KR20180015504A - Laser beam shaping device - Google Patents

Laser beam shaping device Download PDF

Info

Publication number
KR20180015504A
KR20180015504A KR1020160099104A KR20160099104A KR20180015504A KR 20180015504 A KR20180015504 A KR 20180015504A KR 1020160099104 A KR1020160099104 A KR 1020160099104A KR 20160099104 A KR20160099104 A KR 20160099104A KR 20180015504 A KR20180015504 A KR 20180015504A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
incident
intensity distribution
shaper
central axis
former
Prior art date
Application number
KR1020160099104A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR101845292B1 (en
Inventor
이성만
신재성
고광훈
정도영
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020160099104A priority Critical patent/KR101845292B1/en
Publication of KR20180015504A publication Critical patent/KR20180015504A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101845292B1 publication Critical patent/KR101845292B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H01S3/10023—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers by functional association of additional optical elements, e.g. filters, gratings, reflectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/101—Lasers provided with means to change the location from which, or the direction in which, laser radiation is emitted
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/102—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the active medium, e.g. by controlling the processes or apparatus for excitation
    • H01S3/1026—Controlling the active medium by translation or rotation, e.g. to remove heat from that part of the active medium that is situated on the resonator axis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

A laser beam molding device according to the present invention comprises: a beam divider dividing an incident beam having an intensity distribution symmetrical based on a central axis into a first beam and a second beam; a first beam molding machine inverting and outputting a gradient direction of the intensity distribution from the central axis of the incident first beam to an edge; and a beam synthesizer synthesizing the first beam output from the first beam molding machine with the second beam, and forming a synthesized beam having the intensity distribution which is more uniform than the incident beam. Therefore, the laser beam maintaining a flat-top distribution and a parallel path can be obtained even in remote irradiation.

Description

레이저 빔 성형 장치{LASER BEAM SHAPING DEVICE}[0001] LASER BEAM SHAPING DEVICE [0002]

본 발명은 균일한 공간 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 성형하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for forming a laser beam having a uniform spatial intensity distribution.

균일한 공간 분포를 갖는 평정(flat-top) 레이저 빔 생성기술은 레이저를 이용하는 재료가공 분야(열처리, 어닐링, 클래딩, 용접, 마이크로 머시닝 등), 레이저-매질 상호작용 이용 분야(관성핵융합, 동위원소분리, 레이저-유도 형광 등)와, 레이저 프린팅, 리소그래피, 홀로그래피, 입자영상유속계, 자유공간 광통신 등의 다양한 분야에서 필요한 핵심기술 중의 하나에 속한다.Flat-top laser beam generation techniques with uniform spatial distribution are used in the field of material processing using laser (heat treatment, annealing, cladding, welding, micromachining etc.), laser-medium interaction applications (inertial fusion, isotopes Separation, laser-induced fluorescence, etc.), laser printing, lithography, holography, particle image flowmeter, and free space optical communication.

대부분의 레이저 장치들로부터 발생하는 초기 레이저 빔은 가우시안(Gaussian) 혹은 준가우시안 형태의 빔을 발생한다. 가우시안 형태의 빔은 작은 초점을 갖는 빔 집속에는 유리하지만 상기와 같은 응용분야에 효과적으로 적용하기 위해서는 빔 성형장치를 이용한 평정 공간분포 빔으로의 변환이 필요하다.The initial laser beam generated from most laser devices generates a Gaussian or quasi-Gaussian beam. The Gaussian beam is advantageous for beam focusing with a small focus. However, in order to effectively apply to the above-mentioned application fields, it is necessary to convert the beams into a uniform spatial distribution beam using a beam forming apparatus.

가우시안 형태의 레이저 빔을 균일한 공간 분포를 갖는 평정레이저 빔으로 변환시키는 기술로는 회절, 흡수, 다중 빔 결합, 굴절을 이용한 방법들이 있다.As a technique for converting a Gaussian laser beam into a uniform laser beam having a uniform spatial distribution, there are methods using diffraction, absorption, multiple beam combining, and refraction.

회절에 의한 방법은 입사 빔 강도분포를 변화시키기 위해서 회절격자의 다양한 회절차수 사이의 간섭을 이용하여 다양한 형태의 빔 분포를 만드는 장점이 있으나, 사용 가능 길이가 짧고 효율이 낮은 단점이 있다.The diffraction method has the advantage of making various beam distributions using interference between various diffraction orders of the diffraction grating in order to change the intensity distribution of the incident beam, but it is short in usable length and low in efficiency.

흡수에 의한 방법은 저출력 레이저에 국한하여 적용이 가능하고, 다중 빔 결합 방법은 수십 혹 수백 kW 급의 고출력 레이저 빔을 수 km 이상의 원거리 전송에 주로 사용하는 기술이다.The absorption method can be applied only to a low power laser, and the multi beam combining method is a technique which mainly uses a high power laser beam of several tens or hundreds of kW for a long distance transmission of several km or more.

수 kW 이내의 중간 규모급 출력을 갖는 레이저 빔의 고효율 성형을 위해서는 굴절을 이용한 방법을 적용할 수 있다. 굴절에 의한 방법은 두 개의 비구면 렌즈, 원통렌즈 어레이, 비구면 원통렌즈, 원뿔렌즈 등을 이용할 수 있다.For high-efficiency shaping of a laser beam having a medium power output of several kW or less, a method using refraction can be applied. As the method of refraction, two aspherical lenses, a cylindrical lens array, an aspherical cylindrical lens, a conical lens, and the like can be used.

갈릴레이식 망원경 형태로 두 개의 비구면 렌즈만을 이용하는 평정 레이저 빔 발생방법은 구성이 간단하고 빔의 직경과 작동거리를 달리할 수 있는 장점이 있고, 균일한 공간 조명에 유리한 방식이다. 그러나 균일한 빔을 얻을 수 있는 작동거리가 수 m 로 제한되는 문제가 있다.The calibrated laser beam generating method using only two aspherical lenses in the form of a Galilean telescope is advantageous in that it has a simple structure and can vary the beam diameter and working distance, and is suitable for uniform spatial illumination. However, there is a problem that the working distance for obtaining a uniform beam is limited to several meters.

원통렌즈 어레이를 사용한 방법은 엑시머(Excimer) 레이저와 같은 사각형 출력 빔에 적합하며, 가우시안 빔에 적용하면 고주파수 파문을 갖게 된다. 비구면 원통렌즈의 일종인 포웰(Powell) 렌즈를 이용하는 방법은 일차원에서 가우시안 분포를 평정 분포로 전환할 수 있으며, 두 개의 포웰 렌즈를 사용하고 그 중 1개의 렌즈를 원통-축을 중심으로 90도 회전시켜 사용하면 이차원 균일 분포를 얻는 것도 가능하나 삼차원 공간분포 개선에 사용은 불가능하다. 포웰 렌즈를 이용한 방법은 주로 급축과 완축 방향에서 발산각 차이가 큰 다이오드 레이저에 적용이 가능하다. 원통렌즈 어레이나 포웰 렌즈를 이용한 평정 빔 발생방법은 유효한 적용거리가 역시 짧은 문제가 있다.The method using a cylindrical lens array is suitable for a rectangular output beam such as an excimer laser and has a high frequency ripple when applied to a Gaussian beam. A method using a Powell lens, which is a kind of aspherical cylindrical lens, can convert a Gaussian distribution to a grading distribution in one dimension, and uses two forell lenses, one of which is rotated 90 degrees around the cylinder axis It is possible to obtain a two-dimensional uniform distribution, but it is impossible to use it to improve the three-dimensional spatial distribution. The method using the forell lens is mainly applicable to a diode laser having a large divergence angle in the fast axis direction and the fast axis direction. The method of generating a beam using a cylindrical lens array or a focus lens has a short effective distance.

수십 m 이상의 거리에서 효과적으로 고출력 레이저 빔을 전송하는 방법으로는 원뿔렌즈 사용을 고려해 볼 수 있다. 일예로, 최근에 1 km 이내의 거리에서 레이저 탐지 및 거리측정을 할 수 있는 3차원 영상 라이다(LIDAR)용 조사장치가 오목렌즈와 원뿔렌즈만을 사용하여 개발되었다. 그러나 개발된 조사장치는 가우시안 공간분포를 갖는 입사 레이저 빔의 강도 분포를 평정 공간분포를 갖는 빔으로 변환은 가능하나 조사장치에 의해 전송되는 레이저 빔이 진행함에 따라 퍼지는 발산 빔의 특징을 가지고 있다.As a method of efficiently transmitting a high-power laser beam at a distance of several tens of meters or more, the use of a cone lens can be considered. For example, a three-dimensional imaging (LIDAR) illuminator capable of laser detection and distance measurement within a distance of less than 1 km has recently been developed using only a concave lens and a cone lens. However, the developed irradiation system can convert the intensity distribution of the incident laser beam having a Gaussian spatial distribution into a beam having a uniform spatial distribution, but it has the characteristic of a diverging beam spreading as the laser beam transmitted by the irradiation apparatus proceeds.

고출력 레이저 빔을 기체 혹은 금속기체에 조사하여 레이저 형광을 측정하거나 레이저-물질 상호작용 연구에 효과적으로 적용하기 위해서는 가우시안 공간분포를 갖는 빔을 균일한 분포를 갖는 평정 레이저 빔으로 성형함과 동시에 레이저 빔의 강도 유지를 위해서 원거리 전송에도 퍼지지 않는 평행빔 유지 특성을 갖는 원거리 평정 평행 레이저 빔 조사장치를 개발할 필요가 있다.In order to measure laser fluorescence by irradiating a high-power laser beam to a gas or a metal gas or to effectively apply it to study of laser-material interaction, a beam having a Gaussian spatial distribution is formed into a uniformly distributed laser beam, It is necessary to develop a long-distance parallel laser beam irradiating device having a parallel beam retention characteristic that does not spread even in long-distance transmission in order to maintain the strength.

