WO2021182839A1 - 광섬유 기반 고반복률 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템 - Google Patents

광섬유 기반 고반복률 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템 Download PDF

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안상훈
최지연
김도현
노지환
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한국기계연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a femtosecond laser generator and a laser processing system including the same, and more particularly, to an optical fiber-based high repetition rate femtosecond laser generator and a laser processing system including the same.
  • Laser processing has a higher precision than mechanical processing and enables ultra-fine processing, so it is widely used in the production of displays, semiconductors, PCB boards, and precision parts.
  • non-thermal processing is possible, so femtosecond lasers with excellent processing quality are gradually being introduced, but nanosecond lasers with high cost of introduction and high economic efficiency are mainly used.
  • the femtosecond laser has not been widely applied in industry due to its high cost and low processing speed despite its high processing quality. Although it is a process that requires precision processing, a femtosecond laser cannot be introduced due to cost problems, and a separate process is added after processing. In addition, the femtosecond laser has a lower processing speed than the nanosecond laser because the amount of processing per unit time is small.
  • the fiber-based high repetition rate femtosecond laser is very difficult to directly implement, a method of multiplying the repetition rate with a fiber interleaver after making a low repetition rate laser can be used, but the asymmetric optical fiber of the interleaver is very long and requires precise length adjustment As a result, it is susceptible to noise and temperature changes and incurs engineering costs.
  • the present invention is to solve the problems of the above-mentioned background art, and to provide a femtosecond laser generator capable of high-quality and high-speed laser processing at low cost and a laser processing system including the same.
  • a femtosecond laser generator includes a pulse generator that converts a continuous wave laser into an optical pulse train, a burst generator that separates the optical pulse train into a plurality of burst pulses, and expands the spectrum by amplifying the plurality of burst pulses a pulse amplification and spectrum extension unit, and a pulse compression unit for compressing the plurality of amplified burst pulses to generate a femtosecond laser having a pulse width of 1 picosecond (10 -12 s) or less.
  • the pulse generator may include a laser diode that generates a continuous wave laser, a modulator that modulates the continuous wave laser to generate an optical pulse train having a repetition rate of 0.5 GHz or more, and a phase shifter that adjusts a chirping state of the optical pulse train.
  • the modulator may include an intensity modulator for modulating the intensity of the continuous wave laser, and a phase modulator for modulating a phase of the continuous wave laser.
  • the burst generator may include an optical modulator for splitting the optical pulse train into a plurality of burst pulses, and the optical modulator may include an acoustic optical modulator or an electric optical modulator.
  • An intra-burst repetition rate of the burst pulse may be greater than an inter-burst repetition rate of the burst pulse.
  • the pulse amplification and spectrum extension unit may include an optical fiber amplifier for amplifying a plurality of burst pulses, and a single mode optical fiber for expanding a spectrum of the plurality of burst pulses.
  • It may further include a band-pass filter for removing the amplified spontaneous emission signal of the plurality of burst pulses passing through the single-mode optical fiber.
  • the pulse compression unit may include a dechirp unit for compressing the plurality of amplified burst pulses, and the dechirp unit may include a diffraction grating pair or a chirped optical fiber Breg grating.
  • the laser processing system is a femtosecond laser generator for generating a femtosecond laser consisting of a femtosecond burst pulse having an intra-burst repetition rate of 0.5 GHz or more and a pulse width of 1 picosecond (10 -12 s) or less,
  • a nanosecond laser generator for generating a nanosecond laser, and a coupler for coupling the femtosecond laser and the nanosecond laser, wherein the pulse energy of the femtosecond laser is greater than a processing threshold of the object to be processed, and the pulse energy of the nanosecond laser is the processing lower than the processing threshold of the object.
  • the femtosecond laser generator includes a pulse generator that converts a continuous wave laser into an optical pulse train, a burst generator that separates the optical pulse train into a plurality of burst pulses, and a pulse amplification and spectrum extension part that amplifies the plurality of burst pulses to expand the spectrum , and a pulse compression unit that compresses the plurality of amplified burst pulses to generate a femtosecond laser having a pulse width of 1 picosecond (10 -12 s) or less.
  • the burst generator may include an optical modulator that divides the optical pulse train into a plurality of burst pulses, and an intra-burst repetition rate of the burst pulse may be greater than an inter-burst repetition rate of the burst pulses.
  • the coupler may include a spatial coupling part coupling the femtosecond laser and the nanosecond laser in space, and a time coupling part coupling the femtosecond burst pulse of the femtosecond laser and the nanosecond pulse of the nanosecond laser in time.
  • the time combiner includes a delay generator that matches the center of the femtosecond burst pulse with the center of the nanosecond burst pulse,
  • the delay signal generated by the delay generator to modulate a driving signal for driving the optical modulator of the burst generator of the femtosecond laser generator, it is possible to match the repetition rate between bursts of the femtosecond burst pulse and the repetition rate of the nanosecond pulse.
  • a femtosecond laser generator and a laser processing system including the same can reduce the processing threshold value of the object to be processed by manufacturing a low-power femtosecond laser having a high repetition rate of 0.5 GHz or more, so processing with low pulse energy Therefore, it is possible to reduce the amplification cost.
