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KR101906189B1 - 레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법 - Google Patents

레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법 Download PDF

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KR101906189B1
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이타루 지다
가츠노리 시이하라
히로야 이치카와
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은 협소부에 존재하는 피처리 부재라도, 레이저 피닝에 의해 용이하게 처리될 수 있는 레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법을 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 레이저광 조사 장치(1)는 레이저광이 가이드되는 광파이버(2); 광파이버(2)의 한쪽 단부에 배치되는 집광 렌즈(3)로서, 집광 렌즈와 광파이버는 레이저광의 광 경로를 규정하는, 상기 집광 렌즈(3); 광파이버(2)를 보유하는 가이드(4); 및 광파이버(2)의 위치를 변경시키는 이동 기구(5)를 포함하며, 광파이버(2)를 통해 가이드되는 레이저광의 광 경로는, 집광 렌즈(3)에 의해, 광파이버(2)의 중심축에 대하여 0°보다 크고 90°보다 작게 되도록 변경된 각도에서 방사된다.

Description

레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법{LASER LIGHT IRRADIATION APPARATUS AND LASER PEENING TREATMENT METHOD}
본 발명의 실시예들은 레이저광 조사 장치 및 레이저 피닝 처리 방법에 관한 것이다.
원자력 발전 설비에는, 자동화 기기가 노(furnace) 내에 설치되어 있으며, 정기 점검 중에는, 이 노 내의 기기에 액세스하여, 다양한 유지보수 처리를 수행하고 있다. 용접부에 잔류하는 인장 응력에 의해 야기되는 응력 부식 균열(stress corrosion cracking; SCC)이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 레이저 처리 방법 및 장치가, 특히 SCC에 대한 대책으로서 제안되어 있다. 특히, 이러한 레이저 처리 방법 중의 하나가 레이저 피닝이다.
레이저 피닝은 금속 등의 피로 강도, 내마모성, 내식성 등을 향상시키기 위해 수행되는 금속 표면 처리 방법이다. 이 방법에서는, 금속의 표면이 펄스 레이저 광으로 조사되고, 이 조사에서 발생되는 충격파가 금속의 내부로 전파되며, 금속의 항복 응력보다도 큰 이 충격파에 의한 동응력(dynamic stress)으로 인해 소성 변형이 야기된다. 그 결과, 텍스처 변형(texture deformation) 등이 금속의 내부에서 발생하게 되고, 압축 잔류 응력이 인가된다.
이러한 레이저 피닝에 의한 금속 표면 처리에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 먼저, 피처리 부재인 금속 부재의 표면이 펄스 레이저광에 의해서 조사된다. 이 경우에, 대략 수 나노초(ns)의 펄스 폭을 가진 레이저 빔을 사용하여 집광 렌즈를 통해 대략 1 mm의 직경을 가진 스폿 상에 광을 집속하며, 금속 부재는 이 광에 의해 조사된다. 이 조사로 인하여 금속 부재의 표면은 에너지를 흡수하여, 플라즈마로 될 수 있다. 금속 부재의 표면이 레이저 빔의 파장을 투과하는 액체로 덮여 있는 경우, 이 액체는 생성되어 있는 플라즈마가 팽창되는 것을 방지하여 플라즈마 내부 압력을 증가시키게 된다. 이 압력은 예를 들어, 대략 수 기가파스칼(GPa)에 도달하게 된다. 이 압력은 부재에 충격을 가함으로써 강한 충격파를 발생시키게 된다. 이 충격파는 금속 부재의 내부로 전파되어 소성 변형을 야기함으로써 압축 잔류 응력을 인가하게 된다.
레이저 피닝은 숏 피닝(shot peening)이나 워터 제트 피닝(water jet peening)과 같은 다른 피닝의 피닝 효과보다 재료 강도에 더 영향을 받지 않으며, 또한 피처리 부재의 표면으로부터 대략 1mm의 깊이를 갖는 내부에 도달하게 되는 피닝 효과를 갖는 특징을 갖는다. 또한, 레이저 피닝은 처리 중에 반력(reaction force)이 거의 발생되지 않게 하며, 또한 처리 장치가 용이하게 다운사이징되어 협소부(narrow portion)에서 우수한 처리성을 나타낼 수 있도록 하는 특징들도 갖는다.
그러나, 매운 좁은 공간만을 갖고 있는 피처리 부재의 내부에 레이저 피닝을 적용하는 것은 곤란할 수 있다. 예를 들어, 가압 수형 원자로의 압력 베셀의 상부 덮개에는 용접에 의해 노즐이 접합되어 있으며, 이 노즐의 내부에 써멀 슬리브가 삽입되어 있다. 이러한 노즐이 용접되어 있는 스폿에 레이저 피닝이 적용되도록 의도된 경우라도, 노즐의 내면과 상기 써멀 슬리브 사이에는, 예를 들어, 대략 3mm의 간극만이 존재하고 있으며, 그러한 협소부에서 종래의 레이저 피닝을 사용하여 작업을 수행하는 것은 곤란하였다.
예를 들어, 그러한 협소부에 레이저광을 가이드하도록 하는 광파이버 등을 사용하는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 광파이버의 선단 에지로부터 조사가 행해지는 레이저광은 광파이버의 축방향으로 조사가 되기 때문에, 광파이버로부터 조사가 행해지는 레이저광을 이용하여, 광파이버의 삽입 방향과 평행하게 위치되어 있는, 피처리 부재에 조사를 하기 위해서는, 광 경로의 변화가 필요하다. 따라서, 곡면을 가진 코어리스 파이버가 광파이버의 단부면(end face)에 연결되며, 또한 광파이버로부터 조사가 행해지는 레이저광이 광파이버의 축방향과 수직한 방향으로 집속되는 장치가, 그러한 협소부의 피처리 부재 표면을 레이저광으로 조사하기 위한 방법으로서 제안되었다.
그러나, 협소부의 경우에는, 광파이버의 중심축과 피처리 부재 사이의 거리가 짧기 때문에, 광을 집속하기 위한 거리가 불충분하게 됨으로써, 광파이버의 축방향에 수직한 방향으로 광을 집속하도록 의도된 경우라도 더 낮은 충격파가 발생할 수 있다. 일반적으로, 레이저광의 조사에 의해 발생되는 충격파 에너지는 광이 조사된 위치의 바로 위에 위치된 부분에서 최대가 된다. 따라서, 광파이버의 선단 에지로부터 수직 방향으로의 레이저광 조사로 인하여, 광파이버의 선단 에지가 큰 에너지의 충격파를 받을 수 있게 되고, 따라서 광파이버의 선단 에지가 손상될 수가 있다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도.
