KR20190120243A - 레이저 가공용 방사선을 형성하는 방법 및 장치 - Google Patents

레이저 가공용 방사선을 형성하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 재료를 가공하는 방법 및 레이저 어셈블리에 관한 것이며, 상기 레이저 어셈블리에서, 레이저 빔은 가공/이미징 평면 상에 포커싱되고, 상기 레이저 빔은 적어도 하나의 빔 셰이퍼에 의해 그 강도 분포 면에서 조정될 수 있다. 또한, 가공/이미징 평면에서 균일성 에러를 방지하기 위해, 상기 레이저 빔은 적어도 하나의 빔 스플리터에 의해 적어도 2개의 부분 빔 또는 개별 빔으로 분할되고, 상기 부분 빔 또는 개별 빔은, 그 조합 및 가공/이미징 평면 상에 그 포커싱 후에 강도 프로파일을 갖는 출력 빔을 형성하도록, 상이하게 조절되거나 또는 각각의 부분 빔 또는 개별 빔이 상이한 파장을 갖는 레이저 소스로부터 형성되며, 상기 강도 프로파일의 인접하는 강도 최대치는 그 광 특성의 면에서 상이하다. 이러한 방식으로, 방해 간섭의 형성이 방지되어, 방해 스페클 패턴이 실질적으로 제거됨으로써, 빔 형성의 품질이 특히 레이저 가공 프로세스에 대해 크게 개선될 수 있다.

Description

레이저 가공용 방사선을 형성하는 방법 및 장치
본 발명은 레이저 가공 프로세스에서 빔을 형성하는 방법에 관한 것이며, 이 방법에서는 레이저 어셈블리에서 레이저 빔이 가공/이미징 평면상에 포커싱되고, 상기 레이저 빔은 적어도 하나의 빔 셰이퍼에 의해 그 강도 분포와 관련하여 조정될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 유닛을 구비한 장치, 특히 레이저 어셈블리에 관한 것이다.
레이저 재료 가공(레이저 절삭, 레이저 용접, 레이저 납땜, 레이저 세척, 레이저 드릴링, 레이저 소결, 레이저 용융 등)에서 대부분은 가우스 강도 분포를 갖는 포커싱된 레이저 빔이 사용된다. 이러한 많은 프로세스의 경우 가공 평면에서의 강도 분포를 프로세스에 따라 조정하는 것이 매우 바람직하다. 가공 평면에서의 빔 형성은 레이저 프로세스 개발을 위한 엄청난 최적화 가능성을 제공한다.
레이저 빔의 강도 분포를 형성하기 위해서는, 그 위상, 그 진폭 또는 둘 다가 함께 조절되어야 한다. 따라서, 위상 변조기, 진폭 변조기 또는 위상 및 진폭 변조기가 사용된다. 진폭 변조기(예를 들어, DMD 마이크로 미러 어레이)의 큰 단점은 빔 형성에 사용될 때 대개 원래 빔의 레이저 방사선의 적어도 일부가 페이드 아웃되어 전체 시스템의 에너지 효율이 떨어진다는 것이다. 위상 변조기들의 장점은 이들이 원래 빔의 진폭에 영향을 미치지 않아서 (거의) 전체 에너지가 레이저 가공 프로세스에 사용될 수 있다는 것이다. 위상 변조기들은 두 가지 상이한 원리, 즉 굴절 원리(refraction)와 회절 원리(diffraction)를 기반으로 한다. 따라서, 굴절 및 회절 빔 셰이퍼가 있다. 전자는 그 빔 형성 가능성에서 상당히 제한된다: 주로 소위 탑 햇(top hat) 빔, 베셀(bessel) 빔, 에어리(airy) 빔, 도넛 등과 같이 단순하고 일반적으로 축 대칭인 빔 형상만 생성될 수 있다. 복잡한 형상, 특히 회전 대칭 및 직사각형 대칭이 없는 형상은 자유 곡면을 사용해야 한다. 해당 설계 및 제조 방법은 이미 개발 중이지만 아직 산업 표준은 아니다. 대조적으로, 회절 빔 셰이퍼는 빔 형성 및 빔 스플리팅에 대한 훨씬 더 많은 가능성을 제공하는데, 그 이유는 해당 마이크로 광학 구조가 예를 들어 리소그래픽 방법, 사출 성형 또는 엠보싱에 의해 제조되며, 설정된 위상 검색 알고리즘에 의해 계산될 수 있기 때문이다. 또한, 예를 들면 액정 기술이나 마이크로 미러 어레이를 기반으로 하는 스위칭 가능한 빔 셰이퍼가 점점 더 시장에 나와 있다.
회절 빔 셰이퍼는 일반적으로 입사 (부정형(unshaped)) 레이저 빔에 이산 위상 지연(위상 분포)을 부여하는 1D 또는 2D 어레이 구조이다. 입사 레이저 빔의 위상 분포의 변화에 의해, 푸리에 평면(초점 면)에서의 그 강도 분포가 변경/변조된다. 공지된 회절 빔 셰이퍼들은 예를 들어, 유리 또는 플라스틱으로 제조되며 변경될 수 없는 고정 회절 구조를 갖는, 소위 회절 광학 요소(DOE)이다. 또한, 가요성/프로그램 가능 빔 셰이퍼, 예를 들어 공간 광 변조기(SLM), 바람직하게는 복굴절 액정을 갖는 액정 기반 위상 변조기가 공지되어 있다.
DOE에 통합되거나 SLM에 프로그램된 회절 구조는 위상 마스크라고 한다. 이러한 위상 마스크의 설계를 위해, 빔 형상에 대한 요구에 따라 선택되는 상이한 알고리즘이 사용된다. IFTA(Iterative Fourier Transform Algorithm)을 기반으로 하는 소위 회절 확산 알고리즘이 널리 사용된다. 이 알고리즘의 과제는, 입사 부정형 빔으로부터 위상 마스크에 가하는 것에 의해, 가공 평면에서 소정 빔 프로파일 또는 소정 강도 분포를 제공하는 많은 회절 차수를 생성하는 것이다. 이 경우, 회절 확산 알고리즘(또한 IFTA)은 빔 스플리팅 및 빔 형성에 사용될 수 있다. 빔 스플리팅은 생성된 개별 회절 차수들이 서로 충분한 거리에 있고 사실상 중첩되지 않을 때 사용된다. 빔 형성은 개별 회절 차수가 서로 너무 가까우며 국부적 중첩에 의해 평탄한 세기 분포로 나타나는 소정 빔 프로파일을 제공할 때 사용된다.
IFTA에 의해 생성된 위상 마스크는 다른 알고리즘에 비해 다수의 장점을 제공하기 때문에 레이저 재료 가공에 바람직하게 사용된다. 회절 확산 알고리즘 IFTA는
- 레이저 방사선의 에너지 이용의 매우 높은 효율을 제공한다(작은 산란 방사선),
- 빔 셰이퍼 상의 레이저 빔 위치에 대한 조정 민감도가 낮은 위상 마스크를 생성한다.
- 입력 빔의 개별 회절 차수로 소정 빔 프로파일을 구성하여, 생성된 빔 프로파일의 피사계 심도가 부정형의, 포커싱된 입력 빔의 피사계 심도와 동일하다.
- 구현하기가 비교적 쉽다(수학적으로 볼 때).
- 빠른 알고리즘이다(계산 시간 면에서).
특히, 각각의 회절 차수가 입력 빔의 이미지를 나타내는 빔 스플리터로서의 회절 확산기를 사용하는 경우, 이 알고리즘은 위치 및 각각의 포인트 성능의 조정에서 높은 정밀도를 제공한다: 현재, 가공 평면에서 개별 회절 차수의 출력의 변화가 ±0.5%의 범위 내에 있는, 빔 스플리터 위상 마스크가 생성될 수 있다.
나열된 장점 때문에 DOE 및 SLM에 대한 위상 마스크는 빔 스플리팅의 경우 종종 설명된 IFTA로 계산된다. 빔 형성의 경우, 이 알고리즘은 중요한 단점을 갖는다: 개별 회절 차수가 서로 너무 가깝기 때문에, 특정 경우(예를 들어, 인접한 회절 차수에서 위상 시프트의 경우), 상기 인접한 회절 차수들 사이에 바람직하지 않은 간섭이 발생한다. 건설적 및 상쇄적 간섭의 교대로 인해, 최대 100%의 콘트라스트 비가 나타난다. 이러한 간섭 현상 또는 스페클 패턴(speckle pattern)은 레이저 가공을 방해한다. 회절 확산 알고리즘(IFTA)에 의한 빔 형성에서는, 이 알고리즘의 많은 장점을 이용하기 위해 제거되어야 하는 큰 단점이 있다.
