KR102025530B1 - 레이저 장치 - Google Patents

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laser unit
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자비네 도머스-?켈
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리모 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이저 장치(1)에 관한 것으로, 상기 레이저 장치는
- 제 1 방향(x)으로 전파되는 레이저 빔(5)을 작동 중에 방출할 수 있는 제 1 레이저 유닛(2),
- 상기 제 1 방향(x)과는 상이하고 바람직하게는 상기 제 1 방향(x)에 대해 직교하게 배향된 제 2 방향(z)으로 전파되는 레이저 빔(6)을 작동 중에 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 2 레이저 유닛(3), 및
- 2개의 상기 레이저 빔들(5, 6)의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔(9)이 얻어질 수 있도록 상기 제 1 방향으로 편광된 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)을 제 2 방향으로 편광된 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)과 결합할 수 있도록 배치되고 형성되는 편광 결합 수단을 포함하고,
상기 편광 결합 수단은 편광 결합 프리즘(8)으로서 형성되고, 상기 편광 결합 프리즘(8)은 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 상기 편광 결합 프리즘(8) 내로 입사할 때 통과하는 광 입사면(80), 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 내부 전반사의 임계각보다 큰 각으로 반사면 상으로 부딪히도록 상기 광 입사면(80)에 대해 배치된 반사면(81), 및 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 상기 반사면(81) 상에서 내부 전반사 후에 상기 편광 결합 프리즘(8)으로부터 출사되어 그 상에서 굴절될 수 있는 광 출사면(82)을 포함하고, 상기 제 2 레이저 유닛(3)은 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)이 상기 광 출사면(82) 상에서 굴절된 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)의 전파 방향에 상응하는 방향으로 상기 광 출사면 상에서 반사될 수 있도록 상기 광 출사면(82) 상으로 부딪힐 수 있음으로써, 2 개의 상기 레이저 빔들(5, 6)의 동일 선상 중첩에 의해 상기 제 1 최종 레이저 빔(9)이 얻어질 수 있도록 상기 편광 결합 프리즘(8)에 대해 배치된다.

Description

레이저 장치{LASER DEVICE}
본 발명은 제 1 방향으로 전파되는 레이저 빔을 작동 중에 방출할 수 있는 제 1 레이저 유닛, 상기 제 1 방향과 상이하고 바람직하게는 상기 제 1 방향에 대해 직교하게 배향된 제 2 방향으로 전파되는 레이저 빔을 작동 중에 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 2 레이저 유닛, 및 2 개의 레이저 빔들의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 제 1 방향으로 편광된 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔을 제 2 방향으로 편광된 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔과 결합할 수 있도록 배치되고 형성된 편광 결합 수단을 포함하는 레이저 장치에 관한 것이다.
전제부에 언급된 방식의 레이저 장치들은 종래 기술로부터 다양한 실시예들로 공지되고, 예컨대 종종 "스택"이라고도 하는 레이저 다이오드 바 또는 레이저 다이오드 바들의 스택들의 형태인 반도체 레이저 소자들을 포함한다. 이러한 방식의 레이저 장치들에서, 상이하게 선형으로 편광된 개별 레이저 다이오드 바 또는 레이저 다이오드 바들의 스택들에 의해 방출된 광은 편광 결합 수단에 의해 결합되어 최종 레이저 빔을 형성하고 그 후 상응하는 광학 장치들에 의해 예컨대 직접 가공될 소재 상으로 포커싱되거나 또는 광섬유 내로 제공된다.
편광 결합에서, 서로 다르게 선형으로 편광되어, 특히 서로 수직으로 편광되어 2개의 서로 다른, 특히 서로 직교하는 공간 방향으로 전파되는 적어도 2개의 레이저 빔들은 편광 결합 수단에 의해 결합됨으로써 동일 선상에 중첩되어 최종 레이저 빔을 형성한다. 이러한 편광 결합 수단은, 예컨대 입사면에 대해 수직인 편광 방향에 대해서 이상적으로 반사율 Rs = 100% 그리고 입사면에 대해 평행한 편광 방향에 대해서는 이상적으로 반사율 Rp = 0%를 갖는 유전체 코팅을 갖는 거울로서 종종 형성된다.
본 발명의 과제는 대안적 방법으로 적어도 2개의 상이하게 선형으로 편광된 레이저 빔들의 편광 결합을 달성하는 전제부에 언급된 방식의 레이저 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징부의 특징들을 갖는 전제부에 언급된 방식의 레이저 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 제시한다.
