KR20190008192A - 레이저 체인 정렬 - Google Patents

Abstract

정렬 기준들의 회절 패턴들을 사용하여 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하는 방법이 개시된다. 상기 방법은, 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준을 광학 요소의 상류측에서 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와; 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 상기 제1 정렬 기준 및 상기 광학 요소의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와; 상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준과 상기 광학 요소를 상기 레이저 빔으로 조사하는 단계와; 상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들 및 제2 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와; 상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 향하여 상기 광학 요소의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계를 포함한다.

Description

레이저 체인 정렬

본 발명은 광학 시스템 내의 구성요소들의 정렬 방법에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명의 양태들은 레이저 체인에서 광학 구성요소의 정렬에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법에서의 사용을 위한 정렬 기준에 관한 것이다.

고 에너지, 대구경 레이저는 하나의 증폭기를 통한 다중 통과(multiple pass) 또는 다중 증폭기들에의 통과에 의해 고 에너지까지 증폭된다. 상기 다중 통과 또는 다중 증폭기들은 레이저 빔을 복수의 구성요소에 정렬시킬 필요가 있다. 증폭 과정의 초기 단계에서 상기 빔 정렬에서의 편차(offset)는 각 통과에서 증폭되는 빔 손실 또는 에너지 손실을 초래할 수 있다. 또 다른 가능성으로는 정렬의 오프셋이 원치않는 강도 프로파일 변조를 초래할 수 있고, 이는 증폭되는 경우 광학계 하류측에 파국적인 레이저 유도 손상을 발생시킬 수 있다. 상기 다중 구성요소 및 다중 통과는 상기 다중 통과를 수행하는데 필요한 구성요소들의 체인과 관련하여 "레이저 체인(laser chain)"또는 "증폭기 체인(amplifier chain)"이라는 용어로 귀결된다.

정렬 기준(alignment reference)의 사용은 레이저 체인의 구축과 매일의 정렬 과정을 지원하는 일반적인 실무이다. 대구경 레이저 체인에 대한 종래 기술의 정렬 기준은 광학 시스템의 하류측에 위치된 빔 진단 시스템의 객체 평면에 배치 될 필요가 있는 십자선(crosshair)으로 구성된다. 상기 십자선은 정렬을 점검 또는 모니터링하는데 사용되는 카메라 센서와 상기 카메라 센서의 크기에 따라 빔 크기를 수정하는데 필요한 추가의 렌즈에 일반적으로 의존하는 빔 진단 시스템에 의해 광학 시스템의 하류측에서 모니터링된다. 빔 진단 시스템은 레이저 시스템에 영구적으로 설치되거나 일시적으로 삽입될 수 있다. 대안적으로는, 이미지 중계(image relaying) 제한요소들에 의해 결정되는 빔 경로를 따라 적절한 위치에서 빔의 육안 검사(visual inspection)를 수행할 수 있다. 객체와 이미지 평면의 위치는 전반적인 광학 시스템, 특히 렌즈와 같은 광학장치의 포커싱에 따른다.

2개 이상의 정렬 기준은 대개 레이저 경로가 올바르게 정렬된 경우 정렬 기준의 이미지가 카메라 센서상에서 중첩되도록하는 방법으로 빔 경로를 따라 여러 위치에 배치된다. 만일 레이저 체인이 정렬되지 않은 경우에는 기준 이미지 중첩을 달성하도록 적절한 광학 요소들이 조정된다.

종래 기술의 기준 십자선을 사용하는 단순한 정렬 예가 도 1a~1b에 도시되며, 이는 종래 기술의 십자선 기준의 한계를 강조하기위해 사용된다. 도 1a는 대구경 고에너지 레이저 체인에 사용될 구성을 도시하는데, 즉 조준된 빔이 일련의 광학 구성요소(도시되지 않음)와, 렌즈(L1 및 L2)와 핀홀(P)을 포함하는 공간 필터를 통해 전파되는 경우의 구성이다. 2개의 십자선 정렬 기준(C1 및 C2)이 시스템에 삽입되고, 이들의 이미지는 렌즈(L3 및 L4)와 카메라를 포함하는 빔 진단 시스템을 사용하여 분석된다. 십자선 기준(C1 및 C2)의 위치는 이미지 중계 요구사항에 따라 결정되는데 이는 도 1b에서 알 수 있다. 카메라 센서에서 십자선 기준의 선명한 이미지를 얻기 위해서는 "객체 평면 1"과 "객체 평면 2"라고 표시된 두 위치만이 십자선 기준들의 위치에 적합하다. 도 1의 숫자는 광학 구성요소들 간의 가능한 거리 (㎜)의 일 예로서 제공되며 객체 및 이미지 평면의 이해와 식별을 돕기 위해 표시된다. 도 1의 숫자는 주로 렌즈 공식에서 유래된 기하학적 광학 고려사항에서 얻는다(이러한 공식은 근사화된 상황을 나타낸다). 상기 렌즈 공식은 1/p ＋ 1/q = 1/f이다(여기서, p는 객체 및 렌즈 간의 거리, q는 렌즈 및 이미지 간의 거리, f는 렌즈의 초점 거리이다). 광학적 설계 소프트웨어(예: Zemax)는 광학 시스템에서 이미지 평면과 객체 평면의 정확한 위치를 결정하는 데 도움을 준다. 렌즈의 초점 길이가 바뀌거나 시스템의 설계가 바뀌면, 숫자 또한 바뀌게된다.

상기 예에서 알 수 있듯이, 이러한 시스템의 주요 단점은 정렬 기준들이 배치될 수 있는 가능한 위치와 빔 검사를 수행할 수 있는 위치 둘 다에 대해 강력한 제한이 있다고 점이다. 사실, 정렬 기준들이 진단 시스템의 객체 평면에 배치되지 않으면, 회절 패턴으로 둘러싸인 흐린 이미지가 카메라에 형성되므로 정확한 정렬 프로세스가 방해받는다. 동일한 이유로, 빔 검사가 이미지 평면에서 수행되지 않으면, 상기 기준들의 이미지가 흐려진다. 실제 시스템에서, 객체 평면 및 이미지 평면은 레이저 체인의 배치와 관련된 제약들로 인해 십자선 및 빔 진단 시스템의 배치에 사용할 수 없다. 최근에는 많은 레이저 체인이 빔 강도 프로파일로부터 임의적인 변동을 제거하기 위해 공간 필터에 의존한다는 점도 주목할 가치가 있다. 이 경우, 종래의 정렬 기준을 사용하여 수행된 정렬은 덜 정확해진다. 왜냐면, 공간 필터에 사용된 핀홀에 의해 수행되는 고주파 필터링이 공간 필터의 상류에 위치된 십자선(예컨대, 공간 필터 앞에 위치된 도 1a~1b의 십자선 기준(C1))의 이미지의 흐려짐을 야기하기 때문이다.

"Alignment of the Twenty-Beam Shiva Laser"(Energy and Technology Review, Lawrence Livermore Laboratory, December 1978, Defense Programs, Pages 1-12)에서는 20개 빔선을 갖는 Shiva 레이저에 사용된 정렬 기술을 기술한다. 이 논문은 정렬을 달성하기위해 십자선에 의존하는 과정을 설명하는 것으로 보인다. 도면에 따르면, 십자선은 진단 시스템의 객체 평면(십자선을 사용할 때 이상적인 구성)에 배치될 수 없었고 십자선의 선명한 이미지를 얻을 수 없었던 것으로 보인다. 대신에, 십자선의 흐린 이미지만이 얻어지는데, 이는 정렬 과정의 정확성에서 손실을 초래한다. 따라서, 이 문헌에서는 진단 시스템과 정렬 기준들을 포함하기 위해서는 시스템을 교란해야하므로 레이저 체인 정렬에 십자선을 사용하는 것에는 어려움이 있음을 강조한다.

본 발명은 정렬 기준들(alignment references)의 회절 패턴을 사용하여 하나 이상의 광학 요소에 대하여 레이저 빔을 정렬시키는 것에 관한 것이다. 이러한 정렬은 광학 요소를 이동 및/또는 기울여 레이저 빔 하류측의 위치 및/또는 방향을 조정함으로써 수행될 수 있다. 십자선을 이미징하는 종래 기술의 방법 대신에 회절 패턴을 사용함으로써 정렬 설정 및 처리가 이미지 중계 요구사항들에 의해 더 이상 제한받지 않기 때문에 상당한 장점을 제공한다. 실제로, 이는 정렬 기준들이 배치될 수 있고 육안 검사(visual inspection)를 수행할 수 있는 가능한 위치의 개수의 적절한 증가와, 빔 진단 설계 및 위치 지정에서의 더 많은 유연성을 제공한다. "정렬 기준(alignment reference)"라는 용어는 예를 들어 레티클(reticle, reticule) 격자(graticule)를 의미한다. 이들 기준은 플레이트 내의 윈도우(window) 또는 개구(aperture)로 형성되는 것이 바람직하지만, 투명 플레이트 상에 에칭되거나 표시된 선으로 형성될 수도 있다.

본 발명은 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하는 방법을 제공하며 이 방법은 다음을 포함한다:

- 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들(features)을 갖는 제1 정렬 기준을 상기 광학 요소의 상류측에서 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;

- 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 상기 제1 정렬 기준 및 상기 광학 요소의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;

- 상기 정렬 기준들과 상기 광학 요소를 상기 레이저 빔으로 조사하는 단계와;

- 상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 및 제2 정렬 기준의 상기 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;

- 상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 향하여 상기 광학 요소의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계.

정렬은 레이저 빔과 광학 요소 간에 정렬을 구비함을 가리킨다. 이는 광학 요소들의 광학 축이 레이저 빔의 축과 정렬되도록 하는 동축 정렬일 수 있다. 상기정렬은 광학 요소 또는 레이저 빔의 위치 또는 배향, 즉 이들의 상대 위치를 조정하는 단계에 의해 달성될 수 있다. 광학 요소가 정렬 방향으로 오도록 상대 위치를 조정하는 것은 회절 패턴 또는 상기 조합된 회절 패턴 간의 오정렬의 양 또는 정도를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 정렬 기준, 제2 정렬 기준 또는 이들의 조합된 회절 패턴에 의해 생성된 회절 패턴은 교차형(cross) 또는 "X"와 같은 인식가능한 패턴을 생성하며, 이는 광학 요소를 정렬 방향으로 가져옴에 따라 쉽게 식별될 수 있다. 이는 미세한 정렬 제어를 제공한다. 바람직하게는, 상기 제1 기준 특징부들은 제2 기준 특징부들과 상이하여, 제1 정렬 기준은 제2 정렬 기준과 비교하여 상이한 회절 패턴을 생성할 수 있다. 총 정렬은 상기 기준들의 에지(edge)에서 빔의 클리핑을 최소화함으로써 달성될 수 있다.

