KR102510949B1 - 광전자 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 사전 결정된 방향(P)으로 광학 조립체(100)의 입력 단부(110)로 코히런트 광을 전파시키는 제1 광섬유(101) ― 상기 광섬유는 코어 및 클래딩을 가짐 ― ; 입력 단부(110)에서 광섬유(101)를 둘러싸는 히트 싱크(111); 및 전파 방향(P)에 있어서 히트 싱크(111) 뒤에 배열된 렌즈(120)를 포함하는 광학 조립체(100)에 관한 것이다. 광학 조립체(100)는 렌즈(120) 뒤에 배열된 필터(130)를 더 포함하며, 필터(130)는, 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키고 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 렌즈(120)를 통해 되돌려 반사시키도록 배열된 반사 표면(131)을 갖는다. 본 발명은 추가로, 원하는 파장들과 원하지 않는 파장들을 분리하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 산업 레이저 애플리케이션들에서 레이저 소스로부터 원하는 광 파장들과 원하지 않는 광 파장들을 분리하기 위한 방법 및 수단에 관한 것이다. 파장들의 분리는 높은 광파워(high optical power), 구체적으로 1 kW를 초과하는 파워(power)를 투과시키기 위한 광섬유(optical fiber)를 포함하는 광섬유 조립체(fiber optical assembly)에서 수행되며, 여기서 광섬유 코어 외부로 떨어지는 광학 방사선은 유동 냉각제(flowing coolant)에 적어도 부분적으로 흡수된다.
높은 광파워를 투과시키기 위한 광섬유 애플리케이션들에서, 광섬유 케이블들, 특히 광섬유 커넥터들과 같은 컴포넌트들이 광섬유 코어 외부로 떨어지는 입사 방사선으로 인해 또는 광섬유 커넥터들로 되돌려 반사되는 방사선으로 인해 손상될 수 있는 것을 회피하는 것이 바람직하다. 그러한 파워 손실을 처리하는 방법들은 이미 알려져 있다. 구체적으로, 그러한 입사 방사선은 유동 냉각제에 흡수되는 것으로 이미 알려져 있다.
높은 광파워를 투과시키기 위한 광섬유 케이블들은 산업 애플리케이션들에서 빈번하게 사용된다. 구체적으로, 이 광섬유 케이블들은 높은 파워 레이저 방사선에 의해 절단 및 용접 작업들에 사용되지만, 고온 환경들에서의 가열, 검출 또는 가공(working) 작업들과 같은 다른 산업 애플리케이션들에서 또한, 이러한 타입의 광섬유 케이블들이 사용될 수 있다. 광섬유들에 의해, 높은 파워 레이저 소스로부터 워크피스(workpiece)로 방사선을 투과시키기 위한 유연한 제조 시스템들을 구축하는 것이 가능하다. 보통, 광섬유는 유리 코어 및 서라운딩 클래딩(surrounding cladding)을 갖는다. 클래딩의 기능은 광학 빔을 코어에 한정(confine)되게 유지하는 것이다. 이러한 맥락에서 사용될 수 있는 레이저 소스들은 최대 수 킬로와트의 평균 파워 출력을 가질 수 있다.
필터링될 필요가 있는 레이저 소스로부터의 원하지 않는 방출된 광 파장들이 존재할 수 있다. 그러한 광은 과도한 펌프 광, 비선형 프로세스들로부터의 변환되지 않은 광, 또는 고차 프로세스로부터의 광일 수 있다.
통상적인 최신 산업 레이저는 단파장 광으로 펌핑되고, 더 긴 파장 레이저 광을 방출한다. 대부분의 경우들에서, 관심 대상은 단지 더 긴 파장의 레이저 광이다. 더 짧은 파장은 검출 장비 또는 레이저 외부의 프로세스들에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 예컨대; 산업 광섬유 레이저는 ~980 nm의 파장에서 광으로 펌핑될 수 있고, ~1070 nm의 파장에서 레이저 광을 방출할 수 있다.
단펄스 레이저들은 일반적으로 2배 또는 3배가 된 주파수이다. 이러한 프로세스는 다소 비효율적이므로, 특정 양의 주 파장(primary wavelength)이 남아 있다. 예컨대; 1064 nm에서 동작하는 나노초 Nd:YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet) 레이저는 비선형 결정(non-linear crystal)을 사용하여 532 nm로 2배가된 주파수일 수 있다.
광이 높은 강도들로, 즉, 낮은 볼륨과 결합된 높은 파워로 가이드(guide)되는 경우들에서, 상이한 파장들의 광이 자발적으로 생성될 수 있다. 예컨대; ~1070 nm에서 동작하는 멀티-kW 단일 모드 레이저는 더 긴 파장들에서 소위 라만 광(Raman light)을 생성할 수 있다.
강력한 펄스들에 대한 광섬유 증폭기들과 같은 광섬유 디바이스들에서, 라만 산란은 해로울 수 있다: 그것은 많은 펄스 에너지를 레이저 증폭이 발생하지 않는 파장 범위 내로 전달할 수 있다. 이러한 효과는 그러한 디바이스들로 달성가능한 피크 파워를 제한할 수 있다. 연속파 높은-파워 광섬유 레이저들 및 증폭기들에서도, 라만 산란은 문제가 될 수 있다. 그러나, 처프-펄스 증폭(chirped-pulse amplification) 및 라만-시프트된 파장 컴포넌트를 감쇠시킴으로써 라만 산란을 억제하는 특수 광섬유 설계들의 사용을 포함하여, 그러한 문제들에 대한 다양한 종류들의 솔루션들이 존재한다.
