KR20110034338A - 고 전송 출력 안정화 장치 및 광학 감쇠기를 구비한 레이저 가공 시스템 - Google Patents

고 전송 출력 안정화 장치 및 광학 감쇠기를 구비한 레이저 가공 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반파장판과 브루스터 각을 통해 편광 이론에 기초한 외부 제어방법에 의해 출력을 안정화하는 출력 안정화 장치를 구비한 레이저 가공 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 펄스 레이저 빔을 방출하는 레이저 장치, 회전 가능하게 지지되는 회전 스테이지에 부착되며 통과하는 상기 레이저 빔의 입사 각도를 변화시켜 후단에 브루스터 윈도우를 갖는 경우 편광도를 변경시키는 반파장판, 각각 브루스터 각으로 틸팅된 브루스터 원도우(Brewster window)를 구비하고 상기 반파장판을 통하여 입사되는 레이저 빔의 편광방향을 변화시켜 통과하는 레이저 빔을 레이저 가공에 이용되는 레이저 빔으로 출력하는 적어도 2개의 용융 실리카판, 및 상기 편광된 빛 중 윈도우를 통과하여 산란된 빛을 광검출기와 피크/샘플 홀드 증폭기를 통하여 수집한 후 수집된 산란된 레이저 신호와 주어진 설정값 사이의 에러를 보상하여 출력의 변동을 최소화하도록 상기 반파장판을 회전 구동시키기 위한 PID 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
레이저 가공, 브루스터 윈도우, 액시머 레이저, PID 제어, 출력 안정

Description

고 전송 출력 안정화 장치 및 광학 감쇠기를 구비한 레이저 가공 시스템{Laser machining system having high transmission power stabilizer and optical attenuator}
본 발명은 레이저 가공 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반파장판(half-wave plate)과 브루스터 각(Brewster’s angle)을 통해 편광 이론에 기초한 외부 제어방법에 의해 출력을 안정화하는 출력 안정화 장치(power stabilizer)를 구비한 레이저 가공 시스템에 관한 것이다.
레이저 가공은 레이저 광과 물질과의 상호작용에서 발생하는 열을 이용하는 것으로서 레이저의 높은 에너지 밀도와 고도의 지향성을 이용하는 열 가공 방법이며, 레이저 발진기 기술, 가공기 제작 기술, 빔 전송계 기술, 제어 기술 등이 순차적으로 연결되어 이루어지는 기술이다. 레이저 가공은 많은 장점을 가지고 있는데, 특히 열 가공이면서 집광 면적이 매우 작기 때문에 수십 ㎛의 국부 가공이 가능하여, 소재의 응력이나 뒤틀림 등이 다른 가공 기법에 비해 거의 없다.
이러한 레이저 가공은 100μm 이상의 크기로 가공할 수 있는 레이저 매크로 가공기술(laser macro-machining)과 0.1~50μm까지 가공할 수 있는 레이저 미세가 공기술(laser micro-machining)로 구분할 수 있다.
이러한 레이저 미세가공의 핵심기술은 가공물의 종류와 두께에 적합한 파장과 출력을 가진 레이저 광원 기술, 레이저빔을 렌즈로 집속시킬 수 있는 절단헤드 또는 용접헤드의 설계 기술, 시료/빔 이동시스템 기술, 이동재현도를 ±1μm 이내로 작동할 수 있는 CNC선반 기술, 레이저 가공용 컴퓨터 프로그램 등이다. 특히 CO2레이저, Nd:YAG 레이저, UV 레이저에 이르는 다양한 종류의 레이저 광원의 개발과 고출력, 극초단펄스, 고반복율, 고효율레이저 기술의 발전을 통해 레이저 미세가공 기술이 실용화되었다.
위와 같은 레이저 미세가공의 핵심기술 중 문제로 떠오르고 있는 것은 레이저 광의 불규칙한 출력과, 발진 파장의 시간적 변화, 레이저 빛이 매질에 입사될 때 생기는 산란의 불규칙한 현상 등이다. 레이저 출력의 불안정성은 미세한 조정이 어려워 레이저의 응용의 한계를 야기시키고, 이런 불안정성을 조절하였다 하더라도 이 빛이 매질에 입사되었을 때 산란의 불규칙한 현상은 그 응용에 제약을 만든다. 이러한 예는 Q-switching된 Nd:YAG 레이저로 미세 가공하는 경우에서 볼 수 있다. 미세가공의 정밀도와 균일도를 확보하기 위해서는 레이저 광의 특성을 실시간으로 계측하여 시공간을 제어하는 기술이 필요하다. 특히 일반적으로 5% 내외의 출력 변동률을 가지고 있는 펄스레이저를 이용한 가공의 경우, 초정밀 가공을 위해서는 레이저 출력의 계측과 제어가 필수적이다.
레이저 출력을 제어하는 방법에는 레이저 발진기 내부에서 제어하는 방법과 외부에서 제어하는 방법이 있다. 먼저 내부 제어의 경우, 에탈론이나 음향광학부품으로 공동 덤퍼(cavity dumper)를 생성하여 단일모드로 만드는 방법이다. 하지만 이러한 내부 제어방법은 일치하는 주파수 외에는 손실로 작용하고 발진이 억제되기 때문에 출력 손실이 심하고, 이미 사용하고 있는 레이저 가공기에는 적용이 어렵다는 단점이 있다. 외부 제어의 경우, 전기광학 변조기(Electro-optic modulator) 혹은 음향광학 변조기(Acousto-optic modulator) 등을 사용하는 방법이 있는데 적용 가능한 광원의 파장과 출력의 조건이 제한된다는 단점이 있다.