도 2는 원자로 노심 내부 구조물을 처리하기 위해 레이저광 조사 장치가 적용된 상태를 도시한 설명도.
도 3은 도 2의 광 조사 부분에 대한 확대 개념도.
도 4는 제 2 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도.
도 5는 제 3 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도.
도 6은 제 4 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 구성을 도시한 개략 단면도.
도 7은 다른 레이저광 조사 장치를 설명하기 위한 단면도.
도 8은 제 5 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 집광 렌즈를 설명하기 위한 개념도.
도 9는 제 6 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 구성을 도시한 개략 단면도.
도 10은 제 6 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 위치 결정 기구 부분에 대한 개략 단면도.
도 11은 제 7 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 구성을 도시한 개략 단면도.
도 12는 제 8 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 구성을 도시한 개략 단면도.
도 13은 제 9 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 있어서의 가이드 내에 배치된 검출기들, 및 그 주변 구성을 도시한 부분 단면도.
도 14는 제 9 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 있어서의 광파이버와 복수의 검출기들에 의한 가이드의 경사들을 검출하는 기술을 설명하기 위한 설명도.
일 실시예에 따른 레이저광 조사 장치는 레이저광이 가이드되는 광파이버; 광파이버의 한쪽 단부에 배치되는 집광 렌즈로서, 상기 집광 렌즈와 상기 광파이버는 상기 레이저광의 광 경로를 규정하는, 상기 집광 렌즈; 상기 광파이버를 보유하는 가이드; 및 상기 광파이버의 위치를 변경시키는 이동 기구를 포함하며, 상기 광파이버를 통해 가이드되는 상기 레이저광의 광 경로는, 상기 집광 렌즈에 의해, 상기 광파이버의 중심축에 대하여 0°보다 크고 90°보다 작게 되도록 변경된 각도에서 방사된다.
이제, 첨부 도면들을 참조하여 실시예들에 대하여 설명하도록 한다.
(제 1 실시예)
도면을 참조하여, 제 1 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 대해 설명하도록 한다. 도 1에서는, 레이저광 조사 장치의 레이저 발진기에서부터 광파이버의 중간까지의 뷰(view)가 생략되어 있으며, 광파이버의 중간에서부터 광조사를 위한 단부면까지의 부분만이 도시되어 있다. 도 1은 제 1 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저광 조사 장치(1)는 레이저광(예를 들면, 펄스 레이저 또는 펄스식 레이저)이 가이드되는 광파이버(2); 광파이버(2)의 한쪽 단부에 배치되는 집광 렌즈(3)로서, 집광 렌즈(3)와 광파이버(2)가 레이저 발진기로부터 조사가 행해지는 레이저광의 광 경로를 규정하는, 집광 렌즈(3); 광파이버(2)를 보유하는 가이드(4); 및 광파이버(2)의 위치를 변경시키는 이동 기구(5)를 포함한다. 본 실시예에서, 집광 렌즈(3)는 광파이버(2)의 한쪽 단부의 단부면에 접합된다. 레이저광은 펄스 레이저 또는 펄스식 레이저 이외의, 예를 들면 연속 레이저(continuous laser)일 수도 있다.
광파이버(2)는 레이저광의 광 경로가 통과하는 파이버 코어(2-1) 및 파이버 코어(2-1)를 덮고 있는 클래드(2-2)를 포함한다. 석영, 다성분 유리 등이 파이버 코어(2-1)를 형성하는 재료로서 사용된다. 석영, 실리콘, 불소 함유 중합체, 다성분 유리 등이 클래드(2-2)를 형성하는 재료로서 사용된다. 파이버 코어(2-1) 또는 클래드(2-2)의 굴절률을 조정하기 위해, 파이버 코어(2-1)에 게르마늄 또는 인을 첨가하거나, 또는 클래드에 붕소 또는 불소를 첨가하는 것도 또한 가능하다. 또한, 파이버 코어(2-1)에 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 또는 폴리스티렌과 같은 중합체가 이용되고, 또한 클래드(2-2)에 불소 함유 중합체가 이용되는 플라스틱 광파이버를 사용하는 것도 가능하다. 본 실시예에서, 레이저광이 광파이버(2)를 통해 가이드될 수만 있다면, 광파이버(2)의 구조는 제한되지 않는다.
광파이버(2)의 두께 등은 특히 제한되지 않으며, 협소부의 처리에 레이저광 조사 장치(1)를 사용하기 위해서는 소형 직경의 광파이버(2)가 바람직하다. 반면에, 더 강한 레이저광의 조사를 위해서는 대형 직경의 광파이버(2)가 바람직하다. 따라서, 협소부의 처리 및 더 강한 레이저광의 조사를 가능하게 하는 레이저광 조사 장치(1) 사용의 관점으로부터, 광파이버(2)의 직경은 1 내지 5 mm인 것이 바람직하고, 1.2 내지 3 mm인 것이 더욱 바람직하다.
집광 렌즈(3)는 접착(adhesion) 또는 융합(fusion)에 의해서, 광파이버(2)의 레이저광 조사를 위한 단부면에 접합된다. 예를 들어, 광파이버(2)의 파이버 코어(2-1)의 직경보다 큰 직경을 가진 광학 렌즈의 일부를 포함하는 집광 렌즈가 집광 렌즈(3)로서 사용될 수 있다. 전술한 광파이버(2)의 파이버 코어(2-1)의 재료와 같은 재료가 집광 렌즈(3)를 형성하는 재료로서 사용될 수 있다. 레이저광의 조사시에 발생되는 충격파에 대한 내구성 향상의 관점으로부터, 집광 렌즈(3)의 재료로서 사파이어 유리(Al2O3), 다이아몬드 등을 사용하는 것이 바람직하다.
레이저광의 광원으로서의 레이저 발진기(미도시)가 광파이버(2)의 다른쪽 단부면(미도시)에 결합된다. 본 실시예에서, 레이저 발진기는 펄스 레이저 또는 펄스식 레이저와 같은 레이저광을 방사함으로써, 레이저 피닝에 레이저광 조사 장치(1)를 이용할 수 있게 한다. 그러나, 펄스 레이저광 이외의 레이저광은, 레이저 피닝 이외의 응용 등에서 레이저광 조사 장치(1)를 사용할 경우에 방사될 수 있다.