  • the mixed laser can be processed at the processing speed of a nanosecond laser while maintaining the processing quality of the femtosecond laser.
  • the femtosecond laser generator of the present application is stable because it can generate a femtosecond laser having a high repetition rate of 0.5 GHz or more and a pulse width of 1 picosecond (10 -12 s) or less based on an optical fiber without an optical fiber interleaver.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a femtosecond laser generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a laser processing system including a femtosecond laser generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a femtosecond laser generator according to an embodiment of the present invention.
  • a femtosecond laser generator 100 includes a pulse generator 10 , a burst generator 20 , a pulse amplification and spectrum extension unit 30 , and pulse compression. part 40 .
  • the femtosecond laser generator 100 is a fiber-based laser generator, and each component (pulse generator, burst generator, pulse amplification and spectrum extension part) constituting the generator , pulse compression unit) may be connected to each other by an optical fiber, and may also be connected to each other by an optical fiber between components constituting each part.
  • the pulse generator 10 may convert the continuous wave laser 1 into an optical pulse train 2 .
  • the pulse generator 10 may include a laser diode 11 , a modulator 12 , and a phase shifter 13 .
  • the laser diode 11 may generate the continuous wave laser 1 using a forward semiconductor junction member.
  • the modulator 12 may modulate the continuous wave laser 1 and convert it into an optical pulse train 2 having a repetition rate of 0.5 GHz or more.
  • the modulator 12 may include an intensity modulator 121 for modulating the intensity of the continuous wave laser 1 and a phase modulator 122 for modulating the phase of the continuous wave laser 1 . .
  • the intensity modulator 121 converts the continuous wave type laser into a pulse type, and the phase modulator 122 serves to chirp the optical pulse train so that the optical pulse can be compressed to 1ps or less later.
  • the optical pulse train 2 having a repetition rate of 0.5 GHz or more may be generated.
  • Such a light modulation-based pulse generation method has superior stability and reproducibility compared to the existing mode lock method, and thus is suitable for mass production and harsh industrial environments.
  • the phase shifter 13 may adjust the chirping state of the optical pulse train 2 .
  • a DC bias voltage may be applied to the intensity modulator 121 to produce a clean pulse shape, and the phase shifter 13 may be adjusted.
  • the burst generator 20 may divide the optical pulse train 2 into a plurality of burst pulses 3 .
  • the intra-burst repetition rate of the burst pulse 3 may be greater than the inter-burst repetition rate of the burst pulse 3 .
  • the intra-burst repetition rate of the burst pulse 3 may be a high repetition rate of 0.5 GHz or more, and the inter-burst repetition rate of the burst pulse 3 may have a repetition rate of 10 MHz or less.
  • the burst generator 20 includes an optical modulator 21 that splits the optical pulse train 2 into a plurality of burst pulses 3 and a first isolator 22 that blocks signal propagation in the reverse direction. can do.
  • a pumping source having a very large output is required.
  • a pumping source with a very large output is not required to amplify the pulse energy, thereby reducing manufacturing costs. can do.
  • the light modulator 21 may include an acoustic light modulator (AOM) or an electro-optic modulator (EOM).
  • AOM acoustic light modulator
  • EOM electro-optic modulator
  • the time and duty cycle for breaking the optical pulse train 2 may be controlled by the driving signal BS for driving the optical modulator 21 .
  • the pulse amplification and spectrum extension unit 30 may amplify the plurality of burst pulses 3 to expand the spectrum.
  • the burst pulse 3 having an intra-burst repetition rate which is a high repetition rate of 0.5 GHz or higher, has a narrow optical spectrum, so that even if the pulse width is maximally compressed, tens of picoseconds is the limit. Therefore, the pulse amplification and spectrum extension unit 30 of the present invention can expand the optical spectrum to maximize the pulse width.
  • the pulse amplification and spectrum expansion unit 30 includes an optical fiber amplifier 31 for amplifying a plurality of burst pulses 3 , a single mode optical fiber 32 for expanding an optical spectrum of a plurality of burst pulses 3 , and an optical fiber A second isolator 33 positioned between the amplifier 31 and the single mode optical fiber 32 may be included.
  • the optical fiber amplifier 31 may include a ytterbium-doped fiber amplifier (YDFA).
  • YDFA ytterbium-doped fiber amplifier
  • the present invention is not necessarily limited thereto, and various types of optical fiber amplifiers may be used.
  • the single-mode optical fiber 32 may cause self-phase modulation by nonlinearity of the single-mode optical fiber 32 to expand the optical spectrum of the plurality of burst pulses 3 .
  • a device for compressing the pulse width in advance before passing through the single-mode optical fiber 32 may be added to enhance the self-phase modulation phenomenon.
  • the apparatus for compressing the pulse width may include a pair of diffraction gratings or a chirped fiber bragg grating (CFBG).
  • the pulse amplification and spectrum extension unit 30 may further include a band pass filter (BPF) 34 that passes only a limited range of frequency bands, and an auxiliary optical fiber amplifier 35 .
  • BPF band pass filter
  • the femtosecond laser generator 100 may generate a larger pulse energy having a better signal to noise ratio (S/N).
  • the band-pass filter 34 may remove the amplified spontaneous emission signal of the plurality of burst pulses 3 having the optical spectrum extended through the single-mode optical fiber 32 .
