KR20200128729A - 게이트형 ｃｗ 및 쇼트 펄스 레이저를 사용한 레이저 드릴링 및 기계 가공 향상 - Google Patents
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Abstract
본 개시물은 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 처리되는 재료의 표면상의 한 스폿에서 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스 및 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 간헐적으로 생성하도록 구성된 레이저를 사용할 수 있다. 제 2 지속 시간은 적어도 100 배만큼 제 1 지속 시간보다 짧을 수 있고 상기 스폿에서 통제될 수 있다. 제 2 레이저 펄스는 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성된다. 제 1 레이저 펄스는 재료 표면의 스폿을 가열하는데 사용되고, 제 2 레이저 펄스는 용융 풀에서 용융된 재료의 용융 움직임 및 재료 방출을 유도한다.
Description
(관련 출원에 대한 상호 참조)
본 출원은 2018 년 3 월 23 일에 제출된 미국 가출원 번호 제62/647,544호의 이익을 주장한다. 상기 출원의 전체 개시는 본 명세서에 참조로서 통합된다.
(정부 권리 진술)
미국 정부는 로렌스 리버모어 내셔널 라보라토리의 운영에 대한 미국 에너지 부와 로렌스 리버모어 내셔널 시큐리티, 엘엘씨 간의 계약 번호 DE-AC52-07NA27344에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
(기술분야)
본 개시는 레이저 재료 가공을 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 기계 가공 효율을 증가시키기 위해 연속파(CW) 게이트 및 쇼트 펄스 레이저의 조합을 사용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이 섹션은 반드시 종래 기술이 아닌 본 개시와 관련된 배경 정보를 제공한다.
재료, 특히 금속의 절단 및 드릴링은 업계에서 잘 확립되어 있다. 레이저 가공은 일반적으로 기존 프로세스보다 느리고 비용이 많이 들기 때문에 일반적으로 정밀도가 요구되는 고가치 응용 분야에 사용된다. 또한 레이저 소스 개발을 위한 중요한 동인으로, 쇼트 펄스 레이저의 비용 및 처리량을 모두의 향상을 동기 부여한다. 레이저 드릴링 및 절단의 효율성을 개선하려는 요구는 절제 공정 자체에 관련된 레이저 재료 상호 작용을 최적화하는 새로운 접근 방식을 모색하게 한다. 레이저 펄스가 금속 표면과 상호 작용할 때 얇은(10 ~ 100nm) 재료 층을 증발시켜 용융 층을 남긴다. 레이저 펄스의 에너지 대부분이 증기를 가열하기 때문에, 물질을 증기로 제거하는 에너지 비용이 높다. 짧은 펄스(피코초에서 펨토초)의 경우, 이 더 깊은 용융 층은 일반적으로 매우 얕다. 특히 더 높은 레이저 플루언스의 경우 캐비테이션에 의해 방출될 수 있지만 임계점 이상으로 가열되면 종종 폭발적 비등(explosive boiling)에 의해 배출된다. 폭발적 비등에 의한 재료 제거는 또한 일 입방 센티미터의 재료를 제거하기 위해 최대 106 줄(Joule)(η= 106 J/cm3)을 차지하여 비효율적이다. 레이저 강도가 짧은 펄스보다 훨씬 낮은 긴 펄스(나노초 이상)의 경우 기화 및 폭발적 비등을 최소화할 수 있으며 더 많은 에너지가 더 깊은 용융 층을 만드는데 사용된다. 용융물을 제거하면 효율적인 절제가 가능할 것이다. 그러나, 용융물은 표면 장력에 의해 주변 재료에 단단히 유지되며 높은 종횡비의 드릴링으로 생성된 깊은 채널에서는 용융물을 제거하기가 매우 어려울 수 있다. 이러한 제한사항은 고압 가스를 사용하여 일부 산업 공정에서 극복될 수 있지만, 이 접근 방식의 효과는 높은 종횡비 채널에서, 초고속의 드릴링 또는 절단, 두꺼운 재료에 대해 또는 레이저가 표면에 근접하지 않도록 일부 스탠드-오프가 요구되는 경우에 감소한다.
가스-보조를 사용하는 대신, 연구자들은 용융물을 방출하기 위해 제 2 레이저 펄스를 사용하는 방법(초기의 이중 펄스 개념)을 조사했다. 2 펄스 스킴의 사용은 C. Lehane, H.Kwok의 "듀얼 펄스 Nd:YAG 레이저를 사용한 향상된 드릴링", 'Appl.Phys.A73. 45. 2001'에서 제안되었다. 이 작업에서, 듀얼 헤드 Q-스위치 Nd:YAG 레이저가 타이밍을 조정할 수 있는 2 개의 펄스(기화가 거의 또는 전혀 없는 스테인리스 강(SS)에 깊은 용융물을 생성하는데 사용되는 22.5J ms 길이의 레이저 펄스, 최대 용융 깊이에 도달한 후 용융 표면과 상호 작용하도록 시간 조정된 2.5 J 100 μs 길이의 제 2 레이저 펄스 레이저 펄스)를 생성하기 위해 사용되었다. 그들은 이러한 이중 펄스 조합이 제거율을 최대 10 배 증가시킬 수 있음을 발견했으며, 그들이 보고한 데이터에 기초하면, SS 내의 550㎛ 직경, 1mm 깊이 채널에 대하여 1.5x105 J/cm3 으로의 η의 감소가 추정된다. 또한, 파라미터의 최적화 및 방출 메커니즘은 논의되지 않았다. 지금까지, 펄스 레이저의 낮은 효율, 그들의 상대적으로 큰 크기 및 수반되는 높은 비용으로 인해 이 아이디어의 실제 구현은 어려웠다. 이러한 결점은 그러한 시스템의 실제 적용을 산업 응용에서 구현하기 어렵게 만든다.
이전에 제안된 또 다른 레이저 가공 스킴은 이전 펄스로부터의 잔류 열을 이용하기 위해 짧은 레이저 펄스의 버스트 또는 트레인을 사용했다. 포스만 등의 "금속의 레이저 기계 가공에서 재료 제거율 향상을 위한 기술로서의 이중 펄스 기계 가공", 'Journal of Applied Physics 98.(2005)'은 동일한 532nm 3ns 레이저로부터의 이중 펄스(최대 150ns의 펄스 분리)를 사용하여 SS 및 알루미늄(Al)에서의 제거 프로세스를 조사했고, 또한 펄스당 제거의 향상을 발견했다. 그들의 보고된 데이터에 기초하면, 2.4mJ 펄스(~100J/cm2)를 사용하는 900μm 깊이, 40μm 직경 채널의 경우에, SS에 대하여 그들의 효율은 η = 7.5x105 J/cm3이고, Al에 대하여 2.4x105 J/cm3인 것으로 추정된다. 일부 개선이 용융물 배출로 인한 것일 수도 있지만, 이들은 제 2 펄스와 제 1 펄스로부터의 방출 기둥의 상호 작용으로 인해 발생하는 공정의 효율성 증가 때문이다. 이러한 유형의 시스템에서는 일반적으로 제거율의 이득은 크지 않다.
