KR20200116489A - 재료를 레이저 가공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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앤드류 말리노프스키
크리스토프 앙드레 코드마드
미카일 니콜라오스 저바스
이안 보더로이드
스티븐 존 킨
말콤 폴 반햄
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에스피아이 레이저스 유케이 리미티드
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Abstract

레이저(1), 광섬유(2), 및 커플러(125)를 포함하는, 재료(11)를 레이저 가공하기 위한 장치가 제공된다. 레이저(1)는 광섬유(2)에 연결되며, 광섬유(2)는 레이저 방사선(13)이 제 1 모드 차수(24)를 갖는 제 1 광학 모드(21), 제 2 모드 차수(25)를 갖는 제 2 광학 모드(22), 및 제 3 모드 차수(26)를 갖는 제 3 광학 모드(23)로 광섬유(2)를 따라 전파될 수 있도록 한다. 제 3 모드 차수(26)가 제 2 모드 차수(25)보다 높으며, 제 2 모드 차수(25)가 제 1 모드 차수(24)보다 높다. 이러한 장치는 커플러(125)가 제 1 광학 모드(21)로 전파되는 레이저 방사선을 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되며 그리고 커플러(125)가 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선을 제 3 광학 모드(23)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

재료를 레이저 가공하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 재료를 레이저 가공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
레이저는 절단, 용접, 드릴링, 음각 처리, 및 적층 제조를 포함한 다수의 레이저 가공 용례에 사용된다. 이러한 용례에서는, 재료와 상호 작용하는 레이저 빔의 크기와 단면 프로파일을 최적화하는 것이 바람직한 경우가 많다. 예를 들어, 재료와 상호 작용하는 레이저 빔의 스폿 크기(spot size)가 포커싱 렌즈와 가공편 사이의 작업 거리를 변경함으로써 변경될 수 있다. 단면 프로파일은 외부 광학 장치를 사용하여 가우시안(Gaussian) 프로파일로부터 탑-햇(top hat) 프로파일로 또는 환형 또는 링 프로파일로 변경될 수 있다. 그러나, 이러한 융통성을 가진 외부 광학 장치를 제공하기 위해서는 비용이 많이 들며, 그리고 작업 거리를 변경하여야 하기 때문에 시간이 걸리므로 가공 비용이 증가된다. 가공 헤드의 광학 장치를 조절할 필요 없이 레이저 빔을 단일 가우시안 기본 모드로부터 탑-햇 또는 환형 빔으로 변경할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 작업 거리를 변경하지 않고 레이저 빔의 스폿 크기를 변경할 수 있는 것이 바람직하다.
금속 분말 층 적층 제조 시스템은, 구축되는 삼차원 구조에 가능한 가장 작은 특징부 크기를 제공하기 위하여 기본 가우시안 모드를 사용한다. 그러나, 기본 가우시안 모드의 사용은 크기가 더 큰 구조는 느리게 구축된다는 것을 의미한다. 이러한 이유로, 레이저 빔을 작은 특징부를 생성할 수 있는 기본 가우시안 모드로부터 크기가 더 큰 영역을 더 빠르게 가공할 수 있는 크기가 더 크고 더 균일한 스폿 크기를 가진 레이저 빔으로 전환할 수 있어야 한다.
레이저 드릴링으로 인해 발생할 수 있는 문제로서, 일단 구멍이 드릴링 가공되고 나면 구멍 후방 표면이 레이저 빔에 의해 손상되는 문제가 있다. 이러한 문제는 환형 레이저 빔을 제공함으로써 적어도 부분적으로 해결될 수 있다. 환형 빔은 액시콘 렌즈(axicon lens)를 사용하여, 또는 광섬유 또는 기타 도파관의 클래딩(cladding) 또는 링 코어에 레이저 방사선을 비춤으로써 생성될 수 있다. 그러나, 이러한 빔은 빠르게 발산될 수 있으며 초점으로부터 1 mm 내지 2 mm 이상 떨어져 있는 환형 단면을 보존하지 못한다. 이 때문에, 초점으로부터의 환형 빔을 초점을 통과하도록 유지할 필요가 있다. 이와 관련하여, 발산 정도가 낮은 환형 레이저 빔을 제공함으로써 드릴링 처리될 수 있는 구멍의 크기를 줄일 필요가 있다.
강철의 레이저 절단은 레이저 빔을 시준하여 집속시키기 위한 광학 장치 및 레이저 빔과 동축의 고압 가스 제트(jet)를 제공하기 위한 원추형 구리 노즐을 구비한 공정 헤드를 통해 가공편에 레이저 빔을 비추는 방식으로 달성된다. 기본 절단 작업은 레이저 빔을 사용하여 가공편의 필요한 영역을 가열하여 용융시키는 단계 및 보조 가스 제트로 알려진 가스 제트를 사용하여 용융 재료를 절단 지대의 바닥 외부로 불어내는 단계를 포함한다. 절단 헤드는 절단 헤드의 노즐 선단과 가공편 표면의 사이에 일정한 거리를 유지하면서 가공편의 위에서 이동된다. 절단 헤드가 프로그래밍된 경로로 이동되어 형상이 생성된다.
스테인레스 강을 절단하는 경우, 불활성 보조 가스를 사용하면 가공편의 절단 가장자리면에 금속 산화물이 생성되는 것이 방지된다. 금속 산화물은 용접 부품의 약화, 절단 가장자리면의 크롬 고갈로 인한 스테인레스 강의 부식 특성 열하, 스테인레스 강에 비해 증가된 금속 산화물의 경도로 인한 미끄럼 이동 부품의 마모 증가와 같은 문제를 야기할 수 있다. 이러한 절단 공정의 유일한 열원은 집속된 레이저 빔에 의해 제공되기 때문에, 전력 밀도가 더 높은 더 작은 크기의 초점이 더 좁은 용융 영역을 발생시킴으로써 더 효율적인 절단을 제공할 것이다. 금속의 두께를 관통하여 용융 영역이 좁아지도록 하기 위해서는 발산 정도가 낮아야 한다. 실제 가장 작은 초점에 대한 한계는 재료 두께와 함께 광학 피사계 심도에 의해 결정된다. 이것은 절단 폭(절단 자국)이 보조 가스가 충분한 압력으로 절단 바닥으로 이동하여 깨끗한 절단부를 생성하기 위하여 용융 재료를 깨끗이 제거하며 하부 절단 가장자리 상의 찌꺼기를 방지할 수 있도록 하기에 충분할 정도로 넓어야 하기 때문이다. 이러한 유형의 절단을 위해, 보조 가스는, 전형적으로, 10 bar 내지 20 bar의 범위의 고압으로 인가되어야 한다. 노즐 유출구의 직경은, 보통, 0.5 mm 내지 2.0 mm의 범위이며, 일반적으로, 재료가 두꺼울수록 더 큰 노즐이 필요하다.
5 mm보다 두꺼운 연강(저탄소 강으로도 알려짐)을 절단하는 경우, 보조 가스로서 산소를 사용하는 것이 전형적이다. 산소는 가공편 내부의 철과 발열 반응하여 추가적인 열을 제공함으로써 절단 속도를 증가시킨다. 산소는, 전형적으로, 0.25 bar 내지 1 bar의 범위의 압력으로 인가된다. 이러한 압력은 질소 보조 가스 절단에 사용되는 압력에 비해 훨씬 낮다. 전형적으로 두께가 10 mm 내지 30 mm의 범위인 두꺼운 단면의 절단의 경우, 산소 보조 가스가 찌꺼기가 없는 절단부를 유지하면서 용융 재료를 분출하기에 충분한 가스 흐름으로 절단 지대의 바닥에 도달할 수 있도록 하기에 충분할 정도로 절단 자국이 넓어야 한다. 두꺼운 연강 절단의 경우, 전형적으로, 빔의 초점이 흐려져서 빔 웨이스트(beam waist)가 판금 표면의 위에 위치함으로써 판금 표면 상의 입사 빔 직경이 빔 웨이스트보다 커진다. 빔의 발산 정도가 증가하면 가장자리 거칠기가 더 낮은 더 우수한 품질의 절단부를 얻을 수 있다.
대부분의 범용 평판형 레이저 절단기는 모든 절단부가 우수한 품질을 갖는 상태로 다양한 두께의 다양한 금속을 절단하기 위해 필요하다. 초점 크기는, 전형적으로, 다양한 공정 조건을 충족하는 데 필요한 요구 사항을 절충하여 선택된다. 얇은 스테인레스 강을 절단하기 위해서는 발산 정도가 낮은 작은 초점이 필요하다. 두꺼운 연강을 절단하기 위해서는 발산 정도가 더 높은 크기가 더 큰 초점이 필요하다. 평판형 절단기는 고정적인 빔 품질을 갖는 레이저를 이용하여 작업하도록 설계된다. 가공 능력을 증가시키기 위하여, 절단 헤드는, 첫째, 빔 경로를 따른 포커싱 렌즈의 제한된 이동을 가능하게 하여 가공편에 대한 레이저 빔의 초점이 흐려질 수 있도록 함으로써 입사 스폿 크기를 증대시킬 수 있으며, 둘째, 초점 직경이 조절될 수 있도록 하기 위한 강화된 광학 시스템을 구비할 수도 있다. 이에 따른 이점은 제한적인데, 그 이유는, 레이저 빔 품질이 일정한 레이저는 초점 크기와 발산 사이의 관계가 고정될 것이며, 이러한 고정된 관계는 절단 공정 방식에서 원하는 바와 반대되는 방식으로 작용하기 때문이다.
상이한 절단 방식에서는 발산 정도가 낮은 크기가 작은 스폿 또는 발산 정도가 높은 크기가 큰 스폿이 요구되는 반면, 빔 품질이 고정된 레이저는 발산 정도가 높은 크기가 작은 스폿 또는 발산 범위가 좁은 크기가 큰 스폿을 제공할 수 있다. 따라서, 모든 금속 유형 및 두께에 대해 공정 매개 변수를 최적화하는 것은 불가능하다.
융합 절단은, 전형적으로, 재료의 바닥 표면 부근에 레이저 빔을 집속시킴으로써 최적화된다. 고강도의 레이저 빔은 절단 속도를 증가시키기는 데에는 바람직하지만, 용융물 흐름 역학을 희생할 수 있어, 절단부 상측 표면의 바람직하지 않은 줄무늬를 유발할 수 있다. 재료의 상측 표면에 환형 단면을 갖는 레이저 빔을 제공하며 바닥 표면에 가우시안 프로파일 또는 탑-햇 프로파일을 제공하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상측 표면 상에 더 우수한 열 분포가 제공되며 재료의 바닥으로 갈수록 더 높은 강도가 제공되어, 절단 속도를 크게 저하시키지 않고 절단 품질이 향상된다.
예를 들어, 용접, 마킹, 및 적층 제조와 같은 그 외 다른 재료 가공 장비에서도 유사한 제약이 야기된다. 이러한 모든 용례에서, 레이저의 빔 매개변수 곱이 변경될 수 있으며 가공되는 재료 상에 집속된 레이저 빔의 직경이 변경될 수 있는 레이저 가공 장치가 필요하다.
본 발명의 목적은 전술한 문제를 감소 또는 방지하는, 재료를 레이저 가공하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 비제한적인 실시예에 따르면, 레이저, 광섬유, 및 커플러를 포함하며,
● 레이저는 광섬유에 연결되며,
● 광섬유는 레이저 방사선이 제 1 모드 차수(mode order)를 갖는 제 1 광학 모드, 제 2 모드 차수를 갖는 제 2 광학 모드, 및 제 3 모드 차수를 갖는 제 3 광학 모드로 광섬유를 따라 전파될 수 있도록 하며,
● 제 3 모드 차수가 제 2 모드 차수보다 높으며, 및
● 제 2 모드 차수가 제 1 모드 차수보다 높은 것인, 재료를 레이저 가공하기 위한 장치에 있어서,
● 커플러는 제 1 광학 모드로 전파되는 레이저 방사선을 제 2 광학 모드로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되며, 및
● 커플러는 제 2 광학 모드로 전파되는 레이저 방사선을 제 3 광학 모드로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재료를 레이저 가공하기 위한 장치가 제공된다.