  • the plurality of burst pulses 3 may be amplified once again using the auxiliary optical fiber amplifier 35 .
  • the core size of the auxiliary optical fiber amplifier 35 may be larger than the core size of the optical fiber amplifier 31 .
  • Femtosecond laser made of a pulse compression unit 40 compresses a plurality of amplified pulse burst 3 1 picosecond (10 -12 s) a plurality of femtosecond pulse burst 410 having a pulse width (d1) of less than ( 4) can occur.
  • the pulse compression unit 40 may include a dechirping unit 41 that compresses the plurality of amplified burst pulses 3 , and a third isolator 42 .
  • the dechirp unit 41 may include a pair of diffraction gratings or a chirped fiber bragg grating (CFBG).
  • CFBG fiber bragg grating
  • the third isolator 42 may block the femtosecond laser 4 passing through the pulse compression unit 40 from returning again.
  • the femtosecond laser generator 100 has a low-power femtosecond laser 4 having an intra-burst repetition rate of 0.5 GHz or more and a pulse width d1 of 1 picosecond (10 -12 s) or less. can cause
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a laser processing system including a femtosecond laser generator according to an embodiment of the present invention.
  • the laser processing system may include a femtosecond laser generator 100 , a nanosecond laser generator 200 , and a coupler 300 .
  • the femtosecond laser generator 100 is a low-power femtosecond laser 4 composed of a plurality of femtosecond burst pulses 410 having an intra-burst repetition rate of 0.5 GHz or more and a pulse width d1 of 1 picosecond (10 -12 s) or less.
  • the repetition rate between bursts between the plurality of femtosecond burst pulses 410 may be a repetition rate of 10 MHz or less.
  • the pulse energy of the femtosecond laser 4 may be greater than an ablation threshold of the object to be processed.
  • the processing threshold value of the object to be processed is about 10 to 100 times because of the ablation cooling effect when processing the object using the femtosecond laser 4 . is reduced Accordingly, the pulse energy of the femtosecond laser 4 may be greater than the processing threshold value of the object to be processed. Therefore, since processing is possible even with low pulse energy, the amplification cost can be reduced.
  • the nanosecond laser generator 200 may generate a high-power nanosecond laser 5 composed of nanosecond pulses 51 having a pulse width d2 of nanoseconds (10 ⁇ 9 s).
  • the pulse energy of the nanosecond laser 5 may be lower than an ablation threshold of the object to be processed.
  • the output of the nanosecond laser 5 In order to obtain a desired processing speed, the output of the nanosecond laser 5 must be adjusted. At this time, the output of the nanosecond laser 5 may be calculated as the product of the pulse energy and the repetition rate. For example, in order to generate the nanosecond laser 5 having an output of 100 W, when the pulse energy is 10 uJ, it must be a nanosecond laser having a repetition rate of 10 MHz.
  • the object to be processed may be a non-metal material such as a silicon wafer (Si wafer), a glass substrate (SiO 2 ), or an organic light emitting diode (OLED).
  • a non-metal material such as a silicon wafer (Si wafer), a glass substrate (SiO 2 ), or an organic light emitting diode (OLED).
  • the combiner 300 may combine the femtosecond laser 4 and the nanosecond laser 5 to form a mixed laser 6 having improved processing speed.
  • the coupler 300 includes a spatial coupling unit 310 that couples the femtosecond laser 4 and the nanosecond laser 5 in space, and a femtosecond burst pulse 410 of the femtosecond laser 4 and a nanosecond pulse of the nanosecond laser 5 . It may include a time coupling unit 320 that couples 51 in time.
  • the spatial coupling unit 310 may include a beam splitter, and may couple the femtosecond laser 4 and the nanosecond laser 5 in space using the beam splitter.
  • the time combiner 320 is a photodiode 321 that converts the monitoring signal MS of the nanosecond laser 5 into an electrical signal ES, and amplifies the electrical signal ES generated from the photodiode 321 to generate a trigger signal
  • a delay generator that generates a delay signal DS that matches the center of the femtosecond burst pulse 410 with the center of the nanosecond pulse 51 using the RF amplifier 322 that generates TS, and the trigger signal TS (323).
  • the delay generator 323 generates a driving signal BS for driving the optical modulator 21 of the burst generator 20 of the femtosecond laser generator 100 using the delay signal DS.
  • the inter-burst repetition rate of the plurality of femtosecond burst pulses 410 may match the repetition rate of the plurality of nanosecond pulses 51 .
  • the processing speed of the mixed laser 6 can be improved.
  • the mixed laser 6 When the mixed laser 6 is irradiated to an object to be processed made of a non-metal material with a large band gap, some electrons are converted into the valence band by the strong peak intensity of the femtosecond laser 4 having a high repetition rate. band) to the conduction band to ionize (Photo-ionization). In addition, the ionized electrons are accelerated while absorbing the vast energy of the nanosecond laser 5 having a high power as counter-braking radiation to ionize the surrounding electrons (Impact ionization). As such electron ionization occurs in a chain (Avalanche ionization), a Coulomb explosion occurs, and the object to be processed is processed.
  • the mixed laser 6 can only improve the processing speed without deteriorating the processing quality of the femtosecond laser 4 .