따라서, 레이저 기반 기계 가공 시스템의 제거 효율 및 침투율을 증가시키는 것 뿐만 아니라 이러한 레이저 기반 시스템의 효율에 영향을 미치는 유체 역학적 용융 불안정성에 대한 더 나은 이해를 얻는 것에 대한 강한 관심이 남아 있다.
이 섹션은 본 개시의 일반적인 설명을 제공하며 본 발명의 전체 범위 또는 모든 특징에 대한 포괄적인 개시가 아니다.
일 양태에서, 본 개시는 재료를 처리하기 위한 레이저 시스템에 관한 것이다. 레이저 시스템은 가공되는 재료의 표면 상의 한 스폿에서 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스 및 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 간헐적으로 생성하도록 구성된 레이저를 포함할 수 있다. 제 2 지속 시간은 적어도 1000 배만큼 제 1 지속 시간보다 짧고, 스폿에서 통제되며(directed), 제 2 레이저 펄스는 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성된다. 레이저로부터의 제 1 레이저 펄스는 재료 표면의 스폿을 가열하도록 구성되고, 제 2 레이저 펄스는 스폿으로부터 재료를 방출한다.
다른 양태에서, 본 개시는 재료를 처리하기 위한 레이저 시스템에 관한 것이다. 이 레이저 시스템은 처리되는 재료의 표면 상의 한 스폿에서 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스를 생성하는 게이트형 연속파(CW) 레이저를 포함할 수 있다. 이 시스템은 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 생성하기 위한 쇼트 펄스 레이저를 더 포함할 수 있으며, 제 2 지속 시간은 적어도 1000 배만큼 제 1 지속 시간보다 짧고 스폿에서 통제된다. 제 2 레이저 펄스는 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성된다. CW 레이저로부터의 제 1 레이저 펄스는 적어도 재료 표면의 스폿을 가열하도록 구성되고 쇼트 펄스 레이저는 스폿으로부터 방출시킨다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 재료를 처리하기 위한 레이저 기반 방법에 관한 것이다. 이 방법은 가공되는 재료의 표면상의 한 스폿에서 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스를 간헐적으로 생성하도록 레이저를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 이 방법은 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 제 2 지속 시간은 적어도 1000 배만큼 제 1 지속 시간보다 짧고 스폿에서 통제된다. 짧은 펄스의 펄스 길이는 약 나노초 이하이어야 하며 긴 펄스의 펄스 길이는 약 마이크로 초 이상이어야 한다. 짧은 펄스 부분의 피크 파워는 긴 펄스 부분의 평균 파워보다 적어도 1000 배 더 높아야 한다. 제 2 레이저 펄스는 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성된다. 상기 방법은 적어도 스폿에서 재료를 가열하기 위해 제 1 레이저 펄스를 사용하는 단계, 및 스폿으로부터 재료의 방출을 유도하기 위해 제 2 레이저 펄스를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 적용 가능한 영역은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 이 '발명의 내용'의 설명 및 특정 예는 단지 예시를 위한 것이며 본 개시의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
본 명세서에 설명된 도면은 모든 가능한 구현예가 아니라 단지 선택된 실시예의 설명 목적일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 재료 가공을 위해 게이트형 CW 레이저 및 쇼트 펄스 레이저를 사용하는, 본 발명에 따른 레이저 기계 가공 시스템의 일 실시예의 하이 레벨 블록도이다.
도 1a는 도 1에 도시된 2 개의 다이오드에 대한 다이오드 신호 파워 대 시간의 그래프이며, 이는 CW 레이저 및 펄스 레이저의 펄스로부터의 광이 재료 샘플의 두께를 통과하여 그들의 길을 점진적으로 만들면서 검출되는 방식을 보여준다.
도 2a는 도 1의 게이트형 CW 레이저에 의해 생성된 펄스를 보여주는 타이밍 다이어그램이며, 이 예에서는 100μs의 주기를 갖는 것으로 표시된다.
도 2b는 도 1의 펄스 레이저에 의해 생성된 짧은 지속 시간의 펄스를 도시하는 타이밍 다이어그램이며, 이는 CW 레이저에 의해 생성된 각 펄스의 끝에서 게이팅되고, 이 예에서 단지 28ps의주기를 갖는다.
도 3a는 316L 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 펄스 레이저 플루언스 대 제거율을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 3b는 알루미늄 합금 6061 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 펄스 레이저 플루언스 대 제거율을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 4a는 알루미늄 합금 6061의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 두께 대 제거율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 4b는 316L 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 두께 대 제거율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 시스템을 사용하는 처리 사이클 동안 5 개의 상이한 시간에 발생하는 용융물 방출을 도시한다. 맨 위 줄은 용융층의 캐비테이션을 보여주고, 가운데 줄은 용융된 액체 방울의 파괴를 보여주고, 맨 아래 줄은 용융된 액체 제트의 분출을 보여준다.
도 6a-6c는 레이저 천공된 채널을 검사하는데 사용되는 X 선 컴퓨터 단층 촬영을 도시한다.
도 7a는 원하는 펄스 형태가 단일 펄스 레이저 증폭기에 의해 생성되는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 생성된 펄스 형상의 클래스를 도시한다. 이러한 펄스는 CW 레이저와 펄스 레이저의 조합 또는 단일 레이저에 의해 생성될 수 있다.
도 7c는 원하는 형상의 펄스의 짧은 펄스 부분은 더 짧은 파장(1μm 미만)으로 변환된 주파수이고, 긴 펄스 부분은 변환되지 않고 1μm로 유지되도록 하기 위해 증폭기의 출력에 주파수 변환기가 장착된 단일 펄스 레이저를 보여준다.
도 7d는 원하는 펄스 형상의 긴 펄스 부분 및 짧은 펄스 부분 모두가 더 짧은 파장으로 주파수 변환될 수 있는 펄스 형태를 도시한다. 여기서 긴 펄스 부분은 원하는 긴 펄스 부분과 동일한 평균 파워 및 짧은 펄스 부분과 유사한 피크 파워를 갖는 초단 펄스의 펄스 열로 구성된다. 이러한 초단 펄스 부분의 펄스 길이는 짧은 펄스 부분보다 짧고 낮은 펄스 에너지를 갖는다.
