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KR101908079B1 - 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키는 장치 - Google Patents

레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키는 장치 Download PDF

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KR101908079B1
KR101908079B1 KR1020147015385A KR20147015385A KR101908079B1 KR 101908079 B1 KR101908079 B1 KR 101908079B1 KR 1020147015385 A KR1020147015385 A KR 1020147015385A KR 20147015385 A KR20147015385 A KR 20147015385A KR 101908079 B1 KR101908079 B1 KR 101908079B1
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마틴 에이치. 뮌델
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루멘텀 오퍼레이션즈 엘엘씨
아마다 홀딩스 씨오., 엘티디.
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Abstract

레이저 재료 가공 시스템용 광 전달 도파로는 상기 전달 도파로의 출력단에 있는 소형 렌즈를 포함하며, 상기 소형 렌즈는 도파로 내의 레이저 빔 발산각을 상기 렌즈 뒤의 스폿 크기(spot size)로 변환한다. 도파로 내부로 발사된 레이저 빔의 입력 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킴으로써, 출력 스폿 크기가 연속적으로 변화될 수 있으며, 따라서 전달 도파로 또는 처리 헤드(processing head)를 교체하지 않고도 작업 대상물 상의 연속적인 실시간 레이저 스폿 크기 조정을 가능하게 한다. 레이저 빔의 발산각은 또한 동적으로 그리고 스폿 크기와 연동하여 조절될 수 있다.

Description

레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키는 장치 {Varying beam parameter product of a laser beam}
본 발명은 레이저 재료 가공, 특히 레이저 빔 전달에 관한 것이다.
레이저 재료 가공은, 높은 생산성, 가공의 비접촉 특성, 향상된 품질, 및 레이저 빔 전달 위치의 높은 정확성과 이동성을 포함하는 많은 장점들을 갖고 있다. 현재 레이저는 절삭, 드릴링, 용접, 브레이징(brazing), 표면 어닐링, 합금, 경화 처리(hardening) 및 다른 응용들에 사용되고 있다. 고출력(high-power) 및/또는 고강도(high-intensity) 레이저 빔을 표적(target)에 전달하는데 광섬유가 주로 사용되고 있다.
광섬유-전달 레이저 재료 가공 시스템은 통상적으로 다음의 부품들, 예컨대 광섬유 레이저와 같은 레이저; 스위치 박스 또는 셔터 박스로도 알려진 광 결합부; 양단에서 플러그 접속 가능하며 강화된 케이블 내에 있는, 통상적으로 10-50m 길이의 ("전달 광섬유"라고도 불리는) 가공 광섬유; 및 처리 헤드(process head)를 포함한다. 처리 헤드는, 가공 광섬유를 위한 수용부, 레이저 출력을 투사하기 위한 광학부, 및 보조-가스 포트들과 같이 레이저 기반 가공을 위해 요구되는 부대 부품들을 포함하는 광학 조립체이다. 레이저 방출은 자유 공간을 통해 또는 별도의 광섬유를 통해 광 결합부로 전달된다. 광 결합부는 상기 방출을 가공 광섬유에 발사하며, 상기 가공 광섬유는 레이저 광을 처리 헤드에 전달한다. 처리 헤드는 요구되는 가공 작업을 수행하기 위해 레이저 광을 작업 대상물(workpiece) 위로 투사한다.
그러한 시스템들은, 절삭, 용접, 열처리 등을 포함하는 많은 다양한 종류의 가공들에 그리고 많은 다양한 재료의 종류, 두께 및 기하학적 형태에 사용된다. 작업 대상물에서의 소망하는 초점 스폿 크기, 발산각(divergence) 및 빔 품질은 가공 종류 및 관련 가공 파라미터들에 따라 폭 넓게 변화한다. 처리 헤드가 통상적으로 가장 적은 수의 부품들을 사용하여 가능한 가장 우수한 스폿을 생성하도록 구성된 결상 장치이기 때문에, 작업 대상물 근방의 스폿은 통상적으로 스폿의 상(image), 또는 더욱 상세하게는 처리 헤드의 배율에 따라 축척된, 가공 광섬유 출력에서의 빔 허리(beam waist)이다. 빔 허리 반경과 발산각(반각(half-angle))의 곱은, 밀리미터-밀리라디안(mm-mrad) 단위로 표시되는, 빔-파라미터 곱(BPP; beam-parameter product)으로 불리는 불변값이다.
레이저 빔의 상이한 스폿 크기들 및/또는 상이한 발산각들을 생성하기 위하여, 통상적으로 가공 광섬유를 상이한 코어 크기의 다른 광섬유로 교체하거나, 또는 처리 헤드를 상이한 배율의 다른 헤드로 교체한다. 전달 광섬유 및/또는 처리 헤드의 물리적인 교체 공정은 시간을 소모하고 불편하며, 오염을 초래하거나 심지어 민감한 광섬유 팁(tip)들의 손상을 초래할 수도 있다.
독일 디칭겐(Ditzingen)의 트럼프 사(Trumpf GmbH)는 최근에 2개의 상이한 크기를 갖는 도파로들을 포함하는 전달 광섬유를 구성하였는데, 하나의 중심 코어는 클래딩층과 환형의 제 2 코어에 의해 둘러싸여 있으며, 둥근 빔 또는 그보다 큰 도넛 형태의 빔의 선택을 사용자에게 부여함으로써(PCT 특허 출원 WO 2011/124671 A1), 2개의 이산된 BPP 값들을 제공한다. 이러한 기술에 의해 얻을 수 있는 전체적인 선택은 예를 들어 절삭과 용접 사이의 전환에는 사용 가능하지만, 공정을 미세하게 조절하거나 다양한 가공 종류들 사이의 전환을 위해서는, 연속적인 BPP 변화도를 갖는 것이 훨씬 더 유용하다.
US 특허 5,245,682에서 오티즈(Ortiz)는 전달 광섬유 내로 포커싱되는 레이저 빔의 발산각을 스위칭함으로써 전달 광섬유의 출력단에서의 발산각이 제어되는 빔 품질 제어 시스템을 개시하고 있다. 도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 오티즈의 광섬유-결합 레이저 시스템(100)은 레이저(101), 상이한 초점 길이를 갖는 3개의 렌즈(102A-102C)들, 및 입력단과 출력단(104, 105)을 각각 갖는 전달 광섬유(103)를 포함한다. 렌즈(102A-102C)들은, 레이저(101)에 의해 방출된 레이저 빔(107)의 빔 경로(106) 내에 한번에 하나씩 상기 렌즈(102A-102C)들을 삽입시키는 이송 스테이지(110)에 장착되어 있다. 예를 들어, 도 1a에서, 3개의 렌즈(102A-102C)들 중에서 가장 큰 초점 길이를 갖는 제 1 렌즈(102A)가 빔 경로(106) 내에 삽입되어 있으며, 그 결과 전달 광섬유(103)의 입력단(104) 위로 포커싱되는 수렴 레이저 빔(108)의 빔 수렴각 α가 가장 작아지게 된다. 도 1b 및 1c에서, 수렴 레이저 빔(108)의 수렴각 α는 제 2 및 제 3 렌즈(102B, 102C)들의 각각의 초점 길이 감소에 따라 점차적으로 증가한다.
단단한 하우징에 의한 예리한 절곡의 부재와 상대적인 단단함으로 인하여, 전달 광섬유(103)는 전달 광섬유(103) 내부에서 광선 각도들을 보존하며, 그 결과 출력단(105)에서의 발산 레이저 빔(109)의 발산각 β는 수렴 레이저 빔(108)의 대응하는 수렴각 α에 근접하게 된다. 따라서, 렌즈(102A 내지 102C)들이 교환될 때, 발산 레이저 빔(109)의 발산각 β는 계단형 방식으로 변화하며, 이는 도시되지 않은 작업 대상물에 전달되는 발산 레이저 빔(109)의 BPP를 스위칭할 수 있도록 한다. 불리하게도, 오티즈 시스템은 렌즈(102A-102C)들 및/또는 광섬유(103)의 입력단(104)이 마이크로미터 정확도로 재배치되거나 정렬될 것을 요구하는데, 이는 그러한 시스템의 실용적인 응용성을 제한한다. 또한, 레이저 빔(107)은 스위칭이 일어나기 위하여 중단될 필요가 있는데, 이는 어떤 응용들에서는 불편하거나 심지어 해로울 수 있다. 더욱이, 레이저 가공 동작에 주요하게 책임이 있는 것은 포커싱된 레이저 빔의 광학적 출력 밀도(power density) 또는 세기(intensity)이기 때문에, 변화될 필요가 있는 것은 단지 출력 빔의 발산각이 아니라 스폿 크기이다.
