KR20230076348A - High Power Laser Output Apparatus and Laser Diode Optic Module for Easy Maintenance and Cooling - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 각 구성들의 유지보수와 레이저 다이오드의 냉각이 용이해진 고출력 레이저 출력장치 및 레이저 다이오드 광모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a high-power laser output device and a laser diode optical module in which maintenance of each component and cooling of a laser diode are facilitated.
일반적으로, 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER)란 외부의 자극에 의해 매질로부터 빛을 방출하게 하고, 공진기에 의해 증폭된 빛을 말한다. In general, a laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER) refers to light emitted from a medium by an external stimulus and amplified by a resonator.
이러한 레이저는 증폭 매질, 공진기, 펌핑 소스(Pump Source)로 구성되어 있으며, 매질의 종류에 따라 예컨대, 가스 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저, 그리고 광섬유 레이저 등으로 분류된다.These lasers are composed of an amplification medium, a resonator, and a pump source, and are classified into, for example, gas lasers, solid-state lasers, semiconductor lasers, and fiber lasers according to the type of medium.
특히, 레이저는 사용이 용이하고 깨끗하며 신속한 가공결과를 제공하기 때문에 여러 산업분야에 응용되고 있으며, 고출력 레이저에 대한 요구 증가로 새로운 산업용 레이저 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.In particular, since lasers are easy to use, clean, and provide rapid processing results, they are applied to various industrial fields, and new industrial lasers are being developed steadily due to an increase in demand for high-power lasers.
앞서 언급한 광섬유 레이저는 고체 레이저 중에서도 유례없이 높은 광-광 변환 효율을 갖고 있으며, 좋은 빔 품질을 갖고 있을 뿐 아니라 광섬유 자체에 공진기를 형성할 수 있으므로 일반 레이저와 같은 매질과 분리된 공진기를 갖지 않기 때문에 유지보수가 필요 없어 산업용 광원으로서 각광을 받고 있다.The fiber laser mentioned above has unparalleled high light-to-optical conversion efficiency among solid-state lasers, and not only has good beam quality, but also can form a resonator in the optical fiber itself, so it does not have a resonator separated from the medium like a general laser. Because it does not require maintenance, it is in the limelight as an industrial light source.
현재, 시장에서의 광섬유 레이저의 개발은 고출력 연속 동작레이저, 펄스 동작 레이저, 초고속 광원으로써의 개발이 이루어지고 있으며, 지난 수년간 많은 회사들이 산업용으로 사용되는 KW급 레이저를 제작하고 있다.Currently, the development of fiber lasers in the market is being developed as high-power continuous operation lasers, pulse operation lasers, and ultra-high-speed light sources, and many companies have been manufacturing KW-class lasers for industrial use over the past few years.
한편, 종래의 고출력 레이저 출력장치는 모든 구성들이 하나의 서브마운트에 장착되어 동작해 왔다. 서브 마운트 상의 적절한 위치에 각 레이저 다이오드 칩, 레이저 다이오드 칩이 조사하는 광 축 상에 FAC(Fast Axis Collimator) 렌즈, SAC(Slow Axis Collimator) 렌즈 및 거울이 배치되어 광을 적절한 방향으로 조사한다. On the other hand, conventional high power laser output devices have operated with all components mounted on one submount. Each laser diode chip, a FAC (Fast Axis Collimator) lens, a SAC (Slow Axis Collimator) lens, and a mirror are disposed on an optical axis irradiated by each laser diode chip at an appropriate position on the submount to radiate light in an appropriate direction.
이때, 모든 구성들이 하나의 서브마운트에 장착되어 동작하기 때문에, 하나의 소자에 이상이 발생할 경우, 장치 전체를 교체해야만 했다. 이에 따라, 종래의 고출력 레이저 출력장치는 유지/보수를 함에 있어 상당한 불편이 존재하였으며 많은 비용이 소모되었던 문제가 있었다.At this time, since all components are mounted and operated in one submount, when a problem occurs in one element, the entire device has to be replaced. Accordingly, the conventional high-power laser output device had a problem in that there was considerable inconvenience in maintenance/repair and a lot of cost was consumed.
또한, 고출력 레이저 출력장치 내 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드는 레이저 빔의 생성 및 출력에 있어 상당한 열이 발생한다. 그러나 종래의 고출력 레이저 출력장치는 레이저 다이오드에서 발생하는 열의 발산이 원활치 못한 문제가 있었다.In addition, a laser diode generating a laser beam in a high power laser output device generates considerable heat in generating and outputting the laser beam. However, conventional high-power laser output devices have a problem in that heat generated from a laser diode is not smoothly dissipated.