대응하는 부재번호는 도면의 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 재료 가공을 위해 게이트형 CW 레이저 및 쇼트 펄스 레이저를 사용하는, 본 발명에 따른 레이저 기계 가공 시스템의 일 실시예의 하이 레벨 블록도이다.
도 1a는 도 1에 도시된 2 개의 다이오드에 대한 다이오드 신호 파워 대 시간의 그래프이며, 이는 CW 레이저 및 펄스 레이저의 펄스로부터의 광이 재료 샘플의 두께를 통과하여 그들의 길을 점진적으로 만들면서 검출되는 방식을 보여준다.
도 2a는 도 1의 게이트형 CW 레이저에 의해 생성된 펄스를 보여주는 타이밍 다이어그램이며, 이 예에서는 100μs의 주기를 갖는 것으로 표시된다.
도 2b는 도 1의 펄스 레이저에 의해 생성된 짧은 지속 시간의 펄스를 도시하는 타이밍 다이어그램이며, 이는 CW 레이저에 의해 생성된 각 펄스의 끝에서 게이팅되고, 이 예에서 단지 28ps의주기를 갖는다.
도 3a는 316L 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 펄스 레이저 플루언스 대 제거율을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 3b는 알루미늄 합금 6061 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 펄스 레이저 플루언스 대 제거율을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 4a는 알루미늄 합금 6061의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 두께 대 제거율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 4b는 316L 스테인리스 강의 제거를 위해 본 발명에 의해 생성된 두께 대 제거율을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 시스템을 사용하는 처리 사이클 동안 5 개의 상이한 시간에 발생하는 용융물 방출을 도시한다. 맨 위 줄은 용융층의 캐비테이션을 보여주고, 가운데 줄은 용융된 액체 방울의 파괴를 보여주고, 맨 아래 줄은 용융된 액체 제트의 분출을 보여준다.
도 6a-6c는 레이저 천공된 채널을 검사하는데 사용되는 X 선 컴퓨터 단층 촬영을 도시한다.
도 7a는 원하는 펄스 형태가 단일 펄스 레이저 증폭기에 의해 생성되는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 생성된 펄스 형상의 클래스를 도시한다. 이러한 펄스는 CW 레이저와 펄스 레이저의 조합 또는 단일 레이저에 의해 생성될 수 있다.
도 7c는 원하는 형상의 펄스의 짧은 펄스 부분은 더 짧은 파장(1μm 미만)으로 변환된 주파수이고, 긴 펄스 부분은 변환되지 않고 1μm로 유지되도록 하기 위해 증폭기의 출력에 주파수 변환기가 장착된 단일 펄스 레이저를 보여준다.
도 7d는 원하는 펄스 형상의 긴 펄스 부분 및 짧은 펄스 부분 모두가 더 짧은 파장으로 주파수 변환될 수 있는 펄스 형태를 도시한다. 여기서 긴 펄스 부분은 원하는 긴 펄스 부분과 동일한 평균 파워 및 짧은 펄스 부분과 유사한 피크 파워를 갖는 초단 펄스의 펄스 열로 구성된다. 이러한 초단 펄스 부분의 펄스 길이는 짧은 펄스 부분보다 짧고 낮은 펄스 에너지를 갖는다.
대응하는 부재번호는 도면의 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
이제 예시적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 더 완전하게 설명될 것이다.
금속의 용융 엔탈피는 일반적으로 증발 엔탈피보다 수 배 더 작다. 펄스 레이저는 일반적으로 증발을 통해 재료를 제거하며 그들의 효율성은 본질적으로 낮다. 연속파("CW") 레이저는 재료를 용융시키지만 용융물을 제거하려면 광범위한 증발에 의해 생성되는 반동 운동량(recoil momentum)이 필요하다. 표면 장력을 극복하기 위해, 증발은 집중적이어야 하며 작용되는 스폿의 대부분을 차지해야 한다. 이 상황에서, 레이저 광은 증기 기둥과 상호 작용하기 시작하여, 금속 표면을 보호하고 재료 제거 효율을 감소시킨다. 또한, 연기의 굴절과 산란은 가공의 효율성과 정밀도를 저하시킨다.
본 개시 내용은 광범위하게는 길고 낮은 평균 파워 펄스를 제공하는 게이트형 CW 레이저 및 짧고 높은 피크 파워 펄스를 제공하는 쇼트 펄스(나노초-피코 초) 레이저의 조합의 사용하여 다양한 유형의 재료, 특히 알루미늄 및 스테인리스 강(용도가 이러한 재료로 제한되지는 않음)과 같은 금속을 더 효율적으로 절단하고 및/또는 구멍을 레이저 기계 가공하는 것에 관한 것이다. 본 개시 내용은 또한 앞서 기술된 게이트형 CW 레이저 및 쇼트 펄스 레이저 스킴의 조합에 의해 생성된 펄스의 조합과 실질적으로 유사한 성형된 펄스를 생성하도록 구성된 단일 레이저의 사용에 관한 것이며, 이 펄스는 길고 낮은 평균 전력의 제 1 부분 및 짧고 높은 피크 파워를 갖는 제 2 부분을 갖는다. 두 실시예 모두에서, 긴 펄스는 일반적으로 약 1㎲보다 길고 짧은 펄스는 일반적으로 나노초 체제 또는 그보다 짧다. 특히, 짧은 펄스 부분의 피크 파워는 긴 펄스 부분의 평균 파워의 적어도 1000 배일 수 있고, 짧은 펄스 부분의 지속 시간은 긴 펄스 부분의 지속 시간보다 적어도 약 1000 배 짧을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 긴 펄스 부분의 지속 시간은 1㎲보다 크고, 짧은 펄스 부분의 지속 시간은 1ns 미만이다. 