US 특허 7,151,788에서 이미카도(Imakado) 등은 입력 발산각을 변화시킴으로써 그 결과 전달 광섬유의 출력에서의 출력 발산각을 변화시켜 작업 대상물에 전달되는 레이저 빔의 BPP가 또한 변화되는 레이저 가공 장치를 개시하고 있다. 집광 렌즈(condensing lens)는 전달 광섬유로부터 출사하는 레이저 빔을 표적 상의 초점 스폿으로 다시 포커싱한다. 집광 렌즈에 의해 달성 가능한 초점 스폿 크기는 전달 광섬유로부터 출사하는 레이저 빔의 발산각에 의존하는데, 이는 상기 렌즈가 상당한 수준의 수차를 가져야 할 것을 암시한다. 결과적으로, 입력 발산각이 변화하게 될 때, 포커싱된 스폿 크기가 변화하게 된다. 불리하게도, 그러한 시스템이 높은 BPP에 적용되는 경우, 포커싱된 스폿이 흐려지게 될 것이며 매칭을 위해 바람직한 윤곽이 뚜렷한 가장자리가 부족하게 될 것이다. 추가적으로, 발산각의 함수로서 스폿 크기의 변화는 상대적으로 약해지기 쉬울 것이며; 발산각 변화는 스폿 크기에 기여하는 것보다 전체적인 BPP 변화에 훨씬 더 기여하게 될 것이다.
종래 기술은, 윤곽이 뚜렷한 초점 스폿을 가지면서 BPP 및 특히 스폿 크기가 매끄럽게, 연속적으로 그리고 실시간으로 변화될 수 있는 레이저 재료 가공 시스템이 부족하다. 따라서, 그러한 레이저 재료 가공 시스템 및 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명은 전달 광섬유의 출사단(exit end) 근방에 소형의 각도 오프셋 렌즈를 위치시킴으로써 광섬유 출력단에 또는 그 근방에 제어 가능한 빔 허리 크기를 생성하기 위하여 전달 광섬유의 발산각-보존 특성을 이용한다. 여기에서 "출사 렌즈(exit lens)"라고 부르는 각도 오프셋 렌즈는 예컨대, 10mm 이하, 바람직하게는 1mm 이하의 매우 짧은 초점 길이를 갖는다. 출사 렌즈의 기능은, 광섬유 내에서의 광선들의 보존된 각도 분포를 광선 좌표 분포로 변환하여, 전달 광섬유의 출력단에 가까운 출사 렌즈의 초점 평면에 또는 그 근방에 작고 윤곽이 뚜렷한 빔 허리를 생성하는 것이다. 스폿의 크기는 발산각에 거의 선형적으로 의존하는데, 상기 발산각은 스폿 크기를 변화시키기 위하여, 광섬유 팁 상에 포커싱된 레이저 빔의 입력 수렴각(input convergence angle)을 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
입력 수렴각을 변화시키는 대신에(또는 그에 추가하여), 전달 광섬유로의 발사각(launch angle)이 변화될 수 있다. 편리하게는, 출사 렌즈와 유사하거나 또는 동일하게 제조될 수 있는 "입사 렌즈(entry lens)"의 전방에서 레이저 빔을 변위시킴으로써 이를 수행할 수 있다. 상기 입사 렌즈는 전달 광섬유에 빛을 포커싱한다. 회전 대칭성으로 인해, 전달 광섬유는 상기 광섬유 내에 있는 개별적인 광선들의 방위각(azimuthal angle)들을 빠르게 평균시킨다. 그 결과, 출력 발산각은 실질적으로 회전 대칭적이다. 레이저 빔이 입사 렌즈의 전방에서 변위될 때, 대칭적인 출력 발산각이 변화하며, 출사 렌즈는 그러한 변화를 전달 광섬유 - 출사 렌즈 조립체의 출력단에서의 스폿 크기의 변화로 변환한다. 전달 광섬유는 바람직하게는 구배-굴절률(graded index; GRIN) 렌즈들인 입사 및 출사 렌즈들과 일체형으로 제작될 수 있다. 종단 캡(end cap)들은 GRIN 렌즈들의 외부 광학 표면들에 용착(fused)될 수 있다. 종단 캡들의 입사면 및 출사면은 반사방지 코팅될 수 있다. 규칙적인 계단형-굴절률 전달 광섬유가 바람직할 수 있지만, 후술하듯이 다른 종류의 광섬유들도 역시 사용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치가 제공되며, 상기 장치는:
상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체(subassembly)를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는 제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하는 광도파로 및 상기 제 2 단부에 결합된 출사 렌즈를 포함하고, 상기 코어와 클래딩은 광도파로의 제 1 및 제 2 단부 사이에 연장되며;
상기 빔 발사기는 상기 도파로의 제 1 단부에서 상기 도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통해 진행하여, 출사 렌즈의 근방에 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 형성하며,
광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부에 가까운 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 출사 렌즈의 근방에 있는 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시킨다.
일 실시예에서, 광섬유 내의 빛의 발산각은 도파로의 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 광도파로에 결합된 발산각 조절 소자를 사용하여 조절될 수 있다. 발산각 조절 소자는 광도파로 내에 미세 굴곡을 생성하는 기계적인 가압기(presser), 및/또는 전달 도파로에 용착되어 있는, 가열된 또는 변형된 구배 굴절률 도파로부를 포함할 수 있다. 동작시에, 상기 소자는 광도파로 내부의 레이저 빔의 발산각을 조절하며, 그럼으로써 출사 렌즈의 초점 평면에서 제 1 레이저 빔 스폿의 직경 및/또는 발산각을 변화시킨다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 가변의 빔 파라미터 곱으로 표적에 레이저 빔을 전달하기 위한 레이저 빔 전달 시스템이 더 제공되며, 상기 레이저 빔 전달 시스템은:
레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 상술한 광학 장치들 중에서 어느 하나; 및
상기 광학 장치에 결합된 처리 헤드를 포함하며, 상기 처리 헤드는 출사 렌즈에 결합되어 표적 상의 제 2 레이저 빔 스폿 위에 제 1 레이저 빔 스폿을 결상시키기 위한 포커싱 소자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 방법이 더 제공되며, 상기 방법은:
(a) 제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에 연장되는 광도파로 및 상기 제 2 단부에 결합된 출사 렌즈를 제공하는 단계;
(b) 상기 광도파로의 제 1 단부에 수렴각 및/또는 발사각으로 레이저 빔을 발사하는 단계;
(c) 상기 광도파로에 의해 안내되는 레이저 빔의 광선 각도들이 상기 제 2 단부에서 실질적으로 회전 대칭인 분포를 형성할 수 있도록 하는 동시에, 상기 광도파로의 광축에 대한 국소적인 광선 각도들의 크기의 분포를 실질적으로 보존하기 위하여, 단계 (b)에서 발사된 레이저 빔을 상기 광도파로 내에서 제 1 단부로부터 제 2 단부로 진행시키는 단계;
(d) 출사 렌즈를 통과하도록 레이저 빔을 지향시키고, 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔 내에 제 1 레이저 빔 허리를 형성하는 단계로서, 상기 제 1 레이저 빔 허리는 단계 (c)에서 형성된 상기 광도파로의 제 2 단부에서의 광선 각도들의 회전 대칭성으로 인해 실질적으로 회전 대칭인 단계; 및
(e) 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위하여 상기 수렴각 및/또는 발사각을 변화시키는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예들은 다음의 도면들과 함께 설명될 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 광섬유-전달 레이저 빛의 스위칭 가능한 발산각을 갖는 종래의 광섬유-결합 레이저 시스템의 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 광도파로 부품체의 종축 단면도이다.
도 2b 및 2c는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치의 종축 단면도로서, 상기 광학 장치는 도 2a의 부품체를 포함한다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2c의 광도파로 부품체의 출력단에서의 레이저 스폿에 대해 모의 실험한 스폿 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 레이저 빔 전달 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 4의 레이저 빔 전달 시스템의 처리 헤드의 광학적 광선 궤적 다이어그램이다.
도 6은 굴곡 마운트(flexure mount) 상에 장착된 도 4의 레이저 빔 전달 시스템의 오프셋 렌즈(offset lens)의 정면도이다.
도 7은 전달 광섬유, GRIN 입사 및 출사 렌즈, 및 한 쌍의 종단 캡(end cap)들을 포함하는 본 발명의 도파로 부품체의 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 복합 GRIN 출사 렌즈의 측면도이다.
도 9a는 출력 발산각을 증가시키도록 광도파로 내에 미세 굴곡(microbend)들을 생성하는 기계적인 발산각 조절 소자의 측단면도이다.
도 9b는 가열된 구배-굴절률 광섬유 발산각 조절 소자의 측단면도이다.
도 10은 도파로의 출력단에서의 반점(speckle) 패턴을 제거하기 위해 광도파로에 결합된 압전 소자의 측단면도이다.
도 11a 내지 도 11c는 계단형-굴절률 단일-클래드 광섬유; 계단형-굴절률 이중-클래드 광섬유; 및 구배-굴절률 광섬유의 단면도이다.
도 12는 도 4의 레이저 빔 전달 시스템을 포함하는 레이저 재료 가공 시스템의 개략도이다.
본 설명은 다양한 실시예들 및 예들과 함께 기술되지만, 본 설명이 그러한 실시예들에 한정되는 것으로 의도된 것은 아니다. 반대로, 본 설명은 본 기술분야의 당업자에게 이해되듯이 다양한 대체물, 변형물 및 균등물들을 포괄한다.
통상적인 계단형-굴절률 광섬유(step-index fiber)는 광섬유의 출력단에 대략적으로 동일한 스폿 크기(spot size)의 빔을 항상 전달하는데, 왜냐하면 상기 빔이 계단형-굴절률 코어의 주변에 의해 한정되기 때문이다. 그러나, 광섬유 내부의 빛의 발산각은, 다음과 같은 수학식에 의해 주어진 광섬유에 의해 지지되는 최대 바운스 각도(bounce angle)보다 작은 한, 이상적인 광섬유의 경우에 보존된 채 유지된다.
