KR102780320B1 - 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료를 가공하기 위한 시스템 - Google Patents

초단 레이저 펄스를 이용해서 재료를 가공하기 위한 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초단 펄스 레이저(3)의 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료(2)를 가공하기 위한 시스템(1)에 관한 것으로, 초단 레이저 펄스를 생성하고 레이저 빔(32)을 제공하기 위한 초단 펄스 레이저(3), 레이저 빔(32)을 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)로 전달하도록 설계된 중공 코어 섬유(4) 및, 레이저 빔(32)을 중공 코어 섬유(4)의 입력부(40)로 커플링하도록 설계된 커플링 광학계(41)를 포함하고, 상기 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)는, 레이저 빔(32)을 중공 코어 섬유(4)로부터 발산 각도(α)로 아웃 커플링하도록 설계되고, 상기 중공 코어 섬유(4)로부터 아웃 커플링된 레이저 빔(32)이 발산 각도(α)로 입사하는 렌즈 장치(8), 상기 렌즈 장치(8)에서 나오는 레이저 빔(32)이 입사하는 빔 성형 소자(6) 및 포커싱 광학계(7)가 제공되며, 상기 렌즈 장치(8)는 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 빔 직경(D)을 조정하기 위해 아웃 커플링된 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)를 조정하도록 설계되고, 상기 빔 성형 소자(6)는, 포커싱 광학계(7)의 앞 또는 뒤의 레이저 빔(32)에 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)을 갖는 준 비회절 빔 형상을 부여하도록 설계되고, 상기 포커싱 광학계(7)는, 재료(2) 내로 또는 재료상으로의 초점 영역(322)의 삽입 깊이를 조정하도록 설계된다.

Description

초단 레이저 펄스를 이용해서 재료를 가공하기 위한 시스템
본 발명은 초단 펄스 레이저의 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료를 가공하기 위한 시스템에 관한 것으로, 초단 레이저 펄스를 생성하고 레이저 빔을 제공하기 위한 초단 펄스 레이저, 레이저 빔을 중공 코어 섬유의 출력부로 전달하도록 설계된 중공 코어 섬유 및, 레이저 빔을 중공 코어 섬유의 입력부로 커플링하도록 설계된 커플링 광학계를 포함한다.
레이저를 이용한 미세 가공 분야에서 최근 몇 년 동안 더 높은 평균 레이저 출력, 더 짧은 레이저 펄스 지속 시간 및 최적화된 레이저 빔 형성으로 인해 투명 재료의 절단 및 복수의 투명 또는 반투명 및 불투명 재료의 용접과 같은 새로운 응용 분야들이 개발되었다. 특히 이 경우 준 비회절 레이저 빔, 특히 베셀 빔은 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역과 그로 인한 장점들로 인해 이러한 방식의 재료 가공에 중요하다.
EP3169477호에서 재료의 가공을 위해 시준된 레이저 빔을 사용하는 것이 제안되며, 이 경우 빔 성형 소자 상에서의 시준된 레이서 빔의 직경을 조절함으로써 베셀 빔의 초점 영역의 길이가 조절된다.
지금까지 거울과 렌즈를 이용한 자유 빔 가이드를 통해 가공- 또는 빔 성형 광학계에 대한 대부분의 고정식 레이저 소스의 연결이 실현되었다. 그러나 이것은 복잡한 광학 조정뿐만 아니라 광학 소자들의 서로에 대한 위치 또는 각도의 안정화를 필요로 한다. 그러나 자유 빔 가이드의 구성 요소는 오염, 제조 부정확성, 온도 영향 및 조립 오류에 취약하며, 이는 레이저 빔의 빔 품질의 저하와 그에 따른 재료 가공의 저하로 반영된다. 또한, 레이저 빔의 위치 또는 레이저 빔의 발산 및 빔 직경의 정확한 사양 지정이 불가능하거나 어려워진다. 이로 인해 빔 성형 소자의 규정된 조사를 어렵게 만든다.
공개된 선행 기술에 기초하여, 본 발명의 과제는 재료의 가공을 위한 개선된 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징을 갖는 재료를 가공하기 위한 시스템에 의해 해결된다. 바람직학 개선예는 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면에 제시된다.
이에 따라 초단 펄스 레이저의 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료를 가공하기 위한 시스템이 제안되고, 상기 시스템은 초단 레이저 펄스를 생성하고 레이저 빔을 제공하기 위한 초단 펄스 레이저, 레이저 빔을 중공 코어 섬유의 출력부로 전달하도록 설계된 중공 코어 섬유 및, 레이저 빔을 중공 코어 섬유의 입력부로 커플링하도록 설계된 커플링 광학계를 포함하고, 상기 중공 코어 섬유의 출력부는, 레이저 빔을 중공 코어 섬유로부터 발산 각도로 아웃 커플링하도록 설계되고, 중공 코어 섬유로부터 아웃 커플링 된 레이저 빔이 발산 각도로 입사하는 렌즈 장치, 렌즈 장치에서 나오는 레이저 빔이 입사하는 빔 성형 소자 및, 포커싱 광학계가 제공되며, 상기 렌즈 장치는, 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 빔 직경을 조정하기 위해 아웃 커플링 된 레이저 빔의 발산 각도를 조정하도록 설계되고, 상기 빔 성형 소자는, 포커싱 광학계의 앞 또는 뒤의 레이저 빔에 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역을 갖는 준 비회절 빔 형상을 부여하도록 설계되고, 상기 포커싱 광학계는, 재료 내로 또는 재료상으로의 초점 영역의 삽입 깊이를 조정하도록 설계된다.
재료는 금속, 반도체, 절연체 또는 이들의 조합일 수 있다. 특히 유리, 유리 세라믹, 폴리머 또는 반도체 웨이퍼, 예를 들어 실리콘 웨이퍼일 수도 있다.
초단 펄스 레이저는 초단 레이저 펄스를 제공한다. 초단이란 이 경우, 펄스 길이가 예를 들어 500 피코초 내지 1 펨토초, 특히 100 피코초 내지 10 펨토초인 것을 의미할 수 있다. 초단 펄스 레이저는 초단 레이저 펄스의 버스트(burst)를 제공할 수도 있고, 이 경우 각각의 버스트는 다중 레이저 펄스의 방출을 포함한다. 레이저 펄스들의 시간 거리는 이 경우 10 피코초 내지 500 나노초, 특히 10 나노초 내지 80 나노초일 수 있다. 50 펨토초 내지 5 피코초의 범위 내에서 진폭의 상당한 변화를 갖는 일시적으로 형성된 펄스도 초단 레이저 펄스로 간주된다. 다음 텍스트에서는 펄스 또는 레이저 펄스라는 용어가 반복적으로 사용된다. 각 경우에 명시적으로 언급되지 않더라도, 다중 레이저 펄스 및 일시적으로 형성된 레이저 펄스를 포함하는 레이저 펄스 트레인도 이 경우에 포함된다. 이에 따라 초단 펄스 레이저로부터 방출되는 초단 레이저 펄스가 레이저 빔을 형성한다.
중공 코어 섬유는 중공 코어를 갖는 광결정 광섬유로 설계된 광섬유이다(Hollow Core Photonic Crystal Fiber - HC-PCF). 광섬유에 대한 기본 사항은 예를 들어 "Hollow-core photonic bandgap fibre: new light guidance for new science and technology"(Benabid, Fetah, Mathematical, Physical and Engineering Sciences 364.1849 (2006): 3439-3462)에 기술된다.
광섬유는 광자 밴드갭 섬유(Band Gab Fiber)로서 또는 바람직하게는 반 공진 섬유(Antiresonant Coupling Fiber)로서 형성될 수 있다. 특히 광섬유는 관형 광섬유로서 형성될 수 있다. 대안으로서 광섬유는 억제 결합 섬유(Inhibited Coupling Fiber)로서 형성될 수 있고, 특히 카고메 섬유(Kagome Fiber)로서 형성될 수 있다. 중공 코어 섬유는 특히 초단 펄스를 안내하는 데 적합하므로, 초단 펄스 응용 분야에 적합하다.
중공 코어 섬유의 사용은, 레이저 빔이 고정형 레이저로부터 빔 성형 소자로 유연하게 안내될 수 있으며, 상기 중공 코어 섬유에 의해 잘 규정된 인터페이스가 제공되고, 상기 인터페이스를 통해 발산 각도와 빔 위치가 결정될 수 있는 장점을 제공한다. 특히 중공 코어 섬유의 사용에 의해 레이저 빔의 빔 품질이 보존될 수 있다.
인 커플링 광학계는, 하나 이상의 광학 소자, 특히 렌즈 및/또는 거울을 포함할 수 있는 배열체이고, 초단 펄스 레이저에 의해 제공되는 레이저 빔을 중공 코어 섬유 내로 이미징 작업을 수행한다. 이를 위해 초단 펄스 레이저의 레이저 빔은 예를 들어 중공 코어 섬유의 입력부에 포커싱될 수 있다. 커플링 광학계는 이 경우 중공 코어 섬유의 직경의 규모만큼의 직경을 가질 수 있는 출사 동공을 가질 수 있다. 이로 인해, 레이저 빔의 레이저 에너지가 가능한 한 전체적으로 중공 코어 섬유에 커플링 되어, 중공 코어 섬유를 통해 중공 코어 섬유의 출력부까지 전달될 수 있다.