레이저광 조사 장치(1)로부터의 레이저광의 광 경로는 주로 광파이버(2) 및 집광 렌즈(3)에 의해 제어된다. 레이저광은 파이버 코어(2-1)와 클래드(2-2) 사이의 계면에 의해 반사되면서, 광파이버(2)의 파이버 코어(2-1) 내를 이동한다. 일반적으로, 광파이버로부터 광의 조사는 파이버 코어(2-1) 내에서 발생하는 반사때문에 산란되면서 행해진다. 따라서, 광파이버(2)의 레이저광의 조사를 위해 단부면에 배치되는 집광 렌즈(3)는, 광파이버(2)로부터의 레이저광의 광 빔들이 서로 평행하게 되거나 집속되는 것을 가능하게 한다. 이 경우, 레이저광의 조사는 일반적으로 광파이버(2)의 중심축을 따르는 방향으로 행해지며, 따라서, 광파이버(2)의 축과 집광 렌즈(3)의 광축은 통상적으로 서로 일치하게 된다.
본 실시예에서는, 집광 렌즈(3)가 광파이버(2)에 접합되어 배치되며, 이에 따라 집광 렌즈(3)의 광축이 광파이버(2)의 중심축과 일치하게 되는 것이 방지된다. 결과적으로, 레이저광의 방사 방향은, 집광 렌즈(3)와 그것의 외부(예컨대, 공기)의 굴절률들 간의 차이때문에 광파이버(2)의 중심축과 일치하지 않게 된다. 이러한 경우에 조사가 행해지는 레이저광의 이동 방향과 광파이버(2)의 중심축 사이의 각도(경사각)를 θ라고 하면, 본 실시예에서는, 경사각 θ가 0°보다 크고 90°보다 작게 되며(0 < θ < 90°), 바람직하게는 10 < θ < 80°가 된다. 즉, 본 실시예에서는, 광파이버(2)를 통해 가이드되는 레이저광의 광 경로가 집광 렌즈(3)에 의하여, 광파이버(2)의 중심축에 대해 0°보다 크고 90°보다 작게 되도록 변경된 각도에서 방사된다. 반면에, 일반적인 도광 장치의 경우, 경사각 θ는 0°이다. 이 경우, 레이저광은 광파이버의 중심축 쪽으로 방사되며, 따라서, 협소부에 있어서 광파이버의 중심축의 연장으로부터 벗어나 있는 면을 처리하는 것이 불가능하게 된다. 경사각 θ가 10°보다 클 경우, 협소부의 피처리 부재가 효과적으로 조사될 수 있다. 수직 방향으로 광 조사를 행하는 장치의 경우에는, 경사각 θ가 90°이다. 이 경우, 레이저광 조사 장치는 레이저광 조사에 의해 발생되는 충격파 에너지 때문에 손상될 수도 있다. 광의 굴절을 이용하는 경우에는, 90°이상으로 경사각 θ를 설정하는 것이 곤란하다. 충격파 에너지로 인하여 레이저광 조사 장치를 손상시킬 가능성은 80°미만의 경사각에서 감소될 수 있다.
조사가 행해지는 레이저광의 경사각 θ 및 초점 거리는, 집광 렌즈(3)의 출사면(exit face)의 곡률(curvature), 또는 집광 렌즈(3)의 광축과 광파이버(2)의 중심축 사이의 편차를 최적화함으로써 조정될 수 있다. 경사각 θ가 더 커질 수 있는 경우에는, 파이버 코어(2-1), 집광 렌즈(3), 및 광 조사가 행해지는 환경(일반적으로, 공기)의 굴절률들을 각기 n1, n2, 및 n3라고 할 때, n1 ≥ n2 > n3 또는 n1 > n2 ≥ n3를 만족하도록 광파이버 코어(2-1) 및 집광 렌즈(3)의 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 레이저광 조사 장치(1)가 가이드(4) 및 이동 기구(5)를 포함하며, 이에 따라 협소부가 레이저 피닝에 의해 처리될 수 있도록 하기 위하여 레이저광 조사 장치(1)의 광 조사 부분이 이동될 경우에 광파이버(2)에 대한 손상 등을 방지하도록 한다.
가이드(4)를 형성하는 재료는 목적에 따라 임의적으로 선택할 수 있으며, 상대적으로 높은 경도를 갖는 재료, 예를 들어, 금속, 합금, 강성 플라스틱 등을 사용하여 광파이버(2)에 강성을 부여할 수 있다. 협소부 내로 광파이버(2)를 깊게 삽입할 필요가 있는 경우에는, 플렉서블한 비-강성 플라스틱 등으로 가이드(4)를 형성하는 것이 바람직하다.
이동 기구(5)는 피처리 부재의 근처로 광파이버(2)를 이동시키기 위한 것이다. 이동 기구(5)가 광파이버(2)를 이동시킬 수만 있다면, 이동 기구(5)의 구성은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전원 및 구동 휠을 구비하며, 자체적으로 협소부 등에서 이동할 수 있는 이동 기구가 사용될 수 있다. 이 경우, 이동기구(5)는, 피처리 부재가 레이저광으로 조사되는 위치를, 상하 방향으로 또는 횡 방향으로 이동시킬 수 있다. 이동 기구(5) 자체에 구동 휠 등이 구비되어 있지 않더라도, 가이드(4)가 강성을 갖고 있는 경우에는, 광파이버(2)의 광 조사 측의 반대편에 있는 단부를 제어하여 광파이버(2)의 선단 에지의 위치를 제어할 수 있다. 이 경우에는, 레이저광 조사 장치(1)와 협소부의 내면 사이의 마찰을 감소시키는 저마찰 재료를 포함하는 부재로 이동 기구(5)를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 저마찰 재료로 가이드(4)를 형성함으로써, 가이드(4)에 이동 기구(5)의 기능들을 부여하는 것도 가능할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저광 조사 장치가 원자로 노심 내부 구조를 처리하기 위해 적용되는 상태를 도시한 설명도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 원자로에 있어서 상부 덮개(6)의 노즐(7) 내에는 써멀 슬리브(thermal sleeve)(8)가 삽입되어 있다. 상부 덮개(6)와 노즐(7)은 용접에 의해 서로 접합되어 있다. 원자로에 있어서는, 예를 들어, 일반적인 온도 변화로 인하여 상부 덮개(6)와 노즐(7) 사이의 접합부에 뒤틀림이 쉽게 발생된다. 원자로에 대한 정기 점검 시에는 이러한 뒤틀림을 제거하는 처리를 행할 필요가 있다. 그러나, 써멀 슬리브(8)가 노즐(7) 내에 삽입되어 있어서, 노즐(7)과 써멀 슬리브(8) 사이에는, 예를 들어 약 3 mm의 매우 좁은 간극만이 존재한다. 따라서, 상부 덮개(6)의 외측으로부터 처리하는 방법이 검토되어 왔다. 그러나, 그 방법에 의해서는 충분한 효과를 얻기가 어렵다.