정렬을 향하여 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계는 상기 조합된 회절 패턴의 대칭성 또는 중심맞춤(cerntring)을 개선하도록 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 및/또는 제2 정렬 기준의 기준 특징부들은 2개의 직교 평면에서 반사 대칭을 가질 수 있다. 이들 평면은 빔 축과 직각일 수 있다. 상기 평면들은 특정 실시예들에서 수직 및 수평 방향을 포함 할 수 있다. 제1 및/또는 제2 정렬 기준의 기준 특징부들은 직사각형 또는 정방형을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 기준들의 대칭은 임의의 다각형 형태를 취할 수 있다. 그러나, 2개의 직교 방향으로 위치를 조정함으로써 정렬이 일반적으로 달성되기때문에(왜냐면, 이것이 광학 포지셔너(optical positioner)가 일반적으로 작동하는 방식이기 때문에), 제1 및 제2 정렬 기준은 2개의 직교 평면에서 이러한 반사 대칭을 갖는 것이 바람직하다.

제2 정렬 기준의 제2 기준 특징부들은 타겟 윈도우를 포함할 수 있으며, 상기 모니터링하는 단계는 상기 타겟 윈도우의 음영(shadow)에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 상기 타겟 윈도우는 정렬을 평가하는데 도움이 되는 기준 또는 기선형 기능이다.

상기 모니터링 및 조정 단계들은 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하고 상기 조합된 회절 패턴을 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우의 음영 상의 중심을 향하여 가져오도록 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 조합된 회절 패턴은 이것이 2개의 직교 방향으로 대칭성을 갖고 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우의 음영의 중심에 있을 때 광학 요소가 레이저 시스템에서 실질적으로 정렬되어있음을 나타낼 수 있다. 제1 기준 특징부는 레이저 빔에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성하고 제1 타겟 윈도우를 포함할 수 있고, 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우는 제2 타겟 윈도우이다. 상기 기준 특징부들은 선 및 타겟 윈도우와 같은 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 선과 같은 기준 특징부들과, 그리고 또한 타겟 윈도우는 수평 및 수직으로, 또는 그에 대해 45°로 배향될 수 있다.

상기 모니터링하는 단계는 제1 및 제2 타겟 윈도우의 음영들에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 상기 모니터링의 단계는 제1 및 제2 타겟 윈도우의 음영들에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴의 대칭성 및/또는 중심맞춤(centring)을 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 오프셋이 있으면, 회절 패턴에서 패턴의 찌그러짐(squashing)이나 클리핑(clipping) 등의 왜곡이나 비대칭이 보여질 수 있다.

제1 기준 특징부들은 선과 같은 제1 요소 및 제1 타겟 윈도우를 포함할 수 있다. 제1 요소 및 제1 타겟 윈도우 둘 다는 레이저 빔에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성할 수 있다. 제1 요소 및 제1 타겟 윈도우 모두는 광학 시스템의 정렬을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 제2 기준 특징부들은 선과 같은 제2 요소 및 제2 타겟 윈도우를 포함할 수 있다. 제2 요소 및 제2 타겟 윈도우 모두는 레이저 빔에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성할 수 있다. 제2 요소 및 제2 타겟 윈도우 모두는 광학 시스템의 정렬을 모니터링하는데 사용될 수 있다.

십자선을 이미징하는 대신에 회절 패턴을 사용한다는 것은 정렬 기준들이 빔 경로를 따라 거의 모든 위치에 배치될 수 있음을 의미한다. 실제로, 정렬 기준들은 정렬 프로세스를 수행하기 위해 객체 평면에 배치되어 이미지 평면에서 관찰될 필요가 없다. 대신에, 예를 들어 타겟 윈도우(및 선택적으로는 요소)의 상기 조합된 음영 또는 회절 패턴과 관련하여 생성된 회절 패턴의 대칭성 및/또는 중심맞춤(centring)의 분석은 편리한 분석 방법을 제공한다. 타겟 윈도우(및 요소)는 회절 패턴을 비교할 수 있는 적절한 기준을 제공한다.

상기 정렬은 레이저 빔 및 하나 이상의 광학 요소의 정렬이므로, 상기 광학 요소가 빔 축 상에 정확히 중심에 놓일 수 있다.

일부 실시예들에서, 제2 정렬만이 타겟 윈도우를 포함하거나, 또는 제1 정렬 기준이나 제2 정렬 기준은 타겟 윈도우를 포함하지 않는다. 이러한 경우, 단순히 회절 패턴 자체의 정렬, 또는 정렬을 설정하는데 사용되는 카메라나 관찰 장치에 대한 회절 패턴의 정렬이다. 바람직하게는, 제2 정렬은 상기 조합된 회절 패턴을 평가할 타겟을 제공하기위해 타겟 윈도우를 포함한다. 상기 참조 기준들 중의 하나 또는 다른 것이 타겟 윈도우를 포함하지 않으면, 정렬 특징부들은 교차형(cross) 또는 "X"와 같은 선을 포함할 수 있다.

만일 빔이 제2 기준에 심지어 도달하지 못하게되는 큰 오정렬이 있는 경우, 제2 정렬 기준 상에 빔을 가져오기위해 적절한 광학계의 대략적인 조정이 요구된다. 만일 빔이 제2 기준에는 도달하지만 타겟 윈도우들이 서로에 대해 완전히 오프셋되어있는 경우, 타겟 윈도우의 음영 및 요소의 상대적 위치가 오정렬을 평가하고 추가 보정하는데 사용될 수 있다. 타겟 윈도우들의 음영이 중첩되기 시작하면, 타겟 윈도우들의 음영에 의해 둘러싸인 회절 패턴은 정확한 정렬을 달성하도록 광학 요소들의 미세 조정을 수행하는데 사용된다.

제1 및/또는 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우는 제1 및/또는 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우의 중심에 있는 것이 바람직하다. 상기 빔 통과 윈도우는 타겟 윈도우보다 더 큰 윈도우이고 레이저 빔의 교차 치수(cross-dimension)와 동일하거나 약간 큰 크기로 될 수 있다. 이는 정확하게 정렬될 때의 레이저 빔은 차단되는 일이 전혀 없이 빔 통과 창을 통과할 수 있음을 의미한다. 그러나, 대안적인 실시예들에서는 상기 빔 통과 윈도우는 빔보다 더 작게 형성될 수 있지만, 이러한 경우 빔 전력의 손실을 피하도록 바람직하게는 약간만 더 작게 된다.

광학 요소의 상류측에 있는 레이저 빔의 경로에 제1 정렬 기준을 배치하는 단계는 정렬할 레이저 체인의 근접장(near-field)(즉, 레이저 체인의 입력)에 제1 정렬 기준을 배치하고, 상기 근접장을 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우상에 중심맞춤하는 것을 포함할 수 있다. 이는 빔이 빔 통과 윈도우의 에지에 의해 차단되거나 방해받지 않도록 빔을 배치하는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 이는 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우 내에 맞도록 레이저 빔 교차 치수의 중심에 맞출 수 있다. 대안적으로는, 만일 빔 통과 윈도우가 빔보다 작은 경우, 에지 둘레에서 누설되는 빔이 대칭인지를 확인함으로써 근접장 빔이 중심에 있는지 여부를 여전히 결정할 수 있다. 제1 기준 특징부들은 제1 요소를 포함할 수 있다. 제2 기준 특징부들은 제2 요소를 포함할 수 있다. 제1 요소 및 제2 요소는 직선일 수 있다. 바람직하게는, 제1 요소는 레이저 빔의 방향에 대한 제2 요소에 대해 실질적으로 45°오프셋되어 배치될 수 있다. 다른 각도의 오프셋이 사용될 수 있지만, 가장 구별가능한 회절 패턴은 오프셋이 45°인 경우일 수 있다.

상기 모니터링하는 단계는 다음을 포함할 수 있다:

- 제1 및/또는 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우의 음영에 둘러싸인, 회절 효과의 결과로서 형성된 교차형 또는 X와 같은 인식가능한 회절 패턴 특징부의 전체 또는 일부를 식별하는 단계와;

- 상기 인식가능한 회절 패턴 특징부(교차형 또는 X)가 상기 타겟 윈도우의 음영 중심으로부터 오프셋되는지 여부를 평가하는 단계와;

- 상기 인식가능한 회절 패턴 특징부(교차형 또는 X)가 오프셋되어있는 경우, 상기 조정하는 단계에서 상기 인식가능한 회절 패턴 특징부(교차형 또는 X)가 상기 타겟 윈도우의 음영의 중심에 오도록 적절한 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하고, 이로써 상기 광학 요소의 정렬을 증가시키는 단계.

만일 상기 타겟 윈도우들의 음영 내에 둘러싸인 상지 조합된 회절 패턴의 대칭성이 수직으로 오프셋되어있는 경우에는 상기 수평축을 중심으로 상기 광학 요소를 기울여 상기 요소를 정렬시키고, 만일 상기 타겟 윈도우들의 음영 내의 상기 조합된 회절 패턴이 수평으로 오프셋되어있는 경우에는 상기 광학 요소를 수직축을 중심으로 기울여서 상기 요소를 정렬시키고, 만일 상기 타겟 윈도우의 음영 내의 상기 조합된 회절 패턴이 수평 및 수직 둘다로 오프셋되어있는 경우에는 상기 수직축 및 수평축을 중심으로 상기 광학 요소를 기울여서 상기 구성 요소를 정렬시킨다. 만일 광학 요소와 회절 패턴의 모니터링 사이에서 빔의 회전이 발생하는 경우, 요구되는 보정의 오프셋이 명백해질 것이다. 필요한 광학 요소의 이동 방향은 실제 광학계 정렬에 따라 회절 패턴의 이동 방향과 반대일 수 있다.

상기 모니터링하는 단계는 인광 물질이 코팅된 카드나 스크린과 같은 카메라 또는 기타 관찰기(viewer) 상의 상기 조합된 회절 패턴을 감지하는 것을 포함할 수 있다. 상기 모니터링 시스템의 정확한 특성은 광의 파장에 따라 달라질 수 있다.

