CO2 레이저 및 응용 분야 이해

I. 소개

1964년 파텔은 10.4마이크론과 9.4마이크론에 가까운 파장에서 연속 레이저 출력과 CO2 가스 방출을 달성하여 세계 최초의 CO2 분자 레이저를 탄생시켰습니다.

상당한 전력과 높은 에너지 변환 효율을 자랑합니다.

CO2 분자의 진동-회전 에너지 레벨 사이의 전환을 활용하여 풍부한 스펙트럼을 생성합니다. 10미크론에 가까운 레이저 출력에는 수십 개의 스펙트럼 라인이 있습니다. 산업, 군사, 의료, 과학 연구 분야에서 광범위하게 응용되어 우리 생활에 많은 편의를 가져다주었습니다.

1966년 공기역학 CO2 레이저가 탄생하면서 CO2 레이저 기술에 대한 큰 관심을 불러일으켰습니다. 레이저 기술에 공기역학이 도입되면서 CO2 레이저 사용에 대한 광범위한 전망이 열렸습니다.

과학 기술의 발전과 함께 전 세계의 레이저 기술도 그에 따라 발전했습니다. 이산화탄소 레이저는 현재 연속 출력이 높은 레이저 중 하나입니다. 초기 개발 및 성숙한 상용 제품은 재료 가공, 의료용, 군사 무기 및 환경 측정과 같은 분야에서 널리 사용되었습니다.

레이저의 개발과 응용에 있어 CO2 레이저의 개발과 적용은 더 일찍, 더 자주 이루어졌습니다. 1970년대 후반에 이미 CO2 레이저는 산업 공정 및 의료용으로 해외에서 직접 수입되었습니다.

1980년대 후반부터 CO2 레이저는 재료 가공 분야에 널리 도입되어 적용되었습니다.

이 기사에서는 주로 CO2 레이저의 기본 원리와 구조를 소개하고 세 가지 측면에서 CO2 레이저의 응용에 중점을 둡니다. 마지막으로 CO2 레이저의 현재 연구 현황과 향후 전망에 대해 소개합니다.

II. 레이저

2.1 레이저 생산을 위한 세 가지 조건

레이저를 생산하려면 세 가지 조건이 필요합니다:

(1) 레이저 작업 재료로서 증폭을 제공하는 이득 매체로, 활성화된 입자(원자, 분자 또는 이온)는 자극 방출에 적합한 에너지 레벨 구조를 가집니다;

(2) 입자를 낮은 에너지 레벨에서 높은 에너지 레벨로 펌핑하여 레이저의 상위 및 하위 에너지 레벨 간에 입자 수 반전을 일으키는 외부 여기 소스입니다;

(3) 활성화된 매체의 작동 길이를 연장하고 광선의 방향을 제어하며 단색성을 향상시키기 위해 자극 방출 광의 주파수를 선택하는 광학 공진기입니다.

2.2 레이저의 특성

레이저는 일반 광원에 비해 방향성이 우수하고 밝기가 매우 높으며 단색성이 우수하고 일관성이 높다는 네 가지 주요 특징을 가지고 있습니다.

2.3 레이저 장치

레이저 장치는 레이저를 방출할 수 있는 메커니즘입니다. 최초의 마이크로파 양자 증폭기는 1954년에 만들어져 매우 일관된 마이크로파 빔을 생성합니다.

1958년 A.L. Schawlow와 C.H. Townes는 마이크로파 양자 증폭기의 원리를 광 주파수 범위로 확장하고 레이저를 생성하는 방법을 설명했습니다.

1960년 T.H. 마이만과 그의 팀이 최초의 루비 레이저를 제작했습니다. 1961년에는 A. Javan 등이 헬륨-네온 레이저를 제작했고, 1962년에는 R.N. Hall과 그의 팀이 갈륨 비소 반도체 레이저를 만들었습니다. 그 이후로 레이저의 종류는 계속 확장되어 왔습니다.

자유 전자 레이저를 제외하면 다양한 레이저의 기본 작동 원리는 동일합니다.

레이저를 생성하기 위한 필수 조건은 입자 수 반전과 손실을 초과하는 이득이므로 시스템의 필수 구성 요소에는 여기(또는 펌프) 소스와 준안정 에너지 수준을 가진 작동 매체가 포함됩니다.