본 발명에 따른 레이저 장치는, 편광 결합 수단이 편광 결합 프리즘으로서 형성되고, 상기 편광 결합 프리즘은 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 편광 결합 프리즘 내로 입사될 때 통과하는 광 입사면, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 내부 전반사의 임계각보다 더 큰 각으로 반사면 상으로 부딪히도록 광 입사면에 대해 상대적으로 배치되는 반사면, 및 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 반사면 상에서 내부 전반사 후에 편광 결합 프리즘으로부터 출사되어 굴절될 수 있게 하는 광 출사면을 포함하고, 제 2 레이저 유닛은, 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상에서 굴절된 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔의 전파 방향에 상응하는 방향으로 광 출사면 상에서 반사될 수 있도록 광 출사면 상으로 부딪힐 수 있음으로써, 2 개의 레이저 빔들의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 편광 결합 프리즘에 대해 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 레이저 장치는 대안적 방법으로, 제 1 레이저 유닛의 편광된 레이저 빔과 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔의 편광된 레이저 빔의 파워들의 합에 실질적으로 상응하는 파워를 갖는 제 1 최종 레이저 빔이 빔 품질을 유지하면서 얻어질 수 있게 하는, 적어도 2 개의 상이하게 선형으로 편광된 레이저 빔들의 편광 결합을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 입사면 상에 부딪힐 때 가능한 반사 손실을 방지하거나 적어도 감소시키기 위해, 편광 결합 프리즘의 광 입사면은 반사 방지 코팅을 포함한다. 바람직하게는, 상기 코팅이 유전체 반사 방지 코팅일 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 편광 결합 프리즘의 광 출사면은 제 1 레이저 유닛의 제 1 방향으로 편광된 레이저 빔에 대해 반사율 Rp = 0% 및 투과율 Tp = 100%를 갖는 유전체 코팅을 포함한다. 이러한 조치에 의해, 반사면 상에서 전반사된 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상으로 부딪힐 때의 반사 손실이 바람직하게 방지될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 유전체 코팅은 제 2 방향으로 편광된 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔에 대해 반사율 Rs = 100% 및 투과율 Ts = 0%를 가질 수 있다. 따라서, 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상으로 부딪힐 때의 투과 손실도 바람직하게 방지될 수 있다.
바람직하게는, 편광 결합 프리즘은 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 표면 법선에 대해 평행하게 광 입사면 상으로 부딪히도록 제 1 레이저 유닛에 대해 배치될 수 있다. 광 입사면 상으로 제 1 레이저 유닛의 편광된 레이저 빔의 이러한 수직 입사에 의해, 제 1 레이저 유닛의 상기 편광된 레이저 빔의 빔 경로에 대한 높은 투과율이 달성된다.
바람직한 실시예에서, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 편광 결합 프리즘 상으로 입사하는 입사면에 대해 평행한 방향으로 편광된다. 바람직하게는, 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔은 상기 레이저 빔이 편광 결합 프리즘 상으로 입사하는 입사면에 대해 수직인 방향으로 편광될 수 있다. 특히, 상기 2개의 레이저 빔들은 서로 직교하게 편광될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔은 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔의 중심 파장(λ1)과 동일한 중심 파장(λ1)을 가질 수 있다.
특히 바람직한 다른 실시예에서, 레이저 장치는 작동 중에 레이저 빔을 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 3 레이저 유닛, 및 편광 결합된 제 1 최종 레이저 빔을 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔과 동일 선상에 중첩함으로써, 제 2 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 레이저 장치의 빔 경로 내에 배치되는 파장 결합 수단을 포함한다. 이러한 파장 결합에 의해, 레이저 장치의 파워가 더 증가될 수 있다.
파장 결합 수단은 바람직하게는 다층 유전체 코팅을 갖는 거울로서 형성될 수 있다. 이로써, 효율적인 파장 결합이 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 파장 결합 수단, 특히 거울은 제 1 최종 레이저 빔 및 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔이 파장 결합 수단 상으로 부딪힐 때 90°보다 큰 각을 형성하도록 레이저 장치의 빔 경로 내에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔은 제 1 레이저 유닛 및 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔들의 중심 파장(λ1)과 상이한 중심 파장(λ2)을 갖는다.
