재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법(APPARATUS AND METHOD FOR LASER PROCESSING A MATERIAL)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2015년01월12일
(11) 등록번호 10-1480932
(24) 등록일자 2015년01월05일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01S 3/094 (2006.01) H01S 3/102 (2006.01)
H01S 3/23 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2010-7002219
(22) 출원일자(국제) 2008년07월09일
심사청구일자 2013년06월27일
(85) 번역문제출일자 2010년01월29일
(65) 공개번호 10-2010-0041803
(43) 공개일자 2010년04월22일
(86) 국제출원번호 PCT/GB2008/002357
(87) 국제공개번호 WO 2009/007721
국제공개일자 2009년01월15일
(30) 우선권주장
0713265.7 2007년07월09일 영국(GB)
(56) 선행기술조사문헌
JP11261487 A*
US05930030 A*
US06275250 B1*
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
에스피아이 레이저스 유케이 리미티드
영국 사우샘프턴 헤지 엔드 톨바 웨이 웰링톤 파
크 3 (우: 에스오30 2큐유)
(72) 발명자
애플야드 앤드류 폴
영국 햄프셔 에스오16 3제이비 사우샘프턴 체츠윈
로드 16에이
워커 던컨 존 윌리암
영국 서리 케이티12 4디에이 월튼 온 템즈 세븐
힐즈 클로즈 필드페어
닐 로랜드
영국 런던 에스이8 5제이디 서리 키즈 로우어 로
드 262비
(74) 대리인
김성기, 김태홍
전체 청구항 수 : 총 19 항 심사관 : 조성찬
(54) 발명의 명칭 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법
(57) 요 약
광 방사선(7)을 갖는 재료(8)를 레이저 프로세싱하기 위한 장치로서, 이 장치는 시드 펌프(2)에 의해 펌핑되는
시드 레이저(1), 증폭 펌프(4)에 의해 펌핑되는 증폭기(3), 제어기(5) 및 스캐너(6)를 포함하고, 여기서 시드 레
이저(1)에 의해 방사되는 광학 펄스(10)가 증폭기(3)를 통해 전달되고, 스캐너(6)에 의해 재료(8)에 조사되도록
제어기(5)는 시드 펌프(2), 증폭 펌프(4) 및 스캐너(6)를 동시에 제어하며, 이 장치는 제어기(5)가 증폭 펌프
(4)를 제어하여, 광 방사선(7)이 제1 전력 범위에 있는 경우 증폭기(3)는 광 감쇠기 역할을 하고, 출력 전력이
제2 전력 범위에 있는 경우 증폭기(3)는 광 증폭기 역할을 하도록 하는 것을 특징으로 한다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1480932
- 1 -
특허청구의 범위
청구항 1
광 방사선(optical radiation)을 이용하여 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치에 있어서,
시드 펌프에 의해 펌핑되는 시드 레이저, 증폭 펌프에 의해 펌핑되는 증폭기, 제어기 및 스캐너를 포함하고,
상기 시드 레이저에 의해 방사되는 광학 펄스들이 상기 증폭기를 통해 전달(propagate)되고 상기 스캐너에 의해
상기 재료에 향하도록, 상기 제어기는 상기 시드 펌프, 상기 증폭 펌프 및 상기 스캐너를 동시에 제어하고,
상기 제어기는 상기 증폭 펌프를 제어하여, 상기 광 방사선이 제1 광 출력 전력 범위에 있는 경우 상기 증폭기
가 광 감쇠기로서 역할하고, 상기 광 방사선이 제2 광 출력 전력 범위에 있는 경우 상기 증폭기가 광 증폭기 역
할을 하도록 함으로써, 상기 펄스의 모양을 보호하고 출력 펄스들의 손실을 막으면서 상기 증폭기의 동적 범위
를 확대시키는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 2
제1항에 있어서, 상기 스캐너는 기계 장치인 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 3
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스캐너는 갈바노미터(galvanometer)와 리플렉터(reflector)를 포함하는 것인,
재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 4
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 컴퓨터 제어기인 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 5
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 전력 범위에 있는 경우 상기 증폭 펌프에 대한 전기 구동
전력을 끄기 위한 스위치를 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 6
제1항에 있어서, 상기 시드 레이저는 클래딩 펌프 광섬유 레이저(cladding-pumped fibre laser)를 포함하는 것
인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 7
제6항에 있어서, 상기 클래딩 펌프 광섬유 레이저는 희토류 도펀트(rare earth dopant)를 포함하는 것인, 재료
를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 8
제7항에 있어서, 상기 희토류 도펀트는 이테르븀(ytterbium)을 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장
치.
