KR20230119129A - 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents
레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 레이저 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위해 의도된 방법 및 디바이스들에 관한 것이며, 광학 부품 홀더들은 레이저 베이스 플레이트에 부착되고, 레이저 베이스 플레이트는 열전달 매체를 포함한다. 국부적인 온도 차이에 대한 레이저 베이스 플레이트의 민감성을 감소시키기 위해, 광학 부품들의 안정적인 위치들을 보장하고, 결과적으로 광학 경로들의 배향을 보장하기 위해, 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들이 만들어지는 재료는 스테인리스 강이다. 수동 열전달 요소들은 레이저 베이스 플레이트에 형성되며 스테인리스 강보다 상당히 더 높은 열전도율을 가지며, 이들의 열팽창 계수는 스테인리스 강의 열팽창 계수에 가깝다. 광학 부품들의 홀더들은 레이저 스폿 용접에 의해 상기 레이저 베이스 플레이트에 서로에 대해 부착되고 조정된다.
Description
본 발명은 레이저 기술의 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
통상적으로, 레이저 베이스 플레이트 또는 레이저 본체 및 광학 부품 홀더는 알루미늄 합금으로 제조되는데, 그 이유는 알루미늄은 열전도율 (약 230 W/K/m) 이 좋고, 기계적 가공이 용이하며, 강도 및 낮은 중량을 가지고, 알루미늄은 비교적 저렴한 금속이기 때문이다. 그러나, 알루미늄은 또한 단점을 갖는데: 알루미늄 부품들은 기계적 처리 및 자연 시효 (natural aging) 후에 잔류 응력으로 인해 뒤틀리는 경향이 있어서, 레이저 광학 부품들의 일정한 위치들을 보장하고 광학 경로들의 안정한 배향을 유지하는 것을 어렵게 하며, 알루미늄 용접은 복잡한 공정이며, 미러, 렌즈, 광섬유 스플리터, 편광기 등의 홀더에 의한 광기계적 조립체는 일반적으로 나사 또는 접착에 의해 레이저 베이스 플레이트에 체결되며, 이는 바람직하지 않은 응력을 초래하며, 이는 또한 광학 부품들의 오정렬을 초래할 수 있다. 또한, 레이저 온도 변화 및 온도 구배가 발생함에 따라 광학 부품들의 일정한 위치들 및 광학 경로들의 안정적인 지향성을 확보하기 위해, 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들은 인바 (invar) 또는 코바 (kovar) 와 같은 초저온 팽창 특성을 갖는 합금들로 이루어진다. SiO2 (이산화 규소) 로부터 레이저 베이스 플레이트를 제조하려는 시도도 있다.
온도 변화에 약하게 의존하며, 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 SiO2 또는 인바로 이루어진 레이저 매질, 공진기 및 공진기 지지 하우징으로 구성되는 공지된 안정화 레이저 디바이스가 있다. 공지된 레이저 디바이스는 일본 특허 출원 JP S5645091 (A), 1981 에 기재되어 있다.
공지된 레이저 디바이스의 단점은 인바 및 SiO2 로부터 더 큰 크기의 레이저 베이스 플레이트를 제조하고 그것에 광기계적 조립체들을 용접하는 것이 기술적으로 어렵다는 것이다. 또한, SiO2 및 인바는 열전도체들이 상대적으로 열악하여 발열 레이저 부품들의 열 소산에 부적합하다. 또한, SiO2 및 인바는 알루미늄 합금이나 스테인리스 강에 비해 고가의 재료이다.
인바 합금으로 이루어진 베이스 상에 입력 및 출력 미러를 장착하고, 미러들 사이에 레이저 결정과 비선형 광학 결정들을 배열하며, 비선형 광학 결정과 베이스 사이에 열교환기를 장착하여 의도한 비선형 광학 결정 온도를 유지하는 공지된 레이저 공진기가 있다. 공지된 레이저 공진기는 일본 특허 출원 JPH0895104 (A), 1996 에 기재되어 있다.
공지된 디바이스의 단점은, 디바이스의 베이스를 구성하는 인바 합금이 알루미늄에 비해 열악한 열전도체이고, 레이저 요소들을 강하게 가열하기 때문에 열 소산에 적합하지 않다는 것이다. 게다가, 인바 합금은 알루미늄 합금이나 스테인리스 강에 비해 고가이다.
열전 냉각기에 의해 열적으로 안정화된 저온 팽창성 베이스 플레이트에 부품들이 탑재되는 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저들의 조립체에 의해 후방에서 적층된 공지된 고체 상태 레이저가 있다. 상기 레이저는 히트 싱크, 상기 히트 싱크 상에 장착된 열전 냉각기, 상기 열전 냉각기 상에 장착된 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트 상에 장착된 다이오드 레이저들 및 광학 요소들을 포함한다. 광학 시스템은 다이오드 레이저의 파장이 활성 매체의 흡수 대역에 매칭되는 특정 온도에서 작동하도록 된다. 써미스터는 베이스 플레이트의 온도를 측정하고, 열전 냉각기의 전류를 조절함으로써 주변 온도와 무관하게 베이스 플레이트의 작동 온도가 일정하게 유지된다. 공지된 레이저는 미국 특허 출원 US5181214 (A), 1993 에 기재되어 있다.
