재료 가공, 레이저 수술, 원격 감지와 같은 다양한 응용 분야에서 사용되는 광범위한 공통 레이저 시스템이 있지만 많은 레이저 시스템에는 공통적인 주요 매개변수가 있습니다. 이러한 매개변수에 대한 공통 용어를 확립하면 통신 오류를 방지하고 이를 이해하면 레이저 시스템과 구성 요소를 올바르게 지정하여 응용 프로그램 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
그림 1: 일반적인 레이저 소재 가공 시스템의 개략도. 여기서 레이저 시스템의 10가지 주요 매개변수는 각각 해당 숫자로 표시됩니다.
기본 매개변수
다음 기본 매개변수는 레이저 시스템의 가장 기본적인 개념이며, 보다 고급적인 포인트를 이해하는 데에도 중요합니다.
1: 파장(일반 단위: nm~um)
레이저의 파장은 방출된 광파의 공간 주파수를 설명합니다. 주어진 사용 사례에 대한 최적의 파장은 응용 프로그램에 따라 크게 달라집니다. 다양한 재료는 재료 처리에서 고유한 파장 의존적 흡수 특성을 가지므로 재료와의 상호 작용이 달라집니다. 마찬가지로 대기 흡수 및 간섭은 원격 감지에서 특정 파장에 다르게 영향을 미치고 다양한 복합체는 의료용 레이저 응용 분야에서 특정 파장을 다르게 흡수합니다. 짧은 파장 레이저와 레이저 광학은 초점이 더 작기 때문에 주변 가열을 최소화하여 작고 정밀한 기능을 만드는 데 유용합니다. 그러나 일반적으로 더 비싸고 긴 파장 레이저보다 손상되기 쉽습니다.
2: 전력 및 에너지(일반 단위: W 또는 J)
레이저의 파워는 와트(W)로 측정되며 연속파(CW) 레이저의 광 파워 출력 또는 펄스 레이저의 평균 파워를 설명하는 데 사용됩니다. 펄스 레이저는 또한 평균 파워에 비례하고 레이저의 반복률에 반비례하는 펄스 에너지로 특징지어집니다(그림 2). 에너지는 줄(J)로 측정됩니다.
그림 2: 펄스 레이저의 펄스 에너지, 반복률 및 평균 전력 간의 관계에 대한 시각적 표현
더 높은 전력과 에너지 레이저는 일반적으로 더 비싸고 더 많은 폐열을 생성합니다. 전력과 에너지가 증가함에 따라 높은 빔 품질을 유지하는 것도 점점 더 어려워집니다.
3: 펄스 지속 시간(일반 단위: fs ~ ms)
레이저 펄스 지속 시간 또는 펄스 폭은 일반적으로 시간에 대한 레이저 광 전력의 반치폭(FWHM)으로 정의됩니다(그림 3). 초고속 레이저는 정밀 소재 가공 및 의료용 레이저를 포함한 다양한 응용 분야에서 많은 이점을 제공합니다. 피코초(10-12초)에서 아토초(10-18 및 그 이하) 순서의 짧은 펄스 지속 시간이 특징입니다.
P(W)
1/반복률
공공 계정 시간 구매
그림 3: 펄스 레이저의 펄스는 반복률의 역수에 의해 시간적으로 분리됩니다.
4: 반복률(일반 단위: Hz ~ MHz)
펄스 레이저의 반복률 또는 펄스 반복 주파수는 초당 방출되는 펄스 수 또는 역 시간 펄스 간격(그림 3)을 설명합니다. 앞서 언급했듯이 반복률은 펄스 에너지에 반비례하고 평균 전력에 직접 비례합니다. 반복률은 일반적으로 레이저 이득 매체에 따라 달라지지만 많은 경우 달라질 수 있습니다. 반복률이 높을수록 레이저 광학 표면과 최종 초점에서 열 완화 시간이 짧아져 재료 가열이 더 빨라집니다.
5: 코히어런스 길이(일반 단위: 밀리미터 ~ 미터)
레이저는 코히어런트합니다. 즉, 다른 시간이나 위치에서의 전류는 코히어런트합니다. 필드 위상 값 사이에는 고정된 관계가 있습니다. 이는 레이저가 다른 대부분의 광원과 달리 자극 방출에 의해 생성되기 때문입니다. 코히어런스 길이는 레이저 광의 시간적 코히어런스가 프로세스 중에 저하되지 않고 레이저 광이 전파되는 동안 일정하게 유지되는 거리를 정의합니다.
6: 편광
편광은 빛파의 전기장 방향을 정의합니다. "항상 전파 방향과 수직입니다. 대부분의 경우 레이저 빛은 선형 편광되어 방출된 전기장이 항상 같은 방향을 가리킵니다. 편광되지 않은 빛은 여러 다른 방향을 가리키는 전기장을 갖습니다. 편광도는 일반적으로 100:1 또는 500:1과 같이 두 개의 직교 편광 상태의 광학 전력의 비율로 표현됩니다.
빔 매개변수
다음 매개변수는 레이저 빔의 모양과 품질을 나타냅니다.
