KR20200086719A - 재료의 가공을 위한 시스템 및 방법 레이저 - Google Patents
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Abstract
다중 파장 레이저 가공 시스템은 다중 파장 동축 레이저 가공 빔을 발생시키는 다중 파장 레이저 소스로 구성된다. 레이저 가공 시스템은 동축 레이저 가공 빔을 워크피스의 표면 상의 레이저-재료 상호 작용 구역에 전달하기 위한 다중 파장 광학 시스템을 더 포함함으로써, 가공 빔 내의 제1 및 제2 레이저 파장 각각이 각각의 제1 및 제2 동심원 레이저 스폿으로서의 상호 작용 구역의 적어도 일부에 충돌하게 한다. 다중 파장 광학 시스템은 다중 파장 빔 시준기, 구성 가능한 색채 광학기기, 및 레이저 가공 초점 렌즈를 포함하며, 구성 가능한 색채 광학기기는 제1 및 제2 레이저 파장의 상대적인 초점 거리에 대한 조정을 제공한다.
Description
본 개시내용은 색수차를 발생시키는 렌즈 시스템을 통해 동축으로 전파되는 기본 및 고조파 파장에서의 빔으로 재료를 가공하는 비용 효율적인 광섬유 레이저 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 빔의 플루언스 비(fluence ratio)가 재료에 의한 이들 빔의 역 흡수 비(inverse absorption ratio)와 적어도 동일하도록 이격되어 있는 각각의 빔 초점으로 재료에 충돌하는 빔에 관한 것이며, 고조파 파장에서의 빔은 기본 파장에서의 빔에 대한 재료의 흡수 계수를 증가시키는 재료 상태 변화를 제공한다.
레이저 가공은 중합체(polymer), 금속, 유리 및 세라믹을 포함하는 매우 다양한 재료와 관련되어 왔다. 각 재료에 사용되는 레이저 유형은 재료의 광 흡수 특성에 맞도록 선택된다. 그러나 이것은 많은 재료들이 극적으로 다른 특성을 가지고 있으므로 간단하지가 않다. 일부 재료는 특정 파장을 반사하는 표면을 가지고 있지만, 특정 열 환경에서는 다른 환경에서는 반사되던 빔이 통과하여 전파되도록 한다. 또 다른 재료들은 특정 파장을 선택적으로 흡수한다. 그리고 또 다른 재료들은 간단하게 한 그룹의 파장에 의해 효과적으로 가공될 수 없는 반면, 다른 파장 그룹은 이러한 재료들을 가공하는 데 매우 효과적이다.
많은 제품들이 자외선(UV) 내지 적외선(IR) 파장 범위에서 높은 반사율을 특징으로 하는 재료로 제조된다. 이 재료의 그룹은 다른 것 중에서도 실리콘(Si), 구리(Cu), 청동, 황동, 알루미늄(Al), 거울 광택이 있는 스테인리스강, 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 그리고 상기 언급된 재료의 합금을 포함한다. 이러한 재료들은 실온에서 가시광을 92%까지, 적외선을 98%까지 반사할 수 있다. 다른 유사한 재료와 함께 상기 언급된 재료는 말할 필요도 없이 수많은 산업 응용예에서 중요하다.
미국 출원 공보 제US 2013/0134139호(US'139)는 상기 논의된 문제를 인지하고 있는 하나의 공보이다. 이것은 700nm 내지 1200nm 파장 범위의 레이저 발생 광(light)으로 반사율이 높은 재료를 가공하는 광섬유 레이저 시스템을 개시한다. 이 참고문헌은 각각의 기본 및 두배 주파수에서의 2개의 빔을 관심 재료에 동시에 조사(irradiation)하는 것을 포함하는, 개념적으로 단순한 공정을 개시한다. 두배 주파수에서의 녹색 빔은 조사된 표면을 용융시켜 기본 주파수에서의 IR 광을 더 효율적으로 흡수하게 한다. 관심 재료에 대한 이러한 2개의 상이한 주파수에서의 조사는, 예를 들어 미국 특허 제5083007호로부터, 본 기술분야에 잘 알려져 있다.
US'139에 개시된 해결책은 각 펄스의 짧은 초기 시간 동안 IR 광 강도를 스파이킹(spiking)함으로써 펄스 형태를 제어하는 단계를 포함하며, 이는 IR 빔을 녹색 빔으로 변환하는데 있어 더 높은 파장 변환 효율로 이끈다. 발생된 녹색 빔은 조사된 재료의 온도를 용융 온도로 상승시켜 적색 광의 흡수를 증가시킨다. 초기 첨두 출력 스파이크(initial peak power spike) 이후의 각 펄스의 출력 프로파일은 각 펄스의 끝까지 IR 광의 첨두 출력(peak power)을 최소화함으로써 제어된다.
US'139에 개시된 방법 및 장비의 작동을 고려함에 있어, 그것의 비용 효율을 평가하는 것이 도움이 된다. 거대한 산업 규모에서, 효과적으로 작동 가능한 상대적으로 저렴한 장치는 더 높은 수익으로 전환된다. 관심 재료의 레이저 처리 공정의 맥락에서, 저렴하고 효과적으로 작동하는 레이저 시스템은 설계자에게 도전하는 과다한 고려사항을 포함한다. 예를 들어, 광섬유 레이저는 미국 특허 제5083007호의 Nd: YAG 레이저에 비해 저렴한 비용, 낮은 유지 보수 및 향상된 효율로 인해 산업 제조 시장에 현저한 영향을 미치고 있다. 준연속 광섬유 레이저를 교시하는 US'139는 비용 효율을 높이는 몇 가지 단점이 있을 수 있다. 짧은 시간이라도 높은 변환 효율을 목표로 하여, 이 참고문헌은 원하는 높은 변환 효율과 관련된 가간섭성(coherent) 협대역 레이저에 대해 교시한다. 그러나 스펙트럼 폭이 2nm 미만인 협대역 광섬유 레이저는 높은 비용과 좀 더 낮은 첨두 출력에서 나타날 수 있다. 펄스 출력 프로파일을 제어하기 위해 정교한 제어 회로가 필요하며 이는 결국에는 개시된 장비의 비용을 더할 수 있다. 요약하면, 개시된 장비는 대규모 재료 레이저 가공 사업에 경제적으로 매력적이지 않을 수 있다.
따라서, 간단하고 비용 효율적인 재료 가공 레이저 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
광섬유 레이저의 기본 주파수에서 잘 가공되지 않거나 과도한 평균 출력에서 가공되는, 금속, 유전체(dielectric) 또는 복합 재료를 효율적으로 가공하기 위한 간단하고 비용 효율적인 재료 가공 광섬유 레이저 시스템에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.
또한, 재료에 결합되고(coupled) 일반적으로 열의 형태로 소산되는 평균 레이저 출력 또는 펄스 에너지를 제한하도록 작동하는, 단순하고 비용 효율적인 모듈식 재료 가공 광섬유 레이저 시스템에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.
