KR20170056633A - 음향 광학 변조기를 포함하는 q-스위치 co2 레이저 재료 가공 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 주제는 음향 광학 변조기들(AOM)을 갖는 Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템으로, 음향 광학 변조기들은 한편으로는 CO₂ 레이저를 Q-스위칭하기 위해 공진기 내부에서 사용되고, 다른 한편으로는 레이저와 워크피스 사이의 방사선 피드백의 매우 효율적인 억제를 위해 외부에서 사용된다. 핵심 아이디어는 활성 매질에서의 방사선의 증폭 측면에서 AOM 결정에서의 음향파의 여기 주파수에 정확히 대응하는 AOM에서 회절된 방사선의 주파수 시프트를 구체적으로 고려하는 것이다. 이 주파수 시프트가 방사선의 증폭을 상당히 감소시키기 때문에, 그것은 Q-스위칭 프로세스에서 회피되어야 하며, 이는 본 발명에 따라, 여기 주파수는 동일하지만, 결정에서의 음향파들의 전파 방향은 반대인 2개의 AOM의 탠덤에 의해 달성된다. 이와 대조적으로, 주파수 시프트는 본 발명에 따라 AOM이 레이저 출력과 워크피스 사이에 배열될 때 레이저와 워크피스 사이의 방사선 피드백의 억제를 위해 유리하고, 상기 AOM은 적어도 음향파의 높은 여기 주파수를 가지고 있어, AOM에서 회절된 빔이 작업 빔으로서 사용될 때, 레이저로 다시 전파하는 파가 활성 매질에 의해 사실상 증폭되지 않는다.

Description

음향 광학 변조기를 포함하는 Q-스위치 CO2 레이저 재료 가공 시스템{Q-SWITCHED CO2 LASER MATERIAL MACHINING SYSTEM COMPRISING ACOUSTO-OPTIC MODULATORS}

본 발명은 빔 성형을 위한 음향 광학 변조기(AOM)를 갖는 Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템에 관한 것이다.

가장 다양한 특수 설계의 CO₂ 레이저로 수많은 기술적으로 관련 있는 재료 가공 작업들이 매우 효율적으로 해결될 수 있다. 그러나, 흔히, 이러한 작업들은 펄스화된 방사선, 예를 들어, 고품질 요건들을 갖는 드릴링에 구속된다. 그러나 정확하게 이것은 공지된 상업적으로 이용 가능한 CO₂ 레이저들의 특정 약점이다: 이들의 펄스화 능력은 약 10㎛의 적외선 범위의 방사선의 파장 범위에 의해 실질적으로 제한되며 이 때문에 레이저에 의한 재료 가공에 필요한 높은 평균 전력에서, 특히 Q-스위치의 변조에 적합한 한정된 수의 광학적으로 투명한 재료들만이 존재한다. 그들의 공지된 단점들을 갖는 기계적 스위치들 외에, 사실상 배타적으로 게르마늄 기반의 음향 광학 변조기(AOM) 및 CdTe 기반의 전기 광학 변조기(AOM)만이 현대의 CO₂ 레이저의 Q-스위칭에 사용되지만, 오랫동안 일반적인 공진기 설계에 대한 달성 가능한 평균 전력에 관하여 상대적으로 좁은 한계를 갖는다. 이러한 충돌에서 벗어나는 한 가지 방법은 WO 2013/113306 A8에 설명된 Q-스위치 CO₂ 레이저 시스템에 의해 입증되는데, 이는 원칙적으로 Q-스위치 CO₂ 레이저 시스템의 평균 전력을 킬로와트 범위까지 허용한다.

본 발명의 목적은 한편으로는, 음향 광학 변조기(AOM)에 의해 Q-스위칭되고, 다른 한편으로는, 외부에, 즉 레이저 공진기의 외부에 배열되는 또 다른 AOM에 의해 워크피스로부터 다시 반사된 방사선으로부터 매우 효율적으로 디커플링되는 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 기술적 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 청구항 1의 주제를 교시한다. 바람직한 실시예들은 종속항들에 기재되어 있다.

본 발명의 목적을 위해서, 레이저에 의한 재료 가공에 적합한 다른 여러 가지 중에서도, 가능한 한 강력한 Q-스위치 CO₂ 레이저 시스템에서의 AOM의 사용이 배타적으로 고려되며, 본 명세서에는 레이저 공진기의 외부에 있는, 외부에서 발생하는 빔 성형, 특히 워크피스로부터 반사된 방사선으로부터의 레이저의 격리도 포함된다. 본 발명의 핵심은 통상적으로는 무시되는 인자, 즉 AOM에서 회절된 빔의 주파수 시프트인데, 이 주파수 시프트의 이유는 주파수에 대응하는 전파 격자에서의 회절이며, 이 때문에 이동 격자가 생성된다. 아래에 제시된 이유들 때문에 흔히 합리적인 또는 심지어 필요한, 회절된 빔이 사용된다면, 이 사실은 긍정적인 측면 및 부정적인 측면으로 방사선에 대한 증폭 활성 매질의 효과에 결정적인 영향을 미친다.