또한, 써멀 슬리브(8)를 분리해 내는 것도 생각할 수 있지만, 그러한 처리는 수고와 시간을 필요로 한다. 레이저광 조사 장치(1)는, 노즐(7)과 써멀 슬리브(8) 사이의 부분과 같은 협소부 내로 광파이버(2)의 선단 에지가 삽입될 수 있기 때문에, 써멀 슬리브(8)를 부착한 상태에서 레이저 피닝에 의한 처리가 가능하다.
도 3은 도 2의 광 조사 부분에 대한 확대 개념도이다. 노즐(7)과 써멀 슬리브(8) 사이에 삽입되는 레이저광 조사 장치(1)의 부분은 이동 기구(5)에 의해 조정될 수 있으며, 레이저광 조사 장치(1)는 레이저광에 의해 피처리부(9)를 조사할 수 있다. 레이저광의 조사는 광파이버(2)의 내부를 통해 행해지며, 이 레이저광은 집광 렌즈(3)에 의해 집속됨과 동시에 그 조사 각도가 조정된다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 협소부 내에 레이저광 조사 장치(1)가 삽입된 상태에서 레이저광의 조사 각도가 조정될 수 있기 때문에, 써멀 슬리브(8)를 부착한 상태에서 레이저 피닝에 의한 처리를 행할 수가 있다.
(제 2 실시예)
도면들을 참조하여, 제 2 실시에에 따른 레이저광 조사 장치에 대해 설명하도록 한다. 전술한 실시예와 유사한 기능을 갖는 부재에는 동일한 참조부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 광파이버(2)의 광 방사 단부와 집광 렌즈(3) 사이에는 광파이버 렌즈(10)가 배치되어 있다.
광파이버 렌즈(10)를 형성하는 재료는 특별히 제한되지 않는다. 광파이버 렌즈(10)는, 굴절률의 분포를 제어함으로써 광파이버(2)의 중심축에서부터 광파이버(2)의 외주(outer periphery)까지 굴절률이 증가하게 되도록 구성된다.
광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광은 광파이버(2)의 파이버 코어(2-1)로 가이드되어서, 광파이버(2)의 광 방사 단부로부터 미리 정해진 확산각(spread angle)으로 방사된다. 본 실시예에서, 광파이버 렌즈(10)는 광파이버(2)의 광 방사 단부와 집광 렌즈(3) 사이에 배치되어 있고, 이로써 광파이버(2)로부터 방사되는 광이 평행광이 될 수 있거나, 또는 집속된 레이저광이 집광 렌즈(3)에 가이드될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 광파이버(2)의 광 방사 단부로부터 방사되는 레이저광은, 그 광이 단일의 집광 렌즈로 집속되기 이전에 광파이버 렌즈(10)로 집속될 수 있고, 따라서, 광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광이 효과적으로 집속될 수 있으며, 이에 따라 레이저광의 확산각이 크거나 또는 초점 거리를 감소시킬 필요가 있는 경우에도, 레이저 피닝에 의한 처리의 효율을 향상시킬 수 있다.
(제 3 실시예)
도면들을 참조하여, 제 3 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 대하여 설명하도록 한다. 전술한 실시예들과 유사한 기능을 갖는 부재에는 동일한 참조부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 제 3 실시예에 따른 레이저광 조사 장치를 도시한 개략 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 광파이버(2)의 단부면이 비스듬하게 절단되어 있으며, 절단된 경사 단부면에 집광 렌즈(3)가 접합되어 있다. 이러한 구조로 인하여 광파이버에 대한 광 방사 각도 θ가 증가하게 됨과 동시에 광파이버의 단부면에서 집속 위치까지의 광이 통과하는 거리가 감소하게 됨으로써, 피처리부(9)에 대하여 더 큰 에너지를 갖는 레이저광을 조사할 수 있게 된다.
굴절률을 고려하여 적절하게 이러한 구조를 구성하기 위한 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 광파이버 코어(2-1), 집광 렌즈(3), 및 광이 방사되는 환경의 굴절률들을 각기 n1, n2, 및 n3라고 하면, n1 > n2 ≥ n3을 만족하도록 하는 구조를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 굴절률들을 제어함으로써, 광파이버(2)의 광 조사 단부면과 집광 렌즈(3) 사이의 경계를 통과하는 레이저광이 각 재료의 굴절률들 간의 차이로 인해 크게 굴절되게 되며, 레이저광의 방사 각도 θ는 증가될 수가 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 광파이버(2)의 경사 단부면에 집광 렌즈(3)를 접합함으로써 광파이버(2)에 대한 광 방사 각도 θ가 증가하게 되고, 이로써 광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광을 집속하는 성능이 향상될 수 있고, 광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광의 경사각이 향상될 수 있으며, 따라서 레이저 피닝에 의한 처리의 효율이 향상될 수 있다.
본 실시예에서는, 광파이버(2)와 집광 렌즈(3) 사이 경계에서의 굴절 현상이 사용된다. 그러나, 제 2 실시예가 제 3 실시예와 함께 조합될 수도 있다. 즉, 광파이버 렌즈(10)의 단부면이 경사를 이루도록 연마될 수 있으며, 그 후에 제 2 실시예의 광파이버 렌즈(10)와 집광 렌즈(3) 사이의 경계 부분에서, 집광 렌즈(3)와 결합될 수 있다. 이러한 조합은 더 우수한 효과를 발생시킬 수 있다.
(제 4 실시예)
도면들을 참조하여, 제 4 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 대하여 설명하도록 한다. 전술한 실시예들과 유사한 기능을 갖는 부재에는 동일한 참조부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
도 6은 제 4 실시예에 따른 레이저광 조사 장치의 구성을 도시한 개략 단면도이다. 본 실시예에서는, 광파이버(2)의 단부면을 구면(spherical surface)으로 절단하여 형성된 오목 형상과 맞추어지도록 처리된 집광 렌즈(3)가 접합되어 조합된다.
이러한 구조로 인하여 광파이버에 대한 광 방사 각도 θ가 증가하게 됨과 동시에 광파이버의 단부면에서 집속 위치까지의 광이 통과하는 거리가 감소하게 될 수 있으며, 따라서 피처리부(9)에 대하여 더 큰 에너지를 갖는 레이저광을 조사할 수 있게 된다.
상기한 구조들을 갖는 광파이버(2) 및 집광 렌즈(3)를 서로 접합하는 방법에 있어서는, 예를 들면, 광파이버(2)의 단부면이 처리될 수 있으며, 또한 그 단부면의 형상과 맞추어지도록 집광 렌즈가 접착되거나, 또는 광파이버(2)의 처리된 단부면이 집광 렌즈(3)의 원재료인 수지 등과, 용융 상태에서 융합된 후에, 그 표면에 대하여 절단, 연마 등을 수행함으로써 집광 렌즈(3)의 형상을 갖도록 할 수 있다.