청구항 9
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 시드 레이저는 에르븀(erbium), 튤륨(thulium), 홀뮴(holmium) 또는 네오디뮴
(neodymium)을 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 10
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 증폭기는 클래딩 펌프 광섬유 증폭기(cladding-pumped fibre amplifier)를
포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
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청구항 11
제10항에 있어서, 상기 클래딩 펌프 광섬유 증폭기는 희토류 도펀트를 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱
하는 장치.
청구항 12
제11항에 있어서, 상기 희토류 도펀트는 이테르븀을 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 13
제11항에 있어서, 상기 시드 레이저는 에르븀, 튤륨, 홀뮴 또는 네오디뮴을 포함하는 것인, 재료를 레이저 프로
세싱하는 장치.
청구항 14
제6항에 있어서, 적어도 하나의 부가적인 증폭기 스테이지를 포함하는, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 15
제6항에 있어서, 상기 장치는 흡수체(absorber)를 포함하는, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 16
제6항에 있어서, 상기 장치는 포화 흡수체(saturable absorber)를 포함하는, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 17
제16항에 있어서, 상기 포화 흡수체는 지연을 유발시키고, 상기 장치는 상기 지연을 보상하기 위해 가변 지연을
포함하는 것인, 재료를 레이저 프로세싱하는 장치.
청구항 18
재료를 표시(marking)하기 위한 방법에 있어서,
제1항 또는 제2항에 따른 장치를 제공하는 단계; 및
상기 재료에 레이저 방사선을 인가하는 단계를 포함하는 재료 표시 방법.
청구항 19
제18항에 있어서, 상기 재료는 인쇄 롤인 것인, 재료 표시 방법.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.[0001]
배 경 기 술
일관된 펄스 모양 및 펄스 타이밍과 함께 매우 넓은 동적 범위(dynamic range)를 요구하는 펄스형 레이저[0002]
(pulsed laser)에 대한 많은 애플리케이션들이 있다. 좋은 예로 인쇄 기계의 프로세싱 롤을 들 수 있다. 이것은
인쇄 롤(print roll)을 표시하는데 사용되는 높은 평균 전력을 갖는 레이저를 요구한다. 펄스에서 전력은 요구
되는 인쇄 해상도를 달성하기 위해서 정확하게 변화될 필요가 있다. 동적 범위가 클수록, 하나의 특정한 레이저
에 의해 서비스될 수 있는 인쇄 휠(print wheel)의 범위가 더욱 넓어진다. 일관된 타이밍 및 예측할 수 있는 펄
스 모양을 제공하는데 실패하면, 인쇄 품질이 저하된다.
종래의 해결책은 출력 전력을 감쇠하기 위해 외부 변조기를 이용하는 (이산화탄소 레이저 또는 광섬유 레이저와[0003]
같은) 연속파 레이저(continuous wave laser)의 사용을 포함한다. 통상, 변조기는 음향광학 변조기(acousto-
optic modulation)로서, 음향광학에 따라 레이저 빔을 게이팅하고 감쇠한다.
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유감스럽게도, 종래 기술의 펄스형 레이저에서 펄스 전력이 변화되기 때문에, 펄스 모양은 손상되고, 펄스는 또[0004]
한 지연된다. 대안으로, 긴 펄스형 광섬유 레이저(long pulsed fibre laser)가 사용되었다. 그러나, 이 긴 펄스
는 동적 범위에 대해 제한을 가하므로, 인쇄 해상도(인치 당 라인수로 명시됨) 및 인쇄물의 단위 영역 당 전사
되는 잉크의 양에 한계를 갖는다. 인쇄 품질을 저하시키고, 여러 가지 해상도로 표시하기 위해 다수의 레이저를
필요로 하는 결과를 가져온다. 이러한 애플리케이션을 위해 사용되는 종래 기술의 레이저는 통상적으로 20dB 미
만의 동적 범위를 갖고, 100W와 500W 사이의 출력 전력을 갖는다. 이것은 동적 범위를 적어도 30dB 정도 증가시
키는 이점이 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명의 목적은 앞서 언급한 문제를 줄이는 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이[0005]
다.