중공 코어 섬유의 출력부에서 레이저 빔은 발산 각도로 중공 코어 섬유에서 나온다. 발산 각도는 이 경우 중공 코어 섬유의 광학 특성에 의해 결정될 수 있다. 특히, 각각의 중공 코어 섬유에 대해 발산 각도는 정해져 있을 수 있다.
후속해서 레이저 빔은 중공 코어 섬유로부터 아웃 커플링 된 레이저 빔이 발산 각도로 입사하는 렌즈 배열체를 조사한다. 따라서 렌즈 장치는, 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 빔 직경을 조정하기 위해 아웃 커플링 된 레이저 빔의 발산 각도를 조정하도록 설계된다.
이를 위해, 렌즈 배열체는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 배열체는 또한 빔 성형 소자의 상응하게 형성된 표면 또는 빔 성형 소자의 표면상의 및/또는 체적 내의 회절 미세 구조를 포함할 수 있다. 렌즈 배열체는 이 경우 결과적으로, 빔 성형 소자 내로 들어갈 때 레이저 빔의 빔 직경에 영향을 미치도록 설계된다. 빔 성형 소자로 들어가는 레이저 빔의 빔 직경의 변화에 의해 궁국적으로 초점 영역의 초점 거리가 영향을 받을 수 있다.
렌즈 배열체를 이용해서 빔 직경이 조정된 레이저 빔은 빔 직경에 따라 중공 코어 섬유의 출력부에 대해 총 거리에 배치된 빔 성형 소자로 들어가고, 상기 빔 성형 소자는 빔 전파 방향으로 그리고 빔 전파 방향에 대해 수직으로 레이저 빔에 강도 분포를 부여한다. 전체 강도 특성은 빔 프로파일로 설명된다. 특히, 부여된 빔 프로파일의 형상은 조사의 유형과 방식, 예를 들어 조사 강도 또는 빔 성형 소자 상의 레이저 빔의 직경에 따라 달라지므로, 총 거리의 조절에 의해 부여된 빔 프로파일의 형상이 조절될 수 있다.
특히 빔 성형 소자에 의해 소위 비회절 빔이 생성될 수 있다. 비회절 빔은 헬름홀츠 방정식을 충족하고:
하기식의
횡방향 및 종방향 종속성으로 명확한 분리 가능성을 갖는다. 이 경우 횡방향 및 종방향 성분 k2=kz 2+kt 2 및 Ut(x,y)를 갖는 파동 벡터 k = ω/c는 횡방향 좌표 x,y에만 의존하는 임의의 복소값 함수이다. U(x,y,z)의 빔 전파 방향에서 z 종속성은 순수한 위상 변조를 야기하여, 해(solution)의 관련 강도 I는 전파 불변성 또는 비회절성이다:
이러한 해결 방법은, 예를 들어 타원-원통형 좌표계의 마티유(Mathieu) 빔 또는 원형-원통형 좌표계의 베셀 빔과 같이 상이한 좌표계에서 다양한 종류의 해를 산출한다.
실험적으로 다수의 비회절 빔이 근사적으로, 즉 준 비회절 빔이 실현될 수 있다. 이들은, 이론적 구조와 달리, 유한 출력만을 야기한다. 이러한 준 비회절 빔의 전파 불변성의 길이 L도 마찬가지로 유한하다.
레이저 빔 특성화에 관한 표준 ISO11146 1-3에 근거해서 빔 직경은 소위 2차 모멘트를 통해 결정된다. 이 경우 레이저 빔의 출력 또는 0차 모멘트는 다음과 같이 정의된다:
1차의 공간 모멘트는 강도 분포의 중심을 나타내며 다음과 같이 정의된다:
상기 방정식을 기반으로 횡방향 강도 분포의 2차 공간 모멘트가 계산될 수 있다:
레이저 빔의 이렇게 완전히 정의된 2차 공간 모멘트로 빔 직경, 또는 메인 축 내의 초점 영역의 크기가 결정될 수 있다. 메인 축은 이 경우 횡방향 빔 프로파일의 최소 및 최대 연장 방향이고, 즉, 빔 전파 방향에 수직인 강도 분포이며, 이들은 항상 서로 직교한다. 이때 레이저 빔의 초점 영역 d는 다음과 같이 구해진다:
상기 식에서 이다.
특히, 값 dx 및 dy에 의해 횡방향 초점 영역의 긴 메인 축과 짧은 메인 축이 생성된다.
따라서 가우시안 빔의 초점 영역은 빔의 2차 모멘트에 의해 결정된다. 특히, 이것으로부터 횡방향 초점 영역의 크기 dGF x,y와 초점 영역의 종방향 연장부인 레이리 길이 zR이 구해진다. 레이리 길이 zR은 로 주어진다. 이것은 초점 영역의 면적이 2배 증가한 강도 최대값 위치에서 시작하여 빔 전파 방향을 따른 거리를 나타낸다.
준 비회절 빔의 초점 영역은 빔의 2차 모멘트에 의해서도 결정된다. 특히, 초점 영역은 횡방향 초점 영역의 크기 dGF x,y와 초점 영역의 종방향 연장부, 소위 특성 길이 L로 주어진다. 준 비회절 빔의 특성 길이 L은 국부적 강도 최대값에서 시작하여, 빔 전파 방향을 따라 50%까지 강도 강하에 의해 정의된다.
, 즉 유사한 횡방향 치수에 대해, 특성 길이 L이 관련 가우스 초점의 레일리 길이를 명백하게 초과할 때, 예를 들어 L > 10zR 일 때, 정확히 준 비회절 빔이 존재한다.
준 베셀 빔 또는 여기에서 베셀 빔이라고도 하는 유사 베셀 빔이 준 비회절 빔의 하위 집합으로 공개되어 있다. 여기서 광축 근처의 횡방향 필드 분포 Ut(x,y)는 n차 1종 베셀 함수를 근사적으로 따른다. 빔의 이러한 종류의 다른 하위 집합은 간단한 생성으로 인해 널리 사용되는 베셀-가우스 빔이다. 따라서 시준된 가우스 빔을 사용하여 굴절, 회절 또는 반사 설계의 액시콘의 조사는 베셀-가우스 빔을 형성할 수 있다. 광학 축 근처의 관련 횡방향 필드 분포는 가우스 분포로 둘러싸인 0차 1종 베셀 함수를 근사적으로 따른다.
이에 따라 재료의 가공을 위해 준 비회절 빔, 특히 베셀 빔을 사용하는 것은, 큰 초점 위치 공차가 달성될 수 있기 때문에 바람직할 수 있다.
재료를 가공하기 위한 일반적인 베셀-가우스 빔은 예를 들어 dND x,y=2.5 ㎛ 크기의 횡방향 초점 영역을 갖는 반면, 특성 길이는 50 ㎛일 수 있다. 그러나 dND x,y=2.5 ㎛크기의 횡방향 초점 영역을 갖는 가우시안 빔의 경우에 공기 중 레일리 길이는 λ=1 ㎛에서 에 불과하다. 따라서 재료 가공과 관련된 이러한 경우에는 L > 10zR이 적용될 수 있다.
준 비회절 빔의 횡방향 초점 영역은 특히 비 방사 대칭일 수 있다.
비 방사 대칭이란 이 경우 예를 들어, 횡방향 초점 영역이 한 방향으로 연장되는 것을 의미한다. 그러나 비 방사 대칭 초점 영역은, 초점 영역이 예를 들어 십자형이거나, 또는 삼각형이거나, 또는 예를 들어 오각형과 같은 N각형인 것을 의미할 수도 있다. 비 방사 대칭 초점 영역은 또한 다른 회전 대칭 및 거울 대칭 빔 단면을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전파 방향에 대해 수직인 타원형 초점 영역이 존재할 수 있으며, 이 경우 타원은 장축 dx와 단축 dy를 갖는다. 따라서 타원형 초점 영역은, dx/dy 비율이 1보다 클 때, 특히 dx/dy = 1.5일 때, 존재한다. 실제 빔의 타원형 초점 영역은 이상적인 수학적 타원에 해당할 수 있다. 그러나 준 비회절 빔의 실제 초점 영역은 긴 메인 축과 짧은 메인 축 b의 전술한 비율만을 가질 수도 있지만, 다른 윤곽 - 예를 들어 근사 수학적 타원, 덤벨 형상 또는 수학적으로 이상적인 타원으로 둘러싸인 다른 대칭 또는 비대칭 윤곽 - 을 가질 수도 있다.
특히 준 비회절 빔에 의해 타원형 준 비회절 빔이 생성될 수 있다. 타원형 준 비회절 빔은 이 경우 빔 강도 분석에서 비롯된 특수한 특성을 갖는다. 예를 들어, 타원형 준 비회절 빔은 빔의 중심과 일치하는 주 최대값을 갖는다. 빔의 중심은 메인 축이 교차하는 위치에 의해 주어진다. 특히, 타원형 준 비회절 빔은 다수의 강도 최대값의 중첩으로부터 얻어질 수 있으며, 이러한 경우에 관련된 강도 최대값의 포락선만이 타원형이다. 특히 개별 강도 최대값은 타원형 강도 프로파일을 갖지 않아도 된다.