종래의 레이저 가공에는 일반적으로 유전체 필터를 구비한 광학 감쇠기(optical attenuator)가 사용된다. 관련 부품은 어떤 빔 변위를 보상하기 위하여 빔 감쇠뿐 아니라 뉴트럴 광학유닛에 대한 유전체 필터를 포함한다. 결합 레이저 빔의 연속적인 감쇠는 0 내지 45도 범위의 유전체 필터의 입사각을 변경함에 의해 얻어진다. 유전체 필터를 구비한 시스템은 248nm 파장에서 90%의 최대 투과율을 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 반파장판(half-wave plate)과 브루스터 각(Brewster’s angle)을 통해 편광 이론에 기초한 외부 제어방법에 의해 출력을 안정화하는 출력 안정화 장치(power stabilizer)를 구비한 레이저 가공 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 레이저 파장 또는 출력에 의해 영향을 받지 않는 용융 실리카 적층체를 사용하며, 레이저 가공을 위해 액시머 레이저 또는 고출력 UV 레이저 등의 펄스 레이저를 사용하여 초단파장 실행에 적합하며 높은 손상 방지를 나타내는 레이저 가공 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 코팅된 대구경 고출력 레이저 광학 장치, 즉 편광자 대신에 브루스터 윈도우(Brewster window), 즉 한쌍의 코팅되지 않은 용융 실리카를 채용하여 시스템 가격을 낮춘 레이저 가공 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 반파장판과 고출력 UV 펄스 레이저용 브루스터 윈도우를 사용하여 고 전송 출력 안정화 장치를 PID 제어하여 광학 감쇠시에 광 투자율을 개선한 레이저 가공 시스템을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저 빔을 방출하는 레이저 장치, 회전 가능하게 지지되는 회전 스테이지에 부착되며 통과하는 상기 레이저 빔의 입사 각도를 변화시켜 후단에 브루스터 윈도우를 갖는 경우 편광도를 변경시키는 반파장판, 각각 브루스터 각으로 틸팅된 브루스터 원도우(Brewster window)를 구비하고 상기 반파장판을 통하여 입사되는 레이저 빔의 편광방향을 변화시켜 통과하는 레이저 빔을 레이저 가공에 이용되는 레이저 빔으로 출력하는 적어도 2개의 용융 실리카판, 및 상기 편광된 빛 중 윈도우를 통과하여 산란된 빛을 광검출기와 피크/샘플 홀드 증폭기를 통하여 수집한 후 수집된 산란된 레이저 신호와 주어진 설정값 사이의 오차를 보상하여 출력의 변동을 최소화하도록 상기 반파장판을 회전 구동시키기 위한 PID 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템을 제공한다.
상기 레이저 장치는 펄스 레이저로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 용융 실리카판은 고 투과율이 얻어짐과 동시에 편광도의 손실을 최소화하도록 위치 설정된다.
더욱이, 상기 윈도우 수의 증가에 따라 편광비는 증가한다.
상기 반파장판과 광학축 사이의 각이 0에서 45°로 회전됨에 따라 편광도는 감소한다.
또한, 상기 윈도우 수의 증가에 따라 편광된 레이저 빔의 출력은 감소하고, 편광도와 광 투과율은 증가한다.
더욱이, 상기 PID 제어기는 PID 제어 알고리즘을 실현하도록 제어 프로그램이 탑재된 개인용 컴퓨터(PC)로 구성될 수 있다.
상기 반파장판은 회전 가능하게 지지되는 회전 스테이지에 부착되며, 상기 PID 제어기는 레이저 빔 출력의 변동을 최소화하도록 모터 제어기를 통하여 모터를 회전 구동함에 의해 상기 회전 스테이지와 반파장판을 회전 구동시키는 것이 바람직하다.
상기 수직 편광된 레이저 빔을 수신하는 빔 덤프를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 반파장판(half-wave plate)과 브루스터 각(Brewster’s angle)을 통해 편광 이론에 기초한 외부 제어방법에 의해 출력을 안정화하는 출력 안정화 장치(power stabilizer)를 구비하여 미세 가공이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 레이저 파장 또는 출력에 의해 영향을 받지 않는 용융 실리카 적층체를 사용하며, 레이저 가공을 위해 액시머 레이저 또는 고출력 UV 레이저 등의 펄스 레이저를 사용하여 초단파장 실행에 적합하며 높은 손상 방지를 나타낸다.
더욱이, 본 발명에서는 고가의 편광자 대신에 브루스터 윈도우(Brewster window), 즉 한쌍의 코팅되지 않은 용융 실리카를 채용하여 시스템 가격을 낮추는 것이 가능하다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 나타내는 개략 블록도, 도 2는 반파장판의 각이 증가할 때 윈도우의 수와 편광각 사이의 관계를 나타내는 그래프, 도 3은 반파장판의 각이 증가할 때 윈도우의 수와 감쇠된 광 투과율 사이의 관계를 나타내는 그래프, 도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 30초 단기간 및 15분 장기간 동안 펄스 레이저의 출력 변동을 나타내는 그래프, 도 5는 PID 제어하에서 펄스 레이저의 안정화된 장기간 출력 변동을 나타내는 그래프이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 출력 안정화 장치 및 고출력 UV 펄스 레이저를 위한 광학 부품들을 포함하는 레이저 가공 시스템은 레이저 장치(10), 출력 안정화 장치(20)와 제어장치(30)로 구성되어 있다.