상이한 파장들의 광을 분리하기 위한 다른 방법은 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 필터로서 사용하는 것이다. 다이크로익 미러는 특정 파장 또는 특정 파장들을 반사시킬 수 있고, 원하는 파장 또는 파장들은 다이크로익 미러를 통해 투과된다. 다이크로익 미러에 대한 반사각은 투과/반사시킬 파장들과 함께 미러의 설계 동안 특정된다. 미러는 적합한 기판, 바람직하게는 용융 실리카(fused silica) 또는 용융 석영(fused quartz)과 같은 유리 기판 상에 증착된 다층 유전체 코팅이다. 상이한 굴절률들을 갖는 광학 코팅들의 교번 층(alternating layer)들은, 예컨대, 진공 증착을 사용하여 기판 상에 구축된다. 상이한 굴절률의 층들 사이의 계면들은 페이즈드 반사(phased reflection)들을 생성하여, 특정 광 파장들을 선택적으로 강화(reinforce)시키고 다른 파장들을 방해한다. 층들의 두께 및 수를 제어함으로써, 필터의 통과 대역 주파수(파장)가 튜닝되고, 원하는 만큼 넓어지거나 또는 좁아질 수 있다. 투과되고 반사되는 파장들이 서로 얼마나 근접할 수 있는지에 대한 물리적 제한들이 존재한다. 또한, 어떤 파장들이 관심 대상인지에 따라, 어떤 각도로 광이 반사될 수 있는지에 대한 제한들이 존재한다. 알려져 있는 방법들은 다이크로익 미러를 입사광의 광학 축에 대해 45°로 포지셔닝하는 것을 포함한다. 원하지 않는 파장들이 흡수되기보다는 반사되기 때문에, 다이크로익 필터들은 동작 동안 원하지 않는 에너지를 흡수하지 않고, 종래의 등가의 필터들과 동일한 정도로 가열되지 않을 것이다.
그러한 큰 각도로 필터를 기울이는 것의 문제점은 반사된 광이 광섬유 커넥터 또는 유사한 디바이스로부터 추가 냉각기 또는 흡수기로 지향된다는 것이다. 이러한 솔루션은 비용 및 복잡성 모두를 추가한다. 또한, 원하는 파장들과 원하지 않는 파장들이 종종 서로 가깝다면, 불가능하지 않은 경우, 이러한 비교적 높은 입사각을 갖는 필터를 설계하는 것은 어렵다. 따라서, 이 솔루션의 추가적 문제점들은, 원하는 파장들과 원하지 않는 파장들이 서로 충분히 멀리 떨어져 있지 않는 한, 필터의 효율성이 감소되는 것 및 파장들을 분리할 수 없는 것과 관련된다.
본 발명의 목적은 위의 문제점들을 극복할 상이한 파장들의 광을 분리하는 개선된 방식을 제공하는 것이다.
위의 문제점들은 첨부된 청구항들에서 청구된 광전자 디바이스 및 방법에 의해 해결된다.
후속하는 설명(text)에서, "광섬유"라는 용어는 적어도 코어 및 클래딩을 포함하는 광섬유를 설명하도록 의도된다. 광섬유는 통상적으로, 내부 석영-유리 코어 및 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 투명한, 서라운딩 층(surrounding layer), 소위 클래딩을 갖는다. 클래딩의 기능은 광학 빔을 코어에 한정(confine)되게 유지하는 것이다. 코어 및 클래딩은 보호 버퍼(protective buffer) 및 재킷 층(jacket layer)들에 의해 커버될 수 있다. 예로서, 광섬유는 방사선을 전파시키기 위해, 예컨대, 석영-유리로 제조된 내부 코어를 포함할 수 있다. 서라운딩 클래딩은, 예컨대, 적합한 굴절률을 갖는 유리 또는 중합체로 제조될 수 있다. 클래딩은 하나 이상의 층들을 포함할 수 있고, 클래딩의 목적은 방사선을 코어 내로 광학적으로 "로킹(lock)"하는 것이다. 클래딩 외부에는 광섬유를 더 기계적으로 안정적이게 하는 하나 이상의 보호 재킷들이 존재한다. 이러한 층들은 종종 "버퍼" 또는 "재킷" 층들로 지칭되며, 예컨대, 폴리우레탄 또는 PVC와 같은 중합체 층을 포함할 수 있다.
"전파 방향"이라는 용어는 소스로부터 산업 프로세스로 광이 광학 조립체를 통해 투과되는 방향을 표시하는 데 사용된다. 전파 방향으로 투과된 광은 "입사광"으로 지칭될 것이다. 반대 방향으로 투과된 광은 "반사된 광"으로 지칭될 것이며, 레이저 용접 또는 절단과 같은 산업 프로세스에 의해 생성될 수 있다.
통신 애플리케이션들에 사용되는 비교적 낮은 동력(< 1 W)을 공급받는(powered) 광섬유 시스템들과는 대조적으로, 본 설명에서 나타내는 "높은 파워" 애플리케이션은 일반적으로 산업 애플리케이션들에 사용된다. 이러한 맥락에서 설명된 광섬유 조립체들은 높은 파워, 1 킬로와트(kW)로부터 20 kW 이상의 연속파 출력 파워를 핸들링하도록 설계된다. 높은 파워 애플리케이션들의 경우, 원하지 않는 파장들에서의 파워가 너무 높아서, 컴포넌트 손상을 회피하기 위해 그것을 흡수하는 데 조립체의 액티브 냉각(active cooling)이 필요할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 사전 결정된 방향으로 광학 조립체의 입력 단부 내로 광을 전파시키는 제1 광섬유를 포함하는 광학 조립체에 관한 것이다. 조립체의 출력 단부로부터 코히런트 광을 전파시키기 위해 제2 광섬유가 배열된다. 광섬유는 적어도 코어 및 클래딩을 포함한다. 광학 조립체는 조립체의 입력 단부에서 광섬유를 둘러싸는 히트 싱크(heat sink), 전파 방향에 있어서 히트 싱크 이후에 배열된 렌즈, 및 전파 방향에 있어서 렌즈 뒤의 리포커싱(re-focusing) 렌즈를 더 포함한다. 렌즈는 바람직하게는(그러나 반드시 그런 것은 아님) 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)이다. 본 발명에 따르면, 광학 조립체는 렌즈와 리포커싱 렌즈 사이에 배열된 필터를 더 포함한다. 필터는, 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키고 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 반사시키도록 배열된 반사 표면을 갖는다. 원하지 않는 파장들은 렌즈로 되돌려 반사되며, 렌즈는 반사된 광을 히트 싱크를 향해 리포커싱한다.