본 발명의 일 실시예는, 하나의 동작을 수행할 수 있는 구성들을 모듈화하여 탈·부착을 가능케함으로서, 유지/보수를 용이하게 한 고출력 레이저 출력장치 및 레이저 다이오드 광모듈을 제공하는 데 일 목적이 있다.An object of one embodiment of the present invention is to provide a high-power laser output device and a laser diode optical module that facilitate maintenance/repair by modularizing components capable of performing one operation and enabling attachment/detachment. there is.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드의 냉각 효율을 향상시킨 고출력 레이저 출력장치 및 레이저 다이오드 광모듈을 제공하는 데 일 목적이 있다.In addition, an object of one embodiment of the present invention is to provide a high-power laser output device and a laser diode optical module with improved cooling efficiency of a laser diode generating a laser beam.
본 발명의 일 측면에 의하면, 광 케이블과 상기 광 케이블의 전방에 배치되어, 입사되는 레이저 빔들을 상기 광 케이블의 코어로 집광하는 집광 렌즈 및 레이저 빔을 각각 생성하여, 상기 집광 렌즈로 반사시키는 복수의 레이저 다이오드 광모듈을 포함하며, 상기 레이저 다이오드 광모듈은 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드 하단에 배치되어 상기 레이저 다이오드를 냉각시키는 냉각부와 상기 레이저 다이오드가 조사하는 광 축상의 레이저 다이오드의 전방에 배치되어, 레이저 빔의 수직 방향으로의 분산을 억제하는 FAC 렌즈와 상기 FAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔의 수평 방향으로의 분산을 억제하는 SAC 렌즈와 상기 SAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 미러 및 상기 레이저 다이오드 광모듈 내 각 구성을 배치시키며 고정하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치를 제공한다.According to one aspect of the present invention, an optical cable and a condensing lens disposed in front of the optical cable to condense incident laser beams into the core of the optical cable, and a plurality of condensing lenses each generating and reflecting the laser beam to the condensing lens. It includes a laser diode optical module, wherein the laser diode optical module includes a laser diode generating a laser beam, a cooling unit disposed below the laser diode to cool the laser diode, and a laser diode on an optical axis irradiated by the laser diode. A FAC lens disposed in front of and suppressing dispersion of the laser beam in the vertical direction and a SAC lens for receiving a laser beam passing through the FAC lens and suppressing dispersion in the horizontal direction of the laser beam, and the SAC lens It provides a laser output device characterized in that it includes a mirror for reflecting the passing laser beam to the condensing lens and a submount for arranging and fixing each component in the laser diode optical module.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉각부는 상기 서브마운트 및 상기 레이저 다이오드의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the cooling unit is characterized in that it is disposed between the submount and the laser diode.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉각부는 상판, 제1 판, 제2 판, 제3 판 및 하판을 포함하며, 각 판에는 제1 중공 및 제2 중공이 형성된 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the cooling unit includes an upper plate, a first plate, a second plate, a third plate, and a lower plate, and each plate is characterized in that a first hollow and a second hollow are formed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 레이저 다이오드는 상기 상판 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the laser diode is characterized in that disposed on the upper plate.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉각부는 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치를 집중적으로 냉각시키는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the cooling unit intensively cools a position where the laser diode is disposed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 판은 상기 제1 중공으로 유입되는 냉각수를 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단까지 냉각수를 유입시키는 복수의 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first plate is characterized in that it includes a plurality of passages through which the cooling water introduced into the first hollow to the lower end of the position where the laser diode is disposed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 레이저 출력 장치 내에 배치되어, 집광 렌즈를 거쳐 광 케이블로 레이저를 출력하기 위한 레이저 다이오드 광모듈에 있어서, 레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드와 상기 레이저 다이오드 하단에 배치되어 상기 레이저 다이오드를 냉각시키는 냉각부와 상기 레이저 다이오드가 조사하는 광 축상의 레이저 다이오드의 전방에 배치되어, 레이저 빔의 수직 방향으로의 분산을 억제하는 FAC 렌즈와 상기 FAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔의 수평 방향으로의 분산을 억제하는 SAC 렌즈와 상기 SAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 미러 및 상기 레이저 다이오드 광모듈 내 각 구성을 배치시키며 고정하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈을 제공한다.According to one aspect of the present invention, in a laser diode optical module disposed in a laser output device to output a laser to an optical cable through a condensing lens, a laser diode generating a laser beam and a laser diode disposed below the laser diode A cooling unit for cooling the laser diode and a FAC lens disposed in front of the laser diode on the optical axis irradiated by the laser diode to suppress the dispersion of the laser beam in the vertical direction and receiving the laser beam passing through the FAC lens , a SAC lens for suppressing the dispersion of the laser beam in the horizontal direction, a mirror for reflecting the laser beam passing through the SAC lens to the condensing lens, and a submount for arranging and fixing each component in the laser diode optical module. It provides an optical module characterized in that.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉각부는 상기 서브마운트 및 상기 레이저 다이오드의 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the cooling unit is characterized in that it is disposed between the submount and the laser diode.