KR20180030386A

KR20180030386A - 레이저 처리 장치

Info

Publication number: KR20180030386A
Application number: KR1020170114474A
Authority: KR
Inventors: 히로시 오노; 고타 노무라; 데츠오 사카이; 이타루 치다
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-03-22
Also published as: FR3055978A1; JP6483647B2; JP2018043266A; US20180071863A1; FR3055978B1; KR101985091B1; US10946481B2

Abstract

일 실시예에 따라서, 레이저 처리 장치는 광 조사부와 광학 요소를 포함한다. 광학 요소는 광 조사부의 선단부와의 간극을 통해 제공되는 제1 투명 부재, 및 제2 투명 부재를 포함한다. 제1 투명 부재는 광 조사부의 선단부에 대치되는 제1 표면 및 제1 표면에 연결되도록 제공되는 제2 표면을 포함한다. 제2 투명 부재는 평면 및 볼록면을 포함하고, 평면은 제1 투명 부재의 제2 표면에 대치되도록 제공되며, 제1 투명 부재를 통과한 광은 볼록면을 통과한다. 제1 표면을 통과하는 레이저 빔의 광축과 볼록면을 통과하는 광축은 서로 상이하다.

Description

레이저 처리 장치{LASER PROCESSING DEVICE}

본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 2016년 9월 14일자로 출원된 일본 특허 출원 제2016-179165호에 기초하며 그에 대한 우선권의 혜택을 주장한다.

본 발명의 실시예는 일반적으로 레이저 처리 장치에 관한 것이다.

레이저 빔은 좁은 영역 상에 고밀도 광 에너지를 집중시킬 수 있다. 따라서, 레이저 빔을 사용한 처리는 핵 분야 같은 매우 다양한 분야에 사용된다. 레이저 빔을 사용한 처리 기술로서, 레이저 빔에 의한 조사에 의해 생성된 플라즈마의 충격파를 사용하여 금속 표면의 조성을 변화시키도록 레이저 빔으로 수중의 금속 표면을 조사하는 레이저 피닝(peening)을 들 수 있다. 레이저 피닝은 핵 반응기 내의 구조에 적용되고, 구조의 응력을 완화시켜 부식 파괴를 방지한다.

레이저 피닝에서, 금속 표면 상에 레이저 빔을 수렴시키기 위해 레이저 빔은 미러 같은 광학 요소에 의해 반사된다. 이러한 광학 요소는 플라즈마에 의해 금속 표면 상에서 발생하는 초음파에 의해 영향을 받기 쉽다. 따라서, 광학 요소가 손상될 위험이 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치의 일부의 확대도이다.
도 5는 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 사용하여 레이저 빔을 수렴시키는 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 제2 실시예에 따른 레이저 처리 장치의 일부의 확대도이다.
도 7은 제2 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 사용하여 레이저 빔을 수렴시키는 구성을 도시하는 도면이다.

일 실시예에 따라서, 레이저 처리 장치는 광 조사부와 광학 요소를 포함한다. 광 조사부는 광원으로부터의 레이저 빔을 선단부(tip)로부터 출사하도록 구성된다. 광학 요소는 광 조사부의 선단부와 간극을 개재하여 제공되는 제1 투명 부재, 및 제2 투명 부재를 포함한다. 제1 투명 부재는 광 조사부의 선단부에 대치되는 제1 표면 및 제1 표면에 연결되도록 제공되는 제2 표면을 포함한다. 제2 투명 부재는 평면 및 볼록면을 포함하고, 평면은 제1 투명 부재의 제2 표면에 대치되도록 제공되며, 제1 투명 부재를 통과한 광은 볼록면을 통과한다. 제1 표면을 통과하는 레이저 빔의 광축과 볼록면을 통과하는 광축은 서로 상이하다.

이제, 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명한다.

도면은 개략적이거나 개념적이며, 부분들의 두께 및 폭 사이의 관계, 부분들 사이의 크기의 비율 등은 반드시 그 실제 값과 동일한 것은 아니다. 치수 및/또는 비율은 동일한 부분이 예시되어 있는 경우라도 도면 간에 다르게 예시될 수 있다.

