KR101185829B1 - 레이저 용접 장치 - Google Patents

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KR101185829B1
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Abstract

KTP 결정은 YAG 펄스 레이저와 같은 고체 레이저(Solid state laser)로부터 일반적으로 출력된 100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 장-펄스 기본파 펄스 레이저 빔에 의해 비춰진다. KTP 결정에서, 파장 변환은 2배 이상의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위해 수행되며, 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔은 용접 등과 같은 레이저 처리를 위하여 차례로 출력된다.

Description

레이저 용접 장치{RASER WELDING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 파장 변환 방법의 일례를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 파장 변환 방법의 또 다른 예를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성을 나타내는 도면
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성을 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 도면
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 도면
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타내는 도면
< 도면의 주요부에 대한 부호의 설명>
30 전기광학 여기부 40 레이저 발진기
44 레이저 전원부 46 제어부
52, 64, 72 측정 회로 54 설정부
58 제어 신호 발생부 66 상한 설정부
68, 56, 80 비교부 78 하한 설정부
76 상한 설정부 84 평균치
86 옵셋치
본 발명은 일반적으로, 기본 파장 레이저로부터 고조파 광빔(higher harminic light beam)으로의 파장 변환 기술에 관한 것으로서 특히, 용접 등등과 같은 레이저 처리에 적절한 장-펄스(long-pulse) 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근에는, 레이저가 특히, 용접, 절단 및 표면 마무리와 같은 제조 분야에 이용된다. 실제로, 고도의 정확성 및 고속 처리가 달성될 수 있고, 작업물이 열 변형(thermal strain)에 의해 거의 영향을 받지 않으며, 개선된 자동화(automation)가 가능하기 때문에, 레이저 용접 기술이 점점 더 중요해지고 있다. 일반적으로, 거의 고체 레이저(solid laser)는 레이저 용접에 빈번하게 사용되고, 1㎛ 정도의 파장을 갖는 광 빔을 발생시키는 YAG 레이저이다. YAG 레이저는 (Nd3+, Yb3+ 등등의) 희토류 활성 이온(rare earth active ions)으로 도핑된(doped with) YAG(Y3Al6O12) 결정(crystal)이고, Nd의 기본 파장을 가지며, YAG 레이저는 1064nm이다. YAG 레이저는 연속적인 진동을 할 수 있으며 Q 스위치로 거대 펄스(giant pulse) 진동이 달성될 수 있고, 100㎲이상(일반적으로, 2 내지 3㎳)의 펄스 폭을 가지는 장-펄스 레이저 빔을 발생시킬 수 있다.
그러나, 레이저 용접에서는, 용접된 재료와 레이저 빔간의 광학적 결합(coupling)이 중요하다. 우수한 광학적 결합이 없으면, 레이저 에너지의 반사율이 더 높아지고, 흡수 효율이 낮아지기 때문에, 우수한 용접 결합을 얻기 어렵다. 이에 관하여, 기본 파장(예를 들어, 1064nm)을 가지는 YAG 레이저 빔은 구리, 금, 알루미늄 등등에 대하여 나쁜 광학적 결합을 가진다. 이들 금속에 대하여, 제2 고조파(532nm) YAG 레이저가 보다 높은 광학적 결합을 가지는 것으로 알려져 있다. 한편, 종래 기술로서, 1에는, 용접된 재료상에 기본 파장의 YAG 펄스 레이저 빔 및 제2 고조파 Q 스위치 YAG 레이저 빔을 동축으로 중첩되게 하고 조사하기 위하여 제2 YAG 레이저를 가지는 제2 고조파(532nm) Q 스위치 YAG 레이저 빔을 발생시킬 뿐만 아니라 1차 YAG 레이저를 가지는 기본 파장(1064nm) YAG 펄스 레이저 빔을 발생시키는 상이한 파장 중첩 레이저 용접 방법(different wave length superimposed laser welding method)이 개시되어 있다. 이러한 상이한 파장 중첩 레이저 용접 방법에 따르면, 구리, 금 알루미늄 등등과 같이 용접된 재료에 대하여 레이저 에너 지의 흡수 효율이 증강되어 우수한 용접 결합을 얻을 수 있다(예를 들어, 1. 일본국 특개평 제 2002-28795호).
그러나, 상기 상이한 파장 중첩 레이저 용접 방법에서는, 2개의 YAG 레이저 시스템이 필요하기 때문에, 레이저 장치가 커지고 조정 및 유지보수가 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여 개발되었으며, 따라서 본 발명의 목적은 고조파 펄스 레이저 장치 및 하나의 고체 레이저로부터 장-펄스 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키는 고조파 펄스 레이저 발생 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 파장 변환 효율을 가지는 고-전력 장-펄스 고조파 펄스 레이저 빔을 안정적으로 발생시키는 고조파 펄스 레이저 장치 및 고조파 펄스 레이저 발생 방법을 제공하는 것이다.
우선, 발명자가 본 발명을 얻게 된 방법에 대한 설명이 주어진다.
비선형 광학 결정에 높은 강도의 레이저 빔을 주사(조사)하면, 광학 비선형 영향(optical nonlinear effect)에 의하여 입사광보다 2배 또는 3배 높은 주파수를 가지는 광 즉, 고조파 광을 발생시킨다. 이들 비선형 광학 결정들은 파장 변환 결정이라고도 일컬어지며, 표 1에 예시된 바와 같이, 다양한 파장 변환 결정이 알려져 있다.
Figure 112005003701516-pat00001
종래에는, 이러한 종류의 파장 변환 결정에 높은 강도의 레이저 빔을 제공하기 위하여 Q 스위치 개요가 이용되어 왔다. Q 스위치 개요에 따르면, 에너지 레벨의 반전 분포(population inversion)가 가능한 한 높아지도록 레이저 활성 매체를 충분히 여기시킨 후에, Q 스위치를 턴온시키고 공진기의 Q 값을 철저하게 높게 만들어서, 공진기에 순간적인 큰 진동이 발생시키고, 펄스 폭이 좁고 피크 전력이 높은 레이저 출력이 얻어질 수 있다. Q 스위치 방식의 레이저 장치에 의해 발생된 Q 스위치 레이저 광은 거대 펄스라 일컬어진다.
