"레이저"는 방사선의 자극 방출에 의한 빛 증폭의 약자입니다. 간단히 말해, 레이저는 에너지를 빛으로 변환한 다음 광학을 통해 증폭한 다음 그 빛을 고에너지 빔으로 집중시킵니다. 레이저 빛은 일반 빛과 달리 시준하거나 분산되기 쉽게 만든 다음 초점을 맞춰 에너지 밀도를 크게 높일 수 있다는 점에서 다릅니다. 레이저에는 다양한 종류가 있으며 레이저 빛의 용도는 엔터테인먼트, 과학 연구, 수술부터 첨단 및 중장비 산업 제조에 이르기까지 다양합니다.
모든 레이저는 기본적인 구성 요소를 공유합니다. 레이저는 빛의 힘을 증폭하는 데 사용되는 이득 매체로 시작하며, 레이저 이득 매체에는 가스, 염료, 다이오드, 크리스탈 및 파이버가 포함됩니다. 그런 다음 전류 또는 광원과 같은 에너지원을 사용하여 이득 매체를 펌핑합니다. 필요한 에너지가 생성되면 부분 반사판 및 전체 반사판으로 알려진 반사 재료가 레이저 출력을 제어한 다음 해당 애플리케이션에 필요한 대로 조정하고 초점을 맞춥니다.
나노미터(nm) 또는 미크론(µm) 단위로 측정되는 레이저의 파장은 광파의 연속적인 파장 사이의 거리입니다. 레이저 파장은 일반적으로 Deep UV부터 Mid-IR까지 다양하며 육안으로 볼 수 있는 범위는 ~400~700nm입니다.
재료에 따라 빛의 에너지를 흡수하는 방식이 크게 다르기 때문에 파장은 많은 애플리케이션에서 중요한 고려 사항입니다. 재료는 레이저 빔 에너지의 일부를 흡수하고 나머지는 반사하는데, 이 둘 사이의 균형을 맞추기 위해 다른 레이저 파장을 사용해야 할 수 있습니다. 파장은 현미경, 광학 트래핑, 초음파를 포함한 첨단 과학 응용 분야에서도 매우 중요합니다.
특히 금속 가공에는 약 1000nm의 근적외선 파장이 주로 사용됩니다. 근적외선 레이저가 더 높은 출력을 제공하고 덜 복잡하며 비용 효율이 높기 때문입니다. 대부분의 금속은 근적외선 또는 가시광선 영역의 빛을 효율적으로 흡수합니다. 알루미늄과 구리처럼 IR 반사율이 높은 금속도 높은 출력 밀도로 재료 반사를 극복할 수 있는 근적외선 레이저로 주로 가공합니다.
다양한 폴리머, 세라믹, 유리 및 기타 비금속은 Mid-IR부터 Deep UV까지 파장을 가진 레이저로 가공되는 경우가 많습니다. 투명한 폴리머와 유리는 실제로 투명할 뿐만 아니라 대부분의 근적외선 빛은 흡수되지 않고 거의 투과됩니다. 따라서, 때론 폴리머 또는 유리 층을 통과하여 근적외선을 쉽게 흡수하는 소재를 가공하기도 합니다.
평균 출력이라고도 하는 레이저 출력은 와트(W) 단위로 측정됩니다. 레이저의 평균 출력은 일정 시간 동안 대상 물질에 전달되는 에너지의 양을 나타냅니다. 레이저 출력 요구 사항은 애플리케이션에 따라 매우 다양합니다. 많은 감지, 데이터 처리, 통신, 의료 또는 과학 애플리케이션은 수 밀리 와트에서 수십 와트의 전력을 사용합니다. 비금속 처리 애플리케이션은 일반적으로 몇 와트에서 수백 와트의 평균 전력을 필요로 합니다. 금속 제조 애플리케이션은 일부 마이크로프로세싱 애플리케이션의 경우 수백 와트에서 두꺼운 금속 절단 및 용접 애플리케이션의 경우 수십 킬로와트 이상의 전력을 필요로 합니다.
레이저는 연속적인 광선을 방출하여 평균 전력의 일정한 흐름을 출력할 수 있으며, 이 모드를 연속파(CW)라고 하며 가장 일반적인 레이저 작동 모드입니다. 레이저는 펄스 작동 모드에서도 사용할 수 있습니다. 펄스 레이저는 초당 펄스 수(반복 속도), 레이저 펄스의 총 에너지(펄스 에너지), 펄스에 의해 달성되는 최고 출력(피크 출력), 각 펄스의 길이(펄스 지속 시간)로 특징지어집니다.