에너지 효율적인 가공을 위해 필요한 조건을 제공하도록 작동하는 빔 안내 광학기기(beam guiding optics)로 구성된, 상기 언급된 광섬유 레이저 시스템에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.
기본 구성에서, 개시된 레이저 가공 시스템은 적어도 2nm 스펙트럼 폭을 가지는 기본 파장에서의 제1 빔을 출력하는 레이저 소스(source)로 구성된다. 고차 고조파 파장 발생기를 이용하여, 적어도 하나의 고조파 파장에서의 적어도 하나의 제2 빔을 발생시키도록 제1 빔은 1회 또는 여러 번 변환된다. 빔은 광학 시스템에 의해 동축으로 전파되어 재료로 전달되며, 상기 빔 중 하나, 전형적으로 고조파 파장에서의 제2 빔이 적어도 부분적으로 흡수되어, 기본 파장에서의 빔의 흡수가 증가되는 재료 상태의 변화를 유도한다. 제한된 경우에서만, 재료 상태 변화의 유도가 고조파 파장에서의 제2 빔에 의해 야기된다는 점을 주목해야 한다.
재료 상태 변화는 조사된 재료의 고체/액체/기체/플라즈마 상들 사이의 전이 및 온도 변화를 포함하는 거시 수준상에서 유도될 수 있다. 또는, 재료를 기저(ground) 또는 여기 상태(excited state)로부터, 화학적으로 변형된 변화로 이어지는 또 다른 여기 또는 이온화 또는 전이 상태(transition state)로 전환하는 미시 수준 상에서 재료 상태가 발생할 수 있다.
전형적으로, 제2 빔의 초점은 재료의 표면상에 위치된다. 그러나 재료 및/또는 고조파 파장에 따라, 제2 빔의 초점은 표면으로부터 축 방향(axial direction)으로 근접하게 이격될 수 있다. 재료의 상태가 변하는 임계값에 도달하면, 제1 빔의 흡수가 현저하게 증가하여 당면한 작업의 효율이 향상된다. 기본 파장에서의 제1 빔이 먼저 표면을 가열하여 제2 빔에 대한 흡수 계수를 증가시키는 드문 경우에는, 각각의 빔의 초점 사이의 관계는 변화되지 않고 유지된다.
본 개시된 시스템의 한가지 양태는 색수차의 발생이며, 이는 색지움 렌즈들(achromatic lenses) 또는 색지움 렌즈 시스템을 종종 개시하는 레이저 재료 가공 기술에서 전형적이지 않다. 따라서, 본 개시된 광학 빔 전달 시스템은 색채가 있는(chromatic) 렌즈 또는 색채가 있는 렌즈 시스템으로 구성된다.
색채 렌즈(chromatic lens)는 여러 가지 상이한 파장에서의 광을 모으고 이들을 표면에 대해 서로 상이한 초점 높이에 초점을 맞추도록 구성된다. 색수차는 일반적으로 축 방향, 즉 빔 전파 경로를 따른다. 측 방향(lateral) 색수차는 색채 시스템에서 보정되거나 보정된 상태를 유지할 수 있다.
본 개시된 시스템의 또 다른 양태는 색수차를 보완하고, 공지된 종래 기술의 구조와 현재 개시된 구조를 유리하게 구별한다. US'139를 간단하게 다시 살펴 보면, 이는 각 펄스의 출력 프로파일을 제어하여 에너지 균형을 최적화하는 방법을 교시한다. 펄스 형태 제어는 용융 온도에 도달하기 위해 초기에 IR 첨두 출력을 증가시킴으로써 녹색 광을 효율적으로 발생시키며, 그후 각 펄스의 끝까지 첨두 출력을 점차 감소시키도록 설계된다. 즉, 재료를 처리하기 위한 가공 시스템의 효율은 각 펄스 동안 파장 변환 효율을 변화시킴으로써 제어된다.
따라서, 앞서 언급한 특징을 포함하는 본 개시내용의 또 다른 양태는, 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 2개 이상의 동축 빔을 제어하는 것을 강조한다. 적어도 하나의 실시예에서, 본 개시된 시스템은 빔들 사이의 플루언스 비를 제2 빔이 재료 상태 변화를 제공하는 역 흡수 계수 비(inverse absorption coefficients ratio)와 적어도 동일하도록 제어하기 위한 처리기로 구성된다. 개시된 시스템의 상기 장점들의 간단한 예시에서, 종래 기술 시스템의 전형적인 10kW 광섬유 레이저 소스는 실질적으로 덜 강력한 레이저, 예를 들어 출력의 작은 부분이 상이한 고조파 파장으로 변환된 1kW 광섬유 레이저로 대체된다.
실제적인 조건에서, 이 제어는 광로를 따라 배치되며 가능하게는 변위되는 색채 광학기기에 의해 제1 및 제2 빔의 상대적인 초점 거리를 설정 또는 조정함으로써 충족될 수 있다. 이렇게 함으로써 표면에서의 각각의 제1 및 제2 빔과 관련된 제1 및 제2 레이저 스폿(spot)의 직경 비가 플루언스 비를 변화시키도록 제어된다. 색채 광학기기는 동축 빔의 경로로부터 제거될 수 있고, 그 후 상이한 초점 거리, 상이한 직경 비 및 이에 따라 상이한 플루언스 비를 제공하도록 구성된 또 다른 시스템으로 대체될 수 있다.
본 개시된 시스템의 또 다른 양태에서, 빔 전달 시스템은 하나 이상의 반사면을 구비하는 색지움 시준기(achromatic collimator)를 포함한다. 이 특징은 녹색 및 자외선(UV), 또는 녹색, 자외선 및 심자외선(deep UV, DUV)과 같은 기본 파장 및 다중 고조파 빔에서의 빔을 가지는 본 개시된 시스템에서 특히 유용하다는 것이 밝혀졌다. 빔의 평행성을 유지하는 것은 원하는 플루언스 비를 제공하는 원하는 초점 거리 차이 및 색채 렌즈 시스템에 비추어 볼 때 특히 중요한 역할을 한다. 시준기는 측 방향 색채 효과에 대한 공차가 매우 높기 때문에 굴절 요소 없이 유리하게 구성된다. 시스템에서의 임의의 원하는 색수차가 색채 렌즈로부터 바로 상류에 있는 풀 광학 시스템(full optical system)에 수용된다.