일반적으로, 파장 변환 결정으로의 파장 변환에 의해 발생된 고-전력 레이저 빔(예를 들어, 입사파 또는 기본파보다 2배 높은 주파수를 가지는 제2 고조파 레이저 빔)을 프로세싱(processing) 등등에 인가할 때, 가장 중요한 특성값(characteristic value)이 레이저 손상 문턱값(laser damage threshold)이다. 변환 효율을 결정하는 비선형 광학 상수가 높더라도, 손상 문턱값이 낮으면, 레이저 빔이 쓸모 없어진다. 이것은 (일반적으로, GW/cm2의 단위에서) 피크 에너지 밀도를 갖는 레이저 빔이 손상 문턱값보다 높을 때, 손상(대부분 균열)이 파장 변환 결정에 발생되고 파장 변환 결정이 더 이상 사용될 수 없기 때문이다.
종래에는, LBO(LiB3O5)가 Q 스위치 형식 레이저에 의해 발생된 고-전력 거대 펄스의 제2 고조파로의 파장 변환(SHG:제2 고조파 발생)에 거의 대부분 사용된 파장 변환 결정이며, 그 손상 문턱값(18.9GW/cm2)은 충분히 높다. 한편, KTP(KTiOPO4) 결정이 이러한 형식의 파장 변환 결정으로도 알려져 있지만, KTP 결정의 손상 문턱값(4.6GW/cm2)은 LBO보다 대략 4배 작으며, 이는 표 2에 도시된 바와 같이 상당히 낮다.
Figure 112005003701516-pat00002
이러한 관점에서, LBO 결정이 종래 기술(일본국 특개평 제 2002-28795호)에 언급된 Q 스위치 YAG 레이저에 대한 파장 변환기로서 바람직한 재료이다. 이와 대조적으로, 기본파 거대 펄스의 피크 에너지(피크값 에너지 밀도)가 어느 정도, 즉, KTP 결정의 손상 문턱값 이하가 아닌 경우에는, KTP 결정이 파장 변환 결정으로 적절하지 않다. 달리 말하면, 기본파 거대 펄스의 피크값 에너지 밀도를 KTP 결정의 손상 문턱값 이하로 만들면, KTP 결정에 그레이 트래킹(gray tracking : 결정 턴 블랙을 만드는 현상인 다크닝(darkening, a phenomenon making crystals turn black)으로도 일컬어짐)과 같은 손상을 주지 않으면서, 제2 고조파 레이저 빔이 KTP 결정으로부터 발생될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에는 제2 고조파 레이저 빔이 낮은 레이저 출력 전력을 가지게 되며, 레이저 빔이 처리 목표에 따라 달라지는 충분한 처리능력을 가질 수 없게 된다는 한계를 가진다.
이러한 점들을 고려하여, 비교적 높은 손상 문턱값을 가지는 고-전력 파장 변환 결정인 LBO 결정에 대하여, 본 발명의 고조파 펄스 레이저 장치를 연구 및 개발하기 위하여, YAG 펄스 레이저에 의해 발생된 비교적 긴 펄스 폭을 가지고, 1064nm의 기본 파장을 가지는 장-펄스(100㎲ 이상 일반적으로, 1 내지 3ms) 레이저 빔들을 조사하여 SHG(제2 고조파) 발생 실험이 수행된다.
불행하게도, LBO 결정들은 균열에 의해 영향을 받으며 불안정해진다. 이러한 원인이 완전히 확실하지는 않지만, 손상 문턱값 조건이 명확하더라도, LBO 결정이 가지는 열 팽창/수축 특성으로 인해 균열이 발생된다고 생각되고 있다. 보다 상세하게는, LBO 결정의 열 팽창 계수가 강한 이방성(anisotropy)을 가지고, x-축선 방향으로 αx = 108 x 10-6/K의 상당한 팽창율을 가지며, y-축선 방향으로 αx = -88 x 10-6/K의 상당한 수축율을 가지기 때문에, 100㎲ 이상, 일반적으로 1 내지 3ms의 장-펄스 레이저 빔을 조사하거나 주사하여 LBO 결정내에 국부적으로 상당한 정도의 열 응력이 발생되었고, 이에 따라 균열이 형성된 것으로 추정된다.
비교적 낮은 손상 문턱값을 가지는 저-전력 파장 변환 결정인 KTP 결정에 대한 여타의 몇몇 실험들 이외에, YAG 펄스 레이저에 의해 발생된 비교적 긴 펄스 폭을 가지고, 1064nm의 기본 파장을 가지는 장-펄스(100㎲ 이상 일반적으로, 1 내지 3ms) 레이저 빔을 조사하여 SHG(제2 고조파) 발생 실험이 수행된다.
놀랍게도, 그레이 트래킹이 KTP 결정에는 발생되지 않았으며, 제2 고조파(532nm의 파장) 펄스 레이저 빔이 균열을 형성하지 않으면서 발생될 수 있다. 이러한 이유는 확실하지는 않지만, 다음과 같을 것으로 생각된다. 장-펄스 기본파 YAG 펄스 레이저 빔은 일반적으로 작지 않은 몇 줄(jouls) 정도의 펄스당 에너지를 가지지만, 그 피크값 또는 피크 에너지(일반적으로, 수 kW 정도)는 거대 펄스보다 상당히 작으며, 그 에너지 밀도는 Q 스위치 또는 거대 펄스(4.6GW/cm2)를 토대로 하는 KTP 결정의 손상 문턱값을 초과하지 않는다. 한편, 기본 YAG 펄스 레이저는 KTP 결정에 필요한 비선형 광학 영향을 발생시키기 위하여 충분한 레이저 출력 전력을 가진다. 또한, 장-펄스 기본파 YAG 펄스 레이저 빔이 제공되더라도, 열 응력 문제가 발생되지 않으며, 그것의 낮은 열팽창율 때문에 KTP 결정에 균열이 형성되지 않는 것으로 생각된다.
본 발명은 상기 정보를 토대로 개발되었다. 즉, 본 발명의 고조파 펄스 레이저 빔 발생 방법은, 고체 레이저의 활성 매체를 여기시켜 100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생하는 단계; 및 KTP 결정에 기본파 펄스 레이저 빔을 인가하여 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 고조파 펄스 레이저 장치는 그 기본 구성으로서, 100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생시키는 고체 레이저; 및 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 기본파 펄스 레이저 빔이 주사되는 KTP(KTiOPO4) 결정을 포함한다.