공지된 레이저의 단점은 대형 레이저 베이스 플레이트의 온도를 안정화시키기 위해 이 방법을 적용하는 것이 복잡하고 고가이며, 많은 수의 열전 냉각기 및 열전 부품들을 통전시키기 위한 많은 양의 전기가 필요하고, 열전 냉각기에서 방출되는 많은 양의 열로 인해 추가적인 열 소산 수단이 제공되어야 한다는 것이다. 또한, 수직방향으로는 베이스의 상부로부터 열전 냉각기가 장착되는 하부까지 온도 구배가 크게 발생하여, 그 결과 특히 베이스 플레이트의 온도 팽창 계수가 무시할 수 있을 정도로 낮지 않으면 베이스 플레이트가 굽어질 수 있다.
광학 부품들을 광학 스탠드에 부착하기 위한 공지된 방법 및 디바이스가 있으며, 광학 부품은 광학 홀더의 수직 부분 상에 장착되고 홀더의 수직 부분은 홀더의 베이스 플레이트에 부착된다. 홀더의 베이스 플레이트는 홀더의 메인 플레이트를 광학 스탠드에 납땜하기 위해 사용되는 저항성 히터와 같은 히터를 포함한다. 광학 부품 장착 홀더가 광학 스탠드에 이미 납땜된 후에 재위치시키기 위해, 솔더가 용융될 때까지 히터를 켠 다음, 홀더의 위치가 변경되고 히터가 꺼진다. 광학 부품들을 광학 스탠드에 부착하기 위한 공지된 방법 및 디바이스는 미국 특허 번호 6,292,499 (B1), 2001 에 기재되어 있다.
공지된 방법 및 디바이스의 단점은, 광학 부품용 장착 홀더가 땜납을 가열 및 용융시킨 후에 조정되므로, 그 결과 광학 스탠드의 넓은 영역이 온도에 노출될 뿐만 아니라 홀더가 뜨거워지고, 땜납이 냉각 및 응고됨에 따라 온도 변화 및 결과적인 응력에 의해 광학 부품의 위치가 변할 수 있다는 것이다. 또한, 땜납을 액체에서 고체 상태로 이송하는 동안 광학 부품들의 위치가 변경될 수 있으며, 이에 따라 광학 경로의 방향이 변경될 수 있다.
10 ~ 20,000 W/m/K 의 유효 열전도율을 갖는 기계적으로 제어되는 진동 히트 파이프에 의해 전체 박판 레이저 결정 또는 세라믹을 통하여 거의 등온 온도에 도달하도록 하는 박판 레이저 시스템을 위한 공지된 열적 제어 디바이스 및 방법이 있으며, 박판 레이저 결정 또는 세라믹과 지지 구조물의 열팽창 계수는 매칭된다. 박판 레이저 시스템을 위한 공지된 열적 제어 디바이스 및 방법은 국제 특허 출원 WO 2011091381 A2, 2011 에 기재되어 있다.
공지된 방법 및 디바이스의 단점은, 고출력의 박판 레이저 결정 또는 세라믹 마운트의 문제가 온도 구배를 제거하고 이에 상응하여 박판 변형을 제거함으로써 해결되지만, 레이저 베이스 플레이트에 광학 부품들을 부착하고 광학 부품들의 위치를 안정화시키는 문제는 해결되지 않는다는 것이다.
광학 스탠드용 액체 냉각 시스템 및 광학 스탠드의 열적 안정성을 보장하기 위한 방법이 공지되어 있다. 광학 스탠드는 채널들의 네트워크에서 순환하는 광학 스탠드 내의 액체에 의해 냉각되고, 광학 스탠드는 냉각 플레이트에 의해 냉각될 수 있으며, 일부 경우에, 액체는 많은 양의 열을 방출하는 광학 부품들을 추가적으로 냉각한다. 이러한 방식으로, 채널 네트워크 내의 액체 유동들의 적절한 제어는 광학 스탠드의 냉각 및 심지어 온도 분포를 보장한다. 광학 스탠드를 액체로 냉각시키기 위한 공지된 시스템 및 방법은 미국 특허 출원 US 2020161825 (A1) 에 기재되어 있다.
유동 액체로 광학 스탠드의 온도를 안정화시키기 위한 공지된 시스템 및 방법의 단점은, 액체를 냉각에 사용하고, 액체가 시스템에 침투하는 것을 방지하기 위해 특별한 밀봉 조치를 취해야 한다는 것이다. 또한, 냉각 및 온도 안정화를 위해 액체를 냉각 및 펌핑하기 위한 칠러가 필요하다. 광학 스탠드의 액체 냉각은 또한 추가적인 보수 및 서비스를 요구하며, 이는 추가적인 비용과 시간이다.
하우징 및 장착 부품이 구리로 형성된 메인 본체를 갖고 강으로 구성된 외장 (sheathing) 을 갖는 공지된 레이저 다이오드 조립체가 있다. 그 결과, 강으로 구성된 장착 면적을 달성할 수 있으면서 동시에, 구리에 의해 향상된 열전도율을 얻을 수 있다.