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 냉각부는 상판, 제1 판, 제2 판, 제3 판 및 하판을 포함하며, 각 판에는 제1 중공 및 제2 중공이 형성된 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the cooling unit includes an upper plate, a first plate, a second plate, a third plate, and a lower plate, and each plate is characterized in that a first hollow and a second hollow are formed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제1 판은 상기 제1 중공으로 유입되는 냉각수를 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단까지 냉각수를 유입시키는 복수의 제1 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the first plate may include a plurality of first passages through which cooling water introduced into the first hollow is introduced to a lower end of a position where the laser diode is disposed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제3 판은 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단에서 상기 제2 중공을 거쳐 외부로 냉각수를 배출하도록 하는 복수의 제2 유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the third plate is characterized in that it includes a plurality of second flow passages through which cooling water is discharged to the outside through the second hollow at the lower end of the position where the laser diode is disposed.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 제2 판은 상기 제1 유로로 유입되는 냉각수가 상기 제3 유로로 유입되거나, 상기 제3 유로로 유입된 냉각수가 상기 제1 유로로 유입될 수 있도록 하는 복수의 관통공을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one aspect of the present invention, the second plate is configured to allow the cooling water flowing into the first flow path to flow into the third flow path or to allow the cooling water flowing into the third flow path to flow into the first flow path. It is characterized in that it comprises a through hole of.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 하나의 동작을 수행할 수 있는 구성들을 모듈화하여 탈·부착을 가능케함으로서, 유지/보수를 용이하게 한 장점이 있다.As described above, according to one aspect of the present invention, there is an advantage of facilitating maintenance/repair by modularizing components capable of performing one operation and enabling attachment/detachment.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 다이오드의 냉각 효율을 향상시켜, 레이저 다이오드의 동작 효율을 향상시킨 장점이 있다.In addition, according to one aspect of the present invention, there is an advantage of improving the operating efficiency of the laser diode by improving the cooling efficiency of the laser diode that generates and outputs the laser beam.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치에서 출력되는 레이저 빔을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치 내 포함된 광모듈의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 레이저 다이오드와 FAC 렌즈가 삽입되는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 FAC 렌즈가 삽입된 상태에서 레이저 다이오드에서 레이저 빔이 출력되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 SAC 렌즈가 추가로 삽입되는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 SAC 렌즈가 삽입된 상태에서 레이저 다이오드에서 레이저 빔이 출력되는 모습을 도시한 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 광모듈이 배치된 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 냉각부의 구성을 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a high power laser output device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a laser beam output from a high-power laser output device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing the configuration of an optical module included in a high-power laser output device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a process of inserting a laser diode and a FAC lens into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a state in which a laser beam is output from a laser diode in a state in which a FAC lens is inserted into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a process of additionally inserting a SAC lens into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a state in which a laser beam is output from a laser diode in a state in which an SAC lens is inserted into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a state in which a plurality of optical modules are disposed according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram showing the configuration of a cooling unit in an optical module according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no intervening element exists.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It should be understood that terms such as "include" or "having" in this application do not exclude in advance the possibility of existence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. .
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치를 도시한 도면이다.1 is a diagram showing a high power laser output device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치(100)는 복수의 고출력 레이저 다이오드 광모듈(110), 집광 렌즈(120) 및 광 케이블(130)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a high power
고출력 레이저 다이오드 광모듈(110, 이하에서 '광모듈'이라 약칭함)은 복수 개가 배치되어, 출력을 위한 레이저 빔을 생성하여 조사한다. 하나의 광모듈(110)에서는 충분한 세기의 레이저 빔이 생성되기는 어렵기에, 복수의 광모듈(110a 내지 110c)에서 각각 레이저 빔을 생성한다. 각 광모듈(110)은 레이저 빔의 발산 각을 최소화하여 집광 렌즈(120)로 출력한다. 각 광모듈(110)은 서로 다른 높이에서 레이저를 조사하기에, 서로 중첩되지 않으며 집광 렌즈(120)로 출력할 수 있다. 각 광모듈(110)에서 조사되는 레이저 빔은 도 2에 예시되어 있다.A plurality of high-power laser diode optical modules 110 (hereinafter referred to as 'optical modules') are arranged to generate and irradiate laser beams for output. Since it is difficult to generate a laser beam with sufficient intensity in one optical module 110, each of the plurality of
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치에서 출력되는 레이저 빔을 도시한 도면이다.2 is a diagram showing a laser beam output from a high-power laser output device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이. 각 광모듈(110)에서 조사되어 집광 렌즈(120)를 거친 레이저 빔은 높이 차에 의해 서로 중첩되는 것이 방지된다. 따라서, 광 케이블의 코어의 특정 부분이 과도하게 가열되는 것을 방지할 수 있다. As shown in Figure 2. Laser beams irradiated from each optical module 110 and passed through the condensing lens 120 are prevented from overlapping each other due to a height difference. Accordingly, excessive heating of a specific portion of the core of the optical cable can be prevented.
