KR20230052961A

KR20230052961A - 핸드헬드 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20230052961A
Application number: KR1020237009478A
Authority: KR
Inventors: 애덤 피날드; 올레그 슈쿠리킨; 유리 마르쿠쇼프; 월터 레슬리; 애드리언 델피아; 엘비스 대프쉬; 남 리; 유리 그라포프
Original assignee: 아이피지 포토닉스 코포레이션
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2021-08-25
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2022046869A1; CA3190923A1; ZA202303228B; CN116096524A; MX2023002205A; AU2021335198A1; GB2612538A; EP4204177A1; US20240009758A1; GB202302364D0; JP2023540472A

Abstract

핸드헬드 레이저 시스템. 특정 예에서 핸드헬드 레이저 시스템은 방출된 레이저 광의 레이저 빔으로 작업편 재료에 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장에서 레이저 광을 방출하는 레이저 소스, 재료 가공 작업 동안 타이어 작업편 재료로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된 플라즈마 센서, 및 플라즈마 센서에 결합되는 제어기로서, 플라즈마 센서에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과된 때의 시점에서의 임계값과 비교하고, 비교에 기초하여 제어 명령을 생성하도록 구성되는, 제어기를 포함한다.

Description

핸드헬드 레이저 시스템

선행 출원에 대한 참조

본 출원은 그 각각이 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는 2020년 8월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/069,816호 및 2020년 10월 8일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/089,113호의 이익을 청구한다.

기술분야

본 기술 분야는 일반적으로 재료 가공 작업을 위해 사용될 수 있는 핸드헬드 레이저 디바이스에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 플라즈마 센서를 갖고 구성된 핸드헬드 레이저 디바이스에 관한 것이다.

재료 가공 용례에서 레이저의 사용은 지난 40년 동안 증가되어 왔고 현대 제조 프로세스에서 점점 더 중요해지고 있다. 레이저는 용접, 절단, 드릴링, 표면 경화 및 적층 제조를 포함하는 다양한 용례에 사용된다. 섬유 레이저는 특히 엑시머 또는 CO₂ 시스템과 같은, 다른 레이저 기술에 비해 몇 가지 장점을 제공한다. 예를 들어, 섬유 레이저 기술은 가동 중지 시간을 제거하고, 예비 부품 재고를 감소시키고, 가스 및 전기 처리 비용을 감소시키고, 많은 경우에 구형 레이저 동작의 유지와 연관된 노동 비용을 저하시킴으로써 더 낮은 유지 보수 비용을 제공한다. 더 낮은 소유 비용 이외에, 섬유 레이저 기술은 또한 높은 벽 플러그 효율, 긴 다이오드 수명, 최소 유지 보수 및 동일한 유닛이 종종 절단, 용접 또는 드릴링할 수 있기 때문에 다용성을 제공한다. 그 물리적 크기 때문에, 섬유 레이저는 또한 쉽게 운반될 수 있다. 게다가, 이들은 낮은 빔 발산을 제공하고 출력에 따른 스폿 크기 변화가 없기 때문에 워밍업을 필요로 하지 않으며, 큰 동적 범위를 갖는다.

핸드헬드 레이저 디바이스는 지금까지 의료 디바이스 및 진단 기기를 포함하여, 저출력 용례에 사용되어 왔다. 더 고출력 레이저(예를 들어, 적어도 1 kW)는 산업 커뮤니티에서 산업용 절단 및 용접에 통상적으로 사용되어 왔지만, 이들 시스템은 통상적으로 많은 더 소형 기계 공장이나 다른 소규모 최종 사용자에게 너무 고가였다. 그러나, 시간 경과에 따라, 레이저 다이오드의 평균 출력은 상당히 증가되었고, 반면 그 와트당 평균 가격은 기하급수적으로 감소되었다. 게다가, 더 고출력 레이저 시스템에서 기술적 진보가 이루어졌다. 이들 인자는 핸드헬드 레이저 디바이스와 같은 더 소형 재료 가공 시스템에 더 고출력 레이저를 구현하는 것을 더 실현 가능하게 한다. 이러한 시스템은 더 소형 산업 공장에 바람직할 것일 뿐만 아니라, 이들 디바이스는 더 대형 시스템이 사용이 비실용적이거나 불가능한 용례에서 특히 유용할 것이다. 예를 들어, 이들 휴대용, 즉, 이동이 쉬운 디바이스는 작은 작업 공간에서 유용하고, 불규칙한 기하학 형상 또는 형상이 있는 용례에서 사용될 수 있다. 이들 목표 중 적어도 하나를 방해하는 것은 레이저를 냉각하는 데 사용되는 대형 수성 또는 액체 냉매 기반 냉각기의 종래의 사용이다. 이들 시스템과 연관된 큰 크기는 시스템을 조작하기가 더 어렵게 할 뿐만 아니라, 작은 작업 공간에서 사용하는 것을 불가능하게 할 수도 있다.

레이저 출력이 증가함에 따라, 따라서 레이저 광과 연관된 위험도 증가한다. 용접 및 절단과 같은 기계가공 작업에 사용되는 레이저 광(예를 들어, 적외선)은 인간의 눈에 비가시적이기 때문에, 위험이 사용자에게 즉시 눈에 띄지 않을 수도 있다. 핸드헬드 디바이스로부터 나오는 레이저 에너지와 연관된 문제가 있는 경우, 이는 사용자에게 즉시 눈에 띄지 않을 수도 있다. 예를 들어, 레이저 에너지가 흡수되는 대신에 작업편 재료에서 반사되는 경우, 사용자는 레이저가 기능하지 않는다고 생각하기 때문에 장기간 비가시적 방사선에 비의도적으로 노출될 수 있기 때문에, 반사된 에너지는 사용자에게 잠재적으로 유해할 수 있다.

양태 및 비한정적 예는 핸드헬드 레이저 디바이스를 사용하는 재료 가공 작업을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

본 개시내용의 일 양태에 따르면, 생성된 레이저 방사선의 레이저 빔으로 작업편 재료에 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스, 재료 가공 작업 동안 작업편 재료로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된 플라즈마 센서, 및 플라즈마 센서에 결합되는 제어기로서, 플라즈마 센서에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과된 때의 시점에서의 임계값과 비교하고, 비교에 기초하여 제어 명령을 생성하도록 구성되는, 제어기를 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템이 제공된다.

몇몇 양태에서, 제어 명령은 광 강도 값이 임계값보다 낮을 때 레이저 소스로의 전원을 턴오프하고 광 강도 값이 임계값 이상일 때 레이저 소스에 대한 전원을 유지한다.

다른 양태에서, 미리 결정된 시간 기간은 적어도 100 마이크로초(μs)이다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 방출된 레이저 광의 파장에서의 광이 플라즈마 센서에 도달하는 것을 차단하도록 구성된 적어도 하나의 광학 필터를 더 포함한다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 열을 분산시키기 위해 레이저 소스에 결합된 공기 냉각 시스템을 더 포함한다.

다른 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 레이저 소스, 공기 냉각 시스템 및 제어기를 수용하는 레이저 모듈을 더 포함한다.

다른 양태에서, 레이저 모듈은 가동 카트에 장착되도록 구성된다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징을 더 포함한다.

다른 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 하우징 내에 위치된 적어도 하나의 가동 미러를 더 포함하고, 적어도 하나의 가동 미러는 레이저 빔을 워블링하도록 구성된다.

다른 양태에서, 핸드헬드 장치는 단일편 구성이다.

다른 양태에서, 핸드헬드 장치는 노즐을 위한 모듈식 부착 시스템을 갖고 구성된다.

다른 양태에서, 핸드헬드 장치는 가스 냉각되도록 구성된다.

다른 양태에서, 핸드헬드 장치는 약 1 킬로그램(kg) 미만의 중량이 되도록 구성된다.

다른 양태에서, 플라즈마 센서는 핸드헬드 장치의 내부 내에 위치된다.