상기 레이저 장치(10)는 248nm의 파장을 가진 KrF 액시머 레이저(예를 들어, GAM Laser, EX10)를 사용하며, 최대 펄스 반복률: 300Hz, 펄스폭: 14ns, 평균 출력: 3.2W(100Hz, 13kV) 및 편광비 100:1을 제공한다.
상기 출력 안정화 장치(20)는 반파장판(half-wave plate)(21), 2개의 용융 실리카판(22), 포토다이오드를 사용한 광검출기(PD)(23) 및 빔 덤프(beam dump)(24)를 포함하고 있고, 제어장치(30)는 피크/샘플 홀드 증폭기(31), 데이터 포착 보드(DAQ: data acquisition board)(32), 제어부(PC: 33) 및 모터 제어기(34)를 포함하고 있다.
먼저, 본 발명에 따른 레이저 가공 시스템의 상세한 구성을 설명하기 전에 시스템에 사용되는 출력 안정화 장치(20)와 제어장치(30)를 설계하는 데 필요한 설계 이론에 대하여 설명한다.
1. 편광 이론
편광(Polarization)은 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 가리킨다. 편광(polarization)은 어떤 특정한 방향으로만 진동하는 빛의 파동으로 전기장과 자기장으로 이루어진 빛의 전기장의 진동방향을 편광방향이라고 한다. 편광은 태양광선 혹은 램프 등에서와 같이 어떠한 방향성이 없는 비편광 상태와 선형적으로 한쪽 방향만으로 전기장이 진동하는 선형편광(linear polarization), 서로 직교한 방향을 가지고 크기가 같은 선형편광 된 빛의 위상차가 π/2일 경우 발생하는 원형편광(circular polarization), 위상차가 π/4일 경우 발생하는 타원편광(elliptical polarization)이 있다.
어떤 편광 상태의 빛이 특정한 입사각으로 입사하면 경계면에서 반사되지 않는데, 이 특정한 입사각을 브루스터 각(Brewster angle, θB)이라 말한다. 이 각도에서는 편광된 빛의 전기장이 입사되는 평면과 나란하기 때문에 반사되지 않고, 이 편광상태의 빛은 수평 편광(p-polarization) 상태이며 빛이 입사된 평면과 수직한 상태로 편광되어 있다면 수직 편광(s-polarization) 상태라고 한다.
특정 각도로 설정한 브루스터 각이 적용된 광학 부품을 지나게 되면, 특정 방향으로 편광된 빛만을 투과하면서 출력의 변동이 발생한다. 즉, 편광되지 않은 빛이 브루스터 각으로 어떤 평면에 입사할 때 반사된 빛은 항상 수직 편광(s-polarization)된다.
브루스터 각으로 틸팅된 원도우(window)는 약간의 수직 편광된 빛을 반사하 며 수평 편광된 빛은 반사하지 않는다. 즉, 수직 편광에 대한 이득은 감쇠가 이루어지나 수평 편광에 대한 이득은 감쇠가 이루어지지 않는다. 이는 레이저 출력이 수평 편광이 이루어지게 하며 따라서 윈도우로 인하여 수평 편광에 대한 손실이 발생되지 않는다.
2. 브루스터 윈도우(Brewster window)
브루스터 윈도우를 사용하면 편광자를 갖는 상황과 비교할 때 편광비는 이론적으로 증가한다. 100:1의 편광비를 가진 레이저가 반파장판과 편광자의 조합에 입사될 때 단지 100:1의 편광비를 나타낸다. 그러나, 만약 동일한 레이저가 반파장판과 브루스터 윈도우의 조합에 입사될 때 100:1보다 더 큰 편광비를 나타내는 것을 알 수 있다.
이것은 윈도우에서 s-편광된 빛의 반사 때문이며, s-편광(수직 편광)된 빛은 반사율(Rs)로 제1윈도우에서 반사되며 전송된 빛은 제2윈도우에서 동일한 반사가 이루어진다. 이러한 과정이 반복될 때 전송된 s-편광된 빛의 양(Ts)은 Ts=(1-Rs)n로 주어지며, 여기서 n은 브루스터 윈도우의 수이다. 따라서, s-편광에 대한 p-편광의 비로 정의되는 편광비(polarization ratio)는 이들 과정을 사용함에 따라 증가될 수 있다.
3. 편광도(Degree of polarization: 偏光度)
때때로 편광도(V)의 개념을 사용하는 것이 바람직하다. 편광도(V)는
Figure 112009059532726-PAT00001
로 정의되고, 여기서 Ip 및 In은 각각 편광된 빛과 편광되지 않은 빛의 구성성분 플럭스 밀도이다. 편광되지 않은 빛은 Ip=0 및 V=0 이며, 반대로 만약 In=0 및 V=1인 경우, 빛은 완전 편광된 것이다. 따라서,
Figure 112009059532726-PAT00002
이다.