바람직한 실시예에서, 거울의 유전체 코팅은 제 3 레이저 유닛에 의해 방출된 레이저 빔이 거울 상으로 부딪히는 입사각에 대해서 레이저 빔에 대해 투과율 Tλ2 = 100% 및 반사율 Rλ2 = 0을 갖도록 형성된다. 이러한 조치에 의해, 제 3 레이저 유닛에 의해 방출된 레이저 빔의 최대 투과가 달성될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 거울의 유전체 코팅은 편광 결합된 제 1 최종 레이저 빔이 거울 상으로 부딪치는 입사각에 대해서 반사율 Rλ1 = 100% 및 투과율 Tλ1 = 0%를 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 투과 손실이 바람직하게 방지될 수 있다.
중심 파장(λ1)을 갖는 편광 결합된 제 1 최종 레이저 빔과 중심 파장(λ2)을 갖는 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔이 파장 결합 수단 상으로 부딪힐 때 바람직하게는 90°보다 큰 각을 형성하는 여기에 제시된 레이저 장치는 종래의 파장 결합 수단들의 경우에서보다 훨씬 적은 층들을 포함할 수 있는 유전체 코팅을 갖는 바람직하게는 거울로서 형성된 파장 결합 수단의 더 단순한 구조를 가능하게 한다. 따라서, 파장 결합 수단의 제조를 위한 비용이 절감될 수 있다. 또한, 흡수 효과가 바람직하게 감소될 수 있다. 거울의 유전체 코팅의 층 수가 파장 결합 수단으로서 사용되는 종래의 거울들 비해 감소되지 않으면, 편광 결합에 의해 얻어지는 제 1 최종 레이저 빔이 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔과 결합될 수 있고, 파장 차이(Δλ = λ2-λ1)는 종래 기술에서보다 더 작을 수 있다. 따라서, 바람직하게는 더 좁은 파장들(λ1, λ2)의 결합이 가능하다.
다른 관점에 따라, 본 발명은 제 1 방향으로 전파되는, 중심 파장을 가지며 제 1 편광 방향으로 편광된 레이저 빔을 작동 중에 방출할 수 있는 제 1 레이저 유닛, 제 1 방향과 상이하고 바람직하게는 제 1 방향에 대해 직교하게 배향되는 제 2 방향으로 전파되며, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔의 중심 파장과 상이한 중심 파장을 갖는 제 1 편광 방향으로 편광된 레이저 빔을 작동 중에 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 2 레이저 유닛, 및 2개의 레이저 빔들의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔을 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔과 결합할 수 있도록 배치되고 형성된 파장 결합 수단을 포함한다.
레이저 빔들의 파장 결합을 위해, 유전체 코팅을 갖는 거울로서 구현된 파장 결합 수단이 종래 기술에서 일반적으로 사용된다.
본 발명의 과제는 또한 대안적 방식으로 2 개의 레이저 빔들의 파장 결합을 달성하는 전제부에 따른 레이저 장치를 제공하는 것이다.
청구항 제 14 항에 따라, 본 발명에 따른 다른 레이저 장치는 파장 결합 수단이 파장 결합 프리즘으로서 형성되고, 상기 파장 결합 프리즘은 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 파장 결합 프리즘 내로 입사될 때 통과하는 광 입사면, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 내부 전반사의 임계각보다 더 큰 각으로 반사면 상으로 부딪치도록 광 입사면에 대해 배치되는 반사면, 및 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 반사면 상에서의 내부 전반사 후에 파장 결합 프리즘으로부터 출사되어 굴절될 수 있게 하는 광 출사면을 포함하고, 제 2 레이저 유닛은 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상에서 굴절되는 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔의 전파 방향에 상응하는 방향으로 광 출사면 상에서 반사될 수 있도록 광 출사면 상으로 부딪힐 수 있음으로써, 2 개의 레이저 빔들의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 파장 결합 프리즘에 대해 배치되는 것을 특징으로 한다.
대안적 방법으로 본 발명에 따른 레이저 장치는, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔의 파워들의 합에 실질적으로 상응하는 파워를 가진 제 1 최종 레이저 빔이 빔 품질을 유지하면서 얻어질 수 있는, 적어도 2 개의 동일하게 편광된 레이저 빔들의 파장 결합을 가능하게 한다. 독립 청구항들 제 1 항 및 제 14 항의 공통 아이디어는 제 1 항에 따라 2 개의 레이저 빔들을 편광 결합하게 하고 제 14 항에 따라 2 개의 레이저 빔들을 파장 결합하게 하는 프리즘을 사용하는 것이다.