상기 커플러는 제 1 광학 모드로 전파될 수 있는 레이저 방사선의 적어도 75%를 제 3 광학 모드에 결합하도록 구성될 수도 있다.
상기 커플러는 제 1 광학 모드로 전파되는 레이저 방사선을 복수의 광학 모드로 전환하도록 구성될 수도 있어, 레이저 방사선의 탑-햇 광출력 분포가 형성될 수 있도록 한다.
상기 장치는 레이저 방사선을 재료의 표면 상에 또는 그 부근에 집속되도록 구성되는 광학 렌즈 장치를 포함할 수도 있다.
상기 장치는 렌즈를 포함할 수도 있으며, 상기 렌즈는 전방 초점면과 후방 초점면에 의해 정의되며, 제 1 광학 모드는 레일리 길이(Reyleigh length)에 의해 정의되며, 렌즈는 레이저로부터의 광섬유의 말단부로부터 레일리 길이의 2 배의 길이 이내에 위치된다.
상기 렌즈는 광섬유의 말단부가 전방 초점면에 위치되도록 배치될 수도 있다.
상기 렌즈는 그레이디드 인덱스 렌즈(graded index lens)를 포함할 수도 있다.
상기 광섬유는 복수의 코어를 구비할 수도 있으며, 제 3 광학 모드와 제 1 광학 모드는 서로 다른 코어에서 전파될 수도 있다. 상기 코어들 중 적어도 하나는 상기 코어들 중 다른 하나를 둘러싸는 링 코어일 수도 있다.
상기 커플러는 피치에 의해 정의되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 압착 기구를 포함할 수도 있다. 상기 주기적 표면은 광섬유에 인접하게 위치될 수도 있다. 상기 압착 기구는 압착력에 의해 주기적 표면과 광섬유를 함께 압착하여, 제 1 광학 모드를 제 2 광학 모드에 결합하며 제 2 광학 모드를 제 3 광학 모드에 결합하도록 구성될 수도 있다.
장치는 원하는 출력 모드에 따라 상이한 압착력을 인가하도록 구성될 수도 있다.
상기 피치는 주기적 표면의 길이를 따라 처프되는(chirped) 가변 피치일 수도 있다. 가변 피치는 제 1 피치 및 제 2 피치를 가질 수도 있으며, 상기 제 1 피치가 제 1 광학 모드와 제 2 광학 모드를 함께 결합하며, 상기 제 2 피치가 제 2 광학 모드와 제 3 광학 모드를 함께 결합한다.
상기 압착 기구는 압착력이 인가되면 광섬유를 나선형으로 변형시키도록 구성될 수도 있다.
상기 레이저 방사선은 빔 매개변수 곱에 의해 정의되며, 상기 커플러는 압착력을 증가시킴으로써 빔 매개변수 곱이 증가될 수 있도록 할 수도 있다.
장치는 상기 제 3 광학 모드를 복수의 광학 모드에 결합함으로써, 레이저 방사선이 탑-햇 또는 환형 링 프로파일을 가질 수 있게 하도록 구성된 장주기 격자를 포함할 수도 있다.
상기 장주기 격자는 피치에 의해 정의되는 주기적 표면을 포함하는 제 2 압착 기구를 포함할 수도 있으며, 상기 주기적 표면은 광섬유에 인접하여 위치되며, 상기 압착 기구는 압착력에 의해 주기적 표면과 광섬유를 함께 압착하도록 구성될 수도 있다.
상기 장치는 광섬유로부터 단일 개별 광학 모드를 방출하도록 구성될 수도 있다.
상기 광섬유는 실질적으로 균질한 코어를 포함하여, 광학 모드들 간의 의도하지 않은 모드 결합을 방지할 수도 있다.
본 발명은 또한,
● 레이저 방사선을 방출하는 레이저를 제공하는 단계;
● 레이저 방사선이 제 1 모드 차수를 갖는 제 1 광학 모드, 제 2 모드 차수를 갖는 제 2 광학 모드, 및 제 3 모드 차수를 갖는 제 3 광학 모드로 전파될 수 있는 광섬유를 제공하는 단계; 및
● 레이저 방사선을 광섬유의 제 1 광학 모드에 커플링(coupling)시키는 단계를 포함하며,
● 제 3 모드 차수는 제 2 모드 차수보다 높으며, 및
● 제 2 모드 차수는 제 1 모드 차수보다 높은 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법에 있어서,
● 제 1 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선을 제 2 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선으로 전환하며 제 2 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선을 제 3 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 커플러를 제공하는 단계; 및
● 레이저 방사선으로 재료를 레이저 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법을 제공한다.
상기 제 1 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선의 적어도 75%가 제 3 광학 모드로 전환될 수도 있다.
상기 제 1 광학 모드에서 전파되는 레이저 방사선이 제 3 광학 모드를 포함한 복수의 광학 모드로 전환되어, 레이저 방사선의 탑-햇 광출력 분포를 형성할 수도 있다.
상기 제 1 광학 모드는 레일리 길이에 의해 정의되며, 방법은 전방 초점면과 후방 초점면에 의해 정의되는 렌즈를 제공하는 단계, 및 레이저로부터의 광섬유의 말단부로부터 레일리 길이의 2 배의 길이 이내에 렌즈를 배치하는 단계를 포함할 수도 있다.
방법은 상기 렌즈가 그레이디드 인덱스 렌즈를 포함할 수도 있도록 할 수도 있다.
방법은 상기 레이저 방사선을 집속시켜 재료의 표면 상에 또는 그 부근에 빔 웨이스트를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다.
방법은 상기 제 1 광학 모드가 광섬유의 기본 모드일 수도 있도록 할 수도 있다.
방법은 상기 제 3 광학 모드가 적어도 3의 방위각 모드 수(mode number) 및 적어도 1의 반경방향 모드 수(radial mode number)를 가질 수도 있도록 할 수도 있다.
방법은 상기 커플러가 피치에 의해 정의되는 주기적 표면을 포함하는 적어도 하나의 압착 기구를 포함할 수도 있도록 할 수도 있다. 상기 주기적 표면은 광섬유에 인접하게 위치할 수도 있다. 상기 압착 기구는 압착력에 의해 주기적 표면과 광섬유를 함께 압착하도록 구성될 수도 있다.
방법은 원하는 제 3 광학 모드를 선택하기 위하여 압착 기구에 정의된 제어 신호를 인가하는 제어기를 제공하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기 제 3 광학 모드를 선택하는 단계는 압착력을 조절하여 달성될 수도 있다.
방법은 다양한 광출력 모드를 선택하기 위해 상기 커플러에 정의된 제어 신호를 인가하는 제어기를 제공하는 단계를 포함할 수도 있다.
방법은 상기 제 1 광학 모드를 선택하며 레이저 방사선으로 재료를 천공하는 단계를 포함할 수도 있다.
상기 재료를 레이저 가공하는 단계는 제 3 광학 모드를 선택하며 레이저 방사선으로 재료를 절단하는 단계를 포함한다.
방법은 레이저 방사선을 탑-햇 광출력 분배로 전환하며 레이저 방사선으로 재료를 절단하는 단계를 포함할 수도 있다.
방법은 상기 레이저 방사선으로 재료를 용접하는 단계를 포함할 수도 있다.
방법은 상기 레이저로 재료를 소결 처리하는 단계를 포함할 수도 있으며, 소결 처리 이전의 재료는 금속제 분말의 형태이다.
방법은 상기 레이저로 재료를 드릴링 처리하는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명은 또한, 공정 헤드로 재료 상에 레이저을 집속시키는 단계, 가우시안 프로파일을 선택하여 재료를 천공하는 단계, 및 탑-햇 광출력 분포를 선택하여 재료를 절단하는 단계를 포함하는, 본 발명의 장치를 사용하여 재료를 절단하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 초점으로부터 공정 헤드를 사용하여 레이저를 투사하는 단계 및 본 발명의 장치를 사용하여 작업 스폿 크기를 변경하여 스폿 크기 및 프로파일 변화에 의해 용접 공정을 최적화하는 단계를 포함하는, 본 발명의 장치를 사용하여 재료를 용접하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 대안으로서 또는 추가적으로, 본 발명의 장치의 전술한 선택적 양태를 활용하기 위해 필요한 바와 같은 단계(들)를 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시예가 이하 단지 예시로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 설명된다:
도 1은 본 발명에 따른 재료를 레이저 가공하기 위한 장치를 보여주며;
도 2는 광섬유 안내 모드의 강도 분포를 보여주며;
도 3은 레이저 빔에 의해 형성된 빔 웨이스트를 보여주며;
도 4 및 도 5는 광섬유의 말단부로부터 발산되어 렌즈에 의해 이미지화되는 광학 모드의 빔 직경을 보여주며;
도 6은 레이저 빔의 발산을 증가시키기 위해 사용되는 오목 렌즈를 보여주며;
도 7은 광섬유의 말단부에 형성된 단 초점 길이 렌즈를 보여주며;
도 8은 광섬유의 말단부에 결합된 단부 캡 상에 형성된 단 초점 길이 렌즈를 보여주며;
도 9는 그레이디드 인덱스 광섬유로 만든 단 초점 길이 렌즈를 보여주며;
도 10은 단 초점 길이 렌즈에 의해 이미지화되는 광학 모드의 빔 직경을 보여주며;
도 11은 광섬유의 말단부에서의 탑-햇 전력 분포가 레이저 빔의 초점에서의 탑-햇 전력 분포로 본 발명에 따른 장치에 의해 이미지화되는 것을 보여주며;
도 12는 광섬유의 말단부에서의 탑-햇 전력 근접장 분포가 레이저 빔의 초점에서의 탑-햇 원거리 장 분포로 본 발명에 따른 장치에 의해 이미지화되는 것을 보여주며;
도 13은 광섬유가 그 길이를 따라 주기적으로 구부러지는 압착 기구를 보여주며;
도 14는 광섬유가 그 길이를 따라 주기적으로 압축되는 압착 기구를 보여주며;
도 15는 각각의 주기적 표면이 이웃한 주기적 표면과 직각으로 배열되는, 4 개의 주기적 표면을 포함하는 압착 기구를 보여주며;
도 16은 서로 60°로 배열된 3 개의 주기적 표면을 포함하는 압착 기구를 보여주며;
도 17은 광섬유를 나선형으로 비틀기 위한 3 개의 부품을 포함하는 압착 기구를 보여주며;
도 18은 3 개의 부품 중 하나를 상세히 보여주며;
도 19는 기본 모드가 캐스케이드 공정에 의해 고차 모드에 결합된 실험의 결과를 보여주며;
도 20은 빔 웨이스트를 통한 기본 LP0,1 모드 및 LP3,1의 진화를 보여주며;
도 21 내지 도 25는 광섬유 말단부의 렌즈의 선택 및 위치가 포커싱 렌즈에 의해 집속된 후의 다양한 광학 모드에 대한 빔 직경에 미치는 영향을 보여주며;
도 26은 링 모드로 조사된 후의 가공편의 온도 프로파일을 보여주며;
도 27은 기본 모드로 조사된 후의 기공편의 온도 프로파일을 보여주며; 및
도 28은 링 코어를 구비한 광섬유를 보여준다.
도 1은 레이저(1), 광섬유(2), 및 커플러(125)를 포함하며,
● 레이저(1)는 광섬유(2)에 연결되며;
● 광섬유(2)는 레이저 방사선(13)이 제 1 모드 차수(24)를 갖는 제 1 광학 모드(21), 제 2 모드 차수(25)를 갖는 제 2 광학 모드(22), 및 제 3 모드 차수(26)를 갖는 제 3 광학 모드(23)로 광섬유(2)를 따라 전파될 수 있도록 하며;
● 제 3 모드 차수(26)가 제 2 모드 차수(25)보다 높으며; 및
● 제 2 모드 차수(25)가 제 1 모드 차수(24)보다 높은 것인, 재료(11)를 레이저 가공하기 위한 장치를 보여주며, 이러한 장치는,
● 커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파되는 레이저 방사선을 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되며; 및
● 커플러(125)는 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선을 제 3 광학 모드(23)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재료(1)를 레이저 가공하기 위한 장치를 도시한다.