과제의 해결 수단
본 발명의 비제한적 실시예에 따르면, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치가 제공되는데, 이 장치는 시드 펌[0006]
프에 의해 펌핑되는 시드 레이저, 증폭 펌프에 의해 펌핑되는 증폭기, 제어기 및 스캐너를 포함하고, 시드 레이
저에 의해 방사되는 광학 펄스가 증폭기를 통해 전달되고, 스캐너에 의해 재료에 조사되도록, 이 제어기는 시드
펌프, 증폭 펌프 및 스캐너를 동시에 제어하며, 이 장치는 제어기가 증폭 펌프를 제어하여, 광 방사선이 제1 전
력 범위에 있는 경우 증폭기는 광 감쇠기 역할을 하고, 출력 전력이 제2 전력 범위에 있는 경우 증폭기는 광 증
폭기 역할을 하도록 하는 것을 특징으로 한다.
유용하게도, 본 발명은 동적 범위를 개선 시킬 수 있다. 이것은 "마이크로" 재료 프로세싱의 제조 환경과 애플[0007]
리케이션에서 중요한 이점으로, 여기서 레이저는 수용할 수 있는 생산성을 갖는 "거칠게" 형성된 항목을 재단하
기 위해서 정격 동작 범위(평균 전력, 첨두 전력, 펄스 에너지)의 상단에서 사용되지만, 또한 매우 낮은 평균
전력 / 낮은 첨두 전력 / 매우 낮은 펄스 에너지가 처리 요건인 정격 범위의 하단에서 "미세하게" 형성된 항목
을 동일하게 처리할 수도 있다. 본 발명은 통상 2차수 크기(20dB) 미만을 갖는 본 발명에 따라 구성되거나 동작
하지 않는 레이저 및 마스터 발진기 전력 증폭기와 비교해서 적어도 3차수 크기(30dB)의 동적 범위를 제공할 수
있다.
인쇄 롤을 표시하기 위해서, 스캐너는 레이저 빔에 대해서 인쇄 롤을 스캔하는 기계 장치인 것이 바람직하다.[0008]
대안으로, 또는 부가적으로, 스캐너는 갈바노미터(galvanometer)와 리플렉터(reflector)를 포함할 수 있다. 인
쇄 롤에 있어서, 이것은 세라믹 인쇄 롤, 아닐록스 인쇄 롤(anilox printing roll), 잉크 전사 롤(ink-
transfer roll), 오목판 인쇄 롤(engraved printing roll), 또는 롤에 부착된 오목판 시트와 같은 인쇄 애플리
케이션을 위한 롤을 의미한다.
제어기는 컴퓨터 제어기일 수 있다. 제어기는 제1 전력 범위에 있는 경우 증폭 펌프에 대한 전기 구동 전력을[0009]
끄기 위한 (중계기 또는 트랜지스터와 같은) 스위치를 포함할 수 있다.
시드 레이저는 클래딩 펌프 광섬유 레이저(cladding-pumped fibre laser)를 포함할 수 있다. 이 클래딩 펌프 광[0010]
섬유 레이저는 희토류 도펀트(rare earth dopant)를 포함할 수 있다. 이 희토류 도펀트는 이테르븀(ytterbium)
일 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 시드 레이저는 에르븀(erbium), 튤륨(thulium), 홀뮴(holmium) 또는 네
오디뮴(neodymium)을 포함할 수 있다.
증폭기는 클래딩 펌프 광섬유 증폭기(cladding-pumped fibre amplifier)를 포함할 수 있다. 이 클래딩 펌프 광[0011]
섬유 증폭기는 희토류 도펀트를 포함할 수 있다. 이 희토류 도펀트는 이테르븀일 수 있다. 대안으로 또는 부가
적으로, 시드 레이저는 에르븀, 튤륨, 홀뮴 또는 네오디뮴을 포함할 수 있다.