또한, 굴절률을 고려하여 적절하게 이러한 구조를 구성하기 위한 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 광파이버(2), 오목 부분에 삽입되는 부분을 포함하는 집광 렌즈(3), 및 광이 방사되는 환경의 굴절률들을 각기 n1, n2, 및 n3라고 하면, n1 > n2 ≥ n3을 만족하도록 하는 구조를 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 굴절률들을 제어함으로써, 광파이버(2)의 광 조사 단부면과 집광 렌즈(3) 사이의 경계를 통과하는 레이저광이 각 재료의 굴절률들 간의 차이로 인해 크게 굴절되게 되며, 레이저광의 방사 각도 θ는 증가될 수가 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 전술한 바와 같이 형성된 광파이버(2) 및 집광 렌즈(3)를 사용함으로써, 광파이버(2)에 대한 광 방사 각도 θ가 또한 증가될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따르면, 미리 정해진 확산각을 가진 레이저광이 광파이버(2)의 광 방사 단부로부터 방사되는 경우라도, 광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광을 집속하는 성능이 향상될 수 있고, 광파이버(2)로부터 방사되는 레이저광의 경사각이 향상될 수 있기 때문에, 레이저 피닝에 의한 처리의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
본 실시예에서는, 광파이버(2)의 단부면이 구면 형상으로 절단되는 경우에 대해 설명하였다. 그러나, 집속 효과를 발생시킬 수만 있다면, 단부면의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 단부면은 도 7에 도시된 바와 같은 원추 형상으로 형성될 수 있으며, 또는 비구면 렌즈의 형상으로 형성될 수도 있다.
(제 5 실시예)
도면들을 참조하여, 제 5 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 대하여 설명하도록 한다. 전술한 실시예들과 유사한 기능을 갖는 부재에는 동일한 참조부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 있어서의 집광 렌즈(3)를 설명하기 위한 개념도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는, 집광 렌즈(3)가 원통형 렌즈(11)로부터 절단된 형상(점선으로 도시됨)을 가지며, 집광 렌즈(3)의 광 방사면은 원통형 렌즈 형상이다. 원통형 렌즈(11)는 A-A' 방향에서 집속 효과를 갖지만, B-B' 방향에서는 집속 효과를 갖지 않는다. 이러한 원통형 렌즈(11)를 사용함으로써, 레이저광의 빔은 B-B' 방향으로 더 긴, 즉 1이 아닌 종횡비를 갖는 타원 형상을 가질 수 있게 된다. 이러한 원통형 렌즈(11)의, A'에 더 가까운, 피처리부에 대한 레이저광의 조사는, 횡방향으로 더 긴 광 빔으로 하여금, 조사가 행해지는 종방향으로 더 긴 광 빔이 될 수 있게 한다. 즉, 레이저광의 스폿이 레이저광의 이동 방향에 수직한 면 상에서 횡방향으로 더 길 경우에는, 레이저광의 이동 방향에 수직하지 않은 면 상에서 그것의 종횡비가 1에 접근할 수가 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 피처리부(9)에 조사를 행하는 레이저 스폿의 형상은 완전한 원형 형상에 접근할 수 있게 되어서, 조사를 행하는 에너지 밀도가 증가할 수 있다. 즉, 광파이버(2)로부터 조사가 행해지는 레이저광은 집광 렌즈(3)에 의해 90°로 기울어지지 않으며, 따라서, 피처리부(9)의 초점으로 광이 들어가지 않을 경우 레이저 스폿의 형상은 타원형으로 될 수 있다. 레이저 스폿의 타원 형상으로 인하여 조사되는 영역이 증가하기 때문에, 피처리부(9)에 대한 레이저의 전력 밀도는 감소될 수 있으며, 이에 따라 레이저 피닝에 의한 응력 개선에 대한 불충분한 결과를 야기하게 된다. 반면에, 본 실시예에 따르면, 집광 렌즈(3)의 광 방사 면의 형상은, 피처리부(9)에 대한 조사가 행해지는 레이저 스폿의 형상이 개선되는, 원통형 렌즈 형상을 가지며, 그 레이저 스폿의 형상은 완전한 원형 형상에 접근할 수 있게 되고, 따라서, 조사가 행해지는 에너지 밀도가 향상될 수 있다.
또한, 본 실시예는 전술한 다른 실시예들의 구성과 조합될 수도 있다. 예를 들어, 본 실시예는 제 2 실시예에 따른 광파이버 렌즈(10)와 조합되거나, 제 3 실시에에서 설명된 바와 같은 기울어지게 처리된 단부의 경사 단부면을 가진 광파이버와 조합되거나, 또는 제 4 실시예에서 설명된 바와 같은 오목 형상으로 형성된 단부의 광파이버와 조합될 수도 있다. 상기의 양태들의 조합에 의해 레이저광을 집속하는 성능이 더욱 향상될 수 있다.
본 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에서, 레이저 피닝에 의한 처리를 수행할 경우에는, 광파이버(2)의 레이저광 방사 면으로부터 피처리부(9)까지의 광 경로가 액체 내인 것이 바람직하다. 일반적으로는, 피처리부와 레이저광 방사 면이 물에 잠겨 있는(즉, 침수되어 있는) 상태가 바람직하다. 그러한 경우에, 굴절률이 물(약 1.33의 굴절률을 가짐)보다 높은 재료를 집광 렌즈(3)의 재료로서 사용하는 것이 바람직하다
각각의 상기 실시예들에 따른 레이저광 조사 장치는, 전술한 바와 같이, 원자로의 상부 덮개(6)의 노즐(7)과 써멀 슬리브(8) 사이의 간극과 같은 협소부를 레이저 피닝에 의해 처리할 경우에 유용하다. 따라서, 광파이버(2), 그것의 선단 에지에 배치되는 집광 렌즈(3) 등은 소형의 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. 구체적으로, 광파이버(2)의 중심축의 방향으로부터 관측되는 단면의 최대 치수(이하, 단순히 "긴 직경"으로 지칭함)는 바람직하게는 5 mm 미만이고, 더욱 바람직하게는 3 mm 미만이며, 가장 바람직하게는 2 mm 미만이다. 광파이버(2)의 중심축의 방향으로부터 관측되는 단면의 최소 치수(이하, 단순히 "짧은 직경"으로 지칭함)는 광파이버(2)의 직경보다 작으며, 예를 들어, 1 내지 5 mm이다. 각각의 상기 실시예들에 따른 레이저광 조사 장치는, 광파이버(2), 그것의 선단 에지에 배치되는 집광 렌즈(3) 등이 소형의 사이즈를 갖기 때문에, 예를 들어 원자로 내의 노즐과 써멀 슬리브 사이의 협소부를 레이저 피닝에 의해 처리하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
(제 6 실시예)
도면들을 참조하여, 제 6 실시예에 따른 레이저광 조사 장치에 대하여 설명하도록 한다. 전술한 실시예들과 유사한 기능을 갖는 부재에는 동일한 참조부호를 붙이고, 상세한 설명은 생략한다.