여기란 작동 매체가 외부 에너지를 흡수한 후의 여기 상태로, 입자 수 반전을 달성하고 유지하기 위한 조건을 만듭니다. 여기 방법에는 광학 여기, 전기 여기, 화학 여기, 핵 에너지 여기가 있습니다.

준안정 에너지 레벨을 갖는 작동 매체는 자극된 방사선을 지배하여 빛 증폭을 달성할 수 있습니다. 레이저 장치의 일반적인 구성 요소에는 공진 캐비티도 포함됩니다.

그러나 공진 캐비티(광학 공진 캐비티 참조)는 필수 구성 요소는 아닙니다. 공진 캐비티는 캐비티 내의 광자의 주파수, 위상 및 방향을 정렬하여 레이저에 뛰어난 방향성과 일관성을 제공할 수 있습니다.

또한 공진 캐비티의 길이를 변경하여 작업 재료의 길이를 효과적으로 단축하고 생성되는 레이저의 모드를 조정할 수 있습니다. 따라서 대부분의 레이저 장치에는 공진 캐비티가 있습니다.

많은 레이저의 종류. 아래에서는 레이저 가공 재료, 여기 방식, 작동 모드에 따라 분류하여 소개합니다.

(1) 작업 자료별

레이저는 작업 재료의 상태에 따라 여러 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

고체(크리스탈 및 유리) 레이저;

가스 레이저는 다시 원자 가스 레이저, 이온 가스 레이저, 분자 가스 레이저, 준분자 가스 레이저로 나뉩니다;

액체 레이저의 작동 재료는 주로 유기 형광 염료 용액과 희토류 금속 이온이 포함된 무기 화합물 용액의 두 가지 유형이 있습니다;

반도체 레이저;

자유 전자 레이저.

(2) 여기 방법별

광학 펌핑 레이저;

전기 여기 레이저;

화학 레이저 ③ 화학 레이저;

핵펌프 레이저 ④.

(3) 작동 모드별

레이저의 작동 재료, 여기 방법 및 적용 목적이 다르기 때문에 작동 모드와 작동 상태도 다양합니다. 레이저는 몇 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다:

연속 레이저;

단일 펄스 레이저;

반복적인 펄스 레이저;

변조 레이저 ④;

모드 잠금 레이저;

단일 모드 및 주파수 안정 레이저;

조정 가능한 레이저.

III. CO2 레이저의 원리

3.1 CO2 레이저의 기본 구조

그림 1에 표시된 것처럼 일반적인 CO2 레이저 구조가 표시됩니다. CO2 레이저의 공진 캐비티를 형성하는 두 개의 거울은 조정 가능한 캐비티 랙에 배치됩니다. 가장 간단한 방법은 방전 튜브의 양쪽 끝에 미러를 직접 부착하는 것입니다.

기본 구조:

레이저 튜브

이것은 레이저에서 가장 중요한 부분입니다. 일반적으로 그림 1과 같이 방전 공간(방전관), 수냉 재킷(튜브), 가스 저장소의 세 부분으로 구성됩니다(그림 2 참조).

방전관은 일반적으로 단단한 유리로 만들어지며 계단식 실린더 구조를 사용하는 경우가 많습니다. 이는 레이저의 출력과 레이저 출력의 파워에 영향을 미칩니다. 방전관의 길이는 출력 전력에 비례합니다.

특정 길이 범위 내에서 방전관 1미터당 전력 출력은 총 길이에 따라 증가합니다.

일반적으로 방전관의 두께는 출력 전력에 영향을 미치지 않습니다. 수냉식 재킷 튜브는 방전 튜브와 마찬가지로 단단한 유리로 만들어집니다.

그 기능은 작동 가스를 냉각하여 출력 전력을 안정화하는 것입니다. 가스 저장 튜브는 방전 튜브의 양쪽 끝에 연결되어있어 가스 저장 튜브의 한쪽 끝에는 방전 튜브에 연결된 작은 구멍이 있고 다른 쪽 끝은 나선형 리턴 가스 튜브를 통해 방전 튜브에 연결됩니다.