7: 빔 직경(일반 단위: mm ~ cm)
레이저의 빔 직경은 빔의 측면 확장 또는 전파 방향에 수직인 물리적 크기를 나타냅니다. 일반적으로 1/e2 폭으로 정의되며, 이는 최대 1/e2(=13.5%)까지의 빔 강도 폭입니다. 1/e2 지점에서 전기장 강도는 1/e(=37%)로 떨어집니다. 빔 직경이 클수록 빔 절단을 피하기 위해 광학 장치와 전체 시스템이 커야 하며, 이는 비용을 증가시킵니다. 그러나 빔 직경이 감소하면 전력/에너지 밀도가 증가하여 해로울 수도 있습니다.
8: 전력 또는 에너지 밀도(일반 단위: W/cm2~MWicm2 또는 uJ/cm2~J/cm2)
빔 직경은 레이저 빔의 전력/에너지 밀도와 관련이 있습니다. 에너지 밀도 또는 단위 면적당 광 전력/에너지의 양입니다. 빔 직경이 클수록 일정한 전력 또는 에너지에 대한 빔의 전력/에너지 밀도가 낮아집니다. 높은 전력/에너지 밀도는 종종 시스템의 최종 출력(예: 레이저 절단 또는 용접)에서 바람직하지만, 낮은 전력/에너지 농도는 종종 레이저 유도 손상을 방지하기 위해 시스템 내부에 유익합니다. 또한 빔의 높은 전력/에너지 밀도 영역이 공기를 이온화하는 것을 방지합니다. 이러한 이유 외에도 레이저 빔 확장기는 종종 직경을 늘리고 레이저 시스템 내부의 전력/에너지 밀도를 줄이는 데 사용됩니다. 그러나 빔을 너무 많이 확장하여 시스템의 구멍에서 막히지 않도록 주의해야 하며, 이는 에너지 낭비와 잠재적 손상을 초래합니다.
9: 빔 프로필
레이저의 빔 프로파일은 빔의 단면에 분포된 강도를 설명합니다. 일반적인 빔 프로파일에는 가우시안 빔과 플랫탑 빔이 있으며, 빔 프로파일은 각각 가우시안 함수와 플랫탑 함수를 따릅니다(그림 4). 그러나 레이저는 특성 함수와 정확히 일치하는 빔 프로파일을 가진 완전히 가우시안 또는 완전히 플랫탑 빔을 생성할 수 없습니다. 레이저 내부에는 항상 일정량의 핫스팟 또는 변동이 있기 때문입니다. 레이저의 실제 빔 프로파일과 이상적인 빔 프로파일의 차이는 종종 레이저의 M2 인자를 포함한 메트릭으로 설명됩니다.
가우시안 및 플랫 탑 빔 프로파일
그림 4: 동일한 평균 전력 또는 세기의 가우시안 빔과 플랫탑 빔의 빔 프로파일을 비교하면 가우시안 빔의 피크 세기가 플랫탑 빔의 피크 세기의 두 배임을 알 수 있습니다.
10: 발산(일반 단위: mrad)
레이저 빔은 종종 평행하다고 간주되지만, 항상 일정량의 발산을 포함하는데, 이는 회절로 인해 레이저 빔 허리에서 멀어질수록 빔이 발산되는 정도를 설명합니다. 물체가 레이저 시스템에서 수백 미터 떨어져 있을 수 있는 LiDAR 시스템과 같은 장거리 작업 거리 애플리케이션에서 발산은 특히 중요한 문제가 됩니다. 빔 발산은 종종 레이저의 반각으로 정의되고 가우시안 빔(0)의 발산은 다음과 같이 정의됩니다.
W는 레이저의 파장이고 w0은 레이저의 빔 허리입니다.
최종 시스템 매개변수
이러한 최종 매개변수는 출력에서 레이저 시스템의 성능을 설명합니다.
11: 스팟 크기(일반 단위: um)
초점 레이저 빔의 스팟 크기는 초점 렌즈 시스템의 초점에서 빔 직경을 설명합니다. 재료 가공 및 의료 수술과 같은 많은 응용 분야에서 목표는 스팟 크기를 최소화하는 것입니다. 이를 통해 전력 밀도가 극대화되고 특히 미세한 특징을 만들 수 있습니다(그림 5). 비구면 렌즈는 종종 구면 수차를 줄이고 더 작은 초점 스팟 크기를 생성하기 위해 기존 구면 렌즈 대신 사용됩니다. 일부 유형의 레이저 시스템은 궁극적으로 레이저를 스팟에 초점을 맞추지 않으며, 이 경우 이 매개변수는 적용되지 않습니다.
그림 5: 이탈리아 공과대학의 레이저 미세 가공 실험은 일정한 유량에서 스팟 크기가 220um에서 9um로 줄어들었을 때 나노초 레이저 드릴링 시스템에서 절삭 효율이 10-배 증가함을 보여줍니다.
12: 작업 거리(일반 단위: um~m)
레이저 시스템의 작동 거리는 일반적으로 최종 광학 요소(일반적으로 초점 렌즈)에서 레이저가 초점을 맞춘 물체 또는 표면까지의 물리적 거리로 정의됩니다. 의료용 레이저와 같은 특정 응용 프로그램은 일반적으로 작동 거리를 최소화하려고 하는 반면, 원격 감지와 같은 다른 응용 프로그램은 일반적으로 작동 거리 범위를 최대화하려고 합니다.