헬름홀츠 방정식의 해에서 얻어진 주 최대값에 가장 가까운 2차 최대값은 이 경우 17% 이상의 상대 강도를 갖는다. 따라서 주 최대값에서 전달된 레이저 에너지에 따라, 2차 최대값에서도 재료 가공이 가능하도록 충분한 레이저 에너지가 유도된다. 또한, 가장 가까운 2차 최대값은 항상, 긴 메인 축에 대해 수직이거나 짧은 메인 축에 대해 평행한 직선에 위치하고 주 최대값을 통과한다.
타원형 준 비회절 빔은 이 경우 긴 메인 축을 따라 소실되지 않는 강도, 특히 간섭 대비 lmax-lmin/(lmax+lmin) < 0.9를 가질 수 있으므로, 빔이 긴 메인 축을 따라 모든 곳에 레이저 에너지를 전달한다. Imax는 이 경우 긴 메인 축을 따른 최대 빔 강도인 한편, Imin은 최소 빔 강도이다. Imin = 0이면, 긴 메인 축을 따라 완전한 간섭이 발생하고 간섭 대비가 1이 된다. Imin > 0이면, 긴 메인 축을 따라 간섭이 부분적으로만 발생하거나 전혀 발생하지 않으므로, 간섭 대비는 < 1 이다.
예를 들어, 긴 메인 축을 따른 간섭 대비가 0.9 보다 작으면, 긴 메인 축을 따라 완전한 간섭이 아닌, 부분적인 간섭만이 발생하고, 이 간섭은 강도 최소값 Imin의 위치에서 레이저 강도가 완전히 소멸되지 않는다. 이는 예를 들어, 준 비회절 빔이 쿼츠 각도 변위기(Quartz Angle Displacer) 또는 쿼츠 빔 변위기(Quartz Beam Displacer) 또는 이들의 조합과 같은 복굴절 소자로 생성되는 경우이다.
그러나 타원형 준 비회절 빔은 긴 메인 축을 따라 소실되는 강도를 갖고 1의 간섭 대비를 가질 수도 있으므로, 빔이 긴 메인 축을 따라 모든 곳에 레이저 에너지를 전달하지 않는다. 이는 예를 들어, 준 비회절 빔이 수정된 액시콘으로 생성되는 경우이다.
포커싱 광학계는 대물렌즈일 수 있거나 또는 렌즈 및/또는 거울의 배열체일 수 있으며, 이 경우 포커싱 광학계는 준 비회절 빔을 재료 내로 또는 재료상으로 포커싱하거나, 즉 초점, 예를 들어 초점 평면에 이미징한다. 이는, 포커싱 광학계를 통과하는 레이저 빔의 초점이 재료 표면 위에 놓이거나, 재료 표면에 정확히 놓이거나, 재료의 체적 내에 있는 것을 의미할 수 있다.
특히, "초점"이라는 용어는 일반적으로 목표한 강도 상승으로서 이해될 수 있고, 이 경우 레이저 에너지는 "초점 영역"으로 수렴한다. 따라서 특히 이하 "초점"이라는 용어는 실제로 사용되는 빔 형상과 강도를 높이는 데 사용되는 방법과 무관하게 사용된다. "포커싱"은 빔 전파 방향을 따른 강도 상승의 위치에도 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 강도 상승은 선 형상으로 형성될 수 있으며, 그 결과 비회절 빔에 의해 제공될 수 있는 바와 같이 초점 위치 주변에 베셀 형의 초점 영역이 생길 수 있다.
따라서 레이저 빔은 포커싱 광학계에 의해 전파 방향을 따라 포커싱될 수 있다. 포커싱 중에 레이저 빔의 강도는 레이저 초점 위치를 향해 최대화된다. 레이저 초점 위치의 앞 또는 뒤의 빔 전파 방향으로 레이저 빔의 강도는 따라서 레이저 초점 자체의 위치에서보다 낮다.
수학적으로 이상적인 경우에 포커싱 광학계의 초점 평면은 빔 전파 방향에 대해 수직인 평면이고, 상기 평면은 바람직하게 가공할 재료의 표면에 대해 평행하고, 상기 평면에서 재료의 가공이 이루어진다. 그러나 실제 구현에서는 빔 경로 내의 광학 소자로 인해 초점 평면에 약간의 곡률과 왜곡이 발생하여, 초점 평면은 일반적으로 적어도 국부적으로 만곡된다. 또한 레이저 빔의 초점은 재료가 가공될 수 있는 유한 체적을 갖는다. 따라서 포커싱 광학계에 의해 초점 평면 대신 재료 가공이 이루어질 수 있는 접근 가능한 초점 체적이 생성된다. 이는, 초점 또는 초점 평면에서 항상 고려된다.
빔 전파 방향을 따라 레이저 초점의 위치를 이동시키거나 포거싱에 의해, 가공할 재료의 표면에 대해 레이저 빔의 삽입 깊이가 결정될 수 있으며, 이 경우 삽입 깊이는 재료의 표면과 초점 위치 사이의 거리에 의해 주어진다.
빔 성형 소자는 포커싱 광학계 앞 및/또는 뒤에서 레이저 빔에 준 비회절 빔 형상을 부여할 수 있다. 빔 성형 소자가 포커싱 광학계 앞의 레이저 빔에 준 비회절 빔 형상을 부여하는 경우, 초점 영역에 의해 재료 내로 초점 영역의 삽입 깊이가 결정될 수 있다. 그러나 빔 성형 소자는, 비회절 빔 형상을 생성하지 않고, 준 비회절 빔 형상이 포커싱 광학계를 사용한 이미징에 의해서만 생성되도록 설계될 수도 있다.
레이저 빔은 재료에 의해 적어도 부분적으로 흡수되어, 재료가 예를 들어 열적으로 가열되거나 일시적인 플라즈마 상태로 전환되어 증발됨으로써 가공된다. 특히, 선형 흡수 공정 외에도, 높은 레이저 에너지를 사용하여 접근하기 쉬운 비선형 흡수 공정도 이용할 수 있다.
재료 가공은 예를 들어 재료의 미세 구조화일 수 있다. 미세 구조화란, 1차원, 2차원 또는 3차원 구조 또는 패턴 또는 재료 변형이 재료에 도입되는 것을 의미할 수 있으며, 구조의 크기는 일반적으로 마이크로미터 범위이거나, 구조의 분해능은 사용된 레이저 광의 파장의 크기 정도이다. 특히 이러한 재료 가공은 레이저 드릴링 또는 레이저 절단 또는 레이저 연마로서 공개된 공정도 포함한다.
재료의 가공은 정해진 분리선을 따른 재료의 분리도 의미할 수 있다.
재료의 가공은 재료 개질의 도입도 포함할 수 있다. 재료 개질은 열 평형 상태에서 재료의 영구적인 재료 변화를 의미하며, 이는 직접 레이저 조사에서 비롯된다.
재료 개질은 이 경우 재료의 구조, 특히 결정 구조 및/또는 비정질 구조 및/또는 기계적 구조의 변형일 수 있다. 예를 들어 비정질 유리 재료에 도입된 재료 개질은, 유리 재료가 이러한 영역에서만 국소 가열에 의해 변경된 네트워크 구조를 갖는 것에 있을 수 있다. 재료 개질은 특히 국부적인 밀도 변화일 수 있으며, 이는 선택된 재료에 따라 달라질 수 있다.
재료의 가공은 재료의 용접일 수도 있다. 이 경우 결합 파트너들은 서로 상하로 배치되고, 레이저 빔은 결과적으로 생기는 경계면에 포커싱된다. 초점 영역에서 결합 파트너 중 하나 또는 2개의 용융으로 인해 용융물이 결합 파트너 사이의 경계면을 연결하고 냉각 후에 두 결합 파트너 사이에 영구적인 결합이 형성될 수 있다.
재료 가공의 강도는 특히 포커싱 광학계에 의한 초점 영역의 위치에 따라 의존한다. 예를 들어 초점 영역은 가공할 재료의 전체 체적 내에 있거나, 표면 위에 배치될 수 있다. 첫 번째 경우에는 체적에서 가공이 이루어질 수 있는 한편, 두 번째 경우에는 표면의 가공이 이루어질 수 있다.
빔 성형 소자의 입력부의 조사 및 따라서 길게 연장된 초점 영역의 길이를 조절하기 위해, 빔 성형 소자에 대한 중공 코어 섬유의 출력부의 총 거리는 조절 가능할 수 있다.
특히, 부여된 빔 프로파일의 형상은 조사의 유형과 방식, 예를 들어 빔 성형 소자의 레이저 빔의 직경에 따라 달라진다. 따라서 총 거리를 조절함으로써 빔 성형 소자 상의 레이저 빔의 직경과 따라서 부여된 빔 프로파일의 형상이 조절될 수 있다.
빔 성형 소자는 액시콘 또는 회절 광학 소자일 수 있으며, 빔 전파 방향으로 길게 연장된 레이저 초점 영역의 길이는 빔 성형 소자의 입력부 상에서의 레이저 빔의 직경에 의해 결정된다.
액시콘은 원추형으로 연마된 광학 소자이고, 통과 시 가우시안 레이저 빔에 준 비회절 빔 프로파일을 부여할 수 있다. 특히 액시콘은 빔 유입 표면으로부터 원뿔형의 측면 표면까지 계산된 원뿔 각도 α를 갖는다.