또한 본 개시된 시스템의 또 다른 양태는 입사 빔 각각에 대한 재료 상태 변화의 에너지 임계값의 비율의 분석적 결정을 제공한다. 에너지 임계값 결정은 J.M Liu에 의해 1982년 5월 Optics Letters 제7권에 게재된 논문 "펄스형 가우시안 빔 스폿 크기의 측정을 위한 간단한 기술"(Simple technique for measurement of pulsed Gaussian-beam spot size)에서 개발되었고, 이 논문은 본원에 전문이 참고로 통합되었다. 특히, 가공될 워크피스(workpiece)에 전달되는 다중 빔 각각의 에너지는 아래와 같이 결정되며,
Eth(λ)/Ethall(λ)>1,
여기서 Eth(λ)는 다른 파장의 도움 없이 단독으로 워크피스를 가공하는데 필요한 각각의 개별 빔의 에너지 임계값이며, Ethall(λ)는 본 개시내용의 복합 빔에서의, 즉 모든 파장이 동시에 존재할 때의 동일한 레이저 빔의 에너지 임계값이다.
본 개시내용의 모든 양태에서 구현되는 파장 변환기는 비선형 결정(nonlinear crystal, NLC)에 한정되지 않는다. 그것은 또한 광섬유 레이저 소스로부터 기본 파장에서의 빔을 수용하는 라만(Raman) 결정 또는 심지어 라만 광섬유 - 증폭기 및 발진기(oscillator) - 일 수 있다. 대안적으로 광 파라메트릭(optical parametric) 증폭기 또는 발진기 또한 사용될 수 있다. 파라메트릭 및 라만 변환 체계를 통합하면 스펙트럼 조절 가능한 파장을 발생시킬 수 있으며, 이러한 파장은 기본 파장에서의 빔의 고정된 고조파 파장에서의 제한된 수의 고조파보다 일부 가공 재료의 표면 상태를 변경하는데 더 효율적일 수 있다.
레이저 빔이 재료에 충돌할 때, 에너지 결합(energy coupling)은 흡수에 의해 결정된다. 재료의 온도는 상승되어 그 열 소산을 증가시킨다. 강렬한 레이저의 경우, 온도는 용융 및 기화 온도를 넘어 상승할 수 있으며, 재료는 이온화된 플라즈마가 된다. 이 상황에서, 후속 레이저 흡수는 밀도 및 온도와 같은 플라즈마 특성에 의해 결정된다. 많은 재료 가공 응용예에서, 플라즈마를 생성하면 레이저 에너지의 흡수를 촉진한다. 이것은 앞서 논의된 각각의 양태들에 개시된 시스템의 작동을 도울 수 있는, 본 개시내용의 또 다른 양태의 주제이다.
앞서 논의된 양태들은 개시된 방법의 단계들 각각을 구현하는 개시된 레이저 시스템의 구체적인 특징들을 포함한다. 따라서, 앞서 논의된 모든 양태들과 아래 구체적인 설명에 개시된 일부 추가적인 특징들은 개시된 방법과 직접적인 관련이 있다. 앞서 개시된 양태들 각각은, 논의된 양태들의 임의의 조합의 특징들로 실시될 수 있는 특징 또는 특징들을 포함한다.
본 개시내용의 상기 및 다른 특징 및 장점은 다음의 도면을 수반하는 구체적 설명 및 청구 범위로부터 더욱더 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 예시적으로 개시된 시스템이다.
도 2는 파장에 대한 여러 가지 재료의 흡수의 의존성이다.
도 3은 여러 가지 재료에 의한 기본 및 고조파 파장에서의 빔의 공지된 흡수율을 도시한 표이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는 IR, 녹색, UV 및 DUV 파장에서의 광의 펄스 형태를 도시한다.
도 5의 (a) 내지 (d) 및 도 6의 (a) 내지 (c)는 파장 변환 효율에 대한 펄스 형태 의존성을 도시한다.
도 7은 공지된 레이저 가공 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 개시된 레이저 가공 공정의 각각의 흐름도이다.
도 9 내지 도 11은 도 1의 개시된 레이저 시스템에서 사용되는 비선형 결정에 기초한 각각의 파장 변환 개략도를 도시한다.
도 12 및 도 13은 각각 라만 및 파라메트릭 파장 변환 개략도를 도시한다.
도 1은 예시적으로 개시된 시스템이다.
도 2는 파장에 대한 여러 가지 재료의 흡수의 의존성이다.
도 3은 여러 가지 재료에 의한 기본 및 고조파 파장에서의 빔의 공지된 흡수율을 도시한 표이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는 IR, 녹색, UV 및 DUV 파장에서의 광의 펄스 형태를 도시한다.
도 5의 (a) 내지 (d) 및 도 6의 (a) 내지 (c)는 파장 변환 효율에 대한 펄스 형태 의존성을 도시한다.
도 7은 공지된 레이저 가공 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 8a 및 도 8b는 개시된 레이저 가공 공정의 각각의 흐름도이다.
도 9 내지 도 11은 도 1의 개시된 레이저 시스템에서 사용되는 비선형 결정에 기초한 각각의 파장 변환 개략도를 도시한다.
도 12 및 도 13은 각각 라만 및 파라메트릭 파장 변환 개략도를 도시한다.
본 개시내용의 기본 개념은 실온에서 처리될 재료에 따라 다르게 흡수되는 상이한 파장에서의 2개 이상의 레이저 빔으로 워크피스를 레이저 처리하는 것을 포함한다. 실온에서 다른 빔들보다 좀 더 효과적으로 흡수된 파장에서의 빔들 중 하나의 에너지는, 재료에 결합되어 재료 상태 변화를 유도한다. 재료 상태 변화가 일어나면, 워크피스는 각 파장에서의 다른 빔 또는 빔들을 효과적으로 흡수한다. 개시된 공정의 최적화는 개시된 방법 및 시스템이 실질적으로 어떠한 재료도 성공적으로 처리할 수 있게 한다. 예를 들어, 그것은 유리, 사파이어, 세라믹, 구리, 부식된 금속, 얇은 금속, 생체 조직, PCB 및 실리콘 웨이퍼일 수 있다.
도 1은 개시된 재료 가공 시스템(10)의 일반적인 배치를 도시한다. 도시된 구성은 2nm와 수백 nm 사이 범위의 스펙트럼 선을 갖는 기본 파장에서의, 광대역 비편광 빔(18)을 출력하는 레이저 소스(12)를 포함한다. 레이저 소스(12)는 다양한 구성을 가질 수 있지만, 바람직하게는 연속파(CW), 준 CW(QCW) 및 펄스형 세 가지 방식에서 모두 작동할 수 있는 광섬유 레이저이다. QCW 또는 펄스형 방식에서, 레이저 소스(12)는 μJ 내지 J 범위의 펄스 에너지, 1초 내지 펨토초(femtosecond) 범위의 펄스 지속기간 및 한 자릿수 와트 및 수백 킬로와트 사이의 평균 출력을 각각 갖는 펄스의 열(train)을 출력한다. 많은 산업 응용예에서는 출력 빔(18)이 인자(M2)가 1인 최고 품질을 가지도록 요구하는 반면, 개시된 방법 및 시스템은 다른 응용예에서는 M2가 최대 100인 다중 모드 빔으로 또한 효율적으로 작동할 수 있다.
