KR20180010372A - 레이저 가공 헤드 - Google Patents

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박현민
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오승용
김택수
이림
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최병선
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 레이저 프로세싱 헤드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 빔 품질이 높은 다수의 저출력 레이저 빔의 결합을 통하여 고품질의 고출력 단일 레이저 빔을 획득할 수 있는 레이저 프로세싱 헤드에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 헤드(1)는, 본체(10); 본체(10)에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔; 본체(10)에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔; 본체(10) 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경(20); 반사경(20)과 이격하여 배치되고, 조향된 제1 레이저 빔은 반사하고 제2 레이저 빔은 투과하도록 코팅되어 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 결합하는 스펙트럼형 빔 결합기(30); 스펙트럼형 빔 결합기(30)에 의해 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 집속하는 집속 소자를 포함할 수 있다.

Description

레이저 가공 헤드 {LASER PROCESSING HEAD}
본 발명은 레이저 프로세싱 헤드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 빔 품질이 높은 다수의 저출력 레이저 빔의 결합을 통하여 고품질의 고출력 단일 레이저 빔을 획득할 수 있는 레이저 프로세싱 헤드에 관한 것이다.
레이저 가공 공법은 여러 장점을 지니고 있어 일반 산업분야, 방위산업분야, 과학 분야 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
구체적으로, 레이저 가공의 경우, 가공 속도가 빠르고, 비접촉 방식으로서 재료 변형 또는 재료 오염 가능성이 적다. 레이저를 이용한 재료 절단의 경우, 커프 폭(kerf width)이 작아 절단 정확도가 높고 재료절감에 효과적이며, 세라믹, 나무, 고무, 금속 등 다양한 재료를 절단하는 데 사용될 수 있다. 고무와 같은 부드러운 재료의 작업시에도 절단에 의한 변형 또는 손상이 적고, 매우 작은 지름의 구멍도 드릴링이 가능하며, 매우 단단한 물질의 경우에도 절단이 가능하다.
또한, 레이저 용접의 경우에는, 전자 빔 용접과 비교하여 용접 품질이 우수하고, 진공상태를 필요로 하지 않는다. 또한, 다른 종류의 금속을 함께 용접 가능하다는 장점이 있다.
다만, 두꺼운 금속재의 절단 등 높은 출력의 레이저가 요구되는 가공 공정에서는 고출력 레이저가 요구되는데, 고출력 레이저는 고가이고 유지, 보수가 어려울 뿐만 아니라, 필요한 고출력 획득에는 한계가 있다. 또한, 일반적으로 레이저 출력이 높아질수록 빔 품질이 저하되기 때문에 고성능 절단에 불리하다. 기존의 레이저 프로세싱 헤드는 단일 광원을 활용하는 구조로 되어있으나, 고출력 레이저를 얻기 위한 일환으로서, 여러 개의 고품질 저출력 레이저 빔을 결합하여 고출력 레이저를 얻으려는 방법이 연구되고 있다.
그러나 여러 개의 레이저 빔을 결합할 시 일반적으로 동일한 경로가 아닌 입사 각도의 차이를 두어 레이저 빔을 결합하거나 편광의 차이를 이용한 편광 결합 방식을 사용한다. 입사 각도가 차이가 날 경우 레이저의 초점 이외에서는 레이저 빔이 분리되고, 이로 인한 프로세싱 성능의 급격한 저하를 가져오게 된다. 또한, 편광 결합 방식의 경우 사용되는 프로세싱에 사용되는 레이저 광원 자체가 하나의 편광을 유지해야 하는데 이러한 경우는 매우 드물다. 예를 들어, 프로세싱에 활용되는 상용화된 수 kW급 광섬유 레이저는 무편광의 광원으로 전송되기 때문에 편광 결합 방법을 사용할 수 없다.
따라서, 전술한 문제점을 극복하고 고품질 및 비교적 낮은 출력의 레이저 빔을 결합하여 품질 저하 없이 고출력 빔으로 결합할 수 있는 레이저 가공 성능이 향상된 레이저 가공 헤드가 필요하다.