이 경우 만약 빔에서 분석기를 회전시키면 전송된 방사도가 Imax의 최대에 도달하는 방위를 알 수 있고, 이 방위에 수직이며 방사도가 최소값, Imin인 방향을 알 수 있다. 그 결과, Ip=Imax-Imin. 따라서,
Figure 112009059532726-PAT00003
이다. 편광도(V)는 빛이 임의 종류의 편광자에 도달하기 전에 이미 부분 또는 완전 편광될 수 있는 빔의 성질을 가진다.
상기한 이론에 기초를 두고 존스 매트릭스(Jones matrix)를 이용하여 출력 안정화 장치의 편광도를 모델링할 수 있다. 이는 기본적으로 상기 공식을 사용하여 설명될 수 있다. 에를 들어, 100:1의 편광비를 가진 레이저인 경우, 브루스터 윈도우의 수는 브루스터 윈도우의 수와 편광도 사이의 관계에 일치하여 변경된다. 레이저의 s-편광된 성분의 강도는 레이저가 각각의 브루스터 윈도우를 통과할 때마다 감소하나, p-편광된 성분의 강도는 일정하게 유지된다. 편광비의 증가에 더하여 편광도는 브루스터 윈도우가 증가됨에 따라 증가한다.
하기 표 1은 브루스터 윈도우의 수와 s-편광된 성분(s-pol)의 강도 및 편광 도 사이의 관계를 나타낸다.
윈도우의 수 s-pol의 강도 편광도 @ 0 °
0 0.01 × I0,s 0.9900
2 0.0075 × I0,s 0.9925
6 0.0042 × I0,s 0.9958
10 0.0023 × I0,s 0.9976
여기서, I0,s는 s-편광(s-pol)의 원 강도(original intensity)를 가리킨다.
2개의 브루스터 윈도우를 갖는 장치인 경우 반파장판과 광학축 사이의 각이 0°일 때 편광도는 거의 0.9925로 나타난다.
반파장판의 각이 0 내지 45° 사이에서 변경될 때 p-편광 성분(p-pol)과 s-편광 성분(s-pol)의 강도 또한 일정한 비율로 변경된다. p-pol에 대한 투과율은 1이고 s-pol의 투과율은 브루스터 각에서 0.8651이다. 2개의 브루스터 윈도우인 경우, p-pol에 대한 투과율은 1이고 s-pol의 투과율은 (0.8651)2=0.7484이다. 2개의 브루스터 윈도우인 경우, 원 p-pol 강도(즉, 출력)는 0.99×I0,p이고, 원 s-pol 강도는 레이저가 100:1(p-pol:s-pol)의 편광비를 갖는 사실에 기인하여 0.01×I0,s이다. 반파장판의 각이 0°인 경우 p-pol 강도의 변화는 0.99×I0,p이고, s-pol 강도의 변화는 0.01×0.7484×I0,s이다.
45°각인 경우 편광상태는 수직에서 수평으로 변하거나 또는 그 반대로 변한다. 원 p-pol의 투과율은 0.01×0.7484×I0,p 이고, s-pol의 투과율은 0.99×I0,s이다. 이러한 가정하에 p-pol 및 s-pol의 강도가 각각의 각도에서 계산될 수 있다.
100:1(p-pol:s-pol)의 편광비를 나타내는 레이저 빔이 출력 안정화 장치를 통과하는 경우 p-pol 강도는 0.99×I0,p×Tp m로부터 하기 수학식 1과 일치하는 값으로 감소한다. 역으로, Ts가 s-pol의 투과율이고 m이 윈도우의 수인 경우 0°에서 0.01ⅹI0,s×Ts m로 설명되는 s-pol 강도는 하기 수학식 2에 따라 0.0075×I0,s로 증가한다.
Ip=IO,p×(Tp m)×(0.99×cos22θ+0.01×sin22θ)
Is=IO,s×(Ts m)×(0.99×sin22θ+0.01×cos22θ)
여기서, IO,p는 원 p-pol 강도이고, IO,s는 원 s-pol 강도이며, Tp는 p-pol 투과율, Ts는 s-pol 투과율, θ는 반파장판의 각, m은 원도우의 수이다. 여기서, Tp m 및 Ts m은 m 윈도우 이후에 p-편광 성분 및 s-편광 성분의 전송을 설명하기 위해 도입되었다. p-pol 및 s-pol 강도가 계산된 이후에 편광도는 또한 다음과 같이 수학 식 3을 사용하여 계산될 수 있다.
Figure 112009059532726-PAT00004
여기서, (Ip + Is)max는 반파장판의 각이 0°인 경우 축적된 강도를 나타내며, 이는 광학축과 반파장판의 빠른 축이 일치하는 것을 의미한다. (Ip + Is)θ는 반파장판의 각이 θ인 경우 강도 합(intensity sum)이며, Km은 m 윈도우인 경우 최대 편광도이다. Km은 반파장판의 각이 0°인 경우 브루스터 윈도우의 수와 편광도의 증가 사이의 관계를 설명하기 위해 도입된 것이다.