본 발명에 따른 해결책을 더 잘 이해하기 위해, 활성 매질의 이득 프로파일의 스펙트럼 폭과 AOM의 회절된 빔에서의 방사선 주파수의 영향 사이의 관계가 더 상세히 논의될 필요가 있다. 이는 이하에서 상세히 언급되는, 실행의 예들만을 나타내는 도면들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

AOM 내의 전파 격자에서의 브래그 회절에서 이 격자가 트랜스듀서에 의해 생성되는 주파수 f_AOM은 격자의 전파 방향에 따라, AOM에 입사하는 광파의 주파수 f에 가산적으로 또는 감산적으로 부과되며, 따라서 회절된 파의 최종 주파수 f_B에 대해 다음이 적용된다: f_B = f ± f_AOM.

이제, 이 주파수 시프트된 파가 활성 매질과 어떻게 상호작용할 것인가, 즉, 시프트가 이득에 어떻게 영향을 미칠 것인가? CO₂ 레이저에서는, 주로, 이득 프로파일 g(f-f₀), 도플러 확장 및 압력 확장을 결정하는 두 가지 라인 확장 메커니즘이 존재한다.

불균일한 라인 확장으로서의 도플러 확장은, 이득 프로파일 g(f-f₀)에 대해, 다음 함수

에 따라 가우스 프로파일을 야기할 것이고, 여기서 f₀는 공진 주파수이고 Δf는 반치 전폭(full-width at half-maximum)이다. 도 1은 공진 주파수와 비교하여 주파수 시프트가 증가함에 따라 이득이 f = f₀에서의 최대 값에 대하여 어떻게 감소하는지를 도시한다. f_AOM과 Δf가 동일한 자릿수(order of magnitude)에 도달하면, 이 사실은 레이저 시스템의 기능에 대해 결정적으로 중요해질 것이다.

균일한 라인 확장으로서의 압력 확장은 이득 프로파일 g(f-f₀)에 대해, 다음 함수

에 따라 로렌츠 프로파일을 야기할 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 다시 f_AOM과 Δf가 동일한 자릿수에 있을 때, 이득 감소는 여기서 도플러 확장에 대한 것과 매우 유사한 거동을 나타낸다. 여기서 약 30mbar까지의 저압 CO₂ 레이저에 대해서는, 도플러 확장이 지배적이고, 100mbar를 초과하는 중 고압 레이저에 대해서는, 압력 확장이 중요한 역할을 한다는 점에 유의해야 한다. 그러나 어떤 경우에도, 40MHz 이상의 범위의 전형적인 AOM 주파수에서 회절된 방사선 빔의 결과적인 주파수 시프트는 활성 매질에서 이 빔의 증폭을 상당히 감소시키는 것으로 가정할 수 있다. 간단한 고려가 이를 설명할 것이다.

작은 신호 이득의 경우, 이득 g를 갖는 매체에 전력 P₀가 입력되고, 길이 z의 활성 매질에서 무손실 증폭을 가정할 때, 출력에서의 전력 P(g)는 다음에 따라 계산될 수 있다:

P(g) = P₀ exp(gz)

상대적 증폭 P(g)/P₀이 도 3에서 곱 gz의 함수로서 도시되어 있다. 고전력 CO₂ 레이저에서 작은 신호 이득은 전형적으로 10⁴에서 10⁶까지의 범위에 있기 때문에, 예를 들어 10에서 5까지 2배의 gz(z는 상수로 간주됨)의 이미 상대적으로 작은 감소들은 10⁴에서 10²까지 두 자릿수만큼의 증폭의 감소를 야기할 것임을 즉시 알 수 있다. 그러나 이러한 2배의 g의 감소는 활성 매질과 상호 작용하는 공진 주파수 f₀의 방사선의 Δf/2만큼의 주파수 시프트에서 이미 발생한다(도 1 및 도 2 참조).

전형적인 저압 CO₂ 레이저의 경우, 도플러 확장 및 그에 따라 이득 프로파일의 Δf는 약 60MHz이고, 즉 30MHz만큼의 주파수 시프트(AOM의 공통 주파수 작동 범위는 40MHz 이상임)는 g를 이미 2배 감소시키고 따라서 활성 매질의 작은 신호 이득을 약 100배 감소시킨다.

이하에서는, CO₂ 레이저 재료 가공 시스템에서 AOM의 이용에 대한 중요성이 설명된다. 본 발명의 목적에 따라, 완전히 상이한 요건들을 갖는 두 가지 경우가 구별되어야 한다. 설명을 위해, 도 5 및 도 9를 참조한다.