다시 도 1을 참조하면, 집광 렌즈(120)는 각 광모듈(110)에서 출력되는 레이저 빔을 광 케이블(130)의 코어로 집광시킨다. Referring back to FIG. 1 , the condensing lens 120 condenses the laser beam output from each optical module 110 to the core of the optical cable 130 .
광 케이블(130)은 입사되는 레이저 빔을 입사받아 다른 장치로 전달하거나, 외부로 출력한다.The optical cable 130 receives an incident laser beam and transmits it to another device or outputs it to the outside.
이때, 광모듈(110)은 각각 레이저 빔을 생성하여 집광 렌즈(120)로 조사할 수 있는 필수 구성들을 포함하는 최소단위로 구현된다. 광모듈 각각이 후술할 서브 마운트, 레이저 다이오드, FAC 렌즈, SAC 렌즈 및 미러를 포함하여, 레이저 빔의 일부를 생성할 수 있다. 각각이 모듈화되어 구현됨에 따라, 어느 하나의 소자가 고장났을 경우, 고장난 소자를 포함한 광모듈만이 교체되면 되고 나머지 광모듈들은 온전히 동작할 수 있다. 또한, 해당 광모듈 역시 출력장치(100)로부터 분리되어 해당 소자만을 교체하거나, 다른 광모듈로 교체되어 출력장치(100)에 장착됨으로서 동작을 다시 수행할 수 있다. 이와 같이 각 구성들이 동작에 있어 필요한 최소단위로 모듈화됨에 따라, 각 소자들의 유지/보수가 현저히 용이해질 수 있다.At this time, the optical module 110 is implemented as a minimum unit including essential elements capable of generating a laser beam and radiating it through the condensing lens 120 . Each optical module may generate a part of a laser beam, including a submount, a laser diode, a FAC lens, a SAC lens, and a mirror, which will be described later. As each is implemented in a modularized manner, when any one element is out of order, only the optical module including the faulty element needs to be replaced, and the remaining optical modules can be fully operated. Also, the operation can be performed again by being separated from the
또한, 레이저 빔을 생성하고 출력하는 소자는 레이저 빔을 생성하는 과정에서 상당한 열이 발생한다. 열의 냉각이 원활치 못할 경우, 해당 소자는 온전히 동작하기 곤란할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 광모듈(110)은 냉각부(도 3을 참조하여 후술)를 포함하여, 해당 소자를 냉각시킨다. 특히, 냉각부는 레이저 빔을 조사하는 소자(도 3을 참조하여 후술)가 배치되는 부분을 집중적으로 냉각시킨다. 이에 따라, 각 광모듈(110)은 각 소자의 유지/보수 뿐만 아니라, 레이저 빔을 생성하는데 있어서도 최대의 효율을 확보할 수 있다.In addition, a device generating and outputting a laser beam generates considerable heat in the process of generating the laser beam. If the cooling of the heat is not smooth, it may be difficult for the device to fully operate. To prevent this, the optical module 110 includes a cooling unit (to be described later with reference to FIG. 3 ) to cool the corresponding element. In particular, the cooling unit intensively cools a portion where an element for irradiating a laser beam (to be described later with reference to FIG. 3) is disposed. Accordingly, each optical module 110 can ensure maximum efficiency in generating a laser beam as well as maintenance/repair of each element.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고출력 레이저 출력장치 내 포함된 광모듈의 구성을 도시한 도면이다. 3 is a diagram showing the configuration of an optical module included in a high-power laser output device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈(110)은 서브마운트(310), 레이저 다이오드(320), FAC 렌즈(330), SAC 렌즈(340), 미러(350) 및 냉각부(360)를 포함한다. Referring to FIG. 3 , an optical module 110 according to an embodiment of the present invention includes a
서브마운트(310)는 광모듈(110) 내 포함된 각 구성들을 적절한 위치에 배치시켜 고정한다. 서브마운트(310)는 레이저 다이오드(320)에서 조사되는 레이저 빔이 최대한 분산되지 않은 채로 집광 렌즈(120)로 조사될 수 있도록, 각 구성들을 적절한 위치에 배치시켜 고정한다.The