빔(18)의 파장과 상이한 각 파장에서의 다른 빔의 발생은 고조파 주파수 발생기(14)에 의해 실현된다. 후자는 다양한 물리적 메커니즘에 기초하여 작동할 수 있지만, 궁극적으로는 구성과 관계없이, 발생기(14)는 빔(18)의 파장을 0.5nm를 초과하는 스펙트럼 선폭을 갖는 빔(20)의 상이한 파장으로 부분적으로 변환하도록 작동한다. 본 개시내용의 범위 내에서, 주파수 고조파 발생기(14)는 주파수 2배화, 비선형 결정에서의 합 및 차(sum and difference) 주파수 발생, 비선형 결정 재료에서의 파라메트릭 발진 및 증폭, 및 벌크 결정(bulk crystal) 또는 광섬유에서의 라만 변환을 포함하는 다양한 변환 공정을 사용하도록 작동할 수 있다. 구체적인 광학적 개요의 예는 아래에서 자세히 논의된다.
동축 방식으로 광 경로를 따라 전파시킴으로써, 빔(18, 20)은 후술하는 바와 같이 하나 또는 다중 렌즈로 구성된 색채 조정기(chromatic adjuster)(16)에 충돌한다. 색채 조정기(16)는, 재료(22)로 만들어진 워크피스에 추가로 동시에 충돌하는 제1 및 제2 빔들 사이의 축 방향 색수차를 발생시킨다. 색채 조정기(16)를 사용할 때, 더 긴 파장에서의 빔(18)은 재료(22)의 표면 상 또는 그 근처에 있는 더 짧은 파장에서의 빔(20)의 초점으로부터 더 먼 초점을 가질 것이다. 결과적으로, 빔(20)의 초점에서, 빔(18)은 빔(20)의 것보다 큰 스폿 직경을 형성한다. 따라서, 빔(20)의 초점에서, 더 긴 파장에서의 빔(18)의 강도는 그 자신의 초점에서보다 현저하게 낮다. 스폿 직경의 차이로 인해, 빔(20)과 빔(18) 사이의 플루언스 비는 색채 시스템(16)의 재료에 따라, 종래 기술의 색지움 렌즈 시스템의 경우보다 일반적으로 2배 내지 10배 더 높으며, 플루언스는 QCW 및 펄스 레이저의 경우 빔 영역당 펄스 에너지이며, CW 레이저의 경우 빔 영역당 출력이다.
플루언스 비는 개시된 시스템(10)에서 중요하며, 이 시스템은 빔(18)의 흡수를 증가시키게 하는 원하는 재료 상태 변화를 제공하는데 필요한 빔(20)의 최소량을 제어하며 따라서 전체 시스템을 더 효율적으로 사용하도록 구성된다. IR 빔과 같은 고출력 레이저 소스(12), 전형적으로는 빔(18)을 이용하면 많은 재료를 레이저 처리할 수 있지만, 단지 하나의 IR 빔(18)만의 사용은 받아들이기 어려운 비효율적인 공정을 초래할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 이는 원론적으로 재료(22)를 개별적으로 처리할 수 있지만 레이저 처리 공정을 비효율적으로 만들 수 있는, 임의의 다른 단일 파장 광과도 관련된다. 동일한 재료를 하나의 빔으로 가공하는 대신 다중 빔을 사용하는 것은 분석적으로 다음과 같이 표현될 수 있으며,
Eth(λ)/Ethall(λ)>1,
여기서 Eth(λ)는 다른 파장의 도움없이 단독으로 워크피스를 가공하는데 필요한 각각의 개별 빔의 에너지 임계값이며, Ethall(λ)는 개시내용의 복합 빔에서의, 즉 모든 파장이 동시에 존재할 때의 동일한 레이저 빔의 에너지 임계값이다. 상기 조건이 충족될 때, 본 개시된 시스템을 이용하는 공정의 효율은 일부 응용예에서 매우 많이(orders of magnitude) 향상될 수 있다. 다중 빔을 사용하는 응용예에서 전형적인 펄스 에너지는 단일 펄스 임계 에너지 Eth의 4 내지 5배이다.
시스템(10)에서 빔(20)과 빔(18) 사이의 플루언스 비는 도 2에 도시된 바와 같이 많은 자료에 의해 알려진, 주위 온도에서 다양한 재료에 대한 파장에 따른 흡수 의존성에 기초하여 얻어진다. 발명자는 원하는 재료 상태 변화를 유도하기 위해, 플루언스 비가 재료(22)에서 동일한 빔에 대한 역 흡수 비와 적어도 동일하거나 더 커야 한다는 것을 발견하였다. 일부 흡광도 비(absorbance ratio)는 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 IR은 적외선, GR은 녹색, UV는 자외선이고 DUV 는 심자외선이다. 플루언스를 측정하고 제어하기 위한 다수의 기술은 통상의 기술자에게 알려져 있으며, 여기에는 상세히 개시되어 있지 않다. 개시된 시스템에서 각각의 빔들의 플루언스는 개별적으로 측정됨을 주목해야 한다.
플루언스 비는 여러 가지 기술들에 의해 조정될 수 있다. 이 기술들은 현재 설치된 렌즈 세트를, 용융 실리카(Fused Silica, FS), 플루오르화마그네슘(magnesium fluoride, MGF2), 플루오르화칼슘(calcium fluoride, CAF2) 등 다양한 재료로 만들 수 있는 상이한 것으로 대체함으로써 색채 조정기(16)의 색수차를 조작하는 것을 포함한다. 또 다른 기술은 변환 효율을 조정하는 것을 제공한다. 당면한 작업에 적합한 색채 조정기(16)의 선택은 자동화된 렌즈 전달 메커니즘을 포함하는 임의의 기계적 방법으로 실현될 수 있다. 파장 변환의 매개변수를 조정하는 기술은 또한 레이저 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으며, NL 결정의 기하학적 구조 및 온도 또는 라만 광섬유의 길이 및 많은 다른 것들을 제어 가능하게 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 변환은 제어 가능하게 조정되는 반면, 펄스의 출력 프로파일은 도 4의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 실질적으로 변경되지 않은 상태로 유지된다.