본 출원의 도면 및 명세서에서, 전술한 것들과 유사한 구성요소는 유사 참조 번호로 표시되고, 상세한 설명은 적절히 생략된다.

(제1 실시예)

도 1은 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 도시하는 개략도이다.

도 2는 도 1의 부분 확대도이다.

도 3은 도 2의 분해 사시도이다.

도 1은 레이저 처리 장치(1)를 도시한다. 도 2는 레이저 처리 장치(1) 내의 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)을 도시한다. 도 3은 조사 부분(10a)을 구성하는 요소를 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 처리 장치(1)는 주 본체 부분(10) 및 구동부(50)를 구비한다. 레이저 처리 장치(1)는 예로서, 처리 대상물로서의 파이프(70) 상에 레이저 피닝을 수행하기 위한 장치이다. 레이저 처리 장치(1)의 주 본체 부분(10)는 중공 원통형 형상을 갖는 파이프(70)에 삽입된다.

레이저 피닝은 YAG 레이저 같은 레이저를 사용하는 처리 기술을 나타낸다. 레이저 빔은 렌즈 같은 광학 요소를 사용하여 수렴되고, 금속 표면은 이렇게 수렴된 레이저 빔으로 조사되어 플라즈마를 생성하며, 따라서, 플라즈마의 충격파로 인해 금속 내부에 압축성 응력이 제공된다. 레이저 피닝을 사용하여 응력을 완화시키도록 금속 내부에 잔류된 인장 응력을 제거함으로써, 금속의 부식 파괴가 방지된다. 이런 레이저 피닝은 예로서, 핵 반응기의 구조에 적용된다.

주 본체 부분(10)은 하우징(11), 광섬유(12)(광 조사부), 프리즘(13) 및 렌즈(14)를 구비한다. 하우징(11)은 중공 원통형 형상을 갖고, 광섬유(12), 프리즘(13), 및 렌즈(14)를 내부에 수납한다. 하우징(11)은 예로서 금속으로 형성된다. 하우징(11)은 렌즈(14)의 볼록면(14a)을 노출시키기 위한 개구(11a)를 구비한다. 하우징(11)의 외측 벽면(11b)의 일부가 파이프(70)에 의해 둘러싸인다.

광섬유(12)는 단부 부분(12a)(선단부)을 갖는다. 레이저 소스(도시하지 않음)로부터의 레이저 빔(L)이 단부 부분(12a)으로부터 출사된다. 예로서, 레이저 빔(L)은 100(ns) 이하의 펄스 폭을 갖는 단펄스 레이저 빔이다.

프리즘(13)은 복수의 표면으로 형성되는 구조이다. 프리즘(13)은 미리정해진 각도로 경사진 표면(측면(13s2))을 갖는 프리즘이며, 예로서 테이퍼진 프리즘이다. 프리즘(13)은 광섬유(12)에 대치되도록 배치된다. 프리즘(13)은 예로서 사파이어로 형성된다. 프리즘(13)은 석영 또는 유리로 형성될 수도 있다. 프리즘(13)은 광섬유(12)의 단부 부분(12a)으로부터의 레이저 빔(L)을 굴절시키고, 그 후 내부 반사시켜 레이저 빔(L)을 렌즈(14)에 전달한다.

렌즈(14)는 프리즘(13) 상에 배치된다. 예로서, 렌즈(14)는 프리즘(13)에 부착된다. 렌즈(14) 및 프리즘(13)은 서로 부착될 필요가 없고, 사이에 간극을 구비할 수도 있다. 이런 경우, 렌즈(14)가 미세 진동함으로써 처리 동안 렌즈(14)에 의해 수신되는 잠재적인 충격파를 흡수할 수 있는 장점이 획득된다. 렌즈(14)는 예로서 평볼록 렌즈이다. 예로서, 렌즈(14)는 곡면으로서의 볼록면(14a)을 갖는 평볼록 렌즈이다. 렌즈(14)는 예로서 사파이어, 석영, 또는 유리로 형성된다. 렌즈(14)는 예로서 프리즘(13)을 형성하는 재료와 동일한 재료로 그리고 프리즘(13)과 일체로 형성된다. 렌즈(14)는 프리즘(13)의 내부 반사를 이용하여 전달된 레이저 빔(L)을 굴절시킨 후 수렴시킨다.

광학 요소(15)는 투명 부재로서의 프리즘(13)과 렌즈(14)로 형성된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유(12)의 단부 부분(12a), 프리즘(13), 및 렌즈(14)는 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)을 구성한다. 하우징(11)은 유지 부분(11c1) 및 커버 부분(11c2)을 갖는다. 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)은 하우징(11)의 유지 부분(11c1) 및 커버 부분(11c2)에 의해 수납된다. 예로서, 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)(광섬유(12)의 단부 부분(12a), 프리즘(13), 및 렌즈(14))은 하우징(11)의 유지 부분(11c1) 및 커버 부분(11c2)에 의해 고정된다.

광섬유(12)의 단부 부분(12a)은 출사면(12s1)을 갖는다. 레이저 빔(L)은 출사면(12s1) 상의 복수의 지점에 출사된다.

프리즘(13)은 저면(13s1), 측면(13s2), 측면(13s3), 측면(13s4), 및 측면(13s5)을 갖는다. 예로서, 저면(13s1), 측면(13s2), 및 측면(13s3)의 형상은 각각 사각형이며, 측면(13s4) 및 측면(13s5)의 형상은 각각 삼각형이다.

저면(13s1)은 간극(10b)을 통해 단부 부분(12a)의 출사면(12s1)에 대치되며, 출사면(12s1)의 복수의 지점으로부터 출사되는 레이저 빔(L)을 굴절시킨다. 간극(10b)은 출사면(12s1)과 저면(13s1) 사이에 형성되기 때문에, 광섬유(12) 및 프리즘(13)이 서로 접촉하는 경우에 비해 광섬유(12) 및 광학 요소(15)(프리즘(13) 및 렌즈(14))의 손상을 억제할 수 있다. 출사면(12s1)과 저면(13s1)이 미세 진동하는 것을 허용하도록 출사면(12s1)과 저면(13s1)을 서로 접합할 수도 있다는 것을 유의하여야 한다.

측면(13s2)은 측면(13s3)과 미리정해진 각도로 경사진 표면이다. 측면(13s2)은 프리즘(13)의 내부를 통해 저면(13s1)으로부터 전달되는 레이저 빔(L)을 내부 반사한다. 측면(13s2)에 의해 반사된 레이저 빔(L)은 측면(13s3)을 통해 렌즈(14)에 전달된다.

렌즈(14)가 평볼록 렌즈인 경우에, 렌즈(14)의 평면(14b)이 측면(13s3) 상에 위치된다. 프리즘(13) 및 렌즈(14)가 서로 일체로 동일한 재료로 형성되는 경우에, 레이저 빔(L)은 렌즈(14)의 평면(14b)에 의해 굴절되지 않는다는 것을 유의하여야 한다.

렌즈(14)의 볼록면(14a)은 레이저 빔(L)을 굴절시켜 수렴시킨다. 여기서, 렌즈(14)의 볼록면(14a)은, 프리즘(13)을 내부 전파하는 광이 볼록면(14a)을 통해 지나가도록(전달되도록) 배치된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 구동부(50)는 상하 방향으로 주 본체 부분(10)을 이동시키고, 주 본체 부분(10)을 회전시키기 위한 구동 장치이다. 구동부(50)는 연결 부분(50a)을 통해 주 본체 부분(10)에 연결된다.

예로서, 구동부(50)는 광섬유(12), 프리즘(13) 및 렌즈(14)를 수납하는 하우징(11)을 상하 방향으로 이동시켜 주 본체 부분(10)을 상하 방향으로 이동시킨다.

예로서, 하우징(11)에 중공 원통형 형상을 갖는 회전 부분과 회전 부분의 주연에 배치되어 회전 부분을 회전가능하게 지지하는 지지 부분을 제공함으로써, 구동부(50)는 하우징(11)을 회전시켜 주 본체 부분(10)을 회전시킨다.

본 명세서에서, "상방향"은 프리즘(13)의 저면(13s1)으로부터 광섬유(12)의 출사면(12s1)을 향한 방향을 나타내고, "하방향"은 광섬유(12)의 출사면(12s1)으로부터 프리즘(13)의 저면(13s1)을 향한 방향을 나타낸다는 것을 유의하여야 한다.

레이저 피닝을 수행하는 경우, 주 본체 부분(10)을 구동하는 구동부(50)에 의해, 파이프(70)에 대한 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)의 위치가 조정된다. 예로서, 주 본체 부분(10)이 파이프(70) 내에 내장되는 경우에, 주 본체 부분(10)을 상방향으로 이동시키고 주 본체 부분(10)을 수직 방향으로(예를 들어, 도면에 관한 수직 방향) 회전시킴으로써, 파이프(70)에 대한 조사 부분(10a)의 위치가 조정된다. 달리 말하면, 파이프(70)에 대한 광섬유(12), 프리즘(13), 및 렌즈(14)의 위치는 조정된다. 그 후, 조사 부분(10a) 및 파이프(70)를 포함하는 주 본체 부분(10)의 일부가 물 같은 액체 내에 위치되는 상태에서 파이프(70)의 처리 부분에 대해 레이저 피닝이 수행된다.

이하 레이저 처리 장치(1)에 의한 레이저 피닝에 대해서 설명한다.

도 4는 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치의 일부의 확대도이다.

도 5는 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 사용하여 레이저 빔을 수렴시키는 구성을 도시하는 도면이다.

도 4는 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)의 사시도를 도시한다. 도 5는 조사 부분(10a)에서의 레이저 빔(L)의 전달을 예시하는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 광섬유(12)로부터 출사되는 레이저 빔(L)은 프리즘(13) 및 렌즈(14) 내에서 전달되어 수렴된다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 단부 부분(12a)의 출사면(12s1) 상의 복수의 지점에서, 레이저 빔(L)은 확산 각도(NA)로 출사된다. 레이저 빔(L)은 간극(10b)을 통해 전달된 후, 프리즘(13)의 저면(13s1)에 의해 굴절된다. 여기서, 스넬의 법칙에 따라, 저면(13s1) 상의 굴절 각도를 θ1으로 정의하고, 프리즘(13)의 재료(예로서, 사파이어)에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수를 n으로 정의하면, 굴절 각도(θ1)는 이하의 식 (1)으로부터 유도될 수 있다. 아래에서 설명되는 식에서, a(아크)는 역 삼각 함수를 나타내는 기호라는 것을 유의하여야 한다.

θ1=asin(NA/n) ... (1)

이어서, 레이저 빔(L)은 프리즘(13)의 측면(13s2)에 전달된다. 예로서, 레이저 빔(L1)이 측면(13s2)에 전달되도록 하기 위해서, 굴절 각도(θ1)는 광섬유(12)로부터 출사되는 광축(La)에 관한 측면(13s2)의 경사 각도(테이퍼 각도)를 θt로 정의하면 이하의 식 (2)를 충족한다.

θ1=asin(NA/n)≤θt ... (2)

이어서, 레이저 빔(L)은 프리즘(13)의 측면(13s2)에 의해 내부 반사된다. 예로서, 레이저 빔(L2)이 측면(13s2)에 의해 내부 반사되는 경우, 측면(13s2) 상의 반사 각도를 θ2로 정의하면, 반사 각도(θ2)는 이하의 식 (3)으로부터 유도될 수 있다.

θ2=90-θ1-θt ... (3)

또한, 외부 환경에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수를 n0로 정의하면, 프리즘(13)의 재료에 고유한 임계 각도(θc)는 이하의 식 (4)로부터 유도될 수 있다. 외부 환경에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수(n0)는 물 같은 액체에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수라는 것을 유의하여야 한다.

θc=asin(n0/n) ... (4)

여기서, 레이저 빔(L2)이 측면(13s2)에 의해 전반사되도록 하기 위해서, 반사 각도(θ2)는 이하의 식 (5)을 충족한다.

θ2≥θc ... (5)

이하의 식 (6)은 상술한 식 (3) 및 식 (5)로부터 유도될 수 있다.

90-θ1-θt≥θc ... (6)

상술한 식 (1), 식 (2), 식 (4), 및 식 (6)에 따르면, 경사 각도(θt)는 이하의 식 (7)을 충족하게 된다.

asin(NA/n)≤θt≤90-asin(NA/n)-asin(n0/n) ... (7)

이어서, 레이저 빔(L)은 측면(13s3)을 통해 렌즈(14)에 전달되고, 렌즈(14)의 볼록면(14a)에 의해 굴절 및 수렴된다. 볼록면(14a)이 곡면인 경우에, 볼록면(14a)의 곡률 중심(C)은 측면(13s2)에 의해 반사된 레이저 빔(L)의 광축(Lb) 상에 위치된다. 따라서, 레이저 빔(L)의 수렴 지점 부근에 위치된 파이프(70)의 처리 부분(70a)이 처리된다. 도 5에 도시된 예에서, 레이저 빔(L)의 수렴 지점은 파이프(70)의 처리 부분(70a)과 일치하지 않는다는 것을 유의하여야 한다. 달리 말하면, 레이저 빔(L)의 수렴 지점은 처리 지점과 일치하지 않는다. 레이저 빔(L)의 수렴 지점은 또한 파이프(70)의 처리 부분(70a)과 일치할 수 있다.

이하, 본 실시예의 장점에 대해서 설명하다.

서로 대치되도록 배치된 광섬유 및 미러를 갖는 레이저 처리 장치의 레이저 피닝에서, 광섬유의 단부 부분으로부터 출사되는 레이저 빔은 미러의 반사면에 의해 반사되어 파이프에 수렴하게 된다. 이러한 레이저 처리 장치의 미러는 금속을 포함하는 전기 전도성 재료 상에 유전체 막을 제공함으로써 구성된다. 레이저 빔이 수렴하는 파이프의 처리 부분은 광섬유와 미러 사이에 위치되기 때문에, 유전체 막으로 형성된 반사면은 처리 부분에서 발생하는 플라즈마의 충격파에 의해 영향을 받기 쉽다. 또한, 플라즈마로 인해 음원으로서의 처리 부분에 기인하는 초음파의 발생이 유도되기 때문에, 미러의 반사면은 초음파에 의해 영향을 받기 쉽다. 따라서, 플라즈마의 충격파 및 초음파로 인해, 반사면의 유전체 막은 손상되기 쉽다.

본 실시예의 레이저 처리 장치(1)는 광섬유(12)와 광학 요소(15) 사이에 위치되는 간극(10b)을 통해 제공되고, 프리즘(13)과 렌즈(14)로 형성되는 광학 요소(15)를 갖는다. 이러한 광학 요소(15)로 인해, 미러를 형성하지 않고 레이저 처리 장치(1)를 사용하여 레이저 피닝을 수행할 수 있다. 그러므로, 미러를 갖는 레이저 처리 장치에 비해 광학 요소(15)의 손상을 억제할 수 있다. 또한, 간극(10b)이 제공되기 때문에, 광학 요소(15)는 플라즈마의 충격파를 받을 때 미세 진동할 수 있다. 그러므로, 광학 요소(15)의 미세진동에 의해, 충격파를 흡수할 수 있다. 반대로, 간극(10b)이 제공되지 않는 경우, 충격파는 광섬유(12)의 선단부에 전파되어 선단부 부분의 손상을 유발한다. 간극(10b)은 또한 충격을 흡수할 수 있도록 탄성을 갖는 투명 재료로 충전될 수 있다. 이 경우, 충격은 흡수될 수도 있다. 탄성 투명 재료는 레이저 빔(L)을 전달할 수 있다. 예로서, 투명 실리콘 또는 투명 수지가 채용될 수 있다.

또한, 간극(10b)이 제공되는 경우에, 프리즘(13)의 저면(13s1)을 사용하여 식 (1)에 의해 표현되는 바와 같이 레이저 빔(L)을 굴절시킬 수 있다. 레이저의 수렴에 관하여, 렌즈면의 수가 많을수록, 광 수렴 능력이 높아진다. 그러므로, 간극(10b)을 제공함으로써, 레이저에 대한 광 수렴 능력을 향상시킬 수 있다.

위에서 설명된 구성을 채용함으로써, 저면(13s1)을 통과하는 레이저 빔(L)의 광축 및 렌즈(14)의 볼록면(14a)을 통과하는 레이저 빔(L)의 광축을 서로 경사지게 할 수 있다. 따라서, 광섬유(12)의 광축에 관해 경사진 영역에서 레이저 피닝 처리를 수행할 수 있게 된다. 예로서, 광섬유(12)가 좁은 공간에 삽입되었을 때 그 자세를 변화시킬 수 없을 정도로 작은 좁은 공간의 벽면에서 레이저 처리를 수행할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 광학 요소의 손상을 방지하기 위한 레이저 처리 장치가 제공된다.

(제2 실시예)

도 6은 제2 실시예에 따른 레이저 처리 장치의 일부의 확대도이다.

도 6에는, 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)이 투명하게 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 레이저 처리 장치(2)는 렌즈(14) 및 렌즈(20)로 형성되는 광학 요소(150)를 제공하는 점에서 제1 실시예에 따른 레이저 처리 장치(1)와 상이하다. 다른 구성은 제1 실시예의 것과 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 광섬유(12)의 단부 부분(12a), 렌즈(20), 및 렌즈(14)는 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)을 구성한다. 또한, 광학 요소(150)는 투명 부재로서의 렌즈(14) 및 렌즈(20)로 형성된다.

렌즈(20)는 예로서 구 형상을 갖는 볼 렌즈이다. 렌즈(20)는 광섬유(12)의 단부 부분(12a)에 대치되도록 제공된다. 렌즈(20)는 예로서 사파이어, 석영, 또는 유리로 형성된다. 렌즈(20)는 광섬유(12)의 단부 부분(12a)으로부터의 레이저 빔(L)을 굴절시킨 후 레이저 빔(L)을 렌즈(14)에 전달한다. 예로서, 레이저 빔(L)은 평행광이 되도록 렌즈(20)에 의해 조정된다.

렌즈(14)는, 렌즈(20)가 렌즈(14)와 광섬유(12)의 단부 부분(12a) 사이에 위치되도록 제공된다. 즉, 렌즈(14)는 렌즈(20) 아래에 위치된다. 렌즈(14)는 볼록면(14a) 및 평면(14b)을 갖는 평볼록 렌즈이다. 렌즈(14)는 렌즈(20)로부터 전달되는 레이저 빔(L)을 볼록면(14a)에 의해 굴절시킨 후, 레이저 빔(L)을 평면(14b)에 의해 반사시킨다. 또한, 렌즈(14)는 평면(14b)에 의해 반사된 레이저 빔(L)을 볼록면(14a)에 의해 굴절시킨 후 수렴시킨다.

이하 레이저 처리 장치(2)에 의한 레이저 피닝에 대해서 설명한다.

도 7은 제2 실시예에 따른 레이저 처리 장치를 사용하여 레이저 빔을 수렴시키는 구성을 도시하는 도면이다.

도 7에는, 광섬유(12)의 단부 부분(12a), 렌즈(20), 렌즈(14) 및 파이프(70)가 도시되어 있다는 것을 유의하여야 한다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 단부 부분(12a)의 출사면(12s1) 상의 복수의 지점에서, 레이저 빔(L)이 출사된다. 레이저 빔(L)은 렌즈(20)에 의해 렌즈(14)에 굴절 및 전달된다. 이후, 레이저 빔(L)은 렌즈(14)의 볼록면(14a)에 의해 렌즈(14)의 평면(14b)에 굴절 및 전달된다.

이어서, 레이저 빔(L)은 렌즈(14)의 평면(14b)에 의해 렌즈(14)의 볼록면(14a)에 내부 반사 및 전달된다. 이후, 레이저 빔(L)은 렌즈(14)의 볼록면(14a)에 의해 굴절 및 수렴된다. 볼록면(14a)이 곡면인 경우에, 볼록면(14a)의 곡률 중심(C)은 평면(14b)에 의해 반사된 레이저 빔(L)의 광축(Lb) 상에 위치된다. 따라서, 레이저 빔(L)의 수렴 지점 부근에 위치된 파이프(70)의 처리 부분(70a)이 처리된다.

또한, 레이저 빔(L)의 확산 각도를 NA로 정의하고, 렌즈(14)의 재료(예로서, 사파이어)에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수를 n으로 정의하며, 외부 환경(예를 들어, 물 등의 액체)에 관한 레이저 빔(L)의 굴절 지수를 n0으로 정의할 때, 광섬유(12)로부터 출사되는 광축(La)에 관한 렌즈(14)의 평면(14b)의 경사 각도(θt1)는 이하의 식 (8)을 충족한다.

asin(NA/n)≤θt1≤90-asin(NA/n)-asin(n0/n) ... (8)

이하, 본 실시예의 장점에 대해서 설명하다.

본 실시예에 따른 레이저 처리 장치(2)는 렌즈(14) 및 렌즈(20)로 형성되는 광학 요소(150)를 갖는다. 이러한 광학 요소(150)로 인해, 미러를 형성하지 않고 레이저 처리 장치(2)를 사용하여 레이저 피닝을 수행할 수 있다. 그러므로, 미러를 갖는 레이저 처리 장치에 비해 광학 요소(150)의 손상을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시예에서, 렌즈(20)는 광섬유(12)와 렌즈(14) 사이에 위치되기 때문에, 광학 요소(150)는 주 본체 부분(10)의 조사 부분(10a)에서 용이하게 설치 및 처리될 수 있다.

소정의 실시예를 설명하였지만, 이들 실시예는 단지 예시로서 제시된 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니다. 실제로는, 본원에 설명된 신규한 실시예는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있으며, 또한 본원에 기재된 실시예의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상 내에서 이루어질 수 있다. 첨부의 청구항 및 그 등가물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는 바와 같은 이러한 형태 또는 변형을 포함하도록 의도된다.

Claims

레이저 처리 장치이며,
광원으로부터의 레이저 빔을 선단부로부터 출사하도록 구성되는 광 조사부; 및
상기 광 조사부의 선단부와 간극을 개재하여 제공되는 제1 투명 부재, 및 제2 투명 부재를 포함하는 광학 요소를 포함하고,
상기 제1 투명 부재는 광 조사부의 선단부에 대치되는 제1 표면 및 제1 표면에 연결되도록 제공되는 제2 표면을 포함하고,
상기 제2 투명 부재는 평면 및 볼록면을 포함하고, 평면은 제1 투명 부재의 제2 표면에 대치되도록 제공되며, 제1 투명 부재를 통과한 광은 볼록면을 통과하며,
상기 제1 표면을 통과하는 레이저 빔의 광축과 볼록면을 통과하는 광축은 서로 상이한, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 투명 부재는 제1 표면에 연결되도록 제공되면서, 제2 표면과 미리정해진 각도로 경사진 제3 표면을 더 포함하고,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 제1 표면을 통해 제1 투명 부재에 전달되며,
상기 제1 투명 부재의 레이저 빔은 제3 표면에 의해 반사되며 제2 표면에 전달되는, 레이저 처리 장치.
제2항에 있어서,
상기 볼록면은 곡면이며,
상기 볼록면의 곡률 중심은 제3 표면에 의해 반사된 레이저 빔의 광축 상에 위치되는, 레이저 처리 장치.
제2항에 있어서,
상기 광학 요소를 수납하도록 구성되는 하우징을 더 포함하고,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 하우징의 주연에 물을 개재하여 배치된 파이프에 수렴되며,
상기 조사부로부터 출사되는 레이저 빔의 확산 각도를 NA로 정의하고, 제1 투명 부재에 관한 레이저 빔의 굴절 지수를 n으로 정의하며, 물에 관한 레이저 빔의 굴절 지수를 n0으로 정의할 때, 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔의 광축에 관한 제3 표면의 경사 각도(θt)는 이하의 식
asin(NA/n)≤θt≤90-asin(NA/n)-asin(n0/n)
을 충족하는, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 투명 부재는 프리즘이며,
상기 제2 투명 부재는 렌즈인, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 간극에 충격을 흡수하도록 구성되는 투명 부재를 더 포함하는, 레이저 처리 장치.
제6항에 있어서,
상기 투명 부재는 실리콘 및 수지 중 하나를 포함하는, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 투명 부재의 제2 표면은 상기 제2 투명 부재의 평면에 부착되는, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 투명 부재의 평면은 간극을 통해 상기 제1 투명 부재의 제2 표면에 대치되는, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 투명 부재는 제2 투명 부재의 재료와 동일한 재료를 포함하고, 제2 투명 부재와 일체로 형성되는, 레이저 처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 광학 요소를 수납하도록 구성되고, 상기 볼록면이 노출되는 개구를 구비하는 하우징을 더 포함하며,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 상기 볼록면을 통해 상기 하우징의 주연에 배치되는 파이프에 수렴하는, 레이저 처리 장치.
제11항에 있어서,
상기 광 조사부의 선단부로부터 상기 제1 투명 부재의 제1 표면을 향하는 제1 방향 및 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 하우징을 이동시키고, 하우징을 회전시키도록 구성되는 구동부를 더 포함하는, 레이저 처리 장치.
레이저 처리 장치이며,
광원으로부터의 레이저 빔을 선단부로부터 출사하도록 구성되는 광 조사부; 및
구 형상을 갖는 제1 투명 부재 및 평면 및 볼록면을 갖는 제2 투명 부재를 포함하는 광학 요소로서, 제1 투명 부재는 광 조사부의 선단부와 볼록면 사이에 위치되는, 광학 요소를 포함하는, 레이저 처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 상기 제1 투명 부재에 전달되고,
상기 제1 투명 부재의 레이저 빔은 볼록면의 제1 부분을 통해 제2 투명 부재에 전달되며,
제2 투명 부재의 레이저 빔은 평면에 의해 반사되고 볼록면의 제2 부분에 전달되는, 레이저 처리 장치.
제14항에 있어서,
상기 볼록면은 곡면이며,
상기 볼록면의 곡률 중심은 평면에 의해 반사된 레이저 빔의 광축 상에 위치되는, 레이저 처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 광학 요소를 수납하도록 구성되는 하우징을 더 포함하고,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 하우징의 주연에 물을 개재하여 배치된 파이프에 수렴되며,
상기 조사부로부터 출사되는 레이저 빔의 확산 각도를 NA로 정의하고, 제2 투명 부재에 관한 레이저 빔의 굴절 지수를 n으로 정의하며, 물에 관한 레이저 빔의 굴절 지수를 n0으로 정의할 때, 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔의 광축에 관한 평면의 경사 각도(θt1)는 이하의 식
asin(NA/n)≤θt1≤90-asin(NA/n)-asin(n0/n)
을 충족하는, 레이저 처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 제1 투명 부재 및 상기 제2 투명 부재는 렌즈인, 레이저 처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 제1 투명 부재 및 상기 제2 투명 부재는 사파이어, 석영 및 유리 중 하나를 포함하는, 레이저 처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 광학 요소를 수납하도록 구성되는 하우징을 더 포함하고,
상기 광 조사부로부터 출사되는 레이저 빔은 하우징의 주연에 배치된 파이프에 수렴되는, 레이저 처리 장치.
제19항에 있어서,
상기 광 조사부로부터 상기 제1 투명 부재를 향하는 제1 방향 및 제1 방향의 반대인 제2 방향으로 하우징을 이동시키고, 하우징을 회전시키도록 구성되는 구동부를 더 포함하는, 레이저 처리 장치.