제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우는 레이저 빔의 교차 치수(cross-dimension)보다 더 크게 될 수 있다. 이는 레이저 빔의 실질적으로 모든 전력이 빔 통과 윈도우를 통해 전송될 수 있음을 의미한다.

레이저 빔 교차 치수는 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우의 치수보다 0.5 내지 3.0 ㎜ 더 작을 수 있다. 이 치수는 여기 기술된 시스템의 지침으로만 제공된다. 물론 다른 치수도 가능하지만 빔의 클리핑이 커지거나 정렬 정밀도가 떨어질 수 있다.

상기 광학 요소는 미러, 렌즈, 핀홀, 홀, 개구, 증폭기, 이득 블록(gain block) 또는 반사/투과 격자일 수 있다. 많은 경우에서 상기 광학 요소는 미러, 이득 블록 또는 반사/투과 격자일 수 있다. 렌즈는 렌즈의 작은 경사에 대해 빔 전파 방향의 작은 변화만을 제공하는 경향이 있다. 상기 광학 요소가 홀이나 핀홀인 경우, 그 전에 렌즈가 있을 수 있으며, 상기 홀이나 핀홀 뒤에 렌즈가 있을 수 있고, 상기 홀이나 핀홀에 광의 초점을 맞춘 다음, 상기 홀이나 핀홀 뒤에 다시 광을 시준한다. 이는 본 개시의 끝 부분에서 보다 상세히 논의된다.

상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계는 타겟 윈도우의 음영의 중심을 통과하는 선을 따라 상기 조합된 회절 패턴의 강도를 측정하고 상기 강도가 대칭인지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

상기 방법은 전체 레이저 체인의 정렬이 달성될 때까지 상기 모니터링하는 단계 및 상기 조정하는 단계를 반복하는 것을 더 포함할 수 있다. 전체 레이저 체인 또는 레이저 시스템의 정렬을 위해, 참조 기준들은 레이저 체인 또는 레이저 시스템에서 광학 요소들의 정확한 위치 및 배향을 확인하도록 빔 경로를 따라 적절히 시프트되어야 한다.

본 발명은 또한 레이저 시스템에서 레이저 빔을 정렬하는 방법을 제공하고, 이는 다음을 포함할 수 있다:

- 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준을 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;

- 상기 레이저 빔으로 상기 제1 정렬 기준을 조사하는 단계와;

- 상기 제1 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들의 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;

- 상기 제1 정렬 기준에 대한 상기 레이저 빔의 정렬을 나타내는 상기 회절 패턴을 향하여 상기 레이저 빔의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계.

이러한 방법은 레이저 빔 또는 시스템을 정렬하는 첫 번째 단계로서 특히 유용할 수 있다. 만일 제1 정렬 기준이 정렬 프로세스 전체에 걸쳐 제 위치에 유지되고 또한 정렬 후에 시스템에서 사용이 가능하도록 유지되는 경우, 이러한 근접장 위치에서 빔의 임의의 편향이나 이동은 모두 용이하게 검출될 수 있다. 이러한 정렬이 없으면, 편차가 눈에 띄지 않을 수 있으며 또는 오정렬의 원인을 검출해내기가 더 어려울 수 있다.

상기 방법은 다음을 더 포함할 수 있다:

- 상기 제1 정렬 기준의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로 내에 광학 요소를 배치하는 단계와;

- 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 상기 광학 요소의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로 내에 배치하는 단계와;

- 상기 정렬 기준들 및 상기 광학 요소를 상기 레이저 빔으로 조사하는 단계와;

- 상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 및 제2 정렬 기준의 상기 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;

- 상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 향하여 상기 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계.

쉽게 알 수 있듯이, 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하는 방법과 관련하여 전술한 단계들이 여기 개시된 초기 단계들 이후에 여기에 적용될 수 있다.

본 발명은 또한 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하기위한 회절 기반 정렬 기준의 시스템을 제공하며, 이는

- 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하기위한 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준과;

- 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하기위한 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 포함할 수 있고,

- 이때, 상기 제2 기준 특징부들은 상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬의 표시를 제공하도록 상기 제1 및 제2 정렬 기준의 상기 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하기위한 적어도 하나의 타겟 윈도우를 포함한다.

제2 정렬 기준은 빔 통과 윈도우를 포함할 수 있으며, 상기 타겟 윈도우는 빔 통과 윈도우 내에 배치된다. 상기 빔 통과 윈도우는 레이저 빔과 비슷한 크기의 윈도우이다. 물론, 레이저 빔은 시스템에서의 여러 위치에서 상이한 치수들로 될 수 있지만, 빔을 중심맞춤(centring)하기위해 빔 중심맞춤 도구로서 상기 빔 통과 윈도우를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 타겟 윈도우는 상기 빔 통과 윈도우 내에서 실질적으로 중심에 위치될 수 있다.

상기 제2 정렬 기준의 기준 특징부들은 타겟 윈도우를 가로지르지 않는 선들을 포함할 수 있다. 이들 선은 직교 선들을 포함할 수 있다.

상기 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우는 제2 타겟 윈도우일 수 있고, 상기 제1 기준 특징부들은 적어도 제1 타겟 윈도우를 포함할 수 있다.

상기 제1 정렬 기준은 빔 통과 윈도우를 포함할 수 있으며, 제1 타겟 윈도우는 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우 내에 배치된다. 제1 타겟 윈도우는 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우 내에서 실질적으로 중심에 위치될 수있다. 제1 정렬 기준의 기준 특징부들은 제1 타겟 윈도우를 가로지르지 않는 선들을 포함할 수 있다. 제1 정렬 기준의 선들은 직교 선들을 포함할 수 있다.

상기 선들은 직선임이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우들은 서로 동일한 형상일 수 있다.

상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우들은 정방형, 직사각형 또는 원형(또는 레이저 체인을 통해 전파하는 빔 공간 프로파일에 가장 적합한 임의의 다른 형상)일 수 있다. 상기 타겟 윈도우는 빔 통과 윈도우와 동일한 형상 일 수 있지만(또는 상이한 형상) 크기는 더 작다.

상기 제1 및 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우는 정방형 또는 직사각형과 같은 비(非)원형일 수 있고, 빔 통과 윈도우가 상기 형상에 의해 정렬될 때, 제1 직교 요소는 제2 직교 요소에 대해 45도만큼 오프셋될 수 있다. 이는 직교 요소 및 타겟 윈도우가 빔 축에 대해 차례로 오프셋될 수 있음을 의미한다.

상기 제1 정렬 기준의 타겟 윈도우는 타겟 윈도우의 에지를 형성하는 경계선에 의해 빔 통과 윈도우로부터 분리될 수 있다. 상기 경계선은 정방형 루프 또는 정방형의 외형 또는 기타 형상일 수 있다. 상기 경계선은 타겟 윈도우가 제1 직교 요소와 교차하지 않도록 상기 제1 직교 요소에 종착할 수 있다.

상기 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우는 타겟 윈도우의 에지를 형성하는 경계선에 의해 빔 통과 윈도우로부터 분리될 수 있다. 상기 경계선은 정방형 루프 또는 정방형의 외형이 될 수 있다. 상기 경계선은 타겟 윈도우가 제2 직교 요소에 의해 교차되지 않도록 상기 제2 직교 요소에 종착할 수 있다.

상기 제1 타겟 윈도우 및 제2 타겟 윈도우는 정방형, 직사각형 또는 원형일 수 있다.

상기 제1 정렬 기준의 경계선은 상기 제2 정렬 기준의 경계선과 동일한 형상을 형성할 수 있다.

상기 제1 및 제2 정렬 기준은 각각 장치를 장착하기위한 제1 부분과, 기준 특징부, 빔 통과 윈도우 및/또는 타겟 윈도우가 형성된 제2 부분을 갖는 플레이트로 구성될 수 있다.

본 발명은 또한 다음을 포함하는 레이저 시스템을 제공한다:

- 전술한 회절 기반 정렬 기준의 시스템과;

- 제1 정렬 기준 장치 및 제2 정렬 기준 장치의 빔 통과 윈도우의 치수보다 크지 않은 교차 치수를 갖는 레이저 빔을 생성하도록 된 레이저.

상기 레이저 빔 교차 치수는 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우의 치수보다 0.5 내지 3.0 ㎜ 더 작을 수 있다. 전술했듯이, 다른 치수 역시 사용될 수 있다.

본 발명은 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하기위한 회절 기반 정렬 기준 시스템을 제공하며, 이는 다음을 포함할 수 있다:

- 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하기위한 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준과;

- 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하기위한 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준.

전술한 바와 다른 특징이 레이저 빔의 적절한 정렬을 제공하기 위해 이들 특징과 함께 포함될 수 있다.

본 발명은 빔 통과 윈도우 및 상기 빔 통과 윈도우를 분할하는 직교 요소를 갖는 정렬 기준을 제공하고, 상기 직교 요소는 상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성하며, 상기 정렬 기준은 상기 빔 통과 윈도우의 중심에 광학 요소의 정렬을 모니터링하기 위한 타겟 윈도우를 구비하고, 이때 상기 직교 요소는 상기 타겟 윈도우를 가로지르지 않는다.

전술한 방법 및 장치는 일반적으로 고출력, 대구경 레이저 시스템과의 사용에 관한 것이다. 그러나, 상기 전술한 방법 및 장치는 회절 효과를 허용하는 조건들이 만족되는 다른 시스템에서도 적용될 수 있다. 가능한 적용예는 다음과 같다:

· 펌프/프로브 분광기(pump/probe spectroscopy)용 레이저 시스템;

· 정렬 텔레스코프(alignment telescope);

· 오토콜리메이터(autocollimators: 정렬 망원경과 비슷하지만, 무한대에 초점을 맞춘다)(이는 또한 세오돌라이트(theodolite)라고도 한다);

· 별 응용 프로그램(star applications)을 안내하는데 사용되는 레이저 정렬;

· 싱크로트론 UV 방사(synchrotron UV radiation)의 정렬.

