 제어 유닛(8)이 결합되어 모듈(15)을 구성하는 시스템을 도시하고 있다. 모듈(15)이 고전압 라인(17)을 통해 레이저(1)에 연결되고, 변조기(4)도 또한 레이저(1) 내에 배치된다. 레이저(1) 및 변조기(4)는 마찬가지로 공통 모듈(16)을 구성한다.

도 6b는 펄스 발생기(6)와 제어 유닛(8)이 결합되어 모듈(15)을 구성하는 실시예를 도시하고 있다. 대조적으로, 고전압 컨버터(12)가 변조기(4) 내에 배치되고, 따라서 고전압 모듈(16)이 된다. 모듈(16)에서만 고전압 변환이 일어나기 때문에, 모듈(15)이 저전압 라인(18)을 통해 모듈(16)에 연결될 수 있으며, 그 이유 때문에 배선에 대한 비용이 여기서 감소된다. 결과적으로, LV 모듈(15)과 HV 모듈(16)로 편리하게 분할된다.

도 6c는 LV 모듈(15) 및 HV 모듈(16)이 마찬가지로 제공되는 제3 변형 실시예의 도면이다. 펄스 발생기(6), 고전압 컨버터(12), 및 전기광학 변조기(4)도 또한 모듈(16) 내에 위치한다. 따라서, 모듈(15) 내에 배치된 제어 유닛(8)을 신호 라인(19)를 통해 모듈(16)에 연결하는 것이 단지 필요하며, 이는 시스템의 구성 및 특히 시스템의 배선을 추가적으로 단순화한다.

변조기(4) 또는 레이저(1)에 개별 컴포넌트 또는 복수의 컴포넌트를 배치시킴으로써, 개별 모듈(15, 16) 간의 라인 요구사항을 단순화한다. 이와 관련하여, 도 6a에 도시된 고전압 라인(17) 또는 심지어 도 6b에 도시된 저전압 라인(18)도 생략될 수 있다. 플래쉬오버의 위험 및 이러한 시스템(100)의 안전으로 이루어진 요구사항도 물론 줄어들 수 있으므로, 고전압 라인(17)으로부터 저전압 라인(18)까지의 단계는 이미 매우 유리하다. 저전압 라인(18)으로부터 신호 라인(19)까지의 단계의 결과로서, 시스템(100)이 더 단순화되면서 보다 비용 효과적으로 구성된다. 그 결과, EMC 손상도 또한 더 현저히 감소된다.

펄스 생성 중 뿐만 아니라 LV 스위칭 전압(13)의 변환 중에도 고전하-반전 전류 때문에 열 손실이 발생하므로, 펄스 발생기(6) 및/또는 고전압 컨버터(12)를 냉각시킬 필요가 있다. 이를 위해, 히트싱크(21), 및 특히 액체 냉각식 세라믹 히트싱크(liquid-cooled ceramic heat sink)가 도 7 및 도 8의 도시에 따라 제공된다. 세라믹이 시스템의 전기적 특성을 손상시키지 않기 때문에 이점을 제공한다. 예시적으로, 질화알루미늄 세라믹이 유용한 재료로서 가치가 있다고 입증되었다.

도 7의 도시로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1 실시예는 요크 형상(yoke-shaped)의 히트싱크(21)의 내부에 위치한 변압기(12)를 제공한다. 변압기(12)의 페라이트 코어(20)가 이 변압기(12)의 내부에 배치된다. 도 7의 도시로부터 알 수 있는 바와 같이, 히트싱크(21)는 물이 히트싱크(21)를 통과할 수 있게 하는 개구부(23)를 가지고 있다. 히트싱크(21)가 변압기(12)를 완전히 둘러싸고 있어서, 복수의 방향으로 커다란 면적의 방열을 달성하는 것이 가능하다. 따라서, 컴포넌트의 과열 및 이에 따른 시스템(100)의 고장도 발생하지 않는다.

도 8은 히트싱크(21)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 여기서, 펄스 발생기(6)로서 사용되는 트랜지스터(14)가 마찬가지로 액체 냉각식 세라믹 플레이트(21) 상에 배치된다. 도시에 의해 나타낸 바와 같이, 트랜지스터(14)의 커다란 면적이 냉각될 수 있도록, 트랜지스터(14)가 세라믹 플레이트(21)의 면적을 위에서 내리누르고 있다. 여기서, 개구부(23)도 역시 물을 공급하고 물을 방출하는 역할을 한다. 이러한 구성은 열 방출이 아래쪽으로 이루어질 수 있게 한다.

