KR101567985B1 - 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치 - Google Patents

이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 제1파장의 레이저광을 출사하는 제1레이저광원과, 제2파장의 레이저광을 출사하는 제2레이저광원과, 클래드 내에 상호 이격되게 제1코어와 제2코어가 길이방향을 따라 연장되게 형성된 이중코어 광섬유와, 제1레이저광원에서 출사된 광을 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 제1코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제1광경로변환부와, 제2레이저광원에서 출사된 광을 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 제2코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제2광경로변환부와, 이중코어 광섬유의 타측에 마련되어 이중코어 광섬유를 통해 출사되는 광을 가공 대상물에 집속시키는 집속렌즈를 구비한다. 이러한 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치에 의하면, 클래드 내에 이격되게 형성된 제1코어와 제2코어를 이용하여 복수의 레이저 빔을 이용할 수 있으면서도 집속을 위한 광학계를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치{optical fiber having dual core and laser machining apparatus using the same}
본 발명은 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치에 관한 것으로서, 하나의 광섬유를 통해 복수의 레이저 광을 가공 대상물에 조사하여 가공할 수 있도록 된 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치에 관한 것이다.
레이저를 이용하여 가공대상물을 가공하는 레이저 가공장치는 국내 공개특허 제10-2004-0015996호 등 다양하게 게시되어 있다.
이러한 레이저 가공장치는 레이저에서 출사된 레이저 빔을 가공대상물로 집속하기 위한 광학계가 적용된다.
한편, 최근에는 빔 직경이 상호 다른 레이저를 활용하는 방식이 대두되고 있다.
이 경우 빔 직경이 큰 레이저를 이용하여 선 가공한 후 빔 직경이 작은 레이저로 미세가공을 하도록 구축될 수 있다.
이러한 빔 직경이 상호 다른 레이저를 활용하는 가공 방식의 경우 종래에서와 같이 레이저별로 집광렌즈계를 각각 별도로 구축하는 경우 시스템의 규모가 커지고, 포커싱 위치가 상호 크게 차이가 나기 때문에 두 개의 빔을 모두 활용하는 병행 가공이 어려운 단점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 클래드 내에 복수개의 코어를 갖는 광섬유를 통해 상호 다른 빔 사이즈의 레이저 광을 가공대상물에 조사할 수 있는 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 가공장치는 제1파장의 레이저광을 출사하는 제1레이저광원과; 제2파장의 레이저광을 출사하는 제2레이저광원과; 클래드 내에 상호 이격되게 제1코어와 제2코어가 길이방향을 따라 연장되게 형성된 이중코어 광섬유와; 상기 제1레이저광원에서 출사된 광을 상기 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 상기 제1코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제1광경로변환부와; 상기 제2레이저광원에서 출사된 광을 상기 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 상기 제2코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제2광경로변환부와; 상기 이중코어 광섬유의 타측에 마련되어 상기 이중코어 광섬유를 통해 출사되는 광을 가공 대상물에 집속시키는 집속렌즈;를 구비한다.
상기 제1코어의 직경이 상기 제2코어의 직경보다 크게 형성된다.
상기 제1광경로 변환부는 상기 제1레이저 광원에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시키는 제1콜리메이팅 렌즈와; 상기 제1콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광의 광로를 변환시켜 상기 제1코어로 입사될 수 있게 설치된 제1미러;를 구비하고, 상기 제2광경로 변환부는 상기 제2레이저 광원에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시키는 제2콜리메이팅 렌즈와; 상기 제2콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광의 광로를 변환시켜 상기 제2코어로 입사될 수 있게 설치된 제2미러;를 구비한다.
바람직하게는 상기 이중코어 광섬유의 상기 제1코어와 상기 제2코어의 이격거리(S)는 아래의 조건을 만족하게 형성되고,
Figure 112014040675494-pat00001
여기서,
Figure 112014040675494-pat00002
이고,
Figure 112014040675494-pat00003
이며,
n1co는 제1코어의 굴절율, n2co는 제2코어의 굴절율, ncl은 클래드의 굴절율, λ1은 제1레이저광원에서 제1코어로 진행되는 광의 제1파장, λ2는 제2레이저광원에서 제2코어로 진행되는 광의 제2파장, d1은 제1코어의 직경, d2는 제2코어의 직경이며, 상기 C값은 2 내지 5가 적용된다.
본 발명에 따른 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치에 의하면, 클래드 내에 이격되게 형성된 제1코어와 제2코어를 이용하여 복수의 레이저 빔을 이용할 수 있으면서도 집속을 위한 광학계를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중코어 광섬유가 적용된 레이저 가공장치를 나타내보인 도면이고,