US 6,717,104 B2에는 예를 들어 레이저 방사선에 의해 재료를 가공하는 시스템이 개시되어 있고, 상기 시스템은 공작물로 안내되는 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스, 공작물 상에서 관련 강도 분포를 발생시키도록 레이저 빔의 위상 프로파일에 영향을 미치는 개별적으로 제어 가능한 요소를 갖는 공간 광 변조기(SLM), 및 상기 SLM에 연결된 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 개별적으로 제어 가능한 요소를 제어하여, 의도된 재료 가공에 적합한 소정 강도 프로파일이 공작물 상에서 달성되도록 레이저 빔의 위상 프로파일을 조정할 수 있다. 또한, SLM 전에 그리고 공작물 상에는 강도 분포를 검출하여 데이터를 제어 유닛으로 전송하는 센서들이 있으며, 상기 데이터를 기반으로 위상 분포의 편차가 정정된다.
EP 000000540759 A1에는 공간 내에 패턴을 발생시키는 광학 장치가 개시되어 있고, 상기 광학 장치는 적어도 하나의 코히어런트 광원, 코히어런트 광원의 광의 파면을 형성하기 위한 평면 광 변조기(Spatial Light Modulator SLM), 및 광 변조기 상에 복소 진폭 분포를 기록하는 장치를 포함한다. 광학 장치는 대상물에 (구조화된) 패턴을 제공하기에 적합하다. 특히 구조화될 대상물의 다중 노광이 설명되며, 이 노광에서는 구조화될 대상물 상에 동일한 패턴을 유도하는 상이한 데이터 세트가 시간상 차례로 광 변조기에 공급된다. 결과적으로, 대상물 상의 스페클 패턴이 평균화된다.
WO 00206104704 A1은 소정 픽셀 레이트를 가진 공간 광 변조기(SLM)를 사용하는 레이저 프로젝터에서 스페클 패턴을 감소시키는 장치를 설명한다. 이 장치에서, 레이저 빔은 빔 스플리터에 의해 2개의 빔으로 분할되고, 제 1 빔은 제 1의 1/2 파장 판에 의해 s-편광된 빔으로 형성되고, 제 2 빔은 제 2의 1/2 파장 판에 의해 p-편광된 빔으로 형성된다. 빔들은 스페클 패턴을 줄이기 위해 SLM 후에 조합된다. 이 문헌에 기술된 장치는 투영 스크린 상에 이미지를 재생하기 위한 레이저 프로젝터에 관한 것이며, 따라서 소위 주관적 스페클(subjective speckle)의 발생에 관한 것이다.
US 6,577,429 B1에는 예를 들면 투영 장치로서, 감소된 스페클 패턴 형성을 갖는 디스플레이 장치가 개시되어있다. 상기 디스플레이 장치는 실질적으로 펄스형 레이저, 레이저의 코히어런스 길이보다 길거나 같은 지연 시간만큼 서로 시간 지연된 부분 레이저 빔들을 생성하기 위한 빔 스플리터 장치, 부분 레이저 빔의 코히어런스를 감소시키는 확산기, 조명 균일성을 향상시키며 스페클 패턴 형성을 더 감소시키는 허니콤 적분기(honeycomb integrator), 평면 광 변조기, 및 이미지 디스플레이를 위한 투영 렌즈를 포함한다.
특히, 레이저 재료 가공에서 객관적 스페클 패턴, 즉 가공 평면에서 가공될 재료 표면 상에 직접 형성되는 스페클은 예를 들면 레이저 용접, 절삭, 납땜 등에서 가공 품질에 부정적인 영향을 미친다. 출원인의 미공개 대응 출원에는, 빔 품질을 어떻게 개선할 수 있는지에 대한 상이한 접근법들이 기술되어 있다. 특히 상기 출원에는 전술한 스페클 패턴을 어떻게 보상할 수 있는지에 대한 접근법들이 기술되어 있다.
본 발명의 과제는 임의의 코히어런트 및 형성된(shaped) 방사선에 의한 가공 품질을 증가시키기 위해, 회절 확산 알고리즘에 의해 생성된/형성된 빔 프로파일에서 개별적인 인접한 회절 차수들간의 바람직하지 않은 간섭의 발생을 억제하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상기 방법을 실시하기 위한 컴퓨터 유닛을 구비한 장치, 특히 레이저 어셈블리를 제공하는 것이다.
방법에 관련된 과제는 청구항 제 1 항 내지 제 13 항의 특징에 의해 해결된다.
본 발명에 따르면, 레이저 빔은 가공/이미징 평면에서 균일성 에러를 피하기 위해 적어도 하나의 빔 스플리터에 의해 적어도 2개의 부분 빔 또는 개별 빔으로 분할되고, 상기 부분 빔들 또는 개별 빔들은, 그 조합 및 상기 가공/이미징 평면 상에 그 포커싱 후에 강도 프로파일을 갖는 출력 빔을 형성하도록, 상이하게 조절되거나 또는 각각의 부분 빔 또는 개별 빔이 상이한 파장을 가진 레이저 소스로부터 형성되고, 상기 출력 빔의 강도 프로파일의 인접한 강도 최대치는 간섭 형성의 배제를 위해 적어도 하나 또는 다수의 광 특성 면에서 상이하다. 따라서 광의 특성들은 적어도 하나의 동일한 물리적 광 특징을 갖는 적어도 두 개의 광 빔이 조합될 때 간섭 형성에 대한 기준이 존재한다는 것을 의미한다. 인접한 강도 최대치는 각각 부분 빔 또는 개별 빔에 할당된다. 각각의 강도 최대치는 부분 빔 또는 개별 빔의 설정된 빔 프로파일로 인해 존재한다. 따라서, 인접한 회절 차수들 사이의 코히어런트 레이저 방사선에도 바람직하지 않은 간섭이 바람직하게 방지될 수 있으며, 이는 가공/이미징 평면에서 빔 품질을 현저히 높이고, 따라서 레이저 가공 프로세스의 개선을 돕는다. 따라서, 특히 전술한 스페클 패턴이 방지될 수 있다.
전술한 적어도 하나의 또는 다수의 상이한 광 특성과 관련해서 상이한 선택 가능성이 있다. 바람직한 방법 변형 예에서, 부분 빔들 또는 개별 빔들은 빔 셰이퍼 및/또는 지연 유닛 및/또는 파장 매니퓰레이터에 의해 그들의 위상 및/또는 그들의 강도 프로파일 및/또는 그들의 파장과 관련해서 상이하게 조절된다. 따라서, 하나의 경우 직접 인접한 서브 부분 빔의 간섭이 배제될 수 있는데, 그 이유는 이들이 상이한 소정 지연에서 시간상 상이하게 가공/이미징 평면에 부딪히기 때문이다. 즉, 시간상 레이저 방사선의 코히어런스 길이보다 길게 또는 펄스 방사선에서 펄스 지속 시간보다 길게 떨어져 있어서, 간섭할 수 없다. 다른 경우에, 적절한 빔 형성 및 개별 빔 또는 서브 부분 빔의 생성에 의해, 부분 빔의 서브 부분 빔들이 가공/이미징 평면에서 충분히 멀리 국부적으로 분리되어 투영되기 때문에 이들이 간섭할 수 없게 된다. 직접 인접한 강도 최대치가 약간 다른 파장을 갖는다면, 방해 간섭도 방지될 수 있다. 이러한 모든 방법 접근법은 서로 보완되므로, 이들의 조합 시, 전술한 바와 같이, 인접한 회절 차수들 간의 바람직하지 않은 간섭과 그로부터 나타나는 강도 콘트라스트(균일성 에러)를 피하는 이상적인 방법을 형성한다.
방해 스페클 패턴을 피하기 위한 특히 바람직한 방법 변형 예에서, 레이저 빔은 적어도 2개의 상이하게 편광된 부분 빔들로 분할되고, 상기 부분 빔들은 각각 빔 셰이퍼에 의해 그들의 강도 프로파일 면에서 변경되고 상이하게 편광된 부분 빔들의 조합 후에 가공/이미징 평면에서 두 부분 빔의 강도 프로파일이 중첩되어 설정 빔 프로파일을 형성하고, 강도 프로파일의 인접한 강도 최대치는 각각 상이한 편광을 가지며 각각 하나의 부분 빔에 할당된다. 이 경우 가공 또는 이미징 평면에서 인접한 강도 최대치가 상이하게 편광되기 때문에, 이들이 서로 간섭할 수 없으므로, 스페클 효과가 현저히 감소될 수 있고 레이저 가공 품질이 향상될 수 있다. 회전된 편광을 갖는 2개의 강도 분포의 상기 제안된 네스팅은 스페클 패턴으로서 방해 작용을 하는, 상기 의도치 않은 강도 변화 또는 상기 균일성 에러를 피할 수 있으며, 그럼에도 매우 유연한 방식의 빔 형성을 사용한다. 이와 관련하여, 레이저 빔이 먼저 상응하게 형성되고 이어서 부분 빔들의 조합 전에 빔 스플리팅 및 편광 회전이 이루어지는 방법도 가능하다.