회절 소자는 또한, 미리 결정된 형상으로 레이저 빔의 공간적으로 부채꼴 확산을 가능하게 한다.
레이저 빔은 전술한 바와 같이 발산 각도로 중공 코어 섬유의 출력부를 빠져나가므로, 레이저 빔의 직경은 발산 각도에 따라 빔 전파 방향으로 커지거나 작아진다. 특히, 각각의 총 거리에 따라 레이저 빔은 정해진 빔 직경을 갖는다.
레이저 빔이 빔 성형 소자의 빔 유입 표면을 통과하여 빔 성형 소자 내에 도달함으로써, 굴절 및/또는 회절 및/또는 반사를 통해 레이저 빔으로부터 길게 연장된 초점 영역을 갖는 준 비회절 빔이 형성될 수 있다.
예를 들어, 총 거리에 의해 정의된 빔 직경을 갖는 레이저 빔은 액시콘의 빔 유입 표면에 수직으로 입사할 수 있으며, 이 경우 액시콘은 제 1 굴절률 n1을 갖는다. 레이저 빔이 평평한 빔 유입 표면에 수직으로 입사하기 때문에, 거의 모든 에너지가 액시콘으로 전달된다. 특히 레이저 빔은 수직 입사로 인해 굴절되지 않는다.
후속해서 레이저 빔은 액시콘의 원추형 표면을 통과하여 액시콘의 매질로부터 주변 매질로 침투하고, 상기 매질은 제 2 굴절률 n2를 갖고, 상기 제 2 굴절률은 공기의 경우 n2 = 이다. 원뿔 각도로 인해 액시콘에서 레이저 빔은 액시콘의 (내부) 경계면에 소정의 각도로 입사하여, 레이저 빔은 광축을 향해 굴절된다. 가장자리에서 멀리 떨어진 빔은, 이것이 광학 축과 교차할 때까지, 가장자리에서 멀리 떨어진 빔보다 먼 전파 거리를 필요로 한다. 그 결과 레이저 빔은, 액시콘 뒤의 레이저 빔이 길게 연장된 초점 영역을 갖도록 변형된다. 길게 연장된 초점 영역의 길이는 이 경우 입사하는 레이저 빔의 직경, 액시콘의 굴절률 및 원뿔 각도에 따라 달라진다. 이는 대략 스넬의 굴절 법칙의 결과이다.
빔 성형 소자는 추가로 렌즈 장치의 적어도 일부를 형성할 수 있으며, 빔 성형 소자를 통과할 때 아웃 커플링 된 레이저 빔의 발산 각도에 영향을 미치기 위해, 다른 광학 이미징 특성을 가질 수 있고, 예를 들어 빔 전파 방향에 대해 배향된 적어도 부분적으로 구형으로 형성된 측면을 가질 수 있다.
빔 성형 소자가 부분적으로 구형으로 형성된 측면을 가짐으로써, 빔 성형 소자는 렌즈와 유사한 효과를 가질 수 있다. 렌즈와 유사한 효과는 부분적으로 구형으로 형성된 측면의 곡률 반경에 의해 영향을 받을 수 있다. 렌즈와 유사한 효과란 이 경우, 레이저 빔이 번들링 또는 산란될 수 있음을 의미한다. 이로 인해, 중공 코어 섬유의 출력부와 빔 성형 소자 사이의 빔 경로 내의 추가 광학 소자를 방지할 수 있다.
빔 성형 소자의 부분적으로 구형으로 형성된 측면이 빔 전파 방향에 대해 배향됨으로써, 빔 형성을 주로 수행하는 빔 성형 소자의 측면은 빔 전파 방향과 반대로 배향된다. 결과적으로 레이저 빔은 레이저 빔이 형성되기 전에 먼저 번들링, 분산 또는 시준된다. 따라서 이로 인해 영향을 받는 레이저 빔 직경은 길게 연장된 초점 영역의 길이에 영향을 미칠 수 있다.
빔 성형 소자는 광학 이미징 특성을 형성하기 위해 대안으로서 또는 추가로 표면상의, 예를 들어 빔 전파 방향에 대해 배향된 빔 성형 소자의 측면에 상의 회절 미세 구조, 및/또는 빔 성형 소자의 체적 내의 회절 미세 구조를 가질 수 있다. 회절 미세 구조에 의해 예를 들어 빔 성형 소자의 구형으로 형성된 측면과 관련하여 전술한 효과가 달성될 수 있다.
그러나 광학 이미징 특성은, 빔 성형 소자가 위상 마스크의 기능도 가지고 있는 것일 수도 있다. 예를 들어, 회절 광학 소자는 레이저 빔의 빔 형성과 시준을 동시에 그리고 조합하여 수행할 수 있다. 그러나 액시콘의 후면이 프레넬 렌즈(fresnel lens)와 결합되고, 이러한 렌즈가 액시콘에 기록되거나 에칭되는 것도 가능하다.
그러나 한 측에 구조화가 있는 비구면 또는 자유 형상 표면이 광학 이미징 특성을 갖는 빔 성형 소자로 사용되거나, 비구면 또는 자유 형상 표면이 빔 성형 소자와 결합되어 광학 이미징 특성을 갖는 빔 성형 소자를 형성하는 것도 가능하다.
렌즈 장치는, 아웃 커플링된 레이저 빔의 발산 각도를 조절하도록 설계될 수 있으며, 이 경우 렌즈 장치는 중공 코어 섬유의 출력부와 빔 성형 소자의 입력부 사이에 제 1 거리에 배치되고, 렌즈 장치는 제 1 렌즈를 포함하고, 상기 제 1 렌즈는 제 1 초점 거리를 갖고, 제 1 렌즈는 중공 코어 섬유의 출력부에 대해 제 1 거리에 위치 설정되며, 상기 제 1 거리는 정해져 있거나 조절될 수 있다.
렌즈의 초점 거리는 이 경우 평행하게 입사하는 레이저 빔이 포커싱되는 광학 축 상의 길이이다.
렌즈 장치의 제 1 렌즈와 빔 성형 소자 사이의 거리는 총 거리와 제 1 거리의 차이이다. 이 경우 제 1 렌즈는 빔 전파 방향으로 중공 코어 섬유의 출력부에 대해 제 1 거리에 위치 설정되어, 제 1 렌즈는 중공 코어 섬유로부터 레이저 빔을 수집, 산란 또는 시준한다. 특히, 제 1 거리에 의해, 중공 코어 섬유로부터 레이저 빔의 발산 각도를 증가 또는 감소시킬지 여부를 설정할 수 있다. 그러나 제 1 거리가 정해져 있어서, 제 1 거리의 크기가 조절될 수 없는 것도 가능하다.
이는, 렌즈 장치를 통해 렌즈 장치 이후의 레이저 빔의 발산 각도가 조절될 수 있고, 따라서 제 1 렌즈와 빔 성형 소자의 입력부 사이의 거리와 발산 각도에 의해 빔 성형 소자 상의 레이저 빔의 직경이 조절될 수 있는 장점을 제공한다.
제 1 렌즈는 산란 렌즈일 수 있다.
이로 인해, 중공 코어 섬유의 입력부로부터의 레이저 빔의 발산 각도가 증가하는 것이 달성될 수 있다.
결과적으로 특히, 레이저 빔이 더 짧은 전파 후에 이미 소정의 빔 직경을 갖는 것이 달성된다. 이로써 특히 광학 시스템의 전체 크기가 감소할 수 있다.
이로 인해, 레이저 빔의 특성을 후속 렌즈 장치의 광학적 특성에 최적으로 맞출 수 있는 것이 달성될 수 있다.
빔 방향으로 제 1 렌즈 뒤에 빔 스플리터 광학계가 배치될 수 있으며, 상기 빔 스플리터 광학계는, 레이저 빔의 일부를 빔 방향으로부터 편향시키도록 설계된다.
빔 스플리터 광학계는 예를 들어 빔 스플리터 큐브 또는 빔 스플리터 플레이트일 수 있으며, 레이저 빔이 빔 스플리터 광학계를 통과할 때 레이저 빔은 적어도 2개의 부분 레이저 빔으로 분할된다. 2개의 부분 빔은 빔 스플리터 광학계의 분할 비율에 따라, 동일한 강도를 같거나 상이한 강도를 가질 수 있다. 특히 빔 스플리터 광학계는, 레이저 빔의 일부만이 빔 방향으로부터 편향되는 한편, 다른 부분은 원래 빔 방향을 따라 계속 전파되도록 배치될 수 있다.
레이저 빔의 편향된 빔 부분은 적어도 하나의 다른 빔 성형 소자 및 적어도 하나의 다른 가공 광학계에 접근이 가능해질 수 있다.
이로 인해, 초단 펄스 레이저가 제공하는 레이저 빔이 분할될 수 있으므로 부분 레이저 빔에 의해 재료의 다양한 위치에서 가공이 가능해질 수 있다. 대안으로서 다른 재료 또는 공작물이 동시에 가공될 수도 있다.
렌즈 장치는 추가로 제 2 렌즈를 포함할 수 있고, 제 2 렌즈는 빔 방향으로 제 1 렌즈 뒤에 제 1 렌즈에 대해 제 2 거리에 위치 설정될 수 있으며, 상기 제 2 거리는 정해져 있거나 조절될 수 있다.