1. CO₂ 레이저를 Q-스위칭하기 위한 AOM의 사용

일반적으로, Q-스위칭을 위한 AOM이 활성 매질과 공진기 단부 미러 사이에 배열되고, 비회절된, 투과된 빔이 피드백되는 가장 간단한 변형이 사용된다. 그러나, 이는 첫째, AOM의 회절 효율이 충분히 높지 않고, 및/또는 둘째, 활성 매질의 이득이 너무 높아서 원하는 펄스에서의 레이저 기능의 완전한 억제가 AOM의 활성화에 의해 일시 정지될 때, 즉, 높은 회절 손실의 관련이 불가능하게 될 때 실패할 것이다. 이러한 상황은, 반전의 감소가 발생하지 않을 때, 이미 수 10㎲ 후에 활성 매질의 연속 펌핑과 함께 발생할, 위에서 언급한 거대한 작은 신호 이득들을 고려하여, 빠르게 얻어진다. 그 결과는 실제 펄스 일시 정지에서의 통계적 방사선 피크들의 발생이고(도 4 참조), 제어된 Q-스위칭이 가능하지 않다.

피드백 분기의 콘트라스트비 "On" - "Off"를 사실상 무한히 높이기 위해, 피드백을 위해 AOM의 회절된 빔을 사용하는 것이 즉시 명백한데, 그 이유는 그것이 AOM의 비활성화로 완전히 사라지며, 매우 높은 점유 반전에서도, 레이저의 기생 진동이 확실하게 억제되기 때문이다. 그러나, 이 명백하게 간단한 해결책은 큰 문제, 즉 회절된 빔의 위에서 논의한 주파수 시프트를 야기한다! 전형적인 예로서, 40MHz로 생성되는, 전파 격자에서의 회절을 가정하면, 방사선 주파수는 하나의 회절 프로세스에서 정확히 이 40MHz만큼 시프트할 것이다. 격자는 같은 의미에서 두 번 통과되므로, 피드백의 경우, 심지어 80MHz의 주파수 시프트가 발생할 것이다. 그러나 저압 CO₂ 레이저의 이득 프로파일의 도플러 폭은 대략 60MHz에 불과하고, 즉, 회절되어 다시 활성 매질로 복귀하는 방사선은 매우 낮은 이득에서 나타나므로(도 1 참조) 매우 적게만 증폭될 뿐이며 (도 3 참조), 효율적인 레이저 기능이 가능하지 않다. 이 문제의 본 발명에 따른 해결책은 AOM 탠덤의 사용에 있다(즉, 제1 AOM은 입사 빔을 투과된 부분 및 회절된 부분으로 분할하고, 바로 뒤에 제공된 제2 AOM은 첫째, 회절된 부분은 다시 최적의 브래그 각도에서 나타나서 두 번째로 회절되고, 둘째, 2개의 AOM에서 전파하는 격자의 유효 방향이 정확히 반대이도록, 따라서 전술한 예의 유효 주파수 시프트가 한 번은 +40MHz이고 한 번은 -40MHz, 즉 합이 0이 되도록 배열된다). 복귀하는 빔은 유사 관계에서 나타나며 총 4회의 회절을 겪는 피드백된 빔은 주파수 시프트 0으로 활성 매질에 다시 들어가고, 최적의 이득에서 나타나고, 정상적인 레이저 기능이 가능하다.

이 원리는 제어 프로세스의 단순화를 위해, 하나의 AOM만이 전력을 변조하고, 제2 AOM은 연속적으로 동작하고, 즉 후자는 사실상 제1 AOM의 주파수 시프트의 보상을 위한 역할만 하고, 그에 의해 실제 Q-스위칭이 수행되는 경우에도 작동한다. 따라서 본 발명에 따른 AOM 탠덤의 사용은 첫째, 레이저에서의 기생 피드백의 완전한 억제, 및 둘째, AOM 스위칭 시간에서의 펄스 파라미터의 완전히 자유로운 제어 가능성을 보장한다.