커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파될 수 있는 레이저 방사선의 적어도 75%를 제 3 광학 모드(23)에 결합하도록 구성될 수도 있다. 커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파될 수 있는 레이저 방사선의 적어도 90%를 제 3 광학 모드(23)에 결합하도록 구성될 수도 있다.
커플러(125)는 적어도 하나의 압착 기구(3)를 포함할 수도 있다. 압착 기구(3)는 피치(7)에 의해 정의되는 적어도 하나의 주기적 표면(6)을 포함할 수도 있다. 주기적 표면(6)은 광섬유(2)에 인접하게 위치된다. 피치(7)는 주기적 표면(6)이 제 1 광학 모드(21)와 제 2 광학 모드(22)를 함께 결합하도록 선택된다. 압착 기구(3)는 압착력(12)으로 주기적 표면(6)과 광섬유(2)를 함께 압착함으로써, 제 1 광학 모드(21)를 제 2 광학 모드(22)에 결합하도록 구성된다.
도 1의 장치는 전방 초점면(14)과 후방 초점면(15)에 의해 정의되는 렌즈(4)를 포함할 수도 있다. 제 1 광학 모드(21)는 도 20을 참조하여 도시된 레일리(Reyleigh) 길이(217)에 의해 정의될 수 있다. 렌즈(4)는 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 레일리 길이(217)의 2 배의 길이 이내에 위치된다. 바람직하게는, 렌즈(4)는 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 레일리 길이(217)의 1 배의 길이 이내에 위치된다.
렌즈(4)는 광섬유(2)의 말단부(16)가 전방 초점면(14)에 위치하도록 배치될 수도 있다.
적어도 하나의 장주기 격자(long period grating)(127)가 선택적으로 제 1 압착 기구(3)에 후속할 수 있다. 장주기 격자(127)는 그 길이(8)를 따라 균일한 주기(7)를 가질 수 있으며, 또는 그 길이(8)를 따라 처프되는(chirped) 주기(7)를 가질 수 있다. 제 1 압착 기구(3)는 제 1 광학 모드(21)를 제 2 광학 모드(22)에 결합하도록 구성될 수도 있다. 장주기 격자(127)는 제 2 광학 모드(22)를 제 3 광학 모드(26)에 결합하도록 구성될 수도 있다. 장주기 격자(127)가 제 2 광학 모드(22)를 복수의 제 3 광학 모드(26)에 결합하도록 구성될 수도 있다.
제 1 압착 기구(3)는 제 1 광학 모드(21)를 제 3 광학 모드(26)에 결합하도록 구성될 수도 있다. 장주기 격자(127)는 제 3 광학 모드(22)를 복수의 광학 모드(도시하지 않음)에 결합하도록 구성될 수도 있다. 바람직하게는, 장주기 격자(127)는 광학 모드가 대략 균일하게 여기되도록 구성될 수 있어, 레이저 방사선(13)이 탑-햇 또는 환형 프로파일을 가질 수 있게 한다.
장주기 격자(127)는 광섬유 브래그 격자(fibre Bragg grating)를 포함할 수 있다.
장주기 격자(127)는 도 1에 도시된 바와 같은 제 2 압착 기구(129)를 포함할 수 있다.
레이저(1)는 광섬유(2)에 연결된다. 레이저(1)는 접속기(10)에서 광섬유(2)에 연결되는 출력 섬유(9)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 레이저(1)는 광섬유(9)로부터 기본 모드로 레이저 방사선을 방출하는 레이저일 수도 있다. 접속기(10)는 광섬유(2)의 기본 모드를 시작하도록 구성된 테이퍼(taper)를 포함할 수도 있다. 접속기(10)는 광섬유(2)의 적어도 2 개의 모드가 시작되도록 할 수도 있다. 대안으로서, 레이저(1)는 다중 횡방향 모드로 레이저 방사선을 방출하는 레이저일 수도 있다. 레이저(1)는 파이버 레이저(fibre laser), 디스크 레이저(disc laser), 로드 레이저(rod laser), 슬래브 레이저(slab laser), 또는 고상 레이저(solid state laser)일 수 있다. 장치는 레이저(1)와 함께 또는 레이저 없이 판매될 수도 있다.
광섬유(2)는 장치의 적절한 임의의 위치에 배치될 수도 있다. 따라서, 예를 들어, 광섬유(2)는 함께 접속되는 하나 이상의 광섬유를 포함할 수도 있다. 레이저를 제어하는 제어 신호가 또한 제 1 압착 기구(3)를 제어하는 데 사용될 수 있도록 제 1 압착 기구(3)를 레이저(1)와 함께 위치시키는 것이 유리할 수 있다. 이에 의해 값비싼 케이블 장치 및 제어 시스템이 배제된다. 제 1 압착 기구(3)가 레이저(1)와 함께 패키징될 수 있으며, 또는 레이저 패키징 외부의, 레이저 방사선(13)을 레이저(1)로부터 광섬유(2)의 말단부(16)로 전송하는 수송 섬유 내에 위치할 수 있다.
광섬유(2)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 코어(core)(31) 및 클래딩(cladding)(32)을 포함한다. 코어(31)는 코어 직경(18) 및 유리 클래딩 직경(19)에 의해 정의된다. 코어 직경(18)은 20 ㎛ 내지 150 ㎛, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 105 ㎛, 그리고 보다 바람직하게는 50 ㎛일 수도 있다. 유리 클래딩 직경(19)은 150 ㎛ 내지 500 ㎛, 그리고 바람직하게는 150 ㎛ 내지 250 ㎛일 수도 있다. 바람직하게는, 유리 클래딩 직경(19) 대 코어 직경(18)의 비율은, 모드들 간의 미세 굽힘 및 제어되지 않은 결합을 피하기 위하여, 적어도 5, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 10이다.
광섬유(2)는 도 28에 도시된 광섬유(281)일 수 있다. 광섬유(281)는 코어(31)를 둘러싸는 링 코어(282)를 구비한다. 링 코어(282)는 도 1을 참조하여 설명된 제 3 광학 모드(23)를 지원하도록 설계될 수도 있다.
도 2를 다시 참조하면, 광학 모드(20)를 안내하는 광섬유(2)가 도시되어 있다. 광학 모드(20)는 광학 모드(20)의 강도가 국소 최대 값을 갖는 다수의 로브(lobe)(27)를 포함한다. 광섬유(2)의 방위각(29) 주위에 16 개의 로브(27)가 있으며 반경(28)을 따라 4 개의 로브(27)가 있다. 일반 관례에 따라 광학 모드(20)는 LPp,q 모드이며, 여기서 "p"는 방위각 모드 수이며, "q"는 반경방향 모드 수이다. 방위각(29) 주위의 로브(27)의 수는 방위각 모드 수의 2배와 같으며, 반경(28)을 따른 로브(27)의 수는 반경방향 모드 수(q)와 같다. 방위각(29) 주위에 16 개의 로브(27)가 있으며 반경(28)을 따라 4 개의 로브(27)가 있으므로, 도시된 모드(20)는 LP8,4 모드이다. 광학 모드(20)의 모드 차수는 아래와 같이 주어진다:
Figure pct00001
이러한 예에서, 광학 모드(20)의 경우, 모드 차수는 15이다.
도 3은 거리에 따라 변하는 빔 직경(39)을 갖는 레이저 방사선(13)이 초점(34)에 도달하는 것을 보여준다. 레이저 방사선(13)은 초점(34)에서 2ω0와 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 갖는다. 빔 웨이스트 직경(35)은 종종 스폿 크기로 지칭된다. 레이저 방사선(13)은 α와 동일한 발산각(36)으로 초점(34)으로부터 발산된다. 빔 웨이스트 직경(35)의 절반과 발산각(36)의 곱이 빔 매개변수 곱(BPP:beam parameter product)(33)으로 정의된다.
Figure pct00002
빔 매개변수 곱(33)은 레이저 방사선(13)의 빔 품질의 척도이다. 빔 매개변수 곱(33)은 다음 수학식에 의해 나타내어지는 바와 같이 레이저 방사선(13)의 빔 품질(M2) 값(37) 및 λ, 파장(5)과 관련되어 있다:
Figure pct00003
회절 제한 가우시안 모드는 그 모드 차수와 동일한 빔 품질(M2) 값(37)을 갖는다. 모드가 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 가지면, 발산각(36)은 그 모드 차수의 수에 비례한다. 빔 웨이스트 직경(35)은 종종 스폿 크기로 지칭된다.
광섬유에 의해 안내되는 광학 모드는, 전형적으로, 완벽한 회절 제한 가우시안 모드가 아니다. 예를 들어, 단일 모드 광섬유의 M2 값(37)은 대략 1.1이다. 그러나, 제 1 근사치에 대해, 광학 모드는 모드 차수와 동일한 M2 값(37)을 갖는다. 또한, 제 1 순서 근사치에 대해, 광섬유(2)를 따라 전파되는 광학 모드는 도 2를 참조하여 도시된 코어 직경(18)과 대략 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 갖는다. 따라서, 상이한 방위각 모드 수(p) 및 상이한 반경방향 모드 수(q)를 갖는 광학 모드의 앙상블로서 레이저 방사선(13)이 광섬유(2)를 따라 전파되면, 각각의 광학 모드에서의 레이저 방사선(13)의 발산각(36)은 아래와 같이 주어진다:
Figure pct00004
이것은 대략 다음과 같다:
Figure pct00005
여기서, 빔 웨이스트 직경(35)(2ω)은 대략 광섬유(2)의 코어 직경(18)이다.
따라서, 제 1 순서에 대해, 광섬유(2)의 말단부(14)로부터 방출되는 레이저 방사선(13)은 각각 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 가지며 발산각(36)이 광학 모드의 모드 차수에 따라 증가하는 방식으로 발산각(36)이 변화하는 광학 모드의 그룹으로서 나타날 것이다.
렌즈(4)의 회절뿐만 아니라 굴절을 고려하여, 광학 섬유(2)의 말단부(16)가 전방 초점면(14)에 위치하도록 배치된 렌즈(4)는 광학 장(optical field)이 광섬유(2)를 따라 전파되는 레이저 방사선(13)의 광학 장의 확대 공간 푸리에 변환인 후방 초점면(15)에 웨이스트를 생성할 것이다. 다시 말해, 도 1을 참조하면, 렌즈(4)는 입사각을 후방 초점면(15)의 변위로 변환한다. 따라서, 광섬유(2)의 말단부(16)에서 대략 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 가지며 전방 초점면(14)으로부터 상이한 발산각(36)으로 발산되는 모드의 앙상블이 후방 초점면에서 상이한 빔 웨이스트 직경(35)을 가지며 후방 초점면(15)으로부터 실질적으로 동일한 발산각(36)을 갖는 모드의 앙상블로 변환될 것이다.
후방 초점면(15)에서의 배율은 렌즈(4)의 초점 길이 대 광섬유(2)의 말단부(16)에서의 광학 장의 레일리 길이의 비율에 의해 주어진다. 레일리 길이는 광섬유(2)의 말단부(16)로부터, 빔의 반경이 2의 제곱근의 비율(factor)만큼 증가된 평면까지의 거리로서 정의된다. 예를 들어, 렌즈(4)의 초점 길이가 레일리 길이와 동일하면, 후방 초점면(15)에서의 빔 반경은 광섬유(2)의 말단부(16)에서의 빔 반경과 동일할 것이다. 렌즈(4)의 초점 길이가 레일리 길이의 두배이면, 후면 초점면(15)에서의 빔 웨이스트의 폭은 광섬유(2)의 말단부(16)에서의 폭의 두배가 될 것이며, 빔의 발산(36)은 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 나오는 빔의 발산의 절반일 것이다.