본 발명의 첫 번째 목적은, 초기에 가우시안 분포 등의 형태로 입사되는 레이저 빔의 공간 강도 분포를 균일화하여 출력할 수 있는 레이저 빔 성형장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is a first object of the present invention to provide a laser beam shaping apparatus capable of uniformly outputting a spatial intensity distribution of a laser beam initially incident on a Gaussian distribution or the like.

본 발명의 두 번째 목적은, 입사되는 레이저 빔의 강도 분포를 균일화하면서, 레이저 빔이 다양한 매질 속을 통과하면서 원거리 전송되어도 그 공간 강도 분포가 균일하게 유지되고 빔의 발산이 최소화될 수 있도록 성형하는 레이저 빔 성형장치를 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a method of forming a laser beam that uniformizes the intensity distribution of an incident laser beam so that even when the laser beam is transmitted through a medium while passing through various media, the spatial intensity distribution is uniformly maintained and the divergence of the beam is minimized And to provide a laser beam shaping apparatus.

본 발명의 세 번째 목적은, 입사되는 레이저 빔의 강도 분포를 균일화하면서, 출력되는 레이저 빔의 크기나 강도 분포를 다양하게 성형할 수 있는 레이저 빔 성형장치를 제공하는 것이다.A third object of the present invention is to provide a laser beam shaping apparatus capable of forming a size and an intensity distribution of an output laser beam variously while making uniform the intensity distribution of an incident laser beam.

이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 갖는 입사빔을 제1빔과 제2빔으로 분할하는 빔 분할기; 입사되는 상기 제1빔의 강도 분포를 변형시켜 출사시키는 제1빔 성형기; 및 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔을 상기 제2빔과 합성시켜, 상기 입사빔보다 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔을 형성시키는 빔 합성기를 포함하며, 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 강도 분포의 구배 방향은, 상기 제1빔 성형기에 입사되는 상기 제1빔의 강도 분포의 구배 방향에 반대된다.In order to achieve the first object of the present invention, a laser beam forming apparatus according to the present invention includes: a beam splitter for dividing an incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis into a first beam and a second beam; A first beam former for deforming and outputting the intensity distribution of the incident first beam; And a beam synthesizer for synthesizing a first beam emitted from the first beam former with the second beam to form a composite beam having a uniform intensity distribution over the incident beam, The gradient direction of the intensity distribution of the first beam is opposite to the gradient direction of the intensity distribution of the first beam incident on the first beam shaper.

여기서, 상기 제1빔 성형기로부터 입사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향이 a일 때, 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향은 -a일 수 있다.Here, when the direction of the gradient of the intensity distribution from the central axis to the edge of the first beam incident from the first beam shaper is a, the intensity distribution from the central axis of the first beam emitted from the first beam shaper to the edge The direction of the gradient may be -a.

나아가, 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포는, 상기 제1빔 성형기에 입사되는 제1빔의 가장자리로부터 중심축으로의 강도 분포와 일치하도록 이루어질 수 있다.Furthermore, the intensity distribution from the central axis to the edge of the first beam emitted from the first beam shaper can be made to coincide with the intensity distribution from the edge of the first beam incident on the first beam shaper to the central axis .

한편, 상기 입사빔은 가우시안(Gaussian) 강도 분포를 갖는 것일 수 있다.Meanwhile, the incident beam may have a Gaussian intensity distribution.

또한, 상기 빔 분할기는, 상기 입사빔을 선편광시키는 편광판; 상기 선편광된 입사빔의 편광 방향을 기설정된 각도로 회전시켜 출사시키도록 형성되는 파장판; 및 상기 파장판에서 출사되는 입사빔을 서로 다른 방향으로 편광된 상기 제1 및 제2빔으로 분할하는 편광 분할기를 포함하며, 상기 제1 및 제2빔 간의 출력비가 조절되도록, 상기 파장판은 상기 기설정된 각도를 조절 가능하도록 이루어질 수 있다.The beam splitter may further include: a polarizing plate for linearly polarizing the incident beam; A wave plate configured to rotate the polarization direction of the linearly polarized incident beam by a predetermined angle and to output the polarization plate; And a polarization splitter for splitting the incident beam emitted from the wave plate into the first and second beams polarized in different directions, wherein the wavelength plate is arranged in the first direction so that the output ratio between the first and second beams is adjusted, So that the predetermined angle can be adjusted.

본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 이루어 입사되는 입사빔 중, 일부는 반사시켜 제1빔을 형성시키고 나머지 일부는 투과시켜 제2빔을 형성시키는 빔 분할기; 입사되는 상기 제1빔이 차례로 통과하도록 꼭지점을 서로 마주보고 이격 배치되는 제1 및 제2원뿔렌즈를 구비하여, 상기 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향을 반전시켜 출사시키는 제1빔 성형기; 및 서로 다른 방향에서 입사되는 상기 제1빔 성형기로부터 출사된 제1빔과 상기 제2빔 중 어느 하나는 반사시키고 다른 하나는 투과시키도록 배치되어, 상기 제1빔 성형기에서 출사된 제1빔과 상기 제2빔을 합성시킨 합성빔을 출사시키는 빔 합성기를 포함한다.In order to achieve the second object of the present invention, a laser beam forming apparatus according to the present invention forms a first beam by reflecting a part of an incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis, To form a second beam; And first and second conical lenses spaced from each other such that vertexes of the first and second beams intersect with each other so as to sequentially pass through the first and second beams so that the gradient direction of the intensity distribution from the central axis of the first beam to the edge is inverted A first beam former; And a first beam emitted from the first beam shaper and a second beam emitted from the first beam shaper, the first beam and the second beam emitted from the first beam shaper, And a beam synthesizer for outputting a synthesized beam synthesized from the second beam.

상기 제1원뿔렌즈는, 상기 제1빔이 수직으로 입사되는 제1평면부; 및 상기 제1빔의 중심축 상에 꼭지점이 위치되도록 형성되는 제1원뿔부를 포함하고, 상기 제2원뿔렌즈는, 상기 제1원뿔렌즈에 의해 형성되는 원거리 초점에 꼭지점이 배치되는 제2원뿔부; 및 상기 제1평면부와 나란하게 형성되는 제2평면부를 포함할 수 있다.The first conical lens may include a first plane portion on which the first beam is vertically incident; And a first conical portion formed such that a vertex is positioned on a central axis of the first beam, wherein the second conical lens has a second conical portion having a vertex at a long focal point formed by the first conical lens, ; And a second planar portion formed in parallel with the first planar portion.

아울러, 상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 볼록렌즈를 구비하는 제2빔 성형기를 더 포함할 수 있다.And a pair of convex lenses disposed on the path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer, the convex lenses being spaced apart from each other such that the second beams are successively passed through the second beam former As shown in FIG.

또는, 상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 오목렌즈 및 볼록렌즈를 구비하는 제2빔 성형기를 더 포함할 수 있다.Or a second beam former, disposed on a path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer, the second beam former having a concave lens and a convex lens spaced apart from each other so that the second beam, As shown in FIG.

본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 갖는 입사빔을 서로 다른 각도로 편광된 제1 및 제2빔으로 분할시키는 빔 분할기; 입사되는 상기 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향을 반전시켜 출사시키는 제1빔 성형기; 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔과 상기 제2빔 성형기로부터 출사되는 제2빔을 중심축 및 편광 방향이 서로 일치하도록 합성하여, 상기 입사빔보다 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔을 형성시키는 빔 합성기; 및 상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시키도록 이루어지는 제2빔 성형기를 더 포함한다.In order to achieve the third object of the present invention, a laser beam shaping apparatus according to the present invention is a laser beam shaping apparatus comprising: a beam splitter for splitting an incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis into first and second beams polarized at different angles; divider; A first beam former for inverting a gradient direction of an intensity distribution from the central axis of the first beam to an edge of the incident beam to be emitted; A first beam emitted from the first beam shaper and a second beam emitted from the second beam shaper are combined so that their central axes and polarization directions coincide with each other to form a composite beam having a uniform intensity distribution than the incident beam A beam synthesizer; And a second beam former disposed on a path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer and configured to vary at least one of a diameter and an intensity distribution of the incident second beam.

상기 제2빔 성형기는, 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 두 개의 구면렌즈를 포함하여 상기 제2빔의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시킬 수 있다.The second beam shaper may include at least one of a diameter and an intensity distribution of the second beam including two spherical lenses spaced apart from one another to allow the second beam to pass in turn.

또한, 상기 제2빔 성형기는, 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 두 개의 비구면렌즈를 포함하여 상기 제2빔의 강도 분포를 변형시킬 수 있다.In addition, the second beam shaper may include two aspheric lenses spaced apart from each other so as to allow the second beam to pass through in order to change the intensity distribution of the second beam.

이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention constituted by the solution means described above, the following effects can be obtained.

첫 번째, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 입사빔을 분할하고 분할된 빔 중 하나의 강도 분포를 반전시켜 나머지 빔과 상쇄되도록 결합시킴으로써, 입사빔보다 균일화된 강도 분포를 합성빔을 얻을 수 있다. 본 발명에 의해 얻어지는 평정의 강도 분포를 갖는 합성빔은 재료 가공, 매질과의 상호작용 연구 등을 포함하는 다양한 분야에 사용할 수 있다.First, the laser beam forming apparatus according to the present invention divides an incident beam and combines the intensity distribution of one of the divided beams so as to cancel out the other beams, thereby obtaining a composite beam having a uniform intensity distribution than the incident beam have. The composite beam having the strength distribution of the flatness obtained by the present invention can be used in various fields including material processing, interaction study with the medium, and the like.