가공/이미징 평면에서 부분 빔 또는 개별 빔(또는 서브 부분 빔)의 강도 프로파일이 반복 패턴 필드를 갖는 규칙적인 패턴으로서 조합되는 것이 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크의 컴퓨터 기반 생성과 관련하여 바람직하다. 따라서, 개별 패턴 필드들은 전체적으로 간단한 형상을 형성하도록 배치될 수 있어서, 규칙적인 패턴이 예를 들어 바둑판 패턴, 허니콤 패턴, 삼각형 또는 마름모 패턴 또는 다른 규칙 패턴으로서 존재한다. 따라서, 출력 빔의 강도 프로파일은 부분 빔 또는 개별 빔의 각각의 강도 프로파일에 의해 형성되는 인접한 패턴 필드들로 형성된다. 이 경우, 직접 인접한 패턴 필드들은 상기 광 특성 중 적어도 하나 이상에서 상이한 부분 빔들 또는 개별 빔들에 의해 다시 형성된다.
이 경우에, 적어도 하나의 제 1 유형(예를 들어, 유형 A)의 적어도 다수의 부분 빔은 바람직하게는 제 1 매트릭스 배열에서 서로 이격되고, 적어도 하나의 제 2 유형(예를 들어, 유형 B)의 적어도 다수의 부분 빔은 제 2 매트릭스 배열에서 서로 이격되며, 가공/이미징 평면에서 부분 빔들의 적어도 제 1 및 제 2 매트릭스 배열은 규칙적인 패턴을 형성하면서, 직접 인접한 패턴 필드가 부분 빔의 각각 상이한 유형에 할당되도록 서로 네스팅되어 배치된다(예를 들어, ABABA 등으로서의 규칙적인 패턴, 부분 빔 유형의 배열이 주어진다). 3개 이상의 유형의 부분 빔의 경우, 가공/이미징 평면에서 규칙적인 패턴의 패턴 필드에 대한 그들의 할당이 동일한 순서로 반복될 수 있다(3개의 유형의 부분 빔의 경우, 예를 들어 ABCABCABC 등으로서의 규칙적인 패턴, 부분 빔 유형의 배열이 주어진다). 그러나 상기 반복은 특정 어플리케이션에서 다른 반복 방식에 따라 이루어질 수 있고, 예를 들어 ABCABABABCABABABC 등으로서의 패턴 형성, 부분 빔 유형의 배열을 갖도록 이루어질 수 있다. 각각의 유형의 매트릭스 배열 내의 개별 부분 빔들은 바람직한 실시예에서는 적어도 상기 부분 빔들 사이에서 간섭 현상이 나타나지 않도록 서로 떨어져 있다.
출력 빔의 강도 프로파일은 가공/이미징 평면에서 다음에 설명되는 바와 같이 패턴 형성에 따라 매우 가변적으로 그리고 구체적으로 조정될 수 있다:
a) 적어도 하나의 제 1 유형 및 다른 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들이 서로 이격되므로, 특히 가공/이미징 평면 내에 상응하게 형성된 직접 인접한 패턴 필드들이 서로 조사되지 않은 거리 범위를 갖게 되어, 패턴이 부각된다. 대안으로서 또는 추가로, 적어도 제 1 유형 및 다른 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들이 직접 인접하여 및/또는 서로 중첩되도록 배치되고, 그에 따라 특히 가공/이미징 평면 내에 상응하게 형성된 직접 인접한 패턴 필드들이 갭 없이 서로 인접하고 및/또는 중첩한다.
b) 또한, 적어도 하나의 유형 또는 다수의 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들이 그들의 각각의 매트릭스 배열 내에서 동일한 빔 프로파일 또는 동일한 강도 값, 동일한 단면 크기 및/또는 동일한 단면 형상을 가짐으로써, 패턴이 부각된다. 대안으로서 또는 추가로, 적어도 하나 유형 또는 다수의 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들은 그들의 빔 프로파일 또는 그들의 강도 값, 그들의 단면 크기 및/또는 그들의 단면 형상이 다르다. 패턴 필드의 단면 형상은 예를 들면 원형, 직사각형 또는 정사각형, 삼각형, 마름모 또는 n 코너(n>5)로서 형성될 수 있다. 원칙적으로, 영(zero)의 강도 값은 상이한 유형의 각각의 매트릭스 배열 내에 국부적으로 제공될 수 있으므로, 국부적으로 어떤 부분 빔도 작용하지 않는다. 따라서, 조사된 및 조사되지 않은 패턴 필드를 갖는 규칙적인 패턴이 가공/이미징 평면에 존재할 수 있다. 어떤 패턴 필드들이 부분 빔들 또는 개별 빔들로 조사되는지 또는 조사되지 않은 채로 남는지에 대한 설정에 따라, 다양한 단면 형상을 가진 출력 빔이 가공/이미징 평면에 형성되고, 모든 조사된 패턴 필드들로부터 단면 형상이 주어진다.
c) 또한, 적어도 하나의 유형 또는 다수의 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들이 그들의 각각의 매트릭스 배열 내에서 동일한 초점 면에 이미징됨으로써, 패턴이 부각된다. 대안으로서 또는 추가로, 적어도 하나 이상의 유형 또는 다수의 유형, 특히 모든 유형의 부분 빔들은 그들이 각각 이미징되는 초점 면에서 상이하다. 이로 인해, 패턴 형성이 가공/이미징 평면의 임의의 면 프로파일에 따라 조정될 수 있다.
바람직한 방법 변형예에서는, 빔 셰이퍼에 의해 짧은 시간 간격으로 부분 빔들이 가공/이미징 평면에서 동일한 소정 강도 분포를 제공하는 적어도 하나의 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크로 연속적으로 수정된다. 이러한 위상 및/또는 진폭 마스크의 각각은 상이한 스페클 패턴을 초래한다. 상이한 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크가 빔 셰이퍼에 의해 연속적으로 디스플레이되면, 가공/이미징 평면에서 상이한 강도 콘트라스트 또는 스페클 패턴이 시간적으로, 즉 인코히어런트하게 중첩되어, 강도 콘트라스트 또는 스페클 콘트라스트의 감소를 일으키는 시간적 평균화가 주어진다. 교번 스페클 패턴들 사이의 거리가 충분히 짧으면, 가공 품질이 추가로 높아질 수 있다. 이 경우, 빔 형성에 사용된 시스템은 상이한 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크를 디스플레이하기에 충분히 높은 리프레시 속도를 갖는 것으로 가정된다.
설정 빔 프로파일에 따라, 레이저 가공을 위해 상이한 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크가 미리 정해지는 것이 바람직하다. 이들은 레이저 가공 시스템용 컴퓨터 유닛에 저장되거나 설정 빔 프로파일에 따라 생성될 수 있다.
바람직한 방법 변형 예에서, 부분 빔들은 각각 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크와 분리되어 또는 함께 수정된다.
바람직한 방법 변형 예에서, 공간 광 변조기(SLM)로서 설계된 회절 확산기가 빔 형성에 사용된다. 위상 변조에 의한 빔 형성은 바람직하게는 LCoS-SLM 유닛(Liquid Crystal on Silicon)에 의해 수행될 수 있고, 상기 LCoS-SLM 유닛에서는 각각의 픽셀이 액정의 상이한 제어 가능한 각 정렬을 갖기 때문에, 입사하는 레이저 빔의 위상이 복굴절 액정의 어레이에 의해 이산화될 수 있다. 이로써, 원시 빔(raw beam)에서 위상의 고분해능의, 신속하고 유연한 변화가 가능해질 수 있고, 푸리에 변환 후 가공 평면 또는 투영 평면에서의 레이저 전력 밀도 분포의 변화는 렌즈 시스템에 의해 조정될 수 있다. 빔 형성은 원칙적으로 빔 형성 모듈의 DMD 유닛(Digital Micromirror Device)을 사용한 진폭 변조에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 개별적으로 제어 가능한 마이크로 미러들의 어레이는 입사하는 레이저 빔을 다수의 작은 부분 빔들로 분할에 의해 이산화함으로써, 가공 평면에서의 레이저 빔의 강도 분포가 개별 빔들의 상이한 편향에 의해 조정될 수 있다. 이 경우, 입사 광은 수평 거울에 의해 부분적으로 다시 직접 재반사되거나, 또는 마이크로 미러를 기울임에 의해 부분적으로 빔 번들로부터 절단된다. 그러나 이는 에너지 효율을 감소시키며, 이는 빔 셰이퍼로서의 SLM 유닛에 비해 단점이 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 레이저 재료 가공에 사용되는 펄스형 또는 비펄스형 코히어런트 광원(레이저)이 사용될 수 있다.
