파이버 레이저와 솔리드 스테이트 레이저: 차이점 설명
다음 프로젝트를 위해 파이버 레이저와 고체 레이저 중 어떤 것을 선택해야 할지 고민 중이신가요? 이 기사에서는 응용 분야, 정밀도 및 성능의 주요 차이점을 살펴봅니다. 이를 이해함으로써...
파이버 레이저 기술이 어떻게 다양한 산업에 혁신을 가져왔는지 궁금한 적이 있나요? 이 글에서는 파이버 레이저의 핵심 원리와 다양한 응용 분야를 살펴보고, 기존 레이저 시스템에 비해 파이버 레이저의 장점을 강조합니다. 통신에서 의료 기술에 이르기까지 다양한 분야에서 이 컴팩트한 고정밀 도구가 어떻게 사용되어 뛰어난 빔 품질과 에너지 효율성을 제공하는지 알아보세요. 이 글을 읽으면 파이버 레이저가 현대 엔지니어링 및 산업 발전의 핵심적인 부분을 차지하는 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
게인 매체를 활용한 도핑된 광섬유 레이저에 대한 연구는 1960년대로 거슬러 올라가는데, 1963년 스니처가 네오디뮴 이온을 이용한 광섬유 레이저(Nd3+)를 유리 매트릭스에 도핑합니다.
1970년대 이후 광섬유 준비 기술과 광섬유 레이저를 위한 펌프 및 공진 캐비티 구조에 대한 탐구는 상당한 진전을 이루었습니다.
1980년대 중반, 도핑된 섬유(Er3+) 영국 사우샘프턴 대학의 연구진은 파이버 레이저의 실용성을 크게 향상시켜 매우 유망한 응용 가능성을 보여주었습니다.
기존의 고체 및 가스 레이저에 비해 파이버 레이저는 높은 빔 품질, 작은 크기, 경량, 유지보수가 필요 없고 공냉식이며 작동이 쉽고 운영 비용이 저렴하며 산업 환경에서 장기간 사용할 수 있는 등 많은 고유한 장점이 있습니다.
또한 높은 가공 정밀도, 빠른 속도, 긴 수명, 에너지 절약, 지능 및 자동화를 위한 뛰어난 유연성을 제공합니다. 따라서 많은 분야에서 기존의 YAG 및 CO2 레이저를 대체하고 있습니다.
파이버 레이저의 출력 파장 범위는 400~3400nm로 광 데이터 저장, 광통신, 센서 기술, 분광학, 의료 응용 분야 등 다양한 분야에 적용할 수 있습니다.
현재 도핑된 광섬유 레이저, 광섬유 브래그 격자 레이저, 조정 가능한 좁은 선폭 광섬유 레이저, 고출력 이중 피복 광섬유 레이저가 빠르게 발전하고 있습니다.
파이버 레이저는 크게 광자를 생성할 수 있는 이득 매체, 이득 매체에서 광자 피드백 및 공진 증폭을 가능하게 하는 광학 공진 캐비티, 레이저 매체를 여기시킬 수 있는 펌프 소스의 세 부분으로 구성됩니다.
파이버 레이저의 기본 구조는 그림 2.1에 나와 있습니다.
이득 매체는 희토류 이온이 도핑된 광섬유 코어입니다. 도핑된 광섬유는 반사율이 선택된 두 개의 거울 사이에 배치됩니다. 펌프 빛은 파이버 레이저의 왼쪽 거울에서 파이버로 결합되어 시준 광학 시스템과 필터를 통해 레이저 빛을 출력합니다.
이론적으로 펌프 소스와 이득 광섬유는 파이버 레이저의 필수 구성 요소이며 공진 캐비티는 필수 불가결하지 않습니다. 공진 캐비티의 모드 선택과 이득 매체의 길이는 광섬유 자체가 매우 길어 매우 높은 단일 패스 이득을 얻을 수 있고 섬유의 도파관 효과가 모드 선택 역할을 할 수 있기 때문에 광섬유 레이저에서는 필요하지 않습니다.
그러나 실제 적용에서는 일반적으로 더 짧은 섬유를 선호하기 때문에 대부분의 경우 공진 캐비티를 사용하여 피드백을 도입합니다.
파이버 레이저의 도파관 구조로 인해 강력한 펌핑을 수용하고 높은 이득(최대 50dB의 단일 패스 이득)을 가질 수 있습니다. 유리 매트릭스의 희토류 소자는 선폭과 튜닝 범위가 넓습니다(Yb3+ 은 125nm, Tm3+ >300nm).
구체적인 기능은 다음과 같습니다:
1) 광섬유는 도파관 매체 역할을 하여 높은 결합 효율, 작은 코어 직경 및 광섬유 내에서 높은 전력 밀도를 형성하기 쉽습니다. 현재 광섬유 통신 시스템과 편리하게 연결할 수 있습니다. 그 결과 레이저는 높은 변환 효율, 낮은 레이저 임계값, 우수한 빔 품질 및 좁은 선폭을 제공합니다.