  • the femtosecond laser (4) since the repetition rate within the burst is high, an ablation cooling effect in which only a local part of the processing part is removed by heat accumulation occurs before processing heat is diffused to the surroundings, and the processing threshold value of the object to be processed occurs. This is reduced by a factor of 10 to 100. Therefore, since processing is possible even with low pulse energy, the amplification cost can be reduced.
  • femtosecond laser generator 200 nanosecond laser generator
  • coupler 310 space coupling part

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기는, 연속파 레이저를 광 펄스열로 변환하는 펄스 생성부, 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 버스트 생성부, 상기 복수개의 버스트 펄스를 증폭하여 스펙트럼을 확장하는 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 그리고 상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 발생시키는 펄스 압축부를 포함한다.

Description

광섬유 기반 고반복률 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템
본 발명은 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유 기반 고반복률 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템 이다.
레이저 가공은 기계 가공에 비하여 정밀도가 높고 초미세 가공이 가능하여 디스플레이, 반도체, PCB 기판 및 정밀 부품 제작에 많이 활용되고 있다. 레이저 가공은 비열적(non-thermal) 가공이 가능하여 가공 품질이 우수한 펨토초 레이저가 점차 도입되고 있으나, 도입 비용이 커서 아직은 경제성이 높은 나노초 레이저가 주로 사용되고 있다.
이와 같이, 펨토초 레이저는 가공 품질이 높음에도 불구하고 비싼 비용 및 낮은 가공 속도 때문에 산업계에 널리 적용되지 못하고 있다. 정밀 가공이 필요한 공정임에도 불구하고 비용 문제로 펨토초 레이저를 도입하지 못하고, 가공 후 별도의 공정을 추가하여 처리하고 있다. 또한, 펨토초 레이저는 나노초 레이저에 비하여 단위시간당 가공량이 적어 가공 속도가 느리다.
펨토초 레이저의 가공 품질을 유지하면서 가공 속도를 향상시키기 위하여 펨토초 레이저와 나노초 레이저를 시간 및 공간상에서 결합하여 재료를 가공하는 연구가 진행되고 있으나, 여전히 고출력의 펨토초 레이저가 필요하여 비용 문제는 해결하지 못하고 있다.
한편, 고반복률 펨토초 레이저 가공 시 발생하는 어블레이션 쿨링(Ablation cooling) 효과를 이용하여, 비교적 낮은 펄스 에너지로 고품질의 고속 가공이 가능하나, 여전히 고출력의 펨토초 레이저가 필요하므로, 비용 문제가 발생한다.
또한, 광섬유 기반 고반복률 펨토초 레이저는 직접 구현하기 매우 어려워서, 저반복률 레이저를 만든 후 광섬유 인터리버(fiber interleaver)로 반복률을 증배하는 방법을 사용할 수 있으나, 인터리버의 비대칭 광섬유가 매우 길고 정밀한 길이 조절이 필요하여, 잡음 및 온도 변화에 취약하고 엔지니어링 비용이 발생한다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저비용으로 고품질 및 고속의 레이저 가공이 가능한 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기는 연속파 레이저를 광 펄스열로 변환하는 펄스 생성부, 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 버스트 생성부, 상기 복수개의 버스트 펄스를 증폭하여 스펙트럼을 확장하는 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 그리고 상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 발생시키는 펄스 압축부를 포함한다.
상기 펄스 생성부는 연속파 레이저를 발생시키는 레이저 다이오드, 상기 연속파 레이저를 변조시켜 0.5GHz 이상의 반복률을 가지는 광 펄스열을 생성하는 변조기, 그리고 상기 광 펄스열의 처핑 상태를 조절하는 위상 천이기를 포함할 수 있다.
상기 변조기는 상기 연속파 레이저의 세기를 변조시키는 세기 변조기(intensity modulator), 그리고 상기 연속파 레이저의 위상을 변조시키는 위상 변조기(phase modulator)를 포함할 수 있다.
상기 버스트 생성부는 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 광 변조기를 포함하고, 상기 광 변조기는 음향 광 변조기 또는 전기 광 변조기를 포함할 수 있다.
상기 버스트 펄스의 버스트내 반복률은 상기 버스트 펄스의 버스트간 반복률보다 클 수 있다.
상기 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부는 복수개의 버스트 펄스를 증폭시키는 광섬유 증폭기, 그리고 상기 복수개의 버스트 펄스의 스펙트럼을 확장시키는 단일 모드 광섬유를 포함할 수 있다.
상기 단일 모드 광섬유를 통과한 상기 복수개의 버스트 펄스의 증폭 자발 방출 신호를 제거하는 대역 통과 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 펄스 압축부는 상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하는 디처핑부를 포함하고, 상기 디처핑부는 회절 격자쌍 또는 처프 광섬유 브레그 격자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 0.5GHz 이상의 버스트내 반복률 및 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 버스트 펄스로 이루어진 펨토초 레이저를 발생시키는 펨토초 레이저 발생기, 나노초 레이저를 발생시키는 나노초 레이저 발생기, 그리고 상기 펨토초 레이저와 상기 나노초 레이저를 결합시키는 결합기를 포함하고, 상기 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값보다 크고, 상기 나노초 레이저의 펄스 에너지는 상기 가공 대상물의 가공 문턱값보다 낮다.