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여기서, NA는 광섬유의 개구수, n1은 코어의 굴절률, n2는 클래딩(cladding)의 굴절률이다. 본 개시의 전체에 걸쳐, 모든 바운스 각도와 발산각은 공기 중에서의 각도로 표현된다. 광섬유의 내부에서, 상기 각도들은 스넬의 법칙에 따라 감소한다.
실제의 광섬유에서는, 광섬유의 미세 굴곡 및 큰 굴곡, 코어의 크기, 형태 및 굴절률 균질성에 있어서의 불완전성으로 인하여, 발산각이 완벽하게 보존되지는 않는다. 통상적인 현대의 가공 광섬유(process fiber) 또는 도파로에서, 발산각 보존의 수용 가능한 수준은, 굴곡들의 발생을 줄이기에 충분한 강도로 광섬유를 만들기 위하여 큰 외경(outer diameter)을 사용하고 작은 코어 직경을 사용하는 정교한 제조에 의해 달성된다. 예를 들자면, 가공 도파로(process waveguide)들의 유리 클래딩 부분의 외경은 250 마이크로미터 이상일 수 있으며, 종종 400 마이크로미터 이상일 수 있고, 코어 직경은 200 마이크로미터 이하일 수 있으며, 종종 100 마이크로미터 또는 50 마이크로미터 이하일 수 있다. 그러한 도파로들에서, 예를 들어 0.10 라디안의 내부 발산각을 갖는 빛은 10% 내지 20%보다 크지 않은 발산각의 증가로 수십 미터의 거리에 걸쳐 전파될 수 있다. 보존된 발산각을 렌즈의 초점 평면에서 스폿 크기로 변환시키는 소형 렌즈를 도파로의 출사단 근방에 배치시키는 동시에, 도파로 내부에서 소정의 발산각의 레이저 빔을 생성하도록 제어된 수렴각으로 레이저 빔을 발사함으로써, 이러한 발산각의 실질적인 보존은 소망하는 스폿 크기를 얻는 데 사용될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 광도파로 부품체(200)는, 코어(204) 및 광도파로(202)의 각각의 제 1 단부(208)와 제 2 단부(210) 사이에서 코어(204)를 둘러싸는 클래딩(206)을 구비하는 광도파로(202), 및 제 2 단부(210)에 광학적으로 결합된 출사 렌즈(212)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 출사 렌즈(212)는 광도파로(202)의 바깥쪽에서 광도파로(202)의 제 2 단부(210)와 대향하여 배치된 초점 평면(214)을 갖는다. 출사 렌즈(212)가 박막 렌즈인 접근법에서, 상기 렌즈(212)는 제 2 단부(210)로부터 대략적으로 하나의 초점 거리 f만큼 떨어져 배치되며, 초점 평면(214)은 출사 렌즈(212)로부터 하나의 초점 거리 f만큼 지나서 배치된다. 제 2 단부(210)와 상기 렌즈(212)는, 정확하게 하나의 초점 거리 f만큼 서로 떨어지지 않고, 하나의 f 거리로부터 20-40%의 변화를 갖고 배치될 수 있다.
동작시에, 실선으로 표시된 제 1 레이저 빔(215)이 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에서 코어(204)의 내부로 제 1 수렴각 θ1으로 발사된다. 상기 제 1 레이저 빔(215)은 제 2 단부(210)에서 광도파로(202)로부터 출사하여 출사 렌즈(212)에 의해 콜리메이팅되어, 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 제 1 레이저 빔 허리(217)를 형성한다. 상기 제 1 허리(217)는 실선으로 표시되어 있다. 입력 수렴각 θ가 출력 빔 허리 크기에 어떻게 영향을 주는 지를 보이기 위하여, 점선으로 표시된 제 2 레이저 빔(216)이 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에서 코어(204)의 내부로, 제 1 수렴각 θ1보다 작은 제 2 수렴각 θ2로 발사된다. 제 2 레이저 빔(216)은 제 2 단부(210)에서 광도파로(202)로부터 출사하여 출사 렌즈(212)에 의해 콜리메이팅되어, 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 제 2 빔 허리(218)를 형성한다. 상기 제 2 허리(218)는 점선으로 표시되어 있다. 제 2 허리(218)는 제 1 허리(217)보다 작다. 따라서, 입력 수렴각이 변화할 때, 광도파로 부품체(200)의 출사 렌즈(212)의 초점 평면에서의 빔 허리 크기도 역시 작은 각도 θ에 대해 대략적으로 비례하는 방식으로 변화한다.
도 2a에 도시된 실시예에서, 빔 허리(217)는 출사 렌즈(212)로부터 하나의 초점 거리 f만큼 떨어진 초점 평면(214)에 형성된다. 빔 허리(217)는 또한 출사 렌즈(212) 근방의 다른 위치에도 역시 형성될 수 있으며, 빔 허리(217)의 직경은 상술한 바와 같이 변화될 수 있을 것이다. 도 2a에서, 허리(217)는 초점 스폿과 일치하지만, 항상 그럴 필요는 없다.
명세서서 전반에 걸쳐, 상기 빔 허리(217)는, 레이저 빔이 여기서 "허리 직경"이라고 부르는 최소 측방 크기를 가지는 스폿으로서 정의된다. 비록 "직경"이라는 용어가 사용되고 있지만, 빔 허리(217)가 정확하게 원형일 필요는 없다는 점을 이해하여야 한다. 본 기술분야의 당업자에 의해 통상적으로 측정되듯이, 상기 허리 직경은, 예컨대, 2차 모멘트(second moment) 방법 또는 86%-출력 폐위(86%-power-enclosed) 방법을 사용하여 측정될 수 있다. 허리(217)는 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 또는 그 뒤에 배치되어 있는 실상일 수 있으며, 또는 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214) 앞에 또는 심지어 출사 렌즈(212)의 앞에 위치하여 나타나는 허상일 수도 있다. 여기에서 논의되는 대부분의 실시예들에서, 허리(217)는 실상이지만, 비-1/4 피치 GRIN(non-quarter-pitch GRIN) 또는 수차가 부여된(aberrated) GRIN 렌즈(212)의 경우에는, 상기 렌즈(212) 내에, 심지어 광도파로(202)의 제 2 단부(210)의 근방의, 예컨대, 10밀리미터 내의 광도파로(202) 내에 배치되는 허상 허리(217)를 얻는 것도 가능하다.
도 2b를 참조하면, 제 1 레이저 빔(221)의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치(220)는, 상기 광학 장치(220) 내에 제 1 레이저 빔(221)을 입력하기 위한 입력 포트(224), 상기 입력 포트(224)에 광학적으로 결합된 빔 발사기(226), 및 빔 발사기(226)에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체(200)를 포함한다. 빔 발사기(226)는, 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에 입사하는 제 1 레이저 빔(221)을 발사하기 위한 입사 렌즈(228), 및 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에서 코어(204) 내로 가변의 발사각(launch angle) γ1으로 제 1 레이저 빔(221)을 발사하기 위하여 제 1 레이저 빔(221)과 입사 렌즈(228)의 광축 사이에 가변의 측방 변위 y1을 제공하는, 예컨대, 이송 스테이지인 시프터(shifter)(230)를 포함한다.
동작시에, 광도파로(202)는 상기 발사된 제 1 레이저 빔(221)의 개별적인 광선들의 방위각(azimuthal angle)들을 광도파로(202)의 내부에서 평균시켜, 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 제 1 허리(231)를 형성한다. 그 결과, 광도파로(202)의 제 2 단부(210)에서의 국소 광선 각도들의 분포가 제 2 단부(210) 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이 된다. 코어(204)는 광도파로(202)의 제 2 단부(210) 근방에서 레이저 빔(221)의 빛으로 실질적으로 채워진다.
발사각 γ가 출력 스폿 크기에 어떻게 영향을 주는 지를 보이기 위하여, 점선으로 표시된 제 2 레이저 빔(222)은 제 1 측방 변위 y1보다 작은 제 2 측방 변위 y2로 발사된다. 입사 렌즈(228)는 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에서 코어(204) 내로 제 2 레이저 빔(222)을 발사하여, 제 2 레이저 빔(222)이 제 1 발사각 γ1보다 작은 제 2 발사각 γ2로 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에 입사하도록 한다. 광도파로(202)는 발사된 제 2 레이저 빔(222)의 개별적인 광선들의 방위각들을 광도파로(202)의 내부에서 평균시켜, 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 제 2 허리(232)를 형성한다. 제 2 허리(232)는 제 1 허리(231)보다 작은 직경을 갖는다. 따라서, 레이저 빔(221)의 수렴각 θ 및/또는 발사각 γ이 빔 발사기(226)에 의해 변화할 때, 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에서 레이저 빔 허리(231)의 직경이 변함으로써, 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱이 변화한다.
빔 발사기(226)는 또한, 본 기술분야에서 알려진 장치 및 방법들을 이용하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 입력 수렴각 θ을 변화시키도록 구성될 수 있다. 또한, 빔 발사기(226)는 입력 수렴각 θ와 발사각 γ를 동시에 변화시키도록 구성될 수도 있다.