상이한 파장들의 광을 분리하는 하나의 방식은 다이크로익 미러를 필터로서 사용하는 것이다. 다이크로익 미러는 적합한 기판 상에 증착된 다층 유전체 코팅이다. 기판은 용융 실리카, 용융 석영 또는 유사한 적합한 재료를 포함할 수 있다. 후속하는 예들은 원하는 파장 또는 파장들을 투과시키면서 원하지 않는 파장 또는 파장들을 완전히 반사시킬 다이크로익 미러들을 설명한다. 그러나, 특정 파장 또는 파장들을 단지 부분적으로 반사시킬, 코팅을 갖는 다이크로익 미러를 설계하는 것이 또한 가능하다. 반사각은 특정 애플리케이션에 대해 투과/반사시킬 파장들과 함께 미러의 설계 동안 특정된다. 투과되고 반사되는 파장들이 서로 얼마나 근접할 수 있는지에 대한 물리적 제한들이 존재하므로, 그러한 팩터들이 고려되어야 한다.
어떤 파장들이 관심 대상인지에 따라, 어떤 각도로 광이 반사될 수 있는지에 대한 제한들이 존재한다. 본 발명은 다이크로익 미러의 특성들을 충분히 사용하기 위해 비교적 작은 각도를 선택함으로써 이러한 문제를 회피한다. 일 예에 따르면, 필터는 라만 광/파장들을 걸러내도록 배열될 수 있다.
필터는 바람직하게는 평평하며, 주 광학 축에 대해 직각인 평면에 대해 어떤 각도로(at an angle) 배열된다. 따라서, 필터는 투과된 광의 광학 축에 대해 어떤 각도로 렌즈를 통해 그리고 렌즈로 광을 되돌려 반사시킬 것이다. 렌즈로부터의 입사광의 광학 축은 주 광학 축으로 지칭될 것이다. 다이크로익 미러의 특성들을 충분히 사용하기 위해, 비교적 작은 각도가 선택된다. 각도는 렌즈와 필터 사이의 거리, 렌즈의 외부 치수(outer dimension)들 또는 입사광의 빔 직경, 및/또는 반사된 광을 히트 싱크로 리포커싱하도록 요구되는 장소와 같은 팩터들에 따라 선택될 수 있다. 리포커싱된 반사된 광은 에너지가 제거될 수 있게 하도록 광섬유 코어 외부의 히트 싱크의 단부로 광을 포커싱할 단부 캡(end cap)을 목표로 한다.
1kW 초과의 파워를 투과시키는 광학 조립체들에서, 광섬유 커넥터들에는 일반적으로 석영 유리로 제조된 원통형 단부 캡이 제공된다. 단부 캡은 광섬유 코어보다 직경이 크며, 광섬유에 스플라이스(splice)된다. 이러한 방식으로, 레이저 광은 정상적으로 석영 캡의 단부 표면을 통해 광섬유 코어로 포커싱되며, 여기서, 동일한 레이저 파워에서, 파워 밀도는 상당히 낮다. 예컨대, 200 미크론 광섬유에서 NA0.1의 레이저 파워를 커플링할 때, 10 mm 길이(long) 단부 캡은 표면의 에너지 밀도를 100배만큼 변경한다. 유사하게, 광섬유를 통해 투과된 광은 그것이 단부 캡을 통해 광학 조립체 내로 통과함에 따라 발산될 것이다. 그러나, 본 예에서, 반사된 광이 렌즈에 의해 리포커싱되어, 단부 캡을 통과하는 광은 광섬유 코어에 도달하지 않을 것이다.
대안적으로, 단부 캡은 선택적일 수 있다. 이 경우, 광섬유의 단부는 독립형일 것이며, 단부 캡이 정상적으로 로케이팅될 위치에서 광학 조립체 내로 사전 결정된 거리를 연장한다. 이러한 위치 뒤에서, 광섬유는 V-블록 또는 방사형 클램프와 같은 기계적 부분에 고정될 수 있다. 대안적으로, 광섬유는, 열 교환기의 단부를 통해, 천공된 채널(drilled channel)에서 제 포지션에 접착될 수 있다.
이 예에 따르면, 필터는, 파장들이 서로 비교적 가까이 있는 경우에도, 예컨대, 100 nm 미만 분리되어 있는 경우에도, 라만 광을 걸러내도록 배열될 수 있다. 렌즈 및 필터는 또한 반사된 광을 제1 광섬유의 코어 외부의 광섬유의 일측으로 리포커싱하도록 배열될 수 있다. 그에 의해, 렌즈는 반사된 광을 제1 광섬유의 클래딩으로 리포커싱하도록, 또는 클래딩으로 그리고 직접 히트 싱크의 단부로 리포커싱하도록 배열된다. 이것은 훨씬 더 작은 각도가 선택될 수 있게 한다. 히트 싱크에서, 반사된 광으로부터의 에너지는 광학 조립체로부터 흡수 및 제거될 수 있다. 유사하게, 클래딩으로 지향된 광에 의해 생성된 열은 또한 히트 싱크에 의해 흡수될 수 있다. 리포커싱된 반사된 광에 대한 지속적 노출로 인해 핫 스팟(hot spot)이 형성되는 것을 회피하기 위해, 필터는 대안적으로 회전가능한 홀더에 장착될 수 있다. 일정한 또는 가변적 속도로 필터를 회전시킴으로써, 반사된 광으로부터의 에너지는 히트 싱크의 더 큰 영역에 걸쳐 분포되고, 더 균일한 온도 분포를 제공할 수 있다. 필터의 반사 표면은 렌즈로부터의 입사광의 주 광학 축에 대해 직각인 평면에 대해 선택된 각도로 배열된 평평한 원형 표면일 수 있다. 이 경우, 렌즈의 치수들은 반사된 광의 임의의 부분이 렌즈 외부를 통과하는 것을 회피하기에 충분히 크게 선택되어야 한다.