레이저 다이오드(320)는 서브마운트(310)에 안착되어, 외부(미도시)로부터 전류를 인가받아 레이저 빔을 출력한다. 레이저 다이오드(320)에 전류가 인가되면, 다이오드 내 활성층에서 레이저 빔이 출력된다. 출력되는 레이저 빔은 Fast Axis 축(수직방향)으로 더 길고, Slow Axis 축(수평 방향)으로 더 짧은 타원형 형상으로 출력된다. 보다, 구체적으로 레이저 빔은 수직방향으로 약 35도 내외의 각도로 발산되며, 수평방향으로는 약 5 내지 8도 내외의 각도로 발산한다. 이처럼 발산하는 레이저 빔은 FAC 렌즈(330) 및 SAC 렌즈(340)를 거치며 발산이 최소화된다.The
FAC 렌즈(330)는 서브마운트(310) 내 레이저 다이오드(320)가 레이저 빔을 출력하는 광 경로 상에서 레이저 다이오드(320)의 전방에 배치되어, 레이저 빔의 Fast Axis 축(수직방향)으로의 분산을 억제한다. FAC 렌즈(330)는 서브마운트(310) 구조에 따라, 서브마운트(310)에 배치되는 동시에, 전술한 위치에 배치되며, 레이저 빔의 분산을 억제할 수 있다.The
SAC 렌즈(340)는 서브마운트(310) 내에서 FAC 렌즈(340)를 거친 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔의 Slow Axis 축(수평 방향)으로의 분산을 억제한다. The
미러(350)는 서브마운트(310) 내에서 SAC 렌즈(340)를 거친 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔이 집광 렌즈(120)로 진행하도록 경로를 바꾼다. The
냉각부(360)는 서브마운트(310) 상에 서브마운트와 레이저 다이오드(320) 사이에 배치되어, 레이저 다이오드(320)를 냉각시킨다. 냉각부(360)는 외부에서 냉각수를 유입받으며, 특정 부분(레이저 다이오드가 배치되는 부분)에서 주로 냉각수가 유동하도록 하며, 냉각수를 외부로 배출한다. 냉각부(360)는 해당 위치에서 레이저 다이오드(320)를 집중적으로 냉각시킨다. 냉각부(360)에 의해, 레이저 다이오드(320)는 최대의 효율로 레이저 빔을 출력할 수 있다. 냉각부(360)에 대한 구체적인 구조는 도 10을 참조하여 후술한다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트를 도시한 도면이다. 4 is a view showing a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트(310)는 제1 삽입부(414), 제2 삽입부(418) 및 제3 삽입부(425)를 포함한다.Referring to FIG. 4 , a
서브마운트(310)는 고저차를 갖는 계단형으로 구현될 수 있다. 상단부(410)에는 제1 삽입부(414)와 제2 삽입부(418)가 배치되어 있어, 레이저 다이오드(320)와 FAC 렌즈(330)가 배치될 수 있다. 하단부(420)에는 제3 삽입부(425)가 배치되어 있어, SAC 렌즈(340)가 배치될 수 있다.The
서브마운트(310)의 상단부(410)와 하단부(420)는 고저차를 갖도록 형성된다. 레이저 다이오드(320)에서 출력되어 FAC 렌즈(330)를 거친 레이저 빔이라도, Fast Axis축(수직 방향)으로 일정 길이를 가질 수 있다. 이에, 상단부(410)와 하단부(420)에 고저차가 형성되어 있지 않으면, FAC 렌즈(330)를 거친 레이저 빔의 진행 경로가 하단부(420)에 의해 방해를 받게 된다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 서브마운트(310)는 고저차를 가져 상단부(410)와 하단부(420)로 분리한다. The
제1 삽입부(414)는 상단부(410)에 구현되어, 상단부(410)에 레이저 다이오드(320)가 배치될 수 있도록 한다. 제1 삽입부(414)는 일정 깊이의 홈을 구비할 수 있어, 레이저 다이오드(320)가 제1 삽입부(414)에 배치될 경우, 좌우로 이동하지 않도록 고정할 수 있다.The
제2 삽입부(418)는 상단부(410)에 구현되어, 상단부(410)에 FAC 렌즈(330)가 배치될 수 있도록 한다. 제2 삽입부(418)는 제1 삽입부(414)로부터 레이저 다이오드(320)가 레이저 빔을 조사하는 방향의 전방에 형성되어, FAC 렌즈(330)가 레이저 다이오드(320)의 전방에 배치될 수 있도록 한다. 특히, 제2 삽입부(418)는 제1 삽입부(414)에 인접하여 형성됨에 따라, 레이저 다이오드(320)로부터 출력되는 레이저 빔이 바로 FAC 렌즈(330)를 거칠 수 있도록 한다.The
제3 삽입부(425)는 하단부(420)에 구현되어, 하단부(420)에 SAC 렌즈(340)가 배치될 수 있도록 한다. 제3 삽입부(425)는 제2 삽입부(418)로부터 레이저 다이오드(320)가 레이저 빔을 조사하는 방향의 전방에 형성되며, FAC 렌즈를 거친 레이저 빔의 폭을 온전히 SAC 렌즈가 줄일 수 있는, 하단부(420)의 위치에 형성된다.The
각 삽입부(제1 내지 제3 삽입부)에 삽입되는 각 구성(고출력 레이저 다이오드, FAC 렌즈 및 SAC 렌즈)은 에폭시를 이용한 UV 경화가 진행되며 삽입부에 삽입된 채 단단히 고정될 수 있다.Each component (high power laser diode, FAC lens, and SAC lens) inserted into each insertion part (first to third insertion part) is UV cured using epoxy and can be firmly fixed while being inserted into the insertion part.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 레이저 다이오드와 FAC 렌즈가 삽입되는 과정을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 FAC 렌즈가 삽입된 상태에서 레이저 다이오드에서 레이저 빔이 출력되는 모습을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a process of inserting a laser diode and a FAC lens into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a diagram showing a state in which a laser beam is output from a laser diode in a state in which a lens is inserted.