바람직한 실시예에서, 레이저 장치는 제 1 편광 방향과 상이한 제 2 편광 방향으로 편광되는 레이저 빔을 작동 중에 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 3 레이저 유닛, 및 제 1 최종 레이저 빔을 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔과 동일 선상에 중첩할 수 있음으로써 제 2 최종 레이저 빔이 얻어질 수 있도록 레이저 장치의 빔 경로 내에 배치되는 편광 결합 수단을 포함하고, 편광 결합 수단은 바람직하게는 다층 유전체 코팅을 갖는 거울로서 형성된다. 청구항 제 9 항에 따른 실시예와는 달리, 유전체 코팅을 갖는 거울은 본 실시예에서는 편광 결합을 위해 사용된다. 2개의 편광 방향들은 바람직하게는 서로 직교하도록 배향된다. 레이저 장치의 파워는 편광 결합에 의해 더 증가 될 수 있다. 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 파장 결합 프리즘의 광 입사면 상으로 부딪힐 때 가능한 반사 손실을 방지하거나 또는 적어도 감소시키기 위해, 바람직한 실시예에서 광 입사면은 반사 방지 코팅을 갖는다. 바람직하게는, 상기 코팅이 유전체 반사 방지 코팅일 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 파장 결합 프리즘의 광 출사면은 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔에 대해 반사율 Rλ1 = 0% 및 투과율 Tλ1 = 100%를 갖는 유전체 코팅을 포함한다. 이러한 조치에 의해, 반사면 상에서 전반사된 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상으로 부딪힐 때의 반사 손실이 바람직하게 방지될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 광 출사면의 유전체 코팅은 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔에 대해 반사율 Rλ2 = 100% 및 투과율 Tλ2 = 0%를 가질 수 있다. 이로써, 제 2 레이저 유닛의 레이저 빔이 광 출사면 상으로 부딪힐 때의 투과 손실도 바람직하게 방지될 수 있다.
바람직하게는, 파장 결합 프리즘은 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔이 표면 법선에 대해 평행하게 광 입사면 상으로 부딪히도록 제 1 레이저 유닛에 대해 배치될 수 있다. 광 입사면 상으로 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔의 이러한 수직 입사에 의해, 제 1 레이저 유닛의 레이저 빔의 빔 경로에 대한 높은 투과율이 달성된다.
바람직한 실시예에서, 편광 결합 수단, 특히 거울은 제 1 최종 레이저 빔 및 제 3 레이저 유닛의 레이저 빔이 편광 결합 수단 상으로 부딪힐 때 90°보다 큰 각을 형성하도록 레이저 장치의 빔 경로 내에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 거울의 유전체 코팅은 제 3 레이저에 의해 방출된(편광된) 레이저 빔이 거울 상으로 부딪히는 입사각에 대해서 레이저 빔에 대해 투과율 T = 100% 및 반사율 R = 0%를 갖도록 형성된다. 이러한 조치에 의해, 제 3 레이저 유닛에 의해 방출된 레이저 빔의 최대 투과율이 달성될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 거울의 유전체 코팅은 편광된, 파장 결합된 제 1 최종 광이 거울 상으로 부딪히는 입사각에 대해 반사율 R = 100% 및 투과율 T = 0%를 갖도록 형성된다. 이로써, 투과 손실이 바람직하게 방지될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 레이저 장치(1)의 광 빔 경로를 도시하는 첨부된 도 1을 참고로 하는 바람직한 실시예의 하기 설명에 나타난다. 또한, 도 1에는 제 1 공간 방향(x-방향) 및 제 1 공간 방향에 대해 직교하게 연장되는 제 2 공간 방향(z-방향)을 나타내는 데카르트 좌표계가 추가로 도시된다.
도 1은 레이저 장치(1)의 빔 경로를 개략적으로 도시한다.