두 번째, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 분할된 하나의 빔을 원뿔렌즈를 통과시켜 강도 분포를 반전시킴으로써, 원거리 조사에 적합한 형태의 합성빔을 얻을 수 있다. 평정의 강도 분포를 갖는 합성빔의 원거리 조사가 가능해짐으로써, 레이저 빔을 기체 등의 공간에 조사하여 레이저-물질 상호작용 연구 등에 유용하게 사용할 수 있다. 이외에도 본 발명은, 평정 분포로 가공된 레이저 빔을 활용함에 있어 거리에 대한 제약 조건을 완화할 수 있고, 나아가 평정 레이저 빔의 활용 분야를 더 넓힐 수 있다.Secondly, the laser beam forming apparatus according to the present invention can obtain a composite beam of a shape suitable for long distance irradiation by passing one divided beam through a conical lens and inverting the intensity distribution. It is possible to irradiate a composite beam having a uniform intensity distribution to a space such as a gas or the like, thereby being usefully used for laser-material interaction research and the like. In addition, the present invention can alleviate the constraint on the distance in utilizing the laser beam processed to the flattened distribution, and further can broaden the application field of the flattening laser beam.

세 번째, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 분할된 하나의 빔의 강도 분포를 반전시킴은 물론, 나머지 빔의 확대 또는 강도 분포 변형이 가능함으로써, 두 빔을 합성시켜 더 다양한 형태의 평정 분포 합성빔을 얻을 수 있다. 합성빔의 크기를 확대시킬 수 있고 합성빔의 평정 분포를 미세하게 조정할 수 있으므로, 적용 분야에서 요구되는 조건에 부합하는 형태의 레이저 빔을 얻을 수 있다.Thirdly, the laser beam forming apparatus according to the present invention can invert the intensity distribution of a divided beam, and can expand the remaining beams or modify the intensity distribution, thereby synthesizing the two beams, A composite beam can be obtained. The size of the composite beam can be enlarged and the gradation distribution of the composite beam can be finely adjusted, so that a laser beam of a shape that meets the conditions required in the application field can be obtained.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치의 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 제1빔 성형기의 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치의 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치에 대한 ZEMAX 렌즈설계 코드를 이용한 선-추적(ray-tracing) 계산 결과를 보인 분포도 및 그래프.1 is a conceptual view of a laser beam shaping apparatus according to an embodiment of the present invention;
Fig. 2 is a conceptual view of the first beam former shown in Fig. 1. Fig.
3 is a conceptual diagram of a laser beam shaping apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a ray-tracing calculation result using a ZEMAX lens design code for a laser beam shaping apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG.

이하, 본 발명에 관련된 레이저 빔 성형 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a laser beam forming apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.In other respects, the same or similar reference numerals are given to the same or similar components to those of the previous embodiment, and a duplicate description thereof will be omitted.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of related arts will be omitted when it is determined that the gist of the embodiments disclosed herein may be obscured.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. It should be understood that it includes water and alternatives.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치는, 입사되는 레이저 빔을 평정(flat-top)한 공간 강도 분포를 갖도록 성형하는 장치이다. 일반적으로 레이저 빔은 발생 초기에 가우시안(Gaussian) 형태의 공간 강도 분포를 갖는데, 이를 포함한 축대칭의 강도 분포를 갖는 레이저 빔을 평정 레이저 빔으로 성형하여 다양한 응용 분야에 효과적으로 활용할 수 있다. 특히, 본 발명의 구성에 의하면, 출사되는 레이저 빔이 원거리 조사되어도 평정의 강도 분포가 유지되고 발산이 최소화되는 효과가 있어, 더욱 다양한 분야에 활용될 수 있다.The laser beam shaping apparatus according to the present invention is an apparatus for shaping an incident laser beam so as to have a flat-top spatial intensity distribution. Generally, a laser beam has a Gaussian spatial intensity distribution at the beginning of generation, and a laser beam having an axisymmetric intensity distribution including the laser beam can be effectively used for various applications by forming the laser beam into a flat laser beam. Particularly, according to the structure of the present invention, even when the laser beam emitted is irradiated at a long distance, the intensity distribution of the flatness is maintained and the divergence is minimized.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)의 개념도이다. 도 1에 의하면, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는 빔 분할기(110), 제1빔 성형기(120) 및 빔 합성기(130)를 포함한다. 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는, 입사빔(10)을 두 빔으로 분할하고, 그 중 적어도 하나의 빔을 성형한 뒤, 두 빔을 다시 합성하여 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔(40)을 얻도록 구성된다.1 is a conceptual diagram of a laser beam forming apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a laser beam forming apparatus 100 according to the present invention includes a beam splitter 110, a first beam shaper 120, and a beam synthesizer 130. The laser beam forming apparatus 100 according to the present invention divides the incident beam 10 into two beams, forms at least one of the beams, and then synthesizes the two beams again to obtain a composite beam having a uniformized intensity distribution (40).

본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 입사되는 입사빔(10)의 강도 분포는, 통상적으로 레이저 빔의 발생 초기에 얻을 수 있는 가우시안 분포를 가질 수 있다. 그러나, 입사빔(10)은 반드시 가우시안 분포를 가져야 하는 것은 아니며, 중심축에 대해 대칭인 분포를 갖는 임의의 강도 분포를 갖는 레이저 빔이라면, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 의해 강도 분포가 균일화될 수 있다.The intensity distribution of the incident beam 10 incident on the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention may have a Gaussian distribution that can be obtained at the beginning of the generation of the laser beam. However, if the incident beam 10 does not necessarily have a Gaussian distribution but is a laser beam having an arbitrary intensity distribution having a symmetrical distribution with respect to the central axis, The distribution can be made uniform.

빔 분할기(110)는, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 입사되는 입사빔(10)을 제1빔(20) 및 제2빔(30)으로 분할하는 역할을 하는 구성요소다. 도 1에 보인 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 빔 분할기(110)는 판형으로 이루어진 편광 빔 분할기(112)를 포함할 수 있다.The beam splitter 110 is a component for dividing an incident beam 10 incident on the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention into a first beam 20 and a second beam 30. As shown in FIG. 1, in an embodiment of the present invention, the beam splitter 110 may include a polarizing beam splitter 112 formed in a plate shape.

즉, 본 실시예에서는 입사빔(10)에 대해 기설정된 입사각을 이루는 판형의 편광 빔 분할기(112)가 배치되어, 입사빔(10)의 일부는 투과되고 나머지 일부는 반사되도록 이루어진다. 도 1에 보인 것과 같이, 반사되어 진행되는 빔인 제1빔(20)과 투과되어 진행되는 빔인 제2빔(30)이 출사되도록 배치된다.That is, in this embodiment, a plate-shaped polarizing beam splitter 112 having a predetermined incident angle with respect to the incident beam 10 is disposed so that a part of the incident beam 10 is transmitted and a part of the incident beam 10 is reflected. As shown in FIG. 1, the first beam 20, which is a reflected beam, and the second beam 30, which is a transmitted beam, are emitted.

한편, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)의 빔 분할기(110)는 제1빔(20)과 제2빔(30)의 출력비를 조절할 수 있도록 출력 배분 빔 분할기의 형태로 이루어질 수 있다. 이를 위해 빔 분할기(110)는 편광판, 파장판(111)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the beam splitter 110 of the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention may be in the form of an output distribution beam splitter to adjust the output ratios of the first beam 20 and the second beam 30. For this, the beam splitter 110 may further include a polarizing plate and a wave plate 111.

구체적으로, 먼저 입사빔(10)이 통과하여 선편광되도록 입사빔(10)의 경로에 편광판이 배치된다. 다만, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 이미 선편광된 입사빔(10)이 입사되는 경우라면 편광판이 반드시 배치되어야 하는 것은 아니다.Specifically, the polarizing plate is disposed in the path of the incident beam 10 so that the incident beam 10 passes first and is linearly polarized. However, if the incident beam 10, which is already linearly polarized, is incident on the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention, the polarizing plate is not necessarily disposed.

다음으로, 선편광된 입사빔(10)은 파장판(111)을 통과하도록 배치된다. 선편광된 입사빔(10)이 파장판(111)을 통과하게 되면, 편광 방향이 일정 각도로 회전될 수 있다.Next, the linearly polarized incident beam 10 is arranged to pass through the wave plate 111. When the linearly polarized incident beam 10 passes through the wave plate 111, the polarization direction can be rotated at a certain angle.

편광 방향이 일정 각도로 회전된 입사빔(10)은 이후에 편광 빔 분할기(112)를 통과하여 제1 및 제2빔(20, 30)으로 분할된다. 즉, 제1빔(20)과 제2빔(30)은 서로 다른 편광 방향을 갖게 되며, 예를 들면, 어느 하나는 수직, 다른 하나는 수평으로 편광된 빔일 수 있다.The incident beam 10, in which the polarization direction is rotated at a certain angle, is then divided into the first and second beams 20 and 30 through the polarizing beam splitter 112. That is, the first beam 20 and the second beam 30 have different polarization directions, for example, one may be a vertical beam and the other a horizontally polarized beam.

이때, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는, 파장판(111)의 편광 방향을 회전하여 조절 가능하도록 이루어질 수 있다. 편광 방향이 조절 가능하게 되면, 편광 빔 분할기(112)에서 출사되는 제1 및 제2빔(20, 30)의 출력비가 조절될 수 있다.At this time, the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention can be configured to be able to adjust the polarization direction of the wave plate 111 by rotating. When the polarization direction is adjustable, the output ratio of the first and second beams 20 and 30 emitted from the polarization beam splitter 112 can be adjusted.

본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)가 제1빔(20)과 제2빔(30)의 출력을 배분할 수 있도록 구성되면, 후술하는 것과 같이 제1 및 제2빔(20, 30) 중 적어도 하나가 성형되어 두 빔이 다시 합쳐질 때, 그 비율이 조절될 수 있다. 이에 따라, 다양한 조합으로 제1 및 제2빔(20, 30)을 합성할 수 있어, 합성빔(40)의 평정 분포를 효과적으로 만들어낼 수 있고, 또한 합성빔(40)의 평정 분포를 세밀하게 조절하는 것도 가능한 효과가 있다.When the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention is configured to distribute the outputs of the first beam 20 and the second beam 30, When at least one is molded and the two beams are reassembled, the ratio can be adjusted. Accordingly, it is possible to synthesize the first and second beams 20 and 30 in various combinations, to effectively produce the uniform distribution of the composite beam 40, and to finely distribute the composite distribution of the composite beam 40 It is also possible to control the effect.