펄스형 레이저가 사용되면, 레이저 빔은 각각의 부분 빔에 대해 상이한 강도 프로파일을 갖는 적어도 2개의 부분 빔 또는 개별 빔으로 분할된 후 지연 유닛에 의해 각각의 부분 빔 또는 개별 빔에 대해 상이하게 시간 지연될 수 있으므로, 그들의 조합 및 가공/이미징 평면 상에 그들의 포커싱 후에, 가공/이미징 평면에서 적어도 시간상 중첩 없이, 강도 프로파일을 갖는 출력 빔이 형성된다. 이 경우, 빔 셰이퍼는 각각의 부분 빔에 대해 상이한 강도 프로파일을 생성하기 위해 빔 스플리터와 조합되거나, 빔 조합 전에 지연 유닛 후에 배치될 수 있다. 이 방법 변형 예는 짧은 펄스 레이저 또는 초단 펄스 레이저, 예를 들면 피코 초 레이저 또는 펨토 초 레이저(ps 레이저 또는 fs 레이저)에, 가공/이미징 평면에서 바람직하지 않은 빔 간섭을 피하기 위해 바람직하게 사용될 수 있다.
부분 빔들의 조합 후에 시간적 중첩을 완전히 피하기 위해, 바람직한 방법 변형 예에서, 최소 지연은 레이저 빔의 펄스 지속 시간보다 크거나 같도록 선택된다.
바람직한 방법 변형 예에서, 제 1 부분 빔에 대해 지연이 선택되지 않고, 제 2 부분 빔에 대해 레이저 빔의 적어도 펄스 지속 기간에 상응하는 지연이 선택되며, 제 3 부분 빔에 대해 레이저 빔의 펄스 지속 기간의 적어도 2배의 지연이 선택되고, n 번째 부분 빔에 대해 레이저 빔의 적어도 하나의 (n-1)배 펄스 지속 시간의 지연이 선택된다. 따라서, 가장 빠른 부분 빔과 가장 느린 부분 빔이 가능한 짧은 거리를 두고 가공 평면에 도달하여, 전체 빔 프로파일이 최소로만 시간 왜곡되는 것이 달성될 수 있다.
다른 방법 변형 예에서는 레이저 빔이 n개의 부분 빔으로 분할되고, 그 중 적어도 하나의 부분 빔이 빔 셰이퍼에 의해 그 빔 형상과 관련해서 변경되고 다른 부분 빔(들)은 빔 형성 없이 적어도 하나의 빔 형성된 부분 빔과 함께 조합되어, 가공/이미징 평면 내의 가공될 공작물 상에 하나의 조사 필드를 형성하거나 또는 다른 부분 빔들이 의도적으로 간섭되어, 상이한 조사 과제가 동시에 수행된다. 따라서, 한편으로는 완전한 레이저 출력이 빔 형성될 필요가 없기 때문에, 빔 셰이퍼 유닛의 가열이 줄어들 수 있고, 다른 한편으로는 상이한 조사 과제가 하나의 단계에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 레이저 절삭 프로세스, 또는 레이저 간섭에 의해 지원되는 구조화 프로세스가 실현될 수 있다. 균일성 에러의 전술한 방지가 이 접근법으로 보장될 수 있다. 이 방법 변형 예에 대한 상세한 내용은 미공개 대응 출원에 설명되어 있다.
방법은, 그 변형 예로 이미 설명된 바와 같이, 레이저 가공 시스템에서 레이저 절삭, 레이저 드릴링, 레이저 마킹, 레이저 납땜, 레이저 용접, 레이저 절단, 레이저 소결 및 덧붙임 용접, 레이저 세척, 레이저 경화, 레이저 재용융, 레이저 합금 및 분산 또는 레이저 폴리싱을 위해 바람직하게 사용된다. 이 경우, 균일한 빔 형성을 가진 완벽한 빔 품질이 중요하다. 특히, 부정확성을 초래할 수 있는 빔 형성 중의 전술한 스페클 형성은 제시된 방법으로 보상될 수 있다.
상기 장치와 관련된 과제는 레이저 어셈블리 및 컴퓨터 유닛이 전술한 바와 같은 방법을 실시하기 위한 유닛을 포함하고, 레이저 빔이 적어도 하나의 빔 스플리터에 의해 부분 빔들 또는 개별 빔들로 분할될 수 있거나 또는 상이한 파장을 가진 레이저 소스로부터 각각의 부분 빔 또는 개별 빔이 생성될 수 있고, 상기 컴퓨터 유닛에 의해 제어될 수 있는 빔 셰이퍼 및/또는 지연 유닛 및/또는 파장 매니퓰레이터에 의해, 부분 빔들 또는 개별 빔들 위상, 편광, 파장 및/또는 강도 프로파일이 상이하게 조절될 수 있고, 빔 조합기에 의한 빔 조합 및 가공/이미징 평면 상에 포커싱 후에 강도 프로파일을 갖는 출력 빔이 형성될 수 있고, 상기 강도 프로파일의 인접한 강도 최대치는 간섭 형성을 배제하기 위해 그 광 특성 면에서 상이하다. 원칙적으로, 인접한 회절 차수 사이의 바람직하지 않은 간섭 현상(편광, 파장, 코히어런스 길이 또는 펄스 지속 시간을 초과하는 지연)을 피하기 위한 전술한 접근법/원칙 또는 레이저 어셈블리는 선택적으로 적어도 부분적으로 조합될 수 있고, 기존 레이저 가공 시스템에 통합될 수 있다. 이들의 조합은 많은 경우 장치의 설치 공간의 감소, 회절 차수의 유형의 개수 증가, 따라서 간섭 현상의 추가 감소와 관련하여 장점을 가져올 수 있다.
발명은 이하에서 도면에 도시된 실시예를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 회절 확산기에 의해 개별 빔 프로파일들을 중첩시켜 하나의 설정 프로파일을 형성하기 위한 다이어그램의 개략도.
도 2a 및 도 2b는 객관적 및 주관적 스페클 간의 차이를 나타내는 개략도.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)는 본 발명의 원리를 나타내는 개략도.
도 4는 상이하게 빔 분할된 4개의 프로파일을 네스팅(nesting)하여 하나의 직사각형 탑 햇으로 만드는 것을 나타내는 개략도.
도 5는 공작물을 가공하기 위한 레이저 어셈블리의 개략도.
도 6은 상이하게 편광된 부분 빔 프로파일들을 중첩시켜 하나의 설정 프로파일을 형성하기 위한 다른 다이어그램.
도 7은 상이한 파장을 갖는 2개의 레이저 소스에 의해 공작물을 가공하기 위한 레이저 어셈블리의 개략도.
도 8은 상이한 파장의 부분 빔을 갖는 대안적인 레이저 어셈블리의 다른 개략도.
도 9는 레이저 빔을 상이한 부분 빔들 및 개별 빔들로 분할하는 레이저 어셈블리의 다른 개략도.
도 10은 펄스형 레이저 소스를 갖는 레이저 어셈블리의 다른 개략도.
도 1은 회절 확산기(diffractive diffuser; 16)를 사용할 때 나타나는 전술한 단점을 다이어그램(10)으로 개략적으로 도시한다. 거리(12)에 따른 강도(11)의 변화로서 개략적으로 도시된 설정 프로파일(13)의 강도 분포는 확산기(16)를 이용해서 다수의 회절 차수들(14)의 중첩에 의해 형성된다. 상기 회절 차수들(14)이 서로 너무 가깝고 심한 위상 변화를 갖는 경우, 이들은 서로 간섭하고, 스페클(15)이라고도 하는 바람직하지 않은 간섭 현상이 형성된다. 이러한 균일성 에러 또는 스페클 패턴은 건설적 및 상쇄적 간섭의 교대로 인해 설정 프로파일(13)의 이미징을 방해한다.
사용된 이미징 시스템에 따라, 주로 영어 문헌에서 "주관적"과 "객관적 스페클"이 구분된다. 주관적 스페클들은 예를 들어 거친 표면을 갖는 스크린의 관찰에 의해 생기며, 예를 들면 관찰 각에 따라 변하는데, 그 이유는 위상 오프셋 및 그로부터 나타나는 간섭 패턴이 스크린 상에서 (또는 광학 시스템 내의 표면에 의해서도) 예를 들면 표면 거칠기에 의해 나타나기 때문이다. 객관적 스페클들은 회절 광학 요소(DOE)에서의 위상 점프에 기인하고, 따라서 위상 마스크의 푸리에 변환에 의해 결정된다.