2. 방사선 피드백 워크피스 - 레이저의 매우 효율적인 억제를 위한 AOM의 사용

Q-스위치 CO₂ 레이저에 대한 두 번째 중요한 점은 어쨌든 워크피스에서 레이저로의 방사선 피드백이다. 이는 주로 구리 또는 알루미늄과 같이 고반사성 재료들에서 그리고 평면 워크피스 표면들에서, 워크피스에 입사하는 방사선 전력의 10%보다 훨씬 클 수 있는 엄청난 레벨에 도달할 수 있다. 이에 의해 야기되는 문제들의 해결을 위한, 즉 선택된 공진기 구성에 의해 결정되는 파면의 "레이저 형" 설계로 적절한 레이저 기능의 실현을 위한 일반적인 방법은 레이저 출력과 워크피스 사이의 광 경로에 흡수 박막 반사체(Absorbing Thin Film Reflector, ATFR) 미러와 λ/4 위상 시프터 미러의 조합을 통합하는 것이다. 이것은 심지어 이중 기능을 갖는데, 그 이유는 방사선 디커플링 외에, 워크피스에 입사하는 방사선의 빈번하게 요구되는 원 편광이 발생되기 때문이다. 이러한 형태의 디커플링은, 예를 들어, 반전이 연속적으로 감소되고 상대적으로 낮은 레벨에서 유지되는, 레이저의 cw 모드에서 완전히 충분하다. 그러나, Q-스위칭이 사용된다면, 점유 반전 및 그에 따라 이득이 펄스 일시 정지에서 수 자릿수 증가할 것이고, 작은 신호 이득은 위에서 언급한 레벨들에 도달할 것이며, 가장 작은 피드백된 방사선 양으로도 레이저의 기생 진동을 야기하고 Q-스위칭 프로세스를 민감하게 손상시키기에 충분할 것이다. 여기서, 언급한 시스템은 실패하는데, 그 이유는 최적의 조정에서조차, 워크피스로 이동하는 방사선의 퍼센트 범위에서 분명히 특정 방사선 부분들이 레이저로 다시 복귀할 것이기 때문이다. 그 결과들이 예를 들어, 도 4에 도시되어 있다: 왼쪽 그림은 워크피스가 없는, 즉 방사선 피드백이 없는 Q-스위치 레이저의 적절한 펄스 생성을 보여주는 반면, 워크피스를 제공할 때, 즉 다소 중요한 방사선 피드백이 있을 때는, 오른쪽 그림에 도시된 상황, 즉 Q-스위칭 펄스 및 반전이 임계 레벨까지 형성되는 특정 일시 정지 후에, 기생 진동이 시작될 것이고, 이에 따라 원하는 레이저 기능이 불가능하게 되는, 상황이 발생할 것이다.

이 문제의 본 발명에 따른 해결책은 다시 AOM에서의 회절된 빔의 주파수 시프트에 기초한다. 이번에, 이 효과는 다음과 같은 방식으로 긍정적인 결과를 위해 사용된다. 레이저 출력 직후에, AOM은 선형 편광된 방사선이 최적의 방식으로 회절되도록 배열된다. 언급한 주파수 시프트를 다시 나타내는 이 회절된 방사선 부분은 가공을 위해 워크피스로 보내진다. 여기에 관련된 자릿수의 주파수 시프트 자체는 재료 가공에 어떤 영향도 미치지 않는다. 복귀하는 방사선 부분들(반사된 또는 회절된)은 AOM에 두 번째로 부딪치고, 주파수 시프트는 두 배가 된다. 이제 이 주파수 수정된 빔이 활성 매질에 들어갈 때, 점유 반전에 미치는 그의 영향은 거의 제로인데, 그 이유는 그것이 사실상 증폭되지 않기 때문이다. 구체적으로, 이는 상기 언급한 파라미터들 f_AOM = 40MHz 및 Δf = 60MHz에서는 공진기로 복귀하는 방사선이 주파수 f₀의 공진 방사선보다 4자릿수보다 많은 정도로 증폭된다는 것을 의미한다. 고전적인 디커플링에 대한 엄청난 차이점을 설명하기 위해, 증폭된 전력 P(g)를 다시 고려한다:

디커플링 변형 "ATFR + λ/4 위상 시프터"에서, 파라미터 P₀가 영향을 받으며, P₀의 변화에 비례하여, P(g)도 영향을 받는다. 대조적으로, 본 발명에 따른 해결책에서, g의 변화는 지수 함수에서 고려되므로, g에서 비교적 작은 감소는 이미 증폭에서 수 자릿수를 설명할 것이다.

이제 본 발명에 따른 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템에서의 AOM 사용의 구체 사항들에 대해 다음 도면에 개략적으로 도시된 2개의 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 가우스 프로파일에 대한 주파수 시프트의 함수로서의 상대적 이득을 도시한다.
도 2는 로렌츠 프로파일에 대한 주파수 시프트의 함수로서의 상대적 이득을 도시한다.
도 3은 gz의 함수로서 활성 매질에서의 상대적 증폭을 도시한다.
도 4는 방사선 피드백 워크피스 - 레이저를 도시하는 것으로: 왼쪽은 워크피스가 없는 것이고, 오른쪽은 워크피스가 있는 것이다.
도 5는 AOM Q-스위치를 갖는 CO₂ 레이저를 도시한다.
도 6은 Q-스위칭을 위한 AOM 탠덤의 기능을 도시한다.
도 7은 AOM에 의한 방사선 피드백 워크피스 - 레이저의 억제를 도시한다.
도 8은 AOM, ATFR 및 λ/4 위상 시프터에 의한 완전한 디커플링을 도시한다.
도 9는 특허 문헌 WO 2013/113306 A8에 따른 CO₂ 레이저에서의 AOM 사용을 도시한다.
도 10은 4개의 부분 빔을 가진 AOM에 의한 방사선 피드백 워크피스 - 레이저의 억제의 예를 도시한다.

