파이버 레이저
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1. 개요
파이버 레이저는 유연한 매질을 통해 레이저 광선을 생성하고 전달하여 초점 위치와 대상에 쉽게 전달할 수 있는 레이저의 한 종류이다. 높은 출력 전력, 효율적인 냉각, 고품질 빔 생성, 공간 절약적인 설계, 낮은 소유 비용, 높은 신뢰성 등의 특징을 가지며, 금속 가공, 통신, 분광학, 의학, 지향성 에너지 무기 등 다양한 분야에 응용된다.
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| 파이버 레이저 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 레이저 |
| 활성 매질 | 광섬유 |
| 파장 범위 | 0.75 ~ 2.2 µm |
| 전력 범위 | 수 밀리와트 ~ 수 킬로와트 |
| 작동 원리 | |
| 주요 원리 | 유도 방출에 의한 광 증폭 |
| 펌핑 방식 | 반도체 레이저 또는 다른 광원 사용 |
| 공진기 구성 | 광섬유 브래그 격자 또는 외부 거울 사용 |
| 모드 잠금 | 모드 잠금 기술을 사용해 초단 펄스 생성 가능 |
| 주요 특징 | |
| 장점 | 높은 빔 품질 높은 효율 소형화 가능 유지 보수 용이 |
| 단점 | 다른 레이저에 비해 상대적으로 높은 가격 특정 파장 제한 |
| 응용 분야 | 재료 가공 (절단, 용접, 마킹) 의료 (수술, 치료) 통신 (광섬유 통신) 분광학 군사 (레이저 무기) 과학 연구 |
| 기술적 세부 사항 | |
| 도핑 물질 | 에르븀 이터븀 네오디뮴 프라세오디뮴 툴륨 홀뮴 |
| 섬유 종류 | 단일 모드 광섬유 다중 모드 광섬유 광자 결정 광섬유 |
| 냉각 방식 | 공랭식 수랭식 |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 광섬유 증폭기 비선형 광학 펨토초 레이저 |
2. 특징
파이버 레이저는 다른 유형의 레이저에 비해 다음과 같은 특징을 가진다.
레이저 광선이 본질적으로 유연한 매질에 의해 생성되고 전달된다는 장점이 있어, 초점 위치와 대상에 더 쉽게 전달할 수 있다. 이는 금속 및 폴리머의 레이저 절단, 용접 및 접기에 중요할 수 있다. 또 다른 장점은 다른 유형의 레이저에 비해 높은 출력 전력이다. 파이버 레이저는 활성 영역이 수 킬로미터에 달할 수 있으며, 따라서 매우 높은 광학 이득을 제공할 수 있다. 파이버의 높은 표면적 대 부피 비율은 효율적인 냉각을 가능하게 하여 킬로와트 수준의 연속 출력 전력을 지원할 수 있다. 파이버의 도파관 특성은 광학 경로의 열적 왜곡을 줄이거나 제거하여 일반적으로 회절 한계의 고품질 광선을 생성한다. 파이버 레이저는 공간 절약을 위해 파이버를 구부리고 감을 수 있기 때문에 두꺼운 막대형 설계를 제외하고, 동등한 전력의 고체 레이저 또는 가스 레이저에 비해 작다. 또한 낮은 소유 비용을 가진다.[1][2][3] 파이버 레이저는 신뢰성이 높고 높은 온도 및 진동 안정성, 그리고 긴 수명을 보인다. 높은 피크 전력과 나노초 펄스는 마킹 및 조각을 개선한다. 추가적인 전력과 더 나은 빔 품질은 더 깨끗한 절단면과 더 빠른 절단 속도를 제공한다.[4][5]
2. 1. 장점
파이버 레이저는 레이저 광선이 유연한 매질에 의해 생성되고 전달되어 초점 위치와 대상에 더 쉽게 전달할 수 있다는 장점이 있다. 이는 금속 및 폴리머의 레이저 절단, 용접 및 접기에 중요할 수 있다.[39] 활성 영역이 수 킬로미터에 달할 수 있어 매우 높은 광학 이득을 제공하며, 파이버의 높은 표면적 대 부피 비율은 효율적인 냉각을 가능하게 하여 킬로와트 수준의 연속 출력 전력을 지원한다. 파이버의 도파관 특성은 광학 경로의 열적 왜곡을 줄이거나 제거하여 일반적으로 회절 한계의 고품질 광선을 생성한다.[1][2][3]광섬유를 통해 레이저 광 출력을 직결할 수 있어 케이블을 통해 대상물로 쉽게 전달할 수 있다. 이는 가공물에 대한 초점 설계를 용이하게 하므로 레이저 가공기에 적합하다. 얇은 코어 내에서 여기와 유도 방출이 이루어지므로 증폭 효율이 좋고, 가늘고 긴 매질은 냉각이 용이하며 광섬유 케이블을 길게 만드는 것도 쉬워 고출력화에 기여할 수 있다.