도 4 및 도 5는 빔 직경(39)이 LP0,1 모드(41), LP2,1 모드(42), LP4,1 모드(43), LP6,1 모드(44), LP8,1 모드(45), 및 LP10,1 모드(46)에 대해 광섬유(2)의 말단부(16)로부터의 거리(49)에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 빔 직경(39)은, 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 4 mm의 거리에서의 LP4,1 모드(43)의 빔 직경(39)에 의해, 도 4에 표시된 바와 같이, 각각의 모드에 대한 상위 라인 및 하위 라인 사이의 반경 방향 거리(40)의 차이로서 도시된다. 광학 모드(41 내지 46) 중 일부가 명확성을 위해 도 5에서는 생략되었다. 광섬유(2)는 코어 직경(18)이 50 ㎛이다. 광학 모드(41 내지 46)의 빔 직경(39)은 광섬유(2)의 말단부(16)에서 코어 직경(18)과 동일한 빔 웨이스트 직경(35), 즉, 50 ㎛의 빔 웨이스트 직경(35)을 갖는 것으로 가정한다. 모드(41 내지 46)는 상이한 모드 차수의 수를 가지며 따라서 상이한 빔 직경 곱(33)을 갖기 때문에, 상이한 발산각(36)으로 말단부(16)로부터 발산된다. 렌즈(4)는 광섬유(2)의 말단부(16)가 렌즈(4)의 전방 초점면(14)에 위치하도록 배치된다. 렌즈(4)는 렌즈(4) 상의 입사각을 후방 초점면(15)의 광축으로부터의 거리로 변환한다. 모드(41 내지 46)는 각각, 모드가 서로 상이한 모드 장(mode field) 직경(35)을 갖는 후방 초점면(15)에 빔 웨이스트(48)를 형성한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모드(41 내지 46)는 후방 초점면(15)으로부터 회절됨에 따라 동일한 발산각(36)을 갖도록 수렴된다.
다시 도 1을 참조하면, 장치는 렌즈(4)의 후방 초점면(15)을 재료(11)의 표면 상에 또는 그 부근에 이미지화하도록 구성된 광학 렌즈 장치(50)를 포함한다. 광학 렌즈 장치(50)는 시준 렌즈(51), 레이저 광 스캐너(52), 및 포커싱 렌즈(53)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 다른 광학 렌즈 장치(50)도 가능하다. 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 광학 모드(41 내지 46)는 후방 초점면(15)으로부터 동일한 발산각(36)을 갖는다. 모드(41 내지 46)는 상이한 모드 차수의 수를 가지며, 따라서 상이한 빔 품질(M2) 값(37) 및 상이한 빔 매개변수 곱(33)을 갖는다. 따라서, 모드(41 내지 46)는 초점(34)에서 상이한 빔 웨이스트 직경(35)을 가질 것이다. 수차와 같은 광학적 결함의 영향을 무시하면, 재료(11)의 표면 상의 초점(34)에서의 빔 웨이스트 직경(35)은 광학 렌즈 장치(50)의 배율 및 후방 초점면(15)에서의 개개의 모드의 빔 웨이스트 직경(35)과 동일할 것이다.
따라서, 렌즈(4)는 전방 초점면(14)에서의 레이저 방사선(13)의 근접장을 후방 초점면(15)에서의 레이저 방사선(13)의 원거리 장으로 변환시켰다. 이러한 이유로, 재료(11)의 표면 상의 후방 초점면(15)의 이미지가 또한 레이저 방사선(13)의 원거리 장일 것이다. 레이저 방사선의 원거리 장을 이미지화하는 능력은 레이저 방사선(13)의 근접장을 이미지화하는 것을 능가하는 몇 가지 중요한 이점을 제공한다. 이러한 이점에는 더 빠른 천공(piercing) 속도, 더 빠른 절단 속도, 및 특정 재료를 절단할 때의 더 우수한 가장자리 품질이 포함된다. 또한, 재료(11)와 포커싱 렌즈(53)의 상대 위치 조절이 필요 없도록 하는 경우가 많아, 상당한 비용 상의 이점이 제공된다.
도 4를 참조하면, 렌즈(4)는 광섬유(2)로부터 방출되는 레이저 방사선(13)의 발산각(36)을 감소시켰다. 발산각(36)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 오목 렌즈(61)에 의해 증가될 수 있다. 오목 렌즈(61)는 후방 초점면(15)이 렌즈(4)와 오목 렌즈(61)의 사이에 위치하도록 배치된다. 얇은 렌즈와 유사하게 만들어지는 경우, 전방 초점면(14)과 렌즈(4) 사이의 거리(63)가 렌즈(4)의 초점 길이(65)이다. 후방 초점면(15)과 렌즈(4) 사이의 거리(64)도 렌즈(4)의 초점 길이(65)이다.
다시 도 1을 참조하면, 렌즈(4)의 배율은 렌즈(4)의 초점 길이 대 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 나오는 레이저 방사선(13)의 레일리 길이의 비율에 의해 주어진다. 발산각(36)을 증가시키기 위해서는 배율이 가능한 한 작아야 한다. 이것은 렌즈(4)의 초점 길이(65)가 가능한 한 짧아야 하며, 이상적으로는 광섬유(2)로부터의 빔의 레일리 길이의 4배를 넘지 않아야 함을 의미한다. 그 이유는, 일반적으로, 포커싱 렌즈(53)가 가공편으로부터 튕겨 나가는 것을 방지하기 위하여, 상당히 긴 초점 길이를 갖는 포커싱 렌즈(53)에 의해 렌즈(4)의 후방 초점면(15)에서의 광학 장을 재료(11) 상의 작은 초점 크기(34)로 이미지화하는 것을 목적으로 하기 때문이다. 타겟 상에 이미지화되는 광학 장이 너무 크며 발산각(36)이 너무 작으면, 이미징 광학 장치로 이루어진 시스템이 불편할 정도로 커질 수 있다. 따라서, 렌즈(4)의 배율에는 실질적인 한계가 있다.
도 10은 렌즈(4)의 초점 길이가 400 ㎛인 경우 LP0,1 모드(41), LP2,1 모드(42), LP4,1 모드(43), LP6,1 모드(44), LP8, 1 모드(45), 및 LP10,1 모드(46)에 대해 광섬유(2)의 말단부(16)로부터의 거리(49)에 따라 빔 직경(39)이 어떻게 변하는지를 보여준다. 발산은 도 5의 발산보다 더 신속하다.
더 짧은 초점 길이(65)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 광섬유(2)의 출력부 상에 렌즈(4)를 형성함으로써 달성될 수 있다. 렌즈(4)는, 예를 들어, 전기 아크, 불꽃, 또는 레이저를 사용하여 광섬유(2)의 유리를 용융시킴으로써 형성될 수 있다. 코어(31)를 획정하는 도펀트(dopant)(71)가 렌즈(4)가 형성됨에 따라 확산될 것이다. 광섬유(2)의 말단부(16)는 코어(31)에 의해 제공되는 안내가 끝나는 곳이다. 렌즈(4)는 말단부(16)가 전방 초점면(14)에 위치하도록 되어 있다.
렌즈(4)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 광섬유(2)에 연결되는 단부 캡(81) 상에 형성될 수 있다. 단부 캡(81)은 이산화탄소 레이저 또는 다이아몬드 회전에 의해 형상화될 수 있다. 유리와 공기 사이의 표면에서의 광학적 손상을 방지하기 위하여, 단부 캡이 고출력 레이저 빔을 전달하는 데 사용되는 섬유의 단부 상에 접합되는 경우가 많다. 렌즈(4) 및 단부 캡(81)의 길이(82)는 단부 캡(81)의 유리 재료의 전방 초점면(14)이 단부 캡(81)의 전방 표면(83)에 위치하도록 되어 있다. 단부 캡(81)은, 바람직하게는, 실리카로 제조된다.
단부 캡은, 바람직하게는, 도 1에 도시된 광섬유(2)에 끼워진다. 실리카 단부 캡은 굴절률이 대략 1.5이므로, 말단부(16)가 렌즈(4)의 전방 초점면(14)에 있는 것을 보장하기 위하여, 렌즈(4)가 보정을 위해 광섬유(2)에 더 가깝게 이동되어야 한다.
도 9는 코어(92) 및 클래딩(93)을 구비한 그레이디드 인덱스 광섬유(91)로 제조된 렌즈(4)를 보여준다. 코어(92)는 반경(95)에 따라 변하는 굴절률 프로파일(94)을 갖는다. 굴절률 프로파일(94)은, 바람직하게는, 포물선형 프로파일이다. 이러한 섬유는 리포커싱(refocusing) 길이(LR)(97) 후에 섬유 전방면 상에 이미지를 리포커싱하며, 이러한 리포커싱된 이미지는 반전 이미지이다. 리포커싱 길이(LR)(97)는 피치의 시작 부분에서의 이미지가 재형성되는 피치 길이의 절반이다. 그레이디드 인덱스 광섬유(91)의 길이(96)는, 바람직하게는, 리포커싱 길이(97)의 절반 또는 리포커싱 길이(97)의 절반의 홀수 정수와 동일하다. 즉, 길이(96)는 0.5 LR, 1.5 LR, 2.5 LR, 3.5 LR 등일 수 있다. 그리고, 전방 초점면(14)은 그레이디드 인덱스 광섬유(91)의 전방면(88)에 있으며, 후방 초점면(15)은 그레이디드 인덱스 광섬유(91)의 후방면(89)에 있다. 바람직하게는, 고출력 레이저 빔에 의해 야기되는 광학적 손상을 방지하기 위하여 단부 캡(98)이 그레이디드 인덱스 광섬유(91)에 연결된다. 단부 캡(98)은, 바람직하게는, 용융 실리카이다. 단부 캡(98)의 길이(99)는 1 mm 내지 5 mm일 수 있다.
도 9에 도시된 장치는 길이(96)가 대략 0.4 mm인 그레이디드 인덱스 섬유를 사용하여 제조되었다. 모드(41 내지 46)는 도 5 및 도 10에 도시된 회절보다 더 빠르게 회절되었다. 레이저 빔(13)의 더 큰 발산(36)은, 다시 도 6을 참조하면, 합리적인 크기의 이미징 렌즈 시스템과 호환 가능한 빔을 만들기 위해 더 이상 오목 렌즈(61)가 필요하지 않았음을 의미한다.
도 11은 레이저 방사선(13)으로 재료를 레이저 가공하기 위한 종래 기술의 장치를 보여준다. 도 11의 장치는 렌즈(4)를 포함하지 않는다. 시준 렌즈(51) 및 포커싱 렌즈(53)는 광섬유(2)의 말단부(16)에서 레이저 방사선(13)의 근접장 프로파일(111)을 이미지화하여 초점(34)에 강도 프로파일(112)을 형성한다. 강도 프로파일(112)은 근접장 프로파일(111)의 이미지이다. 따라서, 근접장 프로파일(11)이 도시된 바와 같은 탑-햇 분포이면, 이어서 근접장 프로파일(112)도 탑-햇 분포이다. 초점(34)의 각각의 측면에 원거리 장 분포(113)가 형성되며, 이러한 분포가 더 가우시안 분포처럼 보일 것이다. 초점(34)에서의 탑-햇 분포는 절단 및 용접과 같은 특정 용례에서 유리할 수 있다. 그러나, 절단 용례에서는 재료를 천공하기 위하여 초점(34)에서 더 날카로운 광학 장 분포를 갖는 것이 바람직한 경우가 많다.
밝은 금속의 절단에서는, 공통 절차로서, 집속된 고강도 레이저 빔을 사용하여 재료(11)를 천공하며, 천공이 달성되고 나면, 초점에서 벗어나 재료(11)의 절단을 위해 더 넓은 스폿 크기를 사용한다. 중심에서 높은 피크 강도를 가진 레이저 빔 프로파일은 재료(11)를 천공하는 속도를 최소화하는 데 바람직하다. 절단의 경우, 깔끔한 절단부를 달성하기 위해서는 보다 균일한 탑-햇 프로파일이 바람직하다. 다중 모드 광섬유를 따라 전파되는 다수의 광학 모드를 포함하는 잘 균질화된 레이저 빔은 근접장에서 탑-햇 프로파일을 가지며 원거리 장에서 더 뾰족한 프로파일을 가질 것이다. 따라서, 재료(11) 상에 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 방출된 레이저 방사선(13)의 원거리 장 프로파일의 초점을 맞추며 초점으로부터 멀리 떨어진 근접장 프로파일에 접근하는 능력에 의해 이러한 공정에 훨씬 더 바람직한 특성을 갖는 레이저 빔이 생성된다.