대안적으로, 필터는 평평하지 않으며, 투과된 광의 주 광학 축에 대해 어떤 각도로 보조 광학 축을 따라 렌즈로 그리고 렌즈를 통해 광을 되돌려 반사시키도록 배열된다. 반사된 광은 보조 광학 축을 따르고, 렌즈에 의해 리포커싱될 것이다. 각도는 렌즈와 필터 사이의 거리, 렌즈의 외부 치수들, 및/또는 반사된 광을 히트 싱크로 리포커싱하도록 요구되는 장소와 같은 팩터들에 따라 선택될 수 있다. 이 예에서, 필터의 반사 표면은 조립체의 입력 단부에서의 렌즈로부터의 입사광의 광학 축에 대해 선택된 각도로 배열된 보조 광학 축을 갖는 원형의 오목한 또는 볼록한 표면일 수 있다. 오목한 또는 볼록한 표면의 반경은 반사된 광의 부분이 렌즈 외부를 통과하지 않도록 또는 그것의 지지 구조물에 부딪치지 않도록 보장하기 위해 선택된다. 그러한 평평하지 않은 표면의 반경은 오직 원하는 파장들만이 반사되도록 보장하기 위해, 비교적 커야하며, 바람직하게는 10 m를 훨씬 초과해야 한다. 반경의 중심점은 이러한 보조 광학 축 상에 로케이팅될 것이다. 반사 표면이 오목함에 따라, 반사된 광은 히트 싱크의 단부 표면 바로 앞에서 단부 캡 내에 리포커싱될 것이다. 이 경우, 단부 캡은 히트 싱크 내에서 냉각제와 직접 접촉하여, 단부 캡 내에서 생성된 임의의 열이 유동 냉각제에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 위에서 나타낸 바와 같이, 필터는 또한 더 균일한 온도 분포를 제공하기 위해 회전될 수 있다.
일 예에 따르면, 히트 싱크는 적합한 유동 냉각제 매체가 공급된 액티브 유체 냉각식 열 교환기일 수 있다. 이러한 어레인지먼트(arrangement)는 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 흡수할 때 광학 조립체의 효과적 냉각을 제공한다. 제1 예에 따르면, 히트 싱크는 가스 냉각식 열 교환기이다. 제2 예에 따르면, 히트 싱크는 액체 냉각식 열 교환기이다. 액체는 물 또는 유사한 적합한 액체일 수 있다.
광학 조립체에는 그것의 입력 단부에 인접한 투명 단부 캡(transparent end cap)이 제공될 수 있다. 바람직한 예에 따르면, 제1 광섬유는 투명 단부 캡과 광학적으로 접촉하여 종단되며, 이 단부 캡은 전파 방향에 있어서 히트 싱크 뒤에서 히트 싱크에 인접하게 로케이팅된다. 단부 캡은, 히트 싱크에 간접적으로 또는 직접적으로 연결되거나 또는 적합한 간격으로 히트 싱크에 인접하게 장착될 수 있다. 단부 캡은, 석영 또는 실리카를 포함하는 유리로 제조되거나 또는 유사한 적합한 투명 재료로 제조될 수 있다.
본 발명은 또한 광학 조립체에서 광의 파장들은 분리하기 위한 방법에 관한 것이다. 위에서 나타낸 바와 같이, 광학 조립체는, 조립체의 입력 단부로 사전 결정된 방향으로 광을 전파시키는 제1 광섬유, 및 광학 조립체의 출력 단부로부터 광을 전파시키는 제2 광섬유를 포함하며, 상기 광섬유는 코어 및 클래딩을 갖는다. 조립체의 입력 단부에서 광섬유를 둘러싸게 히트 싱크가 배열된다. 광학 조립체는 전파 방향에 있어서 히트 싱크 뒤에 배열된 렌즈, 및 전파 방향에 있어서 렌즈 뒤의 리포커싱 렌즈를 더 포함한다. 방법은:
- 레이저 광 소스로부터 광학 조립체 내로 광을 투과시키는 단계;
- 렌즈를 통해 그리고 렌즈와 리포커싱 렌즈 사이에 배열된 필터를 통해 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키는 단계; 및
- 반사 표면을 갖는 필터로부터 렌즈를 통해 반대쪽으로 하나 이상의 원하지 않는 파장을 갖는 광을 반사시키는 단계를 수행하는 것을 포함한다.
이 방법에 따르면, 렌즈는 조립체의 입력 단부에서 제1 광섬유의 코어 외부의 광섬유의 일측으로 반사된 광을 리포커싱하는 데 사용된다. 특히, 렌즈는 반사된 광을 히트 싱크 또는 제1 광섬유의 클래딩으로 리포커싱할 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 히트 싱크는 적합한 유동 냉각제 매체가 공급된 액티브 유체 냉각식 열 교환기일 수 있다. 광학 조립체에는 그것의 입력 단부에 인접한 투명 단부 캡이 제공될 수 있으며, 이 단부 캡은 전파 방향에 있어서 히트 싱크 뒤에서 히트 싱크에 인접하게 로케이팅된다.