다른 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 더 포함한다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 장치는 제어기 및 차폐 가스의 활성화를 제어하는 차폐 가스의 소스 중 적어도 하나에 결합된 트리거를 더 포함한다.

다른 양태에서, 트리거는 제1 트리거이고, 핸드헬드 장치는 제어기 및 레이저 소스 중 적어도 하나에 결합되어 레이저 소스의 활성화를 제어하는 제2 트리거를 더 포함한다.

다른 양태에서, 제1 및 제2 트리거는 제1 트리거가 활성화되지 않으면 제2 트리거가 레이저 소스를 활성화하지 않을 것이도록 2단 배열로 구성된다.

몇몇 양태에서, 레이저 빔은 적어도 1 kW의 출력을 갖는다.

몇몇 양태에서, 레이저 빔은 약 1.5 kW의 출력을 갖는다.

몇몇 양태에서, 레이저 빔은 500 W 내지 3 kW 범위(경계값 포함) 내의 출력을 갖는다.

몇몇 양태에서, 레이저 소스는 출력 파워를 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 생성하고, CW 모드의 출력 파워의 2배 미만인 최대 피크 출력, 약 20%의 최대 듀티 사이클 및 약 1500 Hz의 최대 펄스-반복 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 높은 피크 출력(HPP) 모드에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된다.

몇몇 양태에서, 파장은 적외선(IR) 광이고 적어도 하나의 광학 필터는 IR 억제 필터로서 구성된다.

본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 레이저 소스로부터 작업편 재료 상에 레이저 빔을 유도하는 단계, 재료 가공 작업 동안 작업편 재료로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된 플라즈마 센서를 활성화하는 단계, 플라즈마 센서에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과된 때의 시점에서의 임계값과 비교하는 단계, 및 비교에 기초하여 제어 명령을 생성하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

몇몇 양태에서, 제어 명령은 광 강도 값이 임계값보다 낮을 때 레이저 소스를 전원 오프하고 광 강도 값이 임계값 이상일 때 레이저 소스에 대한 전원을 유지한다.

다른 양태에서, 방법은 레이저 소스의 파장에서의 광이 플라즈마 센서에 도달하지 않도록 레이저 소스의 파장에서의 광을 차단하도록 구성된 적어도 하나의 광학 필터를 위치설정하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 방법은 레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징을 제공하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 방법은 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 제공하는 단계를 포함한다.

몇몇 양태에서, 방법은 레이저 빔을 워블링(wobbling)하는 단계를 포함한다.

본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 생성된 레이저 방사선의 레이저 빔으로 작업편 재료에 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스, 및 레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징으로서, 핸드헬드 장치는 가스 냉각되도록 구성되는, 하우징을 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템이 제공된다.

다른 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 포함한다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 장치는 단일편 구성이다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 장치는 노즐을 위한 모듈식 부착 시스템을 갖고 구성된다.

몇몇 양태에서, 핸드헬드 레이저 시스템은 레이저 소스, 공기 냉각 시스템 및 제어기를 수용하는 레이저 모듈을 더 포함한다.

몇몇 양태에서, 레이저 빔은 적어도 1 kW의 출력을 갖는다.

이들 예시적인 양태 및 실시예의 또 다른 양태, 실시예, 및 장점이 이하에 상세히 설명된다. 더욱이, 전술된 정보 및 이하의 상세한 설명의 모두는 다양한 양태 및 실시예의 단지 예시적인 예일 뿐이고, 청구된 양태 및 실시예의 성질 및 특성을 이해하기 위한 개요 또는 프레임워크를 제공하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 개시된 실시예는 다른 실시예와 조합될 수도 있고, "실시예", "예", "몇몇 실시예", "몇몇 예", "대안 실시예", "다양한 실시예", "일 실시예", "적어도 하나의 실시예," "본 실시예 및 다른 실시예", "특정 실시예" 등의 언급은 반드시 상호 배타적인 것은 아니며, 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 실시예에 포함될 수도 있다는 것을 나타내도록 의도된다. 본 명세서에서 이러한 용어의 출현은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다.

하나 이상의 실시예의 다양한 양태는 실제 축척대로 그려지도록 의도되지 않은 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명된다. 도면은 다양한 양태 및 실시예의 예시 및 추가의 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 합체되어 그 부분을 구성하지만, 임의의 특정 실시예의 한정의 정의로서 의도되지 않는다. 도면은, 명세서의 잔여부과 함께, 설명되고 청구된 양태 및 실시예의 원리 및 동작을 설명하는 역할을 한다. 도면에서, 다양한 도면에 도시되어 있는 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소는 동일한 참조 번호로 나타낸다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가 모든 도면에서 도면 부호 표기되어 있지 않을 수도 있다. 도면에서:
도 1은 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저 시스템의 일 예의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저 시스템의 예의 다른 개략도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 개시내용의 양태에 따른 핸드헬드 레이저 장치의 일 예의 다양한 도면을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 양태에 따른 핸드헬드 장치의 팁으로부터 나오는 워블링 레이저 빔의 개략도이다.

전술된 바와 같이, 기술 및 경제적 진보는 인해 적어도 1 kW의 출력을 갖는 핸드헬드 레이저에 대한 수요를 증가시키고 있다. 이들 출력 레벨을 갖는 핸드헬드 레이저 디바이스는 별개의 세트의 안전 문제도 또한 제시한다. 예를 들어, 이러한 핸드헬드 디바이스의 사용자는 작업편 재료에 가공이 실행되고 있다는 증거가 없기 때문에, 레이저 에너지가 방출되지 않는다고 잘못 생각할 수도 있다. 이는 손상된 레이저 헤드, 가공 중인 작업편 재료의 유형, 또는 사용자가 가공 작업 중에 따르는 방법 또는 방식과 같은, 다수의 상이한 것들 중 임의의 하나에 의해 유발될 수 있다. 그 결과, 작업편 재료에서 흡수되는 대신에, 레이저 에너지는 재료에서 반사된다. 사용자는 방사선이 이들에게 비가시적이기 때문에 레이저가 기능하지 않는다고 잘못 생각할 수도 있으며, 그 결과 자신도 모르게 장기간 방사선 노출을 받게 된다.

본 개시내용은 전술된 문제를 해결하는 핸드헬드 레이저 디바이스를 개시한다. 핸드헬드 레이저 디바이스는 적절한 재료 가공 작업 중에 생성되는 비레이저 파장 플라즈마를 신속하게 검출하는 것이 가능한 플라즈마 센서를 갖고 구성된다. 작업편 재료 상에 부적절하게 집속된 레이저 빔과 같이, 무엇인가가 정상적인 가공이 발생하는 것을 방해할 때, 제어기가 레이저를 차단한다. 이는 사용자에 의한 레이저 광에 장기간 노출을 방지한다. 게다가, 몇몇 실시예에 따르면, 디바이스는 물 또는 액체 냉매 기반 레이저 냉각 시스템에 비교할 때 시스템의 크기를 크게 감소시키는 공냉식이다. 아래에 설명되는 바와 같이, 적어도 하나의 실시예에서, 핸드헬드 구성요소와 연관된 레이저 모듈은 표준 용접 카트에 맞을 수 있다. 이 감소된 푸트프린트(footprint)는 이용 가능한 작업 공간이 최소이고 그리고/또는 더 많은 휴대용 유닛이 바람직한 많은 가공 환경에서 유리하다. 공냉식 레이저 시스템이 본 명세서에 설명되지만, 본 개시내용의 범주는 특히 더 고출력(예를 들어, 수 kW)이 채용되는 경우에, 수냉식 시스템으로 또한 확장된다는 것이 이해되어야 한다.