전형적으로, 레이저 재료 가공에 쓰이는 레이저는 양호한 고조파 변환 효율을 제공하기 위해 협대역으로 구성되고 편광된다. 그러나, 후속하는 제2 및 제3 고조파 변환을 통해 가우시안 프로파일이 도넛형 프로파일로 점진적으로 변화되는 것을 도시하는 도 6의 (a) 내지 (c)에서 보여지는 바와 같이, 높은 변환 효율은 기본 빔 프로파일의 현저한 열화를 가져온다. 도넛형 프로파일은 아주 소수의 응용예를 제외하고는 일반적으로 해롭다. 대부분의 경우, 가우시안 프로파일 빔이 사용된다. 낮은 변환 효율과 넓은 스펙트럼 선은 둘 다 효율을 감소시키며, 이는 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 상대적으로 변형되지 않은 가우시안 프로파일로 이어진다. 따라서, 낮은 변환 효율은 여기에 개시된 바와 같이 단일 레이저로부터 다중 빔을 발생시키는 데 유리하며, 모든 빔에 대해 양호한 빔 품질을 제공한다. 이 개시내용의 목적을 위해, 녹색 빔(20)에 대한 낮은 변환 효율은 20% 미만인 반면, 높은 효율은 50%를 초과할 수 있으며, UV 광에 대해서는 10% 미만이 낮은 것으로 간주되는 반면, 30% 초과의 변환 효율은 높다.
도 7은 공지된 종래 기술에서 적형적으로 사용되는 무색수차(achromatic aberration)에 의한 광학적 개요를 도시한다. 워크피스에 충돌하는 두 빔은 워크피스의 표면에 초점이 맞춰진다는 것에 주목한다.
도 8a 및 도 8b는 개시된 시스템(10)의 각각의 광학적 구성을 도시한다. 전술한 바와 같이, 제1 파장에서의 빔(18)은 고조파 변환기(14)에서 변환됨으로써, 더 길고 더 짧은 각각의 파장에서의 적어도 2개의 동축 빔(18, 20)이 시준 광학기기(collimating optics)(26)에서 시준된다. 시준된 빔은 색채 조정기(16)에 의해 수용된다.
광대역 레이저 소스(12) 및 다중 레이저 파장에 의해, 단색(monochromatic) 가공 렌즈 설계는 소위 색수차를 일반적으로 나타낼 것이다. 이러한 수차는 재료 분산, 파장에 따른 굴절률 변화의 결과이다. 상이한 굴절률에 의해 렌즈의 초점 거리는 파장에 따라 달라지며, 상이한 파장들이 상이한 초점 거리에 초점을 맞추는 축상 색수차를 초래한다.
색채 조정기는 다양한 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 적합한 광학 재료의 공극 색채 더블렛(air-spaced chromatic doublet)은, 한 파장의 빔 시준을 다른 것에 대해 조정하기 위해 색채 보정기로서 사용될 수 있으며, 가공 렌즈의 축 방향 색수차를 보정하기 위해, 또는 다중 파장에서 초점 거리 분리를 위한 색수차를 의도적으로 추가하기 위해 가공 렌즈에 대한 입력으로서 사용될 수 있다.
색채 더블렛(chromatic doublet)은 빔 시준을 유지하기 위해 하나의 파장에서 긴 초점 거리 또는 무한 초점 거리[즉, 아포컬(afocal)]를 가질 수 있다. 상기 더블렛은 공극(air-spaced)을 가질 수 있고 내구성 있는 광학 유리 및 결정질 레이저 재료의 조합을 이용할 수 있다. 특히, 고출력 레이저 및 자외선 파장의 경우 FS, MGF2 및 CAF2의 조합이 사용될 수 있다. 가공 렌즈의 재료와 조합하여, 2개 재료가 2개 파장에서 초점 거리를 보정하거나 분리할 수 있으며, 3개 재료가 3개 파장에서 초점 거리를 보정하거나 분리할 수 있다. 초점 거리를 증가시키기 위해 예를 들어 더 짧은 파장에 비해 1064nm에서, 더블렛은 상대적으로 높은 분산을 갖는 양의 요소(positive element) 및 상대적으로 낮은 분산을 갖는 음의 요소(negative element)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 더블렛은 거의 동일한 초점 거리를 갖는 양의 FS 요소 및 음의 CAF2 요소를 포함할 수 있다. 구면 수차와 같은 다른 광학 수차를 보정하기 위해 2개 초과의 광학 요소를 갖는, 더 복잡한 색채 보정기 광학 설계가 요구될 수 있음을 이해할 것이다.
그 후, 빔들(18, 20)은 각각의 원하는 빔 스폿 직경을 가지도록 초점 광학기기(focusing optics)(24)에 의해 초점이 맞춰진다. 워크피스(22) 표면 상의 레이저-재료 상호 작용 구역(laser-material interaction zone)으로 전달된 빔들(18, 20)은 각각 제1 및 제2 동심원 레이저 스폿으로서 표면에 충돌한다. 도 8의 (a)에서는 제1 빔의 제2 빔(20)의 초점(28)이 워크피스(22)의 표면으로부터 상류(upstream)에 위치하는 반면, 도 8의 (b)에서는 초점(30)이 표면의 아래에 놓이도록, 색채 조정기(16)가 구성된다. 두 구성 모두에서, 변환된 빔(20)의 초점(28)은 워크피스(22)의 표면 상에 있다. 종래 기술 개요의 초점 광학기기가 색수차를 가지도록 구성되는 것을 제외하고, 개시된 빔 전달 광학기기의 추가의 구성은 여전히 도 7에 도시된 것과 동일한 구성을 가질 수 있다.
빔(18)과 빔(20) 사이의 레이저 스폿 직경 비는 더 작은 동심원 스폿이 더 큰 동심원 스폿 직경의 ½ 미만이 되도록 색채 조정기(16)를 구성하여 조정된다. 색채 조정기는 서로 다른 각각의 초점 거리를 각각 구비하는 상호 교환 가능한 색채 광학기기(16) 세트들로 구성될 수 있다.
도 9 내지 도 13은 고조파 변환기(14)의 다양한 구성을 개시한다. 변환기(14)의 도시된 구조는, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같은 단일-패스 방식(single-pass scheme) 또는 도 12 내지 도 14에 도시된 다중-패스 변환 방식(multi-pass conversion scheme)을 포함할 수 있다.
특히 도 9 및 도 10을 참조하면, 변환기(16)는 삼붕산리튬(lithium triborate, LBO)과 같은 비선형 I형 결정(32, 34)을 이용하여 제2 고조파 및 제3 고조파 주파수를 발생시키도록 작동한다. 작동 시, 레이저(12)로부터 방출된 빔(18)은 시준 렌즈(36) 상에 입사한 후, 빔(18, 20)이 그 후 동축 방식으로 전파되도록 절반 파장 판(half wavelength plate)에 의해 회전되고 결정(32)의 몸체 내에 초점이 맞추어진다. 쉽게 이해되는 바와 같이, 도 9의 개요가 단지 결정(32)만을 가진다면, 변환기(14)는 도 12에 묘사된 바와 같이 오직 2개의 빔만을 출력할 것이다. 그러나 제2 결정(34)이 통합되기 때문에 도시된 개요는 또한 제3 고조파를 발생시키도록 작동하며, 여기서 결정들 사이의 렌즈는 실제로는 하나 이상의 구면 거울이지만 편의를 위해 도시되었다.