상기 펨토초 레이저 발생기는 연속파 레이저를 광 펄스열로 변환하는 펄스 생성부, 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 버스트 생성부, 상기 복수개의 버스트 펄스를 증폭하여 스펙트럼을 확장하는 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 그리고 상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 발생시키는 펄스 압축부를 포함할 수 있다.
상기 버스트 생성부는 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 광 변조기를 포함하고, 상기 버스트 펄스의 버스트내 반복률은 상기 버스트 펄스의 버스트간 반복률보다 클 수 있다.
상기 결합기는 상기 펨토초 레이저와 상기 나노초 레이저를 공간상에서 결합시키는 공간 결합부, 그리고 상기 펨토초 레이저의 펨토초 버스트 펄스와 상기 나노초 레이저의 나노초 펄스를 시간상에서 결합시키는 시간 결합부를 포함할 수 있다.
시간 결합부는 상기 펨토초 버스트 펄스의 중심과 나노초 버스트 펄스의 중심을 일치시키는 딜레이 발생기를 포함하고,
상기 딜레이 발생기에서 생성되는 딜레이 신호를 이용하여 상기 펨토초 레이저 발생기의 버스트 생성부의 광변조기를 구동하는 구동 신호를 변조시켜 상기 펨토초 버스트 펄스의 버스트간 반복률과 상기 나노초 펄스의 반복률을 일치시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템은 0.5GHz 이상의 고반복률을 가지는 저출력의 펨토초 레이저를 제조함으로써, 가공 대상물의 가공 문턱값을 감소시킬 수 있어 낮은 펄스 에너지로 가공할 수 있으므로, 증폭 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 고가의 펄스 증폭 시스템을 저렴한 나노초 레이저로 대체함으로써, 전체 레이저 가공 시스템의 비용을 절감할 수 있다.
또한, 고반복률을 가지는 가공 문턱값 이상의 저출력 펨토초 레이저에 가공 문턱값 이하의 고출력 나노초 레이저를 결합함으로써, 혼합 레이저는 펨토초 레이저의 가공 품질을 유지하면서, 나노초 레이저의 가공 속도로 가공할 수 있다.
또한, 본원의 펨토초 레이저 발생기는 광섬유 인터리버 없이 0.5 GHz 이상의 고반복률 및 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 광섬유 기반으로 발생시킬 수 있으므로, 안정적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기를 포함하는 레이저 가공 시스템의 개략적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기 및 이를 포함하는 레이저 가공 시스템에 대하여 도 1 및 도 2를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기의 개략적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기(100)는 펄스 생성부(10), 버스트 생성부(20), 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부(30), 그리고 펄스 압축부(40)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기(100)는 광섬유 기반 레이저 발생기로서, 발생기를 구성하는 각 부품(펄스 생성부, 버스트 생성부, 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 펄스 압축부)는 서로간 광섬유로 연결될 수 있으며, 또한, 각각의 부품을 구성하는 구성요소들 간에도 광섬유로 연결될 수 있다.
펄스 생성부(10)는 연속파 레이저(1)를 광 펄스열(2)로 변환할 수 있다.
이러한 펄스 생성부(10)는 레이저 다이오드(Laser diode)(11), 변조기(Modulator)(12), 그리고 위상 천이기(Phase shifter)(13)를 포함할 수 있다.
레이저 다이오드(11)는 순방향 반도체 접합 부재를 이용하여 연속파 레이저(1)를 발생시킬 수 있다.
변조기(12)는 연속파 레이저(1)를 변조시켜 0.5GHz 이상의 반복률을 가지는 광 펄스열(2)로 변환시킬 수 있다. 변조기(12)는 연속파 레이저(1)의 세기를 변조시키는 세기 변조기(intensity modulator)(121), 그리고 연속파 레이저(1)의 위상을 변조시키는 위상 변조기(phase modulator)(122)를 포함할 수 있다. 이 때, 세기 변조기(121)는 연속파 형태의 레이저를 펄스 형태로 변환해주며, 위상 변조기(122)는 광 펄스를 추후 1ps 이하로 압축할 수 있도록 광 펄스열에 처핑을 걸어주는 역할을 한다. 이 때, 0.5GHz 이상의 주파수로 세기 변조기(121) 및 위상 변조기(122)를 구동시킴으로써, 0.5GHz 이상의 반복률을 가지는 광 펄스열(2)을 생성할 수 있다. 이와 같은 광 변조 기반 펄스 생성 방법은, 기존의 모드 잠금 방법 대비 안정성 및 재현성이 뛰어나서, 대량생산 및 가혹한 산업 환경에 적합한 방식이다.
위상 천이기(13)는 광 펄스열(2)의 처핑 상태를 조절할 수 있다. 이 때, 깨끗한 펄스 모양이 나오도록 직류 바이어스 전압(DC bias voltage)을 세기 변조기(121)에 걸어주고 위상 천이기(13)를 조절할 수 있다.
버스트 생성부(20)는 광 펄스열(2)을 복수개의 버스트 펄스(Burst pulse)(3)로 분리할 수 있다. 이 때, 버스트 펄스(3)의 버스트내 반복률(Intra-burst repetition rate)은 버스트 펄스(3)의 버스트간 반복률(Inter-burst repetition rate)보다 클 수 있다. 버스트 펄스(3)의 버스트내 반복률은 0.5GHz 이상의 고반복률이며, 버스트 펄스(3)의 버스트간 반복률은 10MHz 이하의 반복률일 수 있다.