또한, 짧은 펄스 부분의 피크 파워는 긴 펄스 부분에서의 평균 파워의 약 105 배이고, 지속 시간은 긴 펄스 부분의 지속 시간보다 약 105 배 짧을 수 있다. 이러한 목표 강도 및 관련 펄스 길이는 긴 펄스와 짧은 펄스에 의해 생성된 물리적 프로세스에 의해 설정된다. 예를 들어, 일 구현예에서 긴 펄스 부분의 평균 파워는 가공되는 샘플에 집중될 때 샘플을 녹일만큼 충분해야 하지만, 그것이 상당한 플라즈마를 생성할 만큼 높아서는 안되며; 긴 펄스의 파워에 대한 일반적인 값은 약 250W 내지 1500W일 수 있고, 더욱 바람직하게는 약 500W 내지 1kW 일 수 있고, 샘플 상의 집중된 스폿 크기가 약 200μm 일 때, 샘플상의 복사 조도(irradiance)는 약 1 MW/cm2 미만이 된다. 짧은 펄스 부분의 피크 파워는 상당한 볼륨의 용융물이 샘플로부터 배출되도록 긴 펄스에 의해 생성된 용융물에서 불안정성을 자극하기에 충분할 만큼 가공중인 샘플에 복사 조도를 제공하기에 충분해야 하며; 짧은 펄스 부분의 피크 파워에 대한 일반적인 값은 샘플에 집중된 스폿 크기가 약 200μm 일 때 약 1GW이며, 따라서 샘플상의 복사 조도는 약 100GW/cm2 이상이다. 샘플 상에 집중된 스폿 크기가 클 때 두 펄스 모두에 대한 필요 파워가 더 크다는 것은 당업계에서 실행된 사람에게는 명백하다. 짧은 펄스에 대한 필요 피크 파워는 스폿 크기에 따라 스케일링되지 않는다. 이 예에서, 짧은 펄스의 피크 파워는 바람직하게는 긴 펄스의 평균 파워의 적어도 1000 배이다. 짧은 펄스가 긴 펄스를 바로 뒤따르는 것이 바람직하지만 반드시 필요한 것은 아니다. 긴 펄스 부분과 짧은 펄스 부분 사이에 짧은 지연이 있는 경우에도 본 발명의 원하는 이점을 얻을 수 있다. 그러나, 이 지연은 긴 펄스에 의해 달성된 용융물이 짧은 펄스 부분의 도착 이전에 크게 냉각되지 않도록 충분히 짧아야 한다. 스폿이 클수록 지연 시간이 길어질 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 개시물의 일 실시예에 따른 시스템(10)이 도시된다. 시스템(10)은 게이트형 연속파(CW) 레이저(12) 및 쇼트 펄스 레이저(14)를 포함할 수 있으며, 이 둘 모두 컨트롤러(16)에 의해 제어되어 레이저(12 및 14)의 "온" 및 "오프" 동작이 원하는 사전 결정된 주파수로 동기화된다. 사전 결정된 주파수는 매우 다양할 수 있지만, 일 예에서는 제한없이 약 10Hz 내지 약 50Hz 일 수 있다. 이 예에서, CW 레이저(12)는 약 10μs 내지 500μs, 보다 바람직하게는 약 100μs의 지속 시간을 갖는 펄스(12a)를 생성하도록 구성되지만, 이 펄스 지속 시간은 특정 재료로부터 재료 제거를 최적화하기 위해 변경될 수 있다. 이 예에서 쇼트 펄스 레이저(14)는 20ps의 지속 시간을 갖는 펄스(14a)를 생성하고, 이 펄스 지속 시간은 또한 특정 애플리케이션의 요구에 맞게 변경될 수 있다. 두 레이저 모두의 파장은 근적외선 범위 내에 있을 수 있지만(일반적인 선택은 1μm 부근), 쇼트 펄스 레이저의 경우 더 짧은 파장, 예컨대, 500 nm 부근의 가시 범위 또는 355 nm 부근의 자외선 범위를 사용하면 더 나은 성능을 달성할 수 있다. 짧은 파장이 더 강한 충격을 생성하여 용융 불안정을 더 잘 일으키고 용융 층을 더 쉽게 제거한다는 것을 알게 되었다. CW 레이저는 또한 가공되는 재료에 더 쉽게 흡수되는 더 짧은 파장을 사용할 수 있다; 그러나 오늘날의 기술을 고려할 때, 가시 범위 또는 UV 범위에서 작동하는 진정한 CW 레이저는 일반적으로 IR에서 작동하는 것보다 파워가 낮고 금속과 같은 일반적인 재료를 녹이는데 적합하지 않을 수 있다.
CW 레이저에 의해 생성된 용융물의 깊이는 레이저 파워 및 조사 시간에 따라 증가한다. 최적의 CW 펄스 지속 시간이 존재함은 분명하다. 짧은 CW 레이저 지속 시간의 경우, 용융 깊이가 너무 작아 모든 스킴의 이점을 사용할 수 없다. 긴 펄스의 경우, 용융 깊이는 쇼트 펄스 레이저가 방출할 수 있는 것보다 더 깊으면 공정 효율성을 떨어트린다. 공정 파라미터의 최적 선택은 가공되는 재료와 사용된 레이저에 따라 다르다. 실험에 사용된 파라미터들은 완전히 최적이 아닌 경우에도 기존의 단일 레이저 스킴에 비해 큰 효율성 향상을 제공한다.
선택적으로, 긴 펄스 부분 및 짧은 펄스 부분을 갖는 성형된 펄스를 생성하기 위해 단일 CW 레이저가 사용될 수 있다. CW 레이저 빔을 짧은 펄스 빔에 독립적으로 정렬할 필요가 없기 때문에 단일 레이저를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 단일 레이저 솔루션의 이러한 양태는 레이저와 샘플 사이의 스탠드오프 거리가 더 커지거나 가공중인 샘플이 두꺼울 때 특히 유용하다. 이 경우, 펄스 폭은 연속적인 펄스 쌍을 생성하도록 제어되는데, 하나는 약 10μs 내지 500μs, 더 바람직하게는 약 100μs의 지속 시간을 갖고, 다른 하나는 약 1ps 내지 100ps, 더 바람직하게는 약 20ps의 지속 시간을 갖고, 이는 100μs 펄스의 끝에서 즉시 생성되며, 두 펄스는 사전 결정된 주파수로 반복된다. 그러나, 실제로는 게이트형 CW 레이저를 사용하여 제 2 펄스로부터 필요한 목표 파워와 샘플 상의 복사 조도를 얻는 것은 매우 어려울 것이다.