2) 섬유의 "표면적/부피" 비율이 높기 때문에 열 방출이 우수합니다. 환경 온도는 -20~70℃ 범위이므로 대형 수냉 시스템이 필요하지 않고 간단한 공기 냉각만 필요합니다.
3) 파이버 레이저는 높은 충격, 높은 진동, 고온 및 먼지가 많은 환경과 같은 열악한 조건에서도 작동할 수 있습니다.
4) 광섬유의 뛰어난 유연성으로 인해 레이저를 매우 작고 유연하게 설계할 수 있으며, 컴팩트한 모양과 작은 부피로 시스템 통합이 용이하고 가격 대비 높은 성능을 제공합니다.
5) 파이버 레이저는 조정 가능한 매개 변수와 선택성이 상당히 많기 때문에 넓은 조정 범위, 우수한 단색성 및 높은 안정성을 커버 할 수 있습니다. 펌프 수명이 길어 평균 무고장 작동 시간이 10시간 또는 100시간 이상입니다.
현재 개발된 파이버 레이저는 주로 희토류 원소가 도핑된 파이버를 이득 매체로 사용합니다.
파이버 레이저의 작동 원리는 펌프 광이 전면 반사기(또는 전면 격자)를 통해 도핑된 파이버에 입사되고, 광자 에너지를 흡수한 희토류 이온이 에너지 준위 전이를 겪으면서 "입자 수 반전"을 달성하는 것입니다.
반전된 입자는 이완 후 방사선의 형태로 다시 지상 상태로 전환되면서 동시에 광자 형태로 에너지를 방출하고 후면 반사판(후면 격자)을 통해 레이저를 출력합니다.
희토류 원소가 도핑된 광섬유 증폭기는 적절한 피드백 메커니즘을 통해 광섬유 레이저를 형성할 수 있기 때문에 광섬유 레이저의 개발을 촉진했습니다.
펌프 빛이 광섬유에 있는 희토류 이온을 통과하면 희토류 이온에 흡수됩니다. 이때 광자 에너지를 흡수하는 희토류 원자는 더 높은 레이저 에너지 레벨로 여기되어 이온 수 반전을 달성합니다.
반전된 이온 수는 높은 에너지 준위에서 방사선의 형태로 기저 상태로 전환되고 에너지를 방출하여 자극 방사선을 완성합니다. 여기 상태에서 접지 상태로의 방사선 모드에는 자발 방사선과 자극 방사선의 두 가지 유형이 있습니다.
그 중 자극 방사선은 동일한 주파수와 위상의 방사선으로, 매우 일관된 레이저를 형성할 수 있습니다. 레이저 방출은 자극 방사선이 자연 방사선을 훨씬 능가하는 물리적 과정입니다.
이 과정이 계속되려면 이온 수 반전이 형성되어야 합니다. 따라서 이 과정에 관련된 에너지 레벨이 2를 초과해야 하며, 에너지를 공급할 펌프 소스도 있어야 합니다.
파이버 레이저는 실제로 펌프 파장의 빛을 필요한 레이저 파장의 빛으로 변환할 수 있는 파장 변환기라고 할 수 있습니다.
예를 들어, 에르븀이 도핑된 파이버 레이저는 980nm의 빛을 펌핑하여 1550nm의 레이저를 출력합니다. 레이저 출력은 연속 또는 펄스일 수 있습니다.
파이버 레이저에는 3레벨 및 4레벨 레이저의 두 가지 레이저 상태가 있습니다. 3레벨 및 4레벨의 레이저 원리는 그림 2.2에 나와 있습니다.
펌프(단파장 고에너지 광자)는 전자를 기저 상태에서 고에너지 상태 E4로 전이시킵니다.4 또는 E33을 누른 다음 상위 레이저 레벨 E4로 전환합니다.3 또는 E32 비방사성 전환을 통해
전자가 상위 레이저 레벨에서 하위 에너지 레벨 E4로 더 전이될 때2 또는 E31에서 레이저 프로세스 가 발생합니다.
광섬유 레이저에는 표 3.1에 표시된 것처럼 여러 가지 유형으로 나눌 수 있는 다양한 종류가 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 레이저의 몇 가지 유형에 대해 소개합니다.