도 1은 작업편(105)에 대한 재료 가공 작업을 수행하기 위한 핸드헬드 레이저 시스템(100)의 일 예의 개략도를 도시하고 있다. 재료 가공 작업의 비한정적 예는 절단, 용접, 브레이징, 표면 개질(예를 들어, 세정과 같은 재료 제거), 드릴링 및 몇몇 경우에, 클래딩을 포함한다. 핸드헬드 레이저 시스템(100)(본 명세서에서 또한 "레이저 시스템" 또는 간단히 "시스템"이라고도 칭함)은 레이저 소스(115), 플라즈마 센서(135) 및 제어기(150)를 포함한다. 핸드헬드 레이저 시스템(100)은 핸드헬드 장치(120)(본 명세서에서 또한 핸드헬드 디바이스라고도 칭함)로서 구성된 하우징, 및 레이저 소스(115)를 핸드헬드 장치(120)에 결합하는 광 섬유(130)를 더 포함한다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 핸드헬드 레이저 시스템(100)은 레이저 소스(115) 및 몇몇 경우에, 제어기(150)를 수용하는 레이저 모듈(110)을 더 포함한다. 레이저 모듈(110)은 또한 레이저 소스(115)를 냉각시키는 공기 냉각 시스템(140)을 포함할 수도 있다. 특정 실시예에서, 핸드헬드 레이저 시스템(100)은 또한 적어도 하나의 광학 필터(137)를 포함한다.

레이저 소스(115)는 생성된 레이저 방사선의 레이저 빔(122)으로 작업편(105)에 대한 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장의 레이저 방사선을 생성하도록 구성된다. 레이저 소스(115)는 근적외선 스펙트럼 범위(예를 들어, 약 1030 내지 1080 nm 범위의 중심 파장) 내에서 레이저를 생성하는 것이 가능한 이터븀(Yb) 레이저를 포함할 수도 있다. 978 내지 1020 nm 범위의 Yb 레이저, 에르븀 레이저 및 툴륨 레이저를 포함하는 다른 레이저가 또한 본 개시내용의 범주 내에 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 레이저 소스(115)에 의해 생성되고 방출되는 레이저 방사선은 레이저 소스(115)로부터 핸드헬드 장치(120)를 통해 연장하는 광 섬유(130)에 의해 전파되며, 여기서 빔(122)의 형태의 레이저 방사선은 출구(123)를 통해 방출된다. 레이저 소스(115)는 광 섬유(130)에 의해 전파되는 레이저 방사선을 생성하는 하나 이상의 레이저 다이오드를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 조립체는 섬유 레이저라고 총칭될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 광 섬유(130)는 적어도 3 미터(m)의 길이를 갖고, 5 m 또는 심지어 10 m 길이일 수 있다. 더 짧고 더 긴 길이가 또한 본 개시내용의 범주 내에 있다. 다양한 실시예에 따르면, 상이한 용례는 상이한 크기(예를 들어, 코어 직경)의 광 섬유(130)를 요구할 수도 있다. 예를 들어, 단일 모드(SM) 레이저 방사선을 출력하는 시스템은 다중 모드(MM) 레이저 방사선을 생성하는 시스템보다 작은 섬유 코어 직경을 가질 것이다. 시스템(100)은 원하는 출력 모드에 따라 상이한 크기의 광 섬유(130)를 수용하도록 구성될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)에 의해 생성된 레이저 빔(122)은 적어도 1 kW의 출력을 갖고, 다른 실시예에 따르면 레이저 빔(122)은 적어도 1.5 kW의 출력을 갖는다. 다른 실시예에서, 레이저 빔(122)은 약 2 kW의 출력을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 레이저 빔(122)은 약 3 kW의 출력을 갖는다. 더 낮고 더 높은 출력 파워도 또한 본 개시내용의 범주 내에 있다. 예를 들어, 몇몇 용례에서, 레이저 소스(115)는 1 kW 미만의 출력을 갖는 레이저 빔(122)을 생성하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)는 500 W 내지 3 kW 범위(경계값 포함) 내의 출력을 갖는 레이저 빔(122)을 생성하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 레이저 빔(122)은 1 kW 내지 3 kW 범위(경계값 포함) 내의 출력을 갖는다. 다른 실시예에서, 레이저 소스(115)는 500 W 내지 1 kW 범위(경계값 포함) 내의 출력을 갖는 레이저 빔(122)을 생성하도록 구성된다.

레이저 소스(115)는 단일 모드(SM) 또는 다중 모드(MM) 광을 방출하거나 다른 방식으로 생성하도록 구성될 수도 있고 연속 또는 펄스 모드로 동작될 수도 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)는 높은 피크 출력(HPP)을 갖는 펄스 레이저 광을 생성하도록 구성된다. 이 HPP 모드는 짧은 듀티 사이클(예를 들어, 0 내지 20%) 동안 CW 평균 출력과 비교하여 최대 2배 증가 피크 출력으로 펄스 모드에서 연속파(CW) 레이저를 동작하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, HPP 모드는 약 20%(경계값 포함)의 최대 듀티 사이클을 갖는다. 특정 실시예에서, HPP 모드에서, 듀티 사이클은 0 내지 20% 범위(경계값 포함) 내에 있고, 다른 실시예에서 듀티 사이클은 0.1 내지 20% 범위(경계값 포함) 내에 있고, 다른 실시예에서 듀티 사이클은 1 내지 20% 범위(경계값 포함) 내에 있고, 또 다른 실시예에서 듀티 사이클은 10 내지 20% 범위(경계값 포함) 내에 있다. HPP 모드는 또한 1500 Hz(경계값 포함)의 최대 레이저 펄스 주파수(펄스-반복 주파수)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있지만, 더 높은 레이저 펄스 주파수가 본 개시내용의 범주 내에 있다. 일 비한정적인 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)는 출력 파워를 갖는 CW 모드에서 레이저 방사선을 생성하고, CW 모드의 출력 파워의 2배 미만인 최대 피크 출력, 약 20%의 최대 듀티 사이클, 약 1500 Hz의 최대 펄스-반복 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 HPP 모드에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된다. 일 예에서, HPP 모드의 피크 출력은 900 W이다. 다른 예에서 피크 출력은 2500 W이다. 일 예에서 평균 CW 출력은 약 1500 W이다. HPP 모드는 핸드헬드 레이저에 몇 가지 장점을 제공하는데, 이 동작 모드가 더 두꺼운 부품을 용접하는 능력 및 구리와 같이 고도로 반사성 금속을 용접하는 능력을 허용하기 때문이다. HPP는 또한 절단 작업을 향상시키는데, 이는 이것이 두꺼운 금속을 더 고속으로 펀칭하고 더 작은 개구를 생성하여, 상단으로 진행하는 파편의 양을 감소시키고 결과적으로 스패터(spatter)의 양을 감소시키기 때문이다. HPP 레이저로서 구성된 레이저의 일 비한정적인 예는 IPG Photonics(미국 매사추세츠주, 옥스포드 소재)로부터 입수 가능한 YLS-HPP 및 YLR-HPP 시스템을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 레이저 소스(115) 및/또는 레이저 빔(122)은 고레벨 클래스 IV(IEC 레이저 분류) 레이저로서 분류될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 레이저 소스(115)는 본 출원인에 의해 소유되고 참조로서 완전히 합체되어 있는 미국 특허 제9,647,410호에 설명된 바와 같은 Fabry-Perot MM 레이저로서 구성된다. 이러한 시스템은 발광기로 도핑된 모놀리식 코어를 갖는 MM 능동 섬유, MM 능동 섬유의 각각의 대향 단부에 접속된(spliced) 2개의 MM 수동 섬유, 및 그 사이에 공진 공동을 형성하는 기능을 하는 MM 수동 섬유의 각각의 코어에 기입된 MM 섬유 브래그 격자(FBG)를 포함하는 섬유 발진기를 포함할 수도 있다. 생성된 레이저 방사선은 원하는 파장에서 방출하고 약 0.02 nm 내지 약 10 nm 범위 내의 스펙트럼 선폭을 갖는다. 다른 양태에 따르면, 능동 섬유를 측면 펌핑하는 펌프가 또한 포함될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 레이저 소스는 SM 레이저 방사선을 생성하도록 구성될 수도 있다. 이러한 경우에, 레이저 빔의 스폿 크기는 MM 레이저 방사선에 대해 생성된 것보다 더 작을 수도 있고(예를 들어, 적어도 5배 작음), 구리 용접을 위해 유용한 장점을 제공한다.