공지된 디바이스의 단점은 레이저 다이오드 조립체 하우징의 열전도율이 개선되지만, 이는 레이저 온도 변화 및 온도 구배가 생겨서 레이저 베이스 플레이트의 변형 및 서로에 대한 광학 요소들의 위치의 오정렬의 문제를 해결하지 못한다는 것이다. 공지된 레이저 다이오드 조립체는 미국 특허 출원 US 20140092931A1, 2014 에 기재되어 있다.
물이 유동하는 2 개의 평행한 구리 튜브들을 구비한 공지의 수냉식 브레드보드 (breadboard) 가 있다.
알려진 브레드보드의 단점은, 보드로부터의 열 제거가 구리 튜브들을 통해 유동하는 물을 필요로 하고, 따라서 설비가 칠러를 구비해야 한다는 것이다. 또한, 구리 튜브들을 통해 유동하는 물은 브레드보드보다 차갑고, 따라서 브레드보드를 구부리는 온도 구배를 생성한다. 공지된 수냉식 브레드보드는 문헌 Base Lab Tools: "October 2015 Newsletter-Liquid cooled breadboard", 25 October 2015 (2015-10-25), pages 1-4, XP55836026, Retrieved from the Internet: URL: https://www.baselabtools.com /October-2015-Newsletter_b_22.html [retrieved on 2021-08-30] 에 설명되어 있다.
본 발명은 레이저 베이스 플레이트의 국부적인 온도 차이에 대한 저항성을 높이고, 광학 부품들의 안정적인 위치결정 및 그에 따른 광학 경로의 지향성을 보장하며, 레이저 부품들에 의해 방출되는 열에 의해 레이저 베이스 플레이트에 형성되는 온도 구배를 억제하고, 그에 따라 레이저 베이스 플레이트의 결과적인 돌출부들을 감소시키고, 레이저가 켜질 때 레이저의 예열 시간을 감소시키고, 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들의 자연적인 시효에 대한 저항성을 보장하며, 레이저의 신뢰성 및 수명을 증가시키고, 또한 레이저의 기계적 부품의 구성을 단순화하며, 레이저 생산 비용을 감소시키고, 레이저 조립 및 조정의 절차들을 단순화하며, 레이저를 대량 생산하도록 적응시키기 위한 것이다.
본 발명에 따라서 상기 과제를 해결하기 위하여, 레이저 광학 부품들의 홀더들이 레이저 베이스 플레이트에 부착되는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하는 방법으로서, 이하의 단계들:
레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들을 형성할 재료를 선택하는 단계,
상기 레이저 베이스 플레이트에 온도 균질화 수단을 제공하는 단계,
상기 광학 부품 홀더들을 상기 레이저 베이스 플레이트에 부착하고 이들의 최종 정렬 단계
를 포함하고,
상기 레이저 베이스 플레이트 및 상기 광학 부품 홀더들의 제조를 위해 선택된 재료는 스테인리스 강이고, 온도 균질화 수단은 레이저 베이스 플레이트에 형성된 구멍들의 배열체에 삽입된 세장형 수동 열전달 요소들로서 구성되고, 수동 열전달 요소들은 스테인리스 강보다 상당히, 바람직하게는 적어도 10 배 더 높은 열전도율 및 스테인리스 강의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 갖도록 선택되고, 적어도 2 개의 광학 부품 홀더들이 상기 레이저 베이스 플레이트에 부착되고 레이저 스폿 용접을 사용하여 서로에 대해 조정된다.
세장형 수동 열전달 요소들은 우수한 열전도율을 갖는 금속, 바람직하게는 구리, 보다 바람직하게는 순수한 구리로 이루어진다.
레이저 베이스 플레이트 내로 삽입되는 세장형 수동 열전달 요소들은 선택된 직경 및 길이의 로드들이다.
레이저 베이스 플레이트 내로 삽입되는 세장형 수동 열전달 요소들은, 선택된 직경 및 길이의, 열을 전달하기 위해 상 전이를 이용하는 히트 파이프들이다.
열전달 로드들 또는 히트 파이프들은 레이저 베이스 플레이트에 대하여 하나 이상의 상이한 방향들로 배열된다.
광학 부품 홀더들은 모놀리식 (monolithic) 이고, 레이저 베이스 플레이트에 장착하기 전에, 홀더들은 2 개의 직교 병진 좌표들 및 하나의 회전 좌표에 따라 레이저 베이스 플레이트의 평면 내에 정렬되고, 그 후에 홀더들은 레이저 스폿 용접을 사용하여 장착되고, 장착 후에, 레이저 스폿 용접을 사용하여 최종 정렬이 수행된다.
광학 부품 홀더들은, 2 개의 모놀리식 블록들로 구성되는 복합물이고, 이들은 레이저 베이스 플레이트의 평면에 수직인 평면에서 서로 조립 및 정렬되고 레이저 스폿 용접에 의해 체결되고, 조립된 홀더는 레이저 베이스 플레이트의 평면에 정렬되고 레이저 스폿 용접에 의해 레이저 베이스 플레이트에 체결되거나, 레이저 스폿 용접을 사용하여 하부 블럭을 레이저 베이스 플레이트에 먼저 정렬 및 체결한 후, 레이저 스폿 용접을 사용하여 상부 블럭을 블럭에 정렬 및 체결한다.