입력 수렴각 θ와 발사각 γ의 동시 변화는 몇몇 흥미로운 가능성들을 열어주는데, 광학 장치(220)가 허리(217, 218, 231, 232)들의 크기를 변화시킬 뿐만 아니라, 허리(217, 218, 231, 232)들의 형태, 즉 허리(217, 218, 231, 232)들 내의 광학적 출력 밀도의 분포도 변화시키는 데 사용될 수 있도록 한다. 이제 도 2b와 함께 도 2c를 참조하면, 광학 장치(240)는 도 2b의 광학 장치(220)와 유사하며, 빔 발사기(246)가 입력 레이저 빔(241)의 크기와 위치를 동시에 변화시키기 위한 가변 장치(250)를 포함하여, 입력 레이저 빔(241)의 입력 수렴각 θ와 발사각 γ를 동시에 변화시킨다는 점에서 차이가 있다. 도 2c에서, 레이저 빔(241)의 도시되지 않은 개별적인 광선들의 발사각은 0도의 발사각을 포함하지 않는다. 광도파로(202)의 코어(204) 내부와 출사 렌즈(212)를 통해 진행할 때, 레이저 빔(241)은 환형(도넛) 형태의 스폿(251)을 형성한다. 상기 스폿(251)의 형태는, 요구에 따라, 가우시안 형태, 도시된 도넛 형태, 또는 평탄한 상부(flat-top) 형태를 형성하도록 조절될 수 있다. 제한적이지 않은 예를 들자면, 가변 장치(250)는 광 빔(241)의 직경을 확대 또는 축소시키기 위한, 도시되지 않은, 줌 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 줌 렌즈는 주밍된(zoomed) 레이저 빔(241)을 소정의 양만큼 오프셋 시키기 위하여 이송기(230)와 유사한 이송기를 구비할 수 있다. 가변의 수렴각 θ 및/또는 가변의 발사각 γ으로 레이저 빔(221, 241)들을 발사하는 한에는, 빔 발사기(226)와 가변 장치(250)의 다른 어떠한 구성들도 가능하다.
이제 도 3c를 함께 참조하여 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 모의 실험된 스폿 형태(300A 내지 300D)들은, 도 3a로부터 도 3d로 가면서, 레이저 빔(241)의 y-좌표 또는 높이 h가 점차 증가하는 스폿(251)에 대응한다. 도 3a에서, 스폿(300A)은 실질적으로 평탄한 상부 형태이며; 도 3b 내지 도 3d에서, 점차 증가하는 직경의 환형 또는 도넛 형태의 스폿(300B 내지 300D)들이 형성된다. 도 3a로부터 도 3d로 가면서, 직경은 30 마이크로미터에서 100 마이크로미터로 증가한다. 평탄한 상부 형태의 스폿(300A)은 예컨대 레이저 용접 및 레이저 열처리와 같은 몇몇 종류의 응용들에 대해 선호될 수 있으며; 도넛 형태 스폿(300B 내지 300D)들은 연강(mild steel)과 같은 두꺼운 판금(sheet metal)의 절삭을 포함하는 다른 응용들에 대해 선호될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c를 다시 참조하면, 출사 렌즈(212)의 초점 길이는 바람직하게는 작으며, 예를 들어 10mm보다 크지 않고, 더욱 바람직하게는 1mm보다 크지 않다. 1/4 피치 또는 그의 홀수배가 아닌 GRIN 렌즈를 사용할 때, 잘 정의된 초점 길이가 부족하지만; 그러한 GRIN 렌즈는, 1/4 피치의 길이로 사용될 때, 10mm보다 크지 않은 그리고 더욱 바람직하게는 1mm보다 크지 않은 초점 길이를 만들 굴절률 프로파일을 가져야 한다. 출사 렌즈(212)의 초점 길이가 작으면, 초점 평면(214)에서의 제 1 허리(217, 218, 231, 232, 또는 251)도 역시 작으며, 이는 상기 제 1 허리를 작은 레이저 빔 스폿 크기로 작업 대상물(도시되지 않음) 위에 결상시키는 것을 가능하게 한다. 작업 대상물 상의 작은 스폿 크기들은 레이저 재료 가공을 위해 통상 요구되는 높은 광학적 출력 밀도를 가능하게 한다. 통상적인 수치를 사용하자면, 광도파로 코어(204)는 0.22의 개구수(NA)에 대해 직경이 50 마이크로미터일 수 있다. 광도파로(202)는 0.10 라디안의 최대 발산각의 빛으로 조명될 수 있다. 따라서, 사용자는 고정된 50 마이크로미터, 0.10 라디안 스폿을 작업 대상물 위에 결상시킬 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 0.06 라디안과 0.20 라디안 발산각 사이에서 광도파로(202)에 빛을 발사하기 위하여 조절 가능한 빔 발사 시스템이 사용될 것이다. 광도파로(202)의 제 2 단부(210)에서 초점 길이 f = 250 마이크로미터를 갖는 출사 렌즈(212)를 사용하면, 출력 빔은 고정 발산각 θOUT = sin-1(25/250) = 0.10 라디안, 및 2R = 2×250×0.06 = 30 마이크로미터와 2R = 2×250×0.20 = 100 마이크로미터 사이의 가변 허리 직경으로 변환될 수 있으며, 상기 허리 직경은 광도파로(202) 내부의 빔 발산각에 비례한다. 따라서, BPP는 본 예에서 0.10×30/2 = 1.5 mm-mrad로부터 0.10×100/2 = 5 mm-mrad까지 변화한다. 레이저 빔 허리(217 또는 218)의 작은 직경은, 작업 대상물 상의 실용적으로 유용한 스폿 크기로 작업 대상물 위에 상기 레이저 빔 허리를 결상시키는 것을 가능하게 한다.
원형-코어 도파로의 한 가지 특징은, 비원형 코어 도파로와는 반대로, 자오선에 대해 비스듬한(skew) 또는 비축(off-axis)인 광선들을 또는 축 상(on-axis)의 광선들을 섞지 않으며, 그 결과로, 도파로(202)의 제 1 단부(208)에서의 강도 분포가 반경 방향으로 균일하지 않다면, 도파로(202)의 제 2 단부(210)에서도 역시 일반적으로는 반경 방향으로 균일하지 않을 것이라는 점이다. 일 실시예에서, 상기 코어(204)는 광도파로(202)의 제 2 단부(210)에서의 레이저 강도의 균일한 반경 방향 분포를 용이하게 형성하기 위하여 비원형 단면을 갖고, 그럼으로써 제 1 레이저 빔 허리(217, 218, 231, 232 또는 251)의 균일한 각도 조명(angluar illumination)을 용이하게 할 수 있는데, 이는 특정 응용들에서 선호될 수 있다. 균일한 각도 조명을 보장하기 위한 바람직한 비원형 코어 형태는 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 팔각형, D-모양, 물결(ripple) 모양, 커스프(cusp) 모양, 및 별 모양을 제한 없이 포함한다. 제 1 단부(208)와 제 2 단부(210) 사이의 광도파로(202)의 길이는 바람직하게는 적어도 1m이다. 또한, 바람직하게는, 클래딩(206)은 광선 각도 크기의 향상된 보존을 위하여 강도(stiffness)를 증가시키고 광섬유 굴곡(bend)을 줄이도록 적어도 250 마이크로미터의 직경을 갖는다. 유리하게는, 상기 클래딩(206)은 향상된 고출력 조작을 위해 SiO2 클래딩이다. 광도파로(202)는 또한, 광도파로(202) 내부에서 레이저 빔의 편광을 제어하기 위하여 편광 유지, 편파(polarizing), 키랄(chiral) 또는 회전된(spun) 도파로를 포함할 수도 있다.
이제 도 4를 참조하면, 레이저 빔 전달 시스템(400)은 콜리메이팅 렌즈(404)와 포커싱 렌즈(406)를 각각 포함하는 처리 헤드(402) 및 도 2b의 광학 장치(220)를 포함하며, 콜리메이팅 렌즈(404)는 광도파로 부품체(202)의 출사 렌즈(212)에 결합되어 있다. 상기 처리 헤드는, 광선(412)으로 표시한 바와 같이, 표적(작업 대상물)(410) 상의 제 2 레이저 빔 허리(408) 위로 레이저 빔 허리(231)를 결상시킨다. 이송기 또는 시프터(230)는 콜리메이팅 렌즈(414)와 포커싱 렌즈(416) 및 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)를 포함하며, 상기 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)는, 광선(420)으로 표시한 바와 같이, 레이저 빔(221)을 측방으로 변위시키기 위해 입사 렌즈(228)의 상류측에서 상기 콜리메이팅 렌즈(414)와 포커싱 렌즈(416) 사이에 배치된다. 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)는 이송 스테이지(422)에 장착된다. 시프터(230)의 콜리메이팅 및 포커싱 렌즈(414, 416)는 입사 렌즈(228)의 중심에 정교하게 결합되도록 정렬된, 위치가 고정된 2개의 강력한 렌즈들이다. 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)는 입사 렌즈(228)의 광축에 대해 레이저 빔(221)을 변위시키도록 측방으로 조절될 수 있는 약한 렌즈이다. 이 경우에 레이저 빔(221)의 이동은, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 초점 길이 대 포커싱 렌즈(416)의 초점 길이의 비에 의한 축척(scale)에 따라, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 이동에 비례한다. 따라서, 시스템(400)은 입사 렌즈(228)의 광축에 대한 레이저 빔(221)의 매우 정교한 이동 및/또는 경사를 가능하게 한다. 예를 들어, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 초점 길이 대 포커싱 렌즈(416)의 초점 길이의 비가 1:20 이라면, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 20 마이크로미터 이동(이는 표준적인 기계적 액추에이터를 사용하여 매우 용이하게 수행한다)으로 레이저 빔(221) 위치에 대한 1 마이크로미터의 미세한 조정이 달성될 수 있다. 대안적으로, 상기 렌즈(418)를 생략하고, 상기 렌즈(414, 416)들 중에서 하나 또는 모두를 이동시킴으로써, 또는 상기 렌즈(414, 416)들 사이의 빔 경로에 배치된, 예를 들어, 도시되지 않은 미러를 조정하여 렌즈(414, 416)들 사이의 빔의 방향을 조절함으로써, 레이저 빔(221)의 위치를 조절하는 것도 가능하다.