이 기능은 가스가 방전관 내에서 순환하도록 하여 지속적인 가스 교환을 촉진하는 것입니다.

광학 공진기 ② 광학 공진기

광학 공진기는 전체 반사 거울과 부분 반사 거울로 구성되며 CO2 레이저의 중요한 부분을 차지합니다.

광학 공진기는 일반적으로 광선 전파 방향 제어, 단색성 향상, 모드 선택, 활성 매체의 작동 길이 연장 등 세 가지 기능이 있습니다.

가장 간단하고 가장 일반적으로 사용되는 레이저의 광학 공진기는 두 개의 평면 거울(또는 구형 거울)이 서로 마주보도록 배치된 구조로 되어 있습니다. CO2 레이저의 공진기는 종종 평평한 오목한 공동을 사용하며, 반사 거울은 K8 광학 유리 또는 광학 석영으로 만들어져 곡률 반경이 큰 오목한 거울로 가공됩니다.

거울 표면에 반사율이 높은 금속 필름인 금막을 증착하여 파장 10.6μm의 빛에 대해 98.8%의 반사율을 달성하고 안정적인 화학적 특성을 가지고 있습니다.

이산화탄소가 방출하는 빛은 적외선이므로 거울은 적외선을 투과할 수 있어야 합니다. 일반적인 광학 유리는 적외선에 불투명하기 때문에 전체 반사 거울의 중앙에 작은 구멍을 뚫고 10.6μm 레이저를 투과할 수 있는 재료로 봉인해야 합니다.

이렇게 하면 가스가 밀봉되고 공진기의 레이저 일부가 이 작은 구멍을 통해 캐비티를 빠져나가 레이저 빔을 형성합니다.

전원 공급 장치 및 펌프

펌프 소스는 작업 재료의 상부 에너지 레벨과 하부 에너지 레벨 사이에 인구 반전을 일으키는 에너지를 제공합니다. 밀폐형 CO2 레이저의 방전 전류는 차가운 음극을 사용하여 작으며 음극은 몰리브덴 또는 니켈로 원통형으로 만들어집니다.

작동 전류가 30~40mA이고 음극 실린더 면적이 500cm2인 경우 미러가 오염되지 않습니다. 음극과 거울 사이에 광 차단막이 추가됩니다.

3.2 CO2 레이저의 기본 작동 원리

그림 2에서 볼 수 있듯이 이 다이어그램은 CO2 레이저에서 레이저 발생을 담당하는 분자 에너지 레벨을 보여줍니다.

그림 2에서 확인할 수 있듯이 CO2 레이저의 여기 과정에는 주로 세 가지 가스가 사용됩니다: CO2, 질소, 헬륨입니다. CO2는 다음을 생성하는 가스입니다. 레이저 방사를 주 가스로 사용하고 질소와 헬륨은 보조 가스로 사용합니다.

헬륨은 010 레벨의 열 이완 과정을 가속화하여 100 및 020 레벨에서 추출을 돕고 효과적인 열 전달을 촉진하는 두 가지 용도로 사용됩니다.

질소의 도입은 주로 CO2 레이저의 에너지 전달을 촉진하여 CO2 레이저의 높은 에너지 수준에서 입자의 축적과 고출력, 고효율 레이저의 출력에 크게 기여합니다.

이 펌프는 연속 DC 전원 여기를 사용합니다. DC 전원 원리는 변압기를 사용하여 연결된 AC 전압을 변환한 다음 고전압을 정류 및 필터링하여 레이저 튜브에 적용하는 것입니다.

CO2 레이저는 작업 매체의 손상을 최소화하는 고효율 레이저입니다. 10.6μm의 파장으로 눈에 보이지 않는 레이저를 방출하여 이상적인 레이저입니다.

가스의 작동 조건에 따라 폐쇄형과 순환형으로 나눌 수 있습니다. 여기 방식에 따라 전기 여기, 화학 여기, 열 여기, 광학 여기, 핵 여기 등으로 나눌 수 있습니다. 의학에 사용되는 거의 모든 CO2 레이저는 전기 여기 방식입니다.

CO2 레이저의 기본 작동 원리는 다른 분자 레이저와 유사하며, 자극 방출 과정은 다소 복잡합니다.