4. 광학 감쇠(Optical Attenuation)
반파장판(half-wave plate)은 이상파(extraordinary wave)와 정상파(ordinary wave) 사이의 상대적 위상차(phase)가 180°인 위상 지연판이다. 반파장판(half-wave plate)은 선형 편광된 빛과 광축 사이의 각도가 정의되면 그 각도에 따라 빛의 편광 방향을 바꾸어 주는 역할을 한다. 반파장판과 브루스터 각이 적용된 광학 부품을 이용하면 입사되어 들어오는 선형 편광된 빛의 출력을 조정할 수 있다.
최종적으로 나오는 출력은 고정되어 있는 브루스터 각에 의해 결정이 되므로, 출력의 조정에 필요한 선형 편광자로 입사하는 빛의 각도를 변화시켜주게 된다. 이 때 입사하는 빛의 각도를 변화시켜주기 위해 회전이 가능한 반파장판을 브 루스터 각이 적용된 광학 부품의 앞쪽에 위치시킨다. 이렇게 구성되어 출력의 조절이 가능한 장치를 광학 감쇠기(optical attenuator)라 부른다. 광학 감쇠기에 있어서 입사되는 출력과 조정된 출력을 알게 되면 반파장판의 회전 각도를 알 수 있다.
즉, 입사하는 빔이 반파장판의 빠른 축에 대하여 각(θ)을 갖는 경우, 반파장판을 통과한 후 빛의 편광 방향은 2θ만큼 회전된다. 입사 빔이 완전하게 투과하도록 브루스터 윈도우가 정렬된 경우, 반파장판의 추가는 출력이 cos22θ를 종속하도록 하며, 존스 벡터(Jones vector) 및 존스 매트릭스(Jones matrices)로부터 유도된다. 이 경우 θ는 반파장판의 광축과 입사 편광 사이의 각을 말한다.
말러스의 법칙(Malus' law)은 입사하는 빔이 θ의 각을 갖고 반파장판과 선형편광자를 통과할 때 통과하는 빛의 강도(I)가 I=Iocos22θ에 의해 주어진다는 점을 설명한다. 여기서, IO는 초기 강도이고, θ는 입사 편광과 편광자의 축, 즉 브루스터 윈도우에 대한 대체 사이의 각이다.
따라서, 입사하는 빛의 출력, 즉 강도(IO)와 조정되기를 원하는 빛의 출력, 즉 강도(I)가 결정되면 반파장판의 회전각도(θ)를 얻을 수 있다.
또한, 상기한 기본 이론과 계산에 기초하여 각각의 각에서 강도(즉, 출력)의 감쇠는 상기한 수학식 1 및 2로부터 유도될 수 있다. p-pol 및 s-pol 강도가 계산된 후 편광도가 하기 수학식 4로부터 유도될 수 있다.
Figure 112009059532726-PAT00005
5. PID 제어 이론(PID control theory)
상기한 바와 같이, 펄스 레이저의 출력 변동은 불가피하다. 이것은 공기기 불안정성 및 불안정한 메인 전원을 포함하는 많은 변수에 기인될 수 있다.
다양한 원인으로 인하여 각각의 새로운 레이저 펄스의 행동을 예측하는 것은 힘든 일이며, 이는 온/오프 제어기와 유사하게 단순한 에러 보상 알고리즘을 사용하여 모든 펄스를 제어하는 것은 불가능하다. 액시머 레이저는 단지 수 나노초 지속하는 매우 좁은 펄스폭을 가지는 펄스 레이저의 한 종류이다.
한편, 액시머 레이저의 레이저 펄스 또는 다양한 종류의 펄스 레이저는 상대적으로 긴 시간 동안 특정 유형의 흐름을 보인다. 상기한 바와 같이, 단순한 에러 보상 알고리즘은 펄스 레이저를 안정화시키는 데 효과적으로 작용하지 못한다. 따라서, 폐루프 궤환 제어기(closed-loop feedback controller)를 채용하며, PID 제어기를 채용함에 의해 펄스 레이저 출력을 안정화시킬 수 있다. PID 제어기는 산업 제어 시스템에 널리 사용되는 일반적인 루프 궤환 시스템이다.
PID 제어는 제어하고자 하는 대상의 출력 값을 원하는 설정 값으로 제어하기 위하여 현재의 출력 값과 설정 값 사이의 오차를 보상하는 제어방식이다. 여기서 PID는 오차의 비례(proportion), 적분(integration), 미분(derivation)을 의미한다.
비례 제어에 있어서 제어기의 출력은 현재의 측정 값과 설정 값 사이의 오차에 비례하여 제어를 하며, 측정값과 설정값 사이의 편차를 줄이는 방향으로 제어를 하게 된다. 이때 비례 제어를 위한 비례 상수가 크면, 설정 값으로 접근이 빠르게 되나 외란이 일어나게 되는 단점이 있으며, 비례 제어만을 사용하게 될 경우 편차가 계속적으로 존재하는 단점이 있다. 적분 제어는 비례 제어만을 사용할 경우 편차가 0이 되는 것이 불가능하므로 이를 해결하는 방식의 제어이다. 발생하는 편차를 전체 시간에 걸쳐 적분함으로써 결국 편차가 0이 되도록 한다.
비례 제어와 함께 사용하면 비례-적분 제어이며, 비례 제어를 통하여 빠르게 원하는 목표 값으로 이동하고, 적분 제어를 통해 비례 제어 자체가 가진 편차를 없애는 방식이 된다. 미분 제어는 비례 제어와 적분 제어를 하는데 있어서 응답 성능이 나빠질 수 있는 점을 보완하기 위하여 외란에 대한 편차를 보고, 전회의 편차와의 차가 큰 경우에는 조작량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 하는 방식이다.
m이 제어기의 출력일 때 PID 알고리즘의 최종 형태는 하기 수학식 5로 표현된다.