이상에서와 같이 입사빔(10)으로부터 분할된 제1빔(20)은 제1빔 성형기(120)를 거쳐, 제2빔(30)과 합성되어 균일한 강도 분포를 가질 수 있도록 성형된다. 이하에서는 제1빔 성형기(120)의 구체적인 작용과, 이를 구현하는 구체적인 이중 원뿔렌즈 구성에 대해 설명하기로 한다.As described above, the first beam 20 divided from the incident beam 10 is synthesized with the second beam 30 through the first beam former 120, and is shaped to have a uniform intensity distribution. Hereinafter, a concrete operation of the first beam shaper 120 and a concrete dual conical lens structure for realizing the same will be described.

제1빔 성형기(120)의 역할은 입사빔(10)에서 분할된 제1빔(20)의 강도 분포를 변형시키는 것이고, 더 구체적으로는 제1빔(20)의 강도 분포의 구배 방향을 반전시키는 것이다.The role of the first beam former 120 is to modify the intensity distribution of the first beam 20 divided at the incident beam 10 and more particularly to change the direction of the gradient of the intensity distribution of the first beam 20, I will.

앞서 설명한 것과 같이 입사빔(10)의 강도 분포는 가우시안 분포를 갖거나 혹은 중심축을 기준으로 대칭인 분포를 가질 수 있다. 그리고 빔 분할기(110)를 거친 제1빔(20)도 입사빔(10)으로부터 편광 방향이 변화된 것일 수 있지만, 강도 분포는 입사빔(10)과 동일할 수 있다.As described above, the intensity distribution of the incident beam 10 may have a Gaussian distribution or a distribution symmetric with respect to the central axis. The intensity distribution may be the same as the incident beam 10 although the first beam 20 through the beam splitter 110 may also have a changed polarization direction from the incident beam 10.

한편, 강도를 공간에 대해 미분하여 얻어지는 기울기, 즉, 구배(gradient)는 벡터로서 방향과 크기를 갖는 물리량이 된다. 그리고, 축대칭의 강도 분포를 갖는 물리량에 대해서는, 구배의 방향은 중심축을 향하거나 혹은 가장자리를 향하는 방향 중 하나의 방향을 갖는다고 볼 수 있다.On the other hand, the gradient obtained by differentiating the intensity with respect to the space, that is, the gradient becomes a physical quantity having a direction and a magnitude as a vector. For a physical quantity having an axisymmetric intensity distribution, it can be seen that the direction of the gradient has one of a direction toward the center axis or a direction toward the edge.

이러한 구배 방향에 대해 예를 들면, 중심축 부분의 강도가 높고 가장자리 부분의 강도가 낮은 축대칭의 가우시안 분포에 대한 구배 방향은 강도 값이 증가하는 중심축을 향하여 모여드는 벡터 분포를 갖게 된다.With respect to such a gradient direction, for example, the gradient direction for the axially symmetric Gaussian distribution, in which the intensity of the central axis portion is high and the intensity of the edge portion is low, has a vector distribution converging toward the central axis where the intensity value increases.

제1빔 성형기(120)는, 제1빔(20)의 종단면 공간에 대한 강도 분포의 구배 방향을 반전시킨다. 예를 들어, 제1빔 성형기(120)에 입사되는 제1빔(20)이 가우시안 강도 분포를 갖는다면, 중심축을 향하여 모여드는 벡터들 형태의 구배 분포를 갖는다. 이때, 제1빔 성형기(120)로부터 출사되는 제1빔인 역분포빔(28)의 구배 벡터의 분포는 중심부으로부터 가장자리로 퍼져 나가는 형태가 되는 것이다. 이렇게 반전된 강도 분포의 예는 후술하는 도 2의 역가우시안 분포의 제1빔(27)이 될 수 있다.The first beam shaper 120 inverts the gradient direction of the intensity distribution with respect to the longitudinal plane space of the first beam 20. For example, if the first beam 20 incident on the first beam shaper 120 has a Gaussian intensity distribution, then it has a gradient distribution in the form of vectors that converge towards the central axis. At this time, the distribution of the gradient vector of the backward distribution beam 28, which is the first beam emitted from the first beam shaper 120, spreads from the central portion to the edge. An example of such an inverted intensity distribution may be the first beam 27 of the inverse Gaussian distribution of FIG. 2 to be described later.

나아가 제1빔 성형기(120)는, 강도 분포의 구배 방향을 반대 방향으로 변형시키는 것뿐만 아니라, 중심축으로부터 가장자리까지의 공간에 대한 강도 분포를 완전히 뒤바꿀 수 있다. 즉 제1빔 성형기(120)는, 제1빔 성형기(120)로부터 출사되는 역분포빔(28)의 중심축으로부터 가장자리까지의 강도 값이 제1빔 성형기(120)에 입사되는 제1빔(20)의 가장자리로부터 중심축까지의 강도 값과 일치하도록 강도 분포를 변형시킬 수 있다. 후술하는 도 2의 역가우시안 분포의 제1빔(27)이 그 예에 해당한다.Further, the first beam shaper 120 can completely reverse the intensity distribution for the space from the central axis to the edge as well as deforming the gradient direction of the intensity distribution in the opposite direction. That is, the first beam shaper 120 is configured such that the intensity value from the central axis to the edge of the backward distribution beam 28 emitted from the first beam shaper 120 is smaller than the intensity value from the center axis of the first beam shaper 120 20 so as to coincide with the intensity value from the edge to the central axis. The first beam 27 of the inverse Gaussian distribution of FIG. 2 to be described later corresponds to this example.

이상에서는 제1빔 성형기(120)를 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에서 수행하는 기능을 중심으로 설명하였다. 이하에서는 강도 분포의 구배 방향을 반전시키기 위해 제1빔 성형기(120)에 구비되는 구성요소를 중심으로 설명한다.The functions of the first beam former 120 in the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention have been described above. Hereinafter, the components included in the first beam shaper 120 will be described in order to reverse the gradient direction of the intensity distribution.

도 2는 도 1에 도시된 제1빔 성형기(120)의 개념도이다. 도 2에 따르면, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)의 제1빔 성형기(120)는 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)를 포함한다. 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)를 차례로 배치하는 이중 원뿔렌즈 구성은, 앞서 설명한 강도 분포의 구배 방향을 반전시키는 역할을 하며, 구체적으로는 가우시안 강도 분포를 역가우시안 강도 분포를 갖도록 변환시킨다. 나아가, 원뿔렌즈를 통과시킴으로서 원거리 조사에 유리한 형태의 빔을 형성시키는 기능을 수행한다.Fig. 2 is a conceptual diagram of the first beam shaper 120 shown in Fig. Referring to FIG. 2, the first beam shaper 120 of the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention includes first and second conical lenses 121 and 122. The double conical lens arrangement in which the first and second conical lenses 121 and 122 are arranged in order serves to invert the gradient direction of the intensity distribution described above and more specifically to convert the Gaussian intensity distribution into an inverse Gaussian intensity distribution . Further, by passing the conical lens, it functions to form a beam in a form favorable to long distance irradiation.

다만, 도 1의 본 발명의 일 실시예와 같이, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는 원뿔렌즈를 통과시키기 전에 제1빔(20)을 반사시키는 입사 반사경(123)을 더 포함할 수 있다. 도 1에 보인 것과 같이, 입사 반사경(123)은 빔 분할기(110)에서 분할되어 형성된 제1빔(20)의 진행 방향을 제2빔(30)과 나란하도록 형성시킨다. 다만, 반드시 제1빔(20)과 제2빔(30)이 이웃하여 나란하게 진행할 필요는 없고, 장치의 크기나 후술하는 빔 합성기(130)의 형태 등을 고려하여 제1 및 제2빔(20, 30)의 진행 방향이 각각 설정될 수 있다.1, the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention further includes an incident reflecting mirror 123 that reflects the first beam 20 before passing the conical lens . As shown in FIG. 1, the incident reflecting mirror 123 forms a progressive direction of the first beam 20 divided by the beam splitter 110 so as to be parallel to the second beam 30. However, the first beam 20 and the second beam 30 do not necessarily need to be adjacent to each other in parallel, and the first beam 20 and the second beam 30 need not be parallel to each other in consideration of the size of the apparatus, the shape of the beam synthesizer 130 20, and 30, respectively.

도 2에 보인 것과 같이, 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)는 제1빔(20)이 차례로 통과하도록 이격되게 배치되며, 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122) 각각은 서로 꼭지점이 마주보는 방향으로 배치될 수 있다. 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122) 사이의 간격은 제1원뿔렌즈(121)에 의해 형성되는 선초점의 끝단에 제2원뿔렌즈(122)의 꼭지점이 위치하는 간격으로 이루어진다. 즉, 제1원뿔렌즈(121)에 의해 형성되는 원거리 초점(25)에 제2원뿔렌즈(122)의 꼭지점이 위치될 수 있다.As shown in FIG. 2, the first and second conical lenses 121 and 122 are spaced apart in order to pass through the first beam 20, and the first and second conical lenses 121 and 122, The vertexes can be arranged in the opposite directions. The interval between the first and second conical lenses 121 and 122 is spaced such that the vertex of the second conical lens 122 is located at the end of the line focus formed by the first conical lens 121. That is, the vertex of the second conical lens 122 can be located at the far focal point 25 formed by the first conical lens 121. [

도 2를 참조하여, 가우시안 분포의 입사빔(10)을 일 예로 들어 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)에 의한 빔 성형 과정을 설명하면 다음과 같다. 도 2에 보인 것과 같이, 빔 분할기(110)를 통과한 제1빔(20)이 입사빔(10)과 같은 가우시안 분포를 갖는다고 할 때, 제1빔 성형기(120)에 입사되는 가우시안 분포의 제1빔(21)의 중심부(22)의 빔을 근축입사광선(22a), 주변부(23)의 빔을 주변입사광선(23a)으로 칭한다.Referring to FIG. 2, the beam forming process by the first and second conical lenses 121 and 122 will be described as an example of the incident beam 10 having a Gaussian distribution. 2, when the first beam 20 having passed through the beam splitter 110 has the same Gaussian distribution as the incident beam 10, the Gaussian distribution of the Gaussian distribution, which is incident on the first beam shaper 120, The beam of the center portion 22 of the first beam 21 is referred to as a paraxial incident ray 22a and the beam of the peripheral portion 23 is referred to as a peripheral incident ray 23a.