분자의 전자 에너지 상태를 결정하는 분자 내 전자의 움직임, 분자의 진동 상태를 결정하는 분자 내 원자의 진동, 즉 원자가 평형 위치를 중심으로 주기적으로 진동하여 분자의 진동 에너지 상태를 결정하는 분자의 회전, 분자의 회전 에너지 상태를 결정하는 공간 전체에서 분자가 지속적으로 회전하는 분자의 회전 등 세 가지 움직임이 있습니다.

분자의 움직임은 매우 복잡하기 때문에 에너지 준위도 복잡합니다.

CO2 레이저의 레이저 생성: 방전관에는 일반적으로 수십에서 수백 밀리암페어의 DC 전류가 입력됩니다.

방전하는 동안 방전관 내의 혼합 기체에 포함된 질소 분자는 전자 충돌로 인해 여기됩니다. 여기된 질소 분자는 CO2 분자와 충돌합니다.

N2 분자는 자신의 에너지를 CO2 분자로 전달하여 CO2 분자가 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이되어 인구 역전이 일어나고 결과적으로 레이저가 생성됩니다.

3.3 CO2 레이저의 장단점

다른 레이저와 비교했을 때 CO2 레이저는 다음과 같은 장단점이 있습니다:

장점:

이들은 우수한 방향성, 단색성 및 주파수 안정성을 보여줍니다. 가스의 밀도가 낮기 때문에 여기 입자의 고밀도를 달성하기가 어렵기 때문에 CO2 가스 레이저 는 일반적으로 고체 레이저보다 낮습니다.

단점:

CO2 레이저의 에너지 변환 효율은 상당히 높지만 40%를 넘지 않습니다. 이는 60% 이상의 에너지가 가스의 열 에너지로 변환되어 온도가 상승한다는 것을 의미합니다. 가스 온도가 상승하면 상위 레이저 레벨의 인구 감소와 하위 레벨의 열 여기가 발생할 수 있으며, 둘 다 입자 반전 횟수를 감소시킵니다.

또한 가스 온도가 상승하면 스펙트럼 라인이 넓어져 이득 계수가 감소할 수 있습니다.

특히 가스 온도가 상승하면 CO2 분자가 분해되어 방전관 내 CO2 분자의 농도가 감소할 수 있습니다. 이러한 요인은 레이저의 출력을 감소시키고 심지어 '열 급냉'으로 이어질 수 있습니다.

IV. CO2 레이저의 응용

4.1 군용 애플리케이션

최근 몇 년 동안 CO2 레이저의 꾸준한 발전은 군사 분야에서 주목할 만한 성과를 거두었습니다. 새로운 개념의 레이저 무기는 빠른 속도, 우수한 방향성, 높은 에너지 밀도, 높은 운영 효율성 등 기존의 재래식 무기에 비해 유리한 점으로 인해 새로운 세기의 무기로 선호되고 있습니다.

고에너지 레이저 무기는 미래 무기 개발의 방향을 제시하며 군사 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. 레이저 무기는 현재의 전장 환경과 전쟁 양상을 근본적으로 변화시켜 미래 분쟁의 성격을 크게 변화시킬 것입니다.

고출력의 고에너지 공기역학 CO2 레이저는 고에너지 레이저 무기 개발을 위해 여러 나라에서 설계되었습니다.

레이저 미사일 방어 또는 레이저 대미사일 전술의 기본 기능은 빛의 속도로 이동하는 고에너지 레이저를 사용하여 음속으로 움직이는 미사일이나 기타 비행 물체를 파괴하는 것입니다.

이 분야는 CO2 레이저의 상당한 장점으로 인해 CO2 레이저가 지배하고 있다고 자신 있게 말할 수 있습니다.

현재 육군은 지상 기반의 소형 레이저 미사일 시스템을, 공군은 공중 레이저 미사일 시스템을, 해군은 함정 레이저 미사일 시스템을 도입하고 있으며 모두 고에너지 CO2 레이저를 사용하고 있습니다.

미래 CO2 레이저 무기의 주요 특징은 초고출력과 높은 휴대성입니다. 고에너지 레이저는 미래 전투 시스템의 중요한 구성 요소가 될 것이며, 대감시, 능동 방호, 방공, 지뢰 제거에 기여할 것입니다.