본 발명의 디바이스의 이점은 필터가 매우 작은 각도로만 기울어져서 반사된 광이 렌즈로 되돌려 지향되게 하는 것이다. 이러한 방식으로, 반사된 광은 리포커싱되고, 광학 조립체의 입력 단부에서 냉각기로 되돌려 지향될 수 있다. 이것은 광학 조립체의 일측에 대한 추가 냉각기 또는 흡수기의 필요성을 제거하며, 비용 및 복잡성 모두를 감소시킨다. 또한, 작은 입사각은, 원하는 파장들과 원하지 않는 파장들이 서로 비교적 가까이에 있는 경우에도, 원하는 파장들과 원하지 않는 파장들을 분리하는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 본 발명의 디바이스는 필터의 효율성 및 그것이 파장들을 분리하는 능력 모두를 개선시킨다. 광학 조립체는 광섬유 커넥터들 및 용접 또는 절단을 위한 프로세스 헤드들과 같은 다수의 상이한 디바이스들의 일부를 형성할 수 있다.
다음의 설명에서, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 이러한 개략적 도면들은 오직 예시만을 위해 사용되며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다. 도면들에서:
도 1은 본 발명에 따른 개략적 광학 조립체를 도시한다.
도 2는 도 1의 광학 조립체의 입력 단부의 확대 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 광학 조립체의 입력 단부의 추가 측면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명에 따른 반사 필터의 제1 예를 도시한다.
도 4b는 본 발명에 따른 반사 필터의 제2 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광학 조립체에서 투과되고 반사된 광의 광학 경로들의 예들을 도시한다.
도 6은 광섬유 커넥터의 일부를 형성하는 광학 조립체의 개략적 단면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 개략적 광학 조립체를 도시한다.
도 2는 도 1의 광학 조립체의 입력 단부의 확대 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 광학 조립체의 입력 단부의 추가 측면도를 도시한다.
도 4a는 본 발명에 따른 반사 필터의 제1 예를 도시한다.
도 4b는 본 발명에 따른 반사 필터의 제2 예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 광학 조립체에서 투과되고 반사된 광의 광학 경로들의 예들을 도시한다.
도 6은 광섬유 커넥터의 일부를 형성하는 광학 조립체의 개략적 단면도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 광학 조립체(100)의 개략적 단면도를 도시한다. 광학 조립체(100)는 조립체(100)의 입력 단부(110)로 사전 결정된 전파 방향(P)으로 레이저 소스(도시되지 않음)로부터 광을 전파시키는 제1 광섬유(101)를 포함한다. 광섬유(101)는 적어도 코어 및 클래딩 층을 포함한다.
광학 조립체(100)는 전파 방향(P)에 있어서 입력 단부(110) 뒤에 배열된 렌즈(120)를 둘러싸는 하우징(103)을 더 포함한다. 이러한 목적을 위해 사용되는 렌즈는 바람직하게는(그러나 반드시 그런 것은 아님) 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)이다. 필터(130)는 전파 방향에 있어서 렌즈(120) 뒤에 배열되며, 이 필터(130)는, 하나 이상의 원하는 파장들을 포함하는 광을 투과시키고 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 반사시키도록 배열된 반사 표면(131)을 갖는다. 광학 조립체(100)는 디바이스(105)(파선들로 표시됨)의 일부에 부착되고 디바이스(105)의 일부를 형성할 수 있으며, 이 디바이스는, 예컨대, 광섬유 커넥터 또는 절단 또는 용접을 위한 프로세스 헤드(process head)일 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 광학 조립체는 광섬유-광섬유 커플러(fiber-to-fiber coupler)일 수 있다.
도 2는 도 1의 광학 조립체(100)의 입력 단부의 확대 측면도를 도시한다. 입력 단부(110)는, 제1 광섬유(101)를 둘러싸는 히트 싱크(111), 및 제1 광섬유(101)가 광학 접착제 또는 유사한 적합한 재료에 의해 광학적으로 연결된 투명 단부 캡(114)을 포함한다. 단부 캡(114)은 광원으로부터의 입사광의 전파 방향(P)에 있어서 히트 싱크 뒤에서 히트 싱크에 인접하게 로케이팅된다. 이 예에 따르면, 단부 캡은 히트 싱크에 직접적으로 연결되지만, 또한 적합한 간격으로 장착될 수 있다. 히트 싱크(111)는 가스 냉각식 또는 액체 냉각식 열 교환기와 같은 유체 냉각식 열 교환기일 수 있다. 본 예에서, 히트 싱크(111)는 냉각제 유입구(112) 및 냉각제 유출구(113)를 갖는 수냉식 열 교환기(water cooled heat exchanger)이다. 단부 캡(114)은 선택적이며, 석영 또는 실리카를 포함하는 유리로 제조되거나 또는 유사한 적합한 투명 재료로 제조될 수 있다.
투과된 광이 광섬유(101)의 코어를 빠져나가서 단부 캡(114)에 들어감에 따라, L1에 의해 표시된 광의 빔은 그것이 전파 방향에 있어서 히트 싱크(111) 뒤에 배열된 렌즈(120)에 도달할 때까지 발산될 것이다. 렌즈(120)를 떠나는 빔(L2)은 필터(130)를 향해 발산 없이 전파되는 평행 광선들을 포함한다. 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광은 산업 프로세스를 위해 광학 조립체를 통과하는 투과된 빔(L3)으로서 필터(130)를 통해 투과된다(도 6 참조).