국제공개공보 WO 2013/019204 A1 (국제공개일: 2013.02.07)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
고출력의 단일 레이저 광원이 아닌 다수의 저출력, 고품질의 레이저 광원을 결합함으로써, 고출력 및 고품질의 레이저 빔을 획득하여 향상된 레이저 프로세싱 성능을 제공할 수 있는 레이저 가공 헤드를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 헤드는, 본체; 상기 본체에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔; 상기 본체에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔; 상기 본체 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경; 상기 반사경과 이격하여 배치되고, 조향된 제1 레이저 빔은 반사하고 제2 레이저 빔은 투과하도록 코팅되어 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 결합하는 스펙트럼형 빔 결합기; 상기 스펙트럼형 빔 결합기에 의해 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 집속하는 집속 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 집속 소자는 제1 파장 및 제2 파장에 대해 고투과 코팅된 집속 렌즈 및 제1 파장 및 제2 파장에 대해 고반사 코팅된 집속 거울 중 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 헤드는, 본체에 입사되는 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 빔; 상기 본체에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔; 상기 본체에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔; 본체 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경; 상기 반사경과 이격하여 배치되고, 조향된 상기 제1 레이저 빔은 투과시키고 그 외의 파장의 레이저 빔은 반사시키도록 코팅되어 제1 레이저 빔 및 그 외의 파장의 레이저 빔을 결합하는 제1 스펙트럼형 빔 결합기; 상기 제1 스펙트럼형 빔 결합기 이격하여 배치되고, 상기 제1 스펙트럼형 빔 결합기에 의해 결합된 레이저 빔은 투과하고 제2 레이저 빔은 반사하도록 코팅되어 이들을 결합하는 제2 스펙트럼형 빔 결합기; 및 상기 제2 스펙트럼형 빔 결합기에서 결합된 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 이를 집속하는 집속 소자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 집속 소자는 집속 렌즈 또는 집속 거울일 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 헤드에 따르면, 단일 고출력 광원이 아닌 다수의 레이저 광원을 결합함으로써 고출력, 고품질의 레이저 빔을 형성하여 저출력 광원으로도 고출력 및 고품질의 레이저 빔을 획득할 수 있을 뿐 아니라 동일 성능의 고출력 광원을 여러 개 결합할 경우 더 높은 고출력 레이저 빔을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명의 레이저 가공 헤드에 따르면, 프로세싱 레이저 출력의 증가는 단일 광원을 활용하였을 경우와 대비하며 현격한 프로세싱 성능의 향상을 가져오며, 특히 두꺼운 금속을 레이저로 절단 가공할 경우 매우 유리한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 헤드를 도시하고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 헤드를 도시하고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 헤드를 도시하며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 가공 헤드를 도시한다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 레이저 가공 헤드는 파장이 다른 두 개 이상의 복수의 고출력 광원을 스펙트럼형 빔 결합(spectral beam combining)을 이용하여 결합한 뒤 집속하여 프로세싱할 수 있는 장치이다. 프로세싱은 절단(cutting), 피어싱(piercing), 용접(welding) 등을 의미하며, 주로 금속 시편의 가공에 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 헤드는, 본체; 본체에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔; 본체에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔; 본체 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경; 반사경과 이격하여 배치되고, 조향된 제1 레이저 빔은 반사하고 제2 레이저 빔은 투과하도록 코팅되어 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 결합하는 스펙트럼형 빔 결합기; 스펙트럼형 빔 결합기에 의해 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 집속하는 집속 소자를 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 헤드(1)는 본체(10)를 포함한다. 레이저 가공 헤드(1) 내부에는 파장이 서로 다른 레이저 빔이 입사된다. 즉, 본체(10)에는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔 및 제1 파장(λ1)과 상이한 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔이 입사된다.
레이저 가공 헤드(1) 내부 일측에는 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경(20)이 설치된다. 반사경(20)은 레이저 가공 헤드(1) 내부에서 일정한 각도로 설치되어 제1 레이저 빔을 스펙트럼형 빔 결합기(30)로 입사되게 할 수 있다. 도면에는 제1 레이저 빔이 반사경에 의해 직각으로 조향되는 양태가 도시되어 있지만, 이는 편의상 도시된 일례에 불과할 뿐 임이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
스펙트럼형 빔 결합기(30)는 반사경(20)과 일정한 간격으로 이격되어 레이저 가공 헤드(1) 내부에 배치된다. 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 반사시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 투과시킨다. 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 특정 파장 범위들에 대해 선택적으로 고투과, 고반사할 수 있는 코팅을 하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 임의의 파장의 광은 통과시키고 다른 파장의 광은 반사시키는 색선별 거울(dichroic mirror)일 수 있다.