레이저 장치(1)는 본 실시예에서 각각 반도체 레이저 소자(20, 30, 40) 및 이에 할당 배치된 광학 수단(21, 31, 41)을 포함하는 총 3 개의 레이저 유닛들(2, 3, 4)을 포함한다. 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40)은 바람직하게는 레이저 다이오드 바들 또는 레이저 다이어드 바들의 스택(소위 "스택들")으로서 형성될 수 있다. 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40)에 의해 방출된 레이저 빔들(5, 6, 7)의 전파 방향으로 볼 때 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40) 뒤에 배치된 광학 수단들(21, 31, 41)이 도 1에 개략적으로 간단하게 렌즈들로서 도시된다. 광학 수단들(21, 31, 41)은 특히 빠른 축 콜리메이팅 렌즈, 하나 또는 다수의 느린 축 콜리메이팅 렌즈들 및 다른 빔 형성 수단들을 포함할 수 있다. 빠른 축 콜리메이팅 렌즈들은 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40)에 의해 방출된 레이저 빔들(5, 6, 7)을 소위 느린 축 방향이라고도 하는 빠른 축 방향에 대해 수직으로 연장되는 방향보다 더 큰 빔 발산을 가진 소위 빠른 축 방향으로 적어도 부분적으로 콜리메이팅한다. 이에 상응하게, 느린 축 콜리메이팅 렌즈들은 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40)에 의해 방출된 레이저 빔들(5, 6, 7)을 적어도 부분적으로 느린 축 방향으로 콜리메이팅한다. 레이저 유닛들(2, 3, 4)의 광학 수단들(21, 31, 41)의 다른 빔 형성 수단들은 반도체 레이저 소자들(20, 30, 40)에 의해 방출된, 최종 레이저 빔들(5, 6, 7)의 개별 부분 빔들을 통합하기 위한 호모지나이저 또는 렌즈 조합들 일 수 있다. 따라서, 레이저 유닛들(2, 3, 4) 각각은 비교적 양호하게 콜리메이팅된, 특히 균일하고 양호하게 포커싱 가능한 레이저 빔(5, 6, 7)이 상기 레이저 유닛들로부터 출사되도록 설계될 수 있다.
도 1에 도시된 레이저 장치(1)는 편광 결합 프리즘(8)으로서 형성된 편광 결합 수단을 또한 포함한다. 상기 편광 결합 프리즘(8)은, 레이저 빔(5)이 편광 결합 프리즘(8) 상으로 입사하는 입사면에 대해 평행한 방향으로 편광되는 레이저 장치(1)의 제 1 레이저 유닛(2)의 레이저 빔(5)을, 입사면에 대해 직교하는 방향으로 편광되는 제 2의 레이저 유닛(3)의 레이저 빔(6)과 결합할 수 있어서, 상기 2 개의 레이저 빔들(5, 6)의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔(9)이 빔 품질을 유지하면서 얻어질 수 있도록, 레이저 장치(1)의 빔 경로 내에 배치된다. 제 1 레이저 유닛(2)의 레이저 빔(5) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 레이저 빔(6)은 동일한 중심 파장(λ1)을 갖는다.
본 실시예에서, 편광 결합 프리즘(8)은 이등변 삼각형의 베이스 면을 갖는 직선 프리즘이다. 편광 결합 프리즘(8)은 입사면에 대해 평행하게 편광된 (p-편광된) 제 1 레이저 유닛(2)의 레이저 빔(5)이 편광 결합 프리즘(8) 내로 표면 법선(N)에 대해 평행하게 x-방향으로 입사될 때 통과하는 광 입사면(80)을 포함한다. 편광 결합 프리즘(8)은 또한 반사면(81)을 포함하고, 상기 반사면은 제 1 레이저 유닛(2)의 x-방향으로 전파되는 p-편광된 레이저 빔(5)이 내부 전반사의 임계각보다 큰 각으로 반사면(81) 상으로 부딪히도록 선택된 각을 광 입사면(80)과 함께 형성한다. 따라서, 반사면(81) 상에서 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5)은 반사 손실 없이 내부 전반사를 겪는다. 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5)이 광 입사면(80) 상으로 수직 입사됨으로써, 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5)의 빔 경로에 대한 높은 투과율이 달성된다. 또한, 광 입사면(80) 상에서의 가능한 반사 손실을 방지하거나 또는 적어도 감소시키기 위해, 광 입사면(80)은 이 실시예에서 제공된 바와 같이 반사 방지 코팅(800)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 편광 결합 프리즘(8)은 광 출사면(82)을 포함하고, 상기 광 출사면(82)은, 입사면에 대해 평행하게 편광된 광에 대해 반사율 RP = 0% 및 투과율 TP = 100%를 갖고, 입사면에 대해 수직으로 편광된 광에 대해 반사율 RS = 100% 및 투과율 Ts = 0%를 갖는 유전체 코팅(820)을 포함한다. 이러한 조치에 의해, 편광 결합 프리즘(8)의 반사면(81) 상에서 전반사된 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5)은 광 출사면(82) 상에서 반사되지 않고 최대 투과를 겪고 굴절된다.