제 2 거리는 특히 제 1 렌즈의 위치에 대해 측정되어, 빔 성형 소자에 대한 제 2 렌즈의 거리가 총 거리 및 제 1 거리와 제 2 거리의 합의 차이로 주어진다.
제 1 렌즈와 제 2 렌즈를 포함하는 렌즈 장치에 의해 특히 망원경처럼 작용하는 광학 배열체를 형성할 수 있다. 특히 이로 인해 광학 이미지의 확대 및 축소가 가능하다. 그 결과, 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경이 정밀하게 조절될 수 있다. 또한, 렌즈 장치의 2개의 렌즈에 의해 레이저 빔의 발산 각도의 더 정확한 조정이 가능하다.
바람직한 실시예에서 제 1 거리는 정해져 있을 수 있고, 상기 제 1 거리는 제 1 초점 거리와 동일하고 이로 인해 제 1 렌즈에 의해 레이저 빔이 시준되고, 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경을 조절하기 위해, 제 1 렌즈는 다른 제 1 초점 거리를 갖는 다른 제 1 렌즈로 교체될 수 있고, 상기 다른 제 1 렌즈는 중공 코어 섬유의 출력부 앞에 다른 제 1 거리에 배치되고, 상기 다른 제 1 거리는 상기 다른 제 1 초점 거리와 동일하고 이로 인해 상기 추가 제 1 렌즈에 의해 레이저 빔이 시준된다.
이는, 제 1 렌즈와 추가 제 1 렌즈가 각각 제 1 거리 및 다른 제 1 거리에서 레이저 빔을 시준하여, 총 거리 후에 빔 성형 소자 상에서 규정된 빔 직경이 달성된다는 장점을 제공한다. 제 1 거리들은 각각 정해져 있어 조절될 수 없음으로써, 렌즈의 위치를 변경할 수 있는 망원경 또는 조정 가능한 대물렌즈와 같은 조정 측면에서 중요한 소자들은 필요하지 않다.
제 1 렌즈는 중공 코어 섬유의 출력부 뒤에 다양한 거리에 배치되고 중공 코어 섬유의 발산 각도는 일정하게 유지됨으로써, 레이저 빔이 제 1 렌즈에 입사하는 빔 직경은 달라진다. 그러나 중공 코어 섬유에 대한 제 1 렌즈의 거리는 각각 제 1 초점 거리와 동일하므로, 두 경우 모두에서 레이저 빔이 시준되고, 빔 성형 소자 상에서의 시준된 레이저 빔의 직경은 제 1 렌즈 상에서의 레이저 빔의 직경과 동일하다.
다른 바람직한 실시예에서 제 1 거리는 조절 가능할 수 있으며, 상기 제 1 거리를 조절함으로써 중공 코어 섬유로부터의 레이저 빔의 발산 각도가 조절되고, 상기 제 2 거리는 조절 가능할 수 있으며, 제 2 렌즈의 초점이 조절된 발산 각도를 갖는 레이저 빔이 시작되는 것으로 보이는 지점과 일치하도록 조절되고, 상기 제 2 렌즈는, 발산 레이저 빔을 시준하도록 설계되고, 제 1 거리와 제 2 거리를 조절함으로써 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경이 조절될 수 있다.
특히, 중공 코어 섬유의 출력부로부터의 발산 레이저 빔은 제 1 거리 이후에 제 1 렌즈에 충돌하고, 그 결과 레이저 빔의 발산이 상응하게 변경된다. 제 2 렌즈는, 제 2 렌즈용 레이저 빔이 시작되는 지점에 제 2 렌즈의 초점이 놓이도록 거리를 두고 설치된다. 제 2 렌즈의 거리는 따라서 제 1 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 발산 각도에 따라 조정된다. 초점 영역의 길이를 변경하려면 제 1 렌즈의 제 1 거리와 제 2 렌즈의 제 2 거리가 모두 변경된다.
이로 인해 빔 성형 소자 상에서의 빔 직경의 간단한 조절이 달성될 수 있다.
예를 들어, 중공 코어 섬유로부터 발산 또는 개구수(Numerical Aperture; NA)는 0.02일 수 있다. 제 1 렌즈는 -200mm의 초점 거리 f1를 갖고, 중공 코어 섬유의 출력부에 대해 33.7mm의 거리에 배치될 수 있다. 제 2 렌즈는 150mm의 초점 거리 F2를 가질 수 있고, 제 1 렌즈에 대해 -121.2mm의 거리에 위치 설정될 수 있다. 이로써 제 2 렌즈 뒤에서 대략 7.5mm의 시준된 빔 직경이 생성된다. 제 1 거리가 118.3mm로 변경되고, 제 2 거리가 75.5mm로 변경되면, 10.2mm의 빔 직경을 갖는 시준된 부분 빔도 생성된다.
2개의 렌즈 중 하나만 이동되면, 발산 또는 수렴 레이저 빔이 생성된다. 따라서 제 1 거리가 증가하면, 빔 직경이 커진다.
이 경우 발산을 증가시키기 위해 제 1 렌즈 앞에 위치 설정된 추가 렌즈에 의해 중공 코어 섬유의 발산이 위치 설정됨으로써, 더욱 컴팩트한 디자인이 추가로 실현될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서 총 거리는 조절 가능할 수 있으며, 총 거리를 조절함으로써 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경이 조절될 수 있다.
예를 들어 빔 성형 소자는 이를 위해 광학 이미징 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 빔 성형 소자는 액시콘일 수 있으며, 액시콘을 통과할 때 아웃 커플링된 레이저 빔의 발산 각도에 영향을 미치기 위해, 빔 전파 방향에 대해 배향된 적어도 부분적으로 구형으로 형성된 측면을 가질 수 있다. 그러나 빔 성형 소자는 회절 광학 소자일 수도 있으며, 이 경우 회절 광학 소자에 렌즈 효과가 기록되어, 렌즈 효과와 빔 성형 효과를 모두 가질 수 있다.
예를 들어, 액시콘의 구의 후면의 반경은 75mm일 수 있다. 이로 인해 빔 직경이 약 6.5mm인 시준된 레이저 빔이 생성될 수 있으며, 빔 성형 소자에 대한 중공 코어 섬유의 출력부의 거리는 반경의 두 배이므로 150mm이다. 액시콘이 이동되면 레이저 빔이 더 이상 시준되지 않고 발산되므로, 빔 성형 소자에 의해 초점 영역의 길이가 변경된다. 예를 들어, 중공 코어 섬유와 액시콘 사이의 거리가 짧아지면, 초점 영역이 짧아진다. 반대로, 중공 코어 섬유와 액시콘 사이의 거리가 길어지면, 초점 영역이 길어진다.
다른 바람직한 실시예에서, 제 1 거리는 정해져 있을 수 있고, 총 거리는 조절될 수 있으며, 총 거리를 조절함으로써 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경이 조절될 수 있다.
예를 들어, 예를 들어 NA = 0.02를 갖는 중공 코어 섬유의 출력부로부터의 발산 빔이 제 1 렌즈에 입사할 수 있다. 이 렌즈는 중공 코어 섬유의 출력부에 대해 정해진 제 1 거리를 갖는다. 초점 영역의 길이를 조정하기 위해 빔 성형 소자와 중공 코어 섬유의 출력부 사이의 총 거리가 변경된다.
예를 들어, 제 1 거리는 41mm일 수 있고, 제 1 초점 거리는 56mm일 수 있다. 총 거리는 241mm일 수 있으므로, 제 1 렌즈와 빔 성형 소자 사이의 거리는 200mm이다. 빔 성형 소자 상에서의 빔 직경은 이러한 경우에 대략 4mm이다. 빔 성형 소자와 제 1 렌즈 사이의 거리가 400mm가 되도록 총 거리가 441mm로 증가하면, 빔 직경은 약 6.3mm로 증가한다.
시준되지 않은 빔으로 인한 초점 영역의 영향은 포커싱 광학계를 빔 전파 방향을 따라 또는 반대 방향으로 이동시킴으로써 보상될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에서 제 1 거리는 조절 가능할 수 있고, 총 거리는 정해져 있을 수 있으며, 이 경우 제 1 거리를 조절함으로써 빔 성형 소자 상에서의 레이저 빔의 직경이 조절된다.
이로 인해 특히 의도한 발산 부분 빔이 생성될 수 있다.
NA = 0.02인 광섬유의 가능한 개구수(Numerical Aperture)에서부터 예를 들어 제 1 렌즈가 이동될 수 있다. 제 1 렌즈의 제 1 거리는 예를 들어 56mm일 수 있으며, 제 1 초점 거리도 56mm일 수 있다. 빔 성형 소자에 대한 중공 코어 섬유의 출력부의 거리, 즉 총 거리는 256mm일 수 있으므로, 빔 성형 소자 상에서의 빔 직경은 2.38mm가 된다. 제 1 거리가 46mm로 변경되면, 빔 성형 소자 상에서의 빔 직경이 3.54mm로 증가한다. 특히 이로 인해, 중공 코어 섬유의 출력부에 대한 제 1 렌즈의 제 1 거리가 감소하면, 빔 성형 소자 상에서의 빔 직경이 증가하고, 따라서 초점 영역의 길이도 증가한다는 것이 명확해진다.