도 7a에 도시된, 본 발명의 다른 바람직한 실시예는 단일 펄스 레이저 증폭기(13)를 사용하여 필요한 지속 시간 및 파워를 갖는 긴 펄스 부분(100a) 및 짧은 펄스 부분(100b)을 갖는 성형된 펄스를 생성한다. 도 7b는 긴 펄스의 펄스 길이가 짧은 펄스 부분의 펄스 길이(100a)보다 적어도 1000 배 더 길고, 짧은 펄스 부분의 피크 파워가 긴 펄스 부분의 평균 파워보다 적어도 1000 배 더 큰 경우를 보여준다. 이러한 스킴은 앞서 설명한 2-레이저 접근 방식과 동일한 이점을 갖는다. 예를 들어, 단일 펄스 레이저는 약 10μs 내지 500μs의 지속 시간을 갖는, 보다 바람직하게는 100μs 지속 시간의 낮은 평균 파워를 갖는 제 1 긴 펄스 부분을 생성하도록 구성될 수 있으며, 그로 인해 샘플 상의 복사 조도는 약 1MW/cm2 미만이고, 짧은 지속 시간의 고 강도 펄스, 예컨대, 1 ps 내지 100 ps의 지속 시간, 더 바람직하게는 20ps 지속 시간의 고 강도 부분이 뒤따르고, 샘플 상의 복사 조도가 약 100GW/cm2이 되도록 하는 피크 파워를 갖는다. 선택적으로, 도 7c에 도시된, 주파수 변환기(13a)는 그것이 펄스의 고 피크 파워 짧은 지속 시간 부분을 증폭된 광의 고조파로 변환하도록 증폭기 출력 후에 포함될 수 있다. 일반적인 예는 명목상 1μm 파장의 광을 생성하는 Nd-도핑 유리 증폭기를 사용하는 것이다. 펄스의 길고 낮은 평균 파워 부분은 변환되지 않고 1μm 광으로 변환기를 통과하지만, 펄스의 고 파워 부분은 500nm 근처의 제 2 고조파 또는 355 nm 근처의 제 3 고조파로 변환될 수 있다. 앞서 언급했듯이, 더 짧은 파장의 광이 1㎛ 광보다 용융 불안정성을 자극하는데 더 효과적인 것으로 밝혀졌다. 추가적으로, 선택적인 주파수 변환기(13a)를 갖도록 구성된 시스템은 용융물을 생성하는데 사용되는 펄스의 낮은 평균 파워 부분을 단파장으로 변환하는데에도 사용될 수 있다. 이는 펄스의 낮은 평균 파워 부분(400)을 그것이 원하는 긴 펄스 부분과 동일한 평균 파워를 갖고 짧은 펄스 부분(402)과 동일한 피크 파워를 갖는 초단 펄스(400a)의 펄스 열로 이루어지도록 구성하여 그것이 도 7d에 도시된 바와 같이 주파수 변환되게 함으로써 달성될 수 있다. 초단 펄스(400a)의 펄스 길이는 각각의 초단 펄스(400a)가 짧은 펄스 부분(402)의 펄스 에너지보다 적은 에너지를 포함하도록 짧은 펄스 부분(402)보다 짧아야 하며, 이러한 방식으로, 초단 펄스(400a)는 평균적인 의미로만 작용하고 가열을 생성하지만 용융 불안정성을 개시할 만큼 충분한 압력을 생성하지 않는다.
펄스 반복 주파수가 높으면 잔류 온도 축적으로 인해 용융 스폿 주변에 균열 및 열 영향 영역이 발생할 수 있다. 주파수가 낮으면 펄스 열 간의 상호 작용이 독립적이다. 두 체제 간 전환은 처리되는 재료의 유형, 적용되는 두 펄스의 스폿 크기 및 적용되는 총 레이저 플루언스에 의존한다. 사전 결정된 펄스 반복 주파수는 다시 약 10Hz 내지 약 50Hz 일 수 있다. 10Hz 내지 50Hz의 주파수를 사용하는 경우, 드릴링 속도는 영향을 받지 않았다.
이중 레이저 및 단일 레이저 구현 모두가 본 개시에 의해 고려된다. 도 1을 더 참조하면, 게이트형 CW 레이저(12)로부터의 펄스(12a)는 적절한 제 1 광학부재(예를 들어, 렌즈)(18)를 사용하여 포커싱되고, 그 다음 미러(20) 또는 다른 적절한 광학부재를 사용하여 스테이지(24) 상에 지지된 재료 샘플(22) 상으로 반사될 수 있다. 스테이지(24)는 X 및 Y 평면에서 움직일 수 있으며, 그 움직임은 컨트롤러(16) 및/또는 별도의 컨트롤러에 의해 제어된다. 펄스(14a)를 샘플(22)쪽으로 돌리기 위해 추가 미러 또는 적절한 광학 부재(28)를 사용하기 전에, 적절한 제 2 광학부재(즉, 별도의 렌즈)(26)가 펄스 레이저(14)로부터의 펄스(14a)를 포커싱하는데 사용될 수 있다. 광학부재(28)는 펄스(14a)를 회전시키면서 펄스(12a)가 통과하는 것을 가능하게 한다. 빔 스플리터(31)는 CW 레이저와 쇼트 펄스 레이저로부터 신호를 분리하기 위해 사용된다. 선택적으로, 다이오드(30)는 펄스가 재료 샘플(22)의 두께를 통해 작동함에 따라 펄스(12a)를 제공하는 빔의 강도를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 유사한 방식으로, 다이오드(32)는 펄스(14a)가 재료 샘플(22)의 두께를 통해 작동할 때 펄스(14a)를 생성하는 빔의 강도를 검출하는데 사용될 수 있다. 도 1a는 곡선(30a 및 32a)을 도시하며, 곡선(30a)은 다이오드(30)로부터의 출력을 나타내고 곡선(32a)은 다이오드(32)로부터의 출력을 나타낸다. 곡선(30a 및 32a)은 사실상 동일한 강도 대 시간 프로파일을 가지며, 펄스가 재료 샘플(22)을 관통할 때 펄스(12a 및 14a)의 강도를 나타낸다. 섹션(34a 및 34b)은 펄스(12a 및 14a)가 재료 샘플(22)을 완전히 통과하여 펄스(12) 및 펄스(14a)에 대해 최대 측정 강도에 도달되었음을 나타낸다.
이 시스템(10)의 중요한 양태는 컨트롤러(16)가 게이트형 CW 레이저(12) 및 펄스 레이저(14)에 의해 생성된 펄스의 타이밍을 제어하여 짧은 지속 시간의 펄스(14a)가 각 펄스(12a)의 지속 시간의 끝에 생성되도록 한다는 것이다. 이것은 도 2a 및 2b에 도시되어 있다. 보다 바람직하게는, 짧은 지속 시간의 펄스(14a)는 펄스(12a) 종료 즉시 또는 각 펄스(12a)의 종료 직전에 존재하도록 생성된다. 이와 관련하여, 2 개의 펄스(12a 및 14a)의 약간의 오버랩이 제 1 펄스(12a)가 종료되기 직전에 존재할 수 있다. 펄스(12a 및 14a)를 생성하는데 사용되는 빔의 스폿 크기는 다양할 수 있지만, 펄스(12a 및 14a)에 대해 동일한 스폿 크기를 사용하면 시스템(10)의 구현을 단순화할 수 있고, 본 개시 내용은 동일한 스폿 크기를 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 일례에서, 스폿 크기는 펄스(12a 및 14a) 모두에 대해 150μm의 직경일 수 있다. 여기서 실험에 사용된 스폿 크기는 150 um 1/e2에서 유사하지만, 두 빔 스폿 크기 간의 최적 관계는 재료 및 재료 두께에 의존한다. 게이트형 CW 레이저(12)로부터의 펄스(12a)는 샘플(22) 표면에 용융 풀을 생성한다. 용융 온도 및 깊이는 CW 레이저(12)의 파워 및 CW 펄스(12a)의 스폿 크기에 의해 제어된다. 펄스 레이저(14)로부터의 펄스(14a)는 충격을 생성하고 펄스(14a 및 12a)가 충돌하는 스폿으로부터(즉, 용융 풀로부터) 용융 재료의 입자를 방출하도록 작동하는 용융 풀 상의 캐비테이션(cavitation)을 시작한다.