핸드헬드 장치(120)로서 구성된 하우징은 레이저 빔(122)을 위한 출구(123) 또는 출구부를 갖는다. 본 명세서 전반에 걸쳐, 용어 "핸드헬드"는 사용자의 한 손 또는 양손으로 즉시 파지되어 동작되기에 충분히 소형 및 경량인 레이저 디바이스를 칭하는 것으로 이해된다. 더욱이, 핸드헬드 레이저 디바이스는 레이저 가공 중에 사용자에 의해 쉽게 이동될 수도 있도록, 휴대용이어야 한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 "핸드헬드"라 칭하고 독립형 휴대용 디바이스로서 사용될 수도 있지만, 핸드헬드 레이저 디바이스는 몇몇 실시예에서, 고정식 장비에 연결되어 조합하여 사용될 수도 있다.

특정 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 5 파운드 미만의 중량(섬유 없이)을 갖고, 몇몇 실시예에서, 핸드헬드 장치(120)는 3 파운드 미만의 중량을 갖는다. 일 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 1 킬로그램(kg) 미만의 중량을 갖는다. 게다가, 핸드헬드 장치(120)는 12 인치 미만의 길이 및 폭 치수를 갖는데, 예를 들어 도 3f의 핸드헬드 장치(120)의 측면도 시점을 참조한다. 일 예에서, 핸드헬드 장치(120)는 10 인치 미만의 폭 치수를 갖는다. 전체 시스템(100)은 몇몇 실시예에 따르면, 53 kg(118 파운드)의 최대 중량을 갖는다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 단일편 구성(또한 모놀리식 또는 일체형 구성이라고도 칭함)이다. 핸드헬드 장치(120)의 외부는 단일 일체형 재료로 형성되고, 별개의 섹션으로부터 함께 볼트 결합되거나 다른 방식으로 체결되지 않는다. 이러한 유형의 구성은 몇 가지 장점을 허용한다. 우선, 단일편 구성은 기계적으로 함께 체결되는 다중 부품 구성을 갖고 구성된 디바이스와 비교될 때 더 밀봉된 내부 환경을 제공한다. 이 특징은 핸드헬드 장치(120)에 대한 내부 구성요소, 예를 들어 렌즈 및 다른 광학 구성요소, 광 섬유, 가스 라인 등의 보호를 향상시키고, 디바이스에 의한 더 높은 출력 파워를 허용한다.

몇몇 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 노즐을 위한 모듈식 부착 시스템을 갖고 구성된다. 이는 핸드헬드 장치(120)가 단일 "기본" 모듈로서 기능할 수 있게 하고, 따라서 다양한 용례(예를 들어, 세정, 용접, 드릴링, 클래딩)를 위해 핸드헬드 장치(120)에 상이한 부착 노즐을 제공하는 데 있어서 대체 및 유연성을 허용한다. 이는 차폐 가스, 보호 윈도우(들), 및 핸드헬드 장치(120)의 내부 내에 일체화된 안전 인터로크 전도체와 같은 안전 특징부와 같은 여러 개의 보조 및/또는 다른 구성요소를 내부에 일체화하도록 구성되는 핸드헬드 장치(120)에 의해 적어도 부분적으로 구현된다.

핸드헬드 장치(120)는 또한 작업편(105)의 가공 영역(즉, 재료 가공 작업이 작업편의 표면에서 발생하는 장소)에 대해 명확한 가시선(작업자를 위한)을 갖도록 구성된다. 이는 도 3c 및 도 3d에 도시되어 있는 뷰에 의해 입증되고, 여기서 핸드헬드 장치(120)의 각형성된 부분(113)(또한 도 3f 참조)은 노즐(112)을 포함하는 디바이스의 치수를 따라 가시선을 방해하지 않도록 구성되어 있다. 어떠한 다른 부분 또는 부착물도 이 가시선을 방해하지 않는다. 이는 사용자가 노즐 팁까지 직접 가시선을 가질 수 있게 하고 재료 가공 작업 중에 가공 영역의 사용자를 위한 더 양호한 가시성을 허용한다.

적절한 재료 가공 작업 동안, 레이저 소스(115)의 레이저 빔(122)으로부터의 열은 작업편 재료(105)가 플라즈마(107)를 생성하게 한다. 이 플라즈마(107)는 레이저 빔(122)의 것과는 상이한 파장 또는 파장들에서 방사선을 방사한다. 예를 들어, 레이저 소스(115)로부터의 광은 IR 범위의 파장에서 방출될 수도 있고, 반면 가공 빔으로부터 생성된 플라즈마는 전자기 스펙트럼의 자외선 및 가시광 영역의 파장을 가질 수도 있다. 플라즈마 센서(135)는 재료 가공 작업 동안 작업편 재료(105)로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된다. 플라즈마 센서(135)는 포토다이오드와 같은 광검출기일 수 있다. 광검출기는 수신된 플라즈마 광을 광 강도 데이터에 대응하는 전기적 에너지(예를 들어, 전류 신호)로 변환한다. 이 광 강도 데이터는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제어기(150)에 의해 분석된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 광검출기에 의해 생성된 전류는 이어서 제어기(150)에 의해 광 강도 데이터로 변환될 수 있다. 적어도 하나의 비한정적인 예에 따르면, 광검출기는 대략 1 MHz까지 또는 초과의 대역폭을 가질 수도 있다. 그러나, 광검출기의 대역폭은 특정 용례, 뿐만 아니라 광 섬유(130)의 길이를 포함하여, 다른 구성요소에 의존할 것이라는 것이 이해되어야 한다. 몇몇 종래의 레이저 시스템과 달리, 본 명세서에 설명된 구성은 부가의 분광계를 포함할 필요가 없고, 이는 시스템을 더 저렴하고 동작이 덜 복잡하게 한다.

도 1 및 도 2에 도시되어 있는 예에 나타낸 바와 같이, 적어도 하나의 광학 필터(137)는 플라즈마 센서(135)에 도달하는 방출된 레이저 광(레이저 소스(115)로부터의)의 파장에서 광을 차단하거나 그렇지 않으면 흡수하도록 구성된다. 하나 이상의 광학 필터(137)는 플라즈마 센서(135)로부터 상류에 위치될 수 있고 작업편 재료(105)에서 반사되는 레이저 소스 광과 같은 레이저 소스(115)와 연관된 광의 파장을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 광학 필터(137)는 Yb 레이저 소스(115)로부터 방출된 1070 nm(IR) 광과 같은, 레이저 소스(115) 광의 약 99.9%를 차단하도록 구성될 수도 있다. 따라서, 광학 필터(137)는 IR 억제 필터로서 구성될 수도 있다. 광학 필터(137)는 플라즈마와 연관된 광의 파장이 도달하고 플라즈마 센서(135)에 의해 검출될 수 있게 하도록 설계된다. 예를 들어, 적외선 광 파장은 광학 필터(137)에 의해 차단될 수도 있지만, 가시광 및 근자외선 광은 통과한다(예를 들어, 300 내지 750 nm). 일 실시예에 따르면, 광학 필터는 KG3 유리(Schott Optical Company에 의해 제조됨)로부터 구성된다. 몇몇 경우에, 광학 필터(들)(137)는 플라즈마 센서(135)와 일체화된다. 이러한 디바이스의 일 비한정적인 예는 미국 캘리포니아주 호손 소재의 OSI Optoelectronics, Inc.로부터 입수 가능한 Series E OSD 광검출기이다.