스펙트럼형 빔 결합기(30)에 의해 반사된 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔 및 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 서로 결합한다. 만약 빔 결합 효율이 100%라면 레이저의 출력은 제1 파장(λ1)의 레이저 빔과 제2 파장(λ2)의 레이저 빔의 출력을 합친 것과 같다.
결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1+ λ2)의 진행경로에는 집속렌즈(40)가 배치된다. 집속렌즈(40)는 제1 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)의 레이저 빔에 대해 고투과 코팅된다. 집속렌즈(40)를 투과한 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1+ λ2)이 본체(10) 내부를 따라 진행하여 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부(72)를 따라 시편(80) 측에서 집속된다.
노즐부(72)의 외주면에는 개구부로서 형성가능한 보조가스 공급부(70)가 형성된다. 레이저 프로세싱을 돕는 보조가스는 보조가스 공급부(70)를 통해 공급되어 노즐부(72)를 통해 분사된다.
또한, 필요에 따라 몸체(10)에 유로를 형성하여 수냉식으로 동작시킬 수 있다. 이와 같이 형성된 유로는 헤드(1) 전체 및 렌즈 등의 소자들 도 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 헤드(3)는 본체(10)를 포함한다. 레이저 가공 헤드(3) 내부에는 파장이 서로 다른 레이저 빔이 입사된다. 즉, 본체(10)에는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔 및 제1 파장(λ1)과 상이한 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔이 입사된다.
레이저 가공 헤드(3) 내부 일측에는 제1 파장(λ1)의 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경(20)이 설치된다. 반사경(20)은 레이저 가공 헤드(3) 내부에서 일정한 각도로 설치되어 제1 레이저 빔을 스펙트럼형 빔 결합기(30)로 입사되게 할 수 있다. 도면에는 제1 레이저 빔이 반사경에 의해 직각으로 조향되는 양태가 도시되어 있지만, 이는 편의상 도시된 일례에 불과할 뿐 임이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
스펙트럼형 빔 결합기(30)는 반사경(20)과 일정한 간격으로 이격되어 레이저 가공 헤드(3) 내부에 배치된다. 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 반사시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 투과시킨다. 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 특정 파장 범위들에 대해 선택적으로 고투과, 고반사할 수 있는 코팅을 하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼형 빔 결합기(30)는 임의의 파장의 광은 통과시키고 다른 파장의 광은 반사시키는 색선별 거울(dichroic mirror)일 수 있다.
스펙트럼형 빔 결합기(30)에 의해 반사된 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔 및 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 서로 결합한다. 만약 빔 결합 효율이 100%라면 레이저의 출력은 제1 파장(λ1)의 레이저 빔과 제2 파장(λ2)의 레이저 빔의 출력을 합친 것과 같다.
결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔 (λ1+ λ2)의 진행경로에는 집속거울(50)이 배치된다. 집속거울(50)에 의해 반사되는 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔 (λ1+ λ2)이 본체(10) 내부를 따라 진행하여 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부(72)를 따라 시편(80) 측에서 집속된다.
집속거울(50)은 제1 파장(λ1) 및 제2 파장(λ2)의 레이저 빔에 대해 고반사 코팅된다. 집속거울(50)은 구형 오목경, 타원형 오목경 등으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 광학 수차가 없도록 포물형 오목경으로 형성될 수 있다.
또한, 집속거울(50)에 의해 반사된 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔 (λ1+ λ2)의 진행경로에는 보호 윈도우(60)가 배치될 수 있다. 이에 의해, 레이저 가공시에 발생하는 분진이 집속거울(50) 측으로 유입되어 오염되는 것을 방지할 수 있다. 레이저 가공 헤드(3)는 필요에 따라 몸체(10)와 집속거울(50) 자체에 냉각 유로를 형성하여 수냉식으로 작동시킬 수 있다.
또한, 노즐부(72)의 외주면에는 개구부로 형성되는 보조가스 공급부(70)가 형성된다. 레이저 프로세싱을 돕는 보조가스는 보조가스 공급부(70)를 통해 공급되어 노즐부(72)를 통해 분사된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 헤드(5)는 본체(10)를 포함한다. 레이저 가공 헤드(5) 내부에는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 빔이 입사된다. 즉, 본체(10)에는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔, 제1 파장(λ1)과 상이한 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔, 제1 및 제2 파장과 상이한 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔 내지 다른 파장과 상이한 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔 (n은 양수)의 복수의 레이저 빔이 입사된다.