파이버는 공간 절약을 위해 구부리고 감을 수 있어, 동등한 전력의 고체 레이저 또는 가스 레이저에 비해 작다. 또한 낮은 소유 비용을 가진다.[1][2][3] 광섬유는 진동에 강하고, 컴팩트하게 만들 수 있으므로 유지 보수를 절약할 수 있다. 높은 온도 및 진동 안정성과 긴 수명을 보이며, 장수명 반도체 레이저와 결합하여 유지보수 비용을 더욱 절감할 수 있다.[4][5] 높은 피크 전력과 나노초 펄스는 마킹 및 조각을 개선하고, 추가적인 전력과 더 나은 빔 품질은 더 깨끗한 절단면과 더 빠른 절단 속도를 제공한다.[4][5]
광 회로는 광섬유 관련 부품으로 구성할 수 있으므로 광 컴바이너(복수 광을 결합하는 장치)나 광 스플리터(광 분배기)를 적절히 배치하여 다양한 회로 구성이 가능하다.
2. 2. 단점
3. 설계 및 제조
대부분의 다른 유형의 레이저와 달리, 파이버 레이저의 레이저 공진기는 서로 다른 유형의 파이버를 융착 접합하여 일체형으로 구성된다. 파이버 브래그 격자는 기존의 유전체 거울을 대체하여 광학적 피드백을 제공한다. 또한 위상 이동 브래그 격자가 이득 매질과 겹치는 초협대역 분포 피드백 레이저(DFB)의 단일 종 모드 작동을 위해 설계될 수도 있다. 파이버 레이저는 반도체 레이저 다이오드 또는 다른 파이버 레이저에 의해 레이저 펌핑된다.
많은 고출력 파이버 레이저는 이중 클래드 광섬유를 기반으로 한다. 이득 매질은 광섬유의 코어를 형성하며, 코어는 두 개의 클래딩 층으로 둘러싸여 있다. 레이저 모드는 코어에서 전파되는 반면, 다중 모드 펌프 빔은 내부 클래딩 층에서 전파된다. 외부 클래딩은 이 펌프광을 가두어 둔다. 이 배열을 통해 코어는 그렇지 않으면 코어에서 전파되도록 만들 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 출력 빔으로 펌핑될 수 있으며, 비교적 낮은 밝기의 펌프광을 훨씬 더 높은 밝기의 신호로 변환할 수 있다.[6][7][8][9][10][11] 이중 클래드 광섬유의 모양과 관련하여, 원형 대칭을 가진 광섬유는 최악의 설계로 보인다. 설계는 코어가 소수(또는 심지어 하나)의 모드만 지원할 수 있을 만큼 작아야 하며, 비교적 짧은 광섬유 조각에서 코어와 광학 펌프 부분을 가둘 수 있는 충분한 클래딩을 제공해야 한다.
테이퍼형 이중 클래드 광섬유(T-DCF)는 증폭기 및 레이저의 열 렌즈 모드 불안정 없이 출력을 높일 수 있는 테이퍼형 코어 및 클래딩을 가지고 있다.[19][12]
3. 1. 광섬유 구성
많은 고출력 파이버 레이저는 이중 클래드 광섬유를 기반으로 한다. 이득 매질은 광섬유의 코어를 형성하며, 코어는 두 개의 클래딩 층으로 둘러싸여 있다. 레이저 모드는 코어에서 전파되는 반면, 다중 모드 펌프 빔은 내부 클래딩 층에서 전파된다. 외부 클래딩은 이 펌프광을 가두어 둔다. 이 배열을 통해 코어는 그렇지 않으면 코어에서 전파되도록 만들 수 있는 것보다 훨씬 더 높은 출력 빔으로 펌핑될 수 있으며, 비교적 낮은 밝기의 펌프광을 훨씬 더 높은 밝기의 신호로 변환할 수 있다.[6][7][8][9][10][11] 이중 클래드 광섬유의 모양과 관련하여, 원형 대칭을 가진 광섬유는 최악의 설계로 보인다. 설계는 코어가 소수(또는 심지어 하나)의 모드만 지원할 수 있을 만큼 작아야 하며, 비교적 짧은 광섬유 조각에서 코어와 광학 펌프 부분을 가둘 수 있는 충분한 클래딩을 제공해야 한다.