먼저, 제1원뿔렌즈(121)에 입사되는 가우시안 분포의 제1빔(21)은, 근축입사광선(22a)이 제1원뿔렌즈(121)의 중심을 통과하여 제1원뿔렌즈(121)의 꼭지점 근처에 근거리 초점(24)을 형성한다. 그리고, 주변입사광선(23a)은 제1원뿔렌즈(121)의 가장자리를 통과하여 굴절된 뒤 제2원뿔렌즈(122)의 꼭지점 가까이에 원거리 초점(25)을 형성하게 된다. 즉, 근축입사광선(22a)과 주변입사광선(23a) 사이의 입사광선은 중심축 방향으로 선초점(26)을 형성하게 된다.The Gaussian distribution of the first beam 21 incident on the first conical lens 121 is such that the paraxial incident light 22a passes through the center of the first conical lens 121 and passes through the center of the first conical lens 121 A near focus 24 is formed near the vertex. The peripheral incident light ray 23a passes through the edge of the first conical lens 121 and is refracted to form a long focal point 25 near the vertex of the second conical lens 122. [ That is, the incident light beam between the paraxial incident light beam 22a and the surrounding incident light beam 23a forms a line focus 26 in the direction of the central axis.

이후, 주변입사광선(23a)은 제2원뿔렌즈(122)의 꼭지점에서 굴절된 후에 중심축과 나란히 진행하게 된다. 그리고, 제1원뿔렌즈(121)의 중심축을 따라 진행하였던 근축입사광선(22a)은 제2원뿔렌즈(122)의 가장자리에서 굴절되어 중심축과 나란히 진행하게 된다.Thereafter, the incident incident ray 23a is refracted at the apex of the second conical lens 122, and then proceeds along the central axis. The paraxial incident ray 22a traveling along the central axis of the first conical lens 121 is refracted at the edge of the second conical lens 122 and proceeds along the central axis.

결과적으로, 제1빔 성형기(120)에 입사되는 가우시안 분포의 제1빔(21)에서 중심축 상의 최대 강도를 갖는 근축입사광선(22a)은 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)를 통과한 제1빔(27)에서 가장자리에 위치하게 되고, 제1빔 성형기(120)에 입사되는 가우시안 분포의 제1빔(21)에서 가장자리의 주변입사광선(25)은 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)를 통과한 제1빔(27)의 중심축 상에 분포하게 된다. 따라서, 도 2에 보인 것과 같이 입사되는 가우시안 분포의 제1빔(21)은 역가우시안 분포의 제1빔(27)으로 성형된다.As a result, the paraxial incident ray 22a having the maximum intensity on the central axis in the first beam 21 of the Gaussian distribution incident on the first beam shaper 120 is incident on the first and second conical lenses 121 and 122 And the edge incident light ray 25 at the edge of the first beam 21 of Gaussian distribution incident on the first beam former 120 is incident on the edge of the first and second cone- And is distributed on the central axis of the first beam 27 passing through the lenses 121 and 122. Thus, as shown in FIG. 2, the first beam 21 of the incident Gaussian distribution is shaped into the first beam 27 of the inverse Gaussian distribution.

한편, 제1빔 성형기(120)의 제1 및 제2원뿔렌즈(122)의 크기 및 꼭지각을 다양하게 변화시켜 제1빔(20)의 성형에 이용하는 것이 가능하다.Meanwhile, it is possible to vary the size and the apex angle of the first and second conical lenses 122 of the first beam shaper 120 to use it for forming the first beam 20.

이상에서와 같은 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)로 구성되는 제1빔 성형기(120)를 이용하면, 앞서 설명한 것과 같이 제1빔(20)의 강도 분포의 구배 방향이 반대 방향으로 전환될 수 있다. 이렇게 제1빔 성형기(120)를 통과하여 형성된 제1빔 성형기(120)로부터 출사되는 제1빔인 역분포빔(28)을 이용하여 후술하는 빔 합성기(130)에서 입사빔(10)보다 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔(40)을 얻을 수 있는 효과가 있다.When the first beam shaper 120 composed of the first and second conical lenses 121 and 122 as described above is used, the gradient of the intensity distribution of the first beam 20 is changed in the opposite direction Can be switched. The beam synthesizer 130, which will be described later, uses the backward distribution beam 28, which is a first beam emitted from the first beam shaper 120 formed through the first beam shaper 120, to be more uniform than the incident beam 10 The composite beam 40 having the intensity distribution can be obtained.

나아가, 이상에서와 같이 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)로 구성되는 제1빔 성형기(120)를 이용하게 되면, 역분포빔(28)은 베셀 빔(Bessel beam)의 특성을 갖게 된다. 베셀 빔은 원거리 조사에서도 회절 효과와 발산이 최소화되므로, 효과적인 빔 전송이 가능해지는 특징이 있다. 역분포빔(28)에 의해, 후술하는 빔 합성기(130)에서 형성되는 합성빔(40)도 원거리 조사에서도 균일한 강도 분포가 유지되고 발산이 최소화되는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에서 얻어진 평정 평행의 합성빔(40)은 원거리로 전송시킨 후에도 활용할 수 있어 그 응용 환경 및 분야를 더욱 넓힐 수 있다.Further, when the first beam former 120 composed of the first and second conical lenses 121 and 122 is used as described above, the backward distribution beam 28 has a characteristic of a Bessel beam do. The Bessel beam minimizes the diffraction effect and the divergence even in the far-field irradiation, so that effective beam transmission becomes possible. By the retro-distribution beam 28, the composite beam 40 formed by the beam synthesizer 130 described later can maintain the uniform intensity distribution and minimize the divergence even in the far-field irradiation. Therefore, the parallel beams 40 obtained in the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention can be utilized even after being transmitted over a long distance, and the application environment and field can be further widened.

이상에서와 같이 제1빔 성형기(120)로부터 출사되는 제1빔인 역분포빔(28)은, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)의 빔 합성기(130)에 의해 제2빔(30)과 합성되어 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔(40)이 형성된다. 즉, 빔 합성기(130)는 서로 다른 강도 분포를 갖는 역분포빔(28)과 제2빔(30)을 합성하여 최종적으로 강도 분포가 균일화된 합성빔(40)을 출사시키는 역할을 한다.As described above, the backward distribution beam 28, which is the first beam emitted from the first beam shaper 120, is incident on the second beam 30 by the beam synthesizer 130 of the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention, Thereby forming a composite beam 40 having a uniformized intensity distribution. That is, the beam synthesizer 130 synthesizes the reverse beam 28 and the second beam 30 having different intensity distributions, and finally outputs the composite beam 40 having the uniform intensity distribution.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는, 빔 분할기(110)와 마찬가지로 판형으로 빔 합성기(130)가 구성될 수 있다. 다만, 앞서 입사 반사경(123)을 통해 제2빔(30)과 나란하게 진행시켜 주었던 제1빔(20)을 제2빔(30)과 교차할 수 있도록 반사시켜 주는 출사 반사경(131)이 배치될 수 있다. 이에 따라 도 1에 보인 것과 같이, 제2빔(30)은 편광 빔 합성기(132)를 통과하고 제1빔 성형기(120)로부터 출사되는 제1빔인 역분포빔(28)은 편광 빔 합성기(132)에서 반사되어, 두 빔은 동일한 위치로 합쳐져 진행될 수 있다.Specifically, in an embodiment of the present invention, the beam synthesizer 130 may be configured in a plate shape as in the beam splitter 110. An exit reflecting mirror 131 for reflecting the first beam 20, which has been advanced in parallel with the second beam 30 through the incident reflecting mirror 123 so as to intersect with the second beam 30, . 1, the second beam 30 passes through the polarizing beam synthesizer 132 and the backward beam 28, which is the first beam emitted from the first beam shaper 120, passes through the polarizing beam combiner 132 , So that the two beams can be combined and processed at the same position.

이렇게 두 빔의 중심축을 일치시키는 것 이외에도, 두 빔의 강도 분포가 서로 상쇄되도록 합성하기 위해서는, 역분포빔(28)과 제2빔(30)의 편광 방향이 일치하도록 구성될 필요성이 있다. 앞서 편광 빔 분할기(110)를 이용하여 서로 다른 편광 방향으로 제1 및 제2빔(20, 30)을 편광시켰다면, 역분포빔(28)과 제2빔(30) 중 어느 하나의 편광 방향을 회전시키도록, 빔 분할기(110)에 구비되었던 파장판(111)과 같은 구성 요소가 빔 합성기(130)에도 배치될 수 있다.In addition to matching the center axes of the two beams, it is necessary that the polarization directions of the backward distribution beam 28 and the second beam 30 coincide with each other so that the intensity distributions of the two beams cancel each other. If the polarization beam splitter 110 is used to polarize the first and second beams 20 and 30 in different polarization directions, the polarization direction of either the backwardly distributed beam 28 or the second beam 30 Components such as the wave plate 111 provided in the beam splitter 110 may also be arranged in the beam synthesizer 130 so as to rotate the beam splitter.