위에서 언급한 바와 같이, 출사 렌즈(221)는 예를 들어 1mm보다 크지 않은 짧은 초점 길이를 갖는 소형의 "강력한" 렌즈인 것이 매우 바람직하다. 상기 출사 렌즈(212)의 위치에 수 밀리미터의 큰 초점 길이를 갖는 종래의 렌즈를 사용하는 것은 처리 헤드가 작업 대상물(410) 위로 결상시키기 위하여 수용 불가능할 정도의 큰 빔 직경을 초래할 수 있다. 따라서, 광도파로(202) 위에 직접적으로 일체화된 매우 짧은 초점 거리의 렌즈를 사용하는 것이 바람직하며, 그 결과 새로운 가공 광섬유 조립체는 종래의 가공 광섬유에 대한 급변된 대체물이다. 짧은 초점 길이의 렌즈들은, 도 4에 도시된 바와 같이 볼록한 외부 광학 표면을 갖는 광섬유 종단 캡 또는 일체형 구조(monolithic structure)를 가져오는 구배 굴절률(graded-index) 렌즈를 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에 결합시킴으로써 구현될 수 있다. 그 대신에, 별개의 마이크로렌즈들이 광도파로(202)의 양단부(208, 210)의 직근방에 단단히 장착될 수도 있으며, 이는 종단 캡 렌즈 또는 구배 굴절률 렌즈와 동일한 기능을 제공하지만, 입사 및 출사 렌즈(228, 212)들이 각각 광도파로(202)에 용착될 때보다 잠재적으로 더 불안정하고 오염되기 쉬운 광 경로 및 2개의 광학 표면을 추가한다는 단점을 갖는다. 일 실시예에서, 입사 및 출사 렌즈(228, 212)들은 동일한 초점 길이를 갖는다. 입사 및 출사 렌즈(228, 212)들은 심지어 광도파로(202)의 양단부(208, 210)에 용착된(fused) 동일한 렌즈들일 수도 있으며, 따라서 결과적인 일체형 구조는 대칭적이며 상기 렌즈(228, 212)들 중에서 어느 하나를 이송기(230)에 대향하도록 하여 사용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 광학적 광선 궤적 다이어그램(500)은 출사 렌즈(212)의 초점 평면(214)에 있는 제 1 레이저 허리(231)를 표적(410)에 있는 제 2 허리(408) 위로 결상시키는 것을 도시한다. 바람직하게는, 제 2 및 제 1 레이저 빔 허리(408, 231)들의 직경의 비로 정의되는, 처리 헤드(402)의 렌즈(404, 406)들의 영상 배율은 초점 평면(214)에서의 레이저 빔의 발산각의 변동에 실질적으로 의존하지 않는다. 이는 표적(410) 위로의 제 1 레이저 빔 허리(231)의 보다 선예한 결상을 가능하게 하는데, 왜냐하면 입력 발산각에 대한 배율의 각도 의존성의 부재는 선예한 결상을 가능하게 하는 낮은 수차(aberration)의 지표이기 때문이다.
도 6을 참조하면, 화살표(602)로 표시한 바와 같이 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)를 변위 가능하게 장착하기 위한 굴곡 마운트(flexure mount)(600) 상에 상기 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)가 장착될 수 있다. 굴곡 마운트(600)는 탄성 임계값(elastic threshold) 아래에서 동작하여, 굴곡 마운트(600)의 스프링 파라미터의 적은 변화로 또는 변화 없이, 렌즈(418)의 매우 많은 횟수의 측방 변위를 가능하게 한다. 굴록 마운트(600)는 도 4의 이송기(422)의 일부이다.
도 4를 함께 참조하여 도 7을 참조하면, 본 발명의 레이저 빔 전달 도파로 조립체(700)가 레이저 빔 전달 시스템(400)에서 사용될 수 있다. 레이저 빔 전달 도파로 조립체(700)는 제 1 및 제 2 단부(208, 210)를 각각 구비하며 상기 제 1 단부(208)로부터 제 2 단부(210)로 레이저 빔을 안내하기 위한 계단형-굴절률 광도파로(202)를 포함한다. 광도파로(202)의 제 1 단부(208)로 들어가고 제 2 단부(210)로부터 나오는 레이저 빔을 결합시키기 위하여, 제 1 및 제 2 구배-굴절률 광학 소자(701, 702)가 제 1 및 제 2 단부(208, 210)에 각각 용착되어 있다. 예컨대, GRIN 렌즈들일 수 있는 상기 제 1 및 제 2 구배-굴절률 광학 소자(701, 702)들은 레이저 빔 전달 시스템(400)의 입사 및 출사 렌즈(228, 212)들에 각각 대응한다. 제 1 구배-굴절률 광학 소자(701)로 그리고 제 2 구배-굴절률 광학 소자(702)로부터 레이저 빔을 각각 전달하기 위하여, 제 1 및 제 2 구배-굴절률 광학 소자(701, 702)들에는 각각 제 1 및 제 2 종단 캡(703, 704)들이 용착되어 있다. 제 1 및 제 2 종단 캡(703, 704)들의 외부 광학 표면(705, 706)들은 각각 반사방지(AR) 코팅될 수 있다. 또한, 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에 입사하는 레이저 빔의 포커싱 및 광도파로(202)의 제 2 단부(210)로부터 출사하는 레이저 빔의 콜리메이팅을 용이하게 하기 위하여, 제 1 및 제 2 종단 캡(703, 704)들의 외부 광학 표면(705, 706)들은 각각 만곡될 수 있다.
일 실시예에서, 출사 렌즈(212)는, 상기 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔의 가변 발산각 및 제 1 레이저 빔 허리(217)의 가변 직경의 소망하는 조합을 생성하고, 추가적으로 스폿 크기의 변화율보다 크거나 또는 작은 비율로 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키도록 선택된 수차를 갖는다. 이제 도 8을 참조하면, 출사 렌즈(212)는, 광도파로(202)에 결합된, 바람직하게는 용착된 제 1 구배 굴절률 광학 소자(801) 및 제 1 광학 소자(801)에 결합된, 바람직하게는 용착된 제 2 구배 굴절률 광학 소자(802)를 포함한다. 제 1 구배 굴절률 광학 소자(801)는 1/2 피치 또는 그의 정수배의 길이를 갖는다. 제 1 광학 소자(801)의 반경 방향 구배 굴절률 프로파일은 수차를 생성하기 위한 실질적으로 비-포물선(non-parabolic) 형태이다. 제 2 구배 굴절률 광학 소자는 1/4 피치 또는 그의 홀수배의 길이를 갖는다. 제 2 광학 소자(802)의 반경 방향 구배 굴절률 프로파일은 레이저 빔의 가변 발산각 및 가변의 레이저 빔 허리 직경의 소망하는 조합을 생성하기 위하여 실질적으로 포물선 형태이다.
동작시에, 실선으로 표시된 빛의 제 1 광선(804)은 제 1 및 제 2 구배 굴절률 광학 소자(801, 802)의 광축(810)에 각각 가깝게 진행한다. 제 1 광선(804)의 경우에, 초점 평면은 제 2 구배 굴절률 광학 소자(802)의 외부 표면(807)에 있는데, 왜냐하면 제 1 구배 굴절률 광학 소자(801)의 굴절률의 이상적인 포물선 프로파일로부터의 큰 편차를 경험하지 않을 정도로 제 1 광선(804)이 광축(810)에 충분히 가깝기 때문이다. 점선으로 표시된 빛의 제 2 광선(806)은 광축(810)으로부터 더 멀리 진행한다. 제 2 광선(806)의 경우에, 초점 평면은 제 2 구배 굴절률 광학 소자(802)의 내부에 배치된 평면(808)에 있는데, 왜냐하면 제 1 구배 굴절률 광학 소자(801)의 굴절률의 이상적인 포물선 프로파일로부터의 큰 편차를 경험할 정도로 제 1 광선(804)이 광축(810)으로부터 충분히 멀기 때문이다. 그 결과, 입력 발사각이 변화함에 따라, 레이저 빔의 가변 발산각과 가변의 레이저 빔 스폿 크기의 소망하는 조합이 생성된다. 그 대신에, 제 2 구배 굴절률 광학 소자(802)를 생략하고, 대략적으로 1/4 피치 또는 그의 홀수배의 길이를 갖는, 수차가 부여된(aberrated) 제 1 구배 굴절률 광학 소자(801)를 사용함으로써 유사한 효과를 달성하는 것도 가능하다.