특정 실험에서, 약 100μs의 CW 기간이 사용되었다. CW 레이저(12) 파워는 짧은 펄스(14a)가 도달할 때 원하는 정도의 용융 풀을 달성하도록 선택되었다. 얇은 금속 층의 증발은 용융물을 방출시키는 반동 운동량을 생성한다. 용융물의 점도는 작고, 용융 역학에 영향을 주지 않는다. 재료를 방출하는 짧은 펄스(14a)의 에너지는 CW 레이저 펄스(12a)의 에너지에 비해 작다. 예를 들어, 100us 지속 시간에서 450W CW 레이저는 45mJ이고 짧은 펄스 에너지는 3mJ이다. 복수의 이중 펄스(즉, 하나의 펄스(12a) 뒤를 바로 이은 하나의 펄스(14a))를 적용함으로써, 하나는 높은 종횡비(>10) 구멍을 드릴링할 수 있고, 여기서 종횡비는 직경에 대한 홀 깊이의 비율로서 정의된다. 직경 150 μm의 홀 드릴링에 대한 실험 데이터는 도 2에 제공되어 있으며, 이는 알루미늄(Al) 및 스테인리스 강의 홀 깊이의 함수로서 제거율을 보여준다.
도 3은 다양한 CW 레이저 파워(12) 레벨에 대한 펄스 레이저 플루언스(14)의 함수로서 재료의 제거율(μm/펄스)을 그래프로 도시한다. 도 3a에 도시된 예는 Al 합금 6061을 나타내고 도 3b는 SS316L 스테인리스 강을 나타낸다. 용융물을 생성하는데 필요한 CW 레이저의 파워는 샘플 재료에 의존한다. 100μs CW 펄스의 용융풀 형성 임계 값은 SS의 경우 ~50W, Al의 경우 ~300W로 추정된다. CW 레이저 파워가 용융 임계 값을 초과하면 드릴링의 평균 제거율이 크게 향상된다. 450W CW 레이저 출력을 사용하는 드릴링 SS의 경우 10 배 초과의 향상, Al의 경우 5 배 초과의 향상이 관찰되었다.
도 4a-4b는 CW 펄스(450W)만 사용하고(곡선 100), 펄스 레이저로부터의 펄스(30J/cm2)만 사용하고(곡선 102), 그리고 CW 레이저(12)와 펄스 레이저(14)를 모두 사용하여(곡선 104) Al 합금 6061(도 4a)에 대한 재료 두께의 함수로서 재료의 제거율을 그래프로 보여준다. 도 4b는 316L 스테인리스 강의 재료 제거율을 보여주며, 여기서 곡선(110)은 CW 레이저에 의해서만 만들어진 제거이고, 곡선(112)은 펄스 레이저에 의해서만 만들어진 제거를 나타내고, 곡선(114)는 여기 설명된 바와 같이 CW 레이저(12) 및 펄스 레이저(14)를 모두 사용한 재료 제거를 나타낸다. 더 긴 지속 시간, 더 낮은 파워의 짧은 펄스 레이저를 사용할 때 제거 향상이 감소 및/또는 사라진다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 20ps 짧은 펄스 레이저가 동일한 파장 및 타겟 상의 평균 플루언스를 갖는 7ns 펄스 레이저로 대체되면 약 250μm보다 두꺼운 금속 샘플에 대한 제거 향상이 사라진다는 것을 알게 되었다. 20ps 펄스의 피크 파워는 1GW보다 크고, 게이트형 CW 레이저(12)의 평균 파워보다 106 배 이상 높다. 대조적으로, 7ns 펄스 레이저에 의해 생성된 펄스의 피크 파워는 대략 1MW이며, 이는 단지 게이트형 CW 레이저의 평균 파워의 약 2000 배이다. 7ns 레이저의 피크 파워는 최대 250㎛ 두께의 샘플에 대한 제거를 향상시키는 것으로 밝혀 졌기 때문에 유용성의 한계에 있지만, 언급한 바와 같이 250㎛보다 두꺼운 샘플에 대해서는 제거가 향상되지 않았다. 분명하게도, 짧은 펄스 부분의 피크 파워가 클수록 제거 효율이 높아진다. 원하는 긴 펄스 평균 파워 및 지속 시간에 대하여, 이것은 짧은 펄스 부분의 피크 파워 대 긴 펄스 부분의 평균 파워의 비율이 높을수록 제거율이 높아짐을 의미한다. 이 비율이 적어도 1000 배라고 판단되었다. 따라서, 위의 내용을 요약하면, 짧은 펄스의 펄스 길이는 약 나노초 이하여야 하고, 긴 펄스의 펄스 길이는 약 마이크로초 이상이어야 한다. 짧은 펄스의 피크 파워는 긴 펄스 부분의 평균 파워다 적어도 1000 배 더 높아야 한다.
도 5는 6 개의 상이한 시간에 발생하는 용융물 방출을 상세히 설명하는 고속 비디오의 프레임을 도시한다. 본질적으로, 펄스(12a)는 용융 풀을 빠르게 형성하고, 펄스(14a)는 용융된 재료의 적어도 일부를 용융 풀로부터 방출하는 "해머"처럼 작용한다. 샘플 표면에서 배출되는 재료는 상단 시간 순서에 표시된 것처럼 공기 중에서 텀블링하는 시트처럼 보일 수 있다. 이것은 용융 층의 캐비테이션의 결과이다. 레이저 절제 분화구(crater)의 가장자리에 크라운을 형성한 다음 나중에(중간 패널) 액적으로 부서지는 모세관 파 여기에 의해 용융물이 방출되도록 하는 것도 가능하다. 다른 펄스(12a)가 생성되면, 용융 풀은 재료 샘플(22)의 표면 아래로 더 깊게 형성되고, 펄스(14a)는 다시 용융 풀로부터 재료의 일부를 방출한다. 나중에 레이저 샷에서 부분적으로 드릴링된 채널 내부로부터의 재료 제거는 일반적으로 하나 또는 두 가지 형태의 조합으로 나타난다. 하나는 첫 번째 샷에서 때때로 볼 수 있는 크라운 형성 및 파괴이다. 다른 하나는 채널 밖으로 방출되는 액체의 제트이고, 이는 아마도 하단 시간 순서에 표시된 모세관 파 역학에서 기인한다. 이 프로세스는 펄스(12a 및 14a)가 교대로 계속 적용되고(또는 약간의 오버랩을 갖고 적용되고), 용융 풀은 재료 샘플(22) 내에서 더욱 더 깊은 깊이에 형성되고, 펄스(14a)는 그것이 용융 풀에 적용될 때마다 용융물로부터 재료를 계속 방출한다. 결국, 용융 풀로부터 용융된 재료가 완전히 방출된 재료 샘플(22)의 전체 두께를 관통하는 구멍이 형성된다.