제 1 내지 제 6 실시예들에서, 레이저광의 경사각 θ는 0°보다 크고 90°보다 작게 설정되며, 이로써 집광 렌즈(3)와 피처리부(9) 사이의 간격이 증가 되어서, 처리 중에 집광 렌즈에 의해 수신되는 충격을 감소시킨다. 그러나, 레이저광 조사 장치(1)가 협소부 내에 삽입되어, 처리가 행해질 경우에는, 예를 들어 협소부 간격의 변화로 인하여 집광 렌즈의 위치가 미리 정해진 위치에서 이탈할 수가 있다. 그러한 경우에, 집광 렌즈와 피처리부 사이의 거리가 설정 거리에서 벗어나게 된다. 집광 렌즈와 피처리부 사이의 거리가 감소될 경우에는, 집광 렌즈가 충격에 의해 손상될 수도 있다. 집광 렌즈와 피처리부 사이의 거리가 증가될 경우에는, 미리 정해진 충격을 획득하는 것이 불가능하며, 피처리부가 불충분하게 처리될 수도 있다.
상기한 문제점들을 방지하기 위해, 제 6 실시예에 따른 레이저광 조사 장치는 집광 렌즈를 미리 정해진 위치에 배치하기 위한 위치 결정 기구를 더 포함한다.
레이저 조사 장치(1)는 타겟 면인 노즐(7)의 내벽에 대한 집광 렌즈(3)의 상대적 위치를 포지셔닝하는 기구들(12)(이하, "위치 결정 기구들"이라 칭함)을 포함한다. 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 위치 결정 기구들(12)은 적어도 처리 대상인 타겟에 더 가까이 있는, 노즉(7)의 내벽과 접촉하며, 가이드(4)와 일체로 이동한다. 위치 결정 기구들(12)의 치수 등은, 노즐(7)의 내벽과 그 대향면인 써멀 슬리브(8)의 외벽 모두와 위치 결정 기구들(12)이 접촉하도록 형성된다.
본 실시예에서는, 도 10에 도시된 바와 같이, 위치 결정 기구들(12)이 노즐(7)의 내벽과 써멀 슬리브(8)의 외벽을 따르는 방향(도면에서 화살표 C로 표시됨)으로 양 측면들에 배치됨으로써, 광파이버(2)와 가이드(4)가 위치 결정 기구들(12) 사이에 끼워지도록 한다.
결과적으로, 위치 결정 기구들(12)은 레이저 조사 장치를 포지셔닝하여, 타겟 면인 노즐(6)의 내벽과 집광 렌즈(3)의 광축 중심(A) 사이의 거리가 미리 정해진 거리(도면에서 치수 D로 표시됨)가 되도록 한다. 전술한 바와 같이 레이저 조사 장치에 위치 결정 기구를 포함시킴으로써, 집광 렌즈에 대한 손상을 방지하면서 효율적인 레이저 피닝 처리를 행하는 것이 가능하게 된다.
(제 7 실시예)
도 11을 참조하여, 제 7 실시예의 레이저 조사 장치의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 제 1 실시예와 일반적으로 공통인 컴포넌트들에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레이저 조사 장치는 레이저광에 의한 조사 대상인 피처리부(9)의 근처쪽으로 투과성 액체(물)를 분사하기 위한 기구(13)(이하, "액체 분사 기구"라 칭함), 및 집광 렌즈(3)로부터 방사되는 레이저광의 광 경로를 포함한다. 액체 분사 기구(13)는, 전술한 가이드(4)에 접합되며, 가이드(4), 광파이버(2), 및 집광 렌즈(3)와 일체적으로 움직인다.
액체 분사 기구(13)는 집광 렌즈의 전방에 축방향으로 배치되는 액체 분사 포트(13a); 및 도시되지 않은 액체 공급원으로부터 투과성 액체(F)가 공급되며, 그 액체를 액체 분사 포트(13a)로 보내는 축방향으로 연장된 파이프(13b)를 포함한다. 축방향으로 연장된 파이프(13b)를 통과한 액체는 액체 분사 포트(13a)로부터 피처리부(9)를 향하여 배출된다.
본 실시예의 레이저 조사 장치에 따르면, 피처리부(9)가 공기에 노출되어 있는 경우라도, 피처리부(9)의 타겟 면 내의 레이저광으로 조사되는 조사 영역에는 투과성 액체(F)가 공급될 수 있다. 결과적으로, 조사 영역 부근의 잔류 응력은 피처리부에 충격파를 바람직하게 인가하는 것에 의하여 인장 응력에서 압축 응력으로 변경될 수 있다.
(제 8 실시예)
도 12를 참조하여, 제 8 실시예의 레이저 조사 장치의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 제 1 실시예와 일반적으로 공통인 컴포넌트들에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레이저 조사 장치에서, 광파이버에 접합된 가이드(4)는 투과성 액체가 흐르는 액체 통로(4a)를 포함한다. 가이드(4)는 액체 통로(4a)를 통해 흐르는 액체를 피처리부(9)로 가이드하도록 구성된다. 가이드(4)는 집광 렌즈(3)의 위치를 적절하게 조정할 수 있도록 형성된 위치 결정 기구들(12 및 12a)을 포함한다.
가이드(4)는 일반적으로 광파이버(2)를 포함하는 원통형 형상을 갖는다. 본 실시예에서, 액체 통로(4a)는 가이드(4)의 내면과 광파이버(2) 사이에 형성되어 있다. 집광 렌즈(3)는 원통형 부분의 내부에 배치되어 있다.
또한, 가이드(4)는 액체의 흐름을 액체 통로(4a)에서 피처리부(9)로 돌리는 부분을 포함한다. 도시되지 않은 액체 공급 장치로부터 공급되는 투과성 액체(F)는 피처리부(9)로 공급된다.
본 실시예의 레이저 조사 장치에 따르면, 투과성 액체가 액체 통로(4a)를 통해 피처리부(9)로 공급될 수 있으며, 또한 타겟 면이 공기에 노출되어 있는 경우라도, 집광 렌즈(3)로부터 피처리부(9)까지의 광 경로는 투과성 액체로 덮일 수 있게 된다.