모든 빔은 빔(18)인 바깥쪽의 빔 및 제3 고조파 빔인 가장 안쪽의 빔과 동심이다. 시준 광학기기(26)는 결정(34)으로부터 하류(downstream)의 광 경로를 따라 배치되고 하나 이상의 구면 거울로서 구성될 수 있다. 색채 조정기(16)는 도시된 바와 같이 시준기(26)의 바로 하류에 위치된다. 도 10은 도 9의 구조와 동일한 구조를 가지지만, 제2 및 제3 고조파에 추가하여, 제3 결정(40)에 의해 제4 고조파를 발생하도록 작동한다.
도 11 내지 도 13은 멀티 패스 변환 시스템을 도시한다. 도 11에서, 개략도는 색지움(achromatic) 전반사(all-reflective) 시준기(26)로 구성된 시준 광학기기에 의해 제2 고조파를 발생하도록 작동한다. 도 12는 광 파라메트릭 증폭기(OPA)(44)를 이용한 대체 고조파 발생을 도시한다. 이것은 몇 가지 예를 들자면 온도 및/또는 결정 방향 및/또는 시간 지연과 같은 시스템의 하나 이상의 매개변수를 변화시킴으로써 0.2μm 내지 2μm 사이의 스펙트럼 조정성(spectral tunability)을 가진다. 이것은 전형적으로 직렬로 된 복수의 비선형 결정 내에서, 또는 광 파라메트릭 발진기(OPO)로서 기능하는 공동(cavity) 내에서 실현된다. 도 14는 라만 광섬유 또는 라만 결정(46) 또는 라만 유체로서 구성될 수 있는 라만 증폭기를 도시한다. OPO와 유사하게, 이것은 라만 발진기로서 기능하는 공동 내에서 실현될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이러한 정확한 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 시스템(10)은 IR/녹색/UV/DUV, MM IR 빔의 동축적인 시간적으로 선행하는 고강도(ns/ps) 펄스를 갖는 장펄스(long pulse) IR 소스, 초점에서 재료 상태 변화를 생성하는 동축 싱글 모드 IR 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서, 통상의 기술자에 의해 다양한 변경, 수정 및 개조가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
Claims (44)
- 워크피스의 레이저 가공 방법이며:
기본 파장에서의 제1 광대역 비편광 광섬유 레이저 빔을 고조파 파장에서의 적어도 하나의 제2 빔으로 부분적으로 변환하는 단계;
제1 및 제2 빔이 동축으로 그리고 시간적으로 중첩되는 상태에서 경로를 따라 제1 빔 및 하나의 제2 빔을 안내하는 단계;
각각의 기본 및 고조파 파장에서 상이한 흡수 계수를 갖는 워크피스의 표면 상에 제1 빔 및 하나의 제2 빔을 충돌시키는 단계;
제1 빔과 하나의 제2 빔 사이의 플루언스 비를 역 흡수 계수 비와 적어도 동일하도록 제어하는 단계로서, 상기 역 흡수 비에서 제2 빔은 재료 상태 변화를 제공하고 제1 빔의 초점 평면보다 표면에 더 가까운 초점 평면을 가짐으로써 제1 빔에 대한 워크피스의 흡수 계수를 증가시키는, 단계를 포함하는 레이저 가공 방법. - 제1항에 있어서, 제1 빔과 제2 빔 사이의 축 방향 색수차를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 그로 인해 제1 빔은 표면으로부터 거리를 두고 워크피스 내에 초점을 가지며 제2 빔은 제1 초점으로부터 상류로 이격되어 있는 제2 초점을 가지는 레이저 가공 방법.
- 제2항에 있어서, 플루언스 비의 제어 단계는:
경로를 따라 무색수차를 발생시키는 비-색지움 광학기기(non-achromatic optics)를 변위시키거나, 또는
비-색지움 광학기기를, 상이한 굴절 곡률로 구성되거나 용융 실리카, CaF2 또는 MgF2 같은 상이한 광학 재료 또는 제1 및 제2 빔의 각각의 초점 거리를 변경시킬 수 있는 다른 것으로 만들어지는 다른 광학기기로 대체하는 단계를 포함하는 레이저 가공 방법. - 제2항에 있어서, 역비 I(inverted ratio I)는 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 흡수 계수 비에 관련된 것인 레이저 가공 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 빔의 제2 빔으로의 고조파 변환 효율을 제어하여 워크피스 표면 상의 플루언스 비를 역 흡수 계수 비보다 높게 조정하는 단계를 더 포함하며, 가공 방법은 모든 파장에서 제2 빔이 없는 경우에 요구되는 것보다 더 적은 총 레이저 출력으로 달성되는 레이저 가공 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 빔의 고조파 파장은 제2, 제3 및/또는 제4 고조파 파장 또는 광 파라메트릭 및/또는 라만 공정의 사용에 의한 독립적으로 조절 가능한 파장을 포함하며, 그러한 파장에서의 모든 또는 다중 빔은 워크피스 표면에 동시에 그리고 동일한 위치에 충돌할 수 있는 레이저 가공 방법.
- 제1항에 있어서, 제1 빔에 대한 워크피스의 흡수 계수를 증가시키기 위해 플라즈마를 생성하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 빔을 발생시킨 후에 하나 이상의 거울만을 사용하여 제1 및 제2 동축 빔을 무색으로(achromatically) 시준하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
- 워크피스의 레이저 가공 방법이며:
기본 파장에서의 제1 광대역 비편광 광섬유 레이저 빔의 일부를 고조파 파장에서의 적어도 하나의 제2 광대역 빔으로 변환하는 단계로서, 제1 빔의 변환되지 않은 부분과 제2 빔이 동축으로 그리고 시간적으로 중첩되는 단계;
비-색지움 광학기기를 통과하는 경로를 따라 제1 및 제2 빔을 안내하는 단계로서, 그로 인해 빔들 사이에 색수차를 발생시키고, 따라서 빔들이 동시에 워크피스의 표면 상에 충돌할 때, 표면에 초점을 가지는 제2 빔이 재료 상태 변화를 제공하여, 워크피스의 표면으로부터 안쪽 또는 바깥쪽으로 이격된 곳에 초점을 가지는 제1 빔에 대한 워크피스 내의 흡수 계수를 증가시키며, 상기 워크피스는 각각의 기본 및 고조파 파장에서 상이한 흡수 계수를 가지는 재료로 만들어진, 단계를 포함하는 레이저 가공 방법. - 제9항에 있어서, 재료 상태 변화를 제공하기 위해 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 제1 및 제2 빔의 플루언스 비를 조정하는 단계를 더 포함하고, 플루언스 비는 기본 및 고조파 파장에서의 흡수 계수의 역비와 적어도 동일한 레이저 가공 방법.
- 제9항에 있어서, 제1 빔의 제2 빔으로의 고조파 변환 효율을 제어하는 단계를 더 포함하고, 재료 상태 변화는 변환 효율이 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 역 흡수 비보다 클 때 제공되는 레이저 가공 방법.