출력 레이저 빔의 가변 발산각과 가변의 허리 직경의 소망하는 조합을 달성하기 위한 또 다른 방법은 1/4 피치 또는 그의 홀수배 이외의 길이를 갖는 구배-굴절률 광학 소자를 출사 렌즈(212)에 대해 사용하는 것이다. 그러한 1/4 피치가 아닌(non-quarter-pitch) 길이를 사용하는 것은 출사 렌즈(212)로 하여금 초점이 맞지 않게 하는데, 그럼으로써 입력 발사각이 변함에 따라 레이저 출력의 발산각과 스폿 크기가 모두 변화한다.
도 2b를 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 레이저 빔(221)은 축에서 벗어나 광도파로(202)의 제 1 단부(208)로 발사되며, 따라서 광도파로(202) 내부에서 비스듬한(skew) 광선들을 발생시킨다. 비축(off-axis) 발사는 긴 거리에 걸쳐 환형이며 광축을 중심으로 회전할 수 있는 출력 빔을 발생시키는 능력을 갖는다. 소용돌이 빔(vortex beam)으로 알려진 그러한 빔들은 어떤 특정한 재료 가공 응용들에 대해 유용한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 시프터(230)에 의해 적용된 측방 변위와 함께 입력 포트(224)에 경사를 적용함으로써, 입사 렌즈(228)를 광도파로(202)에 대해 오프셋시킴으로써, 또는, 입사 렌즈(228)에 대해 구배-굴절률 렌즈를 사용하는 경우에, 그러한 구배-굴절률 렌즈에 경사진 입광 표면을 사용함으로써, 레이저 빔(221)이 축에서 벗어나 발사될 수 있다. 광선들이 비스듬한 광선들로서 발사되는 것을 보장하기 위하여, 그러한 경사는 바람직하게는 측방 변위에 수직하게, 즉 도 2b의 평면에 수직하게 적용될 것이다. 레이저 빔(221)을 축에서 벗어나 발사하는 다른 방법은 시프터(230)에 의해 적용된 측방 변위의 방향에 바람직하게는 수직한 방향으로 빔 발사기(226)에 측방 변위를 적용하는 것이다. 도 7을 다시 참조하면, 예를 들어, 구배-굴절률 광학 소자(701)는 측방으로 약간 변위된 위치에서 도파로(202)에 부착될 것이다. 그러한 추가된 경사 또는 변위는, 구배-굴절률 렌즈(702)와 같이 도파로(202)의 뒤에 있는 광학계가 아니라, 도파로(202)의 앞에 있는 광학계에만 적용되어야 한다. 또한, 도파로(202)를 통해 진행하는 동안 비스듬한 광선들이 그대로 보존되는 것을 보장하기 위하여, 본 실시예에서는, 도파로 코어(204)가 원형 또는 타원형의 단면인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 광도파로 내부의 레이저 빔의 발산각을 조절하고, 따라서 출사 렌즈(212)에 의해 형성된 허리 직경을 조절하기 위해, 광도파로(202)의 중간 부분에 또는 그 근방에 발산각 조절 소자가 배치된다. 도 9a를 참조하면, 발산각 조절 소자(900A)는 광도파로(202) 내에 제어 가능한 미세 굴곡들을 생성하기 위하여 광도파로(202)에 기계적으로 결합된 다수의 핑거(903)들을 포함하는 기계적 가압부(902)를 포함한다. 미세 굴곡들은 광도파로(202) 내부의 레이저 빔의 발산각을 증가시킨다.
이제 도 9b의 실시예를 참조하면, 광도파로(202)는 제 1 및 제 2 단부(208, 210)에 각각 결합된 제 1 및 제 2 계단형-굴절률 도파로부(908, 910)를 포함한다. 제 1 및 제 2 계단형-굴절률 도파로부(908, 910)들 사이에는 제 3 구배-굴절률 도파로부(912)가 결합되어 있다. 발산각 조절 소자(900B)는 상기 구배-굴절률 도파로부(912)의 각각의 온도 또는 길이를 변화시켜 광도파로(202) 내부의 레이저 빔의 발산각을 변화시키기 위한 히터(904)를 포함한다. 구배-굴절률 도파로부(912) 내부의 광선 궤적은 광선(920)들로 도시되어 있다. 제 2 계단형-굴절률 도파로부(910) 내로 빛이 더 잘 결합되도록 하기 위하여, 제 2 계단형-굴절률 도파로부(910)의 코어 직경은 바람직하게는 제 1 계단형-굴절률 도파로부(908)의 코어 직경보다 크다. 제 1 도파로부(908)는 선택적이며 생략될 수 있다. 이 경우에, 광빔들은 제 3 구배-굴절률 도파로부(912) 내로 직접 발사될 것이다.
도 9a 및 도 9b의 실시예들의 발산각 조절 소자들을 사용하여 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치는 레이저 빔의 입력 수렴각을 변화시키는 빔 발사기(226)를 요구하지 않는데, 왜냐하면 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱이 광도파로(202) 내부의 발산각을 조절함으로써 변화될 수 있기 때문이다.
도 4를 함께 참조하여 도 10을 참조하면, 레이저 빔이 발사될 때, 제 1 레이저 빔 허리(231)의 반점(speckle) 구조 및 표적(작업 대상물)(410) 상의 제 2 레이저 빔 허리(408)의 반점 구조를 감소시키기 위해, 화살표(1002)로 도시된 바와 같이 광도파로(202)를 진동시키기 위한 진동부(1000)가 바람직하게는 광도파로(202)에 결합되어 있다. 진동부(1000)는, 예컨대, 음향 변환기(acoustic transducer), 초음파 변환기(ultrasonic transducer), 또는 기계적인 진동자를 포함할 수 있다.
본 발명은 많은 종류의 광 전달 도파로들로 작업을 수행할 수 있다. 도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 광도파로(202)의 단면이 도시되어 있다. 도 11a에서, 광도파로(202)는 코어(204)와 클래딩(206)을 구비하는 계단형-굴절률 광섬유이다. 굴절률 프로파일(1110A)은 단일 굴절률 계단을 도시하고 있다. 도 11b에서, 이중 클래드 광도파로(1112)는 제 1 및 제 2 클래딩(1116, 1118)에 의해 각각 둘러싸인 코어(1114)를 구비한다. 굴절률 프로파일(1110B)은 코어(1114)와 제 1 클래딩(1116)에 대응하는 2개의 굴절률 계단들을 도시하고 있다. 도 11c에서, 구배-굴절률 도파로(1120)는, 굴절률 프로파일(1110C)로 표시된 바와 같이, 굴절률의 점진적인 변화, 바람직하게는 포물선형 변화를 갖는다. 이러한 모든 도파로 종류들이 상기 광도파로(202)의 위치에서 사용될 수 있다. 또한, 광결정(photonic-crystal) 및/또는 미세 구조(micro-structured) 도파로들이 사용될 수 있다. 광결정 도파로는 일반적으로 계단형-굴절률 광섬유보다 큰 발산각으로 레이저 빔을 안내할 수 있다. 광결정 도파로에 의해 주어진 몇몇 흥미로운 가능성은, 출력 허리 직경과 출력 발산각 사이의 소망하는 함수 관계를 설계하여, 표적(410)에서 변화하는 빔 크기와 빔 발산각의 소정의 비율로 BPP를 변화시키는 능력을 포함한다.
이제 도 12를 참조하면, 본 발명의 레이저 재료 가공 시스템(1200)은 레이저 빔(1204)을 표적(410)에 전달하기 위한 도 4의 광섬유 전달 시스템(400)을 포함한다. 광섬유 전달 시스템(400)에는 셔터 박스(1202) 및 (도 4에 도시된) 제 2 레이저 빔 허리(408)를 결상시키는 카메라(1210)가 더 보충된다. 상기 레이저 재료 가공 시스템(1200)은, 레이저 빔(1204)을 제공하며 입력 광섬유(1208)를 통해 셔터 박스(1202)에 결합되는 레이저(1206), 및 상기 카메라(1210)에 결합된 카메라 제어부(1212)를 더 포함한다. 셔터 박스(1202)는 표적(410)에 전달된 레이저 빔(1204)의 제어 가능한 중단을 제공하기 위한 셔터(1214)를 포함한다. 빔 발사기(230)는 바람직하게는 셔터 박스(1202)의 내부에 배치된다. 입력 광섬유(1208)는 상기 셔터 박스(1202) 내부의 입력 포트(224)에 결합된다. 상기 카메라 제어부(1212)는 카메라(1210)에 의해 결상된 제 2 빔 허리(408)의 직경을 결정하도록 구성되며, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 측방 위치를 조절하기 위한 상기 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 이송기(422)에 결합된다. 카메라 제어부(1212)는 또한, 위에서 설명한 바와 같이 표적(410) 상의 제 2 레이저 빔 허리(408)의 직경의 소정 값에 도달하기 위해, 광도파로(202) 내로 발사된 레이저 빔의 수렴각 및/또는 발사각을 조절하도록 구성된다. 레이저 재료 가공 시스템(1200)은 또한, 광도파로(202) 내의 레이저 빔의 라만 산란(Raman scattering)에 의해 만들어지는 빛을 억제하기 위하여, 도시되지 않은, 적절히 배치된 라만 필터(Raman filter)를 포함할 수 있다.