높은 휴대성은 개별 병사의 전투 능력을 크게 향상시켜 각 병사의 역할을 극대화 할 수 있지만 현재이 아이디어는 이론적이지만. 여러 국가의 레이저 무기가 이러한 방향으로 개발되고 있습니다.

미래의 CO2 레이저 무기는 높은 기능성, 휴대성, 치명적인 효율성으로 진화할 것으로 예상됩니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이

4.2 의료용 애플리케이션

지난 20년 동안 레이저 기술은 의료 분야에서 빠르게 발전하여 많은 질병과 선천성 장애를 효과적으로 치료하고 있습니다.

프리빔 CO2 레이저는 종종 피부 조직과 비접촉 방식으로 수술에 사용되며, 기계적 손상을 줄이고 주변 조직을 보호하며 무균 상태를 더 쉽게 유지하는 등 기존 수술에 비해 다양한 이점을 제공합니다.

다른 레이저 수술에 비해 CO2 레이저 메스는 절단력이 강하고 조직 흡수 계수가 높으며 조직 침투 농도(약 0.23mm)가 더 작습니다. 따라서 수술 중 동맥 손상 가능성이 적어 임상 수술 치료에 연속 CO2 레이저가 널리 사용되고 있습니다.

그러나 임상에서 연속 CO2 레이저의 조직 손상은 비선택적이기 때문에 수술 후 피부 흉터와 같은 부작용을 초래하는 경우가 많습니다. 또한 병변의 절단 또는 기화는 정상 조직에 다양한 정도로 해를 끼칠 수 있으므로 요구 사항이 높은 수술에는 적합하지 않습니다. 이는 의료 분야에서 CO2 레이저의 추가 적용을 상당히 제한합니다.

1983년 애더슨과 패리쉬는 비손상 레이저 치료를 위한 '선택적 광열분해' 원리를 제안했습니다.

레이저가 정상 조직을 통과하여 목표 병변에 도달할 때 병변의 레이저 흡수 계수가 정상 조직보다 높아야 하며, 그 차이가 클수록 목표 병변을 파괴할 때 정상 조직이 손상되지 않는다는 것이 핵심 아이디어입니다.

대상 조직의 열 이완 시간은 레이저의 펄스 폭 또는 작용 시간보다 길어야 레이저 가열 과정에서 열이 주변 정상 조직으로 퍼지는 것을 방지할 수 있습니다.

'선택적 광열분해'의 원리를 기반으로 1990년대에는 울트라 펄스 CO2 레이저 치료기로 대표되는 고에너지 펄스 의료기기가 등장했습니다.

이러한 장치는 성공적으로 적용되어 요구 사항이 높은 응용 분야에서 획기적인 발전을 이루었으며, 특히 레이저 화장품 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 발전 가능성은 매우 넓습니다.

울트라 펄스 CO2 레이저는 첨단 펄스 기술과 PWM 전력 제어 기술을 사용합니다. 이는 레이저의 피크 출력을 빠르게 증가시켜 표적 조직에 충분한 에너지를 제공할 뿐만 아니라 PWM 신호를 통해 각 펄스의 폭과 반복 주파수를 정밀하게 제어합니다.

목표 조직의 열 이완 시간을 계산하여 펄스 폭을 제어하면 최적의 수술 결과를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 모세혈관의 열 이완 시간은 약 10μs이므로 10μs보다 작은 펄스 폭이 필요하고, 피부 조직의 열 이완 시간은 약 1ms이므로 피부 재건 및 주름 제거에 사용되는 레이저 장치의 경우 1ms보다 작은 펄스 폭이 필요합니다.

최신 레이저 기기와 10년 전 레이저 기기의 가장 큰 차이점은 펄스 폭을 정밀하게 제어하여 최신 레이저 치료의 안전성을 근본적으로 보장한다는 점입니다.

울트라 펄스 CO2 레이저 치료기는 연속 CO2 레이저 메스와 공통된 특성을 공유할 뿐만 아니라 장점도 있습니다. 고에너지, 고반복 펄스 레이저를 출력할 수 있어 "레이저 선택적 광열분해"의 운영 요구 사항을 충족합니다.