- 제11항에 있어서, 변환 도중에, 단일 또는 다중-모드 빔인 제1 빔의 가우시안 강도 분포가 도넛형 강도 분포가 되는 열화를 막기 위해 파장 변환 효율이 제어되는 레이저 가공 방법.
- 제11항에 있어서, 제1 빔의 도넛형 강도 분포 프로파일을 제공하기 위해 파장 변환 효율이 제어되는 레이저 가공 방법.
- 제11항에 있어서, 재료 상태 변화는 워크피스 상에 입사하는 제1 및 제2 빔 각각의 에너지가 아래와 같은 경우에 제공되며,
Eth(λ)/Ethall(λ)>1,
Eth(λ)는 각각의 개별 기본 또는 고조파 파장 단독으로 워크피스에 결합되는 레이저 빔의 에너지 임계값으로서, 단일 빔으로 워크피스의 레이저 가공을 수행하는데 필요한, 에너지 임계값이며, Ethall(λ)은 동축의 제1 및 제2 빔이 워크피스 상에 동시에 충돌할 때의 개별 파장에서의 레이저 빔의 에너지 임계값인 레이저 가공 방법. - 제9항에 있어서, 제2 빔은, 기본 파장의 제2, 제3 및 제4 고조파 및 이들 파장의 조합 및/또는 광 파라메트릭 또는 라만 공정에 의해 발생되는 독립적으로 조절 가능한 파장으로부터 선택된 고조파 파장을 가지는 레이저 가공 방법.
- 제9항에 있어서, 워크피스의 표면 상에 제2 빔이 충돌하여 전자 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하고, 상기 워크피스는 기본 파장에서의 흡수 계수보다 제2 빔 파장에서의 흡수 계수가 더 높은 재료로 만들어지는 레이저 가공 방법.
- 제9항에 있어서, 기본 파장에 의해 워크피스의 표면을 가열하는 단계를 더 포함하고, 이는 더 높은 파장에서의 흡수를 현저하게 증가시키는 레이저 가공 방법.
- 제9항에 있어서, 기본 파장에서의 빔은 0.9μm 내지 2.1μm 파장 범위에서 방출되는 복수의 단일 및/또는 다중-모드 레이저 광을 포함하고, 상기 레이저 광은,
1초 내지 펨토초 범위의 펄스 지속기간,
1과 100 사이의 M2 인자,
2nm와 수백 nm 사이의 넓은 스펙트럼 선,
μJ 내지 J 범위의 펄스 에너지, 및
한 자릿수 와트와 수백 킬로와트 사이의 평균 출력을 가지며,
제2 빔 스펙트럼 선폭은 0.5nm를 초과하는 레이저 가공 방법. - 제9항에 있어서, 제2 빔을 발생시킨 후에 하나 이상의 거울만을 사용하여 제1 및 제2 동축 빔을 무색으로 시준하는 단계를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
- 제9항에 있어서, 제1 빔은 펄스형, 연속파(CW), 또는 준 CW(QCW) 모드에서 작동하는 광섬유 레이저에 의해 발생되는, 단일 모드 또는 다중 모드 빔인 레이저 가공 방법.
- 워크피스의 모듈식 레이저 가공 장치이며:
기본 파장에서의 제1 광대역 비편광 광섬유 레이저 빔을 고조파 파장에서의 적어도 하나의 제2 광대역 빔으로 부분적으로 변환하도록 작동하는 조절 가능한 고조파 발생기로서, 제1 및 제2 빔은, 동축으로 그리고 시간적으로 중첩되며, 각각의 기본 및 고조파 파장에서 상이한 흡수 계수를 갖는 워크피스의 표면 상에 동시에 충돌하는, 조절 가능한 고조파 발생기;
제1 빔과 제2 빔 사이의 플루언스 비를 임계값과 적어도 동일하게 조정하도록 작동하는 시스템으로서, 상기 임계값에서 제2 빔이 표면 상에 또는 표면 근처에 재료 상태 변화를 제공하여 제1 빔의 흡수 계수를 증가시키는, 시스템을 포함하는 모듈식 레이저 가공 장치. - 제21항에 있어서, 조절 가능한 고조파 발생기와 워크피스 사이에 위치되고 변환되지 않은 제1 빔과 제2 빔 사이에 축 방향 색수차를 발생시키도록 작동함으로써, 제1 빔이 표면으로부터 거리를 두고 워크피스 내에 초점을 가지게 하고, 제2 빔이 제1 초점으로부터 상류로 이격되고 표면에 더 가까운 제2 초점을 가지게 하는 비-색지움 광학기기를 더 포함하는 모듈식 레이저 가공 장치.
- 제22항에 있어서, 제어기는, 플루언스를 측정하도록 작동하는 플루언스 측정 유닛, 플루언스 비를 결정하고 측정값을 임계값과 비교하도록 작동하는 처리 유닛, 및 비-색지움 광학기기를 변위시키거나 또는 비-색지움 광학기기를 대체하거나 또는 비-색지움 광학기기를 변위시키고 대체하도록 작동하는 작동기로 구성되는 모듈식 레이저 가공 장치.
- 제21항에 있어서, 임계값은 기본 및 고조파 파장에서의 흡수의 역비와 적어도 동일한 모듈식 레이저 가공 장치.
- 제24항에 있어서, 제1 빔의 제2 빔으로의 고조파 변환 효율을 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 역 흡수 계수 비보다 더 크도록 제어하는 시스템을 더 포함하는 모듈식 레이저 가공 장치.
- 제1항에 있어서, 조절 가능한 고조파 발생기는 제1 빔을 제2, 제3 및 제4 고조파 파장에서의 제2 빔으로 변환하도록 작동하는 모듈식 레이저 가공 장치.
- 제21항에 있어서, 제2 빔을 발생시킨 후에 하나 이상의 거울만을 사용하여 제1 및 제2 동축 빔을 무색으로 시준하는 단계를 더 포함하는 모듈식 레이저 가공 방법.
- 워크피스를 가공하는 모듈식 시스템이며:
경로를 따라 기본 파장에서의 광대역 제1 빔을 출력하는 레이저 소스;
제1 빔을 수용하고 제1 빔을 고조파 파장에서의 적어도 하나의 제2 빔으로 부분적으로 변환하도록 작동하는 고조파 파장 발생기로서, 제1 및 제2 빔은 동축으로 그리고 시간적으로 중첩되는, 고조파 파장 발생기; 및
동축의 제1 및 제2 빔에 의해 충돌되며, 색수차를 제어가능하게 발생시키도록 구성됨으로써, 제2 빔이 워크피스의 표면 상에 또는 그 근처에 초점 평면을 가지게 하여, 표면으로부터 워크피스의 몸체 내로 이격된 초점 평면을 갖는 제1 빔의 후속적인 효과적 흡수를 위해 온도를 증가시키기에 충분한 초기 재료 상태 변화를 제공하게 하는, 비-색지움 광학기기를 포함하는 모듈식 시스템. - 제28항에 있어서, 레이저 소스는 연속파(CW) 모드 또는 준 CW 모드 또는 펄스형 모드에서 작동되는 광섬유 레이저이며 제1 빔을 단일 또는 다중 모드에서 출력하는 모듈식 시스템.