레이저(1) 또는 변조기(4)에 냉각 시스템이 이미 제공되어 있으면, 이 냉각 시스템이 컨버터(12) 또는 펄스 발생기(6)를 냉각하기 위해 또한 사용될 수 있다. 그 결과, 단순하면서 비용 효율적인 구성이 된다.

레이저 펄스(3)가 변조 조건에 따라 변조될 수 있도록, 전술한 시스템(100) 및 대응하는 방법도, 저전압 범위에 있는 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압(13)을 생성하는 것이 가능하다는 사실에 의해 구별되고, 그 다음에 스위칭 전압이 전압 컨버터(12)에 의하여 출력 전압 레벨보다 상대적으로 높은 필요한 변조 전압(5)으로 변환될 수 있다.

1: 레이저
2: 레이저 빔
3: 레이저 펄스
4: 전기광학 변조기
5: 변조 전압
6: 펄스 발생기
7: 고전압 소스
8: 제어 유닛
9: 제어 신호
10: 제어 전압
11: 저전압 소스
12: 전압 컨버터
13: 스위칭 전압
14: 반도체 컴포넌트
15: 모듈
16: 모듈
17: 고전압 라인
18: 저전압 라인
19: 신호 라인
20: 페라이트 코어
21: 히트싱크
22: 레이저 신호
23: 개구부
100: 시스템
P: 휴지시간
A: 상승시간

Claims

펄스화된 변조 전압(5)에 의하여 작동되는 전기광학 변조기(electro-optical modulator)(4)를 이용하여 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템으로서,
상기 변조기(4)의 업스트림에 연결되고, 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압(13)을 상기 출력 전압 레벨보다 상대적으로 높은 상기 변조 전압(5)으로 변환하는 전압 컨버터(12)
를 포함하는 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전압 컨버터(12)는 변압기로서 구현되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
펄스 발생기(6), 특히 변조 펄스 발생기(6)가 상기 전압 컨버터(12)의 업스트림에 연결되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제3항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6)는 스위치, 특히 반도체 스위치로서 구현되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6)는 반도체 하프 브릿지 또는 반도체 풀 브릿지로서 구현되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
저전압 소스(11)가 상기 펄스 발생기(6)의 업스트림에 연결되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6)는 제어 유닛(8)에 의해 생성되는 제어 전압(10)에 의하여 제어 가능한, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조 전압(5)은 800 V 내지 10 kV의 범위에 있는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저(1)가 상기 전기광학 변조기(4)를 통과하는 펄스화된 레이저 빔(2)을 제공하는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제9항에 있어서,
상기 변조 전압(5)의 상승시간(A)은 2개의 레이저 펄스(3) 간의 휴지시간(P)의 절반 이하인, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6), 상기 전압 컨버터(12), 및 상기 제어 유닛(8)이 결합되어, 특히 공간적으로 결합되어 모듈(15)을 구성하는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6)와 상기 제어 유닛(8)이 제1 모듈(15)로서, 그리고 상기 전기광학 변조기(4)가 제2 모듈(16)로서 결합되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6), 상기 전압 컨버터(12), 및 상기 전기광학 변조기(4)가 결합되어 모듈(16)을 구성하는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 발생기(6) 및/또는 상기 전압 컨버터(12)는 히트싱크(21)에 의하여, 특히 액체 냉각식 세라믹 캐리어(liquid-cooled ceramic carrier)에 의하여 냉각 가능한, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제14항에 있어서,
상기 히트싱크(21)는 상기 펄스 발생기(6) 및/또는 상기 전압 컨버터(12)를 둘러싸고 있는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
제14항에 있어서,
상기 히트싱크(21)는 액체가 통과하여 흐르는 플레이트로서 구현되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 시스템.
펄스화된 변조 전압(5)에 의하여 작동되는 전기광학 변조기(4)를 이용하여 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법으로서,
상기 변조기(4)의 업스트림에 연결되는 전압 컨버터(12)가 출력 전압 레벨의 펄스화된 스위칭 전압(13)을 상기 출력 전압 레벨보다 상대적으로 높은 상기 변조 전압(5)으로 변환하는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법.
제17항에 있어서,
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 시스템이 레이저 펄스를 변조하기 위한 방법에 사용되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 변조 전압(5)의 진폭은 상기 스위칭 전압(13)의 진폭을 변화시킴으로써 조절되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 펄스(3)를 생성하기 위해 사용되는 레이저 신호(22)가 상기 제어 유닛(8)을 제어하기 위해 사용되는 제어 신호(9)와 동기화되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
펄스 정밀 레이저 펄스 변조 시퀀스(pulse-accurate laser pulse modulation sequence)가 상기 전기광학 변조기(4)에 의하여 생성되는, 레이저 펄스(3)를 변조하기 위한 방법.