시준된 빔으로 인한 초점 영역에 미치는 영향은 포커싱 광학계를 빔 전파 방향을 따라 또는 반대로 이동시킴으로써 보상될 수 있다.
렌즈 배열체의 전술한 모든 상이한 실시예에서, 최대 2개의 렌즈로 렌즈 배열체를 구성하는 것이 특히 바람직하며, 이러한 렌즈 중 하나는 빔 성형 소자에, 예를 들어 빔 전파 방향에 대해 배향되고 구형으로 형성된 측면의 형태 또는 빔 성형 소자의 표면상의, 예를 들어 빔 전파 방향에 대해 배향된 측면 상의 회절 미세 구조의 형태, 및/또는 빔 성형 소자의 체적 내의 회절 미세 구조의 형태로 이미 통합될 수도 있다. 이러한 방식으로 렌즈 배열체를 구성함으로써, 초점 영역의 길이가 조절될 수 있는 재료 가공을 위한 간단하게 조정 가능한 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예는 이하의 도면 설명에 의해 상세하게 설명된다.
도 1은 제 1 실시예의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 액시콘의 개략도 및 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역의 생성을 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 제 1 실시예에 따른 상이한 빔 직경의 생성을 도시한 개략도.
도 4는 제 2 실시예의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 제 2 실시예에 따른 상이한 빔 직경의 생성을 도시한 개략도.
도 6은 제 3 실시예의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 7은 부분적으로 구형 후면을 갖는 액시콘의 개략도.
도 8은 제 4 실시예의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 9는 제 5 실시예의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 10a, 도 10b, 도 10c 및 도 10d는 준 비회절 빔의 개략도.
이하에서는 바람직한 실시예들이 도면에 기초하여 설명된다. 이 경우 동일하거나 유사하거나 동일하게 작용하는 요소들에는 다양한 도면에서 동일한 참조 부호가 제공되며, 중복을 피하기 위해 이러한 요소의 반복적인 설명은 부분적으로 생략된다.
다음 도면에서는 빔 성형 소자(6)로서 액시콘만이 도시되지만, 이는 다른 빔 성형 소자, 특히 액시콘, 회절 광학 소자, 일반적인 액시콘 또는 반사형 액시콘을 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 초단 펄스 레이저(3)의 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료(2)를 가공하기 위한 시스템(1)의 제 1 실시예가 개략적으로 도시된다.
따라서 시스템(1)은 초단 레이저 펄스(30)로부터 레이저 빔(32)을 제공하는 초단 펄스 레이저(3)를 포함한다. 레이저 빔(32)은 커플링 광학계(41)를 통해 중공 코어 섬유(4)의 입력부(40)에 커플링된다. 중공 코어 섬유(4)는 이 경우 커플링 된 레이저 빔을 거의 손실 없이 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)로 전달할 수 있다. 이로 인해 특히, 고정식 초단 펄스 레이저(3)에서 레이저 빔(32)의 생성이 시스템(1)의 후술되는 실제 광학 소자(6, 7, 8, 9)와 공간적으로 분리된 상태에서 이루어지는 것을 가능하게 한다.
중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에서 레이저 빔(32)은 발산 각도(α)로 중공 코어 섬유(4)로부터 아웃 커플링된다. 렌즈 장치(8)의 제 1 렌즈(81)는 레이저 빔(32)을 스캔하여 렌즈(81)의 광학적 특성에 따라 레이저 빔을 재형성한다. 이는 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)가 제 1 렌즈(81)에 의해 조정되는 것, 예를 들어 감소하는 것을 의미할 수 있다.
레이저 빔(32)은 빔 스플리터 광학계(9)에 입사하고, 이 경우 레이저 빔(32)은 제 1 부분 레이저 빔(32)과 제 2 부분 레이저 빔(32')으로 분할된다. 제 1 부분 레이저 빔(32)은 빔 성형 소자(6)로 전달되고, 상기 빔 성형 소자(6)는, 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(320)을 갖는 준 비회절 빔 형상을 레이저 빔(32)에 부여하도록 설계된다. 준 비회절 레이저 빔(320)은 이어서 포커싱 광학계(7)를 통해 전달되고, 상기 포커싱 광학계(7)는 렌즈들의 배열체로 구성될 수 있으며, 특히 이러한 방식으로 레이저 초점의 길이를 조절한다. 이로 인해, 특히 레이저 빔(32)의 초점 영역(322)의 삽입 깊이가 결정될 수 있다.
포커싱 광학계(7)는 특히 비회절 빔을 이미지화하는 망원경일 수 있으며, 이로 인해 길게 연장된 초점 영역(322)의 빔 전파 방향으로 길이 및 횡방향 직경이 조절될 수 있다. 공작물 내에서 또는 공작물 상에서 빔 전파 방향으로 비회절 빔의 위치는 일반적으로 포커싱 광학계(7) 및 빔 성형 소자(6)를 이동시킴으로써 조절되며, 이 경우 레이저 빔(32)은 바람직하게는 시준된다.
재료(2)는 레이저 빔(32)에 의해 제공되는 에너지를 적어도 부분적으로 흡수한다. 선형 흡수 또는 비선형 흡수 메커니즘에 의해 이 경우 재료(2)가 가열되거나 광기계적으로 제거될 수 있어서, 재료 가공이 수행된다. 이 경우 재료의 가공 영역의 형상은 특히 준 비회절 레이저 빔(320)의 초점 영역(322)의 형상에 해당한다.
도 1의 본 실시예에서 렌즈 장치(8)는 빔 방향으로 중공 코어 섬유의 출력부(42) 뒤에 가변 거리(x1)에 배치된 제 1 렌즈(81)만을 포함한다. 제 1 렌즈(81)는 이 경우 제 1 초점 거리(f1)를 갖는다. 제 1 렌즈(81)와 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 사이의 제 1 거리(x1)의 크기에 따라, 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)가 조절될 수 있다. 특히, 제 1 렌즈(81)는 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 뒤에 제 1 초점 거리(f1)의 거리에 배치될 수 있어서, 제 1 렌즈(81)는 레이저 빔(32)을 시준한다. 이는, 레이저 빔(32)이 시준되자마자, 레이저 빔(32)의 에지 빔들이 서로 평행하게 진행되어, 레이저 빔(32)이 제 1 렌즈(81)로부터 빔 성형 소자(6)로 계속해서 전파 시 일정한 직경(D)을 갖는 것을 의미한다.
빔 성형 소자(6)의 직경(D)은 빔 성형 소자(6) 뒤의 레이저 빔(320)의, 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)의 크기를 결정한다. 따라서, 특히 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)을 변경함으로써 빔 성형 소자(6) 뒤의 레이저 빔(320)의, 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)의 크기에 영향을 미칠 수 있다.
특히, 이 제 1 실시예에서 레이저 빔(32)은 빔 스플리터(9)에서 전술한 빔 성형 소자(6)로 유도되는 제 1 부분 레이저 빔(32)과 추가 빔 성형 소자(6') 및 추가 포커싱 광학계(7')로 전달되는 제 2 부분 레이저 빔(32')으로 분할될 수 있다.
도 2에, 빔 성형 소자(6)에서의 빔 직경(D)이 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)의 길이(L)를 결정하는 방법이 개략적으로 도시된다. 액시콘(62)은 빔 성형 소자(6)로서 매우 개략적으로 도시된다. 액시콘(62)은 원추형으로 구성된 광학 소자이고, 상기 광학 소자는 본 실시예에서 빔 전파 방향과 반대 방향이거나 레이저 빔(32)을 향하는 평평한 후면(622)을 갖는다. 액시콘(62)은 또한 원뿔형 측면(620)을 가지며, 이 경우 원뿔은 액시콘(62)의 평평한 후면과 각도(β)를 형성한다. 평행한 레이저 빔(32)은 액시콘(62)의 평평한 후면에 수직 입사 시 중단되지 않고 액시콘의 재료를 통해 계속해서 안내된다. 그러나 레이저 빔(32)은 최종적으로 액시콘(62)의 원추형으로 형성된 측면에 부딪혀서, 레이저 빔(32)은 액시콘(62)의 표면 법선과 각도(β)를 형성한다. 따라서, 액시콘(62)으로부터 주변 매질로 레이저 빔(32)의 전환 시 스넬의 굴절 법칙(Snell's law)에 따라 레이저 빔(32)이 굴절된다. 예를 들어, 광학적으로 밀도가 높은 매질, 즉 액시콘(62)으로부터 예를 들어 공기로 레이저 빔(32)의 전환이 실행되기 때문에, 레이저 빔(32)은 광축을 향해 굴절된다. 액시콘(62)은 회전 대칭으로 구성되므로, 결과적으로 액시콘(62)의 전체 직경에 걸쳐 광학 축(624)을 향해 레이저 빔의 굴절이 이루어진다. 또한, 기본적인 삼각법을 고려함에 따라, 액시콘(62)에 의해 인위적인 강도 상승이 발생하는 영역의 길이(L)는 입사 레이저 빔(320)의 직경(D) 및 굴절 각도(γ)에 의해 주어진다.
도 3a 및 도 3b에, 도 1의 제 1 실시예에 의해 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔의 직경이 조절될 수 있는 방법이 예시적으로 도시된다.