본 발명의 바람직한 형태에서, 활성 매체는 Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YVO4 및 Yb:YAG로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 여기부(excitation unit)에 의해 여기되거나 펌핑된다(pumped).
본 발명의 바람직한 형태로서, KTP 결정이 편광 요소에 의해 선형으로 편광된 기본파 펄스 레이저 빔에 의해 주사되면서, 편광 방향이 KTP 결정의 광학 축선에 대하여 45°의 각도를 형성하도록 하나의 편광 방향으로만 광을 통과시키는 편광 요소가 기본파 펄스 레이저 빔의 광 경로에 배치될 수 있다.
상기 구성에 따르면, 비선형 광학 영향이 KTP 결정의 좌표계에서 명확히 직교하는 2개의 동일한 세기의 기본파 광 성분(component)에 의해 영향을 받기 때문에, 고-효율 형식 Ⅱ 파장 변환이 가능하며 안정적인 고-전력 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔이 발생될 수 있다. KTP 결정은 형식 Ⅱ 위상 정합 형태(type Ⅱ phase matched configuration)로 커팅되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 형태에 따른 고조파 펄스 레이저 장치는, 광학적으로 서로 반대로 배열되는 제1 및 제2 끝단 미러(end mirror)를 가지는 광학 공진기; 광학 공진기의 광 경로에 배치된 활성 매체; 100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 활성 매체를 펌핑하는 여기부; 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키도록 광학 공진기의 광 경로에 배치된 KTP 결정; 및 광학 공진기의 광 경로에 배치된 고조파 분리 출력 미러(harmonic separator output mirror)를 포함하고, 고조파 분리 출력 미러는 광학 공진기의 광 경로상에 기본파 펄스 레이저 빔을 한정하고 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 광학 공진기의 광 경로의 외부로 전달한다.
바람직하게는, 고조파 펄스 레이저 장치에서, 활성 매체는 제1 끝단 미러에 더 가깝게 배치되고, KTP 결정은 제2 끝단 미러에 더 가깝게 배치되고, 제1 끝단 미러는 기본파 펄스 레이저 빔을 활성 매체쪽으로 반사시키며, 제2 끝단 미러는 기본파 펄스 레이저 빔 및 제2 고조파 펄스 레이저 빔 모두를 KTP 결정을 향해 반사시킨다.
바람직한 형태로서, 활성 매체 및 KTP 결정은 서로에 대하여 동일한 직선내에 배열될 수 있다.
또 다른 바람직한 형태로서, 고조파 분리 출력 미러는 활성 매체와 KTP 결정 사이의 광학 공진기의 광 경로에 대하여 비스듬하게 배치될 수 있고, 고조파 분리 출력 미러는 이를 통하여 기본파 펄스 레이저 빔이 전달될 수 있게 하며, 제2 고조 파 펄스 레이저 빔을 사전 설정된 방향으로 반사시킨다.
또 다른 바람직한 형태에 따르면, 제1 끝단 미러, 제2 끝단 미러 및 고조파 분리 출력 미러는 삼각형 형태로 배열되고; 활성 매체는 제2 끝단 미러와 고조파 분리 출력 미러 사이에 배치되고; KTP 결정은 제1 끝단 미러와 고조파 분리 출력 미러 사이에 배치되며; 고조파 분리 출력 미러는, 기본파 펄스 레이저 빔이 반사되고 제2 고조파 펄스 레이저 빔이 이를 통하여 전달될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 형태에 따른 고조파 펄스 레이저 장치는 광학적으로 서로 반대로 배열된 끝단 미러 및 고조파 분리 출력 미러를 구비한 광학 공진기, 끝단 미러에 더 가깝게 광학 공진기의 광 경로상에 배치된 활성 매체, 100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 활성 매체를 광학적으로 펌핑시키는 여기부 및 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 광학 공진기의 광 경로상의 고조파 분리 출력 미러에 더 가깝게 배치된 KTP 결정을 가지며, 고조파 분리 출력 미러는 광학 공진기의 광 경로상에 기본파 펄스 레이저 빔을 한정하고, 광학 공진기의 광 경로의 외부로 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 출력한다.
상기 고조파 펄스 레이저 장치의 구성에, 바람직한 형태로서, 고조파 미러가 제공될 수 있으며, 이를 통하여 기본파 펄스 레이저가 전달되고, 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 반사시킨다.
또한, 바람직한 형태에서, 여기부는 활성 매체를 광학적으로 펌핑시키기 위하여 여기광(excitation light)을 발생시키는 여기광 발생부, 여기광 발생부가 여 기광을 발생시키도록 전력을 공급하는 레이저 전원부(laser power supply unit) 및 레이저 전원부로부터 여기광 발생부로 공급된 전력을 제어하는 제어부를 포함한다. 여기광 발생부는 여기 램프 또는 레이저 다이오드일 수 있다.
또한, 바람직한 형태에 따르면, 레이저 전원부는 직류를 출력하는 직류 전원부 및 직류 전원부와 여기광 발생부 사이에 연결된 스위칭 소자를 가지고, 기본파 펄스 레이저 빔의 펄스 폭에 대응하는 기간 동안에, 높은 주파수에서 스위칭 소자가 스위칭 동작을 수행하도록 하여, 여기광 발생부에 펄스 전력을 공급한다.
또한, 바람직한 형태에 따르면, 제어부는 스위칭 소자가 바람직하게는, 펄스 폭 제어 개요로 스위칭 동작을 수행하도록 제어 신호를 발생시키고, 레이저 전원부로 제어 신호를 공급한다.
또한, 바람직한 형태에 따르면, 제어부는 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하기 위하여 고조파 레이저 출력 전력 측정부를 가지며, 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 피드백시켜 제어 신호를 발생시킨다.
또한, 바람직한 형태에 따르면, 제어부는 레이저 전원부로부터 여기광 발생부로 공급된 전력, 전류 및 전압의 그룹으로부터 선택된 소정의 파라미터의 바람직한 상한을 설정하는 상한 설정부, 파라미터를 측정하는 파라미터 측정부 및 파라미터 측정부로부터 얻어진 파라미터 측정치를 상한과 비교하는 제1 비교부를 가지며, 제1 비교부의 비교 결과에 따라, 레이저 전원부로부터 여기광 발생부로 공급되는 전력을 제어한다.