(제 9 실시예)
도 13 및 도 14를 참조하여, 제 9 실시예의 레이저 조사 장치에 대하여 설명하도록 한다. 도 13는, 본 실시예의 레이저 조사 장치에 있어서, 가이드에 배치되는 검출기들, 및 그 주변 구성을 도시한 부분 단면도이다. 도 13에서는, 해석의 용이화를 위해 가이드의 단면만이 도시되어 있다.
도 14는 복수의 검출기들에 의해 광파이버 및 가이드의 경사들을 검출하는 기술을 설명하기 위한 설명도이다. 제 1 실시예와 일반적으로 공통인 컴포넌트들에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 레이저 조사 장치에는, 가이드(4)의 움직임 양을 검출하기 위한 복수의 검출기들(14)이 가이드(4)에 배치되어 있다. 검출기들(14)은 구형(spherical)이다. 검출기들 중의 적어도 하나는 집광 렌즈(3)의 부근에 배치되어 있다. 본 실시예에서는, 복수의 검출기들(14)이 미리 정해진 간격들로 축방향으로 정렬되어 있다.
본 실시예에서, 각 검출기(14)는 가이드(4) 주위를 회전할 수 있도록 구성된다. 그 일부가 가이드(4)의 외주면으로부터 외부로 반경 방향으로 돌출되는, 각 검출기(14)는, 타겟 면 또는 대향면과 접촉 가능하도록 구성된다.
본 실시예의 검출기들(14)은 노즐(7)의 내벽과 접촉함으로써, 피처리부(9)와 집광 렌즈(3) 사이의 거리가 미리 정해진 거리로 될 수 있게 하는 위치 결정 기구들의 기능을 한다. 검출기들(14)에 부가하여, 제 6 실시예의 것들과 유사한 위치 결정 기구들(12)(도 9 참조)이 포함될 수도 있다. 그 사이에 가이드(4)가 끼워지며, 가이드(4)를 축방향으로 구동시키는데 사용되는 부재들(15)이 또한 가이드(4)의 외주면 상에 형성될 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 조사 장치(1)가 내벽과 외벽 사이에 삽입될 경우에는, 가이드(4) 내에 정렬되어 있는 복수의 검출기들(14) 중의 일부가 내벽 및 외벽 중의 어느 것과 접촉하게 된다. 내벽 또는 외벽과 접촉하게 되는 검출기들(14)은 레이저 조사 장치의 구동에 의해 회전하게 된다.
본 실시예에서, 각 검출기(14)는 자신의 회전량(회전 각도)을 검출하는 기능을 가지며, 소위 트랙 볼(track ball)로서 형성되어 있다. 레이저 조사 장치(1)는 각 검출기(14)의 회전량에 기초하여 가이드(4)의 움직임 양을 계산해 내며, 또한 그 움직임 양에 기초하여 광파이버(2)의 선단 에지 상의 집광 렌즈(3)의 위치 또는 피처리부(9)의 위치를 계산해 내는 처리 위치 계산 기구(미도시)를 포함한다.
레이저 조사 장치(1)는 복수의 검출기들(14)의 회전량들에 기초하여 광파이버(2) 및 가이드(4)의 경사들을 계산해 낼 수 있다.
도 14에서 화살표 N으로 표시된 방향으로 가이드(4)가 노즐(7)의 내부로 삽입되는 경우, 집광 렌즈(3)에 더 가까운 검출기(14A)가 먼저 회전되어서, 화살표 N으로 표시된 방향(노즐(7)의 축방향)에서의 검출기(14A)의 위치(도 14에서 파선 Xa으로 표시됨)가 계산된다. 화살표 N으로 표시된 방향으로 가이드(4)가 더 삽입되는 경우에는, 광파이버(2)의 축방향에 있어서 검출기(14A) 다음의 검출기(14B)가 노즐(7)의 내부로 삽입되어, 회전되어서, 검출기(14B)의 위치(도면에서 파선 O으로 표시됨)가 계산된다.
결과적으로, 화살표 N으로 표시된 방향에서의 검출기(14A)와 검출기(14B) 사이의 거리 X(도면에서 치수 X로 표시됨)가 결정될 수 있다. 축방향에서의 검출기(14B)와 검출기(14A) 사이의 거리를 L이라고 하면, 가이드(4)의 경사 θ2는 다음의 수학식 (1)에 의해 결정될 수 있다:
수학식 (1): θ2 = arccos (X/L).
이러한 방식에 의해, 본 실시예의 레이저 조사 장치(1)는 집광 렌즈(3)의 위치뿐만 아니라 광파이버(2)의 경사도 또한 결정할 수 있다.
(기타 실시예)
전술한 각 실시예들에서는, 적어도 처리 대상인 타겟 면의 조사 영역이 투과성 액체로 덮여있는 상태에서 레이저광으로 조사 영역을 조사하는 것에 의하여, 레이저 조사 장치가 레이저 피닝을 수행한다. 그러나, 본 발명에 따른 레이저 처리의 양태들은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 레이저광의 조사는 타겟 면의 조사 영역이 기체로 덮여있는 상태에서 수행될 수도 있다.