제 2 레이저 유닛(3)은, 그에 의해 방출된 s-편광된 레이저 빔(6)이 x-방향으로 전파되고, 제 1 레이저 유닛(2)의 P-편광된 레이저 빔(5)이 광 출사면(82)으로부터 출사되어 굴절되는 위치 상에서 광 출사면(82) 상으로 부딪히며, 상기 광 출사면 상에서 반사율 RS = 100%에 의해 전반사를 겪도록, 배치된다. 광 출사면(82) 상에서 s-편광된 레이저 빔(6)의 반사각은 광 출사면(82) 상에서 p-편광된 레이저 빔(5)의 굴절각에 상응한다. 이러한 방식으로, 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 s-편광된 레이저 빔(6)은 동일 선상에 중첩되어 중심 파장(λ1)을 가진 제 1 최종 레이저 빔(9)을 형성한다. 이러한 편광 결합에 의해, 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5)과 제 2 레이저 유닛(3)의 s-편광된 레이저 빔(6)은 빔 파라미터의 변화없이 결합되어 제 1 최종 레이저 빔(9)을 형성하고, 상기 제 1 최종 레이저 빔의 파워는 p-편광된 레이저 빔(5)의 파워와 s-편광된 레이저 빔(6)의 파워의 합에 상응한다.
제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)은 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 s-편광된 레이저 빔(6)의 (동일한) 중심 파장(λ1)과는 상이한 중심 파장(λ2)을 갖는다. 도 1에 도시되듯이, 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)은 편광 결합 프리즘(8)의 광 출사면(82) 상에서 반사되기 전에 제 2 레이저 유닛(3)의 s-편광된 레이저 빔(6)에 대해 평행한 z-방향으로 전파된다.
레이저 장치(1)는 또한 파장 결합 수단을 포함하고, 상기 파장 결합 수단은 편광 결합에 의해 얻어진 제 1 최종 레이저 빔(9)을 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)과 결합하고 동일 선상에 통합하여 본 실시예에서 z-방향으로 전파되는 제 2 최종 레이저 빔(11)을 형성하도록 설계된다. 레이저 장치(1)의 파워를 더 증가시킬 수 있는 파장 결합 수단은 본 실시예에서는 다층 유전체 코팅을 갖는 거울(10)로서 형성된다. 도 1에 도시되듯이, 거울(10)은 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)의 전파 방향 및 제 2 최종 레이저 빔(11)의 전파 방향을 형성하는 z-방향에 대해 경사져 있다. 거울(10)의 다층 유전체 코팅은 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)의 입사각에 대해 투과율 Tλ2 = 100% 및 반사율 Rλ2 = 0%를 갖도록 형성된다. 거울(10) 상으로 제 1 최종 레이저 빔(9)의 입사각은 제 1 최종 레이저 빔(9)이 본 실시예에서 z-방향인, 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)의 전파 방향으로 거울(10)에 의해 반사될 수 있도록 선택된다. 이로써, 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7) 및 파장 결합 수단(10) 상에서 반사된 제 1 최종 레이저 빔(9)이 동일 선상에 중첩되어 z-방향으로 전파되는 제 2 최종 레이저 빔(11)을 형성한다. 거울(10)의 다층 유전체 코팅은 제 1 최종 레이저 빔(9)이 거울(10) 상으로 부딪히는 입사각에 대해 반사율 Rλ1 = 100% 및 투과율 Tλ1 = 0%를 갖도록 형성된다.
레이저 장치(1)의 광학 빔 경로는 종래의 편광 결합 수단들에서처럼 편광 결합을 위해 90°빔 편향들의 필요 없이 3개의 레이저 유닛들(2, 3, 4)에 의해 방출된 레이저 빔들(5, 6, 7)의 효율적 편광 및 파장 결합을 가능하게 한다. 또한, 제 1 레이저 유닛(2)의 p-편광된 레이저 빔(5) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 s-편광된 레이저 빔(6)이 편광 결합 프리즘(8) 상으로 부딪히기 전에 서로 직교하게 전파되는 컨셉이 유지된다. 이로써, 레이저 장치(1)의 빔 경로 내에서 제 1 레이저 유닛(2) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 조정이 간단해질 수 있다. 또한, 제 3 레이저 유닛(4)의 레이저 광(7)이 편광 결합 프리즘(8) 상으로 부딪히기 전에 제 2 레이저 유닛(3)의 레이저 빔(6)에 대해 평행하게 전파되는 것이 바람직하다.