도 3a에서 제 1 렌즈(81)는 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에 대해 거리(x1)에 배치된다. 제 1 거리(x1)는 이 경우 제 1 렌즈(81)의 제 1 초점 거리(f1)에 해당한다. 이로 인해 중공 코어 섬유(4)로부터 시작되는 발산 레이저 빔(32)이 평행한 레이저 빔(32)으로 변형된다. 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)은 이 경우 중공 코어 섬유(4)로부터의 레이저 빔의 발산 각도(α)와 제 1 렌즈(81)의 초점 거리(f1)로부터 얻어진다.
도 3b에서 제 1 렌즈(81)는 다른 제 1 렌즈(81')로 대체된다. 다른 제 1 렌즈(81')는 다른 초점 거리(f1')를 갖는다. 중공 코어 섬유(4)의 발산 레이저 빔(32)으로 평행 레이저 빔(32)을 형성하기 위해, 다른 제 1 렌즈(81')는 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 뒤에 다른 제 1 거리(x1')에 배치되어야 한다. 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 뒤에서 레이저 빔의 발산은 렌즈의 초점 거리와 무관하기 때문에, 상이한 거리(x1, x1')로 인해 제 1 렌즈(81')에는 레이저 빔(32)의 다른 직경(D')이 형성된다. 레이저 빔(32)은 제 1 렌즈(81')를 통과한 후 평행하게 진행하기 때문에, 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D')은 제 1 렌즈(81') 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D')과 일치한다.
빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D, D')을 변경함으로써, 길게 연장된 초점 영역(322)의 길이(L)가 변경될 수 있다.
도 4에 시스템(1)의 제 2 실시예가 도시된다. 이 경우 빔 전파 방향으로 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 뒤에 렌즈 장치(8)가 배치되며, 상기 렌즈 장치는 2개의 렌즈(81, 82)를 포함한다. 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에 대해 제 1 거리 (x1)에 배치된 제 1 렌즈(81)의 거리와 제 1 렌즈(81)에 대해 제 2 거리(x2)에 배치된 제 2 렌즈(82)의 거리는 모두 변경될 수 있다.
제 1 렌즈(81)는 이 경우에 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에서 나오는 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)를 조정하는 역할을 한다. 특히, 제 1 렌즈(81) 이후의 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)는, 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에 대한 제 1 거리(x1)가 조정됨으로써, 변경될 수 있다. 제 2 렌즈(82)는 이 경우에 제 1 렌즈(81)에 대해 거리(x2)에 배치되어, 제 2 렌즈(82)의 초점이 제 2 렌즈(82)에서 볼 때 레이저 빔(32)이 시작되는 것으로 보이는 지점과 일치한다. 이로 인해 특히 제 1 렌즈(81)의 위치에 대해 제 2 렌즈(82) 이후의 레이저 빔(32)의 시준이 달성된다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c에는 제 2 실시예의 상이한 시나리오가 도시된다.
도 5a에서, 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)로부터 레이저 빔(32)이 거리(x1) 이후에 렌즈 장치(8)의 제 1 렌즈(81)에 입사하며, 상기 제 1 렌즈(81)는 산란 렌즈이다. 산란 렌즈는 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)를 증가시킨다. 그 결과 더 짧은 거리(x2) 이후에 렌즈 장치(8)의 제 2 렌즈(82) 상에서의 레이저 빔의 더 큰 직경(D)이 얻어진다. 이로 인해 특히, 레이저 빔(32)은 더 짧은 총 거리 (xG) 이후에 이미 시준되어, 시스템의 광학적 전체 길이가 전체적으로 감소하는 것이 가능하다(도시되지 않음). 제 2 렌즈(82)는 이 경우 제 1 렌즈(81)에 대해 거리(x2)에 배치되며, 상기 거리(x2)는 초점 거리(F2)와 같지 않다. 특히 거리(x2)는, 렌즈(82)의 초점이 제 2 렌즈(82)에서 볼 때 레이저 빔(32)이 발생하는 것처럼 보이는 지점과 일치하도록 선택된다. 이 지점은 특히 산란 렌즈(81)와 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 사이에 위치할 수 있다.
도 5b에는 렌즈 장치(8)의 2개의 렌즈(81, 82)가 일반적으로 레이저 빔의 발산 각도(α)를 감소시키는 수집 렌즈인 예에서 제 2 실시예가 도시된다. 특히, 제 1 렌즈(81)는 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에 대해 거리(x1)에 배치되고, 이 경우 제 2 렌즈(82)는 제 1 렌즈(81)에 대해 거리(x2)에 배치된다. 제 1 렌즈(81)는 이 경우 레이저 빔(32)을 시준하지 않는다. 레이저 빔(32)의 시준은 제 2 렌즈(82)를 통해서만 이루어진다. 이로 인해 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)을 정밀하게 조절할 수 있다.
도 5c에는, 렌즈 장치(8)의 제 1 렌즈(81)가 도 5b보다 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 뒤에 더 작은 거리(x1')에 배치된 상황이 도시된다. 거리 x1 및 x1'는 상이하기 때문에, 제 1 렌즈(81, 81')에서 생성된 빔 직경(D, D')은 상이하다. 제 2 렌즈(82, 82')는 그에 따라 레이저 빔(32)을 시준한다. 따라서 제 1 및 제 2 렌즈(81, 82)의 상이한 조사에 의해 도 5b 및 도 5c의 빔 성형 소자(6) 상에서의 상이한 빔 직경(D, D')이 생성된다.
도 6에 빔 성형 소자(6)가 다른 광학 이미징 특성을 갖는 제 3 실시예가 도시된다. 특히, 이 실시예에는 적어도 부분적으로 구형 후면(622)을 갖는 액시콘(62)이 도시되어 있다. 즉, 빔 성형 소자(6)는 또한 구형 후면(622) 형태의 렌즈 장치(8)를 갖는다.
이 실시예에서 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)와 빔 성형 소자(6) 사이의 총 거리(xG)는, 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 빔 직경(D)을 조절하기 위해 변경될 수 있다. 빔 직경(D)은 이 경우 특히 중공 코어 섬유(4)의 발산 각도(α)와 총 거리(xG)에 의해 직접적으로 주어진다. 액시콘의 부분적으로 구형으로 형성된 후면(622)은 예를 들어, 레이저 빔(32)을 적어도 부분적으로 시준하거나, 적절한 경로를 향하게 하여, 후속 포커싱 광학계(7)가 레이저 빔(320)을 상응하게 재료(2) 내로 도입할 수 있는 역할을 한다.
도 7에는 도 6의 실시예에서와 같이 부분적으로 구형 후면(622)을 갖는 액시콘(62)의 개략적인 세부도가 도시된다. 레이저 빔(32)은 액시콘(62)의 구형 후면(622)에 발산 각도(α)로 입사한다. 구형 후면(622)은 액시콘(62)의 광학 축(624)에 길게 연장된 초점 영역(322)이 생성되도록, 적절한 거리(xG)에서 액시콘의 매질에서 레이저 빔(32)의 시준을 가능하게 한다.
액시콘(62)이 거리(x1)에 배치되지 않아서, 액시콘(62)에서 빔이 평행하지 않은 경우, 레이저 빔(320)의 발산은 적절한 포커싱 광학계(7)로 보상될 수 있다.
액시콘(62)은 광학 이미징 특성을 형성하기 위해 대안으로서 또는 추가로 표면상에, 예를 들어 액시콘(62)의 빔 전파 방향에 대해 배향된 후면(622)에 여기에 도시되지 않은 회절 미세 구조, 및/또는 액시콘(62)의 체적 내의 여기에 도시되지 않은 회절 미세 구조를 가질 수 있다. 회절 미세 구조에 의해 예를 들어 액시콘(62)의 구형으로 형성된 후면(622)과 관련하여 전술한 효과가 달성될 수 있으며, 회절 미세 구조는 구형 후면 대신에, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 평평한 후면(622)에 제공될 수 있다.
도 8에, 제 1 렌즈(82)의 제 1 거리(x1)는 정해져 있고 빔 성형 소자(6)와 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 사이의 총 거리(xG)가 조절될 수 있는 제 4 실시예가 도시된다.
레이저 빔(32)은 발산 각도(α)로 제 1 렌즈(81)에 입사한다. 제 1 렌즈(81)는 이 경우 예를 들어, 레이저 빔(32)을 적어도 부분적으로 시준하는 수집 렌즈일 수 있다. 즉, 예를 들어, 각 구성에 대해 발산 각도(α)가 너무 큰 경우, 발산 레이저 빔(32)의 말하자면 "예비 시준" 수행될 수 있다. 제 1 렌즈(81)와 빔 성형 소자(6) 사이의 거리에 의해, 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)이 변경될 수 있고, 따라서 초점 영역의 길이(L)가 변경될 수 있다.
도 9에 렌즈 장치(8)가 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)에 대해 조절 가능한 거리(x1)에 배치된 제 1 렌즈(81)만을 포함하는 제 5 실시예가 도시된다. 이 실시예에서 빔 성형 소자(6)와 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 사이의 총 거리(xG)는 정해져 있다. 따라서 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)은, 빔 성형 소자(6)와 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42) 사이에서 제 1 렌즈(81)를 이동시킴으로써 조절될 수 있다. 이로써 빔 성형 소자(6) 상에서의 레이저 빔(32)의 직경(D)을 조정할 수 있다. 빔 성형 소자(6) 이후에 빔(32)의 잔여 발산은 초점 광학장치(7)의 적절한 배치에 의해 보상될 수 있다.