레이저 가공 헤드(5) 내부 일측에는 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경(20)이 설치된다. 반사경(20)은 레이저 가공 헤드(5) 내부에서 일정한 각도로 설치되어 제1 레이저 빔을 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)로 입사되게 할 수 있다.
제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)는 반사경(20)과 일정한 간격으로 이격되어 레이저 가공 헤드(5) 내부에 배치된다. 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 투과시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 반사시키도록 코팅된 소자로서, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 투과시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 반사시킨다. 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)에서 반사된 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔과 서로 결합한다.
결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)의 진행경로에는 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)가 배치된다. 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)는 제1 파장(λ1)의 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ2)은 투과시키고 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔은 모두 반사시키도록 코팅된 소자로서, 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)는 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)은 투과시키고, 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔은 반사시킨다. 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)에서 반사된 제3 파장을 갖는 제3 레이저 빔은, 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)과 서로 결합한다.
또한, 이와 같은 방식으로(추가될 수 있는 제3, 제4, 제5 스펙트럼형 결합기 등은 도면에 생략되어 있음) 제3 스펙트럼형 빔 결합기, 제4 스펙트럼형 빔 결합기, ... , 제(n-2) 스펙트럼형 빔 결합기(202), 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204) 등 빔 결합기가 복수로 배치된다.
제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 제1 내지 제(n-1) 레이저 빔은 반사시키고 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔은 투과시키도록 코팅된 소자로서, 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔은 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)를 투과한다. 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 앞서 제(n-2) 스펙트럼형 빔 결합기(202) 등을 통과 또는 반사하여 결합된 레이저 빔(λ1 + λ2 + λ3 + ... + λn-1)을 반사하도록 코팅되어 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)를 투과한 제n 레이저 빔과 결합한다.
제1 스펙트럼형 빔 결합기(102) 내지 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 특정 파장 범위들에 대해 선택적으로 고투과, 고반사할 수 있는 코팅을 하여 제작될 수 있다.
결합된 제1 레이저 빔 내지 제n 레이저 빔의 진행경로에는 집속렌즈(40)가 배치된다. 집속렌즈(40)를 투과한 결합된 제1 레이저 빔 내지 제n 레이저 빔(λ1 + λ2 + λ3 + ... + λn-1 + λn)이 본체(10) 내부를 따라 진행하여 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부(72)를 따라 시편(80) 측에서 집속된다.
노즐부(72)의 외주면에는 개구부로서 형성가능한 보조가스 공급부(70)가 형성된다. 레이저 프로세싱을 돕는 보조가스는 보조가스 공급부(70)를 통해 공급되어 노즐부(72)를 통해 분사된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 가공 헤드(7)는 본체(10)를 포함한다. 레이저 가공 헤드(7) 내부에는 파장이 서로 다른 복수의 레이저 빔이 입사된다. 즉, 본체(10)에는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔, 제1 파장(λ1)과 상이한 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔, 제1 및 제2 파장과 상이한 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔 내지 다른 파장과 상이한 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔 (n은 양수)의 복수의 레이저 빔이 입사된다.
레이저 가공 헤드(7) 내부 일측에는 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경(20)이 설치된다. 반사경(20)은 레이저 가공 헤드(7) 내부에서 일정한 각도로 설치되어 제1 레이저 빔을 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)로 입사되게 할 수 있다.
제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)는 반사경(20)과 일정한 간격으로 이격되어 레이저 가공 헤드(7) 내부에 배치된다. 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)는 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 투과시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 반사시키도록 코팅된 소자로서, 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔은 모두 투과시키고 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 모두 반사시킨다. 제1 스펙트럼형 빔 결합기(102)에서 반사된 제2 파장(λ2)을 갖는 제2 레이저 빔은 제1 파장(λ1)을 갖는 제1 레이저 빔과 서로 결합한다.
결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)의 진행경로에는 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)가 배치된다. 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)는 제1 파장(λ1)의 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ2)은 투과시키고 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔은 반사시키도록 코팅된 소자로서, 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)은 투과시키고, 제3 파장(λ3)을 갖는 제3 레이저 빔은 반사시킨다. 제2 스펙트럼형 빔 결합기(104)에서 반사된 제3 파장을 갖는 제3 레이저 빔은, 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔(λ1 + λ2)과 서로 결합한다.