도 2a 및 도 2b는 차이점을 개략적으로 나타낸다. 객관적 스페클은 회절 광학 요소(DOE) 또는 공간 광 변조기(SLM)(여기서는 빔 셰이퍼(26, 30)로서 개략적으로 도시됨, 도 3 참조)로 소정 빔 형성 후에 초점 면 또는 가공/이미징 평면(29)(도 3 참조)에 생긴다. 즉, 간섭 패턴은 사용된 빔 형성 방식으로 인해 레이저 빔(22)의 코히어런트 방사선의 위상 변조로서 발생한다. 이들 간섭 패턴은 관찰자의 눈에서 발생하지는 않지만, 초점 면 또는 가공/이미징 평면(29)에는 스페클(15)로서 이미 존재한다. 이 객관적 스페클(29)은 본 발명의 과제 설정에 따라 방지되어야 한다.
이와는 대조적으로, 도 2b는 코히어런트 방사선(레이저 빔(22))으로 조명된 확산 표면(18) 상의 쉬머(shimmer)로서 "주관적 스페클"의 발생을 개략적으로 나타낸다. 확산 표면(18)은 실제로 임의의 거친 표면이다. 특히, 코히어런트 방사선의 파장 크기의 거칠기를 갖는 표면에서 상기 효과가 나타날 수 있다. 이러한 스페클은 표면(18)에서의 회절로 인해 발생하는 간섭이다. 그러나 이러한 스페클들(15)은 관찰자의 눈(19) 또는 카메라에 나타날 수 있다. 이미징 평면에는 상기 스페클 패턴이 없다.
본 발명의 핵심은, 인접한 회절 차수들 사이에서 바람직하지 않은 간섭이 발생하지 않으면서, 빔 형성을 수행할 수 있도록 코히어런트 방사선의 빔 스플리팅을 위한 위상 마스크를 계산하기 위한 회절 확산 알고리즘의 모든 장점이 이용된다는 것이다. 이 경우, 다음 원칙이 사용된다:
1) 전술한 바와 같이, 회절 확산 알고리즘 IFTA를 사용하여 빔 스플리팅을 위한 위상 마스크가 쉽고 정확하게 계산될 수 있다.
2) IFTA를 이용한 빔 형성에서, 레이저 광이 코히어런트하기 때문에, 중첩되는 회절 차수들 사이의 방해 아티팩트/간섭(스페클)이 발생한다.
3) 국부적으로 중첩하는 2개의 레이저 빔은
ⅰ) 상이한 편광을 갖는 경우
ii) 상이한 파장을 갖는 경우
iii) 시간상 레이저 방사선의 코히어런스 길이보다 길게 분리되는 경우
iv) 시간상 중첩되지 않는 경우(예를 들어, 펄스형 레이저에서, 하나의 펄스가 다른 펄스와 동시에 나타나지 않고 그 후에야 나타나는 경우) 간섭하지 않을 수 있다.
원칙들 i) 내지 iv)은 도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)에 개략적으로 도시된 바와 같이, 다음의 사상과 조합되는 경우, 인접한 및 중첩되는 회절 차수들 사이의 바람직하지 않은 간섭의 형성을 피하기 위한 해공간(solution space)을 형성한다.
예로서, 도 3의 (a)는 2개의 회절 차수가 중첩되어 방해할 수 있는, 설정 빔 프로파일(33)(여기서는 직사각형)을 도시하고 있으며, 이는 간섭 스페클 패턴으로 나타나는 강도 추가 상승 및 강하를 야기한다. 도 3의 (b) 및 도 3의 (c)는 부분 빔(35)의 2가지 유형 A 및 B에 대해 각각 제 1 부분 빔(37.1)(유형 A) 및 제 2 부분 빔(37.2)(유형 B)의 출력 강도 프로파일을 도시한다. 도 3의 (c)에 도시된 패턴은 도 3의 (b)에 도시된 패턴에 대해 상보적이다. 유형 A의 부분 빔(35) 및 유형 B의 부분 빔(35)은 각각 매트릭스 배열(MA 및 MB)로 존재하며, 매트릭스 배열에서 강도 값(37.1 또는 37.2)을 갖는 부분 빔들(35)은 각각의 그리드의 가상 교점에 배치된다. 그리드는 예를 들어 서로 직각으로 또는 일정 각으로 연장하는 주 그리드 선들을 가질 수 있다. 각각의 유형의 매트릭스 배열(MA, MB) 내의 개별 부분 빔들(35)은 적어도 상기 부분 빔들(35) 사이에 어떠한 간섭 현상도 발생하지 않을 정도로 서로 멀리 떨어져 있다. 도 3의 (d)는 2개의 부분 빔(35)으로 구성된 출력 빔(28)에 대한 강도 프로파일(28.1)을 나타내며, 회절 차수 "A" 및 "B"가 매우 상이한 광 특성을 갖기 때문에 2개의 회절 차수는 중첩되지만 간섭할 수 없다. 출력 빔(28)은 반복 패턴 필드들(MFA, MFB)로 이루어진 규칙적인 패턴(M)으로서 형성되고, 상기 규칙적인 패턴(M)은 가공/이미징 평면에서 부분 빔들(35)의 제 1 및 제 2 매트릭스 배열(MA, MB)의 상보적인 네스팅으로부터, 직접 인접한 패턴 필드들(MFA, MFB)이 부분 빔들(35)의 각각 상이한 유형에 할당되도록 형성된다. 본 발명의 핵심 아이디어는 인접한 회절 차수들이 IFTA-기반 빔 형성에서 삭제되어, IFTA가 실제로 빔 스플리팅을 위한 위상 마스크를 계산해야 한다(도 3의 (a)로부터 도 3의 (b)로의 단계 1). 이러한 계산으로부터 생기는 이미지는 갭들을 가질 것이다(도 3의 (b) 참조, 여기서는 바둑판 패턴으로서 형성됨). 단계 3에서, 상기 갭들은 다시 폐쇄되어야 하고(도 3의 (d)), 특히 제 1 회절 차수를 간섭할 수 없는 개별 회절 차수들로 구성된, 단계 2에서 생성된 상보적인 이미지로 폐쇄되어야 한다(원칙 i) 내지 iv)에 따라, 도 3의 (c) 참고).
도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)는 아이디어의 개략도만을 도시하고, 형성된 규칙적인 패턴(M)은, 앞에서 이미 일반적인 설명 부분에서 설명된 바와 같이, 특히 적어도 하나의 변화 가능성에 따라 또는 다수의 변화 가능성 a)-c)의 조합으로 다양하게 부각될 수 있다. 동일하거나 유사한 방식으로, 2개의 상이한 유형의 회절 차수 "A" 및 "B"가 하나의 소정 빔 프로파일로 조합될 뿐만 아니라, 동일한 유형의 회절 차수들 사이의 거리를 증가시키고 간섭을 더 최소화하거나 완전히 제거하기 위해(도 4), 더 많은 회절 차수 유형들이 사용되는 것도 가능하다("C", "D " 등으로 표시). 여기에는 각각 상이한 출력 강도 프로파일(37.1 ... 37.4)을 가지며 조합되어 강도 프로파일(28.1)을 갖는 하나의 출력 빔(28)을 형성하는 4개의 부분 빔(35)이 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 부분 빔(35)의 4개의 매트릭스 배열(MA, MB, MC, MD)이 강도 프로파일(37.1, 37.2, 37.3, 37.4)과 ABCD 배열로서 서로 네스팅되는 방식으로, 전체적으로 출력 빔(28)이 인접한 필드 패턴(MFA, MFB, MFC, MFD)의 규칙적인 패턴(M)으로서 형성된다. 대안으로서, 패턴 필드들(MFA, MFB, MFC, MFD)의 반복 방식은 다르게, 예를 들어 ABACAD 배열, ABCABD 배열, ABABCABCD 배열 또는 다른 배열로서 형성될 수 있다.
이 실시예는 이하에서 상세히 설명될 것이다. 도 3의 (d)의 단계 3에 도시된 바와 같은 회절 차수의 배열에서, 소정 빔 프로파일(직사각형 탑 햇)의 균일성은 빔 스플리팅 IFTA로 생성된 인접한 회절 차수 사이의 거리에 의존한다. 따라서 IFTA 계산을 위한 회절 차수들 사이의 거리(s)는 빔 형성에서 소정 강도 분포의 균일성에 대한 요구로부터 결정된 다음, IFTA에 의해 조정될 수 있다. 예를 들어, 탑 햇에서 대개 0%-10% 범위의 빔 프로파일 균일성이 요구된다. 어림 계산 및 강도 다이어그램으로부터, 이 경우 인접한 회절 차수들 사이의 거리(s)는 단일 회절 직경(D)의 1/2 내지 전체의 범위 내에 있어야 하는 것으로 나타난다. 프로그램 가능한 회절 빔 셰이퍼(예를 들어 Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulatoren LCoS SLM)의 경우, 인접한 회절 차수들 사이의 거리(s)는 매우 유연하게 조정될 수 있다.
도 5 내지 도 10은 이 개념의 기술적 실현을 위한 구체적인 레이저 어셈블리(20)를 도시한다.
도 5는 공작물을 가공하기 위한 본 발명에 따른 레이저 어셈블리(20)의 개략도를 도시한다.