레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스로서, 레이저 광학 부품들을 위한 홀더들이 레이저 베이스 플레이트에 부착되고, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 수단을 포함하며, 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들이 스테인리스 강으로 제조되고, 레이저 베이스 플레이트의 온도 균질화 수단은 레이저 베이스 플레이트에 형성된 구멍들의 배열체에 삽입된 세장형 수동 열전달 요소들로서 구성되며, 여기서 수동 열전달 요소들의 열전도율은 스테인리스 강의 열전도율보다 상당히, 바람직하게는 10 배 이상 더 높고, 열팽창 계수는 스테인리스 강의 열전도율에 근접하며, 적어도 2 개의 광학 부품 홀더들이 레이저 베이스 플레이트에 부착되고 레이저 스폿 용접에 의해 서로에 대해 최종적으로 조정된다.
수동 열전달 요소들은 우수한 열전도율을 갖는 금속, 바람직하게는 구리, 보다 바람직하게는 순수한 구리로 이루어진다.
레이저 베이스 플레이트 내로 삽입되는 세장형 수동 열전달 요소들은 선택된 직경 및 길이의 로드들이다.
레이저 베이스 플레이트 내로 삽입되는 세장형 수동 열전달 요소들은, 선택된 직경 및 길이의, 열을 전달하기 위해 상 전이를 이용하는 히트 파이프들이다.
수동 열전달 요소들은 레이저 베이스 플레이트에 대하여 하나 이상의 상이한 방향들로 배열된다.
수동 열전달 요소들은 서로 등간격으로 일 방향으로 배열된 레이저 베이스 플레이트에 형성된 구멍들에 삽입된다.
수동 열전달 요소들은, 선택적으로 레이저 베이스 플레이트의 폭 및/또는 길이 및/또는 높이에 따라, 상이한 방향들로 교차하지 않고 배열되는, 레이저 베이스 플레이트에 형성된 구멍들에 삽입된다.
수동 열전달 요소들의 단부들은 상응하는 추가적인 수동 열전달 요소들에 의해 레이저 베이스 플레이트의 외측에 연결된다.
과잉의 열을 소산시키기 위한 히트 싱크들이 그 측면들 상의 레이저 베이스 플레이트의 외측 및 수동 열전달 요소들 상에 배열된다.
광학 부품들의 홀더들은 매립된 로드-형상의 수동 열전달 수단을 갖는다.
레이저 베이스 플레이트에서, 냉매, 바람직하게는 물이 유동하는 과잉 열을 소산시키기 위해 선택된 형상과 방향의 채널들이 추가로 형성된다.
레이저 베이스 플레이트 및 홀더들은 AISI 304 스테인리스 강으로 제조된다.
본 발명의 장점은, 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들이 우수한 기계적 특성들을 갖지만 열악한 열전도율을 가진 스테인리스 강으로 형성되어, 레이저 베이스 플레이트는 수동 열전달 수단을 포함하고, 이 수동 열전달 수단은 레이저 베이스 플레이트의 열전도율을 상당히 향상시키고 그리고 레이저 증폭 매체와 같은 일부 광학 부품들에 의해 방출되는 열에 의한 레이저 베이스 플레이트의 온도 구배를 감소시키며, 이는 레이저 베이스 플레이트의 변형을 상당히 감소시키고 이에 따라 광학 부품의 오정렬 및 광학 경로의 오정렬을 감소시키는 것이다.
스테인리스 강은 우수한 기계가공 특성을 가지고, 밀링, 선삭될 수 있고, 용이하게 아크-용접 및 레이저 용접되며, 기계적 처리후에 낮은 잔존 변형을 가지고, 내식성이 높고, 자연적인 시효에 대한 저항성을 가지며, 전술한 특성들로 인하여, 수년이 지나도, 레이저 베이스 플레이트가 뒤틀리지 않고, 광학 부품들의 홀더들이 뒤틀리지 않고, 레이저가 뒤틀리지 않으며, 레이저 파라미터들이 변하지 않는다. 그러나, 스테인리스 강은 알루미늄 (236 W/m/K) 에 비해 충분히 낮은 열전도율 (15 ~ 18 W/K/m) 을 가지며, 본 발명에 따르면, 스테인리스 강으로 이루어진 레이저 베이스 플레이트의 열전도율을 향상시키기 위해, 바람직하게는 대칭적으로 그리고 균일하게 이격된 레이저 베이스 플레이트에 배열된 레이저 베이스 플레이트들의 열전도율을 효과적으로 향상시키기 위한 수동 열전달 수단이 제공된다. 수동 열전달 수단은 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍에 삽입되는 구리 로드들일 수 있다. 구리는 매우 높은 열전도율 (400 W/K/m) 및 스테인리스 강의 열팽창 계수와 충분히 잘 매칭하는 열팽창 계수를 갖는다. 레이저 베이스 플레이트의 총 열전도율은 스테인리스 강 레이저 베이스 플레이트 내의 구리 로드들의 충전 밀도에 의존한다. 예를 들어, 균일하게 이격된 구리 로드들의 체적이 레이저 베이스 플레이트의 체적의 절반을 차지하면, 그러한 복합 레이저 베이스 플레이트들의 열전도율은 알루미늄의 열전도율에 가깝다. 레이저 베이스 플레이트의 전체 열전도율을 이렇게 향상시킴으로써, 레이저 베이스 플레이트의 기계적 특성들이 상당히 변하고 스테인리스 강의 기계적 특성들만큼 양호하다.