도 5는 일반적인 Q-스위치 CO₂ 레이저의 기본 구조에 기초한 제1 실시예를 개략적으로 도시하고 있는데, 공진기의 선형 배열 - "100-% 단부 미러 - 활성 매질 - Q-스위칭을 위한 요소 - 출력 결합기 플레이트"가 전형적이다. 이 표현은 활성 매질의 한쪽 단부에 배열된 피드백을 위한 유닛 I를 보여주며, 다음의 매우 개략적으로 도시된 유닛 II는 레이저에서 워크피스까지의 광 경로를 보여준다. 위에서 언급한 바와 같이, AOM을 Q-스위칭을 위한 요소로서 사용할 때 두 가지 문제가 있다. 0차 차수인, 단순히 투과된 빔이 다시 피드백된다. 그러면, 고전력 레이저로는, 최대 점유 반전에서 레이저 기능을 억제하는 것이 가능하지 않을 것인데, 그 이유는 CO₂ 레이저에 대한 일반적인 AOM들의 회절 효율이 90%를 초과하며, 따라서 최대 도입 손실이 충분히 높지 않기 때문이다. 또는 1차 회절 차수인 회절된 빔이 피드백되는데 주파수 시프트 및 그에 따라 급격한 이득 감소의 문제가 수반된다.

이 문제는, 본 발명에 따라, 도 5에 도시된 Q-스위칭 요소들로서 2개의 AOM의 탠덤 배열에 의해 해결되며 도 6에서 더 상세히 설명된다. 활성 매질(1)의 방향으로부터 오는 빔(8)은 제1 AOM(2)에 부딪치고 이는 대응하는 스위칭 전압이 인가될 때 이 빔을 1차 브래그 회절 차수로 편향시킨다. 이 빔(9)은 제2 AOM(3)에 부딪치고 이는 이로부터 스위칭 전압이 인가될 때 회절된 빔(10)을 생성한다. 조정된 출력 결합기 플레이트에서의 부분적인 반사 후에, 빔은 그 자체로 정밀하게 역으로 이동하고(빔 11, 12 및 13) 레이저 기능을 위해 요구되는 피드백을 제공한다. 이 AOM 탠덤의 적절한 기능을 위해 결정적인 두 가지 인자가 있는데: 첫째로, 2개의 AOM 모두는 회절 격자에 대해 정확히 동일한 여기 주파수를 가져야 하며, 둘째로, 2개의 격자 모두의 전파 방향들은 서로 반대이어야 한다. 정확히 동일한 여기 주파수라는 용어는 특히 그 차이가 최대 100ppm(더 높은 주파수라고 함), 특히 최대 10ppm, 바람직하게는 최대 1ppm 또는 0.1ppm인 주파수들을 지정한다. 그러면, 피드백된 빔의 결과적인 주파수 시프트는 필요에 따라 0이다. AOM들에서의 회절에 의한 δf만큼의 주파수들의 각각의 앞뒤 시프트 및 빔들(8-13)의 전력 P의 연속적인 감소가 f의 함수로서 정성적인 의존성들 g(f) 및 P의 각각의 표현들에 예시되어 있다.

위에 더 설명된 바와 같이, 가공될 워크피스로부터 레이저로의 방사선의 피드백에서 문제의 CO₂ 레이저의 적절한 Q-스위칭 동작의 또 다른 잠재 위험이 있다. 그의 매우 효율적인 억제를 위해, 본 발명에 따라, 레이저 출력 결합기 플레이트(4)의 바로 뒤에 제3 AOM(5)이 배열된다. 워크피스까지의 광 경로에서, 옵션으로 추가 빔 성형을 위한 유닛(6)이 또한 통합될 수 있는데, 그것은 특히 워크피스(7)상의 방사선의 많은 응용을 위해 요구되는 원 편광을 생성하기 위해 그리고 AOM에 대해 흔히 일반적인 빔의 약간 타원형 왜곡의 보상(예를 들어, 원통형 렌즈에 의한)을 위해 통합될 수 있다.

