레이저 작동 모드

레이저는 연속적으로 빔을 방출하여 일정한 평균 출력을 유지하는데 이러한 출력 모드를 연속파(Continuous Wave; CW) 라고 하며, 가장 일반적인 레이저 작동 모드입니다. 또한 레이저는 펄스 모드로도 작동할 수 있습니다. 펄스 레이저는 초당 펄스 수(반복률), 레이저 펄스의 총 에너지(펄스 에너지),펄스 최고 출력(피크 출력), 각 펄스의 길이(펄스 지속 시간)으로 특성을 파악할 수 있습니다.

연속파(CW) 레이저와 마찬가지로, 펄스 레이저의 출력도 시간에 따라 평균 출력으로 표현됩니다. 펄스 레이저는 평균 출력이 연속파와 일치하더라도, 대상 재료에 열적 영향을 최소화하거나 높은 피크 출력이 필요한 경우에 주로 사용됩니다. 장파장 펄스 준연속파(Long pulse quasi-continuous wave) 레이저는 밀리초 단위의 펄스를 사용하여 높은 피크 출력을 발생시킬 수 있으며, 적은 열 발생과 CW레이저 보다 낮은 출력으로 유사한 효과를 구현할 수 있습니다. 나노초 및 초고속(피코초/펨토초) 레이저는 극히 짧은 펄스를 활용하여 과도한 열 발생이 허용되지 않는 마이크로 가공 분야나 높은 피크 출력이 필요한 경우에 사용됩니다.

일반적으로 CW레이저는 가장 높은 평균 출력을 발생시켜 빠른 가공 속도를 구현할 수 있습니다. CW레이저와 펄스 레이저 중 선택 시에 고려할 요소가 많지만, 가공 품질과 생산성의 균형을 맞추는 것이 가장 중요합니다. 예를 들어, 판금 절단 시 완벽한 엣지 품질이 필요하지 않을 때 고출력 CW레이저를 사용하면 절단 속도를 빠르게 하여 작업이 가능합니다. 반면, 초박막 포일을 여러 겹 쌓아 절단할 때는 나노초 또는 초고속 펄스 레이저를 사용하면 우수한 엣지면을 유지하면서도 열로 인한 부정적 영향을 최소화하거나 제거하여 작업할 수 있습니다.

왼쪽: 멀티모드 빔 프로파일. 오른쪽: 싱글 모드 빔 프로파일

레이저 스팟 크기 및 빔 품질

레이저 빔이 타겟 소재와 접촉하면 스팟(spot)이라고 불리는 레이저 광 영역이 형성됩니다. 일반적으로 µm 단위로 측정되는 스팟 크기는 레이저가 타겟에 어떤 영향을 미치는지 알 수 있는 중요한 요소입니다. 스팟 크기는 다양한 방법으로 조절할 수 있으며 대표적으로 딜리버리 파이버와 포커싱 렌즈를 변경하거나, 빔 딜리버리 장치와 타겟 간 거리 조정 및 파장 길이를 조절하는 방법이 있습니다.

스팟 크기를 줄이면 작은 영역에 빔 에너지가 집중되어 밀도가 높아지고 레이저 출력을 더욱 높일 수 있습니다. 에너지 밀도가 높아지면 레이저가 재료를 관통하는 시간이 단축되어 가공 속도가 빨라집니다. 또한, 작은 스팟 크기는 미세 가공 및 정밀한 형상이 요구되는 부품 제조에 필수적입니다. 반면, 구조 용접과 같은 일부 분야에서는 넓은 영역을 한 번에 가공할 수 있도록 하여 빔 이동 거리를 줄이고, 보다 균일한 가공 품질을 제공할 수 있기 때문에 스팟 크기를 크게 하여 작업하는 것이 더 효과적입니다.