여기에 제시된 레이저 장치(1)는 종래의 파장 결합 수단들에서보다 훨씬 적은 층들을 포함할 수 있는 유전체 코팅을 갖는, 거울(10)로서 형성된 파장 결합 수단의 더 간단한 구성을 가능하게 한다. 이로써, 거울(10)의 제조를 위한 비용이 줄어들 수 있다. 또한, 흡수 효과가 바람직하게 감소될 수 있다.
거울(10)의 유전체 코팅의 층 수가 파장 결합 수단으로서 사용되는 종래의 거울들에 비해 감소되지 않는다면, 편광 결합에 의해 얻어지는 제 1 최종 레이저 빔(9)은 제 3 레이저 유닛(4)의 레이저 빔(7)과 결합될 수 있고, 이 경우 파장 차이(Δλ = λ2 - λ1)는 종래 기술에서보다 더 작을 수 있다. 따라서, 더 좁은 파장들(λ1, λ2)의 결합이 바람직하게 달성된다.
도 1에 도시된 컨셉은 기본적으로 파장 결합 프리즘으로서 작용하는 편광 결합 프리즘(8)에 의해 파장 결합을 가능하게 한다. 제 1 레이저 유닛(2)에 의해 방출된 레이저 빔(5)은 제 2 레이저 유닛(3)에 의해 방출된 레이저 빔(6)의 중심 파장(λ2)과는 다른 중심 파장(λ1)을 갖는다. 제 1 레이저 유닛(2) 및 제 2 레이저 유닛(3)의 2개의 레이저 빔들(5, 6)은 제 1 (공통) 방향으로 편광된다. 파장 결합에 의해 제 1 최종 레이저 빔(9)이 얻어진다. 제 3 레이저 유닛(4)은 제 1 편광 방향과는 다른, 특히 상기 제 1 방향에 대해 직교하게 배향된 제 2 편광 방향으로 편광된 레이저 빔(7)을 방출한다. 본 변형예에서, 거울(10)은 제 1 실시예와 달리 파장 결합 수단이 아니라 편광 결합 수단을 형성한다. 제 1 최종 레이저 빔(9)과 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 레이저 빔(7)의 편광 결합에 의해, 제 2 최종 레이저 빔(11)이 얻어진다. 파장 결합 프리즘의 광 출사면(82)의 유전체 코팅(820)은 바람직하게는 제 1 중심 파장(λ1)에 대해 반사율 Rλ1 = 0% 및 투과율 Tλ1= 100%을 갖고 제 2 중심 파장(λ2)에 대해 반사율 Rλ2 = 100% 및 투과율 Tλ2 = 0%를 갖는다. 거울(10)의 유전체 코팅은 제 1 편광 방향으로 편광된 제 1 최종 레이저 빔(9)을 반사할 수 있고 제 2 편광 방향으로 편광된 제 3 레이저 유닛(4)의 레이저 빔(7)을 투과할 수 있음으로써 편광 결합이 얻어질 수 있도록 구현된다.