표 3.1 광섬유 레이저의 분류
| 공진기 구조별 분류 | F-P 캐비티, 링 캐비티, 루프 반사기 파이버 공진기 및 "8" 모양 캐비티, DBR 파이버 레이저, DFB 파이버 레이저 |
| 광케이블 구조별 분류 | 단일 클래딩 파이버 레이저, 이중 클래딩 파이버 레이저 |
| 게인 매체별 분류 | 희토류 도핑 파이버 레이저, 비선형 효과 파이버 레이저, 단결정 파이버 레이저, 플라스틱 파이버 레이저 |
| 작업 메커니즘별 분류 | 업컨버전 파이버 레이저, 다운컨버전 파이버 레이저 |
| 도핑 요소별 분류 | 에르븀(Er3+), 네오디뮴(Nd3+), 프라세오디뮴(Pr3+), 툴륨(Tm3+), 이터븀(Yb3+), 홀뮴(Ho3+) 및 기타 15가지 유형 |
| 출력 파장별 분류 | S-Band(1280~1350nm), C-Band(1528~1565nm), L-Band(1561~1620nm) |
| 출력 레이저별 분류 | 펄스 레이저, 연속파 레이저 |
희토류 원소는 주기율표의 다섯 번째 줄에 위치한 15가지 원소를 포괄합니다.
현재 활성 섬유에 통합된 성숙하게 개발된 희토류 이온은 다음과 같습니다.3+, Nd3+, 홍보3+, Tm3+및 Yb3+.
최근에는 클래딩 펌핑 기술을 활용한 이중 클래드 도핑 파이버 레이저가 출력을 크게 증가시켜 레이저 분야의 또 다른 연구 핫스팟이 되고 있습니다.
그림 3.1과 같이 이러한 유형의 파이버 구조는 외부 클래딩, 내부 클래딩 및 도핑된 코어로 구성됩니다.
외부 클래딩의 굴절률은 내부 클래딩의 굴절률보다 낮으며, 이는 다시 광섬유 코어의 굴절률보다 낮아서 이중층 도파관 구조를 형성합니다.
도핑된 이중 피복 광섬유는 광섬유 레이저 구성의 핵심 구성 요소입니다. 파이버 레이저의 주요 역할은 다음과 같습니다:
1) 펌프 광 출력을 레이저의 작동 매체로 변환합니다;
2) 다른 장치와 협업하여 레이저 공진기를 형성합니다.
작동 원리는 주로 펌프 광을 광섬유에 측면 또는 종단면에서 주입하는 것입니다. 외부 클래딩의 굴절률이 광케이블의 내부 클래딩보다 훨씬 낮기 때문에 내부 클래딩은 다중 모드 펌프 광을 전송할 수 있습니다.
내부 클래딩의 단면 치수가 코어보다 큽니다. 따라서 생성된 레이저 파장에 대해 내부 클래딩과 희토류 도핑 코어는 완벽한 단일 모드 도파관을 형성하고, 외부 클래딩은 펌프 광 출력을 전송하기 위한 다중 모드 도파관을 형성합니다.
이를 통해 고출력 멀티모드 펌프 광을 내부 클래딩에 결합할 수 있습니다. 멀티모드 펌프 빛은 광섬유를 따라 이동하면서 코어를 가로질러 여러 번 흡수됩니다. 코어에서 희토류 이온이 여기되어 고출력 신호 레이저 출력이 생성됩니다.
작동 원리는 그림 3.1에 설명되어 있습니다.
1990년대에 자외선으로 인쇄된 파이버 브래그 격자 기술이 성숙해지면서 파이버 브래그 격자 레이저, 주로 분산 브래그 반사기(DBR) 및 분산 피드백(DFB) 파이버 격자 레이저에 대한 관심이 높아졌습니다.
이 둘의 주요 차이점은 DFB 파이버 레이저는 하나의 격자만 사용하여 광학 피드백 및 파장 선택을 달성하므로 안정성이 향상되고 Er 도핑된 파이버와 격자 사이의 융합 손실을 방지한다는 점입니다.
그러나 격자는 UV를 사용하여 Er 도핑된 광섬유에 직접 기록할 수 있지만, 광섬유 코어의 Ge 함량이 낮고 감광도가 낮기 때문에 DEB 광섬유 레이저를 실제로 제작하는 것은 쉽지 않습니다.
반면, DBR 파이버 레이저는 Er 도핑 파이버의 양쪽 끝에 Ge 도핑 파이버 격자를 융합하여 공진 공동을 형성함으로써 더 쉽게 제작할 수 있습니다.
DBR 및 DFB 파이버 격자 레이저는 짧은 공진 공동으로 인한 낮은 펌프 흡수 효율, 링 레이저보다 넓은 스펙트럼 라인, 모드 호핑 등 여러 가지 문제에 직면해 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위한 노력이 계속되고 있습니다. 제안된 개선 방안으로는 이득 매체로 Er:Yb 코도핑 광섬유 사용, 캐비티 내 펌핑 방식 채택, 오실레이터와 전력 증폭기 통합 등이 있습니다.
초단파 펄스 레이저는 현재 파이버 레이저 분야에서 가장 뜨거운 연구 주제이며, 주로 패시브 모드 잠금 기술을 활용합니다.