결과적으로, 빔 합성기(130)에 의해 출사되는 합성빔(40)은, 입사빔(10)의 강도 분포와 같은 경향을 갖는 제2빔(30)과 입사빔(10)과 반대되는 강도 분포 경향을 갖는 역분포빔(28)이 서로 합성되면서 강도 분포가 서로 상쇄된 형태가 된다. 즉 합성빔(40)은 입사빔(10)보다 강도 분포가 상대적으로 균일화된 상태가 되며, 제1빔 성형기(120)의 설계에 따라 요구되는 수준의 평정의 분포를 갖도록 균일화될 수 있다.As a result, the composite beam 40 emitted by the beam synthesizer 130 has an intensity distribution tendency opposite to that of the incident beam 10 with respect to the second beam 30 having the same tendency as the intensity distribution of the incident beam 10 And the reverse distribution beams 28 having the same intensity distribution are canceled each other. In other words, the composite beam 40 becomes more uniform in intensity distribution than the incident beam 10, and can be made uniform so as to have a distribution of the required level according to the design of the first beam former 120.

또한, 앞서 설명한 것과 같이, 제1 및 제2원뿔렌즈(121, 122)로 구성되는 제1빔 성형기(120)에 의해 제1빔(20)을 성형하면, 강도 분포가 균일화된 합성빔(40)이 원거리에서도 균일한 강도 분포를 유지할 수 있는 장점이 있다. 이는 평정 레이저 빔을 활용하는 장치에 있어 공간적인 제약 조건을 완화시킬 수 있고, 나아가 더 다양한 분야에서 평정 레이저 빔을 활용할 수 있게 되는 이점이 있다.Further, as described above, when the first beam 20 is formed by the first beam shaper 120 composed of the first and second conical lenses 121 and 122, the composite beam 40 having the uniform intensity distribution ) Is advantageous in that even intensity distribution can be maintained even at a long distance. This has the advantage of being able to mitigate spatial constraints in devices that utilize a calibrated laser beam and, in addition, to utilize a calibrated laser beam in a wider range of applications.

이상에서는 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 있어서, 입사빔(10)을 분할하여 제1 및 제2빔(20, 30)을 얻고, 제1빔(20)을 성형하여 제2빔(30)과 상쇄시켜 합성시키는 구성에 대해 설명하였다.In the above, in the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention, the incident beam 10 is divided to obtain the first and second beams 20 and 30, the first beam 20 is formed, (30) to be synthesized.

여기에 덧붙여, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는 제2빔(30)의 강도 분포나 빔의 크기 등을 변화시켜 더 다양한 형태의 합성빔(40)을 얻을 수 있다. 이를 위하여 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는 제2빔 성형기(140)를 더 포함할 수 있다.In addition, the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention can obtain more various types of composite beams 40 by changing the intensity distribution of the second beam 30, the beam size, and the like. To this end, the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention may further include a second beam former 140.

제2빔 성형기(140)는 제2빔(30)의 경로 상에 배치되고, 제2빔(30)의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시키도록 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제2빔(30)의 크기를 확대시키도록 구성되어 이에 따라 제1빔(20)과 합성되는 합성빔(40)의 크기를 확대시킬 수 있다.The second beam shaper 140 is disposed on the path of the second beam 30 and may be configured to vary at least one of the diameter and the intensity distribution of the second beam 30. Specifically, the size of the second beam 30 may be enlarged to enlarge the size of the composite beam 40 combined with the first beam 20.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2빔 성형기(140)는 케플러식 구성으로 이루어질 수 있다. 도 1에 보인 것과 같이, 빔 분할기(110)에서 투과된 제2빔(30)은 서로 이격되어 배치되는 두 개의 케플러 볼록렌즈(141, 142)를 차례로 통과하도록 이루어질 수 있다. 이는 케플러식 망원경의 원리에 따른 것이며, 도 1에 보인 것과 같이 제2빔 성형기(140)로부터 출사되는 제2빔(30)은 빔의 크기가 변화될 수 있다.The second beam shaper 140 according to an embodiment of the present invention may have a Keplerian configuration. As shown in FIG. 1, the second beam 30 transmitted through the beam splitter 110 may be passed through the two Kepler convex lenses 141 and 142, which are spaced apart from each other. This is in accordance with the principle of the Keplerian telescope, and as shown in FIG. 1, the beam size of the second beam 30 emitted from the second beam shaper 140 can be changed.

한편, 케플러식으로 구성되는 두 개의 볼록렌즈는 구면렌즈일 수 있으나, 경우에 따라 비구면렌즈로 이루어질 수 있다. 비구면렌즈로 이루어지는 경우에는 제2빔 성형기(140)로부터 출사되는 제2빔(30)은 빔의 강도 분포도 변형될 수 있다. 가우시안 분포의 제2빔(30)이 비구면렌즈로 이루어지는 제2빔 성형기(140)에 입사되는 경우, 출사되는 제2빔(30)은 그 강도 분포가 변형되어 준가우시안 분포의 빔이 될 수 있다.On the other hand, the two convex lenses constituted by the Keplerian type may be a spherical lens, but may be made of an aspherical lens in some cases. In the case of the aspherical lens, the intensity distribution of the beam of the second beam 30 emitted from the second beam shaper 140 may also be deformed. When the second beam 30 of Gaussian distribution is incident on the second beam shaper 140 made of an aspheric lens, the emitted second beam 30 may be a beam of a quasi-Gaussian distribution with its intensity distribution deformed .

위와 같은 제2빔 성형기(140)가 추가됨으로써, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에서 출사되는 합성빔(40)은 더욱 다양한 형태가 될 수 있다. 즉, 제2빔(30)의 크기를 조정하여 합성빔(40)의 크기를 변화시켜, 다양한 응용 분야에 요구되는 크기의 빔을 얻을 수 있다. 또한, 제2빔(30)의 강도 분포 형상을 미세하게 변화시킴으로써, 합성빔(40)의 강도 분포를 더 균일화시킨 결과를 얻을 수도 있다.With the addition of the second beam shaper 140 as described above, the composite beam 40 emitted from the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention can be in various forms. That is, the size of the second beam 30 may be adjusted to change the size of the composite beam 40 to obtain a beam of a desired size for various applications. Further, by finely changing the intensity distribution shape of the second beam 30, it is possible to obtain a result that the intensity distribution of the composite beam 40 is further made uniform.

한편, 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)는 입사빔(10)의 평행화 및 크기 조절을 위해 빔 평행화기(150)를 더 포함할 수 있다. 즉, 빔 평행화기(150)는 입사빔(10)의 균일화 및 원거리 조사 특성 부여를 위한 성형을 돕는 역할을 한다.Meanwhile, the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention may further include a beam collimator 150 for collimating and adjusting the size of the incident beam 10. That is, the beam collimator 150 serves to assist in shaping the incident beam 10 to uniformize and impart a long-distance illumination characteristic.

도 1에 보인 것과 같이, 레이저 빔 발생 초기에 생성되는 가우시안 분포의 입사빔(10)은 진행되면서 발산되는 특성을 가질 수 있다. 이러한 발산 빔이 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(100)에 의해 강도 분포가 균일화되기 위해서는, 먼저 입사빔(10)을 평행으로 진행되는 형태로 변화시킬 필요가 있다.As shown in FIG. 1, the incident beam 10 having a Gaussian distribution generated at the beginning of the laser beam may have a characteristic of being diverged while proceeding. In order to uniformize the intensity distribution of the diverging beam by the laser beam forming apparatus 100 according to the present invention, it is first necessary to change the incident beam 10 into a parallel progressive form.

도 1에 보인 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에서는, 빔 평행화기(150)는 평행화 오목렌즈(151)와 평행화 볼록렌즈(152)로 구성되어 있으며, 입사빔(10)을 요구되는 크기로 확대하고 평행하게 진행되는 형태로 평행화시킬 수 있다. 빔 평행화기(150)에 의해 입사빔(10)은 평행으로 진행되는 빔의 형태로 변형되어 빔 분할기(110)에 입사되고, 앞서 설명한 구성요소들에 의해 차례로 빔 성형이 수행될 수 있다.As shown in FIG. 1, in an embodiment of the present invention, the beam collimator 150 is composed of a parallelizing concave lens 151 and a parallelizing convex lens 152, And can be parallelized in parallel. The beam parallelizer 150 deforms the incident beam 10 in the form of a parallel beam and enters the beam splitter 110, and beamforming can be performed in turn by the above-described components.

이상에서는 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치에 따른 일 실시예에 대해 설명하였다. 이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(200)의 다른 실시예에 대해 설명하기로 한다.In the foregoing, an embodiment of the laser beam forming apparatus according to the present invention has been described. Hereinafter, another embodiment of the laser beam forming apparatus 200 according to the present invention will be described with reference to FIG.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치(200)의 개념도이다. 본 발명의 다른 실시예는, 앞서 설명한 일 실시예와 비교하여 빔 분할기(210) 및 빔 합성기(230)와 제2빔 성형기(240)의 구성을 달리 한다.3 is a conceptual diagram of a laser beam forming apparatus 200 according to another embodiment of the present invention. Another embodiment of the present invention differs from the beam splitter 210 and the beam synthesizer 230 in the configuration of the second beam shaper 240 in comparison with the above-described embodiment.

본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치(200)에 조사되는 입사빔(10)은 필요에 따라 빔 평행화기(250)를 거쳐 평행화 및 크기 조절이 이루어질 수 있다. 이후에, 입사빔(10)은 빔 분할기(210)에서 제1 및 제2빔(20, 30)으로 분할되는데, 파장판(211)의 후단에 앞선 일 실시예와 다르게 큐빅 빔 분할기(212)가 배치될 수 있다. 큐빅 빔 분할기(212)는 투과되는 제2빔(30)의 평행이동(shift)이 발생하지 않는 특징이 있다.The incident beam 10 irradiated to the laser beam forming apparatus 200 according to the present invention may be parallelized and scaled through a beam parallelizer 250 as necessary. The incident beam 10 is then divided into first and second beams 20 and 30 in a beam splitter 210. Unlike in the previous embodiment of the wave plate 211, the cubic beam splitter 212, Can be disposed. The cubic beam splitter 212 is characterized in that no parallel shift of the transmitted second beam 30 occurs.