이 장치는 적어도 하나의 부가적인 증폭 단계를 포함할 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 이 장치는 흡수체[0012]
(absorber) 또는 포화 흡수체(saturable absorber)를 포함할 수 있다. 이 포화 흡수체는 지연을 일으킬 수
있다. 이 장치는 이러한 지연을 보상하기 위해 가변 지연을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 재료를 표시하기 위한 방법을 포함하고, 이 방법은 본 발명에 따른 장치를 제공하는 단계, 재료[0013]
에 레이저 방사선을 적용하는 단계를 포함한다. 이 재료는 인쇄 롤일 수 있다.
등록특허 10-1480932
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발명의 효과
본 발명에 따르면, 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치 및 방법을 제공하여 펄스 모양의 손상을 줄이고, 또[0014]
한 펄스가 지연되는 것을 줄이는 것이 가능하다.
도면의 간단한 설명
이제, 본 발명의 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여 단지 예로써 기술될 것이다.[0015]
도 1은 본 발명에 따라 재료를 레이저 프로세싱하기 위한 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명이 아닌 장치에 따른 펄스 모양을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따라 획득된 펄스의 예들을 도시한다.
도 4는 손실 펄스의 예들을 도시한다.
도 5는 잡음 펄스의 예들을 도시한다.
도 6은 본 발명에 의해 제공되는 동적 범위의 증가의 예들을 도시한다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
도 1은 광 방사선(7)을 이용하여 재료(8)를 레이저 프로세싱하기 위한 장치를 도시하고, 이 장치는 시드 펌프[0016]
(2)에 의해 펌핑되는 시드 레이저(1), 증폭 펌프(4)에 의해 펌핑되는 증폭기(3), 제어기(5) 및 스캐너(6)를 포
함하고, 여기서 시드 레이저(1)에 의해 방사되는 광학 펄스(10)가 증폭기(3)를 통해 전달되고, 스캐너(6)에 의
해 재료(8)에 조사되도록 제어기(5)는 시드 펌프(2), 증폭 펌프(4) 및 스캐너(6)를 동시에 제어하며, 이 장치는
제어기(5)가 증폭 펌프(4)를 제어하여, 광 방사선(7)이 제1 전력 범위(61)에 있는 경우 증폭기(3)는 광 감쇠기
역할을 하고, 출력 전력이 제2 전력 범위(62)에 있는 경우 증폭기(3)는 광 증폭기 역할을 하도록 하는 것을 특
징으로 한다. 제1 및 제2 전력 범위(61, 62)는 도 6을 참조하여 기술되고, 중첩될 수 있다. 전력 증폭기(3)는
희토류 도펀트(rare earth dopant)(도시되지 않음)로 도핑되는 이중 클래드 광섬유(19)(double clad optical
fibre)를 포함하는 것이 바람직하다.
개선된 동적 범위를 달성하기 위한 능력은 "마이크로" 재료 프로세싱의 제조 환경과 애플리케이션에서 중요한[0017]
이점으로, 여기서 레이저는 수용할 수 있는 생산성을 갖는 "거칠게" 형성된 항목을 재단하기 위해서 정격 동작
범위(평균 전력, 첨두 전력, 펄스 에너지)의 상단에서 사용되지만, 또한 매우 낮은 평균 전력 / 낮은 첨두 전력
/ 매우 낮은 펄스 에너지가 처리 요건인 정격 범위의 하단에서 "미세하게" 형성된 항목을 동일하게 처리할 수도
있다. 도 1에 도시된 장치는 통상 2차수 크기 미만을 갖는 본 발명에 따라 구성되거나 동작하지 않는 레이저 및
마스터 발진기 전력 증폭기와 비교하여 3차수 크기 또는 그 이상의 동적 범위를 제공한다.
재료(8)는 예를 들어 아닐록스 프로세스에서 사용되는 인쇄 롤 일 수 있다. 인쇄 롤을 표시하기 위해서, 스캐너[0018]
(6)는 레이저 빔에 대해서 인쇄 롤을 스캔하는 기계 장치인 것이 바람직하다. 대안으로, 또는 부가적으로, 스캐
너(6)는 갈바노미터와 리플렉터를 포함할 수 있다.
제어기(5)는 컴퓨터 제어기일 수 있다. 제어기(5)는 제1 전력 범위(61)에 있는 경우 증폭 펌프(4)에 대한 전기[0019]
구동 전력을 끄기 위한 중계기 또는 트랜지스터와 같은 스위치(14)를 포함할 수 있다.