또한, 레이저 베이스 플레이트의 향상된 열전도율로 인하여, 수동 열전달 수단의 삽입으로 레이저의 예열 시간이 대폭 단축되고, 레이저가 켜진 후 레이저의 작동 온도 분포가 훨씬 빠르게 정착된다.
스테인리스 강 레이저 베이스 플레이트 내의 수동 열전달 수단은 레이저 베이스 플레이트를 가로지르는 것과 같이 임의의 방향으로 선택적으로 배열 및 배향될 수 있고, 수동 열전달 수단의 배향 방향에 따라, 열은 동일한 방향으로 최상으로 전달될 것이다. 또한, 동일한 레이저 베이스 플레이트에서, 수동 열전달 수단은 여러 방향으로 배향될 수 있으며, 예를 들어 레이저 베이스 플레이트의 길이, 폭 및 두께에 따라 배향될 수 있으며, 이 경우 수동 열전달 수단은 2 차원 또는 3 차원 격자를 형성한다.
또한, 수동 열전달 수단은 금속 히트 파이프들일 수 있고, 수동 열전달 수단에서 액체의 상변이가 열전달에 사용되고, 액체를 증발시키고 파이프의 저온부에서 증기를 응축함으로써 파이프의 고온부로부터 열을 전달한다. 히트 파이프들의 유효 열전도율은 100 kW/K/m 에 도달할 수 있는 반면, 구리의 열전도율은 약 0.4 kW/K/m 이다.
수동 열전달 수단과 레이저 베이스 플레이트 사이의 열적 접촉은 열적 페이스트, 연성 솔더 또는 인듐을 사용하여 개선된다.
또한, 레이저 베이스 플레이트의 열적 특성들을 향상시키기 위하여, 레이저 베이스 플레이트 외측의 수동 열전달 수단의 단부들은 추가적인 수동 열전달 수단에 추가로 연결될 수 있어, 온도를 보다 균일하게 분포시킬 수 있다.
레이저 베이스 플레이트는 레이저 베이스 플레이트 및 수동 열전달 수단에 히트 싱크들을 부착함으로써 냉각되며; 히트 싱크들은 공기 또는 물에 의해 냉각될 수 있다. 또한, 레이저 냉각을 향상시키기 위해, 레이저 베이스 플레이트에는 물과 같은 냉매가 유동하는 냉각 채널들이 추가로 제공될 수 있다.
스테인리스 강을 사용하는 다른 장점은, 또한 스테인리스 강으로 만들어진 광학 부품들의 홀더들이 레이저 스폿 용접을 사용하여 레이저 베이스 플레이트에 체결된다는 것이다. 레이저 스폿 용접은 작은 열적 충격 구역을 가져서, 그 결과 용접 동안 광학 부품들의 홀더들이 떨어지지 않는다. 이러한 체결 방법은, 나사, 접착 또는 납땜에 의한 체결에 비하여, 매우 높은 정확도, 온도 변화에 대한 저항성, 매우 낮은 잔류 응력을 특징으로 하고, 이는 레이저 온도 변화에 따른 광학 부품들의 안정적인 위치 및 광학 경로의 안정적인 방향성을 보장한다.
또한, 광학 부품들의 홀더들은 모놀리식일 수 있고, 스테인리스 강으로 제조되고, 2 개의 직교 병진 좌표 및 하나의 회전 좌표에 따라 레이저 베이스 플레이트의 평면에 정렬될 수 있다. 또한, 광학 부품 홀더들은 수직 평면들로 배열된 2 개의 모놀리식 블록들로 구성된 복합물일 수 있고, 광학 부품 홀더들은 레이저 베이스 플레이트에 부착되고, 복합 광학 부품 홀더들은 레이저 스폿 용접을 사용하여 조립된다.
더욱이, 수동 열전달 수단이 또한 광학 부품 홀더들에 통합되어 열적 성능을 더 향상시킬 수 있다.
또한, 레이저 스폿 용접된 광학 부품 홀더들은 레이저 펄스를 용접 또는 광학 부품 홀더들의 적절한 위치로 지향시킴으로써 동일한 용접 레이저로 매우 정확하게 정렬될 수 있다.
또한, 레이저 스폿 용접을 사용하여 레이저 베이스 플레이트에 광학 부품 홀더들을 부착하는 것은 자동화된 레이저 조립 및 대량 생산에 이상적이다.
또한, 레이저 스폿 용접은 접착 또는 납땜 기술들에 비해 광기계적 조립체를 체결하는 기술적으로 깨끗한 방법이다.
다른 장점은, 스테인리스 강이 알루미늄 합금에 비해 상당히 낮은 탈가스를 갖는다는 것이며, 이는 UV 스펙트럼 영역에서 더 높은 광학 고조파를 생성하는 레이저들에서 특히 중요하며; 레이저 베이스 플레이트 및 기계적 유닛들로부터 방출된 증기는 UV 방사선의 영향 하에 비선형 결정의 표면들에 디포짓되고, 그들의 특성들은 이들이 최종적으로 광학적으로 손상될 때까지 열화된다.
본 발명은 본 발명의 범위를 제한하지 않고 다음을 도시하는 도면들에 의해 상세히 설명된다.