따라서, 본 발명은 시스템에서 하나 또는 복수의 광학 요소를 정렬하는 방법을 제공하며, 이는 다음을 포함할 수 있다:

- 제1 정렬 기준을 광 경로에 배치하되, 상기 제1 정렬 기준의 장치는 조사될 때 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖는 단계와;

- 제2 정렬 기준을 상기 제1 정렬 기준 장치와 하나 또는 복수의 광학 요소의 하류측 광 경로에 배치하되, 상기 제2 정렬 기준의 장치는 조사될 때 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 단계와;

- 상기 정렬 기준들을 상기 빔으로 조사하는 단계와;

- 상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 및 제2 정렬 기준의 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;

상기 광학 요소의 광 경로에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 달성하는 방향으로 적절한 광학 요소의 위치를 조정하는 단계.

전술한 다수의 임의적 양태들이 이 방법에도 적용가능하다.

본 발명은 또한 시스템에서 하나 이상의 광학 요소를 정렬하기위한 회절 기반 정렬 기준의 시스템을 제공하며, 이는 다음을 포함할 수 있다:

- 통과 윈도우 및 상기 통과 윈도우를 분할하는 제1 직교 요소와 같은 것으로서 광 또는 방사선에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖고, 상기 통과 윈도우의 중심에 광학 요소의 정렬을 모니터링하기위한 제1 타겟 윈도우를 가질 수 있는 제1 정렬 기준과;

- 통과 윈도우 및 상기 통과 윈도우를 분할하고 광 또는 방사선에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성하는 제2 직교 요소와 같은 제2 기준 특징부들을 갖고, 상기 통과 윈도우의 중심에 광학 요소의 정렬을 모니터링하기위한 제2 타겟 윈도우를 가질 수 있는 제2 정렬 기준.

회절 패턴을 모니터링하기위한 명확한 개구를 제공하도록, 상기 제1 직교 요소는 상기 제1 타겟 윈도우를 가로지르지 않고 상기 제2 직교 요소는 상기 제2 타겟 윈도우를 가로지르지 않음이 바람직하다.

전술한 다수의 임의적 양태는 이 시스템에도 적용가능하다.

본 발명의 실시예들 및 종래 기술의 양태는 아래의 첨부 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 레이저 시스템에서 십자형의 배치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 제1 정렬 기준의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 정렬 기준의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 정렬 기준의 평면도 및 측면도를 도시하는 상세도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 정렬 기준의 평면도 및 측면도를 도시하는 상세도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제1 및 제2 정렬 기준의 가능한 배치를 도시하는 개략도이다.
도 7은 다중 통과 레이저 증폭기의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 정렬된 레이저 빔에 대한 시뮬레이션된 회절 패턴 및 측정된 회절 패턴의 비교를 보인다.
도 9a 및 도 9b는 제2 정렬 기준에서 350㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 시뮬레이션된 회절 패턴 및 측정된 회절 패턴의 비교를 보인다.
도 10a 및 도 10b는 각각 정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴과 상기 회절 패턴의 중심을 통한 강도 프로파일을 보인다.
도 11a 및 도 11b는 각각 350㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴 과 상기 회절 패턴의 중심을 통한 강도 프로파일을 보인다.
도 12a 및 도 12b는 각각 700㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴 과 상기 회절 패턴의 중심을 통한 강도 프로파일을 보인다.
도 13a, 도 14a 및 도 15a는 각각 오정렬 없는 레이저 빔, 350㎛만큼 오정렬된 레이저 빔, 그리고 700㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴을 반전된 그레이 스케일로 보인다.
도 13b, 도 14b 및 도 15b는 각각 오정렬 없는 레이저 빔, 350㎛만큼 오정렬된 레이저 빔, 그리고 700㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴을 반전된 그레이 스케일 및 콘트라스트 증강으로 보인다.
도 16은 빔을 핀홀 상에 중심맞춤(cenrting) 하기위한 단순화된 구성을 나타내는 개략도이다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는 오정렬 없는 레이저 빔, 500㎛만큼 오정렬된 레이저 빔, 그리고 750㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 회절 패턴에서 핀홀 탈중심(decentring)의 영향을 보인다.
도 18a, 도 18b 및 도 18c는 오정렬 없는 레이저 빔, 500㎛만큼 오정렬된 레이저 빔, 그리고 750㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대하여 y축을 따른 회절 패턴의 강도 프로파일에서 핀홀 탈중심의 영향을 보인다.
도 19a, 도 19b, 도 21a 및 도 21b는 오정렬없는 가우스 빔(Gaussian beam), 오정렬없는 플랫 탑 빔(flat-top beam), 700㎛만큼 오정렬된 가우스 빔 및 700㎛만큼 오정렬된 플랫 탑 빔 각각에 대한 회절 패턴에서 빔 프로파일의 영향을 보인다.
도 20a, 도 20b, 도 22a 및 도 22b는 오정렬없는 가우스 빔, 오정렬없는 플랫 탑 빔, 700㎛만큼 오정렬된 가우스 빔 및 700㎛만큼 오정렬된 플랫 탑 빔 각각에 대한 회절 패턴의 강도 프로파일에 대한 빔 프로파일의 영향을 보인다.
도 23a 및 도 23b는 2㎜ 및 0.6㎜ 핀홀 각각에 대한 회절 패턴에서 핀홀 직경의 영향을 보인다.
도 24 및 도 25는 대안적 실시예에 따른 제1 및 제2 정렬 기준의 평면도 및 측면도를 도시하는 상세 도면이다.
도 26a 및 도 26b는 제2 기준에서 오정렬이 존재하지 않는 경우 및 레이저 빔의 0.5㎜ 오정렬이 존재하는 경우 각각 도 24 및 25의 정렬 기준에 의해 생성된 시뮬레이션된 회절 패턴을 보인다.

전술한 바와 같이, 종래 기술 방법의 단점들 중 하나는 레이저 시스템에서 정렬 기준들(alignment references)이 빔 진단 시스템의 객체 평면에 배치되는 것이 요구되므로 레이저 시스템에서 정렬 기준들이 배치되는 위치가 제한되는 점이다. 본 개시는 적절하게 설계된 형상을 갖는 정렬 기준을 사용함으로써 의도적으로 정렬 기준을 객체 평면들(object planes)로부터 멀리 배치하는 것을 설명한다. 상기 정렬은 정렬 기준의 이미지 대신 정렬 기준의 회절 패턴의 중첩을 검사하여 평가된다. 따라서, 본 개시는 정렬 기준의 이미지를 형성하는 것에 의존함에 의해 제한받지 않는 방법을 제공함으로써, 정렬 기준이 배치될 수 있는 가능한 위치의 개수를 크게 증가시키며 빔 진단 및 빔의 육안 검사(visual inspection)에 더 많은 융통성을 허용한다. 정렬 기준의 형태는 특별히 광학 구성요소의 정렬을 결정하기 위해 특이 특징부들(feature)를 인식하고 평가할 수 있게 하는 회절 패턴을 얻도록 된다. 일 특정 배치에서 정렬 기준의 형태는 레이저 체인이 올바르게 정렬되면 회절 패턴의 최종 중첩이 대칭이되도록 설계된다. 오정렬이 발생하면, 상기 회절 패턴의 대칭이 단절된다. 상기 대칭의 단절은 특이 특징부들 위치의 시프트(shift)로서 특징지워질 수 있으며, 이는 바람직하게는 레이저 체인 내 요소들의 오정렬과 상관된다. 또한, 오정렬은 회절 패턴 형태의 변화에 의해 특징지워질 수 있다. 다시 말해서, 광학 구성요소의 잘못된 배향 또는 병진적 위치로 인해 상기 특이 특징부들의 수직적 또는 수평적 시프트가 발생할 수 있다. 이는 예를 들어 레이저 체인에서 요소들의 회전이나 각도의 불일치, 또는 수직 또는 수평 오정렬일 수 있다. 또한, 상기 특이 특징부들에서의 시프트는 특히 뚜렷하여 종래 기술에 비해 정렬 프로세스의 정확도를 향상시킨다.

만일 정렬이 공간 필터를 포함하는 레이저 체인 내에서 수행되어야하는 경우, 정렬 정확도의 저하를 피하기 위해 공간 필터링에 사용되는 핀홀들의 직경에 따라 정렬 기준들의 특이 특징부들 크기가 최적화될 수 있다.

본 개시의 방법은 또한 레이저 빔 근접장(near-field) 위치를 정확하게 제어할 수 있게 한다. 상기 방법의 특정 실시예에서, 정렬 기준들 중의 하나는 레이저 체인의 입력에서의 한 위치에서 유지될 수 있다. 정렬 기준의 형태는 정렬 기준의 근접장의 중앙 정렬을 할 수 있도록 조정된다. 제2의 정렬 기준은 각 광학 구성요소의 정렬을 확인하기 위해 빔 경로를 따라 이동될 수 있다. 임의 사항이지만, 대부분의 경우 정렬 기준은 근접장의 위치에 대한 일정한 기준을 제공하기 위해 레이저 체인의 입력에서 지속적으로 유지되는 것이 권고되며, 이는 상류측에서 발생하는 오정렬로 인해 시프트될 수 있다(이전 증폭 단계 또는 레이저 소스). 이렇게 하지 않으면, 상류측에서 발생하는 오정렬을 감지하지 못하게되어 레이저 체인의 잘못된 정렬을 야기할 수 있다. 도 2~5는 본 개시 방법에 대한 정렬 기준들의 도면이다. 도 2~3은 두 정렬 기준의 사시도이다. 도 4~5는 각각 제1 및 제2 정렬 기준의 평면도 및 측면도이다.

도 2의 정렬 기준(100)은 장착을 위한 제1부분(110) 및 정렬 기준 특징부들을 포함하는 제2부분(120)을 갖는 플레이트로 형성된다. 제1부분(110)은 장착부에 고정하기 위한 볼트 또는 기타 체결구(fastener)를 수용하기위한 다수의 홀(102)을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 플레이트는 체결을 위한 제1부분을 포함하지 않을 수 있다. 예컨대, 정렬 기준은 다른 방법으로 장착되거나 지지된 지주일 수 있다. 그러나, 장착을 위한 제1부분(110)을 갖는 플레이트에 의해, 정렬 기준은 필요에 따라 레이저 시스템에 장착하기 위해 자성을 갖는 기부에 편리하게 장착될 수 있다.