또한, 바람직한 형태에 따르면, 제어부는 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하는 기본파 레이저 출력 전력 측정부를 가지며, 기본파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 피드백시켜 제어신호를 발생시킨다.
바람직한 형태에 따르면, 제어부는 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력의 바람직한 상한 및 바람직한 하한 중의 적어도 하나를 설정하는 제한치 설정부; 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하는 고조파 레이저 출력 전력 측정부; 및 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 제한치와 비교하는 제2 비교부를 포함하며, 제어부는 제2 비교부의 비교 결과에 따라, 레이저 전원부로부터 여기광 발생부로 공급되는 전력을 제어한다.
바람직한 형태에 따르면, 제어부는 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력의 바람직한 기준치를 설정하는 기준치 설정부; 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하는 고조파 레이저 출력 전력 측정부; 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치의 일시적인 평균치를 구하는 레이저 출력 전력 평균치 산출부; 및 레이저 출력 전력 평균치 산출부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 평균치와 기준치간의 차를 옵셋치(offset value)로 구하는 옵셋치 산출부를 포함하고, 제어부는 옵셋치에 따라 제어 신호를 보정한다.
바람직한 형태에 따르면, 작업물은 제2 고조파 펄스 레이저 빔에 의해 용접된다. 또 다른 예시에서, 작업물의 재료 특성 변경, 상기 작업물의 성형 또는 상기 작업물의 재료 제거를 수행하도록 본 발명의 고조파 펄스 레이저 장치에 의해 발생된 제2 고조파 펄스 레이저 빔으로 작업물에 열이 발생될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 구성 및 영향으로 인하여, 장-펄스 고조파 펄스 레이저 빔이 하나의 고체 레이저로부터 발생될 수 있다. 또한, 고-전력 장-펄스 고조파 펄스 레이저 빔이 높은 파장 변환 효율을 가지고 안정적으로 얻어질 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적, 형태, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 내용으로부터 보다 명확해진다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 후술된다.
도 1은 본 발명의 파장 변환 방법의 일례를 나타낸다. 본 발명의 파장 변환 방법은 형식 Ⅱ 위상 정합 각도에서 커팅된 KTP 결정(10)을 이용하며 형식 Ⅱ 위상 정합으로(with the type Ⅱ phase matching) 기본파로부터 제2 고조파로 파장 변환을 수행한다. 보다 상세하게는, KTP 결정(10)은 솔리드 펄스 레이저 예를 들어, YAG 펄스 레이저(도시되지 않음)에 의해 발생된 100㎛ 이상의 펄스 폭을 가지는 펄스인 기본파 펄스 레이저 빔(예를 들어, 1064nm)에 의해 타원형 편광(바람직하게는, 원형 편광) 또는 랜덤 편광의 형태로 주사된다. 그런 다음, 입사광 중에서, 기본파 광의 수직편광 광성분 및 수평편광 광성분만 KTP 결정(10)을 통하여 선형편광 광으로 전달된다. KTP 결정(10)은 기본파와 광학적으로 결합되고, 비선형 광 영향으로 인하여, 기본파 광의 수직편광 광성분과 동일한 방향으로 선형으로 편광되는 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)(532 nm)을 발생시킨다.
도 1의 파장 변환 방법에서, 기본파 펄스 레이저 빔의 편광 분포가 편향되었 거나 이방성을 가지면, 파장 변환 효율이 감소될 수 있고 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력이 낮아지거나 동요할 수 있다.
도 2는 본 발명의 파장 변환 방법의 또 다른 예를 나타낸다. 이러한 파장 변환 방법에서, 하나의 편광 방향으로만 광을 통과시키는 편광 요소(12)는 편광 방향이 KTP 결정(10)의 광학 축선에 대하여 45°각도를 형성하도록 배치되며, KTP 결정(10)은 편광 요소(12)에 의해 선형으로 편광된 장-펄스 기본파 펄스 레이저 빔에 의해 주사된다. 편광 요소(12)로서 예를 들어, 편광자 또는 브루스터 플레이트(Brewster plate)가 사용될 수 있다. KTP 결정(10)은 형식 Ⅱ 위상 정합 각도로 커팅될 수 있다. 편광 요소(12)가 KTP 결정(10)의 광학 축선에 대하여 45°각도를 형성하도록 배치하기 위한 구성에 따르면, 비선형 광학 영향이 KTP 결정(10)의 좌표계에서 명확히 직교하는 2개의 동일한 세기의 기본파 광 성분에 의해 영향을 받기 때문에, 고-효율 형식 Ⅱ 파장 변환이 가능하며 안정적인 고-전력 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔이 발생될 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예들의 고조파 펄스 레이저 장치에 대한 기본 구성(특히, 공진기 구성)이 기술된다.
제1 실시예
도 3은 일 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성을 나타낸다. 이러한 장치는 접힌(folded) 또는 삼각형 형태의 광학 공진기를 가진다. 보다 상세하게는, 3개의 미러(20, 22, 24)가 삼각형 형태로 배열되고; 고체 레이저 활성 매체, 예를 들어, Nd:YAG 로드(26)는 중간 미러(22)와 끝단 미러들(20) 중의 하나 사이의 빔 경로에 배치되고; KTP 결정(10)은 중간 미러(22)와 여타의 끝단 미러(24) 사이의 빔 경로상에 배치된다. 끝단 미러(20 및 24) 모두는 기본 파장(예를 들어, 1064nm)에 대하여 높은 반사율을 가지는 광학 공진기 미러이며, 중간 미러(22)에 의하여 서로 광학적으로 반대로 배열된다. 중간 미러(22)는 공진기의 외부로 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 출력하기 위한 고조파 분리 출력 미러이다.
활성 매체(26)는 전기광학 여기부(30)에 의해 광학적으로 펌핑된다. 전기광학 여기부(30)는 활성 매체(26)를 향해 여기 광을 발생시키는 여기 광원(예를 들어, 여기램프 또는 레이저 다이오드)을 가지고, 여기 광원을 장-펄스 여기 전류로 발광시키고 구동시킴으로써, 장 펄스의 기간 동안에 활성 매체(26)가 연속적으로 펌핑된다.