큐빅 빔 분할기(212)에서 투과된 제2빔(30)은 제2빔 성형기(240)에 입사될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서 제2빔 성형기(240)는 갈릴레이식 구성으로 이루어질 수 있다. 즉, 도 3에 보인 것과 같이 제2빔(30)이 갈릴레이 오목렌즈(241)를 통과하고, 갈릴레이 오목렌즈(241)에 이격되어 배치되는 갈릴레이 볼록렌즈(242)를 통과하도록 이루어진다. 이러한 방식에 의해 직경이 확대되는 등으로 제2빔(30)의 크기가 조절될 수 있다.The second beam 30 transmitted by the cubic beam splitter 212 may be incident on the second beam shaper 240. In another embodiment of the present invention, the second beam shaper 240 may be of a Galilean configuration. 3, the second beam 30 passes through the Galilean concave lens 241 and passes through the Galilean convex lens 242 disposed apart from the Galilean concave lens 241. As shown in FIG. In this way, the size of the second beam 30 can be adjusted by enlarging the diameter or the like.

이때, 앞선 일 실시예와 마찬가지로, 구면렌즈가 아닌 비구면렌즈로 갈릴레이 오목렌즈 및 볼록렌즈(241, 242)가 구성되면, 제2빔(30)의 강도 분포를 변형시키는 것도 가능하다.At this time, if the Galilean concave lens and the convex lenses 241 and 242 are formed of an aspherical lens other than a spherical lens, the intensity distribution of the second beam 30 can be deformed.

한편, 제1빔(20)에 대해서는 본 발명의 일 실시예와 동일하게 제1빔 성형기(220)에 의한 강도 분포 변형이 가해질 수 있다. 다만, 빔 합성기(230)에는 출사 반사경(231)과 함께 큐브 빔 합성기(232)가 사용될 수 있다.On the other hand, for the first beam 20, the intensity distribution deformation by the first beam shaper 220 can be applied as in the embodiment of the present invention. However, a cube beam synthesizer 232 may be used for the beam synthesizer 230 together with the exit reflector 231.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 빔 성형 장치에 대한 ZEMAX 렌즈설계 코드를 이용한 선-추적(ray-tracing) 계산 결과를 보인 분포도 및 그래프이다. 본 발명에 따른 레이저 빔 성형 장치에 의한 레이저 빔의 균일화 효과는 도 4를 참조하여 확인할 수 있다.4 is a distribution diagram and graph showing ray-tracing calculation results using a ZEMAX lens design code for a laser beam forming apparatus according to an embodiment of the present invention. The uniforming effect of the laser beam by the laser beam forming apparatus according to the present invention can be confirmed with reference to FIG.

도 4의 분포도 및 그래프에서, 빔 평행화기에 구비되는 평행화 오목렌즈의 초점거리는 -20 mm, 평행화 볼록렌즈의 초점거리는 100 mm로 설정되었다. 제2빔 성형기에 구비되는 케플러식 렌즈부에서, 제1 및 제2볼록렌즈는 각각 20 mm 및 70 mm의 초점거리를 갖도록 하여, 이때의 빔 확대비는 3.5배 정도를 이루도록 하였다.In the distribution chart and the graph of Fig. 4, the focal length of the parallelizing concave lens provided in the beam parallelizer is set to -20 mm, and the focal length of the parallel convex lens is set to 100 mm. In the Kepler-type lens unit provided in the second beam shaper, the first and second convex lenses have focal lengths of 20 mm and 70 mm, respectively, and the beam enlargement ratio at this time is about 3.5 times.

또한, 제1빔 성형기의 제1 및 제2원뿔렌즈는 동일한 형태로, 꼭지각은 170°로 설정되었다. 빔 분할기에 장착되는 파장판의 회전 각도는 32.8°로 설정되어, 빔 분할기의 제1빔 대 제2빔 출력비는 6.25 대 1 정도가 되었다.Further, the first and second conical lenses of the first beam former were of the same shape, and the vertex angle was set to 170 °. The rotation angle of the wave plate mounted on the beam splitter was set to 32.8 °, so that the first beam to second beam output ratio of the beam splitter was about 6.25 to 1.

도 4에서, A는 제2빔 성형기를 거쳐 확대된 제2빔의 강도 분포이다. A는 가우시안 분포의 입사빔이 제2빔 성형기에 의해 확대된 모습을 보인 것이다. 그리고, B는 제1빔 성형기를 거쳐 역가우시안 분포로 성형된 모습을 보인 것이다. A와 같은 강도 분포를 갖는 제2빔과 B와 같은 강도 분포를 갖는 제1빔이 빔 합성기에 의해 합성되면, C에 보인 것과 같이 평정 분포를 갖는 합성빔이 형성된다.In Fig. 4, A is the intensity distribution of the second beam magnified by the second beam former. A shows the incident beam of the Gaussian distribution magnified by the second beam former. And B is a figure formed by the inverse Gaussian distribution through the first beam former. When a second beam having an intensity distribution such as A and a first beam having an intensity distribution such as B are synthesized by the beam synthesizer, a composite beam having an unbiased distribution as shown in C is formed.

10: 입사빔 20: 제1빔
21: 가우시안 분포의 제1빔 22: 중심부
22a: 근축입사광선 23: 주변부
23a: 주변입사광선 24: 근거리 초점
25: 원거리 초점 26: 선초점
27: 역가우시안 분포의 제1빔 28: 역분포빔
30: 제2빔 40: 합성빔
100: 레이저 빔 성형 장치 110: 빔 분할기
111: 파장판 112: 편광 빔 분할기
120: 제1빔 성형기 121: 제1원뿔렌즈
122: 제2원뿔렌즈 123: 입사 반사경
130: 빔 합성기 131: 출사 반사경
132: 편광 빔 합성기 140: 제2빔 성형기
141, 142: 케플러 볼록렌즈 150: 빔 평행화기
151: 평행화 오목렌즈 152: 평행화 볼록렌즈
200: 레이저 빔 성형 장치 210: 빔 분할기
211: 파장판 212: 큐브 빔 분할기
220: 제1빔 성형기 230: 빔 합성기
231: 출사 반사경 232: 큐브 빔 합성기
240: 제2빔 성형기 241: 갈릴레이 오목렌즈
242: 갈릴레이 볼록렌즈 250: 빔 평행화기10: incident beam 20: first beam
21: first beam of Gaussian distribution 22:
22a: paraxial incident ray 23: peripheral portion
23a: Ambient incident ray 24: Near focus
25: Far focus 26: Line focus
27: first beam of reverse Gaussian distribution 28: reverse spreading beam
30: second beam 40: composite beam
100: laser beam forming apparatus 110: beam splitter
111: Wavelength plate 112: Polarizing beam splitter
120: first beam shaper 121: first cone lens
122: second conical lens 123: incident reflecting mirror
130: beam synthesizer 131: outgoing reflector
132: polarized beam synthesizer 140: second beam former
141, 142: Kepler convex lens 150: Beam parallelizer
151: parallelizing concave lens 152: parallelizing convex lens
200: laser beam shaping device 210: beam splitter
211: wave plate 212: cube beam splitter
220: first beam former 230: beam synthesizer
231: exit mirror 232: cube beam synthesizer
240: Second beam former 241: Galilean concave lens
242: Galilean convex lens 250: Beam parallelizer

Claims (15)