제어기(5)는 펄스(11)를 포함하는 제어 신호(17)을 지연하기 위한 가변 지연(15)을 포함할 수 있다.[0020]
바람직하게, 증폭기(3)가 셀프 Q 스위칭(self-Q-switching)하는 것을 피하기 위해서, 지연된 제어 신호는 시드
레이저(1)와 증폭기(3) 양자 모두에게 전달된다.
도 2는 각각 200W, 180W, 160W, 140W, 120W, 100W, 80W, 60W 및 40W의 연속파 등가 출력 전력에 대응하는 다양[0021]
한 설정값(set point)을 갖는 레이저 출력의 변조에 의해 생성된 펄스들(21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 2
9)을 도시한다. 시드 레이저(1)는 이중 클래드 광섬유(도시되지 않음)와 2개의 광섬유 브래그 격자(optical
fibre Bragg grating)(도시되지 않음)를 포함하는, 약 1070nm에서 동작하는 클래딩 펌프 이테르븀 도핑된 광섬
유 레이저(cladding pumped Ytterbium-doped fibre laser)이다. 증폭기(3)는 클래딩 펌프 이테르븀 도핑된 광
섬유 증폭기이다. 도시된 출력 펄스 모양은 시드 레이저(2)로부터 증폭된 제1 이완 진동에 대응한다. 펄스 첨두
전력 및 펄스 에너지의 변화는 연속적인 측정 마다 시드 펌프(2)와 증폭 펌프(4) 양자 모두의 출력 전력을 줄임
으로써 본 발명을 사용하지 않고 획득되었다. 명백하게 볼 수 있듯이, 전력 레벨이 떨어지면, 펄스는 지연되고,
등록특허 10-1480932
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손상된다.
도 4 및 도 5에 도시되어 있는 또 다른 문제는, 이와 같은 종래의 동작에 의해 펄스 전력을 줄이는 것은 펄스[0022]
모양을 손상시키는 것뿐만 아니라, "손실 펄스" 또는 잡음 펄스를 일으킨다. 도 4에서, 시드 펌프(2)와 증폭 펌
프(4)를 위한 제어 신호(41)는 이 제어 신호(41)와 동일한 반복 주파수로 출력 펄스를 야기시켜야 한다.
그러나, 분명하게 보여지는 바와 같이, 손실 펄스가 존재한다. 낮은 전력의 펄스 트레인에서는, 이완 진동을 생
성하기 위해 시드 레이저(1)에 저장된 에너지가 불충분할 수 있기 때문이다. 손실 펄스 상황이 발생하는 경우,
다음 펄스 때까지 에너지를 저장하면, 임계치 이상으로 레이저를 트리거하기에 충분할 수 있다. 관련된 이슈는
잡음 펄스들 중 하나로, 시드 레이저가 임계치를 바로 넘어서 동작하는 것이다. 이것은, 펄스(52)가 도 2 및 도
3을 참조하여 도시된 펄스보다 분명하게 훨씬 더 잡음이 있는 것으로 도 5에 도시되어 있다. 손실 펄스 또는 잡
음 펄스가 발생하는 경우에서의 출력 전력은 동적 범위에 실질적인 하한선을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 결과를 도시한다. 펄스 모양(31)(좌측 축(33)을 보라)은 제2 전력 범위(62)에 있는 증폭[0023]
기(3)를 이용하여 획득되고, 이 제2 전력 범위에서 증폭기(3)는 대략 3dB 큰 신호 증폭을 갖고 동작한다. 펄스
모양(32)(우측 축(34)을 보라)은 제1 전력 범위(61)에 있는 증폭기(3)를 이용하여 획득되고, 이 제1 전력 범위
에서 증폭기(3)는 약 1dB의 감쇠를 갖고 동작한다. 펄스 모양들(31, 32)은 수직적으로 동일하다. 중요한 것은,
장치가 손실 펄스 또는 심한 잡음 펄스 없이 종래의 동작 모드에서 보다 낮은 출력 전력으로 동작할 수 있다는
것이다. 이것은, 시드 레이저(1)가 제2 전력 범위에서 동작하는 경우보다 제1 전력 범위에서 동작하는 경우에,
등가 출력 전력에 대해 보다 격렬하게 구동되고 있기 때문이다. 따라서, 동적 범위가 확대된다.