끝단 미러들(20) 중의 하나로부터 반사된 기본 파장 광 빔은 활성 매체(26)를 통하여 전달되고, 고조파 분리 출력 미러(22)에 주사된다. 고조파 분리 출력 미러(22)의 주표면(principal surface; 22a)은 1064nm에 높은 반사율을 가지는 막으로 코팅되고, 기본 파장 광 빔은 반사막으로부터 반사되고, KTP 결정(10)을 통해 전달되며 또 다른 끝단 미러(24)에 주사된다. 그런 다음, 또 다른 끝단 미러(24)로부터 반사된 기본 파장 광 빔은 KTP 결정(10)을 통해 전달되고, 고조파 분리 출력 미러(22)에 주사되고, 다시 반사되어 활성 매체(26)로 복귀되고, 활성 매체(26)를 통해 전달되며, 끝단 미러들(20) 중의 하나에 주사된다. 이러한 방식으로, 활성 매체(26)에 의해 발생된 기본 파장 광 빔은 고조파 분리 출력 미러(22)에 의하여 2개의 끝단 미러들(광학 공진기 미러들)(22 및 24) 사이에 한정되고 증폭된다.
KTP 결정(10)은 이러한 광학 공진기에 의해 여기된 기본 모드와 광학적으로 결합되고, 장-펄스 기본 파장과의 비선형 상호작용으로 인하여 장-펄스 제2 고조파 레이저 빔(SHG)을 발생시킨다. 고조파 분리 출력 미러(22)의 주표면(22a)은 532nm를 반사시키지 않는 막으로 코팅되고, KTP 결정(10)으로부터 제2 고조파 광 빔(SHG)이 고조파 분리 출력 미러(22)에 주사될 때, 광 빔은 미러(22)를 통하여 전달되고, 공진기 외부로 출력된다. 또한, 끝단 미러(24)의 주표면(24a)은 532nm에 대하여 반사율을 가지는 막으로 코팅되고, KTP 결정(10)으로부터의 제2 고조파 광 빔(SHG)은 끝단 미러(24)에 의해 반사된다. 그런 다음, 끝단 미러(24)에 의해 반사된 제2 고조파 광 빔(SHG)은 KTP 결정(10)을 통해 전달되고, 고조파 분리 출력 미러(22)를 통하여 더 전달되어 외부로 출력된다. 이러한 실시예에 따라 수행된 실험 결과는 다음과 같다 :
펄스 레이저 전력 : 10.3 W @ 10 kHz
안정성 : ±0.25 %rms
1.74 %pp
응답 : 95% 상승 시간에서 2.5초.
이러한 방식으로, 사실상 충분한 결과들이 각각의 레이저 출력 전력, 안정성 및 응답에 대하여 얻어진다. 그러나, 공진기가 삼각형 또는 L형상 구성을 가지기 때문에, 하나의 특징으로서 접지면(footprint)이 커진다.
제2 실시예
도 4는 또 다른 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성 을 나타낸다. 이러한 장치에서, 단말 미러(20), 고조파 분리 출력 미러(22), 활성 매체(26) 및 KTP 결정(10)이 동일한 직선으로 배열된다. 보다 상세하게는, 활성 매체(26)가 끝단 미러(20)에 더 가깝게 배치되고, KTP 결정(10)은 고조파 분리 출력 미러(22)에 더 가깝게 배치된다. 끝단 미러(20)의 주표면(20a)은 기본 파장(1064nm)에 대하여 높은 반사율을 가지는 막으로 코팅된다. 고조파 분리 출력 미러(22)의 주표면(22a)은 기본 파장(1064nm)에 대하여 높은 반사율을 가지는 막 및 제2 고조파(532nm)를 반사시키지 않는 막으로 코팅된다. KTP 결정(10)과 활성 매체(26) 사이에는, 고조파 미러(32)가 고조파 분리 출력 미러(22)를 향해 배치되고, 고조파 미러(32)의 주표면(32a)은 기본 파장(1064nm)을 반사시키지 않는 막 및 제2 고조파(532nm)에 대하여 높은 반사율을 가지는 막으로 코팅된다.
이러한 장치의 구성에서, 활성 매체(26)에 의해 발생된 기본 파장 광 빔은 끝단 미러(20)와 고조파 분리 출력 미러(22) 사이에 한정되고 증폭된다. 이러한 방식으로, 고조파 분리 출력 미러(22)는 또한 광학 공진기 미러로서 작용한다. KTP 결정(10)은 이러한 광학 공진기에 의하여 여기된 기본 모드에 광학적으로 결합되고, 장-펄스 기본 파장과의 비선형 상호작용으로 인해 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)을 발생시킨다. KTP 결정(10)으로부터의 제2 고조파 광 빔이 고조파 분리 출력 미러(22)를 조명할 때, 제2 고조파 광 빔(SHG)이 미러(22)를 통하여 전달되고, 공진기의 외부로 출력된다. 고조파 미러(32)에 의해 반사된 제2 고조파 광 빔(SHG)은 KTP 결정(10)으로 복귀되고, KTP 결정(10)을 통해 전달되고, 고조파 분리 출력 미러(22)를 통해 더 전달되며, 공진기의 외부로 출력된다. 이러한 장치 의 구성은 접지면이 작아질 수 있는 이점을 가진다. 이러한 실시예에 따라 수행된 실험 결과는 다음과 같다 :
펄스 레이저 전력 : 10.3 W @ 10 kHz
안정성 : ±0.63 %rms
2.53 %pp
응답 : 95% 상승 시간에서 11.5초.
이러한 방식에서는, 레이저 출력 전력이 충분하지만, 하나의 특성으로서 안정성 및 응답이 낮다.
제3 실시예
도 5는 또 다른 실시예에 따른 고조파 펄스 레이저 장치의 주요부분의 구성을 나타낸다. 이러한 장치에서, 끝단 미러(20 및 24), 고조파 분리 출력 미러(22), 활성 매체(26) 및 KTP 결정(10)은 동일한 직선으로 배열된다. 보다 상세하게는, 활성 매체(26)가 끝단 미러(20)에 더 가깝게 배치되고; KTP 결정(10)이 끝단 미러(24)에 더 가깝게 배치되며; 고조파 분리 출력 미러(22)는 KTP 결정(10)과 활성 매체(26) 사이에 배치된다. 그러나, 고조파 분리 출력 미러(22)는 공진기의 광학 축선에 대하여 비스듬한 각도 예를 들어, 45°가 형성되도록 배치된다. 고조파 분리 출력 미러(22)의 주표면 즉, KTP 결정의 측면상의 표면(22a)은 기본 파장(1064nm)을 반사시키지 않는 막 및 제2 고조파(532nm)에 대하여 반사율을 막으로 코팅된다.
