산업 생산에 레이저 기술을 혁신적으로 적용한 5가지 사례
레이저가 어떻게 제조업을 혁신하는지 생각해본 적이 있나요? 정밀 절단에서 신속한 프로토타입 제작에 이르기까지 레이저 기술은 산업 공정을 혁신하여 더 빠르고 깨끗하며 효율적으로 만들었습니다. 이 글에서는...
강철을 자르거나 섬세한 수술을 할 수 있을 만큼 강력한 빛줄기를 활용한다고 상상해 보세요. 이 글에서는 레이저를 가능하게 하는 핵심 구성 요소와 원리를 살펴보며 레이저 기술의 매혹적인 세계를 탐구합니다. 활성 매체부터 광학 공진기에 이르기까지 각 요소는 레이저 광을 생성하고 증폭하는 데 중요한 역할을 합니다. 독자들은 레이저의 작동 방식과 이 혁신적인 기술 뒤에 숨겨진 과학을 포괄적으로 이해할 수 있습니다. 이 놀라운 빛줄기의 비밀을 밝혀낼 준비를 하세요!
레이저의 기본 구조는 그림 1에 설명되어 있으며 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다:
레이저 광을 생성하려면 기체, 액체, 고체 또는 반도체가 될 수 있는 적절한 활성 매체가 필요합니다. 이 매질에서 인구 반전을 달성하여 레이저 광을 생성하는 데 필요한 조건을 만들 수 있습니다. 준안정 에너지 레벨의 존재는 인구 반전을 크게 촉진합니다.
자외선부터 원적외선까지 광범위한 스펙트럼의 레이저 파장을 생성할 수 있는 거의 천 가지 종류의 활성 미디어를 사용할 수 있습니다.
레이저의 핵심인 활성 매체는 활성제 입자(일반적으로 금속)와 매트릭스로 구성됩니다. 활성제 입자의 에너지 준위 구조는 레이저의 스펙트럼 특성과 형광 수명을 결정하며, 매트릭스는 주로 활성 매체의 물리적 및 화학적 특성을 결정합니다.
레이저는 활성제 입자의 에너지 준위 구조에 따라 3레벨 시스템(예: 루비 레이저)과 4레벨 시스템(예: Nd:YAG 레이저)으로 나눌 수 있습니다. 활성 매체로 일반적으로 사용되는 모양은 원통형(가장 널리 사용됨), 평면형, 디스크형, 튜브형입니다.
활성 매질에서 인구 반전을 달성하려면 원자를 특정 방식으로 여기시켜 더 높은 에너지 레벨에서 입자 수를 늘려야 합니다. 지속적인 레이저 출력은 낮은 에너지 레벨보다 높은 에너지 레벨에서 더 많은 입자 수를 유지하기 위해 지속적인 "펌핑"이 필요하므로 외부 펌핑 소스를 펌프 소스라고도 합니다.
펌프 소스는 높은 에너지 레벨과 낮은 에너지 레벨 사이에서 인구를 역전시키는 에너지를 제공하며, 오늘날에는 광학 펌핑이 주로 사용됩니다. 펌프 광원은 발광 효율이 높아야 하고 스펙트럼 특성이 활성 매체의 흡수 스펙트럼과 일치해야 한다는 두 가지 기본 조건을 충족해야 합니다. 일반적인 펌프 소스에는 불활성 가스 방전 램프, 태양 에너지, 다이오드 레이저 등이 있습니다.
불활성 가스 방전 램프는 가장 일반적으로 사용되는 펌프 소스입니다. 태양 에너지 펌핑은 저전력 장치, 특히 태양 에너지를 영구적인 전원으로 사용할 수 있는 우주 응용 분야의 소형 레이저에 자주 사용됩니다. 다이오드 펌핑은 많은 장점을 결합하여 가장 빠르게 발전하는 레이저 중 하나가 된 고체 레이저의 미래 방향을 나타냅니다.
다이오드 펌핑 방식은 횡방향 펌핑(동축 입사 방식의 종단면 펌핑)과 종방향 펌핑(수직 입사 방식의 측면 펌핑)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
다이오드 펌핑 고체 레이저는 긴 수명, 우수한 주파수 안정성, 열 광학 왜곡 최소화 등 다양한 장점이 있으며, 가장 두드러진 장점은 펌프 광 파장과 활성 매체의 흡수 스펙트럼이 정확하게 일치하여 펌핑 효율이 높다는 점입니다.