도 3에서 펄스 모양들이 거의 동일하지만, 도면에서의 펄스들을 중첩하기 위해서 펄스 모양(31)이 지연되었음을[0024]
주목해야 한다. 이것은 도 2에 도시된 바와 같이, 펄스 턴온 지연이 구동 전력으로 변화하기 때문이다. 따라서,
여러 전력 레벨에서 펄스 동기가 요구되면, 제어기(5)가 가변 지연(15)을 포함하는 것이 바람직하다. 가변 지연
(15)은 레이저에 대해 내부적으로 제어되거나, 외부적으로 적용될 수 있다.
동적 범위(이를 통해 장치는 유용한 출력을 제공함)는 증폭기(3)의 동적인 큰 신호 증폭 범위를 증가시킴으로써[0025]
또한 확대될 수 있다. 이것은 제2 전력 범위(62)에서 최대 증폭을 증가시키기 위해 부가적인 증폭 단계를 사용
함으로써 달성될 수 있다. 대안으로 또는 부가적으로, 제1 전력 범위에서 유효 감쇠를 증가시키기 위해 흡수체
(absorber) 또는 포화 흡수체(saturable absorber)를 삽입함으로써, 달성될 수도 있다. 포화 흡수체는 이 포화
흡수체에 진입하는 펄스에 대하여 흡수를 표백하기 위해서 요구되는 시간에 대응하는 부가적인 시간 지연(도시
되지 않음)을 도입할 것이다. 희토류 도핑된 광섬유(19)가 펌핑되지 않은 경우 포화 흡수체처럼 동작할 것이다.
따라서, 전력 증폭기(3)는 펌핑된 경우에는 증폭기로서, 펌핑되지 않은 경우에는 감쇠기와 포화 흡수체로서, 실
제로 양자 모두로 동작할 것이다.
예제 1[0026]
본 발명의 이 예에서, 장치는 시드 레이저(1)와 전력 증폭기(3)를 포함하는 2단 마스터 발진 전력 증폭기로서,[0027]
여기서 시드 레이저(1)와 전력 증폭기(3) 사이의 광 전력 분할은 대략 1:2 이다. 펌프들(2, 4)은 레이저 다이오
드로서 구현된다. 따라서, 200W 레이저 시스템에서, 시드 레이저(1)는 총 출력에 대략 66W를 기여하고, 전력 증
폭기(3)는 공칭 정격 출력(nominal rated power)을 달성하기 위해서 133W를 부가한다.
"표준" 동작 모드에서, 시드 레이저(1) 및 전력 증폭기(3) 양자 모두는 펌핑되고, 시드 레이저(1) 및 전력 증폭[0028]
기(3) 양자 모두를 구동하는 펌프 다이오드들(펌프들(2, 4))이 동기적으로 동작되고, 출력 전력은 펌프들(2,4)
에 의해 공급되는 전력들을 2개의 단계로 비례적으로 변화시킴으로써 제어된다.
통상, 펌프 다이오드 전류는 인쇄 롤(또는 다른 일)을 처리하기 위해 요구되는 파라메트릭 속성(parametric[0029]
property)을 갖는 출력 펄스의 트레인을 생성하기 위해서, 고속으로 변조된다.
시드 레이저(1)는 레이저 캐비티(laser cavity)를 생성하기 위해 이중 클래드 광섬유와 광섬유 브래그 격자를[0030]
포함하고, 전력 증폭기(3)는 이 이중 클래드 광섬유(19)를 이용한다. 길이에 따라 이중 클래드 광섬유 내로 펌
프 전력을 점진적으로 결합시키는 사이드 펌핑 광섬유(도시되지 않음)를 통하여 이중 클래드 광섬유는 사이드-
펌핑되는 것이 바람직하다. 사이드 펌핑 광섬유에 의해 펌핑되는 이중 클래드 광섬유에 기초한 광학 증폭기는
참고용으로 여기에 통합된 미국 특허 번호 제6,826,335호에 보다 상세하게 기술되어 있다.