도시된 모든 실시예에서 빔 경로 내의 다른 광학 소자들, 예를 들어 필터, 다이어프램, 빔 스플리터, 웨지 플레이트(wedge plate), 복굴절 렌즈는 액시콘 다음에 배치될 수 있다. 또한 도면에 도시된 후속하는 망원경의 제 1 렌즈도 액시콘에 통합될 수 있다.
도 10a에 준 비회절 레이저 빔(320)의 강도 프로파일이 도시된다. 특히, 준 비회절 빔(320)은 베셀-가우스 빔이다. x-y 평면의 횡방향 초점 영역에서 베셀-가우스 빔은 방사 대칭을 나타내므로, 레이저 빔의 강도는 광학 축에 대한 거리에만 의존한다.
도 10b에는 빔 전파 방향을 따른 종방향 초점 영역이 도시된다. 초점 영역(322)은 빔 전파 방향으로 길게 연장되고 대략 약 3mm의 크기이다. 따라서 초점 영역(322)은 전파 방향으로 x-y 평면의 횡방향 초점 영역보다 훨씬 크다.
도 10c에는 도 10a와 유사하게, 횡방향 초점 영역이 방사 대칭이 아닌 준 비회절 빔이 도시된다. 특히, 횡방향 초점 영역은 거의 타원형으로, y 방향으로 연장되므로, 여기에 횡방향 초점 영역의 긴 메인 축과 짧은 메인 축이 있으며, 도시된 예에서 긴 메인 축은 약 3㎛의 연장부를 갖는다.
도 10d에 준 비회절 빔의 종방향 초점 영역을 통과하는 x-z 평면의 단면이 도시된다. z축을 따른 초점 영역의 연장부는 약 3mm이다. 따라서 준 비회절 빔도 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)을 갖는다.
적용 가능한 한, 실시예에 도시된 모든 개별 특징은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 결합 및/또는 교환될 수 있다.
1 시스템
2 재료
3 레이저
30 레이저 펄스
32 레이저 빔
320 비회절 빔
322 길게 연장된 초점 영역
4 중공 코어 섬유
40 중공 코어 섬유의 입력부
41 커플링 광학계
42 중공 코어 섬유의 출력부
6 빔 성형 소자
62 액시콘
620 측면
622 후면
624 광학 축
7 포커싱 광학계
8 렌즈 장치
81 제 1 렌즈
82 제 2 렌즈
83 다른 렌즈
9 빔 스플리터 광학계
α 발산 각도
x1 제 1 거리
x2 제 2 거리
xG 총 거리
L 초점 영역의 길이
D 레이저 빔의 직경
d 초점 영역의 직경
f1 제 1 초점 거리
f2 제 2 초점 거리

Claims (15)

  1. 초단 펄스 레이저(3)의 초단 레이저 펄스를 이용해서 재료(2)를 가공하기 위한 시스템(1)으로서,
    초단 레이저 펄스를 생성하고 레이저 빔(32)을 제공하기 위한 초단 펄스 레이저(3),
    상기 레이저 빔(32)을 중공 코어 섬유(4)의 출력부(42)로 전달하도록 설계된 중공 코어 섬유(4), 및
    상기 레이저 빔(32)을 상기 중공 코어 섬유(4)의 입력부(40)로 커플링하도록 설계된 커플링 광학계(41)를 포함하고,
    상기 중공 코어 섬유(4)의 상기 출력부(42)는, 상기 레이저 빔(32)을 상기 중공 코어 섬유(4)로부터 발산 각도(α)로 아웃 커플링하도록 설계되고,
    상기 중공 코어 섬유(4)로부터 아웃 커플링된 상기 레이저 빔(32)이 발산 각도(α)로 입사하는 렌즈 장치(8), 상기 렌즈 장치(8)에서 나오는 상기 레이저 빔(32)이 입사하는 빔 성형 소자(6) 및 포커싱 광학계(7)가 제공되고,
    상기 렌즈 장치(8)는, 상기 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 빔 직경(D)을 조정하기 위해 아웃 커플링된 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)를 조정하도록 설계되고,
    상기 빔 성형 소자(6)는, 상기 포커싱 광학계(7)의 앞 또는 뒤의 레이저 빔(32)에 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)을 갖는 준 비회절 빔 형상을 부여하도록 설계되고,
    상기 포커싱 광학계(7)는, 상기 재료(2) 내로 또는 상으로의 상기 초점 영역(322)의 삽입 깊이를 조정하도록 설계되는 것인 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자(6)의 입력부의 조사, 및 따라서 빔 전파 방향으로 길게 연장된 초점 영역(322)의 길이(L)를 조절하기 위해, 상기 빔 성형 소자(6)에 대한 상기 중공 코어 섬유(4)의 상기 출력부(42)의 총 거리(xG)는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 레이저 펄스의 지속 시간이 0.01ps 내지 10Ops인 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자(6)는 액시콘(62) 또는 회절 광학 소자이고, 빔 전파 방향으로 길게 연장된 상기 레이저 초점 영역(322)의 길이(L)는 상기 빔 성형 소자(6)의 입력부 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 빔 성형 소자(6)는 추가로 상기 렌즈 장치(8)의 적어도 일부를 형성하고, 상기 빔 형성 소자(6)를 통과할 때 상기 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)에 영향을 미치기 위해, 적어도 부분적으로 구형으로 형성되고 빔 전파 방향으로 배향된 측면(622), 빔 전파 방향에 대해 배향된 측면(622) 상의 회절 미세 구조, 및 상기 빔 성형 소자(6)의 체적 내의 회절 미세 구조 중, 적어도 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 렌즈 장치(8)는, 아웃 커플링된 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)를 조절하도록 설계되고, 상기 렌즈 장치(8)는 상기 중공 코어 섬유(4)의 상기 출력부(42)와 상기 빔 성형 소자(6)의 입력부 사이에 제 1 거리(x1)에 배치되고, 상기 렌즈 장치(8)는 제 1 렌즈(81)를 포함하고, 상기 제 1 렌즈(81)는 제 1 초점 거리(f1)를 갖고, 상기 제 1 렌즈(81)는 상기 중공 코어 섬유(4)의 상기 출력부(42)에 대해 제 1 거리(x1)에 위치 설정되며, 상기 제 1 거리(x1)는 정해져 있거나 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈(81)는 산란 렌즈인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서, 빔 방향으로 상기 제 1 렌즈(81) 뒤에 빔 스플리터 광학계(9)가 배치되고, 상기 빔 스플리터 광학계는, 레이저 빔(32')의 일부를 빔 방향으로부터 편향시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 레이저 빔(32)의 편향된 빔 부분(32')은 다른 빔 성형 소자(6') 및 다른 포커싱 광학계(7')에 접근이 가능해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 렌즈 장치(8)는 추가로 제 2 렌즈(82)를 포함하고, 상기 제 2 렌즈(82)는 빔 방향으로 상기 제 1 렌즈(81) 뒤에 상기 제 1 렌즈(81)에 대해 제 2 거리(x2)에 위치 설정되고, 상기 제 2 거리(x2)는 정해져 있거나 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 거리(x1)는 정해져 있고, 상기 제 1 거리(x1)는 제 1 초점 거리(f1)와 동일하고 이로 인해 상기 제 1 렌즈(81)에 의해 상기 레이저 빔(32)이 시준되고, 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)을 조절하기 위해, 상기 제 1 렌즈(81)는 다른 제 1 초점 거리(f1')를 갖는 다른 제 1 렌즈(81')로 교체되고, 상기 다른 제 1 렌즈(81')는 상기 중공 코어 섬유(4)의 상기 출력부(42) 앞에 다른 제 1 거리(x1')에 배치되고, 상기 다른 제 1 거리(x1')는 상기 다른 제 1 초점 거리(f1')와 동일하고 이로 인해 상기 다른 제 1 렌즈(81')에 의해 상기 레이저 빔(32)이 시준되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 거리(x1)는 조절 가능하고, 상기 제 1 거리(x1)를 조절함으로써 상기 중공 코어 섬유(4)로부터의 상기 레이저 빔(32)의 발산 각도(α)가 조절되고, 상기 제 2 거리(x2)는 조절 가능하고, 상기 제 2 거리는 상기 제 2 렌즈(82)의 초점이 조절된 발산 각도(α)를 갖는 레이저 빔(32)이 시작되는 것으로 보이는 지점과 일치하도록 조절되고, 상기 제 2 렌즈(82)는, 발산 레이저 빔(32)을 시준하도록 설계되고, 상기 제 1 거리(x1) 및 상기 제 2 거리(x2)를 조절함으로써 상기 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)이 조절되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 총 거리(xG)는 조절 가능하고, 상기 총 거리(xG)를 조절함으로써 상기 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)이 조절되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 거리(x1)는 정해져 있고, 상기 총 거리(xG)는 조절 가능하며, 상기 총 거리(xG)를 조절함으로써 상기 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)이 조절되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 거리(x1)는 조절 가능하고, 상기 총 거리(xG)는 정해져 있고, 상기 제 1 거리(x1)를 조절함으로써 상기 빔 성형 소자(6) 상에서의 상기 레이저 빔(32)의 직경(D)이 조절되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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