1 레이저 장치
2 제 1 레이저 유닛
3 제 2 레이저 유닛
4 제 3 레이저 유닛
5, 6, 7 레이저 빔
8 편향 결합 프리즘 / 파장 결합 프리즘
9 제 1 최종 레이저 빔
10 거울
11 제 2 최종 레이저 빔
80 광 입사면
81 반사면
82 광 출사면
820 유전체 코팅
x 제 1 방향
z 제 2 방향

Claims (15)

  1. - 제 1 방향(x)으로 전파되는 레이저 빔(5)을 작동 중에 방출할 수 있는 제 1 레이저 유닛(2),
    - 상기 제 1 방향(x)과는 상이한 제 2 방향(z)으로 전파되는 레이저 빔(6)을 작동 중에 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 2 레이저 유닛(3), 및
    - 2개의 상기 레이저 빔들(5, 6)의 동일 선상 중첩에 의해 제 1 최종 레이저 빔(9)이 얻어질 수 있도록, 상기 제 1 방향으로 편광된 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)을 제 2 방향으로 편광된 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)과 결합할 수 있도록 배치되고 형성되는 편광 결합 수단을 포함하는 레이저 장치(1)에 있어서,
    상기 편광 결합 수단은 편광 결합 프리즘(8)으로서 형성되고, 상기 편광 결합 프리즘(8)은, 광 입사면(80)으로서, 상기 광 입사면을 통과하여 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 상기 편광 결합 프리즘(8) 내로 입사하는, 상기 광 입사면(80), 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 내부 전반사의 임계각보다 큰 각으로 반사면(81) 상으로 부딪히도록 상기 광 입사면(80)에 대해 배치된 반사면(81), 및 광 출사면(82)으로서, 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 상기 반사면(81)에서의 내부 전반사 후에 상기 광 출사면을 통과하여 상기 편광 결합 프리즘(8)으로부터 출사되고 상기 광 출사면상에서 굴절될 수 있는 광 출사면(82)을 포함하고, 상기 제 2 레이저 유닛(3)은, 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)이 상기 광 출사면(82) 상에서 굴절된 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)의 전파 방향에 상응하는 방향으로 상기 광 출사면 상에서 반사될 수 있도록 상기 광 출사면(82) 상으로 부딪힐 수 있음으로써, 2개의 상기 레이저 빔들(5, 6)의 동일 선상 중첩에 의해 상기 제 1 최종 레이저 빔(9)이 얻어질 수 있도록, 상기 편광 결합 프리즘(8)에 대해 배치 되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 방향(z)은 상기 제 1 방향(x)에 대해 직교하게 배향되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 결합 프리즘(8)의 상기 광 입사면(80)은 반사 방지 코팅(800)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 결합 프리즘(8)의 상기 광 출사면(82)은 상기 제 1 방향으로 편광된 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)에 대해 반사율 Rp = 0% 및 투과율 TP = 100%를 갖는 유전체 코팅(820)을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유전체 코팅(820)은 상기 제 2 방향으로 편광된 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)에 대해 반사율 RS = 100% 및 투과율 TS = 0%를 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 결합 프리즘(8)은, 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)이 표면 법선(N)에 대해 평행하게 상기 광 입사면(80) 상으로 부딪히도록, 상기 제 1 레이저 유닛(2)에 대해 배치되는 것을 특징으로하는 레이저 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)은 상기 레이저 빔(5)이 상기 편광 결합 프리즘(8) 상에 입사하는 입사면에 대해 평행한 방향으로 편광되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)은 상기 레이저 빔(6)이 상기 편광 결합 프리즘(8) 상에 입사하는 입사면에 대해 수직인 방향으로 편광되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 레이저 유닛(2)의 상기 레이저 빔(5)은 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔(6)의 중심 파장(λ1)과 동일한 중심 파장(λ1)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 장치(1)는 작동 중에 레이저 빔(7)을 방출할 수 있는 적어도 하나의 제 3 레이저 유닛(4), 및 파장 결합 수단을 포함하고, 상기 파장 결합 수단은 상기 레이저 장치(1)의 빔 경로 내에 배치되어 상기 제 1 최종 레이저 빔(9)을 상기 제 3 레이저 유닛(4)의 상기 레이저 빔(7)과 동일 선상으로 중첩할 수 있음으로써, 제 2 최종 레이저 빔(11)이 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 파장 결합 수단은 다층 유전체 코팅을 포함한 거울(10)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 파장 결합 수단은, 상기 제 1 최종 레이저 빔(9) 및 상기 제 3 레이저 유닛(4)의 상기 레이저 빔(7)이 상기 파장 결합 수단 상으로 부딪힐 때 90°보다 큰 각을 형성하도록, 상기 레이저 장치(1)의 빔 경로 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제 3 레이저 유닛(4)의 상기 레이저 빔(7)은, 상기 제 1 레이저 유닛(2) 및 상기 제 2 레이저 유닛(3)의 상기 레이저 빔들(5, 6)의 중심 파장(λ1)과는 상이한 중심 파장(λ2)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 거울(10)의 상기 유전체 코팅은 상기 제 3 레이저 유닛(4)에 의해 방출된 상기 레이저 빔(7)이 상기 거울(10) 상에 부딪히는 입사각에 대해서 상기 레이저 빔(7)에 대해 투과율 Tλ2 = 100% 및 반사율 Rλ2 = 0%를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 거울(10)의 상기 유전체 코팅은, 편광 결합된 상기 제 1 최종 레이저 빔(9)이 상기 거울(10) 상에 부딪히는 입사각에 대해 반사율 Rλ1 = 100% 및 투과율 Tλ1 = 0%를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
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