사이드 펌핑 광섬유의 지름은 레이저의 정격 전력에 따라 최적화될 수 있다. 특히, 시드 레이저(1)에 대한 광섬[0031]
유의 지름은 전력 증폭기의 지름보다 작은 것이 바람직하다.
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바람직하게(그러나 필수적인 것은 아님), 시드 레이저(1)는 "활성 광섬유" (Yb-도핑된 코어 또는 유사품)가 대[0032]
략 I25 ㎛의 직경이고, "펌프 광섬유"(캐비티 내로 펌프 다이오드 전력의 주입을 위한 퓨어 실리카 광섬유)가
I25 ㎛인 것인 이중 클래드 광섬유를 포함할 수 있다.
전력 증폭기 스테이지(3)로부터 희망하는 전력 레벨을 획득하기 위해서, 전력 증폭기 스테이지(3)에 포함된 이[0033]
중 클래드 광섬유(19)는 보다 높은 펌프 다이오드 전력이 과도한 광 손실 없이 증폭기(3) 내로 효율적으로 결합
될 수 있도록 보다 큰 펌프 광섬유(예컨대, 200 ㎛)를 요구할 수 있다; "활성 광섬유"(이중 클래드 광섬유(1
9))와 시드 소스에 있는 "활성 광섬유"는 설계 및 크기가 대개 동일하다.
아래의 표는 아닐록스(anilox) 처리 파라미터들의 범위에 대한 레이저의 애플리케이션 요건들을 도시한다. 동적[0034]
범위는 0.08mJ의 펄스 에너지로부터 40mJ에 이르고, 이는 대략 500배(또는 27dB)의 범위에 이른다. 이 범위는
종래의 레이저를 이용해서는 달성될 수 없다. 통상적인 범위는 100배(또는 20dB)일 수 있다.
표 1
아닐록스 [0035]
인쇄 요건
레이저 변조 요건
인쇄 품질/해
상도
인치 당 라인
수(LPI)
세트(CW)전
력
P.R.F. 펄스폭 레이저
듀티 사이클
평균 전력 펄스 에너지
W kHz μs % W mJ
거침 <500 200 2.5 200 50 100 40
거침 <1000 200 2.5 100 25 50 20
중간 <1000 120 30 8 24 28.8 0.96
미세함 >1000 40 40 3 12 4.8 0.12
미세함 >1000 20 70 3 21 4.2 0.06
미세함 ≥1500 40 70 2 14 <2.0 0.08
아닐록스 처리 요건[0036]
본 발명에 따라 레이저를 동작하는 것은, 표 2에 도시된 바와 같은 동작 파라미터들이 달성되는 것을 허용한다.[0037]
펄스 에너지는 40mJ부터 0.03mJ까지 변화될 수 있고, 이것은 1,333배의 범위(또는 31.2dB)에 이른다.
표 2
아닐록스 [0038]
인쇄 요건
레이저 구성 레이저 동작 파라미터들
인쇄 품질/해
상도
인치 당 라인
수(LPI)
모드 세트(CW)전
력
P.R.F. 펄스폭 평균 전력 펄스 에너지
W kHz μs W mJ
거침 <500 표준 200 2.5 100 100 40
거침 <1000 표준 200 2.5 100 50 20
중간 <1000 표준 120 30 8 28.8 0.96
미세 >1000 확대된
범위
40 40 3 4.8 0.12
미세 >1000 확대된
범위
20 70 3 4.2 0.06
미세 ≥1500 확대된
범위
40 70 2 <2.0 0.08
극미세 1800 확대된
범위
20 30 3 0.9 0.03
본 발명을 이용하여 달성된 성능[0039]
예제 2[0040]
도 6은 본 발명에 따라 형성되고 동작하는 SP200C-0004 레이저를 이용해서 측정된 일부 측정치들을 도시한다.[0041]
레이저는 100kHz 이상의 반복률로 펄스를 제공하기 위해서 변조될 수 있는 200W 연속파 레이저이다. 측정된 평
균 출력 전력(63)은 설정값 평균 전력(64)에 대하여, 삼각형(65)으로 도시되는 확대된 범위 동작과, 원(66)으로
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도시되는 표준 범위 동작 양자 모두를 도표로 도시한다. 출력 전력은 표준 모드(제2 전력 범위(62))에서 동작하
는 경우, 대략 0.9W 이상부터 200W까지는 안정적이지만, 0.9W 미만(점선(68)으로 도시됨)에서는 안정적이지 않
다. 동적 범위는 전력 증폭기(2)를 펌핑할 수 있는 레이저 다이오드를 스위칭 오프함으로써 점선(67)까지 확대
될 수 있다. 이것은, 표 2에서 언급된 확대된 동작 범위(제1 전력 범위(61))이다. 또한, 출력은 0.05W 아래까지
안정적이다. 따라서, 총 동적 범위는 0.05W에서 200W까지 이고, 이것은 4,000배 또는 36dB 범위에 이른다. 레이
저는 30μJ부터의 펄스 에너지를 이용하여 아닐록스 프로세스의 전체 범위에 걸쳐서 동작할 수 있다. 레이저는
0.9W를 초과하는 전력 레벨로 확대된 범위에서 안정적으로 동작할 수 있지만, 불안정성 없이 0.9W 미만의 표준
범위에서 안정적으로 동작할 수 없음을 유의하라.