도 6a-6c는 레이저 천공된 채널을 검사하는데 사용되는 X 선 컴퓨터 단층 촬영을 도시한다. 게이트형 CW + 쇼트 펄스 레이저 접근법(도 6a1 및 6a2), 쇼트 펄스 만(도 6b) 및 게이트형 CW 만(도 6c)을 사용하여 생성된 2mm 두께의 SS 플레이트의 일반적인 채널의 3D 렌더링 및 측면도가 도시되어 있다. 게이트형 CW + 쇼트 펄스 레이저 접근법은 매끄럽고 구멍의 내부 및 둘레에 거의 균열과 거칠기가 보이지 않는 채널 벽을 드릴링하였다. 쇼트 펄스 레이저만으로 생성된 채널도 또한 일반적으로 좋은 품질이지만, 평균 제거율이 훨씬 더 느릴 수 있기 때문에 이 샘플에서는 부분적으로 드릴링된 채널만 생성된다. 게이트형 CW 레이저로 드릴링된 채널은 훨씬 더 거칠고 상당한 부수적 손상을 갖는다. 상이한 두께를 갖는 샘플 및 Al에 생성된 채널들은 유사한 형태와 품질을 갖는 것으로 나타난다.
또한, 상기 설명의 일부는 쇼트 펄스 레이저(14)로부터의 짧은 펄스가 도달하기 전에 제 1 CW 레이저(12)에 의해 재료가 용융되어 용융 풀을 형성하는 것으로 설명하지만, 이것은 모든 애플리케이션에서 필수적인 것은 아님을 이해할 것이다. 예를 들어, 금속이 아닌 어떤 재료의 경우, CW 레이저(12)가 재료를 가열할 수 있지만 실제로 그 재료를 용융하는 지점까지 가열하지 않고, 짧은 펄스가 적용될 수도 있다. 다르게 말하자면, 금속이 아닌 어떤 재료를 사용하는 경우 제 2 펄스를 적용하기 전에 항상 용융 풀을 생성할 필요는 없다.
따라서, 본 개시는 레이저 기계 가공에서 용융물 제거를 위한 새롭고 효율적인 방법을 제공한다. 주기적으로 변조된 CW 레이저 및 쇼트 펄스 레이저를 사용하여 표면파를 여기 및 증폭하여 용융물 방출을 달성한다. 본 명세서에 개시된 방법은 재료의 방출에 흡수되는 에너지가 상당히 적은 종래의 드릴링 및 절단 레이저 시스템보다 낮은 온도에서 작동할 수 있다. CW 레이저(12)의 사용은 전통적으로 재료 제거에 이전에 사용되었던 펄스 레이저보다 대략 10배 더 효율적이다. 또한 CW 레이저는 더 콤팩트하고 펄스 레이저보다 더 쉽게 파워/에너지를 스케일링할 수 있다. 펄스 레이저로부터의 시간 지정된 짧은 지속 시간의 펄스에 의한 기계 가공 프로세스를 강화하는 것은 모세관 파 여기 및 용융 풀로부터의 재료 방출을 유발하여, CW 레이저만 사용하여 가능한 것보다 훨씬 효율적이고 깨끗하다. 본 명세서에 개시된 방법은 고속의 종횡비 홀 드릴링에 적용될 수 있고 또한 레이저 절단 작업에서 절단 효율을 증가시키기 위해 적용될 수 있다.
따라서, 본 개시는 게이트형 CW 레이저와 펄스 레이저의 사용을 결합한 레이저 시스템에 관한 것이다. 펄스 레이저는 반동 운동량을 생성하고 용융물 배출을 개시한다. 용융 운동의 에너지는 용융 열 엔탈피보다 훨씬 작다. 거의 모든 에너지가 높은 처리 효율을 제공하는 게이트형 CW 레이저에 의해 전달된다. 본 개시는 단일 펄스 레이저 시스템에 의해 달성될 수 있는 것과 비교하여 제거율에서 최대 100 배까지, 또는 아마도 더 높은 제거율을 제공할 수 있다.
실시예들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 빠짐없이 철저하게 기재하거나 본 개시물을 제한하려는 의도가 아니다. 특정 실시예의 개별 요소 또는 특징은 일반적으로 그 특정 실시예로 제한되지 않지만, 적용 가능한 경우, 특별히 도시되거나 설명되지 않더라도 상호 교환 가능하고 선택된 실시예에서 사용될 수 있다. 또한, 여러 가지 방법으로 동일하게 변경될 수 있다. 이러한 변경은 본 개시를 벗어나는 것으로 간주되어서는 안되며, 이러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다.
예시적인 실시예들은 본 개시가 철저하고 당업자에게 그 범위를 완전히 전달할 수 있도록 제공된다. 본 발명의 실시예에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 구성 요소, 장치 및 방법의 예와 같은 수많은 특정 세부 사항들이 설명된다. 특정 세부 사항이 채용될 필요가 없고, 예시적인 실시예가 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고, 그리고 어느 것도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 일부 예시적인 실시예에서, 잘 알려진 프로세스, 잘 알려진 장치 구조 및 잘 알려진 기술은 상세하게 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 예시적인 실시예를 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태 "하나", "일" 및 "그"는 문맥 상 명백하게 달리 나타내지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "포함하다", "포함하는", "구비한" 및 "갖는"은 포괄적이며 따라서 명시된 피처, 정수, 단계, 오퍼레이션, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 피처, 정수, 단계, 오퍼레이션, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에 설명된 방법 단계, 프로세스 및 동작은 수행 순서로서 구체적으로 식별되지 않는 한, 논의되거나 예시된 특정 순서의 수행을 반드시 요구하는 것으로 해석되어서는 안된다. 또한 추가 또는 대안 단계가 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에", "~와 체결된", "~에 접속된" 또는 "~에 연결된" 것으로 언급될 때, 그것은 다른 요소 또는 층 상에, 또는 그것에 체결, 접속, 또는 연결될 수도 있고 또는 중간 요소 또는 층이 존재할 수도 있다. 이와 대조적으로, 요소가 다른 요소 또는 층 "바로 위에", "~에 직접 체결된", "~에 직접 접속된" 또는 "~에 직접 연결된" 것으로 언급된 경우, 중간 요소 또는 층이 존재하지 않을 수 있다. 요소 간의 관계를 설명하는데 사용되는 다른 단어들은 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예컨대, "사이에" 대 "직접적으로 사이에", "인접한" 대 "직접적으로 인접한" 등). 본 명세서에서 사용되는 용어 "및/또는" 은 하나 이상의 연관된 열거된 항목의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
제 1, 제 2, 제 3 등의 용어는 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 제한되어서는 안된다. 이러한 용어는 단지 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션을 다른 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "제 1", "제 2" 및 다른 숫치 용어와 같은 용어는 문맥에 의해 명확하게 표시되지 않는 시퀀스 또는 순서를 암시하지 않는다. 따라서, 아래에서 논의되는 제 1 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션은 예시적인 실시예의 교시를 벗어남 없이 제 2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수도 있다.