도 7 및 도 8은 방사선 피드백의 억제를 한 번 더 상세히 도시한다. 도 7은 본 발명에 따른 주파수 시프트의 효과에 집중한다. 출력 결합되는 빔(coupled-out beam)(16)은 제3 AOM(5)에 부딪치고, 이는 스위칭 전압이 인가될 때 회절되고 δf만큼 주파수-시프트된 빔(17)을 워크피스로 보낸다. 그로부터 복귀하는(반사된 또는 회절된) 방사선(18)은 AOM(5)에서 두 번째로 회절되고 제2 주파수 시프트를 겪고, 따라서 결국 2δf만큼 주파수-시프트된 빔(19)이 레이저의 출력 결합기 플레이트(4)로의 방향으로 이동하게 된다. 도 5와 유사한 방식으로, f의 함수로서의 정성적인 의존성들 g(f) 및 P가 도 6에도 제시되어 있다. 본 발명에 따라, AOM(5)은 2배가 된 주파수 시프트 2δf가 적어도 대략 이득 프로파일의 반치 전폭 Δf이도록 선택되어야 한다. 용어 "자릿수(order of magnitude)"는 2δf/Δf의 비율이 바람직하게는 1:10으로부터 100:1까지의 범위, 특히 1:1로부터 및/또는 10:1까지의 범위에 있어야 한다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 배열의 본질적인 인자는 AOM(5) 뒤에 배열된 λ/4 위상 시프터에 의한 원 편광된 방사선으로의 레이저의 선형 편광된 방사선의 일반적인 변환이 문제없이 가능하다는 사실이다. 마찬가지로 광 경로에 추가로 "ATFR 미러 - λ/4 위상 시프터"의 조합에 의해 이를 초과하는 고전적인 디커플링을 도입하는 것이 가능하다. 이러한 "완전한 버전"은 도 8에 예시되어 있다. 수직 선형 편광(23)을 갖는 제3 AOM(5)에 의해 회절된 빔(22)은 사실상 손실 없이 (실제 ATFR에서) 편광 의존 흡수체(20)를 통과한 다음 λ/4 위상 시프터(21)에서 원 편광(25)을 갖는 빔(24)으로 변환된다. 워크피스(7)와의 상호 작용 후에, 이 원 편광된 방사선의 특정 부분(26)이 레이저의 방향으로 역으로 이동한다. λ/4 위상 시프터(21)를 통과할 때, 그것은 선형 수평 편광(28)을 갖는 빔(27)으로 변환되고, 이는 편광 의존 흡수체와의 상호 작용에 의해 실질적으로 파괴된다. 이제 이미 매우 강하게 약화된 나머지 빔(29)이 AOM(5)에 다시 부딪칠 것이고, 복귀하는 빔이 파괴되는 아래에 다시 요약되는 손실 프로세스의 결과로서, 이 방사선의 레이저의 매우 양호한 디커플링이 달성된다.

1. 위에서 언급한 바와 같이, AOM(5)은 회절된 빔의 주파수를 δf만큼 시프트시키고, 그에 따라 워크피스로부터 복귀하는 방사선의 주파수를 2δf만큼 시프트시킨다. Q-스위칭 AOM에 대해 불리했던 것이 여기서는 큰 이점이다 - 레이저로 복귀하는 방사선은 최소 정도까지만 증폭된다.

2. 조합 "ATFR 미러 - λ/4 위상 시프터"의 디커플링 효과가 완전히 유지된다.

3. 복귀하는 방사선이 위상 시프터에 의해 순방향 방사선에 대해 수직으로 편광되고 따라서 AOM(5)에 의해 단지 비효율적으로 회절되는, 즉 더 적은 방사선이 레이저의 방향으로 이동하는 제3 디커플링 효과가 달성된다.

순전히 정지 상태로 작용하고 AOM(5)의 어떤 특정 시간 제어도 필요로 하지 않는 이들 3가지 효과의 조합으로 인해, 본 발명에 따른 배열이 복귀하는 방사선을 많은 자릿수만큼 약화시키고, 따라서 활성 매질에서의 최대 이득에서 및 최대 피드백(예를 들어, 구리와 같은 고반사성 금속에 의한)에서조차 기생 진동이 발생하지 않을 것이다.

또한, 본 발명에 따른 이러한 시스템 내재적인 디커플링과 상관없이, 1㎲보다 짧은 스위칭 시간을 갖는 신속 동작 스위치로서의 AOM 기능이 물론 충분히 이용될 수 있으며, 즉 대응하는 제어에 의해, 사실상 레이저로부터 오는 각각의 개개의 펄스가 원하는 대로 영향을 받을 수 있다.

상기 실시예에서, Q-스위칭을 위한 2개의 AOM은 항상 존재하는 전력이 출력 결합되는 레이저 전력에 비해 증가하는 공진기 내부 방사선 장(resonator-internal radiation field)에 직접 노출된다. 이러한 레이저 시스템은, 상대적으로 낮은 게르마늄의 방사선 부하능(radiation loadability) 때문에, 수백 와트의 평균 출력 전력으로 제한된다. 전술한 바와 같이, WO 2013/113306 A8에 따른 레이저의 원리는 이러한 딜레마의 타개책을 제공하고 수 킬로와트 범위까지 평균 출력 전력을 가능하게 한다. 그러나, 상기 특허에 기재된 문제점들은 이러한 타입의 레이저에 대해서도 여전히 충분히 적용되며, 그 가능성들로부터 충분히 이익을 얻을 수 있기 위해서는, 본 발명에 따른 해결책이 특히 유용하다.