도 5를 참조하면, 전술한 바와 같이, 상단부(410)의 제1 삽입부(414)에는 냉각부(360)와 레이저 다이오드(320)가, 상단부(410)의 제2 삽입부(418)에는 FAC 렌즈(330)가 배치된다. 도 10을 참조하여 후술하듯이, 냉각부(360)의 기 설정된 위치(냉각이 집중적으로 되는 위치) 상에 레이저 다이오드(320)가 배치되어, 효율적으로 냉각되며 레이저 빔을 발진시킨다.Referring to FIG. 5 , as described above, the
이처럼 각 구성요소가 배치됨으로써, 레이저 다이오드(320)에서 조사되는 빔이 별도의 정렬과정 없이도 FAC 렌즈(330)를 통과할 수 있으며, 조사된 빔이 Fast Axis축(수직 방향)으로 분산되는 것을 방지할 수 있다.As each component is arranged in this way, the beam irradiated from the
도 6을 참조하면, 레이저 다이오드(320)에서 조사되어 FAC 렌즈(330)거친 레이저 빔이 Fast Axis축(수직 방향)으로의 분산이 최소화되어 조사되는 것을 확인할 수 있다. 다만, FAC 렌즈(330)만이 서브 마운트(310)에 장착되어 있기 때문에, 조사된 레이저 빔이 Slow Axis 축으로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해, 고출력 레이저 다이오드 칩은 서브 마운트(310)의 제3 삽입부(425)에 SAC 렌즈(340)를 추가로 배치한다.Referring to FIG. 6 , it can be seen that the laser beam irradiated from the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 SAC 렌즈가 추가로 삽입되는 과정을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 서브마운트에 SAC 렌즈가 삽입된 상태에서 레이저 다이오드에서 레이저 빔이 출력되는 모습을 도시한 도면이다.7 is a diagram illustrating a process of additionally inserting a SAC lens into a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a view showing a SAC lens in a submount in an optical module according to an embodiment of the present invention It is a diagram showing a state in which a laser beam is output from a laser diode in a state where is inserted.
전술한 바와 같이, 하단부(420)의 제3 삽입부(425)에는 SAC 렌즈(340)가 배치된다.As described above, the
제3 삽입부(425)에 SAC 렌즈(340)가 배치됨에 따라, Slow Axis 축으로 분산되는 레이저 빔의 발산각을 감소시킨다.As the
이처럼 SAC 렌즈(340)가 배치된 후, SAC 렌즈(340)를 거친 레이저 빔을 반사시켜 집광 렌즈(120)로 입사시키기에 적합한 (서브마운트의 하단부 상의) 위치에 미러(미도시)가 배치된다. 미러(미도시)에 의해 분산이 최소화된 레이저 빔이 집광 렌즈(120)로 반사된다.After the
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 광모듈이 배치된 모습을 도시한 도면이다.9 is a view showing a state in which a plurality of optical modules are arranged according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 도 4 내지 8 과정을 거치며 제조된 각각의 광모듈이 서로 인접하여 배치되며 레이저 빔을 집광 렌즈(120)로 조사할 수 있다. 이때, 각 광모듈의 서브마운트(310) 내 상단부(410)의 높이는 서로 다르게 구현됨으로서, 각 광모듈에서 조사되는 레이저 빔이 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 중첩되지 않도록 한다.Referring to FIG. 9 , each of the optical modules manufactured through the processes of FIGS. 4 to 8 are disposed adjacent to each other, and a laser beam may be irradiated to the condensing lens 120 . At this time, the heights of the upper ends 410 of the
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 냉각부의 구성을 도시한 도면이다.10 is a diagram showing the configuration of a cooling unit in an optical module according to an embodiment of the present invention.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈 내 냉각부(360)는 상판(1010a), 제1 판(1010b), 제2 판(1010c), 제3 판(1010d) 및 하판(1010e)을 포함한다. Referring to FIG. 10 , the
각 판(1010a 내지 1010e)은 제1 중공(1020) 및 제2 중공(1025)을 포함한다.Each
상판(1010a) 상의 기 설정된 위치(1040)에 레이저 다이오드가 배치된다. 상판(1010a)의 제1 중공 및 제2 중공이 형성된 부분에는 오링(O-Ring, 미도시)이 배치되어 상판(1010a) 상으로 냉각수가 유입되는 것을 방지한다.A laser diode is disposed at a