이러한 버스트 생성부(20)는 광 펄스열(2)을 복수개의 버스트 펄스(3)로 분리하는 광 변조기(21), 그리고 역방향으로의 신호 전파를 차단하는 제1 아이솔레이터(Isolator)(22)를 포함할 수 있다.
0.5GHz 이상의 고반복률을 가지는 광 펄스열(2)의 펄스 에너지를 증폭하기 위해서는 매우 큰 출력의 펌핑 소스가 필요하게 된다. 이 경우, 광 변조기(21)를 이용하여 광 펄스열(2)을 주기적으로 끊어서 버스트 펄스(3)로 만듦으로써, 펄스 에너지를 증폭하기 위해 매우 큰 출력의 펌핑 소스가 요구되지 않으므로, 제조 비용을 절감할 수 있다.
광 변조기(21)는 음향 광 변조기(acousto-optic modulator,　AOM) 또는 전기 광 변조기(electro-optic modulator,　EOM)를 포함할 수 있다.
이 때, 광 펄스열(2)을 끊어주는 시간 및 주기(duty cycle)는 광 변조기(21)를 구동하는 구동 신호(BS)로 조절할 수 있다.
펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부(30)는 복수개의 버스트 펄스(3)를 증폭하여 스펙트럼을 확장할 수 있다.
0.5GHz 이상의 고반복율인 버스트내 반복률을 가지는 버스트 펄스(3)는 광 스펙트럼이 좁아서 펄스폭을 최대한 압축해도 수십 피코초가 한계이다. 따라서, 본 발명의 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부(30)는 광 스펙트럼을 확장시켜 펄스폭을 최대한 압축시킬 수 있다.
펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부(30)는 복수개의 버스트 펄스(3)를 증폭시키는 광 섬유 증폭기(31), 복수개의 버스트 펄스(3)의 광 스펙트럼을 확장시키는 단일 모드 광 섬유(32), 광 섬유 증폭기(31)와 단일 모드 광 섬유(32) 사이에 위치하는 제2 아이솔레이터(33)를 포함할 수 있다.
광 섬유 증폭기(31)는 이터븀 도핑 광 섬유 증폭기(Ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA)를 포함할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 종류의 광 섬유 증폭기가 사용될 수 있다.
단일 모드 광 섬유(32)는 단일 모드 광 섬유(32)의 비선형성에 의한 자체 위상 변조(self-phase modulation)를 유발하여 복수개의 버스트 펄스(3)의 광 스펙트럼을 확장시킬 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 자체 위상 변조 현상을 강화하기 위하여 단일 모드 광섬유(32)를 거치기 전에 미리 펄스폭을 압축하는 장치를 추가할 수 있다. 이 때, 펄스폭을 압축하는 장치는, 회절 격자(Diffraction grating)쌍 또는 처프 광섬유 브레그 격자(Chirped fiber bragg grating, CFBG)를 포함할 수 있다.
광 섬유 증폭기(31)의 전후로 각각 제1 아이솔레이터(22) 및 제2 아이솔레이터(33)를 설치함으로써, 잔류 펌프 및 원치 않는 신호가 되돌아오는 것을 차단할 수 있다.
또한, 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부(30)는 한정된 범위의 주파수 대역만 통과시키는 대역 통과 필터(Band Pass Filter, BPF)(34), 그리고 보조 광 섬유 증폭기(35)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기(100)는 더욱 좋은 신호 대 잡음비(Signal to Noise ratio, S/N)를 가지는 보다 큰 펄스 에너지를 발생시킬 수 있다.
대역 통과 필터(34)는 단일 모드 광 섬유(32)를 통과하여 광 스펙트럼이 확장된 복수개의 버스트 펄스(3)의 증폭 자발 방출 신호(Amplified spontaneous emission signal)를 제거할 수 있다.
그리고, 보조 광 섬유 증폭기(35)를 이용하여 복수개의 버스트 펄스(3)를 다시 한번 증폭시킬 수 있다. 보조 광 섬유 증폭기(35)의 코어 크기는 광 섬유 증폭기(31)의 코어 크기보다 클 수 있다.
펄스 압축부(40)는 증폭된 복수개의 버스트 펄스(3)를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭(d1)을 가지는 복수개의 펨토초 버스트 펄스(410)로 이루어진 펨토초 레이저(4)를 발생시킬 수 있다.
펄스 압축부(40)는 증폭된 복수개의 버스트 펄스(3)를 압축하는 디처핑부(Dechirping unit)(41), 그리고 제3 아이솔레이터(42)를 포함할 수 있다.
디처핑부(41)는 회절 격자(Diffraction grating)쌍 또는 처프 광섬유 브레그 격자(Chirped fiber bragg grating, CFBG)를 포함할 수 있다.