정렬 기준(100)은 레이저 빔의 대부분 출력이 통과하는 빔 통과 윈도우 (122)를 포함하도록 고려될 수 있다. 도 2의 삽입 도면에서, 빔 통과 윈도우(122)는 이중선(124)으로 그려진 외측 정방형으로 둘러싸인 영역으로 도시되어있다. 빔 통과 윈도우(122)는 레이저 빔의 크기와 형상에 대략 부합하도록 된 크기와 형상으로 될 수 있다(또는 레이저 빔의 크기보다 약간 더 큰 크기로 될 수 있다). 도 2에 도시된 본 구성에서, 상기 빔 통과 윈도우는 정방형이지만, 직사각형 및 원과 같은 다른 형상도 가능하다. 도 2의 삽입 도면에서, 정렬 기준(100)은 파선 (128)에 의해 둘러싸인 영역으로 표시된 타겟 윈도우(126)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 타겟 윈도우(126)는 빔 통과 윈도우(122)와 동일한 형상일 수 있지만 더 작은 크기이다. 타겟 윈도우(126)는 바람직하게는 빔 통과 윈도우(122)의 중앙에 위치된다. 도 2의 삽입 도면에서, 빔 통과 윈도우(122)는 요소들 또는 라인들(130)에 의해 4개로 분할된다. 도 2의 주요 부분에서, 빔 통과 윈도우(122), 타겟 윈도우(126) 및 요소들(130) 또한 도시되어있다. 요소(130)는 타겟 윈도우(126)의 에지를 만나지만 상기 타겟 윈도우를 가로지르지않고 서로를 만나지 않는 한 쌍의 수평 요소(130a) 및 한 쌍의 수직 요소(130b)로 이루어진 것으로 도시된다. 상기 요소들(130)은 직각으로 배치되고 만일 상기 타겟 윈도우를 가로질러 연장되면 그의 중심에서 만나게 된다. 상기 요소들은, 하나의 요소(130a)가 전체적으로 정렬 기준(100) 장착의 배향(길이 방향)에 평행하게 배열되고 요소들(130b)은 상기 배향에 직각으로 배열되도록, 배열됨을 고려할 수 있다. 상기 요소들은 서로 만나는 대신에 상기 타겟 윈도우의 경계면에서 끝난다. 상기 타겟 윈도우의 경계면은 경계선으로 지칭하는 선(128)에 의해 형성된다. 다른 실시예들로서는 더 많거나 더 적은 요소들, 및/또는 상기 타겟 윈도우 주위에 다르게 배치된 요소들을 포함할 수 있다. 인식 가능한 회절 패턴 등의 회절 패턴을 형성하는 특징부들들은 요소들 및/또는 타겟 윈도우를 포함할 수 있다.

도 3은 제2의 정렬 기준(200)을 도시한다. 상기 제2 정렬 기준 또한 장착을 위한 제1부분(210) 및 정렬 기준 특징부들을 포함하는 제2부분(220)을 갖는 플레이트로 형성된다. 제1부분(210)은 체결구를 수용하기위한 다수의 홀(202)을 가질 수 있다. 제1의 정렬 기준(100)과 유사하게, 제2 정렬 기준(200) 또한 빔 통과 윈도우(222), 타겟 윈도우(226) 및 요소들(230)을 갖는다. 제2 정렬 기준(200)의 많은 특징부들들은 제1 정렬 기준(100)의 특징부들들과 유사하다. 도 2의 삽입 도면에 도시 된 바와 같이, 상기 빔 통과 윈도우는 이중선(224)으로 둘러싸인 영역으로 표시된다. 타겟 윈도우는 파선(228)으로 둘러싸인 영역으로 표시된다. 또 다시, 상기 요소들은 타겟 윈도우(226)를 가로지르지 않는다. 상기 제1 정렬 기준(100)과 다른 점은 제2 정렬 기준(200)의 요소들(230)의 배향이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 요소들(230)은 전체적으로 정렬 기준의 배향에 대각선으로 배열된다. 요소(230a)는 수직 및 수평 방향들(상기 정렬 기준의 길이 방향)에 대해 45°로 배열되고, 요소(230b)는 요소(230a)에 직각으로 배열된다. 타겟 윈도우(226)는 또한 상기 정렬 기준의 길이 방향에 대해 45°로 상기 요소들과 정렬된다. 따라서, 정렬 기준들(100 및 200)이 그 외곽이 겹치도록 서로 정렬되면, 제1 정렬 기준의 타겟 윈도우(126) 및 요소들(130)은 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우(226) 및 요소들(230)에 대해 45°로 정렬된다.

도 2의 정렬 기준에 관해서는, 도 3의 정렬 기준은 대안적인 실시예에서 더 많거나 적은 요소들, 및/또는 타겟 윈도우 주위에 다르게 배열된 요소들을 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3은 빔 통과 윈도우 및 타겟 윈도우를 정방형으로 도시하지만, 다른 형상도 가능하다. 도시된 실시예들에서, 상기 윈도우들은 레이저 빔의 형태에 맞게 정방형으로 도시된다. 그러나, 레이저 빔이 비 정방형 단면을 갖는 경우, 사용되는 형상은 상응하는 형상의 빔에 맞추기 위해 직사각형 또는 원형과 같이 다를 수 있다. 또한, 실시예들에 있어서, 타겟 윈도우의 형상은 빔 통과 윈도우의 형상과 같을 필요는 없다. 예컨대, 빔 통과 윈도우는 원형일 수 있고 타겟 윈도우는 정방형일 수 있거나 그 반대일 수 있다.

상기 정렬 기준들의 정렬 특징부들들, 즉 타겟 윈도우를 형성하는 요소들(130, 230) 및 경계선들(128, 228)은 좁은 금속선으로 형성될 수 있다. 이는 플레이트에서 윈도우를 절단해내거나 에칭해내어 형성될 수 있다. 빔 통과 윈도우(122, 222)의 에지는 유사한 방식으로 형성된 선에 의해 경계지워진다. 이는 도 2 및 도 3의 도면부호 "132" 및 "232"로 표시된다. 일 대안적 배열에서, 상기 요소들 및 선들은 와이어로 형성될 수 있다. 상기 요소들 또한 기여하지만, 상기 타겟 윈도우는 결과적으로 회절 패턴을 제공하는 주요 특징부들이다.

또 다른 일 대안적 배열에서, 상기 요소들 및 선들은 에칭되거나 유리판과 같은 투명 플레이트 상으로 표시될 수 있다. 투명 플레이트의 경우, 요소들(130, 230)은 생략될 수 있음이 가능하다, 왜냐면, 그들 기능 중 하나는 정렬 기준의 중심에서 타겟 윈도우를 지지하는 것이기 때문이다. 요소들이 존재하지 않는 경우에는 타겟 윈도우들에 의해 생성된 회절 패턴들만이 사용되어진다.

정렬 기준은 레이저 빔의 형상과 치수, 광의 파장, 및 상기 정렬 기준이 사용된 구조의 특성을 고려하여 설계된다. 광의 파장이 수정된 경우, 타겟 윈도우의 크기를 결정하기 위해 축척 법칙(scaling law)을 따를 수 있다.

도 4 및 도 5의 도면은 일 실시예에 따른 정렬 기준들(100 및 200)의 치수를 도시한다. 이 실시예에서, 정렬 기준들은 1030㎚ 광의 용도로서 그리고 본 출원인의 DiPOLE 레이저에서 사용을 위해 설계되었다. 치수는 21.5㎜×21.5㎜의 정방형 빔을 증폭하는 레이저 체인을 위해 선택되었다. 빔을 구성하는 광의 파장은 1030㎚이다. 상기 정렬 기준들의 특징부들들은 빔 경로를 따라 공간 필터들이 존재하는지를 고려하여 설정된다. 상기 공간 필터들의 핀홀 직경은 2㎜이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 두 가지 경우 모두의 중앙 타겟 윈도우는 3.0㎜×3.0㎜의 치수를 갖는다. 핀홀 크기, 타겟 개구 크기, 및 상기 타겟 윈도우와 요소를 형성하는 선들의 폭 간의 관계는 핀홀 크기 및 전체 레이저 체인 설계 둘 다가 타겟 윈도우의 크기 및 선의 폭에 영향을 주기 때문에 간단하지 않다. 타겟 윈도우 크기 대 핀홀 크기에 대한 자세한 내용은 "핀홀 크기의 영향" 절의 끝 부분에 나와 있다. 도 4 및 도 5에서 요소들과 윈도우들을 형성하는 선들의 폭은 1.0㎜이다.

도 4 및 도 5의 도면은 또한 빔 통과 윈도우의 치수를 23.0㎜×23.0㎜로 나타낸다. 전술했듯이, 이것은 21.5㎜×21.5㎜ 정방형 빔을 위한 것이다. 따라서, 상기 윈도우는 상기 빔보다 폭과 높이가 단지 1.5㎜만 더 크다. 상기 윈도우를 빔과 동일하거나 또는 이보다 약간 더 큰 치수를 갖도록 하면, 상기 윈도우 자체를 빔을 중심맞춤하는데 사용할 수 있다.

도 4 및 도 5는 제조된 플레이트의 정밀 형태인 그라운드 플랫 스톡(ground flat stock)과 같은 스톡으로 형성된 1㎜의 플레이트 두께를 나타낸다. 그러나, 상기 플레이트의 제조를 위해 다른 재료도 가능하다.