도 1 은 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단을 갖는 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 반투명 이미지를 가진 축척측정 투영 (axonometric projection) 이 제시된다.
도 2a 는 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단을 갖는 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 이는 레이저 베이스 플레이트의 에지들에서 다른 수동 열전달 수단에 연결되고, 반투명 뷰를 갖는 축척측정 투영이 제시된다.
도 2b 는 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단을 갖는 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 이는 레이저 베이스 플레이트의 에지들에서 다른 수동 열전달 수단에 연결되고, 축척측정 투영이 제시되지만 불투명 뷰를 가진다.
도 3 은 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단 및 그 측면들 상에 장착된 냉각 히트 싱크들을 갖는 레이저 베이스 플레이트의 평면도를 도시한다.
도 4 는 모든 방향-(길이, 폭 및 높이) 을 따라 수동 열전달 수단이 삽입된 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 축척측정 투영이 제시된다.
도 5 는 Z 축을 통해 수동 열전달 수단이 삽입되고 이들 열전달 수단이 레이저 베이스 플레이트의 바닥에서 다른 수동 열전달 수단과 상호 연결되는 레이저 베이스 플레이트의 도면을 도시하고, X 축 방향에서, 냉매가 유동하는 냉각 채널들이 아래로부터 볼 때 형성된다.
도 6 은 광학 부품들의 홀더들을 도시하며, 하나의 홀더는 모놀리식이고, 다른 하나는 복합물이며, 레이저 스폿 용접을 사용하여 레이저 베이스 플레이트에 부착되고, 축척측정 투영이 제공되며, 레이저 베이스 플레이트의 단편만이 도시된다.
도 2a 는 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단을 갖는 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 이는 레이저 베이스 플레이트의 에지들에서 다른 수동 열전달 수단에 연결되고, 반투명 뷰를 갖는 축척측정 투영이 제시된다.
도 2b 는 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단을 갖는 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 이는 레이저 베이스 플레이트의 에지들에서 다른 수동 열전달 수단에 연결되고, 축척측정 투영이 제시되지만 불투명 뷰를 가진다.
도 3 은 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입된 수동 열전달 수단 및 그 측면들 상에 장착된 냉각 히트 싱크들을 갖는 레이저 베이스 플레이트의 평면도를 도시한다.
도 4 는 모든 방향-(길이, 폭 및 높이) 을 따라 수동 열전달 수단이 삽입된 레이저 베이스 플레이트를 도시하며, 축척측정 투영이 제시된다.
도 5 는 Z 축을 통해 수동 열전달 수단이 삽입되고 이들 열전달 수단이 레이저 베이스 플레이트의 바닥에서 다른 수동 열전달 수단과 상호 연결되는 레이저 베이스 플레이트의 도면을 도시하고, X 축 방향에서, 냉매가 유동하는 냉각 채널들이 아래로부터 볼 때 형성된다.
도 6 은 광학 부품들의 홀더들을 도시하며, 하나의 홀더는 모놀리식이고, 다른 하나는 복합물이며, 레이저 스폿 용접을 사용하여 레이저 베이스 플레이트에 부착되고, 축척측정 투영이 제공되며, 레이저 베이스 플레이트의 단편만이 도시된다.
본 발명에 따른 광학 부품들의 위치 및 광학 경로들의 배향의 안정화 방법은, 광학 부품 홀더들 및 레이저 베이스 플레이트의 재료를 선택하는 단계를 포함하고, 이러한 경우에, 선택된 스테인리스 강은 우수한 기계적 및 레이저 스폿 용접 특성들을 가지며, 레이저 베이스 플레이트의 열전도율은 증가하고, 동시에 온도 구배는 열전달 수단을 레이저 베이스 플레이트 내로 삽입함으로써 억제된다. 본 발명은 본질적으로 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들이 스테인리스 강으로 제조될 수 있게 하여, 알루미늄 합금에 가깝고 심지어 알루미늄 합금보다 더 우수한 열적 특성을 제공할 뿐만 아니라 스테인리스 강의 사용은 레이저 스폿 용접을 사용하여 레이저 베이스 플레이트에 대한 광학 부품 홀더들의 장착 및 정렬을 가능하게 한다.
도 1 은, 수동 열전달 요소들 (2) 이 X 축의 방향으로 서로로부터 등간격으로 배열되어, 도시된 경우에 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 가로질러 X 방향으로의 총 열전도율을 상당히 증가시키는 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 도시한다. 가장 간단한 경우에, 수동 열전달 요소들 (2) 은 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 밀링된 구멍들내에 나사결합되는 순수 구리로 구성된 나사 로드들일 수 있고, 구리와 스테인리스 강의 열팽창 계수는 매우 유사하여, 온도에 따라 유해한 응력이 발생하지 않는다. 그리고 훨씬 더 큰 열전도율을 위해, 수동 열전달 요소들 (2) 은 열을 전달하기 위해 상전이를 이용하는 광범위한 상업적으로 이용가능한 히트 파이프들로부터 선택될 수 있다. 수동 열전달 요소들 (2) 의 열팽창 계수는 스테인리스 강의 열팽창 계수와 유사한 것이 바람직하다.