광섬유(2)를 압착하기 위해 압착력(12)을 인가함으로써 도 1의 장치에서 탑-햇 분포를 얻을 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 압착력이 비교적 약하면, 개별 모드가 함께 결합된다. 압착력(12)이 증가하면, 이어서, 점점 더 많은 모드가 함께 결합되어 탑-햇 분포를 얻을 수 있다.
도 12는 렌즈(4)가 제자리에 있는 도 11의 장치를 보여준다. 렌즈(4)는 그레이디드 인덱스 섬유(91)로서 구현된다. 도 1, 도 6, 도 7, 및 도 8을 참조하여 설명된 렌즈를 포함하는 다른 형태의 렌즈(4)도 가능하다. 근접장 프로파일(111)은 렌즈(4)의 후방 초점면(15)에 있는 원거리 장 프로파일(121)로 변환되었다. 시준 렌즈(51)와 포커싱 렌즈(53)는 원거리 장 프로파일(121)을 이미지화하여 초점(34)에서 원거리 장 프로파일(122)을 형성한다. 초점(34)의 각각의 측면에 근접장 프로파일(123)이 있다. 근접장 프로파일(111)이 탑-햇 분포이면, 원거리 장 프로파일(122)이 보다 가우시안이며, 따라서, 절단 용례 동안 재료를 천공하는 데 더 유용하다. 일단 천공되고 나면, 근접장 프로파일(123)이 재료를 절단하는 데 사용될 수 있다. 도 1을 참조하면, 재료(11)는 두께(124)를 가질 수 있다. 두께(124)는 1 mm 내지 25 mm이거나 더 클 수도 있다. 초점(34)이 재료(11)의 내부에 있도록 배열하는 것은 재료(11)의 천공을 용이하게 한다. 천공되고 나면 재료(11)는 재료(11)의 표면(17) 상에 투영되는 원거리 장 프로파일(123)을 사용하여 절단될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 압착 기구(3)는 도 13에 도시된 압착 기구(130)일 수도 있다. 압착 기구(130)가 위상차를 갖도록 배열된 제 1 주기적 표면(131) 및 제 2 주기적 표면(132)을 포함함으로써, 광섬유(2)가 피치(7)로 길이를 따라 주기적으로 구부러진다. 피치(7)는 도시된 바와 같이 균일하거나 처프될 수 있다. 처프는 단조로울 수도 있고 단조롭지 않을 수도 있다.
압착 기구(3)는 도 13에 도시된 압착 기구(140)일 수도 있다. 제 1 주기적 표면(131)과 제 2 주기적 표면(132)은 실질적으로 광섬유(2)를 구부리지 않고 피치(7)로 주기적으로 광섬유(2)를 압착하도록 서로 동일 위상으로 배열된다. 광섬유(2)는 그 길이를 따라 피치(7)로 주기적으로 변하는 압착 압력을 갖는다. 피치(7)는 균일하거나 도시된 바와 같이 처프될 수 있다. 처프는 단조로울 수도 있고 단조롭지 않을 수도 있다.
도 15는 서로에 대해 각도(154)로 배열된 4 개의 부품(151)을 포함하는 압착 기구(150)를 보여준다. 제 1 및 제 2 주기적 표면(131, 132)은 서로 위상차를 가질 수도 있으며, 이 경우, 광섬유(2)는 그 길이를 따라 주기적으로 구부러진다. 직교 부품(151)의 제 1 주기적 표면(131)의 상대적 위상이 위상차를 가지면, 광섬유(2)가 나선형으로 변형될 수 있다. 대안으로서, 각각의 부품(151)의 제 1 및 제 2 주기적 표면(131, 132)은 서로 위상이 동일할 수도 있으며, 이 경우, 광섬유(2)는 그 길이를 따라 주기적으로 가압된다.
도 16은 서로에 대해 120°로 배열된 3 개의 부품(151)을 구비한 압착 기구(160)를 보여준다. 각각의 기구(150)는 제 1 주기적 표면(131)을 갖는다. 제 1 주기적 표면(131)은 그 길이를 따라 서로 공간적으로 120°의 위상차를 갖도록 배열될 수도 있으며, 이 경우, 광섬유(2)는 나선형으로 왜곡된다. 대안으로서, 제 1 주기적 표면(131)이 그 길이를 따라 서로 동일 위상으로 배열될 수도 있으며, 이 경우, 광섬유(2)는 그 길이를 따라 주기적으로 가압된다.
도 17은 도 18을 참조하여 도시된 2 개의 주기적 표면(171, 172)을 각각 갖는 3 개의 부품(175)을 포함하는 압착 기구(170)를 보여준다. 부품(175)은 서로에 대해 120°로 배열된다. 주기적 표면(171, 172)은 그 길이를 따라 서로 공간적으로 120°의 위상차를 가지며, 따라서 광섬유(2)는 실질적으로 나선형으로 변형된다.
도 1을 참조하면, 제 1 광학 모드(21)는 β1/k의 실효 굴절률을 가지며, 제 2 광학 모드(22)는 β2/k의 실효 굴절률을 가지며, 여기서, "β1" 및 "β2"는 각각 제 1 광학 모드(21) 및 제 2 광학 모드(22)의 전파 상수이며, "k"는 k=2π/λ에 의해 레이저 방사선(13)의 파장(λ)(5)에 관련된 파수이다. 전파 상수(Δβ=β1-β2)의 차이를 고려하는 것이 유용하다. 도 1을 참조하여 도시된 압착 기구(3)가 제 1 광학 모드(21)를 제 2 광학 모드(22)에 결합하기 위해서는, 광섬유(2)의 그 길이를 따른 왜곡에 Δβ/2π와 동일한 공간 주파수 성분이 존재하는 것이 요구된다. 이것은 주기성(피치(7)의 역수로 정의됨)이 Δβ/2π와 동일한 경우, 또는 주기성의 고조파가 Δβ/2π와 동일한 경우 발생할 것이다. 그러나, 광학 모드와 비교하여 광섬유(2)의 섭동의 대칭성을 고려하는 것도 중요하다.
그리고, "p"가 0이 아닌 경우, 광섬유(2)의 코어에 의해 안내되는 각각의 LPp,q 모드에 대한 전기장의 방위각 의존성은 아래와 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00006
Figure pct00007
여기서, E(r)은 전기장의 방사 의존성이다.
그리고, 광섬유(2)가 도 13을 참조하여 설명된 바와 같이 그 길이를 따라 선형 정현파 편향을 나타내는 경우, 대칭을 고려하여, 피치(7)가 2π/Δβ와 같으면 cos(pθ) 및 sin(pθ) 방위 중 하나만 결합될 것이다. 보다 일반적으로, 코어(31)에 의해 안내되는 LP01 모드는, 피치(7)가 2π/(βA-βB)와 같으면, "p"가 홀수 정수이면, 동일 코어에 의해 안내되는 LPp,q 모드에 결합될 수 있으며, 여기서, "βA" 및 "βB"는 함께 결합되는 광학 모드의 전파 상수이다. 그러나, 사인 곡선 편향에 상당한 고조파가 없는 한 LP11 모드에 대한 결합이 가장 강력할 것이다. "p"가 짝수 정수이면, 섭동 대칭이 부정확하다. 유사한 대칭론에 의해, 광섬유가 그 길이를 따라 정현파 편향을 갖는 경우, 선형 압착 기구도 LP01 모드를 LP0q 모드에 결합하지 않을 것이다.
주기적 표면(6)이 도 14를 참조하여 설명된 바와 같이 그 길이를 따라 주기적으로 압축되면, 광탄성 효과에 의해 모드 결합이 유도될 것이다. 대칭을 고려하여, LP01 모드는 대칭이 부정확하기 때문에 LP11 모드에 결합되지 않을 것이다. 그러나, LP01 모드는 LP21 모드에, 또는 보다 일반적으로는 LPp,q 모드에 결합될 수 있으며, 여기서, 피치(7)가 2π/(βA-βB)와 같으면 "p"는 2, 4, 8 등이며, 여기서, "βA" 및 "βB"는 함께 결합되는 광학 모드의 전파 상수이다.
광섬유(2)가 도 15 내지 도 18을 참조하여 설명된 바와 같이 나선형 왜곡을 나타내는 경우, 대칭론에 의해, 피치(7)가 2π/Δβ이며 "p"가 홀수 정수이면 cos(pθ) 및 sin(pθ) 방위 모두에서 LP01 모드가 LPp,q 모드에 결합될 수 있다. 그러나, "p"가 짝수 정수이면 LP0q 모드에 결합되지 않을 것이다. 따라서, 도 15 내지 도 18에 도시된 압착 기구에 의해 제공되는 모드 결합량은 도 13에 도시된 선형 압착 기구에서의 모드 결합량의 적어도 두 배이다.
따라서, 광섬유(2)가 나선형으로 교란되는 도 15 내지 도 18을 참조하여 설명된 나선형 압착 기구가 도 13을 참조하여 도시된 선형 압착 기구보다 더 많은 방위의 모드를 함께 결합한다는 점에서 유리하다. 더욱이, 결합을 제공하는 데 필요한 압착력(12) 및 이에 따른 광섬유(2)의 최대 편향이 적어, 광섬유(2)에 인가되는 응력이 적으며, 이에 따라 신뢰성이 더 높아진다. 실험적으로, 광섬유(2)는 1 뉴턴(N) 미만의 당기는 힘으로 도 17에 도시된 바와 같은 나선형 압착 기구로부터 잡아 당겨질 수 있는 것으로 관찰되었다. 이것은 나선형 및 선형 압착 기구가 광섬유(2)에서 유사한 수준의 모드 결합을 유도하는 도 13에 도시된 바와 같은 선형 압착 기구로부터 광섬유(2)를 잡아 당기는 데 필요한 당기는 힘보다 실질적으로 작다. 따라서, 나선형 압착 기구의 광섬유(2)에 압착력(12)이 적게 인가되며, 이것은 기계적 신뢰성이 더 커지는 것을 의미한다.
코어(31)는, 바람직하게는, 그 반경을 가로질러 굴절률 리플(ripple) 없이 균일한 굴절률 프로파일을 갖는다. 광섬유(2)는, 바람직하게는, 계단형 인덱스 섬유이거나, 그레이디드 인덱스 코어를 갖는 광섬유이다. 이것은 압착 기구(3)로 광섬유(2)의 개별 모드 또는 모드 그룹을 선택적으로 여기하는 데 도움이 된다. 또한, 광섬유(2)의 강력한 단일 모드 여기를 가능하게 하는 접속기(10)에서의 테이퍼링 동안 모드 형상을 유지하는 데 도움이 된다.
도 2를 참조하면, 광섬유(2)는 50 ㎛의 코어 직경(18), 0.22의 개구수, 및 250 ㎛ 내지 500 ㎛의 유리 클래딩 직경(19)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 유리 클래딩 직경(19) 대 코어 직경(18)의 비율은, 광학 모드 사이의 미세 굽힘 및 제어되지 않은 결합을 피하기 위하여, 적어도 5, 그리고 보다 바람직하게는 적어도 10이다.