도 6은 레이저 시스템에서 광학 구성요소들의 일 예시적 배열을 도시한다. 레이저 소스에 뒤이어 미러(M0) 및 제1 정렬 기준(R1)이 따른다. 상기 제1 정렬 기준은 도 2 및 도 4에 도시된 정렬 기준(100)에 대응할 수 있다(도 3 및 도 5에 도시된 정렬 기준(200)에 동일하게 대응할 수 있지만). 정렬 기준(R1)은 근접장 빔 위치를 제어하기 위해 상기 소스의 근접장에 배치될 수 있다. 예를 들어, 빔의 요구되는 근접장 위치를 알면, 이를 충족하도록 상기 정렬 기준을 배치할 수 있고 빔이 R1의 빔 통과 윈도우를 통해 빔이 깔끔하게 통과할 때까지 빔의 근접장 위치를 조정할 수 있다. 만일 빔이 정확하게 정렬되지 않고 빔 통과 윈도우를 깔끔하게 통과하지 못하는 경우, 윈도우의 에지에 부딪히는 빔에 의해 야기된 회절 패턴이 빔 아래로 보이고 카메라로 모니터링할 수 있다. 상기 정렬 기준 상에 빔 근접장의 정확한 중심맞춤(centring)은 소스와 미러(M0) 간에 위치한 광학계(도 6에는 도시되지 않음)를 조정하거나 소스 자체를 조정하여 달성된다. 레이저 체인의 올바른 정렬을 위해서는, 레이저 체인(빔 근접장)의 입력에 정렬 기준을 유지하는 것이 바람직하다(이것이 이전 단계의 올바른 정렬에 대한 정보를 제공하므로). 이 작업을 수행하지 않으면, 상류측에서 발생하는 오정렬을 감지하지 못하게되어 레이저 체인이 오정렬될 수 있다. 일단 상기 정렬 기준에서 빔 근접장의 정확한 중심맞춤이 이루어지면, 도 6과 같이 제2의 정렬 기준(R2)이 시스템에 배치된다. 빔은 정렬 기준(R2) 이후의 위치(P1)에서 모니터링할 수 있다. 상기 정렬 기준들의 형태는 인식 가능하고 고유한 특징부들을 갖는 회절 패턴을 초래한다. 전술한 도면부호 "100" 및 "200"의 경우, 상기 특징부들은 만일 레이저 체인이 정확하게 정렬되는 경우 타겟 윈도우의 음영(shardow) 상에서 중심에 놓이는 회절 패턴에서의 "X"이다. 만일 미러(M0)가 정확하게 정렬되지 않은 경우, 상기 회절 패턴은 대칭적이지 않다. 결과로서의 회절 패턴은 미러(M0)가 어떻게 조정되어야하는지를 사용자에게 알려준다. 이러한 기술은 광학 구성요소의 고도로 정확한 정렬을 가능하게 한다. 미러(M1)는 거울 또는 다른 반사 요소로 된다. 이 구성요소를 정렬하기 위해서는, 제2의 기준(R2)이 원래 위치에서 R2' 위치로 이동된다. 다시, 미러(M1)는 특징적 회절 패턴이 타겟 윈도우 외곽의 새도우 상에서 중심에 놓일 때까지 조정된다. 이러한 회절 패턴은 진단 시스템을 이동하거나 정렬 기준(R2') 뒤의 P2 위치에서 육안 검사를 수행함으로써 평가할 수 있다. 예를 들어 R2" 위치로 제2 기준을 이동시키고 위치 P3에서 빔 검사를 수행함으로써, 미러(M2)의 조정을 수행할 수 있다. 하류측 광학계의 정렬은 유사하게 제2 기준을 빔 경로를 따라 적절한 위치로 시프트시킴으로써 수행되어야한다.

제1 정렬 기준은 레이저 체인의 입력에서 빔의 올바른 위치에 대한 표시를 제공하도록 레이저 체인의 근접장에서 유지될 수 있다.

도 7은 레이저 시스템용 다중 통과 증폭기(multi-pass amplifier)(700)의 일 예를 도시한다. 상기 증폭기는 Yb³⁺ 도핑 YAG와 같은 활성 물질의 4개 디스크(710)를 포함하고 레이저 빔은 나비 넥타이(bow-tie) 구성으로 상기 디스크들을 4회 통과한다. 상기 다중 통과 및 나비 넥타이 구성은 일련의 미러(m1~m8)에 의해 달성된다. 이 구성에서 미러의 정렬은 안정적인 증폭을 달성하기 위해 중요하다. 보다 큰 출력을 얻기 위해 통과의 회수를 늘리는 경우, 미러의 개수가 증가하게되고 종래 기술에서와 같이 정렬 기준들의 이미지 의존을 필요로하지 않는 편리하고 정확한 정렬 기술에 대한 필요성이 강조된다.

도 7에서, 빔은 미러(m1)에서 시스템으로 들어가고 증폭기 물질(710)을 통해 미러(m2)로 반사된다. 제1 정렬 기준(100)은 도 6의 배열에서 기술된 바와 같이 소스(미도시)의 근접장에 배치될 수 있다. 미러(m1)의 위치 및 정렬은 제2 정렬 기준 (200)을 미러(m2)를 향한 빔 경로를 따라 카메라 또는 기타 모니터링 장치와 함께 도 7의 평면(Q1)에서와 같이 미러(m2)의 위치에 근접하게 배치함으로써 조정될 수 있고 검사될 수 있다. 정렬은 타겟 윈도우 상에서 고유한 특징부들의 위치를 중심맞춤함으로써 위와 같이 수행된다. 일단 완료되면, 제2 정렬 기준(200) 및 카메라는 m3 뒤의 위치로 이동되어 m2 및 m3의 위치를 검사한다. 다시, 제2 정렬 기준 및 카메라는 평면(Q1)에 근접하게 배치될 수 있다. 다음 정렬은 평면(Q2)로 이동하여 미러(m3)의 위치와 정렬을 확인하고 마무리한다. m8까지의 각 미러에 대해 프로세스가 계속된다.

도 8과 도 9는 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하여 나타낸다. 상기 시뮬레이션은 Zemax(이전에는 Radiant Zemax로 알려짐) 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 측정 결과는 본 출원인의 Central Laser Facility의 DiPOLE 100 실험실에서 얻었다. 시뮬레이션 결과 및 측정 결과 모두에 대해, 시스템 매개변수로는 1030㎚의 레이저 파장 및 가우스 빔(Gaussian beam) 프로파일이 포함된다. 사용된 기준들은 도 2~5의 기준들이다. 다른 파장, 빔 프로파일 및 기준들이 사용될 수 있다. 여러 빔 프로파일에 대한 분석은 "빔 프로파일 변경의 효과" 절에서 나중에 기술한다.

도 8은 정밀하게 정렬된 레이저 체인의 결과를 보인다.

상기 결과는 도 6의 레이저 체인을 기반으로 한 레이저 체인을 사용하여 얻었다. 제1 정렬 기준은 증폭기 체인의 입력에 배치되고 제2 정렬 기준은 R2' 위치에 배치되었다. 몇가지 광학 구성요소로써 보조 정렬 레이저의 빔을 상기 레이저 체인의 입력에, 그리고 미러(M0)에, 그 다음에는 상기 제1 정렬 기준(R1) 및 진공 공간 필터로 위치시켰다(상기 진공 공간 필터는 초점 면에 2㎜ 핀홀을 갖고 초점 거리 f를 갖는, 거리 2f로 이격된 2개의 렌즈로 구성된다). 상기 제2 정렬 기준은 위치(R2')에 배치되고 빔 진단 시스템은 빔 검사를 위한 위치(P2)에 배치된다.

도 8a는 완벽하게 정렬된 레이저 체인에서 정렬 기준들(100 및 200)에 의해 생성된 회절 패턴의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 8b는 완벽하게 정렬된 레이저 체인에서 정렬 기준들(100 및 200)에 의해 생성된 회절 패턴의 측정 결과를 도시한다. 상기 측정 결과와 시뮬레이션 결과가 잘 일치한다. 두 경우 모두, 제1 정렬 기준의 수직 및 수평 요소들(130a, 130b)의 "음영(shadow)"을 명확하게 볼 수 있다. 제2 정렬 기준의 대각선 요소들(230a, 230b)의 음영도 볼 수 있다. 타겟 윈도우들의 에지를 형성하는 선들이 중첩되어 "8개의 뾰족한 별 모양"을 형성함을 볼 수 있다. 요소들과 타겟 윈도우들의 음영 주변에는 회절 효과로 인한 광의 테두리를 선명하게 볼 수 있다. 타겟 윈도우의 중심에는 2개 정렬 기준들에서 조합된 회절 패턴이 있다. 이는 타겟 윈도우의 음영 중심에 "X" 형태를 취하는 것으로 보이는 인식가능하고 특징적인 형상을 갖는다. 상기 중심맞춤(centring)은 정렬이 이루어졌음을 나타낸다.

도 9a 및 도 9b는 각각 제2 정렬 기준 상의 빔이 미러(M1)의 오정렬로 인해 350㎛만큼 시프트될 때 생성된 시뮬레이션 회절과 측정 회절을 도시한다. 여기서 다양한 요소들과 타겟 윈도우 경계들을 명확하게 볼 수 있다. 시뮬레이션 버전에서는 타겟 윈도우 중심에서 고유한 "X" 특징부들의 편차(offset)가 뚜렷하다. 상기 "X"의 중심은 수평 요소 아래에 정렬된다. 상기 "X"는 상기 중심에서 수직 하방으로 시프트된다. 이는 제2 기준과 빔 간의 수직 오정렬을 나타낸다.

추가적인 오정렬 결과는 도 10a~12b에 보인다. 도 10a는 정렬된 시스템에 대해 도 8a에 보인 바와 동일한 시뮬레이션 결과의 일부를 도시하나, 타겟 윈도우와 대비하여 "X" 특징부들의 대칭성을 강조하기 위해 도 10a에서 상기 중심 영역을 확대한다. 도 10b는 도 10a의 타겟 윈도우를 가로지르는 수직 백색선을 따라 취해진 정규화된 강도의 그래프이다. 상기 정규화 강도 플롯은 2개의 균등하게 이격되고 크기가 피크인 강도를 보인다. 이는 상기 "X"의 상부와 하부에 있는 2개의 밝은 삼각형 또는 영역을 나타낸다. 도 10b에서, 상대 강도가 약 0.4 내지 0.5인 피크들 간의 딥(dip)의 중심은 상기 "X"의 중심에서의 최소 강도를 나타낸다.

도 11a는 350㎛ 편차(offset)에 대한 시뮬레이션 결과인 도 9a의 확대도이다. 도 11b는 도 11a의 타겟 윈도우를 가로지르는 수직 백색선을 따라 취해진 정규화된 강도의 그래프이다. 도 10b와 유사하게, "X" 특징부들의 상부 및 하부에서 2개의 광 영역을 나타내는 2개의 피크를 볼 수 있다. 그러나, 도 11b에서 상기 피크들은 동일하지 않다. 좌측 피크는 우측 피크와 같은 높은 강도에 도달하지 않으며 좌측 피크가 더 퍼진다. 좌측 피크는 "X"의 상부에 있는 밝은 영역을 나타낸다. 이러한 회절 패턴은 빔의 수직 오정렬을 나타낸다.

도 12는 미러(M1)의 오정렬에 기인한 제2 기준 상의 빔의 700㎛ 오정렬을 나타낸다. 도 12a에서 "X"의 하반부는 타겟 윈도우에서의 편차에 의해 흐려지기 때문에 도 10a 및 도 11a에서처럼 명확하게 볼 수 없다. 수평/수직 배향된 타겟 윈도우는 대각선 배열된 타겟 윈도우와 비교하여 상향으로 오프셋될 수 있다. 도 12b에서, 우측 피크는 좌측 피크와 비교하여 상당히 낮은 강도를 갖는다. 상기 좌측 피크는 타겟 윈도우에서 "X" 특징부들의 더 밝고 넓은 상부 광 영역을 나타내는 것으로 보여질 수 있다. 도 11b 및 도 12b를 보면, 700㎛(도 12b) 시프트가 350㎛ 시프트 (도 11b)와 비교하여 반대 방향임을 알 수 있다.