또한, 이와 같은 방식으로(추가될 수 있는 제3, 제4, 제5 스펙트럼형 결합기 등은 도면에 생략되어 있음) 제3 스펙트럼형 빔 결합기, 제4 스펙트럼형 빔 결합기, … , 제(n-2) 스펙트럼형 빔 결합기(202), 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204) 등 빔 결합기가 복수로 배치된다.
제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 제1 내지 제(n-1) 레이저 빔은 반사시키고 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔은 투과시키도록 코팅된 소자로서, 제n 파장(λn)을 갖는 제n 레이저 빔은 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)를 투과한다. 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 앞서 제(n-2) 스펙트럼형 빔 결합기(202) 등을 통과 또는 반사하여 결합된 레이저 빔(λ1 + λ2 + λ3 + … + λn-1)을 반사하도록 코팅되어 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)를 투과한 제n 레이저 빔과 결합한다.
제1 스펙트럼형 빔 결합기(102) 내지 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기(204)는 특정 파장 범위들에 대해 선택적으로 고투과, 고반사할 수 있는 코팅을 하여 제작될 수 있다.
결합된 제1 레이저 빔 내지 제n 레이저 빔의 진행경로에는 집속거울(50)이 배치된다. 집속거울(50)에서 반사된 결합된 제1 레이저 빔 내지 제n 레이저 빔(λ1 + λ2 + λ3 + ... + λn-1 + λn)이 본체(10) 내부를 따라 진행하여 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부(72)를 따라 시편(80) 측에서 집속된다.
노즐부(72)의 외주면에는 개구부로서 형성가능한 보조가스 공급부(70)가 형성된다. 레이저 프로세싱을 돕는 보조가스는 보조가스 공급부(70)를 통해 공급되어 노즐부(72)를 통해 분사된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1, 3, 5, 7: 레이저 프로세싱 헤드 10: 본체
20: 반사경 30: 스펙트럼형 빔 결합기
40: 집속렌즈 50: 집속거울
60: 보호 윈도우 70: 보조가스 공급부
72: 노즐부 80: 시편
102: 제1 스펙트럼형 빔 결합기 104: 제2 스펙트럼형 빔 결합기
202: 제(n-2) 스펙트럼형 빔 결합기 204: 제(n-1) 스펙트럼형 빔 결합기

Claims (4)

  1. 본체;
    상기 본체에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔;
    상기 본체에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔;
    상기 본체 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경;
    상기 반사경과 이격하여 배치되고, 조향된 제1 레이저 빔은 반사하고 제2 레이저 빔은 투과하도록 코팅되어 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 결합하는 스펙트럼형 빔 결합기;
    상기 스펙트럼형 빔 결합기에 의해 결합된 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 집속하는 집속 소자를 포함하는 것인 레이저 가공 헤드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 집속 소자는 제1 파장 및 제2 파장에 대해 고투과 코팅된 집속 렌즈 및 제1 파장 및 제2 파장에 대해 고반사 코팅된 집속 거울 중 적어도 하나인 것인 레이저 가공 헤드.
  3. 본체에 입사되는 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 빔;
    상기 본체에 입사되는 제1 파장을 갖는 제1 레이저 빔;
    상기 본체에 입사되는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖는 제2 레이저 빔;
    본체 내부 일측에 설치되어 제1 레이저 빔을 조향하는 반사경;
    상기 반사경과 이격하여 배치되고, 조향된 상기 제1 레이저 빔은 투과시키고 그 외의 파장의 레이저 빔은 반사시키도록 코팅되어 제1 레이저 빔 및 그 외의 파장의 레이저 빔을 결합하는 제1 스펙트럼형 빔 결합기;
    상기 제1 스펙트럼형 빔 결합기 이격하여 배치되고, 상기 제1 스펙트럼형 빔 결합기에 의해 결합된 레이저 빔은 투과하고 제2 레이저 빔은 반사하도록 코팅되어 이들을 결합하는 제2 스펙트럼형 빔 결합기; 및
    상기 제2 스펙트럼형 빔 결합기에서 결합된 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 이를 집속하는 집속 소자를 포함하는 것인 레이저 가공 헤드.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 집속 소자는 집속 렌즈 또는 집속 거울인 것인 레이저 가공 헤드.

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