레이저 소스(21)로부터, 레이저 빔(22)은 빔 스플리터(23)에 의해 2개의 빔 경로로, 즉 하나의 p-편광된 부분 빔(24) 및 하나의 s-편광된 부분 빔(25)으로 분할된다. 이는 예를 들어 편광 빔 스플리터에 의해 이루어질 수 있다. 각각의 빔 경로에서 레이저 출력은 예를 들어 출력 방사선의 편광 조정에 의해 조정 가능해야 한다. s-편광된 부분 빔(25)은 입사면에 대해 수직으로(인덱스: s) 선형 편광된 빔 성분이다. 이는 문헌에서 횡단 전기(TE) 성분이라고도 한다. 다른 경우, p-편광된 빔(24)에는 입사면에서 평행하게(index: p) 선형 편광된 웨이브의 진폭이 고려된다. 이는 문헌에서 횡단 자기(TM) 성분이라고도 한다.
과제는 재료 가공을 위해 예를 들어 컴퓨터 유닛(34)에 저장된, 미리 정해질 수 있는 설정 빔 프로파일(33)(I0)을 가공/이미징 평면(29)에 이상적으로 투영하는 것이다. 그러나 시스템 에러 및 스페클(15)(도 1 참조)로 인해, 편차를 갖는 빔 프로파일이 생성될 것이다.
본 발명에 따라, 2개의 p-편광된 및 s-편광된 부분 빔(24, 25)은 빔 셰이퍼(26, 30)에 의해, 각각의 부분 빔에 대해 상이한 강도 프로파일(24.1 I(p) 및 25.1 I(s))이 주어지도록, 각각 수정된 다음, 후속해서 상기 강도 프로파일들이 빔 조합기(27)에 의해 조합되어, 공통 강도 프로파일(28.1 I(a))을 갖는 출력 빔으로서 가공/이미징 평면(29) 상으로 투영된다. 강도 프로파일들(24.1 I(p) 및 25.1 I(s))은 한편으로는 서로 간섭할 수 없고 방해 스페클(15)을 생성할 수 없도록 공간적으로 미리 정해진다. 다른 한편으로는, 강도 프로파일들(24.1 I(p) 및 25.1 I(s))은 출력 빔(28)이 가공/이미징 평면(29)에서 중첩으로서, 이상적으로는 미리 정해진 설정 빔 프로파일(33 (I0))에 상응하는 강도 프로파일(28.1 I(a))을 갖고, 인접한 개별 빔들은 상이하게 편광된다. 바람직한 강도 분포는 바둑판 패턴의 강도 분포에 상응할 수 있고, 바둑판의 백색 필드들은 예를 들어, p-편광된 부분 빔(24)의 개별 강도 분포에 상응하며 검은 필드들은 s-편광된 부분 빔(25)의 개별 강도 분포에 상응한다. 상이한 편광을 갖는 방사선이 간섭하지 않기 때문에, 상기 배열에 의해 스페클 효과가 상당히 감소될 수 있다. 벌집 패턴의 형태인 육각형 형상도 가능하다.
원래 레이저 빔의 적절한 편광은 예를 들어, 빔 스플리터 전에 지연 플레이트(delay plate)에 의해 조정될 수 있다(도 5에 도시되지 않음). 빔 스플리터는 편광 빔 스플리터 큐브로서 또는 박막 편광자로서 구현될 수 있다.
다른 방법 변형 예에서, 상기 방법들의 전술한 조합, 상이하게 편광된 부분 빔들의 중첩, 및 스페클(15)의 추가 감소에 관련한 스페클 패턴의 시간 평균화 방법이 바람직하다.
컴퓨터 유닛(34)에서, 상응하는 강도 프로파일들(24.1 및 25.1)이 계산되어, 빔 셰이퍼(26, 30)의 제어가 이루어질 수 있다. 빔 가이드를 위해, 특히 다양한 편향 거울(31, 32) 및 명확성을 위해 도 5 및 다른 도면에 도시되지 않은 거울 및/또는 렌즈 시스템과 같은 다른 광학 시스템이 사용된다.
도 6은 강도 프로파일(24.1 I(p) 및 25.1 I(s))을 갖는 상이하게 편광된 부분 빔들로 도 1의 설정 프로파일(13)의 구성을 거리(12)에 따른 강도(11)의 변화로서 도시된 다이어그램(10)으로 도시하고, 인접 빔들은 그들의 상이한 편광으로 인해 간섭하지 않으며, 따라서 방해 간섭 현상 또는 스페클 패턴을 생성할 수 없다.
2개의 빔 분할된 강도 프로파일을 합하여 하나의 공통 이미지를 형성할 때, 높은 정확도로 조정이 이루어져야 한다: 예를 들면 40㎛ 크기의 개별 스폿에서, 수 마이크로미터만큼 2개의 빔 프로파일 간의 시프트는 큰 바람직하지 않은 강도 변화를 초래할 수 있다.
도 5에 도시된 구성에 대한 다소 단순한 대안으로서, 단 하나의 빔 셰이퍼 또는 빔 스플리터가 사용되어 개별 회절 차수로부터 바둑판 패턴을 생성하는 구성이 사용될 수 있다. 이 바둑판 패턴은 2개의 빔 경로로 분할되고, 개별 빔 경로의 편광은 2개의 빔이 후속하는 조합 동안 더 이상 간섭할 수 없도록 조작된다. 조합은 두 바둑판 패턴의 개별 회절 차수가 서로 맞물리도록 이루어진다. 이 경우, 이 구성의 단점이 명확해진다: 빔 프로파일의 2개의 측면에 갭들이 생겨 레이저 가공 프로세스에 방해가 될 수 있지만 반드시 그런 것은 아니다. 장점은 제 2 빔 스플리터/빔 셰이퍼의 절감 및 이와 관련된 전체 시스템의 복잡성 감소이다.
공지된 바와 같이, 파장 차이가 수 피코미터를 초과하면, 상이한 파장의 코히어런트 레이저 방사선은 간섭하지 않는다. 2개의 회절 빔 셰이퍼(바람직하게는 SLM 또는 DOE)에 의해 도 3의 (a) 내지 도 3의 (d)에 도시된 원리에 따라 빔 분할되고 가공 평면에서 다시 조합된, 충분한 스펙트럼 거리를 갖는 상이한 파장의 2개의 레이저 빔이 사용되는 경우, 동일한 유형의 개별 회절 차수들이 국부적으로 적게만 중첩된다. A 회절 차수와 B 회절 차수가 상이한 파장을 갖기 때문에, 상이한 유형(A와 B)의 회절 차수의 중첩이 간섭을 전혀 일으키지 않는다. 상이한 유형의 회절 차수들의 바둑판 패턴의 네스팅의 핵심 원리는 여기서도 전술한 실시예에서와 같이 적용된다. 차이점은 여기서는 편광이 아니라 두 빔 경로의 파장이 조작된다는 것이다.
도 7은 λ1 및 λ2의 방사선을 방출하는 2개의 레이저 소스(21)를 갖는 대응하는 레이저 어셈블리(20)를 도시하며, 2개의 파장은 단지 약간 상이하다. 제 1 레이저 소스(21)의 레이저 빔(22)은 제 1 빔 셰이퍼(26)에 의해 형성된다. 제 2 레이저 소스(21)의 레이저 빔(22)은 제 2 빔 셰이퍼(30)에 의해 형성된다. 2개의 빔의 2개의 출력 강도 프로파일(37.1 및 37.2)은 빔 조합기(27)에 의해 조합되어, 중첩된 강도 프로파일(28.1)을 갖는 출력 빔(28)을 형성하고 가공/이미징 평면(29)에 포커싱된다. 직접 인접한 개별 회절 이미지들이 상이한 파장을 갖기 때문에, 이들은 간섭할 수 없으므로, 방해 간섭 및 그에 따라 방해 스페클 패턴이 방지된다.
대안으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 2개의 레이저 소스(21)(도 7에 따른) 대신에 단 하나의 레이저 소스가 사용될 수 있고, 이 경우 레이저 빔(22)을 2개의 레이저 빔으로 분할한 후에 하나의 부분 빔의 파장이 파장 매니퓰레이터(38)에 의해 조작된다. 구체적으로 파장이 어떻게 조작될 수 있는지는 중요하지 않으며 모든 알려진 방법으로 수행될 수 있다. 단 하나의 빔 셰이퍼가 사용되는 실시예도 가능하다.
추가의 대안으로서, 3개 이상의 회절 차수를 사용하는 것이 가능하다: 최종 빔 프로파일은 3개 이상의 회절 패턴으로 구성될 수 있다(도 4에 도시된 바와 같이, 회절 패턴들 A, B, C, D 등 참조). 이를 위해 모든 빔 경로에서 파장이 상이해야 한다.