본 명세서에 설명된 예는 가공 레이저와 연관된 광의 파장(들)을 차단하기 위한 광학 필터를 포함하지만, 특정 경우에 플라즈마 센서가 이 파장(들)에 둔감하도록 구성될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.

제어기(150)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 센서(135)에 결합되어, 플라즈마 센서(135)로부터 광 강도 데이터를 수신하는 것이 가능하게 된다. 제어기(150)는 또한 제어기가 레이저 소스(115)에 대한 출력을 제어할 수 있도록(즉, 전원을 턴온 및 턴오프함) 그 전원을 포함하여, 레이저 소스(115)와 통신한다. 이해될 수 있는 바와 같이, 플라즈마 센서(135)는 로그 증폭기와 조합하여 사용될 수도 있다.

제어기(150)는 플라즈마 센서(135)에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과한 때의 시점에서의 임계값과 비교하도록 구성된다. 일단 레이저 소스(115)가 사용자에 의해 활성화되고 재료 가공 작업이 시작되면, 클럭이 미리 결정된 시간 기간 동안 시작된다. 미리 결정된 시간 기간은 제어기에 미리 프로그래밍되거나 다른 방식으로 결정될 수 있다. 이 미리 결정된 시간 기간 동안, 광 강도 데이터는 플라즈마 검출기(135)에 의해 수집되고 제어기(150)로 송신된다.

제어기(150)는 플라즈마(107)와 연관된 광 강도 데이터에 대한 임계값을 결정하도록 미리 프로그래밍되거나 다른 방식으로 구성된다. 이 임계값은 재료 가공 작업 중에 생성된 플라즈마의 "정상" 또는 다른 허용 가능한 광 강도 값을 신호한다. 따라서, 광 강도는 플라즈마(107)의 밝기 또는 휘도와 연관될 수도 있다. 미리 결정된 시간 기간은 정상 동작 동안 플라즈마(107)가 레이저 빔(122)에 의해 생성되게 하는 통상적인 또는 다른 허용 가능한 시간과 연관될 수 있다. 이는 작업편의 기하학 형상과 재료, 레이저의 출력, 뿐만 아니라 레이저의 유형 및 구성을 포함하여 다수의 상이한 인자 중 임의의 하나에 의존할 것이다. 몇몇 실시예에 따르면, 임계값은 또한 작업편으로서 사용되는 재료의 유형 및/또는 수행되는 용례의 유형에 의존할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄과 강은 상이한 임계값을 가질 수도 있고, 세정 작업은 용접 및/또는 드릴링 작업과는 상이한 임계값을 요구할 수도 있다. 특정 실시예에 따르면 미리 결정된 시간 기간은 1초 미만이고, 몇몇 경우에는 10 마이크로초(μs) 내지 100 밀리초(ms)의 범위일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 미리 결정된 시간 기간은 적어도 10 μs이고, 다른 실시예에 따르면, 적어도 100 μs이다. 또 다른 실시예에서, 미리 결정된 시간 기간은 적어도 1초이다. 제어기(150)에 의한 분석 시간은 (최소한) 미리 결정된 시간 기간이 경과되자마자일 수 있다. 몇몇 경우에, 플라즈마 센서(135)는 일련의 측정된 광 강도 값을 수집할 수도 있고 제어기(150)는 이어서 임계값과의 비교를 수행하기 위해 평균 또는 최대값을 사용한다. 다른 경우에, 제어기(150)는 측정된 광 강도 데이터를 통합하고 비교를 수행하기 위해 이 정보를 사용할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 미리 결정된 시간 기간은 또한 레이저 출력의 함수일 수 있다. 예를 들어, 몇몇 용례는 재료 가공 작업을 수행하기 전에 레이저가 최대 출력에 도달하도록 요구할 수도 있다(또는 사용자가 원할 수도 있음). 몇몇 경우에, 이는 미리 결정된 시간 기간을 연장할 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 시간 기간은 최대 1초일 수도 있다. 몇몇 경우에, 레이저가 최대 출력에 도달하는 시간 기간은 플라즈마 생성과 연관된 미리 결정된 시간 기간과 별도로 고려되거나 다른 방식으로 고려될 수도 있다. 제어기(150)는 양자 모두를 고려하도록 구성될 수 있다.

제어기(150)는 또한 플라즈마의 광 강도 값과 임계값 사이의 비교에 기초하여 제어 명령을 생성하도록 구성된다. 예를 들어, 제어기(150)는 광 강도 값이 임계값보다 낮을 때 레이저 소스(115)에 대한 전원을 턴오프할 것이다. 이는 레이저 빔(122)이 실제로 생성되고 있지만, 작업편 재료(105)에 의해 흡수되지 않고 있다는 것을 신호할 수 있다. 이는 사용자에게 잠재적으로 위험한 상태를 제시한다. 전술된 바와 같이, 다른 문제가 또한 플라즈마가 생성되지 않게 할 수 있다. 제어기(150)는 광 강도 값이 임계값 이상일 때 레이저 소스(115)에 대한 전원을 유지할 것이다. 이는 "정상적인" 재료 가공 조건을 신호할 것이다. 달리 말하면, 재료 가공 작업으로부터 예상되는 광 에너지의 임계값이 설정되고, 이 예상된 광 에너지가 지정된 시간 내에 감지되지 않으면 레이저 소스(115)는 제어기(150)에 의해 차단된다. 임계값은 용례 및 레이저 출력, 빔 구성, 작업편 재료 및 재료 기하학 형상을 포함하는 다른 인자에 의존할 수 있다. 몇몇 경우에, 임계값은 예상값의 백분율(%), 예로서 예상값의 10 내지 50%, 예를 들어 특정 레이저 출력에서 예상값일 것이다. 제어기(150)가 광 강도 데이터를 처리하는 능력을 방해하는 노이즈를 필터링하기 위해 노이즈 필터가 또한 제어기(150)에 의해 포함되거나 다른 방식으로 구현될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 임계값은 또한 레이저가 변조되는(즉, 펄스 모드와 같이, 레이저 출력이 변하는) 용례를 고려하거나 다른 방식으로 수용하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력은 레이저가 워블 능력을 갖고 기능할 때 변조될 수 있다(아래에 더 상세히 설명됨).

제어기(150)는 통상의 기술자에 의해 즉시 이해될 수 있는 바와 같은 적어도 하나의 프로세서, 메모리, 입력/출력 구성요소를 포함하고 플라즈마 센서(135)로부터의 데이터를 수신, 변환 및/또는 분석하는 것이 가능한 임의의 컴퓨팅 디바이스(또는 디바이스들)일 수도 있다. 제어기(150)는 플라즈마 센서(135) 및 디바이스 또는 시스템의 다른 구성요소로부터의 정보를 변환 및/또는 분석하는 것이 가능한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수도 있다.

핸드헬드 레이저 시스템(100)은 또한 열을 발산하기 위해 레이저 소스(115)에 결합되는 공기 냉각 시스템(140)을 포함한다. 전술된 바와 같이, 디바이스를 공기 냉각하면 물 또는 액체 냉매 기반 레이저 냉각 시스템에 비교할 때 시스템의 크기를 크게 감소시킨다. 적어도 하나의 실시예에 따르면, 시스템(100)은 또한 공기 냉각 시스템(140), 레이저 소스(115) 및 제어기(150)를 수용하는 레이저 모듈(110)을 포함할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 레이저 모듈(110)은 가동 카트(160)에 장착되도록 구성될 수 있다. 일 예에서, 가동 카트(160)는 표준 용접 카트의 치수, 예를 들어 길이 및 높이가 36 인치 이하이고 폭이 24 인치 이하이지만, 몇몇 용접 카트는 본 명세서에 열거된 것들과 약간 상이하거나 그렇지 않으면 상이한 치수를 가질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 일 실시예에 따르면, 레이저 모듈(110) 자체는 길이가 26 인치 미만, 폭이 12.5 인치 미만, 높이가 21 인치 이하가 되도록 크기 설정될 수 있다. 이제 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 용접 또는 절단과 같은 레이저 재료 가공 작업을 수행하기 위해 사용자 휴대성을 위한 크기 및 형상을 갖는 핸드헬드 장치(120)의 일 비한정적인 예의 다양한 도면이 있다. 이 예시적인 실시예에서, 핸드헬드 레이저 디바이스는 총 형상(gun-shape)과 유사하다. 몇몇 실시예에 따르면, 시스템(100)은 또한 별개의 모듈로 구성될 수 있거나, 또는 몇몇 경우에 레이저 모듈(110)과 일체화될 수 있는 와이어 피더 모듈(도면에는 도시되어 있지 않음)을 포함할 수도 있다. 제어기(150)는 또한 이 와이어 피더 모듈을 제어하도록 구성될 수 있다.