초점 캐비티는 펌프 소스와 활성 매체를 효과적으로 결합하고 활성 매체에서 펌프 광 밀도의 분포를 결정하여 출력 빔의 균일성, 발산 및 광학 왜곡에 영향을 주는 두 가지 기능을 수행합니다.
활성 매체와 펌프 소스는 모두 포커싱 캐비티 내에 설치되므로 그 품질이 펌프의 효율과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 타원형 실린더 초점 캐비티는 소형 고체 레이저에 가장 일반적으로 사용됩니다.
광학 공진기는 기본적으로 레이저 끝에 마주 보게 배치된 두 개의 고반사 거울입니다. 한 거울은 완전히 반사되고 다른 거울은 부분적으로 반사되어 대부분의 빛은 다시 반사되고 소량만 투과되어 레이저 빛을 생성합니다. 활성 매질로 다시 반사된 빛은 계속해서 새로운 자극 방출을 유도하여 빛을 증폭시킵니다.
빛이 공진기 내에서 앞뒤로 진동하면서 연쇄 반응과 눈사태와 같은 증폭을 일으켜 부분적으로 반사되는 거울 끝에서 강렬한 레이저 빛이 방출됩니다.
광학 공진기는 지속적인 레이저 진동과 자극 방출을 유지하기 위한 광학 피드백을 제공할 뿐만 아니라 진동하는 광선의 방향과 주파수를 제한하여 출력 레이저의 높은 단색도 및 높은 지향성을 보장합니다. 고체 레이저에 가장 간단하고 가장 일반적으로 사용되는 광학 공진기는 서로 마주보는 두 개의 평면(또는 구형) 거울로 구성됩니다.
냉각 및 필터링 시스템은 레이저에 없어서는 안 될 보조 장치입니다. 레이저는 작동 시 상당한 열을 발생시키므로 냉각 조치가 필요합니다. 냉각 시스템은 주로 레이저 활성 매체, 펌핑 소스, 초점 구멍을 냉각하여 레이저의 정상 작동을 보장하고 장비를 보호합니다.
냉각 방식에는 액체, 가스, 전도 방식이 있으며 액체 냉각 방식이 가장 널리 사용됩니다. 또한 단색도가 높은 레이저 빔을 얻으려면 출력을 필터링해야 합니다. 필터링 시스템은 대부분의 펌프 빛과 기타 간섭광을 제거하여 높은 단색 품질의 레이저 빔을 출력할 수 있습니다.
레이저의 작동 원리를 설명하기 위해 루비 레이저를 예로 들어 보겠습니다. 활성 매체는 루비 막대입니다. 루비는 소량의 3가 크롬 이온이 도핑된 알루미늄 산화물 결정으로, 일반적으로 크롬 산화물 질량비는 약 0.05%입니다. 크롬 이온은 백색광에서 녹색과 청색광을 흡수하기 때문에 보석이 분홍색으로 보입니다.
1960년 마이만이 최초로 발명한 레이저에 사용된 루비는 직경 0.8cm, 길이 약 8cm의 원통형 막대였습니다. 그 끝은 한 쌍의 평행 평면 거울로 이루어져 있으며, 하나는 완전 반사 필름으로 코팅되어 있고 다른 하나는 10% 투과율로 레이저가 통과할 수 있습니다.
루비 레이저에서는 고압 크세논 램프가 '펌프'로 사용되어 크롬 이온을 여기 상태 E로 여기시킵니다.3. E로 펌핑된 전자는3 빠른 전환 (약 10-8 초)에서 E2 방사능 없이. E2 는 자발적으로 E로 방출될 확률이 높은 준안정 에너지 수준입니다.1 의 수명은 최대 10%로 매우 낮습니다.-3 초를 유지하여 파티클이 더 오래 머무를 수 있도록 합니다.
결과적으로 입자는 E에 축적됩니다.2를 사용하여 에너지 레벨 E 사이의 인구 반전을 달성합니다.2 및 E1. E에서 자극된 빛의 방출2 에1 는 파장이 694.3nm인 적색 레이저입니다. 펄스 제논 램프에서 얻은 펄스 레이저는 광 펄스당 1ms 미만으로 지속되며, 각 펄스 에너지는 10J를 초과하고 각 펄스 레이저의 출력은 10kW를 초과할 수 있습니다.
크롬 이온이 여기되어 레이저 빛을 방출하는 과정에는 세 가지 에너지 준위가 포함되므로 3레벨 시스템이라고 합니다. 3레벨 시스템에서는 낮은 에너지 레벨 E1 는 기저 상태이며 일반적으로 많은 수의 원자를 축적하기 때문에 인구 반전을 달성하려면 상당한 양의 여기가 필요합니다.
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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