중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 갖는 입사빔을 제1빔과 제2빔으로 분할하는 빔 분할기;
입사되는 상기 제1빔의 강도 분포를 변형시켜 출사시키는 제1빔 성형기; 및
상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔을 상기 제2빔과 합성시켜, 상기 입사빔보다 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔을 형성시키는 빔 합성기를 포함하며,
상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 강도 분포의 구배 방향은, 상기 제1빔 성형기에 입사되는 상기 제1빔의 강도 분포의 구배 방향에 반대되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.A beam splitter for splitting an incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis into a first beam and a second beam;
A first beam former for deforming and outputting the intensity distribution of the incident first beam; And
And a beam synthesizer for combining the first beam emitted from the first beam former with the second beam to form a composite beam having an intensity distribution that is more uniform than the incident beam,
Wherein the gradient direction of the intensity distribution of the first beam emitted from the first beam shaper is opposite to the gradient direction of the intensity distribution of the first beam incident on the first beam shaper. 제1항에 있어서,
상기 제1빔 성형기에 입사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향이 a일 때, 상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향은 -a인 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 1,
A gradient of the intensity distribution from the central axis of the first beam emitted from the first beam shaper to the edge when the gradient direction of the intensity distribution from the central axis to the edge of the first beam incident on the first beam shaper is a, And the direction is -a. 제1항에 있어서,
상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포는, 상기 제1빔 성형기에 입사되는 제1빔의 가장자리로부터 중심축으로의 강도 분포와 일치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 1,
Wherein the intensity distribution from the central axis to the edge of the first beam emitted from the first beam former is made to coincide with the intensity distribution from the edge of the first beam incident on the first beam former to the central axis Laser beam forming apparatus. 제1항에 있어서,
상기 입사빔은 가우시안(Gaussian) 강도 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 1,
Wherein the incident beam has a Gaussian intensity distribution. 제1항에 있어서,
상기 빔 분할기는,
상기 입사빔을 선편광시키는 편광판;
상기 선편광된 입사빔의 편광 방향을 기설정된 각도로 회전시켜 출사시키도록 형성되는 파장판; 및
상기 파장판에서 출사되는 입사빔을 서로 다른 방향으로 편광된 상기 제1 및 제2빔으로 분할하는 편광 분할기를 포함하며,
상기 제1 및 제2빔 간의 출력비가 조절되도록, 상기 파장판은 상기 기설정된 각도를 조절 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 1,
The beam splitter comprises:
A polarizing plate for linearly polarizing the incident beam;
A wave plate configured to rotate the polarization direction of the linearly polarized incident beam by a predetermined angle and to output the polarization plate; And
And a polarization splitter for splitting the incident beam emitted from the wave plate into the first and second beams polarized in different directions,
Wherein the wavelength plate is configured to adjust the predetermined angle so that an output ratio between the first and second beams is adjusted. 제1항에 있어서,
상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시키도록 이루어지는 제2빔 성형기를 더 포함하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 1,
Further comprising a second beam former disposed on a path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer and configured to vary at least one of a diameter and an intensity distribution of the second beam incident thereon, Molding device. 제6항에 있어서,
상기 제2빔 성형기는, 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 두 개의 구면렌즈를 포함하여 상기 제2빔의 직경을 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 6,
Wherein the second beam former includes two spherical lenses spaced apart from each other so as to allow the second beam to sequentially pass therethrough to change the diameter of the second beam. 제6항에 있어서,
상기 제2빔 성형기는, 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 두 개의 비구면렌즈를 포함하여 상기 제2빔의 강도 분포를 변형시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.The method according to claim 6,
Wherein the second beam shaper includes two aspherical lenses spaced apart from each other so as to allow the second beam to pass in order to deform the intensity distribution of the second beam. 중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 이루어 입사되는 입사빔 중, 일부는 반사시켜 제1빔을 형성시키고 나머지 일부는 투과시켜 제2빔을 형성시키는 빔 분할기;
입사되는 상기 제1빔이 차례로 통과하도록 꼭지점을 서로 마주보고 이격 배치되는 제1 및 제2원뿔렌즈를 구비하여, 상기 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향을 반전시켜 출사시키는 제1빔 성형기; 및
서로 다른 방향에서 입사되는 상기 제1빔 성형기로부터 출사된 제1빔과 상기 제2빔 중 어느 하나는 반사시키고 다른 하나는 투과시키도록 배치되어, 상기 제1빔 성형기에서 출사된 제1빔과 상기 제2빔을 합성시킨 합성빔을 출사시키는 빔 합성기를 포함하는 레이저 빔 성형 장치.A beam splitter for reflecting a part of the incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis to form a first beam and transmitting a remaining part of the incident beam to form a second beam;
And first and second conical lenses spaced from each other such that vertexes of the first and second beams intersect with each other so as to sequentially pass through the first and second beams so that the gradient direction of the intensity distribution from the central axis of the first beam to the edge is inverted A first beam former; And
A first beam emitted from the first beam shaper and a second beam emitted from the first beam shaper, the first beam and the second beam being incident from different directions and reflecting one of the first beam and the second beam, And a beam synthesizer for emitting a composite beam synthesized from the second beam. 제9항에 있어서,
상기 제1원뿔렌즈는,
상기 제1빔이 수직으로 입사되는 제1평면부; 및
상기 제1빔의 중심축 상에 꼭지점이 위치되도록 형성되는 제1원뿔부를 포함하고,
상기 제2원뿔렌즈는,
상기 제1원뿔렌즈에 의해 형성되는 원거리 초점에 꼭지점이 배치되는 제2원뿔부; 및
상기 제1평면부와 나란하게 형성되는 제2평면부를 포함하는 레이저 빔 성형 장치.10. The method of claim 9,
Wherein the first conical lens comprises:
A first plane portion on which the first beam is vertically incident; And
And a first conical portion formed such that a vertex is positioned on the central axis of the first beam,
Wherein the second conical lens comprises:
A second conical portion having a vertex at a long focal point formed by the first conical lens; And
And a second plane portion formed in parallel with the first plane portion. 제9항에 있어서,
상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 볼록렌즈를 구비하는 제2빔 성형기를 더 포함하는 레이저 빔 성형 장치.10. The method of claim 9,
And a second beam former disposed on a path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer and having a pair of convex lenses spaced apart from each other so as to pass the second beam in succession Wherein the laser beam shaping device comprises: 제9항에 있어서,
상기 빔 분할기 및 빔 합성기 사이에 형성되는 상기 제2빔의 경로 상에 배치되고, 입사되는 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격되어 배치되는 오목렌즈 및 볼록렌즈를 구비하는 제2빔 성형기를 더 포함하는 레이저 빔 성형 장치.10. The method of claim 9,
And a second beam former disposed on the path of the second beam formed between the beam splitter and the beam synthesizer and having a concave lens and a convex lens spaced apart from each other so as to pass the second beam in succession Wherein the laser beam shaping device comprises: 중심축을 기준으로 대칭인 강도 분포를 갖는 입사빔을 서로 다른 각도로 편광된 제1 및 제2빔으로 분할시키는 빔 분할기;
입사되는 상기 제1빔의 중심축으로부터 가장자리로의 강도 분포의 구배 방향을 반전시켜 출사시키는 제1빔 성형기;
입사되는 상기 제2빔의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시켜 출사시키도록 이루어지는 제2빔 성형기; 및
상기 제1빔 성형기로부터 출사되는 제1빔과 상기 제2빔 성형기로부터 출사되는 제2빔을 중심축 및 편광 방향이 서로 일치하도록 합성하여, 상기 입사빔보다 균일화된 강도 분포를 갖는 합성빔을 형성시키는 빔 합성기를 포함하며,
상기 합성빔의 직경 또는 강도 분포는, 상기 제2빔 성형기에 의한 상기 제2빔의 직경 또는 강도 분포 변화에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.A beam splitter for splitting an incident beam having an intensity distribution symmetrical with respect to a central axis into first and second polarized beams at different angles;
A first beam former for inverting a gradient direction of an intensity distribution from the central axis of the first beam to an edge of the incident beam to be emitted;
A second beam former for varying at least one of a diameter and an intensity distribution of the incident second beam; And
A first beam emitted from the first beam shaper and a second beam emitted from the second beam shaper are combined so that their central axes and polarization directions coincide with each other to form a composite beam having a uniform intensity distribution than the incident beam And a beam splitter,
Wherein the diameter or intensity distribution of the composite beam is controlled by a change in diameter or intensity distribution of the second beam by the second beam shaper. 제13항에 있어서,
상기 제2빔 성형기는, 입사되는 상기 제2빔이 차례로 통과하도록 서로 이격 배치시킨 두 개의 렌즈를 포함하여, 상기 제2빔의 직경 및 강도 분포 중 적어도 하나를 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the second beam former includes at least one of a diameter and an intensity distribution of the second beam including two lenses spaced apart from each other such that the second beam incident thereon passes through the beam in succession, Device. 제14항에 있어서,
상기 두 개의 렌즈는 비구면렌즈로 이루어져, 상기 제2빔의 강도 분포를 변형시키는 것을 특징으로 하는 레이저 빔 성형 장치.15. The method of claim 14,
Wherein the two lenses are made of an aspherical lens to deform the intensity distribution of the second beam.
KR1020160099104A 2016-08-03 2016-08-03 Laser beam shaping device KR101845292B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160099104A KR101845292B1 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Laser beam shaping device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160099104A KR101845292B1 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Laser beam shaping device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180015504A true KR20180015504A (en) 2018-02-13
KR101845292B1 KR101845292B1 (en) 2018-04-04

Family

ID=61231911

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160099104A KR101845292B1 (en) 2016-08-03 2016-08-03 Laser beam shaping device

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101845292B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109632735A (en) * 2018-12-11 2019-04-16 北京世纪桑尼科技有限公司 Optical ultra-discrimination micro imaging system and imaging method

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006078655A (en) 2004-09-08 2006-03-23 Sumitomo Heavy Ind Ltd Optical device, laser irradiation device and laser irradiation method
JP2007114655A (en) * 2005-10-24 2007-05-10 Olympus Corp Uniform illumination device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109632735A (en) * 2018-12-11 2019-04-16 北京世纪桑尼科技有限公司 Optical ultra-discrimination micro imaging system and imaging method
CN109632735B (en) * 2018-12-11 2023-12-12 北京世纪桑尼科技有限公司 Optical super-resolution microscopic imaging system and imaging method

Also Published As

Publication number Publication date
KR101845292B1 (en) 2018-04-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khonina et al. 3D transformations of light fields in the focal region implemented by diffractive axicons
JP5395804B2 (en) Beam forming device
US20140268368A1 (en) Optical device for beam shaping
WO2022258075A1 (en) Dmd-based method, apparatus, and system for generating multi-parameter adjustable light field
JP2009503596A (en) Optical beam shaping device
JP2006065348A (en) Method for shaping irradiance profile using optical element having positive and negative optical power
CN106842587B (en) The diffraction optical method realizes the shaping of Gaussian light into ultra-fine linear uniform light spots with ultra-high length-width ratio
CN104991347A (en) Laser shaping illuminator based on microlens array
CN102621694A (en) Strip-shaped astigmatic beam shaping and collimating device
EP1407310A1 (en) Diffractive shaping of the intensity distribution of a spatially partially coherent light beam
US11625001B1 (en) Optical system for generating arbitrary-order optical vortex arrays and finite optical lattices with defects
KR20170122265A (en) Radiation system
Orlov et al. Controllable spatial array of Bessel-like beams with independent axial intensity distributions for laser microprocessing
Jera et al. Generation of three-dimensionally homogenized focal spot with uniform intensity distribution using vectorial optical fields
KR101845292B1 (en) Laser beam shaping device
WO2018067828A1 (en) Variable magnification beam expander with ultra-fast zoom and focusing capability using adaptive optics
KR20200001661A (en) Optical system for beam shaping and method of beam shaping
CN104953465A (en) Homogenizing device for laser diode array light beam based on space spectrum division processing
CN115857160A (en) Method and device for generating long-focal-depth high-aspect-ratio Airy light needle
CN103901509A (en) LED lens capable of generating single Bottom beam
KR20160138944A (en) Laser system or laser exposure system
Moreno Optimized IR synchrotron beamline design
CN112799228B (en) System and method for forming sub-wavelength nearly spherical focus by single objective lens
RU2811392C1 (en) Device for forming laser beam with rectangular cross-section and uniform intensity distribution
Traub Beam Shaping for Laser Material Processing

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant