KR20180122347A - 특히 산업 프로세스용 레이저 소스 - Google Patents

Abstract

상이한 파장의 레이저 빔을 생성하는 복수의 레이저 다이오드(201, 202)를 포함하는 레이저 빔 생성 유닛(2)을 포함하는 레이저 소스이며, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔은 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)의 입구(40)에서 수광된다. 이 유닛(4)은 2개의 작동 위치를 갖는 광학 선택기 장치(43)를 갖는다. 제1 위치에서, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔은 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔들보다 높은 빔 품질 및 낮은 출력 값을 갖는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 복수의 증폭기 모듈(60)을 포함하는 광 증폭 유닛(6)의 입구에 도달한다. 증폭기 모듈(60)의 출구는 레이저 소스의 출구(U2)를 향해 수렴한다. 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)의 제2 위치에서, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔은 상기 레이저 소스(1)의 다른 출구(U1)에서 상대적으로 높은 출력 및 상대적으로 낮은 품질을 갖는 레이저 빔의 방출을 위해 적어도 부분적으로 중첩되는 상태로 단일 레이저 빔으로 서로 수렴하게 된다.

Description

특히 산업 프로세스용 레이저 소스

본 발명은 레이저 소스에 관한 것이며, 특히 예를 들어, 금속 재료의 용접, 브레이징 및 절단과 같은 산업 프로세스에 사용 가능한 유형의 레이저 소스에 관한 것이다.

과거에는 많은 종류의 레이저 소스가 개발되어 현재 상업적으로 이용 가능하며 산업 프로세스 분야, 특히 금속 재료 처리 분야의 다양한 요구 사항을 충족하도록 구성되어 있다. 일반적으로 처리의 상이한 유형(예컨대, 금속 재료의 용접, 브레이징 및 절단), 처리시의 상이한 정밀도 및 처리되는 재료의 상이한 특성(예를 들어, 용접 또는 절단될 금속 시트의 상이한 두께 값)은 최적의 결과를 보장하기 위해 레이저 빔의 다양한 특성을 필요로 한다. 이러한 프로세스 중 일부의 경우 레이저 빔의 "품질" 수준은 낮을 수 있지만 다른 용례에서는 빔 품질이 높아야 한다.

본 설명 및 후속 청구범위에서 레이저 빔의 "품질"은 매우 작은 스폿에 레이저 빔을 집광하여 해당 스폿 상에 높은 출력 밀도를 얻는 능력을 의미한다. 이와 같이 정의된 레이저 빔의 품질은 파라미터 BPP("Beam Parameter Product")의 값으로 일반적으로 표현되며, 이는 밀리라디안 당 밀리미터(mm.mrad)로 측정되고, 레이저 빔 발산 반각과 그 가장 좁은 지점(빔 웨이스트)에서의 빔 직경의 곱에 대응한다. BPP의 값이 감소하면 레이저 빔의 품질이 향상된다. 그러므로 다양한 산업 용례에서 BPP 값이 매우 다른 레이저 빔을 사용하는 것이 필요할 수 있다. 유사하게, 레이저 빔의 출력 또한 특정 용례에 따라 변할 수 있다.

많은 공지된 유형의 레이저 소스에서, 레이저 빔의 품질과 출력을 - 매우 제한된 범위로 - 변화시킬 수 있지만, 이들 특성을 현저히 변경하는 어떠한 가능성도 존재하지 않는다. 이러한 이유로 현재에는 상이한 산업 작업을 수행하기 위해 상이한 레이저 소스를 제공해야 하는 경우가 빈번하다.

그러므로, 수행될 산업 작업의 특성 및/또는 처리될 재료의 특성에 따라 쉽게 적응될 수 있는 단일의 "만능적(universal)" 유형의 레이저 소스를 제공하는 것이 바람직하다.

이미 개발되어 상업적으로 이용 가능한 다양한 유형의 레이저 소스 중에서, 다이오드 레이저 소스 및 활성 광섬유를 구비한 레이저 소스를 특히 주목해야 한다. 후자는 유도 방출 원리(stimulated emission principle)를 이용하여 광 빔을 증폭하는 능력을 가진 "활성" 물질(일반적으로 희토류 물질)이 분산된 광섬유를 포함한다. 일반적으로 활성 광섬유는 다이오드 레이저 소스에 의해 생성된 레이저 빔으로 "펌핑"된다. 활성 광섬유 레이저 소스는 일반적으로 다이오드 소스에 비해 높은 빔 품질을 생성하지만, 동시에 광섬유 내에서의 분산으로 인한 출력 손실을 발생시킨다.

문헌 US 2014/0177038의 도 3은 2개의 광섬유 사이에서 레이저 빔을 절환할 수 있도록 섬유-통합 광 빔 스위치가 있는 이중 휘도의 레이저 장치를 개시하며, 2개의 광섬유 중 하나는 제1 출구에 연결되고, 다른 하나는 더 높은 휘도를 갖는 진동을 섬유 출구에 공급하는 이테르븀 섬유 오실레이터에 연결된다.

본 발명의 목적은 상이한 특성을 갖는 레이저 빔을 선택적으로 생성할 수 있는 레이저 소스를 생성함으로써 매우 다양한 산업 용례에 사용될 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단순하고 기능적인 구조를 갖는 레이저 소스로 상기 목적을 달성하는 것이다.

또 다른 목적은 방출된 레이저 빔의 상이한 출력 및 품질을 갖는 2개의 상이한 출구들 사이에서 절환 가능한 레이저 소스를 제공하는 것이며, 더 높은 출력을 갖는 출구는 또한 양호한 빔 품질을 갖는다.

또 다른 목적은 전술한 유형의 하나 이상의 레이저 소스를 유리하게 효율적으로 이용함으로써 복수의 레이저 처리 장치 또는 레이저 처리 셀 또는 레이저 처리 스테이션을 갖는 플랜트를 제조하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 레이저 소스에 관한 것이다. 본 발명에 따른 소스는 복수의 레이저 빔을 생성하기 위한 복수의 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 빔 생성 유닛을 포함한다. 소스는 또한 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔으로 펌핑되고 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔에 관해 더 높은 빔 품질 및 더 낮은 출력 값을 갖는 출사 레이저 빔을 방출하도록 구성된 복수의 증폭기 모듈을 포함하는 광 증폭 유닛을 포함한다. 상기 생성 유닛과 상기 광 증폭 유닛 사이에는 상기 다이오드에 의해 방출된 레이저 빔의 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛이 삽입된다. 상기 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛은 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔들을 수광하기 위한 복수의 입구, 상기 레이저 빔으로부터 생성된 단일 레이저 빔을 상기 레이저 소스의 제1 출구를 향해 포워딩하는 제1 광학 라인, 및 상기 다이오드들에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 상기 광 증폭 유닛들의 상기 증폭기 모듈을 향해 포워딩하는 복수의 제2 광학 라인을 포함한다. 증폭기 모듈은 그 각각의 출구가 광학 라인에 연결되며, 이 광학 라인들은 모두 상기 레이저 소스의 제2 출구로 수렴한다. 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛은 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 상기 제1 광학 라인 또는 상기 제2 광학 라인을 향해 선택적으로 지향시키기 위한 광 경로 선택 장치를 포함한다. 제1 레이저 빔이 상기 제1 광학 라인을 향해 지향되는 경우, 상기 레이저 소스의 상기 제1 출구에서 상대적으로 높은 출력 및 상대적으로 낮은 품질의 단일 레이저 빔이 생성된다. 레이저 빔이 상기 제2 광학 라인을 향해 지향되는 경우, 레이저 빔은 상기 증폭기 모듈을 통해 공급되고, 상기 증폭기 모듈의 출구는 레이저 소스의 상기 제2 출구에 연결되어, 레이저 소스의 상기 제2 출구에서 상대적으로 낮은 출력 및 상대적으로 높은 품질의 단일 레이저 빔의 방출을 생성한다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 다이오드는 서로 다른 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하도록 구성된다. 전술한 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛의 전술한 선택기 장치는 상기 레이저 빔을 상기 제2 광학 라인을 향해 포워딩하는 제1 작동 위치와 상이한 파장을 갖는 상기 레이저 빔이, 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔이 적어도 부분적으로 서로 중첩되는 상태로, 단일 빔으로 수렴되도록 하는 제2 작동 위치를 갖는다.

이러한 특성으로 인해, 본 발명에 따른 레이저 빔은 높은 빔 품질 및 상대적으로 낮은 출력을 갖는 제1 출구와, 높은 출력 및 낮은 품질을 갖는 제2 출구 사이에서 절환 가능하다. 그러나, 상이한 파장의 레이저 빔을 단일 빔으로 수렴시켜 이들이 서로 적어도 부분적으로 중첩되도록 하는 가능성 때문에, 더 높은 출력의 출구에서의 빔 품질도 상대적으로 높다.

바람직한 실시예에서, 상기 선택기 장치는 일련의 거울을 포함하고, 이 일련의 거울은 상기 제1 광학 라인의 방향을 따라 정렬되고 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 차단하는 제1 위치와, 레이저 빔이 상기 제2 광학 라인을 향해 그리고 상기 증폭기 모듈을 향해 진행할 수 있도록 상기 거울이 상기 레이저 빔을 차단하지 않는 제2 위치 사이에서 공동으로 이동 가능하다. 이 실시예에서, 전술한 제1 차단 위치에서, 상기 거울들 중의 제1 거울은 상기 레이저 빔 중 하나를 상기 제1 광학 라인의 방향으로 그리고 다른 거울을 통해 반사시키며, 나머지 거울 각각은 각각의 다이오드에 의해 방출되고 각각의 파장을 갖는 레이저 빔을 반사시키고, 대신, 상기 일련의 거울 중 다른 거울에 의해 그를 통해 지향된 다른 파장을 갖는 레이저 빔에 투과성이 되도록 배열된다. 따라서, 제1 거울에 후속하는 상기 거울 각각은 각각의 레이저 빔의 파장에 대해서만 반사성이다.

대안 실시예에서, 상기 선택기 장치는 회절 격자를 포함하고, 회절 격자는 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔이 그를 향해 수렴되도록 하는 제1 위치와 상기 회절 격자가 상기 레이저 빔을 차단하지 않아서 이들이 그후 상기 제2 광학 라인 및 상기 증폭기 모듈을 향해 진행될 수 있는 제2 위치 사이에서 이동 가능하다. 이 실시예에서, 회절 격자의 전술한 제1 차단 위치에서, 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 레이저 빔은 상기 제1 광학 라인의 방향으로 회절된다.

명백한 바와 같이, 본 발명은, 특정 관련 용례에 따라 서로 다른 출력 및 품질을 갖는 레이저 빔을 방출하도록 선택적으로 활성화되는, 서로 구별되는 제1 출구 및 제2 출구를 갖는 단일 레이저 소스를 이용 가능하게 한다.

따라서, 예를 들어, 산업 플랜트 내의 처리 셀에, 해당 셀에서 동일한 처리 사이클 내에서 상이한 특성의 처리를 수행할 수 있는 단일 레이저 소스를 장비하는 것 및/또는 레이저 소스를 대체할 필요가 없이 새로운 처리 사이클의 미래의 도입- 동일한 셀 내에 -이 가능해지게 하는 것이 가능하며 및/또는 또한 예를 들어, 동일한 레이저 소스를 사용하여 동일 처리 셀 내에서 상이한 유형의 처리를 수행하는 것 및 상이한 처리 셀에서 그리고 제1 처리 셀 내의 전용 소스 및 다른 처리 셀 내의 백업 소스로서 작용하여 상이한 프로세스를 수행하는 것 양자 모두가 가능하다.

광 경로의 선택기 거울의 이동은 임의의 공지된 유형의, 바람직하게는 전기적으로 작동되는 액추에이터 장치에 의해 제어된다.

본 발명의 추가적인 특성 및 이점은 순수히 비제한적인 예로서 제공되는 첨부 도면을 참조하는 하기의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 2개의 출구를 갖는 레이저 소스의 실시예의 도면이며, 이는 이미 2014년 9월 26일자의 이탈리아 특허 출원 10 2014 902 296 586의 내용이므로 본 발명의 일부가 아니다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 도면의 일부 구성요소를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 2개의 출구를 갖는 레이저 소스의 실시예의 도면을 도시한다.
도 6은 도 5의 상세도를 도시한다.
도 7은 도 6의 변형을 도시한다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 하나 이상의 레이저 소스를 사용하는 2개의 산업 플랜트의 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 참조 번호 1은 특히 금속 재료에 대한 산업 프로세스에 사용하기 위한 레이저 소스를- 그 전체로 - 나타내며, 이는 이미 동일 출원인에 의해 출원되고 본 출원의 출원일 시점에 아직 공개되지 않은, 2014년 9월 26일자 이탈리아 특허 출원 10 2014 902 296 586의 내용이다. 본 발명의 레이저 소스뿐만 아니라 도 1의 레이저 소스는 예를 들어, 레이저 용접 작업, 레이저 브레이징 작업 및/또는 레이저 절단 작업과 같은 다양한 유형의 작업이 수행되는 산업 셀에서 사용될 수 있다.

여기에 설명된 실시예의 일부를 형성하는 많은 구성요소는 독립적으로 고려되는 이들 각각이 임의의 공지된 방식으로 제조될 수 있기 때문에 첨부 도면에 단지 개략적으로 도시된다. 도면에서 구조 세부 사항을 제거하는 것은 또한 도면이 더 간단하고 이해하기 쉬워지게 한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 레이저 소스(1)는 참조 번호 2로- 그 전체가 - 표시된 레이저 빔 생성 유닛을 포함한다. 생성 유닛(2)은 임의의 공지된 방식으로 제조된 복수의 다이오드 레이저 소스(20)를 포함한다. 다이오드 레이저 소스(20)로부터 오는 레이저 광은 광섬유(21)로 전달되며, 이 광섬유(21)는 광섬유(3)에 출구가 연결된, 역시 공지된 유형의 광섬유 결합기(22)로 수렴된다.

일 실시예의 구체적인 예에서, 생성 유닛(2)은 6kW 정도의 출력 및 50 mm.mrad의 범위의 BPP에 대응하는 빔 품질을 갖는 제1 레이저 빔을 광섬유(3)에서 생성할 수 있다.

물론, 도 1에 개략적으로 도시되고 또한 도 3에서 확대하여 볼 수 있는 생성 유닛(2)의 구성은 순전히 예로서 제공되며, 이런 생성 유닛은 다이오드 레이저 소스에 대해 제공된 현재 공지된 아키텍처 중 임의의 것에 따라 구현될 수 있다는 것은 통상의 숙련자에게 명백하다.

생성 유닛(2)의 하류 측에서, 본 발명에 따른 레이저 소스(1)는 레이저 빔의 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)을 포함한다. 마찬가지로 도 2를 참조하면, 유닛(4)은 생성 유닛(2)으로부터 오는 광섬유(3)가 연결되는 커넥터(40)로 구성된 입구를 포함한다. 커넥터(40)는 광섬유(3)를 유닛(4)의 입구인 광섬유(41)에 연결한다. 임의의 공지된 유형의 광학 인터페이스(42)는 레이저 빔이 자유롭게 전파되는 유닛(4)의 하우징 내에 제공된 자유 공간(S) 내에서 광섬유(3 및 41)를 통해, 생성 유닛(2)으로부터 오는 레이저 빔을 전송한다.

유닛(4) 내의 공간(S)에는, 광 경로 선택기 장치가 배열되고, 이는 여기에 도시된 예에서는 거울(43)로 구성된다. 도시된 예에서, 거울(43)은 제1 작동 위치(도 1 및 도 2에서 점선으로 도시됨)와 제2 작동 위치(실선으로 도시됨) 사이에서 자체에 평행하게 변위 가능하다.

거울(43)의 제1 작동 위치에서, 거울은 생성 유닛으로부터 오는 레이저 빔을 차단하지 않으므로, 레이저 빔은 - 그 전체가- 참조 번호 44로 표시된 제1 광학 라인의 방향으로 자유롭게 통과할 수 있고, 제1 광학 라인의 끝부분에는 본 발명에 따른 레이저 소스의 제1 출구(U1)(도 1 참조)가 있다. 그 제2 작동 위치에서, 거울(43)은 생성 유닛으로부터 오는 레이저 빔을 차단하고 이를 - 그 전체가 - 참조 번호 45로 지시된 제2 광학 라인의 방향으로 반사시킨다.

역시 이미 전술한 바와 같이, 거울(43)에 대해 여기에 개략적으로 도시된 배열에 대한 대안으로서, 양 위치에서 거울이 생성 유닛에서 오는 레이저 빔을 차단하고 이를 2개의 상이한 광학 라인 방향으로 반사시키는 방식으로 단순히 제1 작동 위치와 제2 작동 위치 사이에서 거울이 진동하게 되는 배열을 제공하는 것이 가능하다.

계속 도 2를 참조하면, 참조 번호 46은 임의의 공지된 유형의 액추에이터를 나타내며, 이는 바람직하게는 전기적으로 제어되고, 그 2개의 작동 위치 사이에서 거울(43)의 이동을 제어하도록 구성된다. 거울(43)이 방향 S0에 따라 생성 유닛으로부터 오는 레이저 빔을 차단하지 않는 제1 작동 위치(점선으로 도시됨)에 있을 때, 이 빔은 레이저 빔이 광섬유(48)에서 그를 통해 전달되는 광학 인터페이스(47) 내로 진입할 때까지 방향 S1에 따라 자유 공간 S에서 계속된다(방향(S0)의 연장을 구성한다). 광섬유(48)는 커넥터(49)에서 종결되고, 커넥터를 통해 광섬유는 본 발명에 따른 레이저 소스(1)의 제1 출구(U1)를 구성하는 커넥터(482)(도 1 참조)가 끝에 있는 다른 광섬유(481)에 연결된다.

계속 도 2를 참조하면, 거울(43)이 그 제2 작동 위치(실선으로 도시됨)에 있을 때, 방향(S0)에 따라 생성 유닛으로부터 오는 레이저 빔은 거울(43)에 충돌하고 결과적으로 제2 광학 라인(45)의 방향으로 방향 S2에 따라 반사된다.

순수히 예로서 여기서 예시된 특정 실시예의 경우에, 제2 광학 라인(45)은 방향 S2로부터 오는 레이저 빔을 방향 S3으로 반사하는 고정 거울(451)을 포함한다. 방향 S3을 따라 진행하는 레이저 빔은 복수의 고정 반-반사 거울(452) 및 전반사 고정 최종 거울(453)과 - 연이어 - 만난다. 반-반사 거울(452)은 그에 충돌하는 레이저 빔이 방향 S4을 따라 부분적으로 반사되고 부분적으로 거울을 넘어 방향 S3에 따라 계속되는 방식으로 성형된다. 최종 거울(453)은 모든 반-반사 거울(452)을 통과한 광의 부분을 반사시킨다. 방향 S4에 따라 반사된 빔 부분은 유닛(4)으로부터의 복수의 출사 광섬유(5) 내의 각각의 광학 인터페이스(454)에 의해 전달된다.

계속 도 1을 참조하면, 광섬유(5)는 광 증폭 유닛(6)의 복수의 증폭기 모듈(60)의 입구로 레이저 광을 전도한다. 각각의 증폭기 모듈(60)은 그 자체가 공지된 유형인 도 4에 도시된 유형의 구성을 가지며, 활성 물질 입자가 분산된(도시된 특정 경우에 이테르븀) "활성" 광섬유(61)를 포함하고, 이는 유도 방출 원리를 이용하여 입사 레이저 빔을 증폭시키는 능력을 가지고 있다. 여전히 종래 기술에 따르면, 활성 광섬유(61)는 각각의 모듈(60)의 입구와 출구에 배열되고 입구 광섬유(5)와 출구 광섬유(64)에 각각 연결되는 2개의 브래그 격자(62, 63) 사이에서 연장한다. 광섬유(64)는 광섬유 결합기(65)로 수렴하고, 광섬유 결합기는 그 출구가 광섬유(66), 커넥터(67) 및 추가 광섬유(68)(도 1 참조)를 통해 본 발명에 따른 레이저 소스(1)의 제2 출구(U2)를 구성하는 커넥터(69)에 연결된다.

증폭기 모듈(60)의 활성 광섬유(61)는 레이저 소스(4)로부터 오고 다이오드(20)로부터 유도된 레이저 광으로 광학적으로 펌핑되고, 제1 U1 출구에서 사용할 수 있는 레이저 빔에 관하여 상이한 특성을 갖는 제2 출구(U2)에서의 레이저 빔을 발생시킨다. 특히, 활성 섬유(61)를 통과하는 것은 출력 손실(예를 들어, 약 30 % 정도)을 수반하지만, 매우 작은 스폿에 집광되는 빔의 능력으로 정의되는 빔 품질을 증가시킨다. 실시예의 구체적인 예에서, 출구(U2)에서 이용 가능한 레이저 빔은 4 kW의 출력 및 3 mm.mrad 정도의 BPP를 갖는다.

이미 상술한 바와 같이, 상기 설명 및 첨부 도면에서, 예시된 구성요소의 구성 세부 사항은 제공되어 있지 않으며, 그 이유는 이들이 임의의 공지된 방식으로 이루어질 수 있고 도면으로부터의 제거하는 것이 도면을 더 간단하고 이해하기 쉽게 하기 때문이다.

다른 종래 기술에 따르면, 모든 레이저 소스 기능은 임의의 공지된 유형의 인간-기계 인터페이스와 관련된 전자 제어 유닛(도 1 내지 도 4에 도시되지 않음)에 의해 제어된다.

첨부 도면의 도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 레이저 소스의 실시예의 예를 도시한다. 이 도면에서, 도 1 내지 도 4의 것들에 공통되거나 대응하는 부분은 동일한 참조 번호로 표시된다.

도 1 내지 도 4의 해결책과 비교된 본 발명의 제1 중요한 차이점은, 이 경우, 생성 유닛(2)이 상이한 파장의 레이저 빔을 생성할 수 있는 복수의 다이오드 레이저 소스를 포함한다는 사실에 있다. 순수히 예시로서, 도 5는 2개의 다이오드 레이저 소스(201, 202)로 구성된 유닛(2)을 도시하지만, 임의의 수의 다이오드 레이저 소스가 있을 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 구체적인 예에서, 소스(201, 202)는 각각 920 nm 및 950 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 방출한다. 이러한 파장을 가진 다이오드 레이저 소스는 쉽게 상업적으로 이용 가능하다. 그러나, 상이한 파장, 특히 975 nm의 영역에서의 파장과 같은 증폭기 모듈(60)의 최적 작동을 위한 최적화된 파장을 채택하는 것을 배제하지 않는다.

다이오드 레이저 소스(201, 202)의 출구는 광섬유(31)에 의해 유닛(2)의 출구를 구성하는 임의의 공지된 유형의 광 커넥터(22)에 연결된다. 커넥터(22)는 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)의 입구를 구성하는 2개의 광학 인터페이스(40)에 각각의 광섬유(32)를 통해 연결되고, 이를 통해 소스(201, 202)로부터 오는 레이저 빔이 유닛(4) 내의 자유 공간에서 전파된다.

도 5 및 도 6에 도시된 예에서, 선택기 장치(43)는 다이오드 레이저 소스의 수와 동일한 수의 거울을 포함하고, 특정 경우에, 광학 인터페이스(40)로부터의 출사 레이저 빔의 방향 S0에 직교하는 방향 S1으로 정렬된 2개의 거울(431, 432)을 포함한다. 거울(431, 432)은 다이오드(201, 202)로부터 오는 레이저 빔의 차단 위치와 이 레이저 빔이 차단되지 않는 위치 사이에서 S1 방향으로 공동으로 이동 가능하다. 보다 명확하게 하기 위해, 도면은 바람직하게는 전기적으로 작동되는 임의의 공지된 유형일 수 있는 거울의 지지 구조 또는 그의 이동의 액추에이터 장치를 도시하지 않는다.

제1 거울(431)은 다이오드(201)의 파장을 갖는 레이저 빔을 위한 전반사 거울이다. 그 후, 선택기 장치(43)가 전술한 차단 위치에 있을 때 다이오드(201)로부터 오는 레이저 빔을 반사한다. 거울(432)은 다이오드(202)의 파장을 갖는 레이저 빔에 대한 전반사 거울이고 상이한 파장을 갖는 레이저 빔을 투과시킨다. 따라서, 선택기 장치(43)가 전술한 차단 위치에 있을 때, 거울(432)은 다이오드(202)로부터 오는 레이저 빔을 반사하는 반면, 거울(431)에 의해 반사된 레이저 빔은 거울(432)을 가로지른다. 상이한 파장을 갖는, 방향 S1으로 반사된 2개의 레이저 빔은 적어도 부분적으로 중첩되는 위치에서 단일 레이저 빔으로 그후 결합된다. 이 단일 레이저 빔은 레이저 소스(1)의 제1 출구(U1)에 연결된 광학 라인(44)의 광학 인터페이스(49)에 도달할 때까지 유닛(4) 내의 자유 공간에서 전파한다. 광학 인터페이스(49)는 광섬유(481)를 통해 광 커넥터(482)로 구성된 출구(U1)에 연결된다. 상이한 파장을 갖는 레이저 빔의 적어도 부분적인 중첩에 의해 구성된 단일 레이저 빔을 제1 출구(U1)에서 얻을 수 있는 가능성은 이 레이저 빔의 BPP를 감소시키거나 오히려 품질을 증가시키는 것을 가능하게 한다.

물론, 2개보다 많은 다이오드가 제공되는 경우, 장치(43)의 거울은 동일한 수로 제공되고 각각의 다이오드의 파장을 갖는 레이저 빔을 전반사하도록 각각 구성된다. 또한, 시리즈의 제1 거울 이외의 모든 다른 거울은 이 거울이 반사하는 파장과 다른 파장을 갖는 레이저 빔을 투과할 수 있어야 한다.

선택기 장치(43)가 다이오드(201, 202)의 레이저 빔이 차단되지 않는 위치에 있을 때, 이 레이저 빔은 유닛(4)의 출구에서 광학 인터페이스(454)에 도달할 때까지 방향 S4로 공간 내에서 전파한다. 광학 인터페이스는 레이저 소스의 제2 출구(U2)에 연결된 각각의 광학 라인(45)에 속한다. 광학 인터페이스(454)는 광섬유(5)에 의해 증폭기 모듈(60)에 연결된다. 증폭기 모듈(60)은 임의의 공지된 유형의 광 결합기(65)에서 수렴하는 광섬유(64)에 연결된 출구를 갖는다. 결합기(65)는 광섬유(66)를 통해 레이저 소스(1)의 출구(U2)를 구성하는 광 커넥터(69)에 연결된다.

도 6은 도 5의 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)을 다이오드(201, 201), 증폭 유닛(6) 및 레이저 소스(1)의 2개의 출구(U1, U2)와 함께 개략적으로 확대하여 도시한다.

도 7은 선택기 장치(43)가 회절 격자(430)를 포함하는 변형예를 도시하며, 회절 격자는 상이한 파장을 갖는 3개의 다이오드(201, 202, 203)의 레이저 빔이 그를 향해 수렴되도록 하는 제1 위치(도면에 도시됨)와 상기 회절 격자(430)가 상기 레이저 빔을 차단하지 않고 따라서, 레이저 빔이 증폭 유닛(6)의 3개의 입구(454)로 그리고 여기에서 레이저 소스의 출구(U2)로 진행할 수 있는 제2 위치 사이에서 이동 가능하다. 그 차단 위치에서, 회절 격자는 레이저 소스의 제1 출구(U1)에 연결된 광학 인터페이스(49)의 방향으로 레이저 빔의 회절을 일으킨다.

도 8은 이미 위에 인용된 본 출원인의 이전 출원의 대상인, 산업 플랜트의 예를 개략적으로 도시한다. 그러나, 이 플랜트는 본 발명에 따른 레이저 소스와도 함께 사용될 수 있다. 도시된 예는 복수의 레이저 처리 셀 또는 스테이션(R1, R2, R3, R4)을 포함하는 자동차 생산 플랜트의 경우에 관한 것이다. 예를 들어, 플랜트는 레이저 브레이징 작업이 수행되는 스테이션(R1)(전형적 경우는 지붕을 자동차 본체에 연결하는 것), 구성요소에 대한 레이저 용접 작업이 수행되는 스테이션(R2)(예를 들어, 자동차 도어의 구조), 예를 들어 자동차 본체의 벽에 개구를 형성하기 위해, 레이저 절단의 작업이 수행되는 스테이션(R3), 및 원격의 레이저 용접 작업이 수행되는, 즉, 레이저 토치가 용접 영역으로부터 이격되어 유지되는, 스테이션(R4)을 포함한다.

각 처리 스테이션에는 레이저 빔을 이용하는 처리 기기가 제공된다. 예를 들어, 기기는 광섬유에 의해 레이저 소스에 연결된 레이저 토치를 각각 구비하는 하나 이상의 다축 조작기 로봇을 포함할 수 있다. 역시, 예로서, 전자 제어 유닛(E1, E2, E3, E4)이 각각의 셀 또는 스테이션과 관련된다. 전자 감시 유닛(E)이 전자 유닛(E1, E2, E3, E4)과 통신한다.

브레이징, 용접, 절단 및 원격 용접 프로세스는 증가된 품질의 레이저 빔의 사용을 수반한다(브레이징 및 용접에는 더 낮은 품질이 요구되는 반면, 절단 및 원격 용접에는 더 높은 품질이 필요하다).

도 8의 플랜트에서, 임의의 공지된 유형의 광학 분배기(D1, D2)에 의해 광섬유(f1, f2, f3, f4)에 2개의 출구(U1, U2)가 연결되어 있는, 전술한 본 발명에 따른 레이저 소스가 도시되어 있으며, 이 광섬유(f1, f2, f3, f4)는 각각의 처리 스테이션 또는 셀에 배열된 기기에 각각의 레이저 빔을 공급한다.

레이저 소스(1)의 선택기 장치(43)의 전자 제어 유닛(ES)은 감시기(E)로부터 오는 신호에 기초하여 소스(1)의 출구(U1) 또는 출구(U2)를 활성화하여 셀 R1, R2 또는 셀 R3, R4에서 처리를 수행한다.

보다 유리하게는, 예를 들어, 본 발명에 따른 2개의 소스(1)가 제공될 수 있으며, 하나는 하나 이상의 셀(R1, R2)에 전용되고 다른 하나는 하나 이상의 셀(R3, R4)에 전용된다. 이 해결책은 도 9에 개략적으로 도시되어 있는데, 여기서 본 발명에 따른 2개의 소스(1)는 각각 교차 방식으로 하나가 셀(R1)에 연결되고 다른 하나가 셀(R4)에 연결된 그 2개의 출구(U1, U2)를 갖는다. 각 셀에 들어오는 광섬유는 3 방향 커넥터(C1, C2)에 의해 2개의 상이한 소스에서 오는 2개의 광섬유에 연결된다. 도 9의 플랜트는 출원인에 의한 이전 출원에서 이미 예시되었지만, 본 발명에 따른 레이저 소스와 함께 사용될 수도 있으므로 여기서 다시 설명된다.

감시기(E)는 통상적으로 좌측의 레이저 소스의 출구(U1)가 셀(R1)에 공급하도록 활성화되고 다른 소스(1)는 셀(R4)에 더 높은 품질의 레이저 빔을 공급하도록 활성화된 출구(U2)를 갖는 방식으로 소스의 전자 유닛(ES)을 제어한다. 그러나 하나의 소스에 장애가 발생하는 경우, 각 선택기를 절환한 후 다른 소스가 일시적으로 소스에 장애가 있는 셀에 공급하도록 사용될 수 있다. 이는 예를 들어, 셀 R4의 소스의 장애로 셀 R1의 처리가 중단되고 R1의 소스를 R4의 백업 소스로 사용하는 것이 필요할 때 유용할 수 있다.

도시된 도면은 단지 예일 뿐이며, 특정 용례의 요구 사항에 따라 셀 및 상대적인 레이저 소스의 구성 및 배치가 임의로 변경될 수 있음은 자명하다.

본 발명에 따른 소스는 동일한 셀 내에 상이한 레이저 처리를 수행하기 위해, 동일한 셀 내에 제공된 상이한 레이저 장치에 상이한 특성의 레이저 빔을 공급하도록 단일 처리 셀과 관련될 수도 있다.

물론, 본 발명의 원리를 침해하지 않고, 구성의 세부 사항 및 실시예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 순수히 예시적으로 설명되고 도시된 것들에 관해 광범위하게 변화될 수 있다.

Claims (11)

1. 특히 산업 프로세스에서 사용하기 위한 레이저 소스이며,
   - 복수의 레이저 빔을 생성하는 복수의 레이저 다이오드(201, 202)를 포함하는 레이저 빔 생성 유닛(2),
   - 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔으로 펌핑되고 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔에 관하여 더 높은 빔 품질 및 더 낮은 출력 값을 갖는 레이저 빔을 방출하도록 구성된 복수의 증폭기 모듈(60)을 포함하는 광 증폭 유닛(6),
   - 상기 생성 유닛(2)과 상기 광 증폭 유닛(6) 사이에 삽입되고, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔을 스위칭하고 어드레싱하는 레이저 빔 스위칭 및 어드레싱 광학 유닛(4)을 포함하고, 상기 스위칭 및 어드레싱 광학 유닛(4)은,
   - 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 수광하기 위한 복수의 입구(40),
   - 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔으로부터 얻어지는 단일 레이저 빔을 상기 레이저 소스(1)의 제1 출구(U1)를 향해 포워딩하기 위한 제1 광학 라인(44),
   - 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔을 상기 광 증폭 유닛(6)의 상기 증폭기 모듈(60)을 향해 포워딩하기 위한 복수의 제2 광학 라인(45)으로서, 상기 증폭기 모듈(60)은, 상기 레이저 소스(1)의 제2 출구(U2)를 향해 모두 수렴하는 광학 라인(64)에 연결된 각각의 출구를 가지는, 복수의 제2 광학 라인(45), 및
   - 광 경로 선택기 장치(43)로서, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 선택적으로:
   - 상기 레이저 소스(1)의 상기 제1 출구(U1)에서 상대적으로 높은 출력 및 상대적으로 낮은 품질을 갖는 단일 레이저 빔의 방출을 생성하도록, 상기 제1 광학 라인(44)을 향해,
   또는
   - 레이저 소스(1)의 상기 제2 출구(U2)에서 상대적으로 낮은 출력 및 상대적으로 높은 품질을 갖는 단일 레이저 빔의 방출을 생성하도록, 상기 제2 광학 라인(45)을 향해 그리고 상기 증폭기 모듈(60)을 통해, 레이저 소스(1)의 상기 제2 출구(U2)까지 지향시키는, 광 경로 선택기 장치를 포함하고,
   상기 다이오드(201, 202)는 또한 서로 다른 파장을 갖는 레이저 빔을 방출하도록 구성되며,
   상기 선택기 장치(43)는 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔을 상기 제2 광학 라인(45)을 향해 포워딩하는 제1 작동 위치와, 상기 다이오드(201, 202)로부터 방출된 레이저 빔이, 상기 다이오드에 의해 방출된 상기 빔이 적어도 부분적으로 서로 중첩하는 상태로, 단일 빔으로 수렴하는 제2 작동 위치를 갖는, 레이저 소스.
2. 제1항에 있어서, 상기 선택기 장치(43)는 일련의 거울(431, 432)을 포함하고, 상기 일련의 거울은 상기 제1 광학 라인(44)의 방향을 따라 정렬되고, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 차단하는 제1 위치와, 상기 레이저 빔이 상기 제2 광학 라인(45)을 향해 그리고 상기 증폭기 모듈(60)을 향해 진행할 수 있도록, 상기 거울이 상기 레이저 빔을 차단하지 않는 제2 위치 사이에서 공동으로 이동할 수 있고,
   상기 제1 차단 위치에서, 상기 거울 중 제1 거울(431)은 상기 제1 광학 라인(44)의 방향으로 그리고 다른 거울(432)을 통해 상기 레이저 빔 중 하나를 반사시키며, 각각의 나머지 거울(432)은 각각의 다이오드에 의해 방출되고 각각의 파장을 갖는 레이저 빔을 반사시키고, 대신, 상기 일련의 거울 중 다른 거울(431)에 의해 그를 통해 지향되는 다른 파장을 갖는 레이저 빔을 투과시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
3. 제1항에 있어서, 상기 선택기 장치(43)는 회절 격자를 포함하고, 상기 회절 격자는 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 레이저 빔이 수렴되도록 하는 제1 위치와, 상기 레이저 빔이 상기 제2 광학 라인(45)을 향해 그리고 상기 증폭기 모듈(60)을 향해 진행할 수 있도록, 상기 회절 격자가 상기 레이저 빔을 차단하지 않는 제2 위치 사이에서 이동 가능하고,
   상기 제1 차단 위치에서 상기 레이저 빔은 상기 제1 광학 라인(44)의 방향으로 회절되는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
4. 제1항에 있어서, 상기 증폭기 모듈(60) 각각은 상기 모듈(60)에 진입하는 레이저 빔을 증폭하도록 구성된 활성 물질을 포함하는 적어도 하나의 활성 광섬유(61)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
5. 제1항에 있어서, 상기 다이오드(201, 202)는 각각의 입구 광섬유(32)에 의해 상기 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)의 각각의 입구(40)에 연결된 출구(22)를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
6. 제5항에 있어서, 상기 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)은 상기 광 경로 선택기 장치(43)가 삽입되는, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 전파시키기 위한 자유 공간(S)을 포함하며, 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)의 상기 입구(40)는 상기 다이오드(201, 202)로부터 각각의 레이저 빔을 수광하고 이들을 상기 광 경로 선택기 장치(43)가 내부에 배열되는 상기 자유 공간(S) 내로 전송하는 광학 인터페이스로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)은 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔으로부터 얻어지는 상기 단일 레이저 빔을 수광하고 이를 레이저 소스(1)의 상기 제1 출구(U1)에 연결된 출사 광섬유(481) 내로 지향시키도록 상기 제1 광학 라인(44)을 따라 배열된 출구 광학 인터페이스(49)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 스위칭 및 어드레싱 유닛(4)은 복수의 출구 광학 인터페이스(454)를 포함하며, 상기 복수의 출구 광학 인터페이스는 상기 제2 광학 라인(45)을 따라 배열되어 상기 자유 공간(S)을 통해 전파하는, 상기 다이오드(201, 202)에 의해 방출된 상기 레이저 빔을 수광하고, 이들을 상기 광 증폭 유닛(6)의 상기 증폭기 모듈(60)에 연결된 복수의 출사 광섬유(5)로 지향시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
9. 제8항에 있어서, 상기 증폭기 모듈(60)의 출구는 상기 레이저 소스(1)의 상기 제2 출구(U2)에 연결된 광 결합기 장치(65)로 수렴하는 각각의 광섬유(64)에 연결되는 것을 특징으로 하는, 레이저 소스.
10. 상대적으로 높은 출력과 상대적으로 낮은 품질을 갖는 레이저 빔의 사용을 필요로 하는 적어도 하나의 제1 레이저 처리 장치, 셀 또는 스테이션과, 상대적으로 낮은 출력과 상대적으로 높은 품질을 갖는 레이저 빔의 사용을 필요로 하는 적어도 하나의 제2 레이저 처리 장치, 셀 또는 스테이션을 포함하는 복수의 레이저 처리 장치 또는 레이저 처리 셀 또는 레이저 처리 스테이션을 포함하는 산업 플랜트에 있어서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 레이저 소스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 레이저 소스는 상기 제1 및 제2 레이저 처리 장치, 셀 또는 스테이션에 각각 연결된 출구들을 가지며, 상기 플랜트는 상기 적어도 하나의 레이저 소스의 선택기 장치를 제어하기 위한 전자 제어 유닛을 가지며, 상기 전자 제어 유닛은 상기 레이저 처리 장치, 셀 또는 스테이션을 제어하는 전자 유닛으로부터 오는 신호에 기초하여 레이저 소스의 상기 제1 출구 또는 상기 제2 출구를 활성화하도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는, 산업 플랜트.
11. 처리 셀 또는 스테이션에 제공된 레이저 처리 장비에 레이저 빔을 공급하기 위한 레이저 소스가 각각 구비된 복수의 레이저 처리 셀 또는 스테이션을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 레이저 소스 중 적어도 하나는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 2개의 출구를 갖는 레이저 소스이며, 2개의 출구를 갖는 상기 레이저 소스의 제1 출구는 하나의 전용 셀 또는 스테이션에 연결되고, 상기 방법은 다른 처리 셀 또는 스테이션의 레이저 소스에 장애가 발생했을 때, 2개의 출구를 갖는 상기 레이저 소스의 제2 출구를 상기 다른 처리 셀 또는 스테이션에 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.

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