도 2는 도 1의 이중코어 광섬유의 구조를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중코어 광섬유 및 이를 적용한 레이저 가공장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중코어 광섬유가 적용된 레이저 가공장치를 나타내보인 도면이고, 도 2는 도 1의 이중코어 광섬유의 구조를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 가공장치(100)는 제1레이저광원(110), 제2레이저광원(120), 이중코어 광섬유(130), 제1 및 제2콜리메이팅 렌즈(141)(142), 제1 및 제2 미러(151)(152), 집속렌즈(160)를 구비한다.
제1레이저 광원(110)은 제1파장(λ1)의 레이저광을 출사한다.
제2레이저 광원(120)은 제2파장(λ2)의 레이저광을 출사한다.
여기서, 제1레이저 광원(110)에서 출사되는 제1파장(λ1)의 레이저광과 제2레이저 광원(120)에서 출사되는 제2파장(λ2)의 레이저광은 동일 파장을 갖거나 상호 다른 파장을 갖도록 구축되어도 된다.
이중 코어 광섬유(130)는 클래드(135) 내에 상호 이격되게 제1코어(131)와 제2코어(132)가 길이방향을 따라 연장되게 형성되어 있다.
이중코어 광섬유(130)의 구조에 대해서는 후술한다.
제1콜리메이팅 렌즈(141)와 제1미러(151)는 제1레이저광원(110)에서 출사된 광을 이중코어 광섬유(130)의 일측에 노출된 제1코어(131)의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제1광경로변환부로서 적용된 것이다.
제1콜리메이팅 렌즈(141)는 제1레이저 광원(110)에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시킨다.
제1미러(151)는 제1콜리메이팅렌즈(141)의 광축에 대해 45도로 경사지게 배치되어 제1콜리메이팅 렌즈(141)를 거쳐 진행되는 광의 광로를 반사에 의해 90도로 변환시켜 제1코어(131)로 입사시킨다.
제2광경로 변환부는 제2레이저광원(120)에서 출사된 광을 이중코어 광섬유(130)의 일측에 노출된 제2코어(132)의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하며 제2콜리메이팅 렌즈(142)와 제2미러(152)로 되어 있다.
제2콜리메이팅 렌즈(142)는 제2레이저 광원(120)에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시킨다.
제2미러(152)는 제2콜리메이팅 렌즈(142)를 거쳐 진행되는 광의 광로를 반사에 의해 90도로 변환시켜 제2코어(132)로 입사시킨다.
집속렌즈(160)는 이중코어 광섬유(130)의 타측에 마련되어 이중코어 광섬유를(130) 통해 출사되는 광을 가공 대상물(20)에 집속시킨다.
여기서, 제1 및 제2레이저광원(110) 제1 및 제2콜리메이팅렌즈(141)(142), 제1 및 제2 미러(151)(152), 이중코어 광섬유(130) 및 집속렌즈(160)는 하우징(101) 내에 설치되고, 하우징(101)은 안착 스테이지(10)에 대해 상대 이동할 수 있게 형성된 이동기구(미도시)에 탑재될 수 있다.
이러한 레이저 가공장치(100)에서 이중코어 광섬유(130)는 제1코어(131)의 직경이 제2코어(132)의 직경보다 크게 형성되어 있다.
제1코어(131)와 제2코어(132)는 상호 다른 굴절율 또는 동일한 굴절율을 작게 적용할 수 있고, 클래드(135)는 제1 및 제2코어(131)(132) 보다 굴절율이 낮게 형성된다.
클래드(135)는 실리카(SiO2) 또는 실리카에 불소(F)가 첨가된 플루오로실리케이트로 형성될 수 있고, 제1 및 제2코어(131)(132)는 실리카에 게르마늄 산화물이 첨가된 겔마노실리케이트 등 공지된 다양한 소재로 형성될 수 있고, 첨가되는 도펀트에 따라 원하는 굴절율을 갖게 형성하면 된다.
한편, 도시된 예에서는 설명의 복잡성을 피하기 위해 클래드(135) 외측에 통상적으로 마련되는 보호용 튜브(미도시)를 생략하였다.
이러한 이중코어 광섬유(130)에서 제1코어(131)와 제2코어(132) 사이의 이격거리(S)는 상호간의 커플링이 발생되지 않으면서도 클래드(135)를 포함한 외경을 최소화하여 집속렌즈(160)를 통한 집속 효율을 높일 수 있게 아래의 수학식1의 조건을 만족하게 형성된다.
Figure 112014040675494-pat00004
여기서,
Figure 112014040675494-pat00005
이고,
Figure 112014040675494-pat00006
이며,
n1co는 제1코어(131)의 굴절율, n2co는 제2코어(132)의 굴절율, ncl은 클래드(135)의 굴절율, λ1은 제1레이저광원(110)에서 제1코어(131)로 진행되는 광의 제1파장, λ2는 제2레이저광원(120)에서 제2코어(132)로 진행되는 광의 제2파장, d1은 제1코어(131)의 직경, d2는 제2코어(132)의 직경이며, C값은 2 내지 5가 적용된다.
여기서, V1, V2는 통상 정규 주파수(nomalized frequency)라 하며, C값은 제1코어(131)와 제2코어(132) 상호간의 커플링 결합이 억제하기 위해 제1코어(131)와 제2코어(132) 각각의 모드 필드(mode field)의 결합을 억제할 수 있게 적용하는 상수값이다.
또한, C값이 5를 넘게 되면 제1 및 제2코어의 이격거리(S)가 커져 이중코어 광섬유(130)의 외경이 전체적으로 증가하고, 집속렌즈(160)의 집속을 위한 구조설계가 복잡해 질 수 있다.
또한, C값이 2미만이 되면 제1코어(131)를 통해 진행되는 광과 제2코어(132)를 진행되는 광 상호간의 커플링이 발생할 수 있다.
바람직하게는 C값은 2.1 내지 2.5가 적용된다.
이러한 구조로 된 이중코어 광섬유(130)를 적용하면, 제1코어(131)와 제2코어(132) 각각에 대해 별도의 레이저 광을 전송하여 가공대상물(160)을 원하는 빔사이즈로 가공할 수 있고, 제1레이저광원(110)과 제2레이저광원(120)을 각각 사용할 때마다 광빔을 정렬하기 위한 별도의 위치 조정이 요구되지 않아 작업 편리성을 향상시킬 수 있다.
또한, 동시에 제1레이저광원(110)과 제2레이저광원(120)의 사용도 가능하다.
이상에서 설명된 레이저 가공장치에 의하면, 클래드(135) 내에 이격되게 형성된 제1코어(131)와 제2코어(132)를 이용하여 복수의 레이저 빔을 이용할 수 있으면서도 집속을 위한 광학계를 단순화 할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 제1레이저광원 120: 제2레이저광원
130: 이중코어 광섬유 131: 제1코어
132: 제2코어 135: 클래드
141:, 제1콜리메이팅 렌즈 142: 제2콜리메이팅 렌즈
151: 제1미러 152: 제2 미러
160: 집속렌즈