다른 양태에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 가스 냉각식으로 구성된다. 예를 들어, 핸드헬드 장치(120)는 핸드헬드 장치(120)의 내부 내의 하나 이상의 도관을 통해 유도되는 차폐 가스(또는 특정 용례에서는 공기)와 같은 가스를 위한 하나 이상의 입구를 가질 수도 있다. 이는 냉각수(또는 다른 액체 냉각 유체)가 핸드헬드 장치(120)를 통해 흐르지 않는다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 차폐 가스는 입구에 위치되거나 그렇지 않으면 핸드헬드 장치 내부에 위치된 2개(이상)의 도관 또는 채널(도 3a에 일반적으로 124로 도시되어 있음) 내로 유도되고, 도관은 내부를 횡단하고 레이저 빔용 출구(123) 부근 내에 위치된 가스 출구에서 빠져나간다. 몇몇 경우에, 가스는 노즐(예를 들어, 도 3a 내지 도 3c의 노즐(112))을 통해 빠져나갈 수 있는 차폐 가스이다. 가스가 핸드헬드 장치(120)의 내부를 횡단함에 따라, 이는 광학 구성요소(예를 들어, 렌즈, 미러) 및/또는 모터와 같은 전자 구성요소와 같은 다양한 가열된 구성요소를 냉각시킨다. 하우징/핸드헬드 장치(120)를 통해 차폐 가스와 같은 가스를 공급하거나 다른 방식으로 유도하는 것은 가열된 내부 구성요소를 냉각시키도록 기능할 뿐만 아니라, 또한 외부 튜브 또는 배선이 요구되지 않기 때문에 전술된 노즐 모듈성 개념에 추가된다.

도 3a 내지 도 3f에 도시되어 있는 예에 따르면 그리고 적어도 하나의 실시예에 따르면, 플라즈마 센서(135)는 핸드헬드 장치(120)의 내부 내에 위치될 수도 있다. 이는 핸드헬드 장치(120)의 내부의 부분의 절결도를 포함하는 도 3e에 가장 명확하게 도시되어 있다. 대안 실시예에서, 플라즈마 센서(135)는 핸드헬드 장치(120)의 외부에 위치될 수도 있다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 제어기(150) 및 차폐 가스의 소스(145) 중 적어도 하나에 결합되어 차폐 가스의 활성화를 제어하는 트리거, 버튼 또는 스위치(125)(본 명세서에서 간단히 트리거라고도 칭할 수도 있음)를 포함한다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 차폐 가스(145)는 광 섬유(130)를 또한 수용하는 가요성 도관(117) 내의 튜브를 통해 그리고 이어서 노즐(112) 및 제거 가능한 처리 팁(126)을 통해 안내될 수 있고 여기서 작업편 재료 상에 분배될 수 있다. 이해될 수 있는 바와 같이, 차폐 가스는 작업편 재료가 가공 중에 과열되는 것을 방지하고 그리고/또는 파편이 핸드헬드 장치(120)의 구성요소를 오염시키는 것을 방지한다.

핸드헬드 장치(120)는 또한 제어기(150) 및 레이저 소스(115) 중 적어도 하나에 결합되어 레이저 소스(115)의 활성화를 제어하는 트리거, 버튼 또는 스위치(121)(본 명세서에서 또한 간단히 트리거라고도 칭함)를 포함한다. 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 가요성 도관(117) 내에 위치된 전기 케이블링(119)은 트리거(121)가 레이저 소스(115)의 활성화를 제어하기 위해 제어기(150) 또는 레이저 소스(115) 중 적어도 하나와 통신하도록 배선을 포함할 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 트리거(125)는 제1 트리거이고 트리거(121)는 제2 트리거이고, 이들은 제1 트리거(125)가 이미 활성화되지 않았으면 제2 트리거(121)가 레이저 소스(115)를 활성화하지 않을 것이도록 2단 배열로 구성되어 있다. 예를 들어, 동작 중에, 사용자는 먼저 트리거(125)를 눌러, 차폐 가스를 활성화할 것이다. 이어서, 사용자는 트리거(121)를 누를 수 있다. 제2 트리거(121)는 제1 트리거(125)가 눌러진 경우에만 레이저 소스(115)를 활성화할 것이다. 이는 작업편 재료(105) 및/또는 핸드헬드 장치(120)가 손상되는 것을 방지한다.

제1 트리거(125) 및 제2 트리거(121) 중 하나 또는 모두는 또한 독립적인 기능을 갖도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 트리거(121)는 제1 트리거(125)를 해제하지 않고 해제되어 레이저를 차단하고, 이어서 제1 트리거(125)가 여전히 눌러져 있으면 다시 눌러져 레이저를 턴온할 수 있다. 더욱이, 제1 트리거(125)는 제2 트리거(121)의 상태와 무관하게 해제되어 레이저를 차단할 수 있다.

이해될 수 있는 바와 같이, 트리거 버튼은 여러 개의 인터로크 루프를 포함하는 전체 안전 인터로크 시스템의 부분일 수 있다. 예를 들어, 제1 트리거(125)는 제1 트리거(125)가 눌러졌을 때 폐쇄되는 인터로크 루프와 맞물릴 수 있다. 제2 트리거(121)는 시작 버튼 및 눌러질 때 폐쇄되는 부가의 인터로크 루프일 수 있다. 더욱이, 제1 트리거(125)를 누르면 하나 이상의 다른 인터로크 루프, 예를 들어 제어기(프로세서) 및 레이저와 맞물리는 키 스위치 인터로크 루프, 비상 정지 루프, 섬유 인터로크 루프 및 외부 인터로크 루프가 활성이면 차폐 가스를 턴온할 것이다. 제1 트리거가 해제될 때, 차폐 가스가 미리 결정된 시간 기간(예를 들어, 사용자에 의해 설정됨) 동안 온 상태로 유지될 수 있다. 제2 트리거(121)는 레이저를 위한 시작 버튼으로서 작용할 수 있다. 스위치가 미리 결정된 시간(예를 들어, 300 ms) 초과 동안 개방되고 이어서 트리거(121)가 눌러지면, 안전 조건이 충족되고 차폐 가스가 미리 결정된 시간 기간 동안 온 상태에 있으면(그리고 몇몇 경우에, 이전에 언급된 바와 같이, 레이저가 원하는 출력 파워 레벨에 도달했으면) 레이저가 발사될 것이다.

이전에 언급된 바와 같이, 핸드헬드 레이저는 고장이 검출되면 레이저의 동작을 방지하는 여러 개의 안전 인터로크 루프를 포함할 수 있다. 이러한 인터로크 루프의 비한정적 예는 키스위치/이-스톱(e-stop) 인터로크 루프, 외부 인터로크 루프(예를 들어, 레이저 시스템 및 사용자의 외부 안전 메커니즘과 맞물리는 인터로크 루프), 섬유 인터로크 루프, 헤드 노즐 및 안전 클립 인터로크 루프, 2-레벨 트리거 인터로크 루프, 안전 래치 인터로크 루프, 및 전류 소스 인터로크 루프를 포함한다. 디바이스에 포함될 수도 있는 안전 인터로크 루프의 다른 비한정적인 예는 온도(예를 들어, 디바이스 및/또는 공기 온도 센서), 가스 압력 및/또는 부가의 광검출기(예를 들어, 후방 반사, 더러운 윈도우, 섬유 퓨즈 등을 위한)와 연관된 것들을 포함한다.