인접한 회절 차수들이 더 이상 서로 코히어런트하지 않다면, 이들은 간섭하지도 않는다. 이는 도 7에서와 같은 구성이 사용되는 경우일 수 있다. 2개의 레이저 소스(21)의 파장은 동일할 수 있다. 그러나 2개의 상이한 레이저 소스(21)의 사용에 의해서도, 2개의 빔이 더 이상 서로 코히어런트하지 않기 때문에, 이들의 회절 차수가 간섭할 수 없다. 대안은 파장 매니퓰레이터(38) 대신에, 시간 지연기가 제 2 빔 경로에 통합됨에도, 도 8에서와 같이 하나의 레이저 소스를 사용하는 것일 수 있다. 상기 지연기 또는 지연 선은 제 2 빔이 제 1 빔과 더 이상 코히어런트하지 않을 때까지 제 2 빔을 지연시킬 것이다. 시간 지연에 대한 요건은 빔 소스의 코히어런스 길이를 아는 것으로부터 얻어진다. 코히어런스 길이가 예를 들어 Xm이면, 공간 지연은 적어도 Xm이거나 시간 도메인: Δt = Xm/c로 전송되어야 하고, 상기 식에서 c는 광속이다. 50 m이면, 1.67×10-7s의 시간 지연이 필요할 것이다. 빔 지연은 예를 들어 광 경로의 연장(빔을 왕복 반사하는 다수의 거울로 이루어진 구성)에 의해 또는 주변 매체(예를 들어 유리 블록)에서보다 낮은 광속을 갖는 광학적으로 치밀한 매체의 설치에 의해 이루어질 수 있다.
다른 대안은 3가지 이상의 유형의 회절 차수를 사용하는 것이다: 최종 빔 프로파일은 도 4에 도시된 바와 같이 3개 이상의 회절 패턴(회절 패턴들 A, B, C, D 등)으로 구성될 수 있다. 이를 위해, 모든 부분 빔은 코히어런스 길이의 n 배만큼 지연되어야 하며, 여기서 n은 각각의 부분 빔의 수이다.
도 9는 도시된 실시예에서 펄스형 레이저로서 구현된 레이저 소스(21)로부터, 강도 프로파일(22.1)을 갖는 레이저 빔(22)이 빔 스플리터(23)에 의해 상이한 부분 빔들(35)로 분할되는 다른 레이저 어셈블리(20)를 개략적으로 도시한다. 도시된 실시예에서 4개의 부분 빔(35)의 각각은 강도 프로파일(35.1 ... 35.4)을 가지며 지연 유닛(36)에 의해 상이하게 지연될 수 있다. 또한, 이 부분 빔들(35)의 각각은 각각의 부분 빔에 대한 빔 셰이퍼(37)에 의해, 각각 출력 강도 프로파일(37.1 ... 37.4)을 갖는 다른 서브 부분 빔들로 분할된다. 빔 셰이퍼(37)는 예를 들어 SLM 또는 DOE로서 구현되며, 지연 유닛(36)과 마찬가지로 여기에 도시되지 않은 컴퓨터 유닛(34)에 의해 제어된다. 서브 부분 빔이 국부적으로 중첩되지 않기 때문에, 상기 마지막 분할은 스페클 형성의 관점에서 문제가 되지 않는다. 이제, 서브 부분 빔들로 구성되는 부분 빔들(35)이 빔 조합기(27)에 의해 조합되어 출력 빔(28)으로서 가공/이미징 평면(29) 상에 포커싱된다. 각각의 부분 빔(35)은 가공/이미징 평면(29)에서 일종의 픽셀 필드를 형성하고, 서브 부분 빔의 크기는 출력 빔(28)의 강도 프로파일(28.1)에 의해 형성되는 전체 이미지의 분해능 한계를 나타낸다. 상이한 부분 빔들(35)을 구성하는 서브 부분 빔들은 시간 오프셋되어 가해지기 때문에 간섭없이 국부적으로 중첩될 수 있다. 부분 빔들(35) 및 서브 부분 빔들로의 레이저 빔(22)의 다단계 분할, 부분 빔들(35)의 상이한 시간 지연, 및 하나의 이미지로의 서브 부분 빔들의 조합에 의해, 스페클 없는 이미지가 주어진다.
전술한 방법 변형들 또는 설명된 장치 실시예들은 펄스형 및 비펄스형 코히어런트 방사선으로 기능한다.
펄스형 단파 또는 초단파 펄스 레이저의 경우, 펄스 지속 시간은 일반적으로 수 마이크로초 내지 수 펨토초이다. 개별 펄스들 간의 시간 간격은 일반적으로 펄스 길이 자체보다 훨씬 더 길다. 이러한 상황은 빔 형성 중에 스페클 패턴을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 펄스형 레이저 빔은 다수의 빔으로 분할되고, 그들의 각각은 하나의 부분 빔 프로파일로 형성된다. 분할되어 형성된 모든 빔이 다시 조합되고, 부분 빔 프로파일들은 전체 소정 빔 프로파일을 제공한다. 모든 부분 빔의 광 경로가 동일하다면, 간섭은 전체 빔 프로파일을 형성하기 위해 부분 빔 프로파일을 국부적으로 중첩할 때 나타날 것이다. 그러나 부분 빔들이 각각 상이하게 지연되는 경우, 시간 중첩이 없기 때문에 그들의 국부적 중첩 시 간섭이 나타나지 않을 것이다. 이는 지연이 펄스 길이보다 길고, 부분 빔들이 적어도 펄스 길이의 시간 간격을 갖는다고 가정한다. 그러나 가공 평면에 부딪히는 가장 빠른 부분 빔과 가장 느린 부분 빔 사이의 시간 간격을 가능한 한 짧게 유지하여, 전체 빔 프로파일을 시간상 왜곡시키지 않도록 해야한다.
이 방법 변형 예의 구성 및 작동에 대한 설명은 도 10에 도시된 레이저 어셈블리(20)를 이용하여 이루어진다. 펄스형 레이저 빔(22)은 예를 들어 피코 초 레이저 또는 펨토 초 레이저로 구현되는 레이저 소스(21)로부터 빔 스플리터(23) 및 빔 셰이퍼(37)에서 예를 들어 4개의 부분 빔들(35)로 분할된다. 이 부분 빔들은 확산기에 의해, 각각의 부분 빔(35.1, 35.2, 35.3, 35.4)에 대해 상이한 강도 프로파일을 갖는 상이한 빔 패턴으로 형성된다. 이 빔 패턴들의 각각은 유일하다. 모든 개별 빔 패턴을 빔 조합기(27)에 의해 가공/이미징 평면(29)에서 조합하면, 예를 들어 정사각형(즉, 정사각형 탑 햇) 강도 프로파일(28.1)을 갖는 전체 빔 프로파일을 갖는 출력 빔(28)이 얻어진다. 부분 빔들이 조합될 때까지, 부분 빔들(35)의 각각은 지연 유닛(36)(지연 선)에 의해 상이하게 지연된다. 전술한 바와 같이, 최소 지연은 1 펄스 지속 시간보다 길거나 같아야 한다. 예를 들어, 펄스 지속 시간이 1 ps인 경우 Δt1 = 0 s이어야 하고 Δt2 ≥ 1 ps이어야 한다. n번째 부분 빔의 지연은 Δtn = (n-1) × 1 ps일 것이다. 이러한 방식으로, 확산기에 의해 형성된 빔 패턴은 국부적으로 중첩되지 않기 때문에 서로 간섭할 수 없다. 중첩되는 영역은 서로 시간적으로 분리되기 때문에 간섭할 수 없는 각각 상이한 부분 빔들(35) 내에 위치한다. 따라서, 가공 평면(29)에서 스페클 형성이 방지되고, 형성된 레이저 빔에 의한 가공 품질이 보장된다.
대안으로서, 여기에 도시되지 않은 다른 방법 변형 예 또는 레이저 어셈블리(20)에서, 빔 셰이퍼(37)는 지연 유닛(37) 후에 그리고 빔 조합기(27) 전에 배치될 수 있다.
인접한 회절 차수들 사이의 바람직하지 않은 간섭 현상(편광, 파장, 코히어런스 길이 또는 펄스 지속 시간을 초과하는 지연)을 방지하기 위한 전술한 접근법들/원리들은 하나의 장치에서 조합될 수 있다. 이들의 조합은 많은 경우 장치의 설치 공간의 감소, 회절 차수의 유형들의 개수 증가, 따라서 간섭 현상의 추가 감소와 관련하여 장점을 가져올 수 있다.
제시된 방법은 빔 셰이퍼(26, 30, 37)를 구비한 레이저 가공 시스템에 사용될 수 있다. 스페클 패턴을 피하거나 시간 평균화하기 위한 전술한 개념의 적용 분야는 다양하다. 원칙적으로 이 방법은 모든 알려진 레이저 가공 프로세스, 특히 마이크로 가공에 사용될 수 있다: 레이저 용접, 레이저 폴리싱, 레이저 절삭, 마킹, 드릴링, 레이저 세척 등에 사용될 수 있다.