위에 기반하여, 회절 패턴의 처리는 카메라상의 패턴을 샘플링함으로써 수행 될 수 있음을 알 수 있다. 데이터 샘플 파일에서의 강도 플롯 또는 변이의 모양은 정렬 편차(offset)와 상관될 수 있고 광학 요소를 재배치하기위한 보정값을 출력하는데 사용될 수 있다. 상기 출력은 광학 요소의 위치를 자동으로 조정하기 위해 사용자에게 전달되거나 또는 동작 제어 장치로 직접 전송될 수 있다.

도 13a~15b는 오프셋을 도시하는 여러 방법들을 도시한다. 도 13a 및 도 13b는 도 10a(오프셋 없음)에서와 동일한 이미지이지만, 반전된 그레이 스케일에서의 이미지이다. 도 13b는 또한 "X" 특징부들을 보다 명확하게 보여주는 약간의 콘트라스트 증강 처리를 포함한다. 도 14a 및 도 14b는 도 11a(350㎛ 오프셋)에서와 동일한 이미지이지만, 반전된 그레이 스케일에서의 이미지이다. 도 15a 및 도 15b는 도 12a(700㎛ 오프셋)에서와 동일한 이미지이지만, 반전된 그레이 스케일에서의 이미지이다. 도 14b 및 도 15b는 또한 약간의 콘트라스트 증강 처리를 포함한다.

전술한 정렬 기준들은 예시적인 실시예이다. 다른 실시예에서, 제1 기준의 요소들은 수직 및 수평으로부터, 예컨대, 5° 또는 10°만큼, 오프셋될 수 있다. 제2 정렬 기준의 요소들은 상응하여 대각선으로부터 오프셋될 것이다. 2개의 기준의 요소들은 서로 45°를 유지하는 것이 바람직하지만, 다른 오프셋이 적용되는 경우에는 덜 효과적인 실시예가 예상될 수 있다.

이들 또는 다른 실시예에서, 타겟 윈도우들은 상이한 형상들을 취할 수 있다.

전술한 바와 같이, 정렬 기준들은 유리판과 같은 투명 플레이트에 에칭되거나 표시된 선들로 구성될 수 있다.

전술한 방법 및 장치는 일반적으로 고출력, 대구경 레이저 시스템과의 사용에 관한 것이다. 그러나, 상기 전술한 방법 및 장치는 회절 효과를 허용하는 조건들이 만족되는 다른 시스템에서도 적용될 수 있다. 가능한 적용예는 다음과 같다:

- 펌프/프로브 분광기(pump/probe spectroscopy)용 레이저 시스템;

- 정렬 텔레스코프(alignment telescope);

- 오토콜리메이터(autocollimators: 정렬 망원경과 비슷하지만, 무한대에 초점을 맞춘다; 또한, 세오돌라이트(theodolite)라고도 한다);

- 별 응용 프로그램(star applications)을 안내하는데 사용되는 레이저 정렬;

- 싱크로트론 UV 방사(synchrotron UV radiation)의 정렬.

핀홀 상에서 레이저 빔의 중심맞춤(centring)

본 출원인은 핀홀 상에서 레이저 빔의 정확한 중심맞춤(centring)을 평가하고 보조하는 회절 기반 정렬 기준의 사용을 이론적 및 실험적으로 조사하였다. DiPOLE 레이저 시스템의 경우, 핀홀은 공간 필터링 목적으로 사용된다. 그러나, 다른 시스템에서는 핀홀을 다른 용도로 사용할 수 있다.

레이저 체인을 따라 빔을 올바르게 전파하고 올바른 공간 필터링을 수행하려면, 핀홀 상에서 정확한 빔의 중심맞춤이 요구된다. 이를 못하면, 에너지의 손실과빔 프로파일의 저하를 초래할 수 있다.

핀홀상의 빔의 중심맞춤을 검사하는 절차는 도 16과 같은 배열로 수행된다.도 16은 레이저 빔을 생성하는 소스를 포함한다. 상기 빔은 먼저 거울(M1)에 지향 된 다음, 공간 필터를 통해 지향된다. 상기 공간 필터는 1쌍의 렌즈 사이에 위치 된 핀홀을 포함한다. 진단 시스템은 두번째 렌즈들의 출력 뒤에 배치된다. 상기 절차의 단계는 다음과 같다:

1. 레이저 체인의 모든 구성요소(도 16에는 도시되지 않음)를 소스와 미러(M1) 사이에 정렬하고;

2. 제1 정렬 기준(R1)은 정렬될 레이저 체인의 입력에서 이상적으로 유지되어야하고(미러(M1) 이전의 다른 위치들은 여하튼 허용된다);

3. 공간 필터 시스템 뒤에 제2 정렬 기준(R2)을 배치하며(이는 선택적일 수 있고 상기 제1 정렬 기준에 의해 생성된 회절 패턴에 의존할 수 있다);

4. 결과 회절 패턴을 검사한다.

빔이 직경 2㎜의 핀홀에 정확히 중심이 맞춰지면, 상기 회절 패턴은 대칭이며 도 17a 및 도 18a로 보고된다. 부정확한 중심맞춤(centring)은 도 17b, 도 18b 및 도 17c, 도 18c에 보이는 것처럼 회절 패턴의 대칭성을 무너뜨린다. 도 17b 및도 18b는 핀홀이 수직 방향으로 0.5㎜만큼 중심에서 벗어난 효과를 보인다. 도 17c 및 도 18c는 핀홀이 수직 방향으로 0.75㎜만큼 중심에서 벗어난 효과를 보인다.

빔 프로파일 변경의 효과

본 출원인은 회절 기반 정렬 기준이 다른 종류의 빔 프로파일과 함께 성공적으로 사용될 수 있음을 보이기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 조사된 빔 프로파일은 가우스 빔(Gaussian beam) 프로파일(본 개시에서 도 18까지의 도면들에 사용됨) 및 플랫 탑 빔(flat-top beam) 프로파일이었다. 두 경우 모두 레이저 체인의 정확한 정렬을 가정하면, 결과 회절 패턴들이 도 19a~19b 및 도 20a~20b에서 비교된다.

도 19a~19b 및 도 20a~20b는 시스템이 정확하게 정렬된 경우의 가우스 빔 프로파일 및 플랫 탑 프로파일을 비교한다. 이 경우, 중앙 회절 패턴(즉, 타겟 윈도우에서의 패턴)이 두 빔 프로파일 모두에서 동일함을 알 수 있다. 이는 또한 도 20a~20b에 도시된 빔 프로파일의 그래프들에서도 볼 수 있다. 그러나, 플랫 탑 빔 프로파일은 입력 프로파일로부터 기대되는 바와 같이 패턴의 측면에서 보다 더 많은 광을 갖는다.

도 21a~21b 및 도 22a~22b는 제2 정렬 기준에 대한 레이저 빔의 700㎛ 오정렬에 대한 회절 패턴들을 비교한다. 다시, 상기 패턴들은 상기 플랫 탑 빔 프로파일의 측면에서 증가된 광을 제외하고는 거의 유사하다. 따라서, 정확한 정렬의 판단은 가우스 빔 프로파일과 대비하여 플랫 탑 빔 프로파일에 대해서도 동일한 방식으로 달성 될 수 있다. 이 방법은 상이한 파면 형태(wavefront type)나 파면 왜곡(wavefront distortion)에 민감하지 않다.

핀홀 크기의 영향

회절 패턴에 대한 핀홀 크기의 영향을 평가하기위한 시뮬레이션이 수행되었다. 정렬 기준의 설계는 레이저 체인에 설치될 핀홀의 크기를 고려하여 수행되어야한다. 설계 프로세스를 안내하는 간단한 분석 공식은 없지만, Zemax(이전에는 Radiant Zemax로 알려짐)와 같은 수치 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하면, 핀홀이 정렬 기준의 회절 패턴에 미치는 영향에 대해 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 도 23a~23b는 단일 기준의 회절 패턴이 핀홀 크기에 의해 어떻게 영향받을 수 있는지의 경우를 도시한다.

도 23a는 2㎜ 직경의 핀홀을 통해 전파된, 도 2~5의 것과 같은 단일 정렬 기준의 회절 패턴을 도시한다. 여기서, 타겟 윈도우의 일부 왜곡/흐려짐 및 인식가능한 특징부들들이 있음을 알 수 있다. 도 23b는 0.6㎜ 직경의 핀홀을 통해 전파된 단일 정렬 기준에 대한 등가의 경우를 보인다. 여기서는 타겟 윈도우 내부의 회절 패턴의 특징부들을 판단하는 것이 훨씬 더 어렵다. 따라서, 정렬 기준이 호환되는 핀홀을 사용할 때는 주의를 기울여야한다.

정렬 기준의 대안적 실시예

정렬 기준의 대안적인 실시예는 도 2~5의 시스템들과 동일한 시스템에서 사용하기 위해 설계되었다. 이들 대안적 실시예는 도 24 및 도 25의 기술 도면에 도시된다. 도 24에 도시된 기준은 전술한 100J 증폭기에 대한 입력 기준으로 사용되었고, 다시 빔이 21.5㎜×21.5㎜의 크기를 가질 때의 위치에서 사용되었다. 이후, 상기 빔을 텔레스코프로 75㎜×75㎜ 크기로 확대하고, 도 25에 표시된 제2 정렬 기준을 상기 빔에 배치했다.

도 24의 입력 기준은 중심에 정렬 기준 특징부들들이 가공된 원형 플레이트 또는 디스크로 구성된다. 본 명세서에서 앞서 기술한 도면부호 "100"과 마찬가지로, 상기 정렬 기준은 "+" 직립 교차 형태 배열의 요소들 또는 선들로 구성된다. 여기서, 타겟 윈도우는 훨씬 더 작다. 0.3㎜ 직경의 원형 홀이 상기 교차하는 요소들의 중심에 배치된다.