레이저 재료 가공 시스템(1200)은, 측방으로 변위 가능한 렌즈(418)의 각각의 변위를 위해, 표적(410) 상의 제 2 레이저 빔 허리(408)의 직경을 카메라(1210)를 이용하여 측정함으로써 교정될(calibrated) 수 있다. 이러한 측정들은, 레이저 재료 가공 시스템(1200)의 폐루프(closed-loop) 동작을 가능하게 하여, 공정 중에 표적(410) 상의 제 2 허리(408)의 직경의 동적인 실시간 변동을 가능하게 하는, 전달 곡선(transfer curve) 또는 룩업 테이블(lookup table)을 생성하는 데 사용된다. 예를 들어, 레이저 절삭에 있어서, 초기 스폿 크기는 표적(410)을 통한 레이저 빔(1204)의 관통을 용이하게 하기 위해 줄어들 수 있으며, 후속하여 스폿 크기는 우수한 절삭 동작을 위해 증가할 수 있다. 또한, 레이저 재료 가공 시스템(1200)은 도 3a의 평탄한 상부 형태의 분포 및 도 3b 내지 도 3d의 환형 분포를 포함하는 소망하는 광 출력 밀도 분포를 갖는 표적(410) 상의 제 2 허리(408)를 제공하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키는 방법은:
(a) 제 1 및 제 2 단부(208, 210)를 각각 구비하는 계단형-굴절률 광도파로(202) 및 상기 제 2 단부(210)에 결합된 출사 렌즈(212)를 포함하는 광도파로 부품체(200)를 제공하는 단계;
(b) 광도파로(202)의 제 1 단부(208)에 가변의 수렴각 및/또는 가변의 발사각으로 레이저 빔(215)을 발사하는 단계;
(c) 광도파로(202)에 의해 안내되는 레이저 빔(215)의 광선 각도들이 제 2 단부(210)에서 실질적으로 회전 대칭 분포를 형성할 수 있도록 하는 동시에, 광도파로(202)의 광축에 대한 국소적인 광선 각도들의 크기의 분포를 실질적으로 보존하면서, 단계 (b)에서 발사된 레이저 빔(215)을 광도파로(202) 내에서 진행시키는 단계;
(d) 단계 (c)에서 진행된 레이저 빔(215)이 광도파로(202)의 제 2 단부(210)로부터 출사하여 출사 렌즈(212)를 통과하여 진행하도록 하고, 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔 내에 제 1 레이저 빔 허리(217)를 형성하는 단계로서, 상기 제 1 레이저 빔 허리(217)는 광도파로(202)의 제 2 단부(210)에서의 광선 각도들의 회전 대칭성으로 인해 실질적으로 회전 대칭인 단계; 및
(e) 출사 렌즈(212)로부터 출사하는 레이저 빔(215)의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위하여 수렴각 및/또는 발사각을 변화시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 단계 (b)에서, 도 3b 내지 도 3d에 도시된 것과 같은 환형 모양의 제 1 레이저 빔 스폿을 생성할 수 있도록, 발사각은 0도의 발사각을 포함하지 않는다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 상술한 설명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시되었다. 이는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 빠짐 없이 포함하도록 의도된 것은 아니다. 상술한 설명을 고려하여 많은 변형 및 변화들이 가능할 수 있다. 본 발명의 범위는 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정되도록 의도된다.

Claims (40)

  1. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 출사 렌즈는 상기 광도파로와 일체형인 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광도파로는 계단형-굴절률 도파로인 광학 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출사 렌즈는 구배-굴절률 렌즈, 구배-굴절률 도파로 조각, 및 만곡된 외부 광학 표면을 갖는 종단 캡으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 장치.
  6. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 출사 렌즈는 구배-굴절률 렌즈 및 구배-굴절률 도파로 조각으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 상기 출사 렌즈의 길이는 1/4 피치 또는 그의 홀수배가 아니며, 상기 출사 렌즈는 1/4 피치의 길이로 사용될 때 10mm보다 크지 않은 초점 길이를 만들었을 굴절률 프로파일을 구비하는 광학 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 출사 렌즈는, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 추가적으로 변화시키기 위하여, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 가변 발산각과 상기 제 1 레이저 빔 허리의 가변 직경의 소망하는 조합을 생성하도록 선택된 수차를 갖는 광학 장치.
  8. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 출사 렌즈는, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 추가적으로 변화시키기 위하여, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 가변 발산각과 상기 제 1 레이저 빔 허리의 가변 직경의 소망하는 조합을 생성하도록 선택된 수차를 가지며,
    상기 출사 렌즈는 상기 광도파로에 결합된 제 1 구배 굴절률 광학 소자 및 상기 제 1 광학 소자에 결합된 제 2 구배 굴절률 광학 소자를 포함하며,
    상기 제 1 구배 굴절률 광학 소자는 1/2 피치 또는 그의 정수배인 길이를 가지며, 상기 제 1 광학 소자의 반경 방향 구배 굴절률 프로파일은 수차를 생성하기 위하여 실질적으로 비-포물선 형태이고,
    상기 제 2 구배 굴절률 광학 소자는 1/4 피치 또는 그의 홀수배인 길이를 가지며, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 가변 발산각과 상기 제 1 레이저 빔 허리의 가변 직경의 소망하는 조합을 생성하기 위하여 상기 제 2 광학 소자의 반경 방향 구배 굴절률 프로파일은 실질적으로 포물선 형태인 광학 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부 내로 입사하는 레이저 빔을 발사하기 위한 입사 렌즈 및 상기 레이저 빔과 상기 입사 렌즈의 광축 사이에서 가변의 측방 변위를 제공하기 위한 시프터를 더 포함하는 광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 입사 렌즈와 출사 렌즈는 상기 광도파로의 제 1 및 제 2 단부에 각각 견고하게 장착되어 있는 광학 장치.
  11. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 광도파로는 계단형-굴절률 도파로이며,
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부 내로 입사하는 레이저 빔을 발사하기 위한 입사 렌즈 및 상기 레이저 빔과 상기 입사 렌즈의 광축 사이에서 가변의 측방 변위를 제공하기 위한 시프터를 더 포함하고,
    코어 내에서 비스듬한 광선들을 만들도록 코어 내에 레이저 빔을 발사하기 위하여, 상기 입사 렌즈는 상기 광도파로의 코어에 대해 측방으로 오프셋 되어 있거나; 또는 코어 내에서 비스듬한 광선들을 만들도록 코어 내에 레이저 빔을 발사하기 위하여, 상기 입사 렌즈는 구배-굴절률 렌즈 또는 구배-굴절률 광섬유 조각이고, 상기 입사 렌즈의 외부 표면이 경사져 있거나; 또는 코어 내에서 비스듬한 광선들을 만들도록 코어 내에 레이저 빔을 발사하기 위하여, 상기 레이저 빔은 가변의 측방 변위와 함께 경사를 갖는 입사 렌즈로 발사되는 광학 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사 렌즈는 상기 광도파로와 일체형인 광학 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사 렌즈와 출사 렌즈는 동일한 초점 길이를 갖는 광학 장치.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사 렌즈와 출사 렌즈는 구배-굴절률 렌즈, 구배-굴절률 도파로 조각, 및 만곡된 외부 광학 표면을 갖는 종단 캡으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 장치.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 입사 렌즈와 출사 렌즈의 외부 표면에 각각 용착된 더 제 1 및 제 2 종단 캡을 포함하는 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 종단 캡의 외부 광학 표면은 상기 광도파로의 제 1 단부 내로의 레이저 빔의 포커싱 및 상기 광도파로의 제 2 단부로부터 출사하는 레이저 빔의 콜리메이팅을 용이하게 하도록 각각 만곡되어 있는 광학 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 시프터는 레이저 빔을 측방으로 변위시키기 위하여, 상기 입사 렌즈의 상류측에 배치된, 측방으로 변위 가능한 렌즈 또는 광학 웨지(optical wedge)를 포함하는 광학 장치.
  18. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 광도파로는 계단형-굴절률 도파로이며,
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부 내로 입사하는 레이저 빔을 발사하기 위한 입사 렌즈 및 상기 레이저 빔과 상기 입사 렌즈의 광축 사이에서 가변의 측방 변위를 제공하기 위한 시프터를 더 포함하고,
    상기 시프터는 레이저 빔을 측방으로 변위시키기 위하여, 상기 입사 렌즈의 상류측에 배치된, 측방으로 변위 가능한 렌즈 또는 광학 웨지(optical wedge)를 포함하며,
    상기 광학 장치는 상기 측방으로 변위 가능한 렌즈 또는 광학 웨지를 변위 가능하게 장착하기 위한 굴곡 마운트(flexure mount)를 더 포함하는 광학 장치.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 코어는, 상기 광도파로의 제 2 단부에서 레이저 빔의 세기의 실질적으로 균일한 반경 방향 분포를 형성하고 제 1 레이저 빔 허리에서 광선 각도들의 균일한 분포를 용이하게 하기 위하여, 비원형의 단면을 갖는 광학 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 비원형 단면은 정사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 팔각형, D-모양, 물결 모양, 커스프 모양, 및 별 모양으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 장치.