사용자를 보조하기 위해, 핸드헬드 장치(120)는 또한 디바이스의 동작 상태를 사용자에게 알리는 하나 이상의 상태 표시등(127)(예를 들어, 도 3d 참조)을 갖고 구성될 수도 있다. 상태 표시등(127)이 점등되지 않을 때, 이는 디폴트 상태(즉, 차폐 가스 또는 레이저 광 에너지가 핸드헬드 디바이스로부터 방출되지 않음)를 나타낸다. 사용자가 트리거(125)를 누를 때, 이는 차폐 가스를 활성화하고, 이는 이어서 상태 표시등(127a)(또는 대안에서 127b)을 활성화한다. 이는 차폐 가스가 방출되고 있다는 것을 사용자에게 신호한다. 일단 사용자가 트리거(121)를 누르면(여전히 트리거(125)를 누르고 있는 동안), 이는 레이저 소스(115)를 활성화하고, 이는 이어서 상태 표시등(127b)(또는 대안에서 127a)을 활성화한다. 양 상태 표시등(127a, 127b)이 모두 점등될 때, 이는 차폐 가스와 레이저 광이 핸드헬드 디바이스(120)로부터 방출되고 있다는 것을 사용자에게 신호한다. 몇몇 경우에, 이는 전술된 미리 결정된 시간 기간의 시작을 제어기(150)에 신호할 수 있다.

핸드헬드 장치(120)는 또한 핸드헬드 장치(120)의 내부 구성요소를 보호하기 위해 사용되는 교체 가능한 윈도우(도 3c에 128로서 표시되어 있지만, 내부에 위치됨), 뿐만 아니라 레이저 빔(122)을 작업편 표면 상에 집속하는 데 사용되는 교체 가능한 집속 렌즈(도 3c에 129로서 표시되어 있지만, 내부에 위치됨)와 같은 하나 이상의 광학 구성요소를 갖고 구성될 수도 있다. 다른 렌즈(예를 들어, 시준 렌즈) 또는 광학 구성요소(예를 들어, 빔 스플리터, 미러)가 또한 핸드헬드 디바이스(120) 내에 구현될 수 있다. 몇몇 경우에, 핸드헬드 장치(120)는 광 섬유(130)에 연결을 위한 커플러 또는 다른 도파 구성요소를 포함할 수도 있다. 핸드헬드 장치(120)는 또한 핸드헬드 장치(120)와 광 섬유(130), 차폐 가스(145) 및/또는 전기 배선(119)과 같은 레이저 모듈(110) 사이에서 연장하는 가요성 도관(117) 내에 있는 구성요소로의 연결부를 커버하는 제거 가능한 또는 활주식 부트 또는 칼라(141)(예를 들어, 도 3b 및 도 3c 참조)와 같은 다른 구성요소를 포함할 수 있다.

핸드헬드 레이저 시스템(100)은 또한 하나 이상의 부가의 안전 특징을 포함하거나 다른 방식으로 구현할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 핸드헬드 장치(120)는 노즐 또는 팁이 작업편의 표면에 접촉하는 것을 보장하기 위한 위치 센서를 갖고 구성된다. 예를 들어, 제어기(150)를 통해 구현된 안전 인터로크는 제거 가능한 처리 팁(126) 및 레이저 소스(115)용 전원과 통합될 수 있다. 사용 중에, 제어기(150)는 안전 인터로크가 맞물린 경우, 즉, 핸드헬드 장치(120)의 노즐 또는 팁이 작업편과 맞물린 경우에만, 레이저 소스(115)에 대한 출력을 활성화할 것이다. 일 예에서, 이는 작업편을 레이저 시스템, 예를 들어 시스템의 패널 상의 단자에 클립핑함으로써 작업편과 헤드 노즐을 전기적으로 연결함으로써 구현될 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 또한 빔 워블링 능력을 갖고 구성된다. 예를 들어, 레이저 빔(122)을 워블링하도록 구성된 적어도 하나의 가동 미러가 하우징(120) 내에 위치될 수도 있다. 워블 운동은 레이저 빔(122)을 원하는 주파수(예를 들어, 최대 300 Hz(경계값 포함), 최소 50 Hz, 그러나 다른 값이 본 개시내용의 범주 내에 있다는 것이 이해되어야 함)에서 전후로 발진시킨다. 가동 미러는 레이저 빔을 반사시켜 이동시키는데, 즉, 레이저 빔을 하나의 축에서 워블링한다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 가동 미러는 0.1° 내지 3° 범위(경계값 포함) 내의 스캔 각도에 의해 정의된 시야 내에서 레이저 빔(122)을 워블링하도록 구성된다. 다른 실시예에 따르면, 스캔 각도는 0.1° 내지 7° 범위(경계값 포함) 내에 있고, 다른 실시예에서, 스캔 각도는 0.1° 내지 12° 범위(경계값 포함) 내에 있다. 더 큰 스캔 각도 범위가 또한 본 개시내용의 범주 내에 있다. 상이한 범위의 스캔 각도는 상이한 유형의 용례와 연관될 수도 있다. 예를 들어, 용접 용례에서, 원하는 스캔 각도는 세정 작업보다 더 작을 수도 있다. 워블링 능력은 가동 미러가 하나의 축을 중심으로 피봇 가능하고 신속하게 방향을 역전하는 것이 가능한 갈바노미터 모터에 의해 이동 가능하기 때문에 가능하다. 예를 들어, 제어기(150)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 미러가 스캔 각도 알파(α) 내에서 빔(122)을 피봇하여, 이에 의해 빔이 워블링할 수 있게 하도록 가동 미러를 제어한다. 초점 길이(그 비한정적 예는 80 mm, 100 mm, 120 mm일 수 있음)에 따라, 3° 스캔 각도는 최대 약 50 mrad의 워블을 나타낸다. 몇몇 경우에, 워블 길이(워블 진폭)는 약 0.5 mm의 최소값과 약 5 mm의 최대값을 갖고, 몇몇 경우에 약 4 mm의 최대값을 갖는다. 이전에 언급된 바와 같이, 80 mrad의 워블 또는 4.5°를 포함하는 더 큰 스캔 각도가 또한 본 개시내용의 범주 내에 있고, 특히 진폭이 5 mm 초과, 예로서 0 내지 15 mm일 수 있는 세정 작업에 대해 더욱 더 큰 워블 진폭이 또한 실현 가능하다. 적어도 하나의 양태에 따르면, 집속 렌즈는 미러로부터 하류에 위치된다. 워블 운동은 1차원, 또는 디바이스가 2개의 가동 미러를 구비하면 2차원일 수 있다. 워블링 능력의 양태는 본 출원인에 의해 소유되고 본 명세서에 참조로서 완전히 합체되어 있는 미국 특허 출원 제15/187,235호에 설명되어 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 핸드헬드 장치(120)는 또한 고정식 미러를 포함할 수도 있다.

용접과 같은 재료 가공 작업 이외에, 전술된 바와 같이 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 또한 재료 제거(레이저 어블레이션)와 같은 표면 개질 용례에도 적용될 수 있다. 이러한 경우에, 디바이스는 용접을 위해 사용되는 것보다 더 넓은 노즐을 구비할 수도 있고, 워블의 스캔 각도가 또한 증가할 수도 있다. 게다가, 레이저 소스는 펄스 모드 또는 HPP 동작 모드를 포함하는 다른 모드에서 동작될 수도 있다.