테이퍼형 이중 클래드 광섬유(T-DCF)는 증폭기 및 레이저의 열 렌즈 모드 불안정 없이 출력을 높일 수 있는 테이퍼형 코어 및 클래딩을 가지고 있다.[19][12]
3. 2. 펌핑 방식
3. 3. 출력 확장
파이버 레이저 기술의 발전으로 회절 한계 빔 출력이 다이오드 펌핑 고체 레이저에서 크게 증가했다. Yb 도핑 파이버 레이저의 연속파 단일 횡모드 출력은 2001년 100W에서 2014년 30kW의 결합 빔 파이버 레이저 출력으로 증가했다.[13]고 평균 출력 파이버 레이저는 일반적으로 저출력 마스터 오실레이터 파워 증폭기(MOPA) 구성으로 이루어진다. 초단 펄스용 증폭기의 경우, 광학적 피크 강도가 매우 높아져 비선형 펄스 왜곡 또는 이득 매질 파괴가 발생할 수 있어 처프 펄스 증폭(CPA)을 사용하여 방지한다. 로드형 증폭기를 사용하는 최첨단 고출력 파이버 레이저 기술은 260fs 펄스로 1kW에 도달했다.[14]
파이버 레이저의 출력 확장은 열 렌즈 효과, 재료 저항, 유도 라만 산란(SRS), 유도 브릴루앙 산란(SBS), 모드 불안정성, 좋지 않은 출력 빔 품질과 같은 비선형 효과로 인해 제약을 받는다.[14]
펄스 출력 증가와 관련된 문제를 해결하기 위해 파이버 코어 직경을 증가시키는 방법이 주로 사용되었다. 활성 파이버의 표면 대 활성 부피 비율을 증가시켜 열 발산을 개선하고, 특수하게 개발된 이중 클래딩 구조는 내부 클래딩과 코어 사이의 펌프 전파 및 흡수를 제어하여 고출력 펌프 다이오드의 휘도 요구 사항을 줄였다.
저 개구 코어를 가진 대형 모드 영역(LMA) 파이버,[15] 마이크로 구조 로드형 파이버,[14][16] 나선형 코어,[17] 키랄 결합 파이버,[18] 테이퍼 이중 클래드 파이버(T-DCF)[19] 등 다양한 유형의 유효 모드 영역(LMA)을 가진 활성 파이버가 개발되었다. 이러한 기술로 얻은 모드 필드 직경(MFD)은[14][15][16][17][18] 일반적으로 20–30μm을 초과하지 않는다. 마이크로 구조 로드형 파이버는 최대 65μm[20]의 MFD와 우수한 성능을 보인다. 대형 피치 파이버(LPF)를 포함하는 펨토초 MOPA[21]에 의해 2.2mJ 펄스 에너지가 시연되었다. 그러나 LPF를 사용한 증폭 시스템은 길고 구부릴 수 없는 로드형 파이버로 인해 부피가 크고, 제작이 복잡하며, 굽힘에 민감하여 견고성과 휴대성이 떨어진다.[21]
3. 4. 모드 잠금
파이버 레이저는 모드 잠금 기술을 사용하여 초단 펄스를 생성한다.[22] 파이버 자체의 복굴절을 이용해 수동적으로 모드 잠금을 할 수 있는데, 비선형 광학적 커 효과가 빛의 강도에 따른 편광 변화를 일으킨다. 이를 통해 레이저 공진기 내의 편광자는 포화 흡수체 역할을 하여 저강도 빛은 차단하고 고강도 빛은 통과시켜 레이저가 모드 잠금 펄스를 형성하도록 한다. 파이버의 비선형성은 각 펄스를 초단 광학 솔리톤 펄스로 만든다.반도체 포화 흡수체 거울(SESAM)을 사용하여 파이버 레이저의 모드 잠금을 수행할 수도 있다.[23][24][25][26] SESAM은 흡수체 매개변수를 특정 레이저 설계에 맞게 쉽게 조정할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 포화 플루언스는 상부 반사체의 반사율을 변경하여 제어하고, 변조 깊이 및 회복 시간은 흡수체 층의 저온 성장 조건을 변경하여 조정할 수 있다. 1 μm 및 1.5 μm에서 작동하는 파이버 레이저가 성공적으로 시연되었다.