고체 레이저와 마찬가지로 파이버 레이저는 모드 잠금 원리에 따라 짧은 펄스 레이저 출력을 생성합니다. 파이버 레이저가 이득 대역폭 내에서 다수의 종방향 모드에서 작동할 때 각 종방향 모드 위상이 동기화되고 인접한 두 종방향 모드 간의 위상차가 일정할 때 모드 잠금이 달성됩니다.
공진 캐비티에서 순환하는 단일 펄스가 출력 커플러를 통해 에너지를 출력합니다. 파이버 레이저는 액티브 모드 잠금 파이버 레이저와 패시브 모드 잠금 파이버 레이저로 나뉩니다.
액티브 모드 잠금 변조 기능은 일반적으로 피코초 단위인 모드 잠금 펄스의 펄스 폭을 제한합니다. 패시브 모드 잠금 광섬유 레이저는 광섬유 또는 기타 광학 구성 요소의 비선형 광학 효과를 활용하여 모드 잠금을 달성합니다.
레이저 구조는 간단하며 변조 구성 요소 없이 특정 조건에서 자체 시동 모드 잠금을 달성할 수 있습니다. 패시브 모드 잠금 광섬유 레이저를 사용하면 펨토초 단위의 초단파 펄스를 출력할 수 있습니다.
초단파 펄스 레이저는 초고속 광원에 사용되어 다양한 시간 분해 분광학 및 펌핑 기술이 개발되었습니다. 초단파 펄스 생성 기술은 초고속 광 시분할 다중화(OTDM)를 달성하기 위한 핵심 기술입니다. 극초단 펄스 파이버 레이저는 재료, 생물학, 의학, 화학, 군사 등 다양한 분야에 걸쳐 널리 사용되고 있습니다.
레이저는 레이저 기술의 핵심이며, 향후 파이버 레이저의 발전 방향은 출력 전력의 추가 증가 및 빔 품질 향상, 새로운 레이저 파장의 확장, 레이저의 조정 가능한 범위 확대, 레이저 스펙트럼의 축소, 고휘도 레이저의 초단 펄스(ps 및 fs 수준) 개발, 전반적인 소형화, 실용성 및 지능화 연구 수행 등 파이버 레이저의 성능을 더욱 개선하는 것입니다.
최근 몇 년 동안 개발은 주로 세 가지 측면에 중점을 두었습니다:
(1) 파이버 브래그 격자의 성능을 개선하여 파이버 레이저에 잘 적용될 수 있도록 합니다;
(2) 더 좁은 펄스 및 스펙트럼 라인 폭, 더 높은 출력 전력, 더 넓은 튜닝 범위 등을 갖춘 파이버 레이저;
(3) 파이버 레이저의 실용성 향상.
산업 응용 분야: 섬유의 가장 주목할 만한 응용 분야 산업 분야의 레이저 는 재료 가공입니다. 파이버 레이저의 출력이 지속적으로 증가함에 따라 산업용 절단에 대규모로 사용되기 시작했습니다.
파이버 레이저는 절단, 가공 및 금속 및 금속 가공에 이상적입니다. 비금속 재료. 레이저 제품 보정, 정밀 절단, 레이저 조각에 사용할 수 있습니다, 레이저 용접정밀 드릴링, 레이저 감지, 마이크로 벤딩, 레이저 측정 및 기타 기술적인 측면을 살펴보세요.
통신 애플리케이션: 고용량 통신에 대한 현재의 요구 사항을 충족하기 위해 광섬유 레이저의 적용은 통신 분야에서 떠오르는 기술이 되었습니다.
미래의 통신 기술은 점차 전기 통신에서 광통신으로 전환될 것입니다. 파이버 레이저는 연속 레이저 출력을 생성할 수 있을 뿐만 아니라 피코초(ps) 또는 펨토초(fs)의 초단 레이저 펄스도 생성할 수 있습니다.
광섬유 레이저는 임계값을 낮추고, 파장 범위를 넓히고, 파장 기능을 조정하는 데 큰 진전을 이루었습니다. 실용적인 기술인 솔리톤 통신은 전송 거리 수백만 킬로미터, 전송 속도 20Gb/s, 비트 오류율 10-13 이하를 달성하여 고속 고품질 신호 전송을 실현할 수 있습니다.
군사용 애플리케이션: 파이버 레이저의 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 군대에서의 적용 범위가 점점 더 넓어지고 있습니다.
지향성 에너지 무기의 목적을 달성하기 위해 여러 개의 파이버 레이저를 일관된 배열 구조로 결합하여 파이버 레이저의 출력을 높일 수 있습니다.
현재 미국 공군 연구소에서는 군사적 응용 목표를 달성하기 위해 100kW 파이버 레이저에 대한 연구가 진행 중입니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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