표 1은, 피치(7)가 광섬유의 길이를 따라 변하지 않는 50 ㎛, 0.22 개구수 계단형 인덱스 광섬유에서, 서로 다른 LPp,q 광학 모드를 효율적으로 결합하기 위해 계산된 피치(7)를 보여준다. LP0,1 모드와 LP1.1 모드를 효율적으로 결합하기 위해서는 피치(7)가 7.9 mm가 되어야 함을 알 수 있다. 이러한 모드는 광섬유(2)를 피치(7)로 구부리는 압착 기구(3)를 사용하여 함께 결합될 것이다. LP1,1 모드는 제 1 기구(3)와 광섬유(2)의 말단부(16)의 사이에 위치한 제 2 기구(129)를 사용하여 LP2,1 모드로 결합될 수 있다. 필요한 피치(7)는 6.0 mm이다. 두 경우 모두에서, 광학 모드 사이의 원하는 양의 모드 결합을 얻기 위하여 개개의 압착 기구(3, 129)의 압착력(12)이 조절될 수 있다. 특히, 95%를 초과하는 결합 효율로 단일 고차 모드(higher order mode)로 결합하는 것이 가능하다. 심지어 고차 모드로 결합하기 위하여, 제 3 및 가능하다면 제 4 압착 기구(3)가 필요하거나, 광섬유(2)의 대략적인 정현파 섭동에 있어 공간 고조파를 생성하기 위하여 압착력(12)이 증가되어야 한다. 이러한 압착력은 상당한 양의 모드 결합을 초래할 수 있으며, 이것은 탑-햇 출력 프로파일을 갖는 광섬유(2)의 말단부(16)에서의 레이저 방사선(13)를 초래할 수 있다.
LP1,1 LP2,1 LP3,1 LP4,1 LP5,1 LP6,1 LP7,1
LP0,1 7.9 3.4 2.0 1.4 1.0 0.8 0.6
LP1,1 6.0 2.7 1.6 1.1 0.8 0.6
LP2,1 4.9 2.2 1.4 1.0 0.7
LP3,1 4.1 1.9 1.2 0.9
LP4,1 3.6 1.7 1.1
LP5,1 3.2 1.5
LP6,1 2.9
표 1: 광학 LPp,q 모드 간의 결합을 위한 주기(mm)
대안으로서 또는 추가적으로, 압착 기구(3) 중 적어도 하나는 가변적이며 압착 기구(3)의 길이(8)를 따라 처프되는 주기(7)를 가질 수 있다. 표 1에서 밑줄이 그어진 결합 길이를 사용하여 모드 간에 전력을 전달하기 위하여, 압착 기구(3)의 주기(7)는 입력 단부(레이저(1)에 가장 가까운 단부)에서의 적어도 7.9 mm로부터 출력 단부(말단부(16)에서 가장 가까운 단부)에서의 2.9 mm 미만까지 변하는 주기(7)를 가져야 한다.
실험에서, 광섬유(2)의 코어 직경은 50 ㎛로 하였으며 개구수는 0.22로 하였다. 입력 단부에서의, 즉, 레이저(1)로부터 레이저 방사선(13)을 수신한 압착 기구(3)의 단부에서의 압착 기구(3)의 주기(7)는 8 mm였다. 출력 단부에서의, 즉, 레이저(1)로부터 수신된 레이저 방사선(13)을 출력하는 단부에서의 주기(7)는 2.5 mm였다. 도 19에 도시된 바와 같이, 압착력(12)을 조절함으로써, LP01 모드와 LP7,1 모드 사이의 모드 결합을 조정할 수 있었다. 광섬유(2)로부터 방출된 레이저 방사선(13)의 단면은 LP7,1 모드의 강력한 존재를 나타내는 방위각 주위의 14 개의 고강도 로브를 명백히 갖추었다. 제로 압착력으로부터 시작하여 압착력(12)을 증가시킴으로써, 압착 기구(3)는 LP11(도시하지 않음), LP2,1, LP3,1, LP4,1, LP5,1(도시하지 않음), LP6,1, 및 LP7,1 광학 모드를 차례로 출력할 수 있었다. 각각의 모드의 변환 효율은 대략 90%에서 100%까지 조정될 수 있었다. 본 발명의 범위를 제한하지 않고, LP01 모드는 차례로 LP11, LP2,1, LP3,1, LP4,1, LP5,1, LP6,1 및 LP7,1 광학 모드에 결합되는 것으로 믿어진다. 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절함으로써, 임의의 선행 모드가 광섬유(2)의 말단부(16)에 나타나도록 조정될 수 있다. 상이한 M2 값, 모드 프로파일, 및 발산이 각각의 개별 모드와 연관되었다. 필요한 압착력(12)은 반복 재현 가능하였으며 거의 선형이었다. 압착 기구(3)가 반전되었을 때, 즉, 2.9 mm 피치가 압착 기구(3)의 입력 단부에서 배향되었을 때, 모드 결합의 이러한 캐스케이드(cascade) 특성은 보이지 않았다.
도 1을 참조하여 도시된 바와 같이, 장주기 격자(127)가 선택적으로 제 1 압착 기구(3)에 후속할 수 있다. 장주기 격자(127)는 그 길이(8)를 따라 균일한 주기(7)를 가질 수 있으며, 또는 그 길이(8)를 따라 처프되는 주기(7)를 가질 수 있다. 장주기 격자(127)는 광섬유 브래그 격자를 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 장주기 격자(127)는 도 1에 도시된 바와 같이 제 2 압착 기구(129)를 포함 할 수 있다.
실험에서, 제 2 압착 기구(129)의 피치(7)는 그 길이(8)를 따라 처프되는 가변 피치를 가졌다. 입력 단부, 즉, 제 1 압착 기구(3)로부터 레이저 방사선(13)을 수신하는 단부에서의 압착 기구(129)의 주기(7)는 4.4 mm로 하였다. 출력 단부, 즉, 레이저 방사선(13)을 광섬유(2)의 말단부(16)로 통과시키는 단부에서의 주기(7)는 4.0 mm로 하였다. 제 1 압착 기구(3)에 의해 전술한 캐스케이드 방식으로 LP0,1 모드를 LP4,1 모드에 결합한 다음, 제 2 압착 기구(129)에 의해 LP4,1 모드를 LP3,2 모드에 결합하는 것이 가능했다. LP3,2 모드는 cos2(6θ) 또는 sin2(6θ) 방위각 의존성을 갖는 높은 광도의 2 개의 링을 갖는다. LP3,2 모드는 LP3,1 모드보다 중심 부근에서 더 높은 광도를 갖는다. 유사하게, 제 1 압착 기구(3)에 의해 전술한 캐스케이드 방식으로 LP0,1 모드를 LP7,1 모드에 결합한 다음, LP7,1 모드를 LP5,3 모드에 결합하는 것이 가능했다. LP5,3 모드는 cos2(10θ) 또는 sin2(10θ) 방위각 의존성을 갖는 높은 광도의 3 개의 링을 갖는다. LP5,3 모드는 LP5,1 모드보다 중심 부근에서 더 높은 광도를 갖는다. 실험은 장치가 일련의 링형 모드 프로파일과 함께 광섬유(2)로부터 출력되는 가우시안 기본 LP0,1 모드를 가능하게 함을 보여 주었다. 모드는 개별적으로 또는 조합하여 존재할 수 있다. 이러한 장치는 개별 모드 및 서로 다른 환형 두께를 갖는 환형 프로파일을 형성하기 위해 조합될 수 있는 광학 모드의 조합을 출력하는 데 사용될 수 있다. 탑-햇(평평한 탑형으로도 알려짐) 프로파일은 또한, 모드 결합을 증가시키기 위하여, 제 1 압착 기구(3) 및/또는 제 2 압착 기구(129) 상의 압착력(12)을 증가시킴으로써 생성될 수 있다. 이러한 기술은 강력하며 예측 가능하다.
도 1의 제 2 압착 기구(129)는 그 길이(8)를 따라 처프되는 주기(7)를 가질 수 있다. 실험에서, 제 1 압착 기구(3)로부터 레이저 방사선을 수신하는 입력 단부에서의 압착 기구(3)의 주기(7)는 3.5 mm로 하였다. 제 1 압착 기구(3)로부터 수신된 레이저 방사선(13)을 출력하는 출력 단부에서의 주기(7)는 2.0 mm로 하였다. 제 1 및 제 2 압착 기구(3, 129)의 압착력(12)을 조절함으로써, LP0,1 기본 모드를 대규모의 모드 세트로 결합할 수 있었다. 모드가 거의 균일하게 여기되면, 코어(31)를 가로질러 거의 균일한 50 ㎛의 코어 섬유로부터 출력 프로파일을 생성할 것이다. 압착력(12)을 조절함으로써, 예측 가능하였던 상이한 빔 품질(M2) 값을 얻을 수 있었다. 특히, 광섬유(2)의 말단부(16)에서 레이저 방사선(13)의 탑-햇 프로파일을 달성할 수 있었다. 얻어진 M2 값은 압착력(12)에 대해 대략 선형이다.
도 20은 도 1의 렌즈(4)가 제자리에 있지 않을 때 축선(209)을 따라 빔 웨이스트(34)에 초점이 맞춰진 경우 기본 LP0,1 모드(201) 및 LP3,1 모드(204)의 모드 프로파일이 어떻게 진화하는지를 보여준다. 기본 모드(201) 및 LP3,1 모드(204)는 빔 웨이스트(34)로부터 상이한 속도로 회절된다. 기본 모드(201)의 빔 직경(207) 및 LP3,1 모드의 빔 직경(208)은 근접장인 빔 웨이스트(34)에서 거의 동일하다. 빔 직경(207)은 원거리 장의 빔 웨이스트(34)로부터의 빔 직경(208)보다 작다. 기본 LP0,1 모드(201)는 대략 가우시안인 원거리 장(203) 및 근접장(202)을 갖는다. 유사하게, LP3,1 모드(204)는 근접장(205)과 유사한 프로파일을 갖는 원거리 장(206)을 갖는다. 근접장(202, 205)은 도 3을 참조하여 도시된 거의 동일한 빔 웨이스트 직경(35)을 갖는다. LP3,1 모드(204)의 원거리 장(206)은 기본 모드(201)의 원거리 장(203)을 둘러싸는 환형 링에 있다. LP3,1 모드와 동일한 모드 수를 갖는 고차 모드가 또한, 실질적으로 동일한 환형 링의 빔 웨이스트로부터 회절될 것이다. LP7,1 모드와 같이 더 큰 모드 차수를 갖는 고차 모드가 더 큰 발산각(36)으로 회절될 것이며, 그 원거리 장은 실질적으로 더 낮은 모드 차수를 갖는 모드의 원거리 장의 환형 링을 둘러싸는 환형 링 내부에 있을 것이다. 안내된 모드가 모두 실질적으로 동일한 광 출력을 갖는 경우, 모드 앙상블은 빔 직경(39)이 거의 동일한 위치에서 광 출력의 거의 탑-햇 분포를 형성할 것이며, 빔 웨이스트(34)로부터 레일리 길이(217)보다 더 큰 거리에서 거의 가우시안 분포를 형성할 것이다.
도 3을 참조하면, LP3,1 모드(204)와 같은 링 모드는 근접장 및 원거리 장 모두에서 링 프로파일을 갖는다는 것을 알 수 있다. 링 모드는 초점을 통해 링 형상의 프로파일을 유지한다. 따라서, 장치가 개별 링 모드를 선택하도록 작동되면, 이 링 모드는 빔 웨이스트(34)를 통해 유지될 것이다. 마찬가지로, 장치가 개별 링 모드의 앙상블을 선택하도록 작동하면, 이러한 링 모드가 빔 웨이스트(34)를 통해 유지될 것이다.
축선(209)을 따라 거리(z)의 함수로서 가우시안 빔 반경(ω(z))을 설명하는 수학식이 아래와 같이 작성될 수 있다:
Figure pct00008
여기서, ω0는 빔 웨이스트(34)에서의 빔 반경이며, zR은 레일리 길이이다. 도 3을 참조하여 설명된 빔 웨이스트(34)에서의 빔 웨이스트 직경(35)은 2ω0와 동일하다. 레일리 길이(zR)는 가우시안 빔 반경(ω(z))이 빔 웨이스트(34)에서 가우시안 빔 반경(ω0)으로부터 2의 제곱근의 비율만큼 증가하는 축선(209)을 따른 거리에 대응한다. 빔 품질(M2) 값(37), 2ω0의 빔 웨이스트 직경(35), 및 λ의 파장(5)을 갖는 레이저 빔에 대한 레일리 길이(zR)는 아래와 같이 주어진다:
Figure pct00009
기본 LP0,1 모드의 레일리 길이(217)가 도 20에 도시되어 있다. 고차 모드는 더 높은 빔 품질(M2) 값(37) 및 이에 따라 더 짧은 레일리 길이를 갖는다. 따라서, 고차 모드는 기본 LP0,1 모드에 비해 더 빠른 속도로 회절된다.