20 레이저 어셈블리
22 레이저 빔
23 빔 스플리터
24, 25, 35 부분 빔 또는 개별 빔
24.1, 25.1, 37.1, 37.2, 37.3, 37.4 강도 프로파일
26, 30, 37 빔 셰이퍼
28 출력 빔
29 가공/이미징 평면
33 설정 빔 프로파일

Claims (15)

  1. 레이저 어셈블리(20)에서 레이저 빔(22)은 가공/이미징 평면(29) 상에 포커싱되고, 상기 레이저 빔(22)은 적어도 하나의 빔 셰이퍼(26, 30)에 의해 그의 강도 분포 면에서 조정될 수 있는, 레이저 가공 프로세스에서 빔 형성 방법에 있어서,
    상기 레이저 빔(22)은 상기 가공/이미징 평면(29)에서 균일성 에러를 방지하기 위해 적어도 하나의 빔 스플리터(23)에 의해 적어도 2개의 부분 빔 또는 개별 빔(24, 25, 35)으로 분할되고, 상기 부분 빔 또는 개별 빔들은, 그 조합 및 상기 가공/이미징 평면(29) 상에 그 포커싱 후에 강도 프로파일(28.1)을 갖는 출력 빔(28)을 형성하도록, 상이하게 조절되거나 또는 각각의 부분 빔 또는 개별 빔이 상이한 파장을 갖는 레이저 소스(21)로부터 형성되고, 상기 강도 프로파일(28.1)의 인접한 강도 최대치는 간섭 형성을 배제하기 위해 적어도 하나의 또는 다수의 광 특성 면에서 상이한 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부분 빔들 또는 개별 빔들(24, 25, 35)은 빔 셰이퍼(26, 30, 37) 및/또는 지연 유닛(36) 및/또는 파장 매니퓰레이터(38)에 의해 그 위상 및/또는 그 강도 프로파일(24.1, 25.1, 37.1, 37.2, 37.3, 37.4) 및/또는 그 파장 면에서 상이하게 조절되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 빔(22)은 적어도 2개의 상이하게 편광된 부분 빔으로 분할되고, 상기 부분 빔들은 각각 빔 셰이퍼(26, 30)에 의해 그 강도 프로파일(24.1, 25.1) 면에서 변경되고, 상이하게 편광된 부분 빔들의 조합 후에 두 부분 빔의 상기 강도 프로파일(24.1, 25.1)이 상기 가공/이미징 평면(29)에서 중첩되어 설정 빔 프로파일(33)을 형성하고, 상기 강도 프로파일(24.1, 25.1)의 인접한 강도 최대치는 각각 상이한 편광을 갖는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 빔 또는 개별 빔의 상기 강도 프로파일(24.1, 25.1, 37.1, 37.2, 37.3, 37.4)은 상기 가공/이미징 평면(29)에서 상기 출력 빔(28)을 형성하면서, 예를 들면 바둑판 패턴 또는 벌집 패턴 또는 삼각형 패턴 또는 마름모 패턴 또는 다른 규칙 패턴의 형태로 반복하는 패턴 필드들(MFA, MFB, MFC, MFD)을 가진 규칙적인 패턴(M)으로서 조합되고, 직접 인접한 패턴 필드들(MFA, MFB, MFC, MFD)은 각각 상이한 유형의 부분 빔 또는 개별 빔에 할당되고, 상기 상이한 유형의 부분 빔 또는 개별 빔은 적어도 하나의 광 특성에서 상이한 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 셰이퍼(26, 30, 37)에 의해 짧은 시간 간격으로 상기 부분 빔들(24, 25, 37)이 연속해서 적어도 하나의 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크로 수정되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 설정 빔 프로파일(33)에 따라, 레이저 가공을 위해 상이한 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크가 미리 정해지는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 부분 빔들은 각각 위상 마스크 및/또는 진폭 마스크와 분리되어 또는 함께 수정되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 공간 광 변조기로서 구현된 회절 확산기가 빔 형성에 사용되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 또는 비펄스형 코히어런트 광원이 사용되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스형 레이저의 사용 시, 상기 레이저 빔(22)은 각각의 부분 빔(35.1, 35.2, 35.3, 35.4)에 대한 상이한 강도 프로파일을 갖는 적어도 2개의 부분 빔 또는 개별 빔(24, 25, 35)으로 분할 후에 상기 지연 유닛(36)에 의해 각각의 부분 빔 또는 개별 빔(24, 25, 35)에 대해 상이하게 시간 지연되고, 그 조합 및 상기 가공 및/또는 이미징 평면(29) 상에 포커싱 후에, 상기 가공 및/또는 이미징 평면(29)에서 적어도 시간 중첩되지 않으면서, 강도 프로파일(28.1)을 갖는 출력 빔(28)을 형성하고, 상기 빔 셰이퍼(37)는 각각의 부분 빔(35.1, 35.2, 35.3, 35.4)에 대해 상이한 강도 프로파일을 생성하기 위해 상기 빔 스플리터(23)와 조합되거나 또는 상기 지연 유닛(36) 후에 상기 빔 조합기(27) 전에 배치되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 최소 지연은 상기 레이저 빔(22)의 펄스 지속 시간보다 크거나 같게 선택되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 부분 빔에 대해 지연이 선택되지 않고, 상기 제 2 부분 빔에 대해 상기 레이저 빔(22)의 적어도 지속 시간에 상응하는 지연이 선택되며, 상기 제 3 부분 빔에 대해 상기 레이저 빔(22)의 적어도 2배의 펄스 지속 시간의 지연이 선택되고, 상기 n번째 부분 빔에 대해 상기 레이저 빔(22)의 적어도 (n-1)배 펄스 지속 시간의 지연이 선택되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 빔(22)은 n개의 부분 빔(35)으로 분할되고, 상기 부분 빔들 중 적어도 하나의 부분 빔은 빔 셰이퍼(26, 30, 37)에 의해 그 빔 형상과 관련해서 변경되고, 다른 부분 빔 또는 다른 부분 빔들(35)은 빔 형성 없이 적어도 하나의 빔 형성된 부분 빔과 함께 조합되어 상기 가공/이미징 평면(29) 내의 가공될 공작물 상에 조사 필드를 형성하거나 또는 상기 다른 부분 빔들(35)이 의도적으로 간섭되는 것을 특징으로 하는, 빔 형성 방법.
  14. 레이저 절삭, 레이저 드릴링, 레이저 마킹, 레이저 납땜, 레이저 용접, 레이저 절단, 레이저 소결 및 덧붙임 용접, 레이저 세척, 레이저 경화, 레이저 재용융, 레이저 합금 및 분산 또는 레이저 폴리싱을 위해 레이저 가공 시스템 내에 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.
  15. 적어도 하나의 컴퓨터 유닛(34), 레이저 소스(21) 및 빔 셰이퍼(26, 30, 37)를 포함하는 재료 가공 장치, 특히 레이저 어셈블리(20)로서, 상기 레이저 소스(21)로부터 나온 레이저 빔(22)이 가공/이미징 평면(29) 상에 포커싱될 수 있고, 상기 레이저 빔(22)은 상기 빔 셰이퍼(26, 30, 37)에 의해 그 강도 분포와 관련해서 조정될 수 있는, 상기 재료 가공 장치에 있어서,
    상기 레이저 어셈블리(20) 및 상기 컴퓨터 유닛(34)은 제 1 항 내지 제 13 항에 따른 방법을 실시하기 위한 유닛을 포함하고, 상기 레이저 빔(22)은 적어도 하나의 빔 스플리터(23)에 의해 부분 빔들 또는 개별 빔들(24, 25, 35)로 분할될 수 있거나 또는 각각의 부분 빔 또는 개별 빔(24, 25, 35)이 상이한 파장을 가진 레이저 소스(21)로부터 생성될 수 있고, 상기 컴퓨터 유닛(34)에 의해 제어될 수 있는 빔 셰이퍼(26, 30, 37) 및/또는 지연 유닛(36) 및/또는 파장 매니퓰레이터(38)에 의해, 상기 부분 빔들 또는 개별 빔들의 위상, 편광, 파장 및/또는 강도 프로파일(24.1, 25.1, 37.1, 37.2, 37.3, 37.4)이 상이하게 조절될 수 있고, 빔 조합기(27)에 의한 빔 조합 및 상기 가공/이미징 평면(29) 상에 포커싱 후에 강도 프로파일(28.1)을 갖는 출력 빔(28)을 형성할 수 있고, 상기 강도 프로파일(28.1)의 인접한 강도 최대치는 간섭 형성을 배제하기 위해 적어도 하나 또는 다수의 광 특성 면에서 상이한 것을 특징으로 하는, 재료 가공 장치.
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