이러한 장치의 구성에서, 활성 매체(26)에 의해 발생된 기본 파장 광 빔은 끝단 미러(20 및 24)들 사이에 한정되고 증폭된다. KTP 결정(10)은 이러한 광학 공진기에 의해 여기된 기본 모드와 광학적으로 결합되고, 장-펄스 기본 파장과의 비선형 상호작용으로 인하여, 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)을 발생시킨다. KTP 결정(10)으로부터의 제2 고조파 광 빔(SHG)이 고조파 분리 출력 미러(22)에 주사될 때, 제2 고조파 광 빔(SHG)은 (공진기의 광학 축선에 대하여 직교 방향인) 비스듬한 방향으로 반사되고, 공진기의 외부로 출력된다. 끝단 미러(24)에 의해 반사된 제2 고조파 광 빔(SHG)은 KTP 결정(10)으로 복귀되고, KTP 결정(10)을 통해 전달되고, 고조파 분리 출력 미러(22)에 의해 반사되며 공진기의 외부로 출력된다. 이러한 방치의 구성은 또한 접지면이 더 작아질 수 있는 이점을 가진다. 이러한 실시예에 따라 수행된 실험 결과는 다음과 같다 :
펄스 레이저 전력 : 10.2 W @ 10 kHz
안정성 : ±0.29 % rms
2.07 %pp
응답 : 95% 상승 시간에서 3.5초 .
이러한 방식에서는, 각각의 레이저 출력 전력, 안정성 및 응답이 우수하다. 달리 말하면, 접지면이 도 4의 장치의 구성이 비해 작아지고, 레이저 출력 전력, 안정성 및 응답은 도 3의 장치의 구성과 유사하다.
도 3 내지 도 5의 장치의 구성에, 도 2의 파장 변환 방법이 적용되면, 편광 요소(12)가 공진기 내부, 예를 들어, 활성 매체(26)와 KTP 결정(10) 사이의 광 경로상의 적당한 위치에 배치될 수 있다.
다음으로, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 고조파 펄스 레이저 장치를 포함하는 레이저 용접 장치에 대하여 실시예들이 기술된다.
제4 실시예
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타낸다. 레이저 용접 장치는 본 발명의 (도 5의 실시예의) 고조파 펄스 레이저 장치의 공진기를 포함하는 레이저 발진기(oscillator; 40), 레이저 발진기(40)내에 제공되는 전기광학 여기부(30)의 여기 광원(42)에 전력( 또는 여기 전류)을 공급하는 레이저 전원부(44) 및 레이저 전원부(44)로부터 여기 광원(42)으로 공급된 전력을 제어하는 제어부(46)를 가진다. 작업물(W)이 금속일 수 있지만, 재료(W)가 구리, 금 또는 알루미늄일 때 특히 큰 이점을 얻을 수 있다.
레이저 발진기(40)에서, 고조파 분리 출력 미러(22)에 의해 공진기의 외부로 출력된 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)은, 그 광학 축선이 굽은 미러(48)에 의해 구부러진 후에, 도시되지 않은 광학 시스템(예를 들어, 광학 섬유, 수렴 렌즈 등등)을 통하여 작업물(W)로 방사된다. 굽은 미러(48) 뒤에, 굽은 미러(48)의 뒷면으로 누설된 고조파 광을 수신하는 광-감지 요소 또는 포토 센서(50)가 배치되어, 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력을 측정한다. 측정 회로(52)는 포토 센서(50)의 출력 신호를 토대로 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력 측정치를 나타내는 전기 신호(레이저 출력 전력 측정 신호)를 발생시킨다. 레이저 출력 전력 측정 신호는 후술되는 제어부(46)의 비교부(56)로 보내진다. 측정 회로(52)는 어떠한 장소에도 위치될 수 있으며 물론, 레이저 발진 기(40)의 외부에도 위치될 수 있다.
레이저 전원부(44)로서, 여기 광원의 펄스 발광이 달성될 수 있는 한 어떠한 전원도 사용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 바람직한 레이저 전원부(44)는 펄스 파형을 마음대로 제어할 수 있다. 예를 들어, 레이저 전원부(44)는 상용 주파수를 가지는 교류로부터 직류를 발생시키는 직류 전원부로 이루어지고, 직류 전원부와 여기 광원(42) 사이에서 스위칭 소자를 연결시키고, 제어부(46)로부터의 제어 신호로 높은 주파수에서 스위칭 소자가 스위칭 동작을 수행하게 하는 구성을 가질 수 있다.
제어부(46)는 제2 고조파 레이저 빔(SHG)에 대한 전력 피드백 제어를 수행하기 위하여, 설정부(54), 비교부(56) 및 제어 신호 발생부(58)로 이루어진다. 설정부(54)는 주어진 레이저 처리 조건에 따라 장-펄스 피드백 제어에 대한 다양한 조건치들, 기준치들 등등을 설정한다. 비교부(56)는 측정 회로(52)로부터의 레이저 출력 전력 측정치 신호를 설정부(54)로부터의 기준 펄스 파형 설정치와 비교하여, 비교 에러를 나타내는 에러 신호를 출력한다. 제어 신호 발생부(58)는 비교부(56)로부터의 비교 에러에 따라, 제어 신호를 예를 들어, 펄스 폭 변조(PWM) 방법으로 발생시키고, 발생된 제어 신호내의 스위칭 소자에 대하여 스위칭 제어를 수행한다.
이러한 실시예에서, 시간, 광학 오정렬 등등에 따른 저하(deterioration)가 레이저 발진기(40)내에 다소 발생하면, 작업물(W)이 우수한 용접 처리를 수행하도록 설정된 레이저 출력 전력으로 장-펄스 제2 고조파 펄스 레이저 빔에 의해 방사될 수 있다.
그럼에도 불구하고, KTP 결정(10)의 방향(각도)이 정렬을 벗어나게 되면, 기본 파장 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력이 정상이더라도, 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력이 동요되거나 감소될 수 있다. 이러한 경우에, SHG 전력 피드백 제어가 너무 강하게 작용하면, 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력이 과도하게 증가되고 KTP 결정(10)이 파괴될 수 있다.