표적 병변 조직을 빠르고 효과적으로 제거하여 정상 조직에 대한 레이저 손상을 최소화하고 의료 클리닉의 정확성과 안전성을 크게 높일 수 있습니다.

임상 실습에 따르면 동일한 수술을 수행할 때 다음과 같은 결과가 나타납니다. 레이저 파워 펄스 레이저에 사용되는 펄스 레이저는 연속 레이저보다 훨씬 낮습니다.

따라서 레이저 수술로 인한 조직 반응이 가볍고 주변 조직 손상이 적으며 시간이 짧고 치료 중 연기가 적게 발생하여 시야가 선명합니다.

울트라 펄스 CO2 레이저는 이비인후과, 산부인과, 신경외과, 일반외과 및 에스테틱 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

브릿지 테라피를 도입한 루메니스는 이비인후과 및 에스테틱 분야에서 사용되는 노바펄스 시리즈 등 다양한 CO2 레이저 치료기를 연구 및 생산하고 있습니다.

다른 예로는 폴란드의 CTL사가 생산한 수술용 기기인 모델 CTL1401과 일본 나노 레이저의 구강 수술용 CO2 레이저 치료 기기인 GL-Ⅲ가 있습니다.

4.3 산업용 애플리케이션

(1) CO2 레이저 커팅 기술

레이저 절단 기술은 금속 및 금속 가공에 광범위하게 사용됩니다. 비금속 재료. 처리 시간을 크게 단축하고 비용을 절감하며 공작물의 품질을 향상시킵니다.

레이저 커팅은 레이저 포커싱 후 생성되는 고출력 밀도 에너지로 이루어집니다.

기존과 비교 판금 가공 레이저 커팅은 뛰어난 커팅 품질, 속도, 유연성(임의의 모양 허용), 광범위한 재료 적용성을 제공합니다.

다음과 같은 측면에서 금속 절단CO2 레이저 커팅의 주요 영역을 구성합니다. 현재 고출력 레이저 절단기는 경제적 요인을 고려하여 일반적으로 스테이션 가공 형식의 하도급에 사용됩니다.

국내 중출력 CO2 레이저의 성숙과 함께 다양한 판금 공장들이 자체 레이저 커팅기를 구매하면서 수요가 크게 증가할 것으로 예상됩니다.

비금속 절단은 다이 템플릿 절단, 목재 및 고밀도 섬유판 절단, 플라스틱 절단에 적용됩니다.

(2) CO2 레이저 용접 기술

레이저 용접은 주로 다음의 연결에 사용되는 재료 접합 방법입니다. 금속 소재. 기존과 유사 용접 기술연결 영역에서 재료를 녹여 두 구성 요소 또는 부품을 연결합니다.

레이저 에너지의 농도가 높기 때문에 가열 및 냉각 과정이 놀라울 정도로 빠릅니다.

취성, 높은 경도 또는 강한 유연성으로 인해 표준 용접 기술로 가공하기 어려운 재료는 레이저로 쉽게 관리할 수 있습니다.

반면에 레이저 용접 기계적 접촉이 없으므로 용접 부위가 스트레스를 받아 변형되지 않도록 쉽게 보장할 수 있습니다.

합금 연결을 달성하기 위해 최소한의 재료를 녹임으로써 용접 품질 가 크게 향상되고 생산성이 향상됩니다.

레이저 용접은 깊은 용접 솔기 열 영향 영역을 최소화하여 우수한 품질을 제공합니다.

예를 들어, 금속 박판 용접에서 중출력 CO2 레이저는 적층과 같이 두께가 1mm 미만인 금속 박판 용접에 적합합니다. 실리콘 강판 자동차 부품, 발전기, 와이퍼, 시동기, 창문 리프터 등에 자주 사용됩니다.

이전에는 펀칭과 리벳으로 고정했지만 이제는 레이저로 용접할 수 있습니다.

배터리 용접, 특히 탭 용접, 안전 밸브 용접, 음극 용접, 쉘 밀봉 용접과 같은 리튬 배터리 생산에서 레이저 용접은 매우 다양하고 많은 수의 레이저 용접기.

정밀 기기 부품의 레이저 용접에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 스테인리스 스틸 용접 다이어프램 및 항공 기기 케이스.