따라서, 본 발명의 장치는 펄스 레이저 시스템, 특히 레이저로부터 이완 진동을 이용하는 시스템의 동적 범위를[0042]
증가시킨다. 또한, 본 발명의 장치는 펄스 드롭 아웃이 발생하고, 불안정성과 관련된 낮은 전력 레벨에 도달하
기 전에 레이저로부터 반복 주파수를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
바람직하게, 펄스형 레이저 시스템은 시드 레이저(1)와 적어도 하나의 증폭기(3)를 포함한다. 바람직하게, 시드[0043]
레이저(1)와 증폭기(3)는 100W와 1000W 사이의 총 펌프 전력을 이용하여 펌핑된다. 펌프 전력의 대략 10% 내지
80%가 시드 레이저(1)에 제공된다. 바람직하게, 시드 레이저는 펌프 전력의 대략 20% 내지 50%를 이용하여 펌핑
된다. 보다 바람직하게, 시드 레이저(1)는 펌프 전력의 대략 25% 내지 40%를 이용하여 펌핑된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 본 발명에 따른 장치를 제공하고, 재료(8)에 레이저 방사선을 인가하는 것[0044]
을 포함한다. 이 방법은, 시드 펌프(2) 및 증폭 펌프(4)에 의해 제공되는 펌프 전력의 비율을 변경함으로써, 재
료(8)에 인가되는 레이저 방사선의 동적 범위를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 사실상, 시드 펌프(2)에 의
해 제공되는 펌프 전력은 증폭 펌프(4)에 의해 제공되는 펌프 전력이 될 수 있다. 증폭 펌프(4)에 의해 제공되
는 펌프 전력은 제로로 줄어들 수 있다. 재료(8)는 인쇄 롤일 수 있다. 인쇄 롤에 있어서, 이것은 세라믹 인쇄
롤, 아닐록스 인쇄 롤, 잉크 전사 롤, 오목판 인쇄 롤, 또는 롤에 부착된 오목판 시트와 같은 인쇄 애플리케이
션을 위한 롤을 의미한다. 특히, 이것은 아닐록스 프로세서에서 사용되는 바와 같이, 세라믹 코팅된 인쇄 롤의
경우에 유익하다. 아닐록스 인쇄 기계는 미국 펜실베니아주 던컨스빌의 F.L. 스미스 머신 컴퍼니 주식회사의 지
사인, 아쿠아플렉스로부터 입수 가능하다.
첨부된 도면을 참조하여 전술한 본 발명의 실시예들은 오직 예로서 제공되었고, 변형 및 추가의 구성 요소들이[0045]
성능을 개선하기 위해서 제공될 수 있음은 명백하다. 본 발명은 단독으로 또는 임의의 조합으로 취득된 전술한
특징들에 이른다.
부호의 설명
1. 시드 레이저[0046]
2. 시드 펌프
3. 증폭기
4. 증폭 펌프
5. 제어기
6. 스캐너
7. 광 방사선
8. 재료
10. 광학 펄스
11. 펄스
14. 스위치
15. 가변 지연
17. 제어 신호
19. 이중 클래드 광섬유
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도면
도면1
도면2
도면3
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도면4
도면5
도면6
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