본 발명에 따라 본 명세서에 개시된 양태는 구성의 상세 및 이하의 설명에 설명되거나 첨부 도면에 도시되어 있는 구성요소의 배열에 그 용례에 있어 한정되지 않는다. 이들 양태는 다른 실시예를 취하는 것이 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행되는 것이 가능하다. 특정 구현예의 예는 단지 예시 목적으로만 본 명세서에 제공되고 한정이 되도록 의도된 것은 아니다. 특히, 임의의 하나 이상의 실시예와 관련하여 설명된 행위, 구성요소, 요소 및 특징은 임의의 다른 실시예에서 유사한 역할로부터 배제되도록 의도되지 않는다.

또한, 본 명세서에 사용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것이며 한정적인 것으로서 고려되어서는 안된다. 본 출원에서 단수로 언급된 시스템 및 방법의 예, 실시예, 구성요소, 요소 또는 행위에 대한 임의의 언급은 또한 복수를 포함하는 실시예를 포함할 수도 있고, 본 명세서에서 임의의 실시예, 구성요소, 요소 또는 행위에 대한 복수의 임의의 참조는 또한 단수만을 포함하는 실시예를 포함할 수도 있다. 단수 또는 복수 형태의 참조는 현재 개시된 시스템 또는 방법, 그 구성요소, 행위 또는 요소를 한정하도록 의도된 것은 아니다. 본 명세서에서 "구비하는", "포함하는", "갖는", "함유하는", "수반하는" 및 이들의 변형의 사용은 그 이후에 열거된 아이템 및 그 등가물뿐만 아니라 부가의 아이템을 포함하는 것으로 의도된다. "또는"에 대한 언급은 "또는"을 사용하여 설명된 임의의 용어가 설명된 용어들 중 하나, 하나 초과 및 모두 중 임의의 것을 나타낼 수도 있도록 포괄적인 것으로서 해석될 수도 있다. 게다가, 이 문서와 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 문서 사이에 용어의 불일치 사용의 경우, 합체된 참조 문헌에서의 용어 사용이 이 문서의 사용을 보완하고; 양립할 수 없는 불일치의 경우, 이 문서에서의 용어 사용이 우선한다.

이와 같이 적어도 하나의 예의 다수의 양태가 설명되었지만, 다양한 변경, 수정 및 개량이 통상의 기술자에게 즉시 발생할 것이라는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 예는 또한 다른 맥락에서 사용될 수도 있다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시내용의 부분인 것으로 의도되고, 본 명세서에 설명된 예의 범주 내에 있도록 의도된다. 이에 따라, 전술된 설명 및 도면은 단지 예시에 불과하다.

Claims

핸드헬드 레이저 시스템이며,
생성된 레이저 방사선의 레이저 빔으로 작업편 재료에 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스;
재료 가공 작업 동안 작업편 재료로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된 플라즈마 센서; 및
플라즈마 센서에 결합되는 제어기로서:
플라즈마 센서에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과된 때의 시점에서의 임계값과 비교하고;
비교에 기초하여 제어 명령을 생성하도록 구성되는, 제어기를 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 제어 명령은
광 강도 값이 임계값보다 낮을 때 레이저 소스에 대한 전원을 턴오프하고,
광 강도 값이 임계값 이상일 때 레이저 소스에 대한 전원을 유지하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제2항에 있어서, 미리 결정된 시간 기간은 적어도 100 마이크로초(μs)인, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 방출된 레이저 광의 파장에서의 광이 플라즈마 센서에 도달하는 것을 차단하도록 구성된 적어도 하나의 광학 필터를 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 열을 분산시키기 위해 레이저 소스에 결합된 공기 냉각 시스템을 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제5항에 있어서, 레이저 소스, 공기 냉각 시스템 및 제어기를 수용하는 레이저 모듈을 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제6항에 있어서, 레이저 모듈은 가동 카트에 장착되도록 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징을 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치는 단일편 구성인, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치는 노즐을 위한 모듈식 부착 시스템을 갖고 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치는 가스 냉각식으로 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치는 약 1 킬로그램(kg) 미만의 중량이 되도록 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 플라즈마 센서는 핸드헬드 장치의 내부 내에 위치되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 핸드헬드 장치는 제어기 및 차폐 가스의 소스 중 적어도 하나에 결합되어 차폐 가스의 활성화를 제어하는 트리거를 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제15항에 있어서, 트리거는 제1 트리거이고, 핸드헬드 장치는 제어기 및 레이저 소스 중 적어도 하나에 결합되어 레이저 소스의 활성화를 제어하는 제2 트리거를 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제16항에 있어서, 제1 및 제2 트리거는 제1 트리거가 활성화되지 않으면 제2 트리거가 레이저 소스를 활성화하지 않을 것이도록 2단 배열로 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제8항에 있어서, 하우징 내에 위치된 적어도 하나의 가동 미러를 더 포함하고, 적어도 하나의 가동 미러는 레이저 빔을 워블링하도록 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 레이저 빔은 적어도 1 kW의 출력을 갖는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제19항에 있어서, 레이저 빔은 약 1.5 kW의 출력을 갖는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 레이저 빔은 500 W 내지 3 kW 범위(경계값 포함) 내의 출력을 갖는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 레이저 소스는:
출력 파워를 갖는 연속파(CW) 모드에서 레이저 방사선을 생성하고;
CW 모드의 출력 파워의 2배 미만인 최대 피크 출력, 약 20%의 최대 듀티 사이클 및 약 1500 Hz의 최대 펄스-반복 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 높은 피크 출력(HPP) 모드에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제1항에 있어서, 파장은 적외선(IR) 광이고 적어도 하나의 광학 필터는 IR 억제 필터로서 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
방법이며,
레이저 소스로부터 작업편 재료 상에 레이저 빔을 유도하는 단계;
재료 가공 작업 동안 작업편 재료로부터 방출된 플라즈마를 검출하도록 구성된 플라즈마 센서를 활성화하는 단계;
플라즈마 센서에 의해 획득된 광 강도 값을 재료 가공 작업이 시작된 후 미리 결정된 시간 기간이 경과된 때의 시점에서의 임계값과 비교하는 단계; 및
비교에 기초하여 제어 명령을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 제어 명령은 광 강도 값이 임계값보다 낮을 때 레이저 소스를 전원 오프하고 광 강도 값이 임계값 이상일 때 레이저 소스에 대한 전원을 유지하는, 방법.
제24항에 있어서, 레이저 소스의 파장에서의 광이 플라즈마 센서에 도달하지 않도록 레이저 소스의 파장에서의 광을 차단하도록 구성된 적어도 하나의 광학 필터를 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징을 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제24항에 있어서, 레이저 빔을 워블링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
핸드헬드 레이저 시스템이며,
생성된 레이저 방사선의 레이저 빔으로 작업편 재료에 재료 가공 작업을 수행하기 위한 파장에서 레이저 방사선을 생성하도록 구성된 레이저 소스; 및
레이저 빔을 위한 출구를 갖는 핸드헬드 장치로서 구성된 하우징으로서, 핸드헬드 장치는 가스 냉각되도록 구성되는, 하우징을 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제30항에 있어서, 핸드헬드 장치를 레이저 소스에 결합하는 광 섬유를 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제30항에 있어서, 핸드헬드 장치는 단일편 구성인, 핸드헬드 레이저 시스템.
제30항에 있어서, 핸드헬드 장치는 노즐을 위한 모듈식 부착 시스템을 갖고 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제30항에 있어서, 열을 분산시키기 위해 레이저 소스에 결합된 공기 냉각 시스템을 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제34항에 있어서, 레이저 소스, 공기 냉각 시스템 및 제어기를 수용하는 레이저 모듈을 더 포함하는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제35항에 있어서, 레이저 모듈은 가동 카트에 장착되도록 구성되는, 핸드헬드 레이저 시스템.
제30항에 있어서, 레이저 빔은 적어도 1 kW의 출력을 갖는, 핸드헬드 레이저 시스템.