이러한 실시예에서, 입력 전력 모니터 기구(60)는 이들 파괴 사고를 피하도록 제공된다. 모니터 기구(60)는 예를 들어, 레이저 전원부(44)로부터 여기 광원에 공급된 전력을 측정하기 위한 센서(62) 및 측정 회로(64), 입력 전력의 상한을 설정하는 상한 설정부(66) 및 비교부(68)로 구성된다. 비교부(68)는 측정 회로(64)로부터 얻어진 입력 전력 측정치를 상한 설정부(66)로부터의 입력 전력 상한과 비교하고, 2가지 값들의 우위(major and minor) 관계(또는 에러)를 나타내는 비교 결과를 출력한다. 입력 전력 측정치가 상한을 초과하거나 초과할 것 같으면, 비교부(68)로부터의 출력에 응답하여, SHG 전력 피드백 제어가 설정부(54)의 소프트웨어 리미터 또는 레이저 전원부(44)의 하드웨어 리미터에 의해 제한될 수 있다. 입력 전력 모니터 기구(60)를 이용하는 이들 입력 전력 리미터 기능을 이용하면, SHG 전력 피드백 제어에 의해 발생하는 KTP 결정(10)의 바람직하지 않은 손상이 방지될 수 있다. 입력 전력 대신에, 여기 광원(42)에 공급된 여기 전류 또는 전압을 모니터링하기 위한 구성이 가능할 수 있다.
제5 실시예
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타낸 다. 이러한 도면에서, 도 6의 레이저 용접 장치와 실질적으로 동일한 구성 또는 기능들을 가지는 부분들에 동일한 부호들이 덧붙여진다.
레이저 발진기(40)에서, 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력은 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력보다 압도적으로(10배 이상) 높다. 이러한 실시예에, 예를 들어, 끝단 미러(20)의 뒷면에서 누설된 기본파 광을 받아들이는 광-감지 요소 또는 포토 센서(70)를 제공함으로써, 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력이 포토 센서(70)로부터의 출력 신호를 토대로 측정 회로(72)로 측정되고, 측정 회로(72)로부터의 기본파 레이저 출력 전력 측정치 신호가 비교부(56)로 피드백된다. 이러한 기본파 전력 피드백 제어에 따르면, 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력이 꾸준히 순간적으로 제어될 수 있기 때문에, 예를 들어, KTP 결정(10)이 비정상인 경우에, 입력 전력, 즉, 여기 광원(42)에 공급된 여기 전류 또는 전력이 증가되지 않으며, 2차 고장도 쉽사리 발생하지 않는다.
그럼에도 불구하고, 기본파 전력 피드백 제어가 정상으로 작용하면, 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 전력이 KTP 결정(10)의 각도 편차(angular deviance) 또는 온도 이상(temperature abnormality)에 의해 비정상적으로 동요될 수 있다. 이러한 문제에 접근하기 위하여, 본 실시예에는, SHG 모니터부(74)가 제공된다. 이러한 SHG 모니터부(74)에서, 상한 설정부(76) 및 하한 설정부(78)는 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력에 대한 상한 및 하한을 각각 설정한다. 비교부(80)는 포토 센서(50) 및 측정 회로(52)로부터 얻어진 SHG 레이저 출력 전력 측정치를 비교하여 비교 결과를 출력한다. SHG 레이저 출력 전력 측정치가 상한 또는 하한 범위의 밖으로 가거나 가려고 할 때, 기본파 전력 피드백 제어가 설정부(54)의 리미터 또는 소프트웨어 보정에 영향을 받거나(subjected to) 중지(suspension)시키기 위한 행동이 취해진다.
제6 실시예
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 용접 장치의 구성을 나타낸다. 이러한 도면에서, 도 6 또는 도 7의 레이저 용접 장치와 실질적으로 동일한 구성 또는 기능을 가지는 부분에는 동일한 부호가 덧붙여진다.
또한, 이러한 실시예에는, 도 7의 실시예와 유사한 기본파 전력 피드백 기구가 제공된다. 그러나, SHG 모니터부(82)는 평균치 산출 회로(84) 및 옵셋치 산출 회로(86)를 가진다. 또한, 옵셋 보정 회로(88)는 피드백 제어 시스템에서 설정부(54)와 비교부(56) 사이에 제공된다. 평균치 산출 회로(84)는 어떠한 시간 기간 동안에 포토 센서(50) 및 측정 회로(52)로부터 얻어진 SHG 레이저 출력 전력 측정치들의 평균치를 구한다. 옵셋치 산출 회로(86)는 평균치 산출 회로(84)에서 구해진 SHG 레이저 출력 전력 평균치와 SHG 레이저 출력 전력에 대한 소정의 설정치(또는 이전의 평균치) 사이의 차이 또는 옵셋치를 구한다. 이러한 옵셋치(±α)는 제어 옵셋치로서 기본파 전력 피드백 기구의 제어부에 피드백된다.
다시, 이러한 개요에서, 기본파 전력 피드백 제어를 수행하는 동안, 제2 고조파 펄스 레이저 빔(SHG)의 레이저 출력 전력이 각도 편차, 온도 변화 또는 번트 코팅(burnt coating)과 같이 시간에 걸친 변화에 의해 감소되는 경우에는, 적절한 보정이 SHG 모니터부(82)를 통하여 시기적절하게 인가될 수 있다.
상기 실시예들이 주로 레이저 용접에 관한 것이지만, 본 발명은 레이저 굽힘 처리(laser bending processing), 레이저 열 처리 및 여타의 물리적 처리 등등과 같은 여타의 물리적 처리에 적용될 수 있으며, 가열을 요하는 다양한 레이저 적용례들에도 바람직하다.
본 발명의 예시적인 바람직한 실시예들이 본 명세서에 상세히 기술되었지만, 본 발명의 개념(concept)이 다양하게 실시되고 채택될 수 있으며, 첨부된 청구항은 종래 기술에 의하여 제한되는 것을 제외하고 다양한 변형례를 포함하도록 구성될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명에 따르면, 고조파 펄스 레이저 장치 및 하나의 고체 레이저로부터 장-펄스 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키는 고조파 펄스 레이저 발생 방법을 제공할 수 있다.