"내부", "외부", "아래", "밑", "아래쪽", "위", "위쪽" 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된, 한 요소 또는 피처의 다른 요소(들) 또는 피처(들)에 대한 관계를 설명하는 기술의 용이함을 위해 본 명세서에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향에 추가하여 사용 또는 작동중인 장치의 상이한 방향을 포함하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 요소 또는 피처 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소는 그 다른 요소 또는 피처의 "위쪽" 방향일 수 있다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위 및 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다. 장치는 다른 방향(90도 또는 다른 방향으로 회전)될 수 있으며 여기에 사용된 공간적으로 상대적인 기술어는 그에 따라 해석된다.
Claims (28)
- 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템으로서, 상기 레이저 시스템은:
가공되는 재료의 표면 상의 한 스폿에서, 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스 및 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 간헐적으로 생성하도록 구성된 레이저를 포함하고, 상기 제 2 지속 시간은 상기 제 1 지속 시간보다 적어도 1000 배 더 짧고 상기 스폿에서 통제되고, 그리고 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성되며;
상기 레이저로부터의 상기 제 1 레이저 펄스는 재료의 표면 상의 상기 스폿을 적어도 가열하도록 구성되고, 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 스폿으로부터의 재료 방출을 유도하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는:
게이트형 연속파(CW) 레이저; 및
펄스 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템. - 제 1 항에 있어서, 상기 레이저를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 2 항에 있어서, 상기 CW 레이저 및 상기 펄스 레이저를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 펄스는 약 10μs 내지 500μs의 지속 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스는 약 1ps 내지 100ps의 지속 시간을 갖는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 펄스는 상기 제 2 레이저 펄스가 적용되기 전에 용융 풀을 형성할 만큼 충분히 상기 스폿을 가열하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 제 1 레이저 펄스가 상기 스폿에서 용융 풀을 형성하기 전에 적용되는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 레이저는 단일 펄스 레이저 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 펄스 및 상기 제 2 레이저 펄스를 수신하고, 상기 제 2 레이저 펄스의 파장을 짧아지게 조절하는 주파수 변환 결정(crystal)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스의 펄스 길이는 나노초 이하이고, 상기 제 1 레이저 펄스의 펄스 길이는 마이크로 초 이상인 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스의 피크 파워는 상기 제 1 레이저 펄스의 평균 파워보다 적어도 약 1000 배 더 높은 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템으로서, 상기 레이저 시스템은:
가공되는 재료의 표면 상의 한 스폿에서, 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스를 생성하는 게이트형 연속파(CW) 레이저; 및
제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 생성하기 위한 쇼트 펄스 레이저를 포함하고, 상기 제 2 지속 시간은 상기 제 1 지속 시간보다 적어도 1000 배 더 짧고 상기 스폿에서 통제되고, 그리고 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성되며;
상기 CW 레이저로부터의 상기 제 1 레이저 펄스는 적어도 상기 스폿에서 재료를 가열하도록 구성되어 있고, 상기 쇼트 펄스 레이저는 상기 스폿으로부터의 재료 방출을 유도하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템. - 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 제 1 레이저 펄스가 종료되는 즉시 형성되는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 제 1 및 제 2 레이저 펄스가 중첩되도록 상기 제 1 레이저 펄스가 종료되기 전에 형성되는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 레이저 펄스는 동일한 스폿 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 펄스는 약 10μs 내지 500μs의 펄스를 갖는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스는 약 1ps 내지 100ps의 펄스를 갖는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 CW 레이저는 약 250W 내지 1500W의 레이저 파워를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 쇼트 펄스 레이저는 약 100MW 초과의 피크 레이저 파워를 발생하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 펄스의 펄스 길이는 나노초 이하이고, 상기 제 1 레이저 펄스의 펄스 길이는 마이크로 초 이상인 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 CW 레이저 및 상기 쇼트 펄스 레이저 각각은 사전 결정된 주파수로 턴 온 및 오프되는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 22 항에 있어서, 상기 사전 결정된 주파수는 적어도 10Hz의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 22 항에 있어서, 상기 사전 결정된 주파수는 50Hz 이하의 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 제 13 항에 있어서, 상기 CW 레이저 및 상기 쇼트 펄스 레이저의 온 및 오프 동작을 제어하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하기 위한 레이저 시스템.
- 재료를 가공하는 레이저 기반 방법으로서, 상기 방법은:
가공되는 재료의 표면상의 한 스폿에서 제 1 지속 시간 및 제 1 평균 파워의 제 1 레이저 펄스 및 제 2 지속 시간 및 제 2 피크 파워를 갖는 제 2 레이저 펄스를 간헐적으로 생성하기 위해 레이저를 사용하는 단계로서, 상기 제 2 지속 시간은 상기 제 1 지속 시간보다 적어도 100 배 더 짧고 상기 스폿에서 통제되며, 그리고 상기 제 2 레이저 펄스는 제 1 레이저 펄스가 생성된 후에 생성되는 것인 상기 레이저를 사용하는 단계;
상기 제 1 레이저 펄스를 사용하여 적어도 재료 표면 상의 상기 스폿을 가열하는 단계; 및
상기 제 2 레이저 펄스를 사용하여 가공중인 재료로부터의 재료 배출을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하는 레이저 기반 방법. - 제 26 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 펄스는 재료 표면의 상기 스폿에서 용융 풀을 형성하고, 상기 제 2 레이저 펄스는 상기 용융 풀로부터 용융된 재료의 용융 움직임 및 재료 방출을 유도하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하는 레이저 기반 방법.
- 제 26 항에 있어서, 상기 레이저를 사용하는 단계는:
상기 제 1 레이저 펄스를 생성하도록 게이트형 연속파(CW) 레이저를 사용하는 단계; 및
상기 제 2 레이저 펄스를 생성하도록 펄스 레이저를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료를 가공하는 레이저 기반 방법.
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