- 제28항에 있어서, 고조파 발생기는:
제2, 제3 및/또는 제4 고조파 파장으로의 또는 광 파라메트릭 및/또는 라만 공정의 사용에 의한 독립적으로 조절 가능한 파장에서의 기본 파장의 순차적 변환을 선택적으로 제공하기 위한, 반사형 초점 조정만을 사용하여 광학 경로를 따라 서로 이격된 하나 이상의 비선형 결정, 및
단일 또는 다중-패스 파장 변환 방식으로 구성되는 모듈식 시스템. - 제30항에 있어서, 비선형 결정 각각은 I 형 또는 II 형 위상정합(Type I or Type II phase-matching)을 위해 절단되는 모듈식 시스템.
- 제28항에 있어서, 고조파 발생기와 워크피스 사이에 위치되는 포물면 거울을 포함하는 시준기를 더 포함하는 모듈식 시스템.
- 제28항에 있어서, 각각의 기본 및 고조파 파장에서의 제1 및 제2 빔의 플루언스 비를 결정하고 더 높은 파장에서의 제2 빔이 스파크를 발생시키도록 비-색지움 가공 렌즈 또는 렌즈 시스템을 조정하게 구성되는 처리 유닛을 더 포함하고, 플루언스 비는 기본 및 고조파 파장에서의 흡수 계수의 역비보다 더 크거나 적어도 동일한 모듈식 시스템.
- 제33항에 있어서, 처리 유닛은 고조파 발생기의 파장 변환 효율을 각각의 기본 및 고조파 파장의 역 흡수 계수 비보다 크게 조정하도록 작동하는 모듈식 시스템.
- 제34항에 있어서, 처리 유닛은 파장 변환 도중에 제1 빔의 가우시안 강도 분포가 도넛형 강도 분포가 되는 열화를 막기 위해 파장 변환 효율을 제어하도록 작동하는 모듈식 시스템.
- 제34항에 있어서, 파장 변환 효율은 단일 모드 또는 다중 모드 빔일 수 있는 제1 빔의 도넛형 강도 분포 프로파일을 제공하도록 제어되는 레이저 가공 방법.
- 제28항에 있어서, 광섬유 레이저 소스는 워크피스 상에 입사하는 제1 및 제2 빔 각각의 에너지가 아래와 같이 되도록 작동하며,
Eth(λ)/Ethall(λ)>1,
Eth는 각각의 개별 기본 또는 고조파 파장 단독에서 워크피스에 결합되는 단일 레이저 빔의 에너지 임계값으로서, 개별 파장 빔에서의 단일 레이저 빔에 의해 워크피스의 레이저 가공을 수행하는데 필요한, 에너지 임계값이며, Ethall(λ)은 동축의 제1 및 제2 빔이 워크피스 상에 모두 함께 동시에 충돌할 때의 개별 파장에서의 레이저 빔의 에너지 임계값인 레이저 가공 방법. - 레이저 가공을 위한 방법이며,
표면 재료에서의 상태 변화를 달성하기 위해서 목표 표면에서의 원하는 고조파 플루언스 레벨을 결정하는 단계로서, 원하는 플루언스 레벨은 적어도 레이저 가공 공정을 개시시키는, 단계,
원하는 고조파 플루언스 레벨을 달성하기 위해서 고조파 스폿 크기, 변환 효율, 및 미변환 빔 출력을 설정하는 단계,
고조파 스폿 크기 및 원하는 고조파 플루언스에 대응하는 기본 스폿 크기를 결정하는 단계로서, 기본 빔은 잔류 미변환 방사선을 포함하는, 단계,
고조파 스폿 크기 및 기본 스폿 크기를 목표 표면에 동축으로 전달하기 위해 색채 광학 시스템을 구성하는 단계, 및 목표 재료를 효율적으로 가공하기 위해서 색채 광학 시스템에 의해 목표 작업 표면에 레이저 방사선을 전달하는 단계를 포함하는 레이저 가공을 위한 방법. - 다중 파장 레이저 가공 시스템이며,
다중 파장 동축 레이저 가공 빔을 발생시키기 위한 다중 파장 레이저 소스,
동축 레이저 가공 빔을 워크피스의 표면 상의 레이저-재료 상호 작용 구역으로 전달함으로써, 가공 빔 내의 제1 및 제2 레이저 파장 각각이 각각의 제1 및 제2 동심원 레이저 스폿으로서의 상호 작용 구역의 적어도 일부에 충돌하게 하는 다중 파장 광학 시스템으로서, 다중 파장 광학 시스템은 다중 파장 빔 시준기, 구성 가능한 색채 광학기기, 및 레이저 가공 초점 렌즈를 포함하고, 구성 가능한 색채 광학기기는 제1 및 제2 레이저 파장의 상대적인 초점 거리에 대한 조정을 제공하는 다중 파장 광학 시스템을 포함하는 다중 파장 레이저 가공 시스템. - 제39항에 있어서, 제1 및 제2 레이저 스폿의 직경 비가 색채 광학기기를 구성함으로써 조정되는 다중 파장 레이저 가공 시스템.
- 제39항에 있어서, 더 작은 동심원 스폿의 직경은 더 큰 동심원 스폿의 직경의 ½ 미만인 다중 파장 레이저 가공 시스템.
- 제39항에 있어서, 구성 가능한 색채 광학기기는 동축 빔의 경로로부터 제거 가능하고, 시스템은 색채 광학기기가 설치된 상태의 제1 세트의 각각의 초점 거리 및 색채 광학기기가 제거된 경우의 제2 세트의 각각의 초점 거리를 갖는 다중 파장 레이저 가공 시스템.
- 제39항에 있어서, 구성 가능한 색채 광학기기는 제2 색채 광학기기와 상호교환 가능한 제1 색채 광학기기를 포함하고, 시스템은 제1 색채 광학기기에 대응하는 제1 세트의 각각의 초점 거리 및 제2 색채 광학기기에 대응하는 제2 세트의 각각의 초점 거리를 갖는 다중 파장 레이저 가공 시스템.
- 제39항에 있어서, 구성 가능한 색채 광학기기는 제1 제거가능 색채 광학기기 및 제2 제거가능 색채 광학기기를 포함하고, 시스템은 복수의 색채 광학기기 구성에 대응하는 복수의 세트의 각각의 초점 거리를 갖는 다중 파장 레이저 가공 시스템.
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