이 상황은 제2 실시예에서 간략하게 논의될 것이다. 도 9는 제1 실시예와의 기본적인 차이점을 도시한다. 그것은 주로 박막 편광자(thin-film polarizer, TFP)(30)를 통한 레이저 빔의 수정된 출력 결합으로 구성된다. TFP(30)는 활성 매질로부터 오는 약간 타원 편광된 방사선을 출력 결합되는 도면의 평면에 대해 수직으로 편광되는 고전력 빔과, 피드백되는 도면의 평면에서 편광되는 상대적으로 약한 빔으로 분할한다. 이로써, Q-스위치에 대한 책임이 있는 AOM 탠덤(2, 3)의 방사선 부하는 비교적 높은 출력 전력에서조차 상대적으로 낮다. 유닛 I과 II의 효과들은 그 외에는 전술한 바와 같이, 동일하다. 여기서는 출력 결합기 플레이트(4)만이 100-% 단부 미러(46)로 대체된다. 이 표현에서 유의해야 할 점은, AOM 기능의 편광 의존성 때문에, 제3 AOM(5)은 실제로는 빔 축에 관하여 90°만큼 회전되어야 한다는 것이고, 이는 명확성의 이유로 도 9에 도시되어 있지 않다.

이 제2 실시예와 관련하여, 또 다른 측면이 논의된다. 위에 언급한 바와 같이, 도 9에 따른 레이저는 전형적으로 상대적으로 높은 평균 전력을 특징으로 한다. 이제 외부 AOM(5)이 레이저 출력에 바로 배치되면, 사용 가능한 평균 전력은 게르마늄 결정의 상대적으로 낮은 방사선 부하능에 의해 민감하게 제한되며, 레이저의 이점들은 충분히 활용될 수 없다. 여기서는, 가능한 한 효율적으로 고전력 레이저들과 함께 작업하기 위해, 종종 실제로 사용되는 변형이 사용될 수 있다 - 정의된 빔 분할. ZnSe에 기초한 빔 스플리터들이 수 킬로와트 범위까지 사용될 수 있으며 따라서 예를 들어 스플리터 캐스케이드에 의해 평균 전력 1.2 킬로와트의 빔을, AOM에 의해 쉽게 처리될 수 있는, 각각 300 와트의 4개의 부분 빔으로 분할하기에 적합하다(도 10 참조). 이를 위해, 예를 들어, 도 10에 도시된 변형에서는, 3개의 빔 스플리터(32, 33, 및 34), 및 바람직하게는 각각 50:50의 스플리터 비율로, 3 개의 편향 미러(35, 36, 및 37)가 필요하다. 그 후 각각의 부분 빔(38 내지 41)은 그 자신의 AOM(42 내지 45)에 수신된다. 물론, 이 방법을 사용하기 위한 조건은 각각의 의도된 응용이 부분 빔들로 수행될 수 있다는 것이다.

1 활성 매질
2 제1 AOM
3 제2 AOM
4 출력 결합기 플레이트
5 제3 AOM
6 빔 성형 유닛
7 워크피스
8 피드백 빔
9 제1 AOM에서의 회절 후의 빔
10 제2 AOM에서의 회절 후의 빔
11 출력 결합기 플레이트에서 반사된 빔
12 제2 AOM에서의 회절 후 복귀하는 빔
13 제1 AOM에서의 회절 후 복귀하는 빔
14 제1 AOM의 0차 회절 차수의 방향
15 제2 AOM의 0차 회절 차수의 방향
16 출력 결합되는 레이저 빔
17 제3 AOM에서의 회절 후의 레이저 빔
18 워크피스로부터 반사된 방사선
19 제3 AOM에서의 회절 후 워크피스로부터 반사된 방사선
20 편광 의존 흡수체(ATFR)
21 λ/4 위상 시프터
22 제3 AOM에서 회절된 빔
23 수평 방향의 편광
24 워크피스에 입사하는 빔
25 원 편광
26 워크피스로부터 반사된 방사선
27 λ/4 위상 시프터를 통과한 후 워크피스로부터 반사된 방사선
28 수직 방향의 편광
29 ATFR에 의해 강하게 약화된 빔
30 박막 편광자(TFP)
31 레이저 빔
32, 33, 34 빔 스플리터
35, 36, 37 편향 미러
38, 39, 40, 41 부분 빔
42, 43, 44, 45 음향 광학 변조기
f 방사선 주파수
f₀ 활성 매질의 공진 주파수
f_B 회절된 파의 주파수
f_AOM Ge 결정에서 음파의 주파수
g 활성 매질의 이득
P 방사선 전력
P₀ 활성 매질의 입력에서의 방사선 전력
P(g) 이득의 함수로서의 방사선 전력
z 활성 매질의 길이
AOM 음향 광학 변조기
ATFR 흡수 박막 반사체
cw 연속 방사선( "연속파")
EOM 전기 광학 변조기
TFP 박막 편광자
Δf 이득의 주파수 반치 전폭
δf 회절된 빔의 주파수 시프트
λ 파장