제1 판(1010b)은 제1 중공(1020)으로부터 레이저 다이오드가 배치될 위치(1040) 하단으로 냉각수를 유입시키는 유로(1030)를 포함한다. 유로(1030)는 복수 개가 형성되어, 냉각수가 어떠한 유로(1030)로 유입될 수 있도록 하고, 특정 유로에서 다른 유로로 유입될 수 있도록 한다.The
제2 판(1010c)는 유로(1030)에 대응되는 위치에, 냉각수가 제1 판(1010b)에서 제3 판(1010c)로 상승하거나 제3 판(1010c)에서 제1 판(1010b)으로 하강할 수 있도록 하는 관통공(1034)을 포함한다. 관통공(1034)은 유로(1030)에 대응되는 위치에, 유로(1030)와 동일한 개수만큼 포함된다. The
제3 판(1010d)은 관통공(1034)을 거쳐 유입되는 냉각수를 제2 중공(1025)으로 배출시키는 유로(1038)를 포함한다. 유로(1038)는 제3 판(1010d) 내에서 유로(1030) 및 관통공(1034)과 대응되는 위치에 형성되어, 유로(1030)로 유입되어 관통공(1034)을 거치며 상승하는 냉각수를 유입받는다. 지속적으로 냉각수가 유입되는 상황일 경우, 유로(1038)로 유입된 냉각수는 자신에 인접한 다른 유로(1038)로 유입되어 관통공(1034)을 거쳐 (인접한) 유로(1030)로 진행한다. 또는, 유로(1038)로 유입된 냉각수는 유로(1038)를 따라 제2 중공(1025)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다.The
냉각부(360)의 각 구성은 냉각수를 유입받아 전술한 바와 같이 유동시키기 때문에, 유입되는 냉각수에 의해 레이저 다이오드가 배치될 위치(1040)가 집중적으로 냉각될 수 있다. 이에 따라, 레이저 다이오드(320)는 원활히 냉각되며 레이저 빔을 효율적으로 발진시킬 수 있다.Since each component of the
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.
100: 고출력 레이저 출력장치
110: 고출력 레이저 다이오드 광모듈
120: 집광 렌즈
130: 광 케이블
310: 서브마운트
320: 레이저 다이오드
330: FAC 렌즈
340: SAC 렌즈
350: 미러
360: 냉각부
410: 상단부
414: 제1 삽입부
418: 제2 삽입부
420: 하단부
425: 제3 삽입부
1010: 판
1020, 1025: 중공
1030, 1038: 유로
1034: 관통공100: high power laser output device
110: high power laser diode optical module
120: condensing lens
130: optical cable
310: submount
320: laser diode
330: FAC lens
340: SAC lens
350: mirror
360: cooling unit
410: upper part
414: first insertion part
418: second insertion part
420: lower part
425 third insert
1010: plate
1020, 1025: hollow
1030, 1038: Euro
1034: through hole
Claims (12)
상기 광 케이블의 전방에 배치되어, 입사되는 레이저 빔들을 상기 광 케이블의 코어로 집광하는 집광 렌즈; 및
레이저 빔을 각각 생성하여, 상기 집광 렌즈로 반사시키는 복수의 레이저 다이오드 광모듈을 포함하며,
상기 레이저 다이오드 광모듈은,
레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드 하단에 배치되어 상기 레이저 다이오드를 냉각시키는 냉각부;
상기 레이저 다이오드가 조사하는 광 축상의 레이저 다이오드의 전방에 배치되어, 레이저 빔의 수직 방향으로의 분산을 억제하는 FAC 렌즈;
상기 FAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔의 수평 방향으로의 분산을 억제하는 SAC 렌즈;
상기 SAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 미러; 및
상기 레이저 다이오드 광모듈 내 각 구성을 배치시키며 고정하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.optical cable;
a condensing lens disposed in front of the optical cable to condense incident laser beams into the core of the optical cable; and
It includes a plurality of laser diode optical modules each generating a laser beam and reflecting the laser beam to the condensing lens;
The laser diode optical module,
a laser diode for generating a laser beam;
a cooling unit disposed below the laser diode to cool the laser diode;
a FAC lens disposed in front of the laser diode on an optical axis irradiated by the laser diode and suppressing dispersion of the laser beam in a vertical direction;
a SAC lens that receives the laser beam that has passed through the FAC lens and suppresses dispersion of the laser beam in a horizontal direction;
a mirror for reflecting the laser beam passing through the SAC lens to the condensing lens; and
and a submount for arranging and fixing each component in the laser diode optical module.