도 2a 및 도 2b 는 레이저 베이스 플레이트의 외측에 삽입된 수동 열전달 요소들 (2) 을 다른 수동 열전달 요소들 (2') 에 연결하여 횡방향 뿐만 아니라 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 따라 열전도율을 향상시킨 것이다. 수동 열전달 요소들 (2 및 2') 은 동일하거나 상이할 수 있으며, 예를 들어 수동 열전달 요소들 (2) 은 구리 로드들일 수 있고, 수동 열전달 요소들 (2') 은 히트 파이프들일 수 있다. 도 2a 는 반투명 레이저 베이스 플레이트를 도시하고, 도 2b 는 투명하지 않은 레이저 베이스 플레이트를 도시한다.
도 3 은 주위 환경으로 과도한 열을 소산시키기 위해 그의 측면들 상에 장착된 히트 싱크들 (3) 을 갖는 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 도시하며, 히트 싱크들 (3) 은 수동 열전달 요소들 (2') 에 연결되고, 수동 열전달 요소들은 이어서 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 삽입된 수동 열전달 요소들 (2) 에 연결된다 (도 3 은 수동 열전달 요소들 (2) 을 도시하지 않음). 히트 싱크들 (3) 은 레이저 베이스 플레이트 (1) 뿐만 아니라 공기와 물 모두로 냉각될 수 있고, 과도한 열을 소산시키기 위해, 냉매가 유동하는 채널들 (4) 이 형성될 수 있다.
도 4 는 수동 열전달 요소들 (2) 이 바람직하게는 등간격으로 X, Y 및 Z 방향으로 배열되어, 모든 방향들로의 열전도율을 효과적으로 증가시키는 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 도시한다. 다른 낙하에 배열된 수동 열전달 수단은 중첩될 수 있다. 또한, 레이저 베이스 플레이트의 외측에서 추가적인 수동 열전달 요소들에 수동 열전달 요소들 (2) 을 추가적으로 연결할 수 있어 레이저 베이스 플레이트의 열적 특성들을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5 는 레이저 베이스의 바닥에서 Z 방향으로 배열된 수동 열전달 요소들 (2) 이 추가적인 수동 열전달 요소들 (2') 에 의해 상호 연결되어 레이저 베이스 플레이트의 Z 방향 뿐만 아니라 X 및 Y 방향으로의 열전도율을 효과적으로 개선시키는 레이저 베이스 플레이트 (1) 를 도시한다. 대안적으로, 냉각 채널들 (4) 은 레이저 베이스 플레이트 (1) 내에 형성될 수 있으며, 이를 통해 냉매, 바람직하게는 물이 유동하여 레이저 내의 과도한 열을 제거한다. 냉각 채널들 (4) 은 임의의 방향으로 배향된 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 임의의 지점에 형성될 수 있고 임의의 형상일 수 있다. 도면들에서, 레이저 베이스 플레이트 (1) 는 아래에서 도시된다.
도 6 은 레이저 스폿 용접 (6) 에 의해 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 부착된 모놀리식 및 복합 광학 부품 홀더들 (5, 5') 을 도시한다. 모놀리식 광학 부품 홀더 (5) 는 스테인리스 강의 고체 피스로 이루어지고, 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 횡방향 평면 및 하나의 각방향 좌표와 정렬된다. 복합 광학 부품 홀더 (5') 는 레이저 스폿 용접 (6') 에 의해 2 개의 상호 연결된 스테인리스 강 블록들 (7, 8) 로 구성되며, 복합 광학 부품 홀더 (5') 는 3 개의 횡방향 조정 자유도 및 2 개의 각방향 조정 자유도를 모두 갖는다. 광학 부품들 (9) 은 광학 부품 홀더들 (5, 5') 에 스프링-장착되거나 접착 또는 가압된다. 광학 부품들 (5, 5') 의 상기 홀더들의 장점은, 그 구성에 조정 가능한 나사들을 갖지 않고 레이저 스폿 용접에 의해 레이저 베이스 플레이트에 체결된다는 것이다. 수동 열전달 요소들 (2) 은 또한 광학 부품 홀더들 (5, 5') 에 추가로 삽입될 수 있다. 광학 부품들 (9) 은, 예를 들어 미러들, 렌즈들, 편광기들, 위상 플레이트들, 결정들, 시준기들, 빔 스플리터들 등이다.
구리 로드들이 레이저 베이스 플레이트에 밀링된 구멍들의 배열체에 삽입될 때, 히터가 켜질 때 레이저 베이스 플레이트의 온도는 훨씬 더 빠르게 안정화된다. 따라서, 레이저 베이스 플레이트에 수동 열전달 수단을 삽입함으로써, 레이저 베이스 플레이트가 덜 돌출할 뿐만 아니라, 레이저가 켜질 때 레이저의 작동 온도를 훨씬 빠르게 안정화한다.
수동 열전달 수단이 삽입된 스테인리스 강 레이저 베이스 플레이트 및 스테인리스 강 광학 부품 홀더들은 레이저의 기계적 부품에 대한 우수한 방안으로, 광학 부품들의 서로에 대한 위치 안정성을 보장한다.