  21. 제 2 항에 있어서,
    상기 클래딩은 적어도 250 마이크로미터의 직경을 갖는 광학 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 클래딩은 SiO2 클래딩을 포함하는 광학 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 상기 광도파로의 길이는 적어도 1m인 광학 장치.
  24. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 광도파로는 레이저 빔의 편광을 제어하기 위하여 편광 유지, 편파, 키랄 또는 회전된 도파로를 포함하는 광학 장치.
  25. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    상기 광도파로는 이중-클래드 도파로, 다중-클래드 도파로, 광결정 도파로, 및 미세 구조 도파로로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 장치.
  26. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트와 광학적으로 결합된 빔 발사기; 및
    상기 빔 발사기에 광학적으로 결합된 광도파로 부품체를 포함하며, 상기 광도파로 부품체는
    제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며, 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에서 연장되는 광도파로, 및
    상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하고;
    상기 빔 발사기는 상기 광도파로의 제 1 단부에서 상기 광도파로의 코어 내에 수렴각과 발사각으로 레이저 빔을 발사시키도록 구성되며, 여기서 상기 빔 발사기는 수렴각과 발사각 중에서 하나 이상을 변화시키도록 구성되고;
    동작시에, 상기 발사된 레이저 빔은 상기 광도파로의 제 1 단부로부터 제 2 단부로 그리고 상기 출사 렌즈를 통과하여 진행하여, 직경을 갖는 제 1 레이저 빔 허리를 상기 출사 렌즈의 근방에 형성하며,
    광도파로의 제 2 단부에서 국소적인 광선 각도들의 분포는 제 2 단부 근방의 도파로 축을 중심으로 실질적으로 회전 대칭이고,
    상기 빔 발사기가 수렴각 및/또는 발사각을 변화시킬 때, 상기 제 1 레이저 빔 허리의 직경이 변화됨으로써, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키고,
    레이저 빔이 발사될 때 상기 광도파로를 진동시켜 제 1 레이저 빔 허리에서의 빔 반점 구조를 줄이기 위하여, 상기 광도파로에 결합되는 진동부를 더 포함하는 광학 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 진동부는 음향 변환기, 초음파 변환기, 및 기계적인 진동자로 구성된 그룹으로부터 선택되는 광학 장치.
  28. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 광학 장치에 있어서,
    상기 광학 장치 내에 레이저 빔을 입력하기 위한 입력 포트;
    상기 입력 포트에 광학적으로 결합되며, 제 1 및 제 2 단부를 구비하는 광도파로 및 상기 제 2 단부에 결합되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 포함하는 광도파로 부품체; 및
    상기 광도파로 내부의 레이저 빔의 발산각을 변화시켜, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 허리 직경 및/또는 발산각을 변화시키고, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위하여, 상기 제 1 단부와 제 2 단부 사이의 상기 광도파로에 결합된 발산각 조절 소자;를 포함하는 광학 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 발산각 조절 소자는, 상기 광도파로에 미세 굴곡을 생성하여 상기 광도파로 내부에서 레이저 빔의 발산각을 증가시키기 위하여, 상기 광도파로에 기계적으로 결합된 기계적 가압기를 포함하는 광학 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 광도파로는:
    상기 제 1 및 제 2 단부에 각각 결합된 제 1 및 제 2 계단형-굴절률 도파로부, 및 상기 제 1 및 제 2 계단형-굴절률 도파로부 사이에 결합된 제 3 구배-굴절률 도파로부; 및
    상기 구배-굴절률 도파로부의 각각의 온도 또는 길이를 변화시켜 상기 광도파로 내부의 레이저 빔의 발산각을 변화시키기 위한 히터 또는 기계적 변형부를 포함하는 발산각 조절 소자;를 포함하는 광학 장치.
  31. 가변의 빔 파라미터 곱으로 표적에 레이저 빔을 전달하기 위한 레이저 빔 전달 시스템에 있어서,
    제 1 항에 따른 광학 장치; 및
    상기 광학 장치에 결합된 처리 헤드;를 포함하며,
    상기 처리 헤드는 상기 출사 렌즈에 결합되어 표적 상의 또는 그 근방의 제 2 레이저 빔 허리 위에 제 1 레이저 빔 허리를 결상시키기 위한 포커싱 소자를 포함하는, 레이저 빔 전달 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서,
    제 2 레이저 빔 허리와 제 1 레이저 빔 허리의 직경의 비로서 정의된 상기 포커싱 소자의 영상 배율은 초점 평면에서의 레이저 빔의 발산각의 변동에 대해 실질적으로 독립적인 레이저 빔 전달 시스템.
  33. 제 31 항에 있어서,
    제 2 레이저 빔 허리를 결상시키는 카메라;
    상기 카메라에 의해 결상된 제 2 빔 허리의 직경을 결정하기 위하여, 상기 빔 발사기와 상기 카메라에 결합된 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 표적 상의 제 2 레이저 빔 허리의 직경의 소정 값에 도달하기 위해, 상기 빔 발사기로 하여금 레이저 빔의 수렴각 및/또는 발사각을 조절하도록 구성되는 레이저 빔 전달 시스템.
  34. 제 31 항에 있어서,
    표적에 전달되는 레이저 빔의 제어 가능한 중단을 제공하기 위한 셔터 박스를 더 포함하며, 상기 광학 장치의 빔 발사기는 상기 셔터 박스 내에 배치되어 있는 레이저 빔 전달 시스템.
  35. 제 31 항에 있어서,
    레이저에 의해 방출된 레이저 빔을 상기 입력 포트에 전달하기 위하여, 상기 광학 장치의 입력 포트에 결합된 입력 광섬유를 더 포함하는 레이저 빔 전달 시스템.
  36. 제 31 항에 있어서,
    상기 광도파로 내에서 레이저 빔의 라만 산란에 의해 만들어지는 빛을 억제하기 위한 라만 필터를 더 포함하는 레이저 빔 전달 시스템.
  37. 제 1 및 제 2 단부를 구비하며, 상기 제 1 단부로부터 상기 제 2 단부로 레이저 빔을 안내하기 위한 계단형-굴절률 전달 광도파로;
    상기 전달 광 도파로의 제 1 단부로 들어가서 제 2 단부로 각각 나오는 레이저 빔을 결합시키기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 단부에 각각 용착된 제 1 및 제 2 구배-굴절률 광학 소자; 및
    상기 제 1 구배-굴절률 광학 소자로 레이저 빔을 전달하고 상기 제 2 구배-굴절률 광학 소자로부터 레이저 빔을 전달하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 구배-굴절률 광학 소자에 각각 용착된 제 1 및 제 2 종단 캡을 포함하는 레이저 빔 전달 도파로 조립체.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 계단형-굴절률 전달 광도파로 내에 비스듬한 광선들을 만들도록 레이저 빔을 발사하기 위하여, 상기 제 1 구배-굴절률 광학 소자는 상기 계단형-굴절률 전달 광도파로의 코어에 대해 측방으로 오프셋 되어 있는 레이저 빔 전달 도파로 조립체.
  39. 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 방법에 있어서,
    (a) 제 1 및 제 2 단부, 코어, 및 상기 코어를 둘러싸는 클래딩을 구비하며 상기 코어와 클래딩은 상기 제 1 및 제 2 단부 사이에 연장되는 광도파로 및 상기 제 2 단부에 견고하게 장착되어 있으며 10.0mm보다 크지 않은 초점 길이를 갖는 출사 렌즈를 제공하는 단계;
    (b) 상기 광도파로의 제 1 단부에 수렴각 및/또는 발사각으로 레이저 빔을 발사하는 단계;
    (c) 상기 광도파로에 의해 안내되는 레이저 빔의 광선 각도들이 상기 제 2 단부에서 실질적으로 회전 대칭인 분포를 형성할 수 있도록 하는 동시에, 상기 광도파로의 광축에 대한 국소적인 광선 각도들의 크기의 분포를 실질적으로 보존하기 위하여, 단계 (b)에서 발사된 레이저 빔을 상기 광도파로 내에서 제 1 단부로부터 제 2 단부로 진행시키는 단계;
    (d) 상기 출사 렌즈를 통과하도록 레이저 빔을 지향시키고, 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔 내에 제 1 레이저 빔 허리를 형성하는 단계로서, 상기 제 1 레이저 빔 허리는 단계 (c)에서 형성된 상기 광도파로의 제 2 단부에서의 광선 각도들의 회전 대칭성으로 인해 실질적으로 회전 대칭인 단계; 및
    (e) 상기 출사 렌즈로부터 출사하는 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위하여 상기 수렴각 및/또는 발사각을 변화시키는 단계를 포함하는, 레이저 빔의 빔 파라미터 곱을 변화시키기 위한 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    단계 (b)에서, 상기 출사 렌즈의 하류측에 환형 스폿을 생성하기 위하여, 발사각이 수렴각보다 큰 방법.
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