제3 아이솔레이터(42)는 펄스 압축부(40)를 통과한 펨토초 레이저(4)가 다시 되돌아오는 것을 차단할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기(100)는 0.5 GHz 이상의 버스트내 반복률 및 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭(d1)을 가지는 저출력의 펨토초 레이저(4)를 발생시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기(100)를 포함하는 레이저 가공 시스템에 대해 이하에서 도면을 참고로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 발생기를 포함하는 레이저 가공 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 가공 시스템은 펨토초 레이저 발생기(100), 나노초 레이저 발생기(200), 그리고 결합기(300)를 포함할 수 있다.
펨토초 레이저 발생기(100)는 0.5GHz 이상의 버스트내 반복률 및 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭(d1)을 가지는 복수개의 펨토초 버스트 펄스(410)로 이루어진 저출력의 펨토초 레이저(4)를 발생시킬 수 있다. 이 때, 복수개의 펨토초 버스트 펄스(410)간의 버스트간 반복률은 10MHz 이하의 반복률일 수 있다.
이 때, 펨토초 레이저(4)의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값(ablation threshold)보다 클 수 있다. 이 때, 펨토초 레이저(4)는 버스트 내 반복률이 높으므로, 펨토초 레이저(4)를 이용하여 가공 대상물을 가공시 어블레이션 쿨링(Ablation cooling) 효과 때문에 가공 대상물의 가공 문턱값이 10 내지 100배 정도 감소된다. 이에 따라, 펨토초 레이저(4)의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값보다 클 수 있다. 따라서, 낮은 펄스 에너지로도 가공이 가능하므로, 증폭 비용이 절감될 수 있다.
나노초 레이저 발생기(200)는 나노초(10-9s)의 펄스폭(d2)을 가지는 나노초 펄스(51)로 이루어진 고출력의 나노초 레이저(5)를 발생시킬 수 있다.
나노초 레이저(5)의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값(ablation threshold)보다 낮을 수 있다.
원하는 가공 속도를 얻기 위해서는 나노초 레이저(5)의 출력을 조절하여야 한다. 이 때, 나노초 레이저(5)의 출력은 펄스 에너지와 반복률의 곱으로 계산될 수 있다. 예컨대, 100W의 출력을 가지는 나노초 레이저(5)를 발생시키기 위해서는 펄스 에너지가 10 uJ일경우, 반복률이 10 MHz인 나노초 레이저여야 한다.
가공 대상물은 실리콘 웨이퍼(Si wafer), 유리 기판(SiO2), 유기 발광 다이오드(OLED) 등의 비금속 재료일 수 있다.
결합기(300)는 펨토초 레이저(4)와 나노초 레이저(5)를 결합시켜 가공 속도를 향상시킨 혼합 레이저(6)를 형성할 수 있다.
결합기(300)는 펨토초 레이저(4)와 나노초 레이저(5)를 공간상에서 결합시키는 공간 결합부(310), 그리고 펨토초 레이저(4)의 펨토초 버스트 펄스(410)와 나노초 레이저(5)의 나노초 펄스(51)를 시간상에서 결합시키는 시간 결합부(320)를 포함할 수 있다.
공간 결합부(310)는 빔 스플리터(Beam splitter)를 포함할 수 있으며, 빔 스플리터를 이용하여 펨토초 레이저(4)와 나노초 레이저(5)를 공간상에서 결합시킬 수 있다.
시간 결합부(320)는 나노초 레이저(5)의 모니터링 신호(MS)를 전기 신호(ES)로 변환하는 광 다이오드(321), 광 다이오드(321)에서 발생한 전기 신호(ES)를 증폭하여 트리거 신호(TS)를 생성하는 RF 증폭기(322), 그리고 트리거 신호(TS)를 이용하여 펨토초 버스트 펄스(410)의 중심과 나노초 펄스(51)의 중심을 일치시키는 딜레이 신호(DS)를 발생시키는 딜레이 발생기(323)를 포함한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 딜레이 발생기(323)는 딜레이 신호(DS)를 이용하여 펨토초 레이저 발생기(100)의 버스트 생성부(20)의 광 변조기(21)를 구동하는 구동 신호(BS)를 변조시켜 복수개의 펨토초 버스트 펄스(410)의 버스트간 반복률(Inter-burst repetition rate)과 복수개의 나노초 펄스(51)의 반복률을 일치시킬 수 있다.
이와 같이, 저출력 펨토초 레이저(4)의 버스트간 반복률을 고출력 나노초 레이저(5)의 반복률과 일치시킴으로써, 혼합 레이저(6)의 가공 속도를 향상시킬 수 있다.
밴드갭 (Band gap)이 큰 비금속 재료로 이루어진 가공 대상물에 혼합 레이저(6)를 조사하는 경우, 고반복률을 가지는 펨토초 레이저(4)의 강한 피크 세기(intensity)로 일부의 전자를 가전자대(Valence band)에서 전도대(Conduction band)로 올려놓아 이온화시킨다(Photo-ionization). 그리고, 이온화된 전자는 고출력을 가지는 나노초 레이저(5)의 방대한 에너지를 역제동 복사로 흡수하면서 가속되어 주변의 전자들을 이온화시킨다(Impact ionization). 이러한 전자의 이온화가 연쇄적으로 일어나면서(Avalanche ionization) 쿨롱 폭발(Coulomb explosion)이 발생하여 가공 대상물이 가공된다.