CW 레이저와 마찬가지로 펄스 레이저 출력은 시간 경과에 따른 평균 출력으로 표시됩니다. 펄스 레이저는 평균 출력이 CW 레이저와 일치하더라도 대상 재료에 따라 다르게 영향을 미칩니다. 펄스 레이저는 주변 재료에 대한 열적 영향을 최소화하면서 부품을 가공하거나 더 높은 피크 출력이 필요한 경우에 자주 사용됩니다. 롱펄스 QCW 레이저는 높은 피크 출력으로 밀리초 단위로 측정된 펄스를 사용하여 더 적은 열 입력과 더 낮은 출력의 레이저로 CW 레이저 가공을 모방합니다. 나노초 및 초고속(피코초/펨토초) 레이저는 과도한 열 입력이 허용되지 않거나 매우 높은 피크 출력이 필요한 마이크로 프로세싱 애플리케이션에 극도로 짧은 펄스를 활용합니다.
일반적으로 CW 레이저는 평균 출력이 가장 높으며 결과적으로 가장 빠른 처리 속도를 제공합니다. CW 레이저와 펄스 레이저를 결정할 때 고려해야 할 사항은 많지만, 처리량과 부품 품질 간의 균형을 맞추는 것이 가장 중요한 경우가 많습니다. 판금 절단과 같은 많은 응용 분야에서는 고출력 CW 레이저를 사용하면 절단 속도가 크게 향상되고 완벽한 가장자리 품질이 필요하지 않습니다. 그러나 초박형 포일 스택을 절단할 때는 일반적으로 나노초 및 초고속 펄스 레이저를 사용하여 우수한 에지 품질을 보장하고 부정적인 열 효과를 줄이거나 제거합니다.
왼쪽: 스팟 크기가 더 큰 멀티모드 빔 프로파일. 오른쪽: 스팟 크기가 더 작은 싱글 모드 빔 프로파일입니다.
레이저 빔이 대상 물질과 접촉하면 스폿이라고 하는 레이저 광선 영역이 형성됩니다. 일반적으로 µm 단위로 측정되는 스팟 크기는 레이저가 대상과 상호작용하는 방식을 결정하는 데 중요한 요소입니다. 스팟 크기는 다양한 파이버 및 초점 렌즈 사용, 광학계와 타겟 사이의 거리 변경, 더 길거나 짧은 파장 사용 등 다양한 방법으로 제어할 수 있습니다.
스팟 크기를 줄이면 빔의 에너지를 더 작은 영역에 집중시켜 레이저의 출력을 더 효율적으로 사용할 수 있습니다. 에너지 밀도가 높을수록 레이저 빔이 재료를 관통하는 데 걸리는 시간을 줄여 처리 속도를 높이는 데 유용합니다. 또한 작은 스폿 크기는 다양한 미세 가공 애플리케이션과 미세한 피처가 필요한 부품에 필수적입니다. 그러나 구조용 용접과 같은 많은 응용 분야에서는 더 넓은 영역을 처리하고 필요한 빔 이동을 줄이려면 스폿 크기를 늘리는 것이 최적입니다.
빔 품질, 일반적으로 M 단위로 측정2 단일 모드 레이저(일반적인 스폿 크기: 20~50 µm)와 멀티 모드 레이저(일반적인 스폿 크기: 100 µm 이상)의 경우 빔 파라미터 제품(BPP)은 실제로 레이저 빔이 얼마나 집중될 수 있는지를 나타내는 중요하고 복잡한 레이저 매개변수입니다. 낮은 M2 와 BPP 값은 높은 빔 품질에 해당합니다. 빔 품질이 M2 = 1은 빔에 발산이 발생하지 않고 완벽한 것으로 간주됨을 의미합니다. 실제 장치에서는 이를 달성할 수 없지만 산업용 파이버 레이저는 빔 품질이 M2 =< 1.1. For applications that require strongly focused beams like cutting, drilling, and welding, higher beam qualities improve processing speeds and qualities. Some applications, like wide area laser heat treatment and cleaning, do not require particularly high beam qualities, instead benefitting from less focused laser energy.