제2 정렬 기준은 도 25에 보인다. 이 기준은 요소들 또는 선들의 대각선 교차 형태 "X" 배열을 가지며 본 명세서에서 앞서 기술한 도면부호 "200"과 유사하다. 상기 기준의 주된 관통 개구는 크기가 증가되었다. 타겟 윈도우는 내부 크기가 3.0㎜에서 5.0㎜로 확장되었다. 이러한 대안적인 실시예에서, 정방형 타겟 윈도우의 결합은 앞서의 실시예에 비해 크기를 증가시켰고 작은 원형 타겟 윈도우는 적절한 회절 패턴을 제공한다.

도 26a~26b는 정확하게 정렬된 레이저 체인(도 26a)과, 제2 기준에서 500㎛만큼 오정렬된 레이저 빔에 대한 결과 회절 패턴을 보인다. 상기 작은 원형 타겟 윈도우 및 더 큰 대각선 타겟 윈도우 둘 다의 음영을 볼 수 있다. 회절 패턴들의 변이 또한 볼 수 있고 이는 도 8~12의 것과 유사하다. 예를 들어, 도 26a에서 원형 대칭을 갖는 회절 패턴이 상기 작은 원형 타겟 윈도우의 중심에서 관찰된다. 도 26b에서는 이러한 원형 회절의 대칭성은 오정렬로 인해 손상된다. 또한, 상기 2개의 타겟 윈도우들 간의 영역에서 오정렬은 또한 거기에서 보이는 회절 패턴의 대칭성을 무너뜨린다.

통상의 기술자라면 응당 여기 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않고도 전술한 실시예들에 대한 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 점을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (40)

1. 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하는 방법에 있어서,
   레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준을 상기 광학 요소의 상류측에서 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;
   상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 상기 제1 정렬 기준 및 상기 광학 요소의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;
   상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준과 상기 광학 요소를 상기 레이저 빔으로 조사하는 단계와;
   상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들 및 제2 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;
   상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 향하여 상기 광학 요소의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   정렬 방향으로 상기 광학 요소의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계는 상기 조합된 회절 패턴의 대칭성 또는 중심성을 향상시키도록 상기 광학 요소의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 기준 특징부들은 2개의 직교 평면에서 반사 대칭성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 기준 특징부들은 직사각형 또는 정방형을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 제2 정렬 기준의 제2 기준 특징부들은 타겟 윈도우를 포함하고, 상기 모니터링하는 단계는 상기 타겟 윈도우의 음영에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 모니터링과 상기 조정의 단계들은 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하고 상기 조합된 회절 패턴을 상기 제2 정렬 기준의 상기 타겟 윈도우의 음영 상의 중심으로 향하도록 상기 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 조합된 회절 패턴은, 상기 조합된 회절 패턴이 2개의 직교 방향들에서 반사 대칭성을 가지며 상기 제2 정렬 기준의 상기 타겟 윈도우의 음영 상에 중심맞춤될 때, 상기 광학 요소가 상기 레이저 시스템에서 실질적으로 정렬되어있음을 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 회절 패턴을 형성하는 상기 제1 기준 특징부들은 제1 타겟 윈도우를 포함하고, 상기 제2 정렬 기준의 상기 타겟 윈도우는 제2 타겟 윈도우인 것을 특징으로하는 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 모니터링하는 단계는 상기 제1 타겟 윈도우 및 제2 타겟 윈도우의 음영들에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 것을 포함하는 것을 특징으로하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 모니터링하는 단계는 상기 제1 타겟 윈도우 및 제2 타겟 윈도우의 음영들에 의해 둘러싸인 상기 조합된 회절 패턴의 대칭성 및/또는 중심맞춤(centring)을 모니터링하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우는 각각의 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준에서 빔 통과 윈도우의 중심에 위치하는 것을 특징으로하는 방법.
12. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준을 상기 광학 요소의 상류측에서 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계는 상기 레이저의 근접장에 상기 제1 정렬 기준을 배치하고 상기 근접장을 상기 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우 상에 중심맞춤하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 근접장을 중심맞춤하는 단계는 상기 레이저 빔의 교차 치수(cross-dimension)가 상기 제1 정렬 기준의 빔 통과 윈도우 내로 맞추어도록 정렬시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
14. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준의 제1 기준 특징부들 중의 하나 이상은 상기 레이저 빔의 축을 중심으로 상기 제2 정렬 기준의 제2 기준 특징부들 중의 하나 이상에 대해 실질적으로 45°만큼 오프셋되어 정렬되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링하는 단계는
    상기 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 타겟 윈도우의 음영 내에서 상기 조합된 회절 패턴의 교차형(cross) 또는 X의 전체 또는 일부를 식별하는 단계와;
    상기 교차형 또는 X가 상기 타겟 윈도우의 음영 중심으로부터 오프셋되는지 여부를 평가하는 단계와;
    상기 교차형 또는 X가 오프셋되어있는 경우, 상기 조정하는 단계에서 상기 교차형 또는 X가 상기 타겟 윈도우의 음영의 중심에 오도록 상기 광학 요소의 위치를 조정함으로써 상기 광학 요소의 정렬을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟 윈도우의 음영 내에서 상기 조합된 회절 패턴의 대칭성이 수직으로 오프셋되는 경우 상기 광학 요소가 정렬 방향으로 오도록 상기 광학 요소를 수직으로 이동시키고, 타겟 윈도우의 음영 내의 상기 조합된 회절 패턴이 수평으로 오프셋되는 경우 상기 광학 요소가 정렬 방향으로 오도록 상기 광학 요소를 수평으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링하는 단계는 카메라 상의 상기 조합된 회절 패턴을 감지하는 것 또는 상기 빔의 육안 검사를 수행하는 것 중의 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및/또는 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우는 상기 레이저 빔의 상기 교차 치수보다 더 큰 크기로 되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 요소는 미러, 렌즈, 핀홀, 개구, 증폭기, 이득 블록(gain block) 및 반사/투과 격자 중의 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
20. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준과 상기 모니터링은 이미지 또는 객체 평면들에 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계는 타겟 윈도우의 음영의 중심을 통과하는 선을 따라 상기 조합된 회절 패턴의 강도를 측정하고, 상기 강도가 상기 타겟 윈도우를 가로지르는 상기 선을 따라 대칭인지 여부를 판단하는 것을 포함함을 특징으로 하는 방법.
22. 전항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    정렬이 달성될 때까지 모니터링 및 조정의 단계들을 반복하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 방법.
23. 레이저 시스템에서 레이저 빔을 정렬하는 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하는 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준을 상기 레이저 빔의 경로에 배치하는 단계와;
    상기 레이저 빔으로 상기 제1 정렬 기준을 조사하는 단계와;
    상기 제1 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들의 제1 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;
    상기 제1 정렬 기준에 대한 상기 레이저 빔의 정렬을 나타내는 상기 제1 회절 패턴을 향하여 상기 레이저 빔의 상대 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로 내에 광학 요소를 배치하는 단계와;
    상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하는 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준을 상기 광학 요소의 하류측에 있는 상기 레이저 빔의 경로 내에 배치하는 단계와;
    상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준과 상기 광학 요소를 상기 레이저 빔으로 조사하는 단계와;
    상기 제2 정렬 기준의 하류측 위치에서 상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들 및 제2 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하는 단계와;
    상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬을 나타내는 상기 조합된 회절 패턴을 향하여 상기 광학 요소의 위치 및/또는 배향을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 레이저 시스템에서 광학 요소를 정렬하기위한 회절 기반 정렬 기준의 시스템에 있어서,
    레이저 빔에 의해 조사될 때 제1 회절 패턴을 형성하기위한 제1 기준 특징부들을 갖는 제1 정렬 기준과;
    상기 레이저 빔에 의해 조사될 때 제2 회절 패턴을 형성하기위한 제2 기준 특징부들을 갖는 제2 정렬 기준과;
    상기 제2 기준 특징부들은 상기 광학 요소의 상기 레이저 빔에 대한 정렬의 표시를 제공하도록 상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들 및 제2 기준 특징부들의 조합된 회절 패턴을 모니터링하기위한 적어도 하나의 타겟 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
26. 제25항에 있어서,
    상기 제2 정렬 기준은 빔 통과 윈도우를 포함하고, 상기 타겟 윈도우는 상기 빔 통과 윈도우 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
27. 제26항에 있어서,
    상기 타겟 윈도우는 상기 빔 통과 윈도우 내에서 실질적으로 중심에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
28. 제25항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 정렬 기준의 제2 기준 특징부들은 상기 타겟 윈도우를 가로지르지 않는 선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
29. 제28항에 있어서,
    상기 선들은 직교 선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
30. 제25항 내지 제29항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 정렬 기준의 상기 타겟 윈도우는 제2 타겟 윈도우이고, 상기 제1 기준 특징부들은 적어도 하나의 제1 타겟 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
31. 제30항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준은 빔 통과 윈도우를 포함하고, 상기 제1 타겟 윈도우는 상기 제1 정렬 기준의 상기 빔 통과 윈도우 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 타겟 윈도우는 상기 제1 정렬 기준의 상기 빔 통과 윈도우 내에서 실질적으로 중심에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
33. 제30항 내지 제32항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준의 상기 제1 기준 특징부들은 상기 제1 타겟 윈도우를 가로지르지 않는 선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
34. 제33항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준의 상기 선들은 직교 선들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
35. 제25항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준은 각각 빔 통과 윈도우를 갖고, 상기 빔 통과 윈도우는 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 시스템.
36. 제35항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및 상기 제2 정렬 기준의 빔 통과 윈도우는 정방형, 직사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 시스템.
37. 제35항 또는 제36항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준의 상기 빔 통과 윈도우는 비(非)원형 형상[정방형 또는 직사각형]이고, 상기 빔 통과 윈도우가 상기 형상에 의해 정렬 될 때 상기 제1 기준 특징부들의 적어도 일부는 제2 기준 특징부들의 적어도 일부에 대해 45°만큼 오프셋되는 것을 특징으로 하는 시스템.
38. 제30항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 타겟 윈도우 및 제2 타겟 윈도우는 정방형, 직사각형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 시스템.
39. 제25항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 정렬 기준 및 제2 정렬 기준은 각각 상기 장치를 장착하기위한 제1 부분과 상기 기준 특징부들이 형성되는 제2 부분을 갖는 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
40. 제25항 내지 제39항 중의 어느 한 항에 의한 회절 기반 정렬 기준의 시스템 과;
    상기 레이저 빔을 생성하도록 된 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.

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