도 3은 도 1의 광학 조립체(100)의 입력 단부의 추가 측면도를 도시한다. 렌즈(120)를 떠나는 빔(L2)은, 필터(130)에 의해 반사되어 반사된 빔(R1)으로서 렌즈(120)로 리턴되는 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 포함한다. 렌즈(120)는 수렴된 리포커싱된 반사된 광 빔(R2)을 형성하기 위해 반사된 광 빔(R1)을 리포커싱하는 데 사용되며, 이 수렴된 리포커싱된 반사된 광 빔(R2)은 조립체의 입력 단부(110)에서 단부 캡(114)을 통해 제1 광섬유(101)의 코어의 외부의 광섬유의 일측으로 포커싱된다. 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 렌즈(120)는 바람직하게는, 반사된 광을 히트 싱크로 리포커싱하도록 배열되지만, 그것은 또한 제1 광섬유(101)의 클래딩으로 적어도 부분적으로 리포커싱될 수 있다.
비교적 높은 광파워의 광에 대한 장기간의 지속적 노출은 잠재적으로 클래딩을 저하시킬 수 있고, 비대칭적 가열을 회피하는 것이 바람직하다. 클래딩 손상의 위험은 아래에서 설명되는 스피닝(spinning) 또는 회전 필터를 제공함으로써 감소되거나 또는 제거될 수 있다.
리포커싱된 반사된 광(R2)의 고정적 빔에 대한 지속적 노출로 인해 히트 싱크(111)에 핫 스팟이 형성되는 것을 회피하기 위해, 필터(130)는 선택적 회전가능한 홀더(135)에 장착될 수 있다. 회전가능한 홀더(135)는 주 광학 축(X1)에 대해 직각인 평면에서 필터(130)를 회전시키도록 배열되어, 각도가 기울어진(angled) 보조 광학 축(X2)이 주 광학 축(X1)을 중심으로 원추형 경로(conical path)를 따르게 한다. 그러면, 리포커싱된 반사된 광(R2)의 초점은 제1 광섬유(101)의 코어를 중심으로 원형 경로를 따를 것이다. 일정하게, 간헐적으로 또는 가변적 속도로 필터(130)를 회전시킴으로써, 반사된 광(R2)으로부터의 에너지는 히트 싱크(111)의 더 큰 영역에 걸쳐 분포되고, 더 균일한 온도 분포를 제공할 수 있다. 회전가능한 홀더(135)는 스텝 모터(step motor), 연속적으로 또는 간헐적으로 구동되는 전기 모터, 또는 유사한 적합한 구동 수단을 포함할 수 있다. 회전가능한 홀더(135)에는 슬라이딩 베어링, 롤러/볼 베어링, 또는 유사한 적합한 디바이스를 포함하는 지지 구조물이 제공될 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 반사 필터의 제1 예를 도시한다. 이 도면은 주 광학 축(X1)을 갖는 렌즈(120)를 도시하며, 주 광학 축(X1)은 도 2에 표시된 렌즈(120) 및 입사광 빔(L2) 모두에 대한 광학 축이다. 그런 다음, 광은 필터(130)에 도달할 것이며, 이 예에서, 필터(130)는 평평한 반사 표면(131)을 갖는 다이크로익 미러이다. 다이크로익 미러는 용융 실리카 또는 용융 석영과 같은 적합한 기판 상에 증착된 다층 유전체 코팅을 포함한다. 다이크로익 미러(130)는 특정 파장 또는 파장들을 완전히 반사시키고, 다른 파장 또는 파장들을 완전히 투과시킬 것이다. 이 예에서, 다이크로익 미러(130)는 1070 nm에서 광을 투과시키고, 1120 nm에서 라만 광을 반사시킬 것이다.
필터(130)는 평평하며, 주 광학 축(X1)에 대해 직각인 평면에 대해 각도(α)로 배열된다. 이러한 방식으로, 필터(130)는 렌즈로부터의 입사광의 주 광학 축(X1)에 대해 각도(β)로 보조 광학 축(X2)을 따라 렌즈(120)로 그리고 렌즈(120)를 통해 광을 되돌려 반사시킬 것이며, 이 각도(β)는 각도(2α)에 대응한다. 위에서 설명된 바와 같이, 반사된 광은 보조 광학 축(X2)을 따르고, 렌즈(120)에 의해 리포커싱될 것이다. 다이크로익 미러의 특성들을 충분히 사용하기 위해, 비교적 작은 각도가 선택된다. 각도(α)는 렌즈(120)와 필터(130) 사이의 거리, 렌즈(120)의 외부 치수들, 및/또는 반사된 광을 히트 싱크로 리포커싱하도록 요구되는 장소와 같은 팩터들에 따라 선택된다. 이 예에 따르면, 필터는, 파장들이 서로 비교적 가까이 있는 경우에도(100 nm 미만 분리되어 있는 경우에도), 라만 광을 걸러내도록 배열될 수 있다.
본 예에서, 필터(130)의 반사 표면은 조립체의 입력 단부로부터의 입사광의 주 광학 축(X1)에 대해 직각인 평면에 대해 선택된 각도(α)로 배열된 평평한 원형 표면(131)이다. 이 경우, 렌즈(120)의 외부 치수들은 반사된 광의 임의의 부분이 렌즈 외부를 통과하는 것 또는 그것의 지지 구조물(도시되지 않음)에 부딪치는 것을 회피하기에 충분히 크게 선택되어야 한다.
도 4b는 본 발명에 따른 반사 필터의 제2 예를 도시한다. 이 도면은 주 광학 축(X1)을 갖는 렌즈(120)를 도시하며, 주 광학 축(X1)은 도 2에 표시된 렌즈(120) 및 투과된 광 빔(L2) 모두에 대한 광학 축이다. 그런 다음, 광은 필터(130')에 도달할 것이며, 이 예에서, 필터(130')는 오목한 반사 표면(132)을 갖는 다이크로익 미러이다. 다이크로익 미러(130')는 특정 파장 또는 파장들을 완전히 반사시키고, 다른 파장 또는 파장들을 완전히 투과시킬 것이다. 이 예에서, 다이크로익 미러(130')는 1070 nm에서 광을 투과시키고, 1120 nm에서 라만 광을 반사시킬 것이다.