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 제1파장의 레이저광을 출사하는 제1레이저광원과;
    제2파장의 레이저광을 출사하는 제2레이저광원과;
    클래드 내에 상호 이격되게 제1코어와 제2코어가 길이방향을 따라 연장되게 형성된 이중코어 광섬유와;
    상기 제1레이저광원에서 출사된 광을 상기 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 상기 제1코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제1광경로변환부와;
    상기 제2레이저광원에서 출사된 광을 상기 이중코어 광섬유의 일측에 노출된 상기 제2코어의 일단을 통해 입사되게 광로를 변경하는 제2광경로변환부와;
    상기 이중코어 광섬유의 타측에 마련되어 상기 이중코어 광섬유를 통해 출사되는 광을 가공 대상물에 집속시키는 집속렌즈;를 구비하고,
    상기 제1코어의 직경이 상기 제2코어의 직경보다 크게 형성되어 있으며,
    상기 이중코어 광섬유의 상기 제1코어와 상기 제2코어의 이격거리(S)는 아래의 조건을 만족하게 형성되고,
    Figure 112015062954310-pat00007

    여기서,
    Figure 112015062954310-pat00008
    이고,
    Figure 112015062954310-pat00009
    이며,
    n1co는 제1코어의 굴절율, n2co는 제2코어의 굴절율, ncl은 클래드의 굴절율, λ1은 제1레이저광원에서 제1코어로 진행되는 광의 제1파장, λ2는 제2레이저광원에서 제2코어로 진행되는 광의 제2파장, d1은 제1코어의 직경, d2는 제2코어의 직경이며, C값은 2 내지 5가 적용되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 C값은 2.1 내지 2.5가 적용되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1광경로 변환부는
    상기 제1레이저 광원에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시키는 제1콜리메이팅 렌즈와;
    상기 제1콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광의 광로를 변환시켜 상기 제1코어로 입사될 수 있게 설치된 제1미러;를 구비하고,
    상기 제2광경로 변환부는
    상기 제2레이저 광원에서 출사되는 광을 평형광으로 변환시키는 제2콜리메이팅 렌즈와;
    상기 제2콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광의 광로를 변환시켜 상기 제2코어로 입사될 수 있게 설치된 제2미러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  6. 클래드 내에 상호 이격되게 제1코어와 상기 제1코어보다 직경이 작은 제2코어가 길이방향을 따라 연장되게 형성된 이중코어 광섬유에 있어서,
    상기 이중코어 광섬유의 상기 제1코어와 상기 제2코어의 이격거리(S)는 아래의 조건을 만족하게 형성되고,
    Figure 112015062954310-pat00010

    여기서,
    Figure 112015062954310-pat00011
    이고,
    Figure 112015062954310-pat00012
    이며,
    n1co는 제1코어의 굴절율, n2co는 제2코어의 굴절율, ncl은 클래드의 굴절율, λ1은 제1코어로 입사시켜 전송할 광의 파장, λ2는 제2코어로 입사시켜 전?할 광의 파장, d1은 제1코어의 직경, d2는 제2코어의 직경이며, C값은 2 내지 5가 적용되는 것을 특징으로 하는 이중코어 광섬유.
  7. 제6항에 있어서, 상기 C값은 2.1 내지 2.5가 적용되는 것을 특징으로 하는 이중코어 광섬유.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005109036A (ja) * 2003-09-29 2005-04-21 Toshiba Corp 光ファイバレーザ装置及び映像表示装置
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JP2013180295A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 加工装置及び加工方法

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