V. CO2 레이저의 연구 현황 및 향후 전망

5.1 CO2 레이저의 연구 현황

CO2 레이저는 처음 개발된 이래 거의 50년 동안 인류의 관심을 집중시켜 왔습니다. 이 유형의 가스 레이저는 CO2 가스를 작동 매체로 사용하여 작동합니다. CO2 레이저는 가스 레이저의 중요한 범주입니다.

현재 CO2 레이저의 주요 연구 방향은 다음과 같습니다:

1. 고효율 CO2 레이저.

의심할 여지 없이 고체 레이저에 비해 효율이 매우 높습니다. 그러나 전반적으로 CO2 레이저 자체에 비해 효율성은 여전히 상대적으로 낮습니다.

1964년에는 N2를 사용하여 3%의 변환 효율을 달성했고, 1965년에는 CO2-N2-He 가스를 혼합하여 변환 효율이 6%에 달했습니다. 현재까지 최고 효율은 60%를 넘지 않습니다.

많은 기업들이 효율성 개선을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 미국 회사 Datong은 CO2 레이저에서 약 60%의 효율을 달성했습니다.

2. 소형 다기능 CO2 레이저.

현재 대부분의 CO2 레이저는 단일 기능을 가지고 있으며 매우 특정한 작업만 수행할 수 있습니다. 대형 병원에서 주근깨와 제모를 위해 사용하는 CO2 레이저는 부피가 상당히 크지만, 그 구조는 근본적으로 동일합니다. 다기능 CO2 레이저를 사용하면 물리적 부피가 작아지고 상대적으로 가격도 훨씬 저렴해집니다.

3. 고출력 CO2 레이저 3.

고출력은 항상 군사적으로 추구해 왔습니다. 이런 점에서 일부 국내 군수 기업의 연구 수준은 상대적으로 낙후되어 있습니다. 미 공군은 고출력 CO2 레이저를 가장 먼저 연구하기 시작했습니다.

CO2 레이저 탄생 11주년이 되던 1975년, 미 공군은 30KW에 달하는 출력을 가진 CO2 레이저를 개발했습니다. 1988년, 연구된 CO2 레이저의 출력은 380KW에 달했습니다.

미군이 발표한 일부 데이터에 따르면, 개발된 CO2 레이저의 출력은 현재 수십 메가 와트 수준에 도달했습니다.

4. 산업 기술 연구.

CO2 레이저가 지배하는 분야 레이저 가공레이저는 용접, 절단, 열처리, 청소 등에 널리 사용됩니다. 레이저의 품질과 출력은 매우 정밀한 요구 사항을 가지고 있습니다.

따라서 산업용 CO2 레이저는 고품질 레이저 빔과 안정적인 출력 전력을 갖춰야 합니다.

레이저 응용 분야는 이미 광학, 의학, 원자력, 천문학, 지리학, 해양학 등의 분야에 침투하여 새로운 기술 혁명의 발전을 이끌고 있습니다.

레이저 개발의 역사를 전자 및 항공의 역사와 비교해 보면 우리는 아직 레이저 개발의 초기 단계에 있으며 훨씬 더 흥미롭고 유망한 미래가 곧 다가오고 있음을 깨달아야 합니다.

5.2 CO2 레이저의 미래 전망

CO2 레이저의 미래는 다음과 같은 방향으로 발전할 것입니다:

(1) 고출력 횡류 CO2 레이저.

이 고출력 횡류 CO2 레이저는 통합 박스형 구조로 레이저 가공 및 열처리에 사용됩니다. 장치의 상단 박스에는 통합 배출 챔버, 열교환기, 팬 시스템, 입구/출구 가이드 및 광학 공진기가 있습니다.

하단 상자에는 레이저 전원, 가스 충전 및 방전 시스템, 진공 펌프, 밸러스트 저항기 상자, 제어 상자가 들어 있습니다.

기존 기술에 비해 구조가 콤팩트하고 설치와 유지보수가 용이하며 작업 효율이 높고 소형화가 가능한 것이 특징입니다.

주요 응용 분야는 다이아몬드 공구, 자동차 기어, 자동차 에어백 가스 발생기, 레이저 용접입니다. 표면 경화 및 오버레이 공정, 석유화학 부품의 표면 수리 및 강철 롤의 표면 융착 경화와 같은 고유한 응용 분야에도 적용할 수 있습니다.