특정 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 실제에 있어서, 본 명세서에서 설명된 신규한 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 또한, 본 명세서에서 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에 있어서의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수도 있다. 첨부된 청구범위 및 그 균등물은 본 발명의 범위와 사상에 포함되는 형태들 또는 변형들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (11)

  1. 레이저광 조사 장치로서,
    레이저광이 가이드되는 광파이버;
    상기 광파이버의 한쪽 단부에 배치되는 집광 렌즈로서, 상기 집광 렌즈와 상기 광파이버는 상기 레이저광의 광 경로를 규정하는, 상기 집광 렌즈;
    상기 광파이버를 보유하는 가이드; 및
    상기 광파이버의 위치를 변경시키는 이동 기구를 포함하며,
    상기 광파이버를 통해 가이드되는 상기 레이저광의 광 경로는, 상기 집광 렌즈에 의해, 상기 광파이버의 중심축에 대하여 0°보다 크고 90°보다 작게 되도록 변경된 각도에서 피처리부를 향해 서로 평행하거나 집속되도록 방사되고,
    상기 레이저광의 상기 광파이버의 중심축에 대한 경사각은, 상기 집광 렌즈의 출사면(exit face)의 곡률(curvature), 또는 상기 집광 렌즈의 광축과 상기 광파이버의 중심축 사이의 편차를 최적화함으로써 조정하는, 레이저광 조사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는 상기 광파이버의 코어의 직경보다 큰 직경을 가진 광학 렌즈의 일부이며; 또한
    상기 광파이버의 상기 중심축 및 상기 광학 렌즈의 광축은 서로 일치하지 않는, 레이저광 조사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광파이버의, 상기 집광 렌즈에 더 가까운, 단부면(end face)은 상기 광파이버의 중심축에 대하여 비스듬하게 절단되어 있는, 레이저광 조사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광파이버 및 상기 집광 렌즈는 광파이버 렌즈를 통해 서로 접합되어 있는, 레이저광 조사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광파이버의, 상기 집광 렌즈에 더 가까운, 단부면은 오목하게 절단되어 있는, 레이저광 조사 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈와 상기 레이저광으로 조사되는 피처리부 사이의 거리가 미리 정해진 거리가 되도록, 상기 집광 렌즈의 위치를 결정하는 위치 결정 기구를 더 포함하는, 레이저광 조사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저광으로 조사되는 피처리부를 향하여 액체를 분사하는 액체 분사 기구를 더 포함하는, 레이저광 조사 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드는 액체가 흐르는 액체 통로를 포함하며, 또한 액체 공급 기구로부터 공급되는 액체를, 상기 레이저광으로 조사되는 피처리부로 가이드하도록 구성되는, 레이저광 조사 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드의 움직임 양을 검출 가능한 검출기; 및
    상기 검출기에 의해 검출된 상기 가이드의 움직임 양에 기초하여, 상기 레이저광으로 조사되는 피처리부의 위치를 계산해 내는 처리 위치 계산 기구를 더 포함하는, 레이저광 조사 장치.
  10. 레이저 피닝(laser peening) 처리 방법으로서,
    제 1 항에 기재된 상기 레이저광 조사 장치를 사용하여, 상기 레이저광으로, 물 속에 존재하는, 피처리 부재를 조사하는 것에 의한 처리를 수행하는, 레이저 피닝 처리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피처리 부재는 원자로 내에 포함되어 있는 부재인, 레이저 피닝 처리 방법.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103203543B (zh) * 2013-02-04 2015-03-11 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法和装置
JP2017177162A (ja) 2016-03-30 2017-10-05 株式会社Ｓｕｂａｒｕ レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法
JP6917003B2 (ja) * 2017-03-08 2021-08-11 株式会社リコー 光加工装置、及び光加工物の生産方法
KR101898682B1 (ko) * 2017-06-28 2018-09-14 주식회사 풍산 강관의 레이저 피닝 장치 및 그 방법
JP6911653B2 (ja) * 2017-09-04 2021-07-28 トヨタ自動車株式会社 部品の製造方法及び部品
RU2020136111A (ru) * 2018-04-23 2022-05-05 Лсп Текнолоджиз, Инк. Устройство для лазерного ударного упрочнения скрытых поверхностей
CN110253140B (zh) * 2019-07-25 2024-04-26 岗春激光科技（江苏）有限公司 一种激光加工头及激光加工设备
CN110609353B (zh) * 2019-09-10 2020-10-02 武汉博昇光电股份有限公司 一种转角透镜光纤阵列及其制作方法
US12065710B2 (en) * 2020-03-30 2024-08-20 Airbus Sas Laser shock peening apparatus
US20210301368A1 (en) * 2020-03-30 2021-09-30 Airbus Sas Laser shock peening apparatus
FR3117903B1 (fr) * 2020-12-17 2024-05-10 Thales Sa Systeme de traitement de materiau par choc laser ameliore
CN113832336B (zh) * 2021-10-22 2022-10-28 北京理工大学 筒类构件的残余应力消减方法
CN115227419A (zh) * 2022-08-24 2022-10-25 苏州密尔光子科技有限公司 一种激光荡洗设备及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003053533A (ja) * 2001-08-09 2003-02-26 Toshiba Corp 構造物の補修方法および補修溶接装置
JP2008170471A (ja) * 2007-01-05 2008-07-24 Kyocera Corp ファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュール

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4917084A (en) * 1985-07-31 1990-04-17 C. R. Bard, Inc. Infrared laser catheter system
US4694828A (en) * 1986-04-21 1987-09-22 Eichenbaum Daniel M Laser system for intraocular tissue removal
JPS63130075A (ja) * 1986-11-19 1988-06-02 富士電機株式会社 レ−ザ治療器
US6134003A (en) * 1991-04-29 2000-10-17 Massachusetts Institute Of Technology Method and apparatus for performing optical measurements using a fiber optic imaging guidewire, catheter or endoscope
US6163012A (en) * 1996-09-27 2000-12-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Laser maintaining and repairing apparatus
US6904197B2 (en) * 2002-03-04 2005-06-07 Corning Incorporated Beam bending apparatus and method of manufacture
JP4025598B2 (ja) 2002-07-29 2007-12-19 京セラ株式会社 ファイバーレンズ
CN100360967C (zh) * 2002-12-31 2008-01-09 康宁股份有限公司 光纤透镜及制造方法
JP2004246279A (ja) * 2003-02-17 2004-09-02 Seiko Epson Corp 光モジュール及びその製造方法、光通信装置、光電気混載集積回路、回路基板、電子機器
JP2004258387A (ja) 2003-02-26 2004-09-16 Kyocera Corp 先端斜めファイバ
JP2007507007A (ja) * 2003-09-25 2007-03-22 コーニング インコーポレイテッド 多モードピグテールを備えたファイバレンズ
JP2008254006A (ja) 2007-04-02 2008-10-23 Toshiba Corp レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP5064159B2 (ja) 2007-09-19 2012-10-31 富士フイルム株式会社 光断層画像化装置
EP2040059A3 (en) * 2007-09-19 2013-09-04 FUJIFILM Corporation Optical tomography imaging system, contact area detecting method and image processing method using the same, and optical tomographic image obtaining method
JP5375476B2 (ja) 2009-09-15 2013-12-25 新日鐵住金株式会社 圧縮応力値の推定方法、圧縮応力値推定装置およびレーザ加工装置
JP5814652B2 (ja) 2011-06-22 2015-11-17 株式会社東芝 レーザ照射装置及びレーザ照射方法
JP5899513B2 (ja) 2012-01-12 2016-04-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 基板製造方法、および改質層形成装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003053533A (ja) * 2001-08-09 2003-02-26 Toshiba Corp 構造物の補修方法および補修溶接装置
JP2008170471A (ja) * 2007-01-05 2008-07-24 Kyocera Corp ファイバレンズ、ファイバレンズアレイ、ファイバコリメータおよび光モジュール

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Publication number Publication date
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