도 21 내지 도 24는 LP0,1 모드(41), LP2,1 모드(42), LP4,l 모드(43), LP6,1 모드(44), LP8,1 모드(45), 및 LP10,1 모드(46)에 대해 도 1에 도시된 포커싱 렌즈(53)로부터의 거리에 따라 빔 직경(39)이 어떻게 변하는지를 보여준다. 도 1에 도시된 시준 렌즈(51)는 초점 길이가 100 mm이며 초점 렌즈(53)는 초점 길이가 200 mm이다. 모드(41 내지 46)는 각각, 광섬유(2)의 말단부(16)에서 나옴에 따라 웨이스트 직경(35)이 2ω0=66 ㎛인 것으로 가정한다. 파장은 1.06 마이크론으로 가정하였다. 빔 품질(M2) 값=1을 가정한 기본 LP0,1 모드의 레일리 길이(217)는 zR=3.2 mm이다.
도 21은 도 1에 도시된 렌즈(4)가 없는 경우를 보여준다. 도 3을 참조하여 논의된 바와 같이, 모드(41 내지 46)는 각각 실질적으로 동일한 빔 웨이스트 직경(35) 및 광학 모드(41 내지 46)의 모드 차수에 따라 증가하는 발산각(36)을 갖는다. 따라서, 원하는 빔 발산(36)이 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절함으로써 선택될 수 있다.
빔 직경(39)은 모두 빔 웨이스트(34)에서 서로 동일하며, 빔 웨이스트(34)로부터는 서로 동일하지 않다. 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12) 및 제 2 압착 기구(129)의 압착력(12)은, 빔 웨이스트(34)에서 도 11을 참조하여 도시된 근접장 강도 프로파일(112)이 탑-햇 분포에 가깝도록, 광섬유의 더 많은 안내 모드를 여기시키도록 조절될 수 있다. 도 11을 참조하여 설명된 바와 같이, 원거리 장 분포(113)는 가우시안 분포에 가까울 것이다.
도 22 및 도 23은 도 1에 도시된 렌즈(4)의 초점 길이가 400 마이크론이며 광섬유(2)의 말단부(16)가 렌즈(4)의 전방 초점면(14)에 있는 경우를 보여준다. 모드(41 내지 46)는 각각, 실질적으로 동일한 발산각(36)을 갖지만, 빔 웨이스트 직경(35)이 상이하다. 따라서, 원하는 빔 웨이스트 직경(35)이 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절함으로써 선택될 수 있다.
빔 직경(39)은 모두 빔 웨이스트(34)로부터 서로 동일하며, 빔 웨이스트(34)에서 각각 동일하다. 따라서, 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이, 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12) 및 제 2 압착 기구(129)의 압착력(12)이 도 22 및 도 23의 빔 웨이스트(34)로부터의 강도 프로파일(123)이 탑-햇 분포에 가까우며 도 22 및 도 23의 빔 웨이스트(34)에서의 강도 프로파일(122)이 가우시안 분포에 가깝도록 조절될 수 있다.
도 24는 도 1에 도시된 렌즈(4)의 초점 길이가 800 마이크론이며 광섬유(2)의 말단부(16)와 렌즈(4)가 1.6 mm의 광학 거리만큼 분리되어 있는 경우를 보여준다. 각각의 모드(41 내지 46)에 대한 빔 웨이스트 직경(35) 및 빔 발산(36)은 서로 상이하다. 따라서, 원하는 빔 웨이스트 직경(35) 및 빔 발산(36)은 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조정함으로써 선택될 수 있다. 상이한 빔 웨이스트 직경(35)과 빔 발산(36)의 상이한 조합이 렌즈(4) 및 광섬유(2)의 말단부(16)에 대한 렌즈의 배치를 선택함으로써 달성될 수 있다.
놀랍게도, 개별 광학 모드(41 내지 46)의 빔 웨이스트 직경(35)은 포커싱 렌즈(52)로부터 동일한 거리에서 발생하지 않는다. 빔 직경(39)은 모두 포커싱 렌즈(52)로부터의 거리(241)에서 빔 직경(242)과 동일하다. 따라서, 도 12를 참조하여 설명된 바와 같이, 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12) 및 제 2 압착 기구(129)의 압착력(12)은 거리(241)에서의 강도 프로파일(123)이 탑-햇 분포에 가깝도록 조절될 수 있다. 거리(241)로부터의 강도 프로파일(122)은 그 중심에서 강도가 감소된 가우시안 프로파일과 유사하다.
도 25는 도 1에 도시된 렌즈(4)의 초점 길이가 800 마이크론이며 광섬유(2)의 말단부(16)와 렌즈(4)가 400 마이크론의 광학 거리만큼 분리되어 있는 경우를 보여준다. 따라서, 원하는 빔 웨이스트 직경(35) 및 빔 발산(36)이 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절함으로써 선택될 수 있다. 렌즈(4) 및 광섬유(2)의 말단부(16)에 대한 렌즈의 배치를 선택함으로써 다른 빔 웨이스트 직경(35)과 빔 발산(36)의 상이한 조합이 달성될 수 있다.
놀랍게도, 개별 광학 모드(41 내지 46)의 빔 웨이스트 직경(35)은 포커싱 렌즈(52)로부터 동일한 거리에서 발생하지 않는다. 각각의 모드(41 내지 46)에 대해도 3과 관련하여 정의된 빔 웨이스트 직경(35)은 서로 상이하며, 포커싱 렌즈(52)로부터 동일한 거리에서 발생하지 않는다. 빔 직경(39)은 모두 포커싱 렌즈(52)로부터 거리(251)에서의 빔 직경(252)과 동일하다. 따라서, 도 12를 참조하여 설명 된 바와 같이, 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12) 및 제 2 압착 기구(129)의 압착력(12)은 거리(251)에서의 강도 프로파일(123)이 탑-햇 분포에 가깝도록 조절될 수있다. 거리(251)로부터의 강도 프로파일(122)은 그 중심에서 강도가 감소된 가우시안 프로파일과 유사하다.
도 21 내지 도 25의 다양한 광학 모드의 빔 웨이스트 직경(35)을 비교하면, 렌즈(4)를 포함함으로써 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절하여 상이한 빔 웨이스트 직경(35)이 선택될 수 있음을 알 수 있다. 렌즈(4)는, 바람직하게는, 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 2 개의 레일리 길이(217) 내에 위치한다. 보다 바람직하게는, 렌즈(4)는 1 개의 레일리 길이(217) 내에 위치한다. 더욱 바람직하게는, 레일리 길이(217)의 절반 내에 위치한다.
도 21 내지 도 25를 참조하여 설명된 압착력(12)은 개별 광학 모드(41 내지 46) 또는 광학 모드(41 내지 46)의 조합을 선택하도록 조절될 수 있다. 압착력(12)은 개별 광학 모드(41 내지 46), 광학 모드(41 내지 46)의 조합 간의 전환을 위해, 또는 개별 광학 모드(41 내지 46)와 광학 모드(41 내지 46)의 조합 간의 전환을 위해 조절될 수 있다.
도 1 내지 도 25를 참조하여 설명된 장치는 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조정함으로써 원하는 빔 웨이스트 직경(35) 및 원하는 발산각(36) 중 적어도 하나가 선택될 수 있도록 구성될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 렌즈(4)가 존재하지 않으면, 도 1의 장치는 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절함으로써 원하는 발산각(36)을 선택하도록 구성될 수 있다. 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 렌즈(4)가 도 1의 장치에 포함되며 광섬유(2)의 말단부(16)가 렌즈(4)의 전방 초점면(14)에 있도록 위치된 다음, 장치는 제 1 압착 기구(3)의 압착력(12)을 조절하여 원하는 빔 웨이스트 직경(35)을 선택하도록 구성될 수 있다. 제 2 압착 기구(129)를 포함함으로써 훨씬 더 많은 선택이 가능하다. 고차 모드 결합이 제 2 압착 기구(129)의 압착력(12)을 제어함으로써 달성될 수 있어, 기본 모드(41)의 빔 웨이스트(34)를 통해 포커싱 렌즈(53)로부터의 임의의 거리에서의 그리고 빔 웨이스트(34)를 초과한 거리에서의 탑-햇 프로파일 또는 환형이나 링 프로파일에 가까운 강도 분포를 가능하게 한다.
다시 도 1을 참조하면, 압착 기구(3)는 적어도 하나의 액추에이터(55)를 포함할 수도 있다. 액추에이터(55)는 전기 모터 및/또는 전자석을 포함할 수도 있다. 액추에이터(55)는 래칫(ratchet)을 포함할 수도 있다. 전기 신호의 인가가 액추에이터(55)를 통해 압착력(12)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 액추에이터(55)는 또한, 광학 모드(들)의 강도의 방위각 평균화를 야기하기 위하여 압착 기구(3)를 진동시키는 데 사용될 수도 있다.
장치는 액추에이터(55)를 제어하며 이에 의해 압착력(12)을 제어하기 위한 제어기(75)를 포함할 수도 있다. 제어기(75)는 재료 매개 변수에 관한 정보를 포함하는 메모리(76)를 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 메모리(76)는 액추에이터(31)를 구동하는 신호가 재료(11)의 매개 변수에 따라 선택될 수 있도록 하는 정보를 포함한다. 매개 변수는 재료(11)의 유형 및 두께(124)를 포함할 수도 있다. 이것은 액추에이터(55)로의 신호를 제어함으로써 레이저 방사선(13)의 발산(36) 및 집속된 레이저 방사선(13)의 빔 웨이스트 직경(35)이 제어될 수 있도록 함에 따라 본 발명의 특히 유용한 양태이다. 따라서, 가공되는 재료에 따라 광범위한 레이저 가공 매개 변수에 걸쳐 비교적 값비싼 산업용 레이저(1)가 자동적으로 조정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치는 기본 가우시안 모드, 개별적인 고차 모드 또는 이러한 개별 모드의 조합, 및 복수의 광학 모드를 포함하는 탑-햇 분포 간의 레이저 방사선(13)의 전환을 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 렌즈(4)로 광섬유의 말단부(16)에서 레이저 방사선(13)의 원거리 장을 이미지화함으로써, 레이저 방사선(13)이 상이한 빔 웨이스트 직경(35)을 갖는 광학 모드 간에 전환될 수 있다. 재료(11) 상으로 확실하게 LP5,1 또는 LP9,1 모드와 같이 강도의 방위각 변화가 있는 링 모드를 확실하게 이지미화하는 능력은 재료(11)의 절단 및 용접에 중요한 이점을 제공한다. 이러한 모드는 특정 재료와 새롭고 흥미로운 상호 작용을 한다. 예를 들어, 개별 모드 또는 개별 모드의 앙상블을 선택함으로써 천공 속도, 절단 속도, 및 가장자리 품질의 조합을 최적화할 수 있다. 최적화 공정은 포커싱 렌즈(53)에 대한 재료(11)의 상대적 위치를 최적화하는 것을 포함할 수도 있다. 빔 웨이스트(34)는 재료(11)의 표면(17) 상에서 재료(11)와 포커싱 렌즈(53)의 사이에, 재료(11)의 내부에, 또는 포커싱 렌즈(53)로부터 재료(11)의 타측에 위치할 수도 있다. 흥미롭게도, 상이한 광학 모드는 천공, 절단 속도, 및 가장자리 품질에 대한 최적의 결과를 제공한다. 최적의 선택은 상이한 재료와 재료 두께에 따라 상이할 수 있다.