(2) Acousto-Optic Q-스위치 CO2 레이저.

레이저 거리 측정, 환경 감지, 우주 통신, 레이저-물질 상호작용 메커니즘 연구와 같은 분야의 응용 요건을 충족하기 위해 음향 광학 Q-스위치 CO2 레이저가 개발되었습니다.

Q-스위치 펄스 레이저의 속도 방정식을 사용하여 레이저 출력의 주요 기술 파라미터를 이론적으로 분석하고 계산한 다음 실험적으로 검증했습니다.

레이저의 펄스 반복 주파수는 1Hz ~ 50kHz입니다. 1kHz 작동 시 출력 레이저 펄스 폭은 180ns이고 피크 전력은 4062W로, 기본적으로 이론적 계산과 일치합니다.

그 결과, 음향 광학(AO) 결정의 최적 선택과 합리적인 공진기 설계를 통해 소형 CO2 레이저의 높은 반복 주파수, 좁은 펄스 폭, 높은 피크 출력을 달성할 수 있음을 보여주었습니다.

이러한 레이저의 파장 튜닝 및 코드 출력은 그레이팅 라인 선택 설계와 TTL 신호 제어를 통해 달성할 수 있습니다.

(3) 컴팩트한 장수명 RF 여기 도파관 CO2 레이저.

산업 공정 및 군사용으로 CO2 레이저의 적용 범위를 넓히기 위해 레이저 본체에 알루미늄 합금 압출 프로파일, 기존의 권선 인덕턴스 대신 디스크 인덕턴스, 올메탈 밀봉 공정을 사용하여 컴팩트한 장수명 RF 여기 도파관 CO2 레이저를 개발했습니다.

20kHz 이하의 변조 주파수에서 연속 출력 또는 펄스 출력이 가능하며 최대 출력 전력은 30W, 작동 수명은 1500시간 이상, 보관 수명은 1.5년 이상입니다.

그 결과 이 레이저는 컴팩트한 구조, 안정적인 출력, 긴 작동 수명, 연속 및 펄스 변조 모드에서 작동할 수 있는 것이 특징입니다. 다양한 재료를 가공할 수 있을 뿐만 아니라 군사용으로도 사용할 수 있습니다.

(4) 새로운 휴대용 TEA CO2 레이저.

새로운 휴대용 가로 여기 대기압 CO2 레이저입니다. 이 레이저는 5번 충전식 배터리 4개로 구동되며 1Hz의 반복 속도로 1시간 동안 연속으로 작동할 수 있습니다.

전체 레이저 장치(전원 공급 장치 및 제어 시스템 포함)의 크기는 200nm×200mm×360mm이며 무게는 8kg 미만입니다. 레이저는 안정적이고 균일한 방전을 위해 자외선 코로나 전리화를 사용합니다.

자유 진동 조건에서 레이저 펄스 출력 에너지는 35mJ에 달하고 출력 펄스 폭은 70ns입니다.

(5) 고출력 연속 CO2 레이저.

연속 작업에서 발생하는 균열 및 블레이드 변형 문제에 대응하기 위해 레이저 클래딩 헬리콥터 엔진 터빈 블레이드의 5kW 연속 횡류 CO2 레이저에 새로운 전력 제어 방식을 채택했습니다.

소프트웨어 및 관련 제어를 통해 펄스 레이저 출력을 구현하여 고전력 스위칭 전원 공급 장치로 인한 비용 및 안정성 문제를 극복했습니다.

펄스 변조 주파수는 5Hz에 도달할 수 있으며 변조 듀티 사이클은 5%에서 100%까지 다양합니다.

엔진 블레이드의 K403 합금 표면에 합금 분말 Stellite X-40 클래딩 실험에서는 피크 출력 4kW, 펄스 반복 주파수 4Hz, 듀티 사이클 20%가 사용되었습니다.

그 결과 클래딩 후 열 영향 영역이 50% 감소하고 경도는 5% 증가했으며 계면 결합 성능은 기본 재료와 비슷하고 클래딩 균열이나 블레이드 변형이 없는 것으로 나타났습니다.