그래핀 포화 흡수체도 파이버 레이저의 모드 잠금에 사용되었다.[27][28][29] 그래핀의 포화 흡수는 파장에 크게 민감하지 않아 튜닝 가능한 레이저의 모드 잠금에 유용하다.
4. 종류
4. 1. 다파장 방출 파이버 레이저
ZBLAN 광섬유를 사용하여 파란색 및 녹색의 동시적인 간섭성 광을 시연하였다.[31] 엔드 펌핑 레이저는 각 섬유 끝에 코팅된 유전체 거울을 사용하여 공동을 형성하는 Pr3+/Yb3+ 도핑된 불화물 섬유를 펌핑하기 위해 더 긴 파장의 반도체 레이저를 사용하는 업컨버전 광 이득 매체를 기반으로 했다.[31]4. 2. 파이버 디스크 레이저
thumb다른 종류의 파이버 레이저는 파이버 디스크 레이저이다. 이러한 레이저에서 펌프는 파이버의 클래딩 내부에 갇히지 않고, 대신 코어가 자체적으로 감겨 있기 때문에 펌프 광이 코어를 여러 번 가로질러 전달된다. 이러한 구성은 많은 펌프 소스가 코일의 주변부에 사용되는 출력 확장에 적합하다.[32][33][34][35]
5. 응용 분야
파이버 레이저는 금속 가공, 전기 통신, 분광학, 의학, 지향성 에너지 무기 등 여러 목적으로 사용된다.[39] 특히 유연한 매개체에 의한 생성과 전달은 목표 위치에 레이저를 쉽게 전달하게 해 주어 금속과 폴리머의 레이저 절단, 웰딩, 폴딩에 유용하다.[39] 다른 유형의 레이저에 비해 고출력을 제공한다는 장점도 있다.[39]
(2 kW·연속 레이저 광 사용)
파이버 레이저의 응용 분야는 재료 가공, 통신, 분광학, 의학, 그리고 지향성 에너지 무기 등이 있다.[36]
5. 1. 산업 분야
파이버 레이저는 금속과 폴리머의 레이저 절단, 웰딩, 폴딩 등 재료 가공 분야에서 유연한 매개체를 통해 레이저를 목표 위치에 쉽게 전달하고 고출력을 제공하는 장점을 가진다.[39] 전기 통신 분야에서는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기 등에 활용된다.[36] 그 외에도 분광학, 의학, 지향성 에너지 무기 등 여러 목적으로 사용된다.[39][36]5. 2. 의료 분야
파이버 레이저는 정밀 절개, 지혈 등에 사용되어 레이저 수술에 활용된다.[39][36] 제모, 피부 재생과 같은 피부 미용 분야에도 사용되며, 광 간섭 단층 촬영(OCT)과 같은 진단에도 활용된다.5. 3. 군사 분야
파이버 레이저는 금속 가공, 전기 통신, 분광학, 의학 등 여러 목적으로 사용되며, 지향성 에너지 무기 분야에서도 활용된다.[39][36] 유연한 매개체를 통해 레이저를 생성하고 전달하여 목표 위치에 쉽게 도달하게 할 수 있다는 장점이 있다.5. 4. 기타 응용
파이버 레이저는 금속 가공, 전기 통신, 분광학, 의학, 지향성 에너지 무기 등 여러 목적으로 사용된다.[39] 특히 유연한 매개체에 의한 생성과 전달은 목표 위치에 레이저를 쉽게 전달하게 해 주어 금속과 폴리머의 레이저 절단, 웰딩, 폴딩에 유용하다.[39] 다른 유형의 레이저에 비해 고출력을 제공한다는 장점도 있다.[39]파이버 레이저의 응용 분야는 재료 가공, 통신, 분광학, 의학, 그리고 지향성 에너지 무기 등이 있다.[36]
6. 한국의 파이버 레이저 기술 개발 현황
6. 1. 연구 개발 동향
6. 2. 산업 현황
6. 3. 긍정적 전망
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