빔 품질(Beam Quality)은 레이저의 초점 조절 능력을 나타내는 중요한 파라미터로, 단일 모드 레이저에서는 M² 값(일반적인 스팟 크기 : 20 ~ 50µm)으로, 멀티 모드 레이저에서는 빔 파라미터 곱(Beam Parameter Product; BPP)(일반적인 스팟 크기 : 100µm 이상)을 사용합니다. M² 및 BPP 값이 낮을수록 빔 품질이 우수함을 의미하며 M² = 1은 빔 확산(divergence)이 전혀 없는 이상적인 상태를 의미합니다. 실제 장치는 완벽하게 이상적인 값이 나오기는 어렵기 때문에 산업용 파이버 레이저는 M² ≤ 1.1 수준의 높은 빔 품질을 안정적으로 공급합니다.컷팅, 드릴링, 용접과 같은 밀도 높은 초점이 필요한 작업 시에는 가공 속도와 품질이 향상됩니다. 반면, 광범위한 영역의 레이저 열처리 또는 클리닝과 같은 일부 응용 분야는 높은 빔 품질이 필수적이지 않으며, 오히려 빔이 덜 집중된 레이저가 작업에 유리할 수 있습니다.² 2² 3² 4² =< 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.

IPG의 독자적인 기술은 다른 레이저 기술보다 더 높은 출력, 우수한 빔 품질, 그리고 낮은 비용을 동시에 실현할 수 있도록 합니다. IPG는 수십 년간 투자 및 혁신을 통해 혁신적인 펌핑 기술과 고성능 컴포넌트에 관한 고유한 설계 기술을 갖추고 있습니다. IPG 파이버 레이저 기술의 핵심은 클래딩 사이드 펌핑(cladding side-pumping)기술과 분산형 싱글 이미터 다이오드 펌핑(distributed single-emitter diode pumping) 아키텍처입니다.

다이오드 펌핑 기술

IPG는 통신 산업에 대한 경험과 기술 투자를 기반으로 최고 수준의 다이오드 펌프 기술을 보유하고 있으며, 이를 통해 검증된 싱글 이미터 다이오드 기술과 공정을 갖추고 제조하고 있습니다. 각 웨이퍼는 엄격한 통신 업계 표준을 충족하도록 품질 관리되고 있으며 이러한 차별화된 기술력으로 IPG는 단수명 다이오드 바와 바스택 기술을 사용하는 기존 산업용 펌프 제품과 뚜렷한 차이를 가지고 있습니다. 이 차이의 결과로 IPG의 싱글 이미터 다이오드는 기존 바 스택 펌프 대비 훨씬 높은 펌핑 밝기와 최대 2배 향상된 전력 효율을 구현합니다. 또한, 싱글 이미터 펌프는 간단한 수냉 또는 강제 공냉만으로도 가능하지만 바 스택 펌프는 고압 탈이온수를 사용하고 다소 신뢰성이 낮고 관리가 복잡한 마이크로채널 냉각 시스템을 필요로 합니다.

자세히 알아보기

사이드 펌핑 기술

파이버 레이저는 콜리메이트된 레이저 출력을 만들기 위해 레이저 다이오드에서 방출된 빛을 수집하고 전달합니다. IPG 싱글 이미터 다이오드는 100마이크론 만큼 작은 코어 지름을 가진 광섬유에 빛을 효율적으로 집속시킬 수 있습니다. 이러한 사이드 펌핑 기술은 Valentin Gapontsev 박사와 Igor Samartsev 박사에 의해 개발되었으며 이 기술을 활용하여 여러 개 펌프 다이오드에서 나온 빛을 효율적으로 이득 매체인 광섬유 클래딩에 전달할 수 있는데, 클래딩 내부에서 펌프 광원은 다중 반사를 거치면서 단일 모드 코어와 여러 번 교차하게 되며, 이 과정에서 희토류(rare-earth) 이온이 빛을 흡수하고 재방출됩니다. 이러한 정교한 매커니즘의 원리로 다이오드 광원이 높은 효율로 파이버 레이저 광원으로 변환됩니다.