Figure 112009059532726-PAT00006
여기서 Kp는 비례 이득, Ki는 적분 이득, Kd는 미분 이득, Xsp는 목표값, x는 측정값이다.
PID 제어 이론에 따라 목표값과 확장된 기간을 넘어스 측정된 데이터 사이의 오차가 계산될 수 있으며, 후속된 기간 동안 제어기에 의해 제공된 정정도가 결정된다.
PID 제어기를 사용하여 펄스 레이저 출력 안정화를 위한 알고리즘을 구성하기 위하여 출력에 영향을 미치는 말러스의 법칙(Malus' law)을 사용하여 각(θ)을 제어한다. 일반적인 상기한 PID 제어 수학식 5 및 말러스 법칙, 즉 I=Iocos22θ로부터 반파장판의 회전각(θ)은 하기 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112009059532726-PAT00007
여기서, θn은 n번째 스탭에서의 회전각이고, y는 제어된 출력이다. 비례 제어인 경우 단지 KS만이 회전각(θ)을 계산하는 데 사용된다.
Figure 112009059532726-PAT00008
6. 시스템 동작 설명
이하에 상기한 설계 이론에 기초하여 본 발명의 레이저 가공 시스템을 구성하는 출력 안정화 장치(20)와 제어장치(30)의 상세한 구성에 대하여 설명한다.
본 발명의 레이저 가공 시스템에서 제어장치(30)는 PID 제어 알고리즘을 구성하도록 제어 프로그램이 탑재된 제어부(PC)(33)를 포함하고 있으며, 상기 제어 부(33)는 주지된 범용 개인용 컴퓨터(PC)를 사용하여 구현될 수 있고 제어 프로그램이 로딩됨에 따라 PID 제어기를 형성한다.
상기 제어부(33)는 출력 안정화 장치(20)의 광검출기(PD)(23)를 통하여 피크/샘플 홀드 증폭기(31)로부터 데이터가 포착되면, 데이터 포착 보드(DAQ)(32)를 통하여 제어부(33)로 입력된다.
상기 제어부(33)는 PID 제어기로서 제어를 수행하며 모터 제어기(34)를 통하여 상기 반파장판(21)이 부착되어 있는 회전 스테이지를 회전 구동하도록 모터(M: 25)를 계산된 값으로 회전 구동한다.
레이저 장치(10)로부터 발사된 레이저 빔은 모터(25)에 의해 회전 구동되는 반파장판(HWP: half-wave plate)(21)과 브루스터 윈도우(Brewster windows)를 통과한 후, 윈도우를 넘어서 산란된다. 산란된 빔은 광검출기(PD)(23)에 의해 수집되어 피크/샘플 홀드 증폭기(31) 내에서 16ns 동안 축적된다. 결과 데이터는 데이터 포착 보드(DAQ)(32)를 통하여 제어부(33), 즉 PID 제어기의 입력으로서 역할을 한다.
PID 제어기는 근본적으로 피크/샘플 홀드 증폭기(31)로부터 수집된 산란된 레이저 신호와 주어진 설정점 사이의 에러를 보상한다. 이러한 결과는 모터(25)에 의해 회전되는 회전 스테이지가 계산된 각만큼 반파장판(21)을 회전시킨다.
상기 출력 안정화 장치(20)는 회전 스테이지에 부착된 반파장판(21)과 0.5mm 두께의 적층된 용융 실리카판(Fused silica)(22)으로 구성되어 있다. 상기 반파장판(21)은 출력의 제어를 위해 회전 스테이지에 부착되며 회전 스테이지는 모터 제어기(34)에 의해 제어되는 모터(M: 25)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
상기한 구조를 갖는 광학 시스템에서, 우선 레이저 장치(10)로부터 발사된 레이저 빔은 반파장판(21)을 통과하면서 위상차가 발생하게 된다. 이 레이저 빔은 편광자를 대신하여 설치되며 브루스터 윈도우가 적용된 2개의 용융 실리카판(22)에 광축에 대하여 브루스터 각으로 입사되어 p-편광 및 s-편광으로 분리된다. 상기 분리된 p-편광 및 s-편광 중에서 레이저 가공을 위하여 사용되는 광은 수평 편광, 즉 p-편광된 것이며 따라서, 출력의 안정화는 수평 편광 성분에 대하여 PID 제어 방법에 따라 이루어진다.
즉, 2개의 용융 실리카판(22)은 고 투과율이 얻어짐과 동시에 편광도(degree of polarization)의 손실을 최소화하도록 위치 설정된다. 펄스 레이저 출력은 PID 제어에 의해 p-편광 성분을 제어함에 의해 안정화가 이루어진다.
회전 스테이지, 즉 모터의 회전 정밀도는 펄스당 0.005도이고 최대 회전속도는 1초당 30도이다. 데이터는 응답시간 10ns인 광검출기(23)에 의해 산란된 광을 수신하여 얻어진다.