파이버 레이저는 이득 매체 역할을 하는 실리카 유리로 만들어진 파이버 케이블을 통해 빛을 유도하고 전류를 통해 펌핑합니다. 이러한 전달 방식과 전기를 빛으로 효율적으로 변환하는 기술이 결합된 파이버 레이저는 CO2 레이저와 같은 기존 레이저나 디스크 레이저 같은 대체 기술보다 많은 경우에 훨씬 더 실용적인 솔루션이 될 수 있습니다. 파이버 레이저 기술은 복잡한 광학 장치, 빈번한 서비스 관리 또는 소모품이 필요 없으며, 시스템과의 통합이 훨씬 쉬워 레이저 기반 제조, 의료 응용 분야 및 과학적 노력에 혁신적인 영향을 미쳤습니다.
파이버의 고유한 특성 덕분에 파이버는 이상적인 액티브 이득 매체 및 레이저 공진기 재료로 사용됩니다. 유연하고 다루기 쉬우며 다양한 길이를 지원할 수 있는 파이버의 거대한 표면 대 부피 종횡비는 열 제거를 용이하게 하고 열 렌즈를 방지하는 데 도움이 됩니다. 다양한 유형, 구성 및 코어 직경의 파이버를 접합하여 펌프 소스, 광학 증폭 및 빔 전달 파이버를 결합한 복잡한 광학 시스템을 구성할 수 있으며, 자유 공간 광학 및 오염, 손상 및 오정렬의 고유한 위험 없이도 가능합니다.
당사의 고유한 기술 플랫폼을 통해 IPG 레이저는 다른 경쟁 레이저 기술보다 더 낮은 비용으로 더 높은 출력과 우수한 빔 품질을 구현할 수 있습니다. 당사의 독점적인 설계는 수십 년에 걸친 집중적인 투자와 혁신을 통해 완성된 혁신적인 펌핑 기술과 고성능 부품을 기반으로 합니다. IPG 파이버 레이저 기술의 초석은 클래딩 사이드 펌핑 기술과 분산형 싱글 이미터 다이오드 펌핑 아키텍처입니다.
동급 최고의 다이오드 펌프 기술은 방대한 통신 산업 경험과 기술 투자를 활용합니다. 당사의 싱글 이미터 다이오드는 통신 분야에서 검증된 기술과 공정을 사용하여 제조되며, 각 웨이퍼는 엄격한 통신 산업 표준을 충족하므로 수명이 짧은 다이오드 바 및 바 스택 기술을 사용하는 다른 산업용 펌프 제품과는 차별화됩니다. 그 결과 IPG 싱글 이미터 다이오드는 바 스택 펌프보다 훨씬 더 높은 펌프 밝기와 최대 2배의 전력 효율을 제공합니다. 싱글 이미터 펌프는 고압 탈이온수를 사용하는 비싸고 불안정하며 복잡한 마이크로 채널 쿨러가 필요한 바 스택과 달리 간단한 물 또는 강제 공기 냉각을 사용할 수 있습니다.
파이버 레이저는 시준된 레이저 출력을 생성하기 위해 레이저 다이오드에서 빛을 결합하고 수집해야 합니다. IPG 싱글 이미터 다이오드의 출력은 코어 직경이 100마이크론 정도로 작은 파이버로 수집됩니다. 발렌틴 가포체프 박사와 이고르 사마르세프 박사가 개발한 사이드 펌핑 기술을 사용하여 많은 펌프 다이오드의 빛을 액티브 이득 파이버의 클래딩에 효율적으로 결합합니다. 펌프 빛은 클래딩 내에서 여러 번의 반사를 거치면서 빛이 희토류 이온에 의해 흡수되고 재방출되는 싱글 모드 코어와 자주 교차합니다. 이 우아한 메커니즘은 다이오드 빛을 뛰어난 효율로 파이버 레이저 빛으로 변환합니다.
밀리 와트 출력에서 100킬로와트 이상, UV에서 중적외선까지, 연속파에서 펨토초 펄스에 이르기까지 IPG 레이저는 업계 최고의 기술을 바탕으로 재료 가공, 의료 작업 및 과학적 노력을 포함한 다양한 응용 분야에서 결과를 최적화합니다.
가장 광범위한 파이버 레이저와 파이버 레이저 기능으로 생산성을 극대화하고 더 많은 것을 가능하게 하는 방법에 대해 자세히 알아보세요.
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