상기 냉각부는,
상기 서브마운트 및 상기 레이저 다이오드의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.According to claim 1,
the cooling unit,
A laser output device characterized in that disposed between the submount and the laser diode.
상기 냉각부는,
상판, 제1 판, 제2 판, 제3 판 및 하판을 포함하며, 각 판에는 제1 중공 및 제2 중공이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.According to claim 1,
the cooling unit,
A laser output device comprising an upper plate, a first plate, a second plate, a third plate and a lower plate, wherein a first hollow and a second hollow are formed in each plate.
상기 레이저 다이오드는,
상기 상판 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.According to claim 3,
The laser diode,
A laser output device, characterized in that disposed on the top plate.
상기 냉각부는,
상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치를 집중적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.According to claim 4,
the cooling unit,
A laser output device characterized by intensively cooling a position where the laser diode is disposed.
상기 제1 판은,
상기 제1 중공으로 유입되는 냉각수를 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단까지 냉각수를 유입시키는 복수의 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 출력장치.According to claim 3 or 5,
The first edition,
and a plurality of passages through which the cooling water flowing into the first hollow is introduced to a lower end of the position where the laser diode is disposed.
레이저 빔을 생성하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드 하단에 배치되어 상기 레이저 다이오드를 냉각시키는 냉각부;
상기 레이저 다이오드가 조사하는 광 축상의 레이저 다이오드의 전방에 배치되어, 레이저 빔의 수직 방향으로의 분산을 억제하는 FAC 렌즈;
상기 FAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 입사받아, 레이저 빔의 수평 방향으로의 분산을 억제하는 SAC 렌즈;
상기 SAC 렌즈를 통과한 레이저 빔을 상기 집광 렌즈로 반사시키는 미러; 및
상기 레이저 다이오드 광모듈 내 각 구성을 배치시키며 고정하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈.A laser diode optical module disposed in a laser output device to output a laser to an optical cable through a condensing lens,
a laser diode for generating a laser beam;
a cooling unit disposed below the laser diode to cool the laser diode;
a FAC lens disposed in front of the laser diode on an optical axis irradiated by the laser diode and suppressing dispersion of the laser beam in a vertical direction;
a SAC lens that receives the laser beam passing through the FAC lens and suppresses dispersion of the laser beam in a horizontal direction;
a mirror for reflecting the laser beam passing through the SAC lens to the condensing lens; and
An optical module comprising a submount for arranging and fixing each component in the laser diode optical module.
상기 냉각부는,
상기 서브마운트 및 상기 레이저 다이오드의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광모듈.According to claim 7,
the cooling unit,
An optical module characterized in that disposed between the submount and the laser diode.
상기 냉각부는,
상판, 제1 판, 제2 판, 제3 판 및 하판을 포함하며, 각 판에는 제1 중공 및 제2 중공이 형성된 것을 특징으로 하는 광모듈.According to claim 7,
the cooling unit,
An optical module comprising an upper plate, a first plate, a second plate, a third plate, and a lower plate, wherein a first hollow and a second hollow are formed in each plate.
상기 제1 판은,
상기 제1 중공으로 유입되는 냉각수를 상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단까지 냉각수를 유입시키는 복수의 제1 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈.According to claim 9,
The first edition,
The optical module comprising a plurality of first passages through which the cooling water introduced into the first hollow is introduced to a lower end of the position where the laser diode is disposed.
상기 제3 판은,
상기 레이저 다이오드가 배치되는 위치 하단에서 상기 제2 중공을 거쳐 외부로 냉각수를 배출하도록 하는 복수의 제2 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈.According to claim 9,
The third edition,
The optical module comprising a plurality of second passages through which the cooling water is discharged to the outside through the second hollow at the lower end of the position where the laser diode is disposed.
상기 제2 판은,
상기 제1 유로로 유입되는 냉각수가 상기 제3 유로로 유입되거나, 상기 제3 유로로 유입된 냉각수가 상기 제1 유로로 유입될 수 있도록 하는 복수의 관통공을 포함하는 것을 특징으로 하는 광모듈.
According to claim 10 or 11,
The second edition,
The optical module comprising a plurality of through-holes through which the cooling water flowing into the first channel flows into the third channel or through which the cooling water flowing into the third channel flows into the first channel.
Priority Applications (1)
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Patent Citations (4)
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