Claims (30)

  1. 광학적으로 서로 반대로 배열되는 제1 및 제2 끝단 미러를 가지는 광학 공진기;
    상기 광학 공진기의 광 경로에 배치된 활성 매체;
    100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 상기 활성 매체를 펌핑하는 여기부;
    형식 Ⅱ 위상 정합 형태로 커팅되고, 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키도록 상기 광학 공진기의 상기 광 경로에 배치된 KTP 결정; 및
    상기 광학 공진기의 상기 광 경로에 배치되고, 상기 광학 공진기의 상기 광 경로상에 상기 기본파 펄스 레이저 빔을 한정하고 상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 상기 광학 공진기의 상기 광 경로의 외부로 전달하는 고조파 분리 출력 미러;
    를 구비하며,
    상기 여기부는, 상기 활성 매체를 광학적으로 펌핑시키기 위하여 여기광을 발생시키는 여기광 발생부와, 상기 여기광 발생부가 상기 여기광을 발생시키도록 전력을 공급하는 레이저 전원부와, 상기 레이저 전원부로부터 상기 여기광 발생부로 공급된 상기 전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 레이저 전원부는, 직류를 출력하는 직류 전원부와, 상기 직류 전원부와 상기 여기광 발생부 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 상기 레이저 전원부는 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 상기 펄스 폭에 대응하는 기간 동안에, 고주파수에서 상기 스위칭 소자가 스위칭 동작을 수행하게 하여, 상기 여기광 발생부에 펄스 전력을 공급하고,
    상기 제어부는, 상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하는 고조파 레이저 출력 전력 측정부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 피드백시켜 상기 제어 신호를 펄스 폭 제어 방법으로 발생시키고, 상기 펄스 폭 제어 방법의 제어 신호를 상기 레이저 전원부에 공급하여 상기 스위칭 소자를 스위칭 동작시키고,
    상기 제어부는, 상기 레이저 전원부로부터 상기 여기광 발생부에 공급된 전력, 전류 및 전압의 그룹으로부터 선택된 소정의 파라미터의 상한을 설정하는 상한 설정부와, 상기 파라미터를 측정하는 파라미터 측정부와, 상기 파라미터 측정부로부터 얻어진 파라미터 측정치를 상기 상한과 비교하는 제1 비교부를 포함하고, 상기 파라미터가 상기 상한을 초과하였을 때, 또는 초과할 것 같을 때에는 상기 제1 비교부의 비교 결과에 따라, 상기 제 2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력에 대한 상기 피드백 제어에 리미터를 걸도록 하고,
    상기 고조파 분리 출력 미러로부터 출력된 상기 제 2 고조파의 펄스 레이저 빔을 피가공물에 조사하여 상기 피가공물을 용접하는 레이저 용접 장치.
  2. 광학적으로 서로 반대로 배열되는 제1 및 제2 끝단 미러를 가지는 광학 공진기;
    상기 광학 공진기의 광 경로에 배치된 활성 매체;
    100㎲ 이상의 펄스 폭을 가지는 기본 주파수의 기본파 펄스 레이저 빔을 발생시키기 위하여 상기 활성 매체를 펌핑하는 여기부;
    형식 Ⅱ 위상 정합 형태로 커팅되고, 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 2배의 주파수를 가지는 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 발생시키도록 상기 광학 공진기의 상기 광 경로에 배치된 KTP 결정; 및
    상기 광학 공진기의 상기 광 경로에 배치되고, 상기 광학 공진기의 상기 광 경로상에 상기 기본파 펄스 레이저 빔을 한정하고 상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔을 상기 광학 공진기의 상기 광 경로의 외부로 전달하는 고조파 분리 출력 미러;
    를 구비하며,
    상기 여기부는, 상기 활성 매체를 광학적으로 펌핑시키기 위하여 여기광을 발생시키는 여기광 발생부와, 상기 여기광 발생부가 상기 여기광을 발생시키도록 전력을 공급하는 레이저 전원부와, 상기 레이저 전원부로부터 상기 여기광 발생부로 공급된 상기 전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 레이저 전원부는, 직류를 출력하는 직류 전원부와, 상기 직류 전원부와 상기 여기광 발생부 사이에 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 상기 레이저 전원부는 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 상기 펄스 폭에 대응하는 기간 동안에, 고주파수에서 상기 스위칭 소자가 스위칭 동작을 수행하게 하여, 상기 여기광 발생부에 펄스 전력을 공급하고,
    상기 제어부는 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하기 위한 기본파 레이저 출력 전력 측정부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 기본파 레이저 출력 전력 측정부에서 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 피드백시켜 상기 제어 신호를 펄스 폭 제어 방법으로 발생시키고, 상기 펄스 폭 제어 방법의 제어 신호를 상기 레이저 전원부에 공급하여 상기 스위칭 소자를 스위칭 동작시키고,
    상기 제어부는, 상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력의 상한 및 하한 중의 1 이상을 제한치로서 설정하는 제한치 설정부와, 상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력을 측정하는 고조파 레이저 출력 전력 측정부와, 상기 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 측정치를 상기 제한치와 비교하는 제2 비교부를 포함하고, 상기 레이저 출력 전력 측정치가 상기 제한치의 범위 밖으로 나왔을 때, 또는 나올 것 같을 때에는 상기 제2 비교부의 비교 결과에 따라, 상기 기본파 펄스 레이저 빔의 레이저 출력 전력에 대한 상기 피드백 제어에 리미터를 걸거나 또는 정지의 처치를 취하도록 하고,
    상기 고조파 분리 출력 미러로부터 출력된 상기 제 2 고조파의 펄스 레이저 빔을 피가공물에 조사하여 상기 피가공물을 용접하는 레이저 용접 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 상기 레이저 출력 전력의 기준치를 설정하는 기준치 설정부;
    상기 제2 고조파 펄스 레이저 빔의 상기 레이저 출력 전력을 측정하는 고조파 레이저 출력 전력 측정부;
    상기 고조파 레이저 출력 전력 측정부로부터 얻어진 상기 레이저 출력 전력 측정치들의 시간적인 평균치를 구하는 레이저 출력 전력 평균치 산출부; 및
    상기 레이저 출력 전력 평균치 산출부로부터 얻어진 레이저 출력 전력 평균치와 상기 기준치 간의 차를 옵셋치로 구하는 옵셋치 산출부를 포함하며,
    상기 옵셋치에 따라 상기 제어 신호를 보정하는 것을 특징으로 하는 레이저 용접 장치.
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