필터(130')는 입사광의 주 광학 축(X1)에 대해 각도(β)로 보조 광학 축(X2)을 따라 렌즈(120)로 그리고 렌즈(120)를 통해 광을 되돌려 반사시키도록 주 광학 축(X1)에 대해 직각인 평면에 대해 각도(α)로 배열된다. 이것은 도 4a에 대해 위에서 설명된 바와 같이 필터(130')를 각도를 기울임(angling)으로써, 또는 비구면 표면(aspherical surface)(도시되지 않음)을 갖는 필터를 사용함으로써 달성될 수 있다. 비구면 반사 표면이 선택된 경우, 각도가 기울어진 보조 광학 축을 달성하기 위해 필터는 각도가 기울어질 필요가 없다. 위에서 설명된 바와 같이, 반사된 광은 보조 광학 축(X2)을 따르고, 렌즈(120)에 의해 리포커싱될 것이다. 다이크로익 미러의 특성들을 충분히 사용하기 위해, 비교적 작은 각도가 선택된다. 각도(β)는 각도(α)의 2배이고, 렌즈(120)와 필터(130) 사이의 거리 및/또는 렌즈(120)의 외부 치수들과 같은 팩터들에 따라 선택될 수 있다. 이 예에 따르면, 필터는, 파장들이 서로 비교적 가까이 있는 경우에도(100 nm 미만 분리되어 있는 경우에도), 라만 광을 걸러내도록 배열될 수 있다.
이 예에서, 필터(130')의 반사 표면(132)은, 조립체의 입력 단부에서의 렌즈로부터의 입사광 및 렌즈의 주 광학 축(X1)에 대해 각도(β)로 배열된 그것의 광학 축을 갖는 원형의 오목한 표면(132)이다. 오목한 표면(132)의 반경(R)은 반사된 광의 부분이 렌즈 외부를 통과하지 않도록 또는 그것의 지지 구조물(도시되지 않음)에 부딪치지 않도록 보장하기 위해 선택된다. 과장된 반경(R)의 중심점은 주 광학 축 및 보조 광학 축(X1, X2) 사이에 로케이팅될 것이다. 반사 표면이 오목함에 따라, 반사된 광은 히트 싱크의 단부 표면 바로 앞에서 단부 캡 내에 리포커싱될 것이다. 그러나, 단부 캡이 히트 싱크 내에서 냉각제와 직접 접촉함에 따라, 단부 캡 내에서 생성된 임의의 열은 유동 냉각제에 의해 효과적으로 제거될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 광학 조립체에서 투과된 광(L1) 및 반사된 광(R2)에 대한 광학 경로들의 예들을 도시한다. 도 5는 도 2 및 도 3에 예시된 히트 싱크(111) 및 단부 캡(114)의 부분을 개략적으로 표시한다. 위에서 설명된 바와 같이, 히트 싱크(111)는 유동 냉각제를 함유하는 내부 캐비티(internal cavity)(116)를 한정하는 내부 표면(115)을 갖는다. 입사광은 히트 싱크(111)를 통해 제1 광섬유(101)를 통해, 제1 광섬유(101)가 광학적으로 연결된 단부 캡(114)을 향해 투과된다.
투과된 광이 광섬유(101)의 코어를 빠져나가서 단부 캡(114)에 들어갈 것이며, 그 이후, L1에 의해 표시된 광의 빔은 그것이 전파 방향에 있어서 히트 싱크(111) 및 단부 캡(114) 뒤에 배열된 렌즈(도 2 참조)에 도달할 때까지 발산될 것이다. 다이크로익 미러(도 3 참조)에 의해 반사된 이후에, 렌즈에 의해 리포커싱된 R1에 의해 표시된 반사된 광의 빔은 단부 캡(114)을 통과하고, 히트 싱크(111)에 되돌려 들어갈 것이다. 반사된 광은 내부 캐비티 내에서 내부 표면(115)에 부딪칠 것이다. 내부 표면(115)으로 전달된 열은 냉각제에 의해 흡수되고, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 광학 조립체로부터 제거될 것이다.
렌즈는 반사된 광(R2)을 제1 광섬유(101)의 코어 외부의 광섬유의 일측으로 리포커싱하도록 배열된다. 그에 의해, 렌즈는 반사된 광을 제1 광섬유의 클래딩으로 또는 바람직하게는 히트 싱크(111)로 직접 리포커싱하도록 배열되며, 여기서 반사된 광으로부터의 에너지는 광학 조립체로부터 흡수 및 제거될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 커넥터(106)의 일부를 형성하는 광학 조립체의 개략적 단면도를 도시한다. 광섬유 커넥터(106)는 조립체의 입력 단부(110)로 사전 결정된 전파 방향(P)으로 레이저 소스(도시되지 않음)로부터 코히런트 광을 전파시키는 제1 광섬유(101)를 포함한다. 제2 광섬유(102)는 광섬유 커넥터(106)의 출력 단부(150)로부터 코히런트 광을 전파시킨다. 광섬유(101, 102)는 적어도 코어 및 클래딩 층을 포함한다.
광섬유 커넥터(106)는 전파 방향(P)에 있어서 입력 단부(110) 뒤에 배열된 렌즈(120)를 둘러싸는 하우징(103)을 더 포함한다. 리포커싱 렌즈(140)는 전파 방향(P)에 있어서 렌즈(120) 뒤에 제공되며, 이 리포커싱 렌즈(140)는 투과된 필터링된 광을 출력 단부(150)에서 제2 광섬유(102)의 코어 단부로 포커싱한다. 필터(130)는 렌즈(120)와 리포커싱 렌즈(140) 사이에 배열되며, 이 필터(130)는, 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키고 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 반사시키도록 배열된 반사 표면(131)을 갖는다. 광섬유 커넥터(106)에는 또한, 예컨대, 광섬유 커넥터(106)의 상태를 모니터링하기 위한 센서 수단뿐만 아니라 제2 광섬유(102)를 통해 리턴되는 임의의 반사된 프로세스 광을 포함하는 제어 유닛(104)이 제공될 수 있다. 반사된 프로세스 광은 필터(130)에 의해 반사된 광과 관련되지 않는다.