한편, 펄스 레이저의 출력 제어를 위해서는 각 펄스의 출력을 측정해야 하는데 펄스 레이저의 펄스폭(pulse width)은 일반적으로 나노 초 단위로 짧으며, 그 시간 동안 첨두 출력(peak intensity)을 정확히 측정하는 것은 어렵다. 따라서 각 펄스 레이저의 첨두 출력을 정확히 측정하기 위해서는 피크/샘플 홀드 증폭기(Peak and sample hold amplifier)(31)를 이용하여야 한다.
피크/샘플 홀드 증폭기(31)는 외부에서 들어오는 펄스 신호 중에서 단위 시간 동안 가장 큰 신호를 잡아주는 전자 장치이다. 나노 초의 펄스폭을 갖는 레이저 의 펄스는 실제로 가우시안 형태를 갖는다. 이 때 피크/샘플 홀드 증폭기(31)에 이 신호를 입력하면, 단위 시간 동안 가장 큰 신호를 잡아서 원하는 지연 시간을 갖게 할 수 있다. 이때의 신호 최대값은 레이저의 출력 최대값과 같은 값을 갖기 때문에, 데이터 획득이 용이하다. 상기 피크 샘플 증폭기(31)는 1~16ms의 단위 시간을 설정할 수 있다.
7. 실험방법
2개의 브루스터 윈도우를 사용하여 PID 제어 알고리즘에 기초한 펄스 레이저 출력 안정화를 시도하였다. 그 결과, 적절한 광학 감쇠가 일어났다.
이러한 방법에 기초하여 PID 제어 중 비례 제어만 사용하며 비례 이득(Kp)을 5로 설정하여 PID 제어를 사용하여 출력 안정화를 시도하였다.
15분 동안 레이저 자체의 출력 변동을 수행하고, 상기의 PID 제어를 통해 펄스 레이저의 출력 변화를 안정화하였다. 또한, 상기한 편광 원리에 기초하여 광학 감쇠를 시도하였다.
8. 실험결과
이하에 본 발명에 따른 레이저 가공 시스템을 구성하는 출력 안정화 장치(20)와 제어장치(30)의 동작을 상기한 실험결과를 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
8.1 편광도 및 광학 감쇠 모델링
상기한 수학식 1 내지 4를 사용하면 편광도 및 상이한 수의 브루스터 윈도우에 대한 강도의 감쇠를 모델링할 수 있다.
도 2는 반파장판의 각과 편광도 사이의 관계를 나타내고 있다. 도 2의 결과는 편광도는 반파장판이 특히 0°에서 45°로 회전됨에 따라 감소하며, 수직방향의 선형 편광으로부터 수평방향의 선형 편광으로 또는 그 반대로 변하는 것을 나타내고 있다. 도 2는 또한 소정 각도에서 윈도우의 수가 증가함에 따라 편광도는 더욱 급격하게 감소하는 것을 나타내고 있다.
도 3은 반파장판이 0°에서 45°로 회전됨에 따라 레이저의 광 투과율이 감쇠되는 것을 나타내고 있다. 도 3으로부터 소정 각도에서 윈도우의 수가 증가함에 따라 레이저의 광 투과율은 더욱더 급격하게 감쇠되는 것을 나타내고 있다. 비록 출력 안정화 장치가 레이저의 광 투과율을 감쇠시킬지라도 그것은 또한 편광도를 변경시킨다.
도 2 및 도 3으로부터 2개의 브루스터 윈도우 및 45°의 반파장판을 사용하는 경우 편광도는 14.11%로 변하며, 광 투과율은 24.72%만큼 감쇠된다. 6 브루스터 윈도우인 경우 편광도는 40.15%로 변하며, 광 투과율은 57.25%만큼 감쇠된다. 10 브루스터 윈도우인 경우 편광도는 60.79로 변하며, 광 투과율은 75.57%만큼 감쇠된다.
따라서, 레이저 빔 가공 분야의 종사자는 브루스터 윈도우를 사용하며 고 출력 UV 레이저에 대한 광학 부품을 설계할 때 레퍼런스로서 이 결과를 사용할 수 있다.
8.2 레이저 출력 안정화
펄스 레이저 출력 안정화 장치의 광 투과율(Optical transmission)을 계산한 결과, 레이저 빔은 출력 안정화 장치에 입력되기 전에 0.33mW의 출력을 갖는 것으로 설정되었다. 출력 안정화 장치를 통과한 후 레이저는 반파장판이 0°인 경우 0.32mW의 출력을 나타내었다.
광 투과율은 96.97%로 계산되었으며, 이는 종래의 출력 안정화 장치 또는 광학 감쇠기와 비교하여 이점이 있다.
8.3 출력 안정화(Power stabilization)
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 30초 및 15분 동안 액시머 레이저의 펄스 변동을 나타낸다. 도 4(a)는 펄스 레이저의 단시간 변화를 타나내며: 여기에는 펄스가 추종하는 어떤 경향의 증거도 없다. 한편, 도 4b의 장시간 흐름은 장시간 행동으로 여겨지며, 펄스 레이저 출력을 제어하기 위하여 PID 제어가 필요하다.
레이저 자체의 출력 변동을 120, 150 및 180 Hz의 펄스 반복률로 출력 안정화 이후의 변동과 비교하였다. 도 5에는 180Hz에서 안정화된 출력의 변동을 나타내며, 출력 변동률은 도 4와 비교할 때 2.73%에서 0.97%로 향상되었다.