Claims (7)

1. 빔 성형을 위한 음향 광학 변조기들(AOM)을 포함하는 Q-스위치 CO₂ 레이저 시스템, 특히 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템으로서,
   a) 상기 Q-스위치를 위해 서로의 후방에 배열되고 바람직하게는 공진기 단부 미러(46) 또는 레이저 출력 결합기 플레이트(4)에 근접하게 배열된 2개의 AOM(2, 3) - 상기 AOM들(2, 3)은 여기 주파수들이 동일하고 결정에서 음향파의 전파 방향이 반대인 것을 특징으로 함 - 은, 제1 AOM(2)에 입사하는 빔(8)이 회절되고, 그 결과로 생긴 회절된 빔(9)이 제2 AOM(3)에서 한 번 더 회절되고, 이 이중 회절의 결과로 생긴 이 빔(10)은, 상기 공진기 단부 미러(46) 또는 상기 레이저 출력 결합기 플레이트(4)에서의 반사 후에, 그 자체로 다시 반사되어 상기 2개의 AOM(2, 3)에서의 또 다른 회절 후에 빔(11), (12), 및 (13)으로서 활성 매질(1)로 피드백되고, 그에 따라 대응하는 스위칭 전압이 상기 2개의 AOM(2, 3)에 인가될 때 레이저 기능이 실현되고, 이 전압을 턴-오프할 때 상기 레이저 기능이 중단되는 것을 조건으로 배열되고,
   b) 그렇게 생성된 레이저 빔(16)은, 바람직하게는 레이저에 의한 재료 가공을 위해 사용하기에 앞서, 출력 결합 요소(4, 30)에 의해 출력 결합되어(coupled-out), 공진기의 외부에 배열되고 바람직하게는 상기 출력 결합 요소(4, 30)의 바로 후방에 배열된 제3 AOM(5)을 통하여 송신되고, 의도된 용도를 위해 상기 제3 AOM(5)에서 대응하는 스위칭 전압에 의해 회절된 빔(17)이 사용되고, 이 제3 AOM(5)의 결정에서 상기 음향파의 여기 주파수는 적어도 대략 상기 활성 매질(1)의 이득 프로파일의 주파수 반치 전폭(frequency full-width at half-maximum), 바람직하게는 40 내지 100 MHz인 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 AOM(2) 또는 제2 AOM(3)만이 상기 스위칭 전압의 대응하는 가변 제어에 의해 상기 레이저의 전력 변조 또는 Q-스위칭을 위해 사용되며, 상기 각각 다른 AOM은 일정한 스위칭 전압으로 동작하는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 AOM(2) 또는 상기 제2 AOM(3)은 상기 스위칭 전압의 가변 제어에 의해 상기 레이저의 Q-스위칭을 위해 사용되며, 상기 각각 다른 AOM은 자유로이 선택 가능하게 개개의 펄스들 또는 펄스 그룹들이 선택되고/되거나 Q-스위치 방사선의 전력이 가변되도록 제어되는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   외부 제3 AOM(5)은 상기 레이저에 의해 생성된 방사선 펄스들이 각각의 의도된 용도에 맞추어 그들의 전력이 조절되고, 특히 상기 펄스들 내의 전력 프로파일, 특히 Q-스위칭 피크의 피크 전력이 실질적으로 자유로이 선택 가능하도록 제어되는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제3 AOM(5)과 워크피스(7) 사이에, ATFR 미러(20)와 λ/4 위상 시프터(21)의 조합이 배열되는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   빔 성형 유닛(6)에서 상기 제3 AOM(5)과 워크피스(7) 사이에, 상기 AOM(5)에 의해 야기된 빔 변형들의 보상을 위한 광학 요소들, 바람직하게는 원통형 렌즈들이 배열되는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   외부 제3 AOM(5)은 2개 이상의 AOM의 AOM 캐스케이드로 대체되고, 상기 출력 결합되는 레이저 빔(16)은 빔 스플리터들 및 편향 미러들에 의해 2개 이상의 부분 빔으로 분할되어, 이 부분 빔들 중 하나가 각각의 AOM에 로딩되는 것을 특징으로 하는, Q-스위치 CO₂ 레이저 재료 가공 시스템.

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