예시적인 용례로는, 재료(11)가 주 가공 전에 사전 가공되는 용례가 있다. 도 26은 재료 흡수가 온도에 따라 증가하는 실리콘과 같은 재료를 예열하는 데 사용되는 링 모드(225)를 보여준다. 도 26은 링 모드(225)로부터의 조사(irradiation) 하에서의 가공편(220)의 온도 프로파일(221)을 보여준다. 온도 프로파일(221)은 링의 내부에서 균일하며, 결과적으로, 조사 영역의 중심에서의 유도 응력이 감소된다. 본 발명의 장치는, 도 27에 도시된 바와 같이, 레이저 방사선(13)을 기본 LP0,1 모드(235)로 전환하는 데 사용된다. 기본 모드(234)의 스폿 크기(232)는 링 모드(225)의 스폿 크기(222)보다 작도록 배치된다. 도 4 및 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이, 이것은 광섬유(2)의 말단부(16) 상의 렌즈(4)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 그 결과에 따르면, 가공편(220)이 예열 단계가 없는 경우에서보다 더 정확하게 그리고 더 적은 손상으로 가공될 수 있다. 공정의 예로는 반도체 회로에서의 절단, 드릴링, 또는 링크 절단 또는 형성이 있다.
본 발명의 장치는 재료를 천공, 절단, 용접, 드릴링, 소결 처리, 마킹, 또는 음각 처리하기 위해 레이저 방사선(13)의 광학 스폿 크기 및 발산을 제공하는 데 사용될 수 있다. 장치는 레이저 방사선(13)의 특성을 모니터링하기 위한 모니터링 장비를 가질 수 있으며, 따라서, 필요한 공정 매개 변수를 제공하도록 액추에이터(31)를 제어할 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 위에 설명된 본 발명의 실시예는 단지 예시로서 제공된 것이며, 성능을 향상시키기 위해 수정 및 추가 구성 요소가 제공될 수도 있음을 이해하여야 한다. 도면에 도시된 개별 구성 요소는 도면에서의 사용으로 제한되는 것은 아니며 다른 도면 및 본 발명의 모든 양태에서 사용될 수도 있다. 본 발명은 또한, 단독으로 또는 임의의 조합으로 취해진, 위에 언급된 및/또는 도시된 개별 구성 요소로 확장된다.

Claims (37)

  1. 레이저(1), 광섬유(2), 및 커플러(125)를 포함하며,
    ● 레이저(1)는 광섬유(2)에 연결되며,
    ● 광섬유(2)는, 레이저 방사선(13)이 제 1 모드 차수(mode order)(24)를 갖는 제 1 광학 모드(21), 제 2 모드 차수(25)를 갖는 제 2 광학 모드(22), 및 제 3 모드 차수(26)를 갖는 제 3 광학 모드(23)로 광섬유(2)를 따라 전파될 수 있도록 하며,
    ● 제 3 모드 차수(26)가 제 2 모드 차수(25)보다 높으며,
    ● 제 2 모드 차수(25)가 제 1 모드 차수(24)보다 높은 것인, 재료를 레이저 가공하기 위한 장치에 있어서,
    ● 커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파되는 레이저 방사선을, 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되며,
    ● 커플러(125)는 제 2 광학 모드(22)로 전파되는 레이저 방사선을, 제 3 광학 모드(23)로 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파될 수 있는 레이저 방사선의 적어도 75%를 제 3 광학 모드(23)에 결합(couple)하도록 구성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 커플러(125)는 제 1 광학 모드(21)로 전파되는 레이저 방사선을 복수의 광학 모드로 전환하도록 구성되어, 레이저 방사선의 탑-햇(top-hat) 광출력 분포가 형성될 수 있도록 하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 방사선을 상기 재료의 표면 상에 또는 그 부근에 집속시키도록 구성되는 광학 렌즈 장치(50)
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    렌즈(4)
    를 포함하며,
    상기 렌즈(4)는 전방 초점면(14)과 후방 초점면(15)에 의해 정의되며, 제 1 광학 모드(21)는 레일리 길이(Reyleigh length)에 의해 정의되며, 렌즈(4)는, 레이저(1)로부터의 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 레일리 길이의 2 배의 길이 이내에 위치되며,
    상기 레일리 길이는, 광섬유(2)의 말단부(16)로부터, 제 1 광학 모드(21)의 반경이 2의 제곱근의 비율(factor)만큼 증가된 평면까지의 거리로서 정의되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 렌즈(4)는 광섬유(2)의 말단부(16)가 전방 초점면(14)에 위치되도록 배치되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 렌즈(4)는 그레이디드 인덱스 렌즈(graded index lens)를 포함하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유(2)는 복수의 코어(31)를 가지며, 제 3 광학 모드(23)와 제 1 광학 모드(21)는 서로 다른 코어(31)에서 전파되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 코어들 중 적어도 하나는 상기 코어(31)들 중 다른 하나를 둘러싸는 링 코어(282)인 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ● 상기 커플러(125)는 피치(7)에 의해 정의되는 주기적 표면(6)을 포함하는 적어도 하나의 압착 기구(3)를 포함하며,
    ● 상기 주기적 표면(6)은 광섬유(2)에 인접하게 위치되며,
    ● 상기 압착 기구(3)는 압착력(12)에 의해 주기적 표면(6)과 광섬유(2)를 함께 압착하여, 제 1 광학 모드(21)를 제 2 광학 모드(22)에 결합하며 제 2 광학 모드(22)를 제 3 광학 모드(23)에 결합하도록 구성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    원하는 출력 모드에 따라 상이한 압착력(12)을 인가하도록 구성되는, 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 피치(7)는 주기적 표면(6)의 길이를 따라 처프되는(chirped) 가변 피치이며, 상기 가변 피치는 제 1 피치 및 제 2 피치를 가지며,
    상기 제 1 피치가 제 1 광학 모드(21)와 제 2 광학 모드(22)를 함께 결합하며, 상기 제 2 피치가 제 2 광학 모드(22)와 제 3 광학 모드(23)를 함께 결합하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압착 기구(3)는, 압착력(12)이 인가되면, 광섬유(2)를 나선형으로 변형시키도록 구성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 방사선은 빔 매개변수 곱(beam parameter proudct)(33)에 의해 정의되며, 상기 압착 기구(3)는 압착력(12)을 증가시킴으로써 빔 매개변수 곱(33)이 증가될 수 있도록 하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 광학 모드(23)를 복수의 광학 모드에 결합함으로써, 레이저 방사선이 탑-햇 프로파일 또는 환형 링 프로파일을 가질 수 있게 하도록 구성된 장주기 격자(long period grating)(127)
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 장주기 격자(127)는 피치(7)에 의해 정의되는 주기적 표면(6)을 포함하는 제 2 압착 기구(129)를 포함하며, 상기 주기적 표면(6)은 광섬유(2)에 인접하여 위치되며, 상기 압착 기구(129)는 압착력(12)에 의해 주기적 표면(6)과 광섬유(2)를 함께 압착하도록 구성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유(2)로부터 단일 개별 광학 모드를 방출하도록 구성되는, 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유(2)는 실질적으로 균질한 코어(31)를 포함하여, 광학 모드들 간의 의도하지 않은 모드 결합을 방지하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 장치.
  19. ● 레이저 방사선(13)을 방출하는 레이저(1)를 제공하는 단계;
    ● 레이저 방사선(13)이 제 1 모드 차수(24)를 갖는 제 1 광학 모드(21), 제 2 모드 차수(25)를 갖는 제 2 광학 모드(22), 및 제 3 모드 차수(26)를 갖는 제 3 광학 모드(23)로 전파될 수 있도록 하는 광섬유(2)를 제공하는 단계;
    ● 레이저 방사선(13)을 광섬유(2)의 제 1 광학 모드(21)에 커플링(coupling)시키는 단계
    를 포함하며,
    ● 제 3 모드 차수(26)는 제 2 모드 차수(25)보다 높으며,
    ● 제 2 모드 차수(25)는 제 1 모드 차수(24)보다 높은 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법에 있어서,
    ● 제 1 광학 모드(21)에서 전파되는 레이저 방사선을 제 2 광학 모드(22)에서 전파되는 레이저 방사선으로 전환하며 제 2 광학 모드(22)에서 전파되는 레이저 방사선을 제 3 광학 모드(23)에서 전파되는 레이저 방사선으로 전환하도록 구성되는 커플러(125)를 제공하는 단계;
    ● 레이저 방사선(13)으로 재료를 레이저 가공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모드(21)에서 전파되는 레이저 방사선의 적어도 75%가 제 3 광학 모드(23)로 전환되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모드(21)에서 전파되는 레이저 방사선이 제 3 광학 모드(23)를 포함한 복수의 광학 모드로 전환되어, 레이저 방사선(13)의 탑-햇 광출력 분포를 형성하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모드(21)는 레일리 길이에 의해 정의되며, 레일리 길이는, 광섬유(2)의 말단부(16)로부터, 제 1 광학 모드(21)의 반경이 2의 제곱근의 비율만큼 증가된 평면까지의 거리로서 정의되며,
    ● 전방 초점면(14)과 후방 초점면(15)에 의해 정의되는 렌즈(4)를 제공하는 단계;
    ● 레이저(1)로부터의 광섬유(2)의 말단부(16)로부터 레일리 길이의 2 배의 길이 이내에 렌즈(4)를 배치하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 렌즈(4)는 그레이디드 인덱스 렌즈를 포함하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  24. 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 방사선(13)을 집속시켜 상기 재료의 표면 상에 또는 그 부근에 빔 웨이스트(beam waist)를 형성하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  25. 제 19 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모드(21)는 광섬유(2)의 기본 모드인 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  26. 제 19 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 3 광학 모드(23)는 적어도 3의 방위각 모드 수(azimuthal mode number) 및 적어도 1의 반경방향 모드 수(radial mode number)를 갖는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  27. 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ● 상기 커플러(125)는 피치(7)에 의해 정의되는 주기적 표면(6)을 포함하는 적어도 하나의 압착 기구(3)를 포함하며,
    ● 상기 주기적 표면(6)은 광섬유(2)에 인접하게 위치되며,
    ● 상기 압착 기구(3)는 압착력(12)에 의해 주기적 표면(6)과 광섬유(2)를 함께 압착하도록 구성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    원하는 제 3 광학 모드(23)를 선택하기 위하여, 압착 기구(3)에, 정의된 제어 신호를 인가하는 제어기(75)를 제공하는 단계
    를 포함하며, 이에 의해, 상기 제 3 광학 모드(23)를 선택하는 단계는 압착력(12)을 조절하여 달성되는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  29. 제 19 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다양한 광출력 모드를 선택하기 위해, 상기 커플러(125)에, 정의된 제어 신호를 인가하는 제어기(75)를 제공하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  30. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 광학 모드(21)를 선택하며 레이저 방사선(13)으로 상기 재료를 천공하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 재료를 레이저 가공하는 단계는, 제 3 광학 모드(23)를 선택하며 레이저 방사선(13)으로 재료를 절단하는 단계를 포함하는 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    레이저 방사선(13)을 탑-햇 광출력 분배로 전환하며 레이저 방사선(13)으로 재료를 절단하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  33. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 방사선(13)으로 재료를 용접하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  34. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저(1)로 상기 재료를 소결 처리하는 단계
    를 포함하며,
    상기 소결 처리 이전의 재료는 금속제 분말의 형태인 것인 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  35. 제 19 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저(1)로 상기 재료를 드릴링 처리하는 단계
    를 포함하는 재료를 레이저 가공하기 위한 방법.
  36. 제 1 항의 장치를 사용하여 재료를 절단하는 방법으로서,
    렌즈 장치(50)로 재료 상에 레이저(1)를 집속시키는 단계,
    가우시안 프로파일(Gaussian profile)을 선택하여 상기 재료를 천공하는 단계, 및
    탑-햇 광출력 분포를 선택하여 상기 재료를 절단하는 단계
    를 포함하는 재료를 절단하는 방법.
  37. 제 1 항의 장치를 사용하여 재료를 용접하는 방법으로서,
    초점으로부터 렌즈 장치(50)를 사용하여 레이저를 투사하는 단계, 및
    제 1 항의 장치를 사용하여 작업 스폿 크기를 변경하여 스폿 크기 및 프로파일의 변화에 의해 용접 공정을 최적화하는 단계
    를 포함하는 재료를 용접하는 방법.
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