Claims (19)
- 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법으로서,
레이저 광학 부품들의 홀더들이 상기 레이저 베이스 플레이트에 부착되고,
상기 방법은,
- 상기 레이저 베이스 플레이트 및 광학 부품 홀더들을 형성할 재료를 선택하는 단계,
- 상기 레이저 베이스 플레이트에 온도 균질화 수단을 제공하는 단계,
- 상기 광학 부품 홀더들을 상기 레이저 베이스 플레이트에 부착하고 이들의 최종 정렬 단계
를 포함하고,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 및 상기 광학 부품 홀더들 (5, 5') 의 제조를 위해 선택된 상기 재료는 스테인리스 강이며,
상기 온도 균질화 수단은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 형성된 구멍들의 배열체에 삽입된 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 로서 구성되고,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 은 스테인리스 강보다 상당히, 바람직하게는 적어도 10 배 더 높은 열전도율 및 스테인리스 강의 열팽창 계수에 근접한 열팽창 계수를 갖도록 선택되며,
적어도 2 개의 광학 부품 홀더들 (5, 5') 은 상기 레이저 베이스 플레이트에 부착되고 레이저 스폿 용접을 사용하여 서로에 대해 조정되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 은 우수한 열전도율을 갖는 금속, 바람직하게는 구리, 보다 바람직하게는 순수한 구리로 제조되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 내로 삽입되는 상기 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 은 선택된 직경 및 길이의 로드들인 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 내로 삽입되는 상기 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 은 선택된 직경 및 길이의, 열을 전달하기 위해 상 전이를 이용하는 히트 파이프들인 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 열전달 로드들 또는 상기 히트 파이프들은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 대해 하나 이상의 상이한 방향들로 배열되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 부품 홀더들 (5) 은 모놀리식이고, 상기 레이저 베이스 플레이트에 장착하기 전에, 상기 홀더들은 2 개의 직교 병진 좌표들 및 하나의 회전 좌표에 따라 상기 레이저 베이스 플레이트의 평면 내에 정렬되고, 그 후에 상기 홀더들은 레이저 스폿 용접을 사용하여 장착되고, 장착 후에, 레이저 스폿 용접을 사용하여 최종 정렬이 수행되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 부품 홀더들 (5') 은, 2 개의 모놀리식 블록들 (7, 8) 로 구성되는 복합물이고, 상기 모놀리식 블록들은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 평면에 수직인 평면에서 서로 조립 및 정렬되고 레이저 스폿 용접 (6') 에 의해 체결되고, 조립된 홀더 (5') 는 상기 레이저 베이스 플레이트의 평면에 정렬되고 레이저 스폿 용접 (6) 에 의해 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 체결되거나, 레이저 스폿 용접 (6) 을 사용하여 하부 블럭 (7) 을 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 먼저 정렬 및 체결한 후, 레이저 스폿 용접 (6') 을 사용하여 상부 블럭 (8) 을 블럭 (7) 에 정렬 및 체결하는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 방법. - 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스로서,
레이저 광학 부품들을 위한 홀더들이 레이저 베이스 플레이트에 부착되고,
상기 디바이스는 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 수단을 포함하며,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 및 광학 부품 홀더들 (5, 5') 은 스테인리스 강으로 제조되고, 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 온도 균질화 수단은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 형성된 구멍들의 배열체에 삽입된 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 로서 구성되며, 여기서 상기 수동 열전달 요소들 (2) 의 열전도율은 스테인리스 강의 열전도율 보다 상당히, 바람직하게는 10 배 이상 더 높고, 열팽창 계수는 스테인리스 강의 열팽창 계수에 근접하며, 적어도 2 개의 광학 부품 홀더들 (5, 5') 은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 부착되고 레이저 스폿 용접 (6) 에 의해 서로에 대해 최종적으로 조정되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 은 우수한 열전도율을 갖는 금속, 바람직하게는 구리, 보다 바람직하게는 순수한 구리로 제조되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 내로 삽입되는 상기 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 은 선택된 직경 및 길이의 로드들인 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 내로 삽입되는 상기 세장형 수동 열전달 요소들 (2) 은 선택된 직경 및 길이의, 열을 전달하기 위해 상 전이를 이용하는 히트 파이프들인 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 은 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 대해 하나 이상의 상이한 방향들로 배열되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 12 항에 있어서,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 은 서로 등간격들로 일 방향으로 배열된, 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에 형성된 구멍들에 삽입되는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 12 항에 있어서,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 은, 선택적으로 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 폭 및/또는 길이 및/또는 높이에 따라, 상이한 방향들로 교차하지 않고 배열되는, 상기 레이저 베이스 플레이트에 형성된 구멍들에 삽입되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수동 열전달 요소들 (2) 의 단부들은 대응하는 추가적인 수동 열전달 요소들 (2') 에 의해 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 외측과 연결되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
과잉 열을 소산하기 위한 히트 싱크들 (3) 은 측면들에서 상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 의 외측 및 상기 수동 열전달 요소들 (2, 2') 상에 배열되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 광학 부품들의 홀더들 (5, 5') 은 로드 형상의 수동 열전달 수단 (2) 이 매립된 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 에서, 냉매, 바람직하게는 물이 유동하는 과잉 열을 소산시키기 위해 선택된 형상과 방향의 채널들 (4) 이 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스. - 제 8 항에 있어서,
상기 레이저 베이스 플레이트 (1) 와 상기 홀더들 (5, 5') 은 AISI 304 스테인리스 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 레이저 베이스 플레이트의 온도를 균질화하기 위한 디바이스.
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