120Hz인 경우 자유 런닝 레이저의 출력 변동은 2.78%에 달하나, 안정화된 레벨은 0.92%이다. 이는 출력 안정화 장치가 66.91% 만큼 변동을 개선할 수 있는 것을 암시한다. 150Hz인 경우 자유 런닝 레이저의 출력 변동은 2.92%에 달하나, 안정화된 레벨은 0.94%로서, 67.81%의 개선이 이루어졌다. 평균적으로 자유 런닝 레이저의 RMS 안정도는 2.81%이고, 안정화된 레이저의 RMS 안정도는 0.94%로서 약 66.55% 개선이 이루어졌다.
8.4 광학 감쇠(Optical attenuation)
상기한 바와 같이, 출력 안정화 장치는 반파장판의 각도를 회전시킴에 의해 광학 감쇠기로서 사용될 수 있다. 최대 및 최소 출력은 상이한 펄스 반복률로 광학축과 반파장판의 빠른 축 사이의 각을 제어함에 의해 측정되었다.
150Hz에서 레이저 빔은 출력 안정화 장치에 입력되기 전에 0.33mW의 출력을 나타내었다. 안정화 장치를 통과한 후, 레이저는 반파장판의 각도(θ)가 0°일 때 0.32mW의 출력을 나타냈고, 45°일 때 0.21mW의 출력을 나타냈다. 측정된 출력으로부터 광학 감쇠가 계산되었다. 이로부터 출력 안정화 장치를 사용하는 경우 150Hz에서 65.63%의 감쇠된 광 투과율이 얻어졌다.
본 발명에 따르면, 고출력 UV 펄스 레이저 환경에서 브루스터 윈도우를 사용하여 고 투과율 출력 안정화 장치 및 광학 감쇠기를 구현하였다.
편광 광학장치와 같은 대중적인 고출력 UV 레이저 광학장치가 없는 경우 브루스터 윈도우는 우수한 대체물이 될 수 있다. 브루스터 윈도우의 수를 변화시킴에 의해 편광도와 광학 감쇠를 모델링하는 것을 제안하였다.
본 발명은 PID 제어에 의해 레이저 가공 시스템의 출력을 안정화하여 미세 가공이 이루어질 수 있는 레이저 가공 시스템에 적용된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이저 가공 시스템을 나타내는 개략 블록도,
도 2는 반파장판의 각이 증가할 때 윈도우의 수와 편광각 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 3은 반파장판의 각이 증가할 때 윈도우의 수와 감쇠된 광 투과율 사이의 관계를 나타내는 그래프,
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 30초 단기간 및 15분 장기간 동안 펄스 레이저의 출력 변동을 나타내는 그래프,
도 5는 PID 제어하에서 펄스 레이저의 안정화된 장기간 출력 변동을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 레이저 장치 20: 출력 안정화 장치
21: 반파장판 22: 용융 실리카
23: 광검출기 24: 빔 덤프
30: 제어장치 31: 피크/샘플 홀드 증폭기
32: DAQ 33: 제어부(PC)
34: 모터 제어기 25: 모터

Claims (10)

  1. 펄스 레이저 빔을 방출하는 레이저 장치,
    통과하는 상기 레이저 빔의 입사 각도를 변화시켜 후단의 브루스터 윈도우에 대한 편광도를 변경시키는 반파장판,
    각각 브루스터 각으로 틸팅된 브루스터 원도우(Brewster window)를 구비하고 상기 반파장판을 통하여 입사되는 레이저 빔의 편광방향을 변화시켜 통과하는 레이저 빔을 레이저 가공에 이용되는 레이저 빔으로 출력하는 적어도 2개의 용융 실리카판, 및
    상기 편광된 빛 중 윈도우를 통과하여 산란된 빛을 광검출기와 피크/샘플 홀드 증폭기를 통하여 수집한 후 수집된 산란된 레이저 신호와 주어진 설정값 사이의 오차를 보상하여 출력의 변동을 최소화하도록 상기 반파장판을 회전 구동시키기 위한 PID 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 장치는 펄스 레이저로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용융 실리카판은 고 투과율이 얻어짐과 동시에 편광도의 손실을 최소화 하도록 위치 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 윈도우 수의 증가에 따라 편광비가 증가하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반파장판과 광학축 사이의 각이 0에서 45°로 회전됨에 따라 편광도가 감소하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 용융 실리카판은 제1 및 제2 용융 실리카판으로 구성되며, 상기 제2 용융 실리카판은 제1 용융 실리카판에 의해 위치 이동된 빔경로를 보상하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PID 제어기는 PID 제어 알고리즘을 실현하도록 제어 프로그램이 탑재된 신호처리장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 출력은 PID 제어에 의해 수평 편광 성분을 제어함에 의해 안정화가 이루어는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 용융 실리카판은 상기 반파장판을 통하여 입사되는 레이저 빔을 수직 및 수평 편광시키고, 수평 편광되어 통과하는 레이저 빔을 레이저 가공에 이용되는 레이저 빔으로 출력하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반파장판은 회전 가능하게 지지되는 회전 스테이지에 부착되며,
    상기 PID 제어기는 레이저 빔 출력의 변동을 최소화하도록 모터 제어기를 통하여 모터를 회전 구동함에 의해 상기 회전 스테이지와 반파장판을 회전 구동시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 시스템.
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