광학 조립체는 광섬유 커넥터들 및 용접 또는 절단을 위한 프로세스 헤드들과 같은 다수의 상이한 디바이스들의 일부를 형성할 수 있다. 디바이스는 광섬유 다음의 콜리메이터(collimator)와 함께 프로세스 헤드와 함께 사용되거나 또는 프로세스 헤드 내의 개별 컴포넌트로서 사용될 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 제한되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 오히려 다음의 특허 청구항들의 범위 내에서 다수의 추가 변형들 및 수정들이 구상가능하다.
Claims (20)
- 광학 조립체(100)로서,
사전 결정된 방향(P)으로 상기 광학 조립체(100)의 입력 단부(110) 내로 광을 전파시키는 제1 광섬유(101) ― 상기 제1 광섬유(101)는 코어(core) 및 클래딩(cladding)을 가짐 ―;
상기 입력 단부(110)에서 상기 제1 광섬유(101)를 둘러싸는 히트 싱크(heat sink)(111);
주 광학 축(X1)을 가지며, 상기 전파 방향(P)에 있어서 상기 히트 싱크(111) 뒤에 배열된 렌즈(120); 및
상기 전파 방향에 있어서 상기 렌즈(120) 뒤에 배열된 필터(130)를 포함하고,
상기 필터(130)는, 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키고 하나 이상의 원하지 않는 파장들을 갖는 광을 상기 렌즈(120)를 통해 되돌려 반사시키도록 배열된 반사 표면(131)을 가지고, 그리고
상기 렌즈(120)는, 상기 반사된 광으로부터의 에너지가 상기 제1 광섬유(101)를 둘러싸는 상기 히트 싱크(111)에 의해 흡수되도록, 상기 반사된 광을 상기 제1 광섬유의 코어 외부로 리포커싱(re-focus)하도록 배열되는,
광학 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 필터(130)는 다이크로익 미러(dichroic mirror)인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 필터(130)는 라만(Raman) 광/파장들을 걸러내도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 필터(130)는 상기 렌즈(120)의 상기 주 광학 축(X1)에 대해 각도(β)로 상기 렌즈(120)로 광을 되돌려 반사시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항에 있어서,
상기 필터는 상기 주 광학 축(X1)을 중심으로 회전가능하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터는 평면 반사 표면(131)을 갖는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터는 비-평면 반사 표면(132)을 갖는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈(120)는 상기 반사된 광을 상기 제1 광섬유를 둘러싸는 상기 히트 싱크로 리포커싱하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 렌즈(120)는 상기 반사된 광을 상기 제1 광섬유의 클래딩으로 리포커싱하도록 배열되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 히트 싱크(111)는 유체 냉각식 열 교환기인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제10항에 있어서,
상기 히트 싱크(111)는 가스 냉각식 열 교환기인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제10항에 있어서,
상기 히트 싱크(111)는 액체 냉각식 열 교환기인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제12항에 있어서,
상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 조립체는 광섬유 커넥터의 일부인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 조립체는 프로세스 헤드(process head)에 부착되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 조립체는 광섬유-광섬유 커플러(fiber-to-fiber coupler)인 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광섬유(101)는 상기 전파 방향(P)에 있어서 상기 히트 싱크(111) 뒤에서 상기 히트 싱크에 인접하게 로케이팅된 투명한 단부 캡(end cap)(114)과 접촉하여 종단되는 것을 특징으로 하는,
광학 조립체. - 광학 조립체(100)에서 광의 파장들을 분리하기 위한 방법으로서,
상기 광학 조립체(100)는,
사전 결정된 방향(P)으로 상기 광학 조립체(100)의 입력 단부(110) 내로 광을 전파시키는 제1 광섬유(101) ― 상기 제1 광섬유(101)는 코어 및 클래딩을 가짐 ―;
상기 입력 단부(110)에서 상기 제1 광섬유(101)를 둘러싸는 히트 싱크(111); 및
상기 전파 방향(P)에 있어서 상기 히트 싱크(111) 뒤에 배열된 렌즈(120)를 포함하며,
상기 방법은,
레이저 광 소스로부터 상기 광학 조립체(100) 내로 광을 투과시키고,
상기 렌즈(120)를 통해 그리고 상기 전파 방향(P)에 있어서 상기 렌즈(120) 뒤에 배열된 필터(130)를 통해 하나 이상의 원하는 파장들을 갖는 광을 투과시키고,
하나 이상의 원하지 않는 파장을 갖는 광을 상기 필터(130)로부터 상기 렌즈(120)를 통해 되돌려 반사시키고 ― 상기 필터는 반사 표면(131)을 가짐 ―, 그리고
상기 렌즈(120)를 사용하여 상기 조립체의 상기 입력 단부(110)에서 상기 제1 광섬유(101)의 코어 외부로 상기 반사된 광을 리포커싱하는 것을 특징으로 하는,
방법. - 제18항에 있어서,
상기 렌즈(120)를 사용하여 상기 반사된 광을 상기 히트 싱크 또는 상기 제1 광섬유의 클래딩으로 리포커싱하는 것을 특징으로 하는,
방법. - 제18항 또는 제19항에 있어서,
다이크로익 미러를 필터(130)로서 사용하여 광을 반사시키는 것을 특징으로 하는,
방법.
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