고출력을 가지는 나노초 레이저(5)의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값 이하이므로, 혼합 레이저(6)는 펨토초 레이저(4)의 가공 품질을 악화시키지 않고 가공 속도만 향상시킬 수 있다. 펨토초 레이저(4)의 경우 버스트내 반복률이 높으므로, 가공열이 주변으로 확산되기 전에 가공부의 국소 부위만 열축적이 일어나서 제거되는 어블레이션 쿨링(Ablation cooling) 효과가 발생하여 가공 대상물의 가공 문턱값이 10 내지 100 배 정도 감소된다. 따라서 낮은 펄스 에너지로도 가공이 가능하므로, 증폭 비용이 절감될 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
(부호의 설명)
100: 펨토초 레이저 발생기 200: 나노초 레이저 발생기
300: 결합기 310: 공간 결합부
320: 시간 결합부

Claims (13)

  1. 연속파 레이저를 광 펄스열로 변환하는 펄스 생성부,
    상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 버스트 생성부,
    상기 복수개의 버스트 펄스를 증폭하여 스펙트럼을 확장하는 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 그리고
    상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 발생시키는 펄스 압축부
    를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  2. 제1항에서,
    상기 펄스 생성부는
    연속파 레이저를 발생시키는 레이저 다이오드,
    상기 연속파 레이저를 변조시켜 0.5GHz 이상의 반복률을 가지는 광 펄스열을 생성하는 변조기, 그리고
    상기 광 펄스열의 처핑 상태를 조절하는 위상 천이기
    를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  3. 제2항에서,
    상기 변조기는 상기 연속파 레이저의 세기를 변조시키는 세기 변조기(intensity modulator), 그리고 상기 연속파 레이저의 위상을 변조시키는 위상 변조기(phase modulator)를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  4. 제1항에서,
    상기 버스트 생성부는 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 광 변조기를 포함하고,
    상기 광 변조기는 음향 광 변조기 또는 전기 광 변조기를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  5. 제4항에서,
    상기 버스트 펄스의 버스트내 반복률은 상기 버스트 펄스의 버스트간 반복률보다 큰 펨토초 레이저 발생기.
  6. 제1항에서,
    상기 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부는
    복수개의 버스트 펄스를 증폭시키는 광섬유 증폭기, 그리고
    상기 복수개의 버스트 펄스의 스펙트럼을 확장시키는 단일 모드 광섬유
    를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  7. 제6항에서,
    상기 단일 모드 광섬유를 통과한 상기 복수개의 버스트 펄스의 증폭 자발 방출 신호를 제거하는 대역 통과 필터를 더 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  8. 제6항에서,
    상기 펄스 압축부는
    상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하는 디처핑부를 포함하고,
    상기 디처핑부는 회절 격자쌍 또는 처프 광섬유 브레그 격자를 포함하는 펨토초 레이저 발생기.
  9. 0.5GHz 이상의 버스트내 반복률 및 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 버스트 펄스로 이루어진 펨토초 레이저를 발생시키는 펨토초 레이저 발생기,
    나노초 레이저를 발생시키는 나노초 레이저 발생기, 그리고
    상기 펨토초 레이저와 상기 나노초 레이저를 결합시키는 결합기
    를 포함하고,
    상기 펨토초 레이저의 펄스 에너지는 가공 대상물의 가공 문턱값보다 크고,
    상기 나노초 레이저의 펄스 에너지는 상기 가공 대상물의 가공 문턱값보다 낮은 레이저 가공 시스템.
  10. 제9항에서,
    상기 펨토초 레이저 발생기는
    연속파 레이저를 광 펄스열로 변환하는 펄스 생성부,
    상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 버스트 생성부,
    상기 복수개의 버스트 펄스를 증폭하여 스펙트럼을 확장하는 펄스 증폭 및 스펙트럼 확장부, 그리고
    상기 증폭된 복수개의 버스트 펄스를 압축하여 1 피코초(10-12s) 이하의 펄스폭을 가지는 펨토초 레이저를 발생시키는 펄스 압축부
    를 포함하는 레이저 가공 시스템.
  11. 제10항에서,
    상기 버스트 생성부는 상기 광 펄스열을 복수개의 버스트 펄스로 분리하는 광 변조기를 포함하고,
    상기 버스트 펄스의 버스트내 반복률은 상기 버스트 펄스의 버스트간 반복률보다 큰 레이저 가공 시스템.
  12. 제11항에서,
    상기 결합기는
    상기 펨토초 레이저와 상기 나노초 레이저를 공간상에서 결합시키는 공간 결합부, 그리고
    상기 펨토초 레이저의 펨토초 버스트 펄스와 상기 나노초 레이저의 나노초 펄스를 시간상에서 결합시키는 시간 결합부
    를 포함하는 레이저 가공 시스템.
  13. 제12항에서,
    상기 시간 결합부는
    상기 펨토초 버스트 펄스의 중심과 나노초 펄스의 중심을 일치시키는 딜레이 발생기를 포함하고,
    상기 딜레이 발생기에서 생성되는 딜레이 신호를 이용하여 상기 펨토초 레이저 발생기의 상기 버스트 생성부의 상기 광변조기를 구동하는 구동 신호를 변조시켜 상기 복수개의 펨토초 버스트 펄스의 버스트간 반복률과 상기 복수개의 나노초 펄스의 반복률을 일치시키는 레이저 가공 시스템.
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