파이버 레이저란 정확히 무엇인가요? 비밀 풀기

1. 파이버 레이저란 무엇인가요?

파이버 레이저는 희토류 원소가 도핑된 유리 섬유를 이득 매체로 사용하는 레이저를 말합니다.

광섬유 증폭기를 기반으로 개발할 수 있습니다. 펌프 광의 작용으로 광섬유에 고출력 밀도가 쉽게 형성되어 레이저 재료에서 레이저 에너지 레벨의 "인구 반전"을 유발합니다.

적절한 포지티브 피드백 루프(공진 공동 형성)를 추가하면 레이저 진동 출력을 형성할 수 있습니다.

2. 파이버 레이저의 종류

파이버 재료의 종류에 따라 파이버 레이저는 다음과 같이 나눌 수 있습니다:

(1) 크리스탈 파이버 레이저.

작업 재료는 루비 단결정 파이버 레이저와 Nd3+: YAG 단결정 파이버 레이저 등을 포함한 레이저 결정 섬유입니다.

(2) 비선형 광섬유 레이저.

주요 유형으로는 자극 라만 산란 광섬유 레이저와 자극 브릴루인 산란 광섬유 레이저가 있습니다.

(3) 희토류 도핑 파이버 레이저.

파이버의 기본 재료는 유리이며, 희토류 원소 이온을 파이버에 도핑하여 활성화하여 파이버 레이저를 생성합니다.

(4) 플라스틱 섬유 레이저.

레이저 염료를 플라스틱 섬유의 코어 또는 클래딩에 도핑하여 섬유 레이저를 생성합니다.

3. 파이버 레이저의 장점

3세대 레이저 기술을 대표하는 파이버 레이저는 다음과 같은 장점이 있습니다:

1. 유리 섬유는 제조 비용이 저렴하고 기술이 성숙하여 섬유의 구부러짐으로 인해 소형화 및 강화의 이점을 제공합니다.
2. 유리 섬유는 크리스탈처럼 입사된 펌프 광에 대해 엄격한 위상 정합이 필요하지 않습니다. 이는 유리 매트릭스에서 스타크 분할에 의해 유도되는 불균일하지 않은 확장으로 인해 넓은 흡수 대역이 발생하기 때문입니다.
3. 유리 소재는 부피 대 표면적 비율이 매우 낮기 때문에 열이 빠르게 방출되고 손실이 적습니다. 따라서 업컨버전 효율이 높고 레이저 임계값이 낮습니다.
4. 파이버 레이저는 희토류 이온의 풍부한 에너지 레벨과 다양한 희토류 이온 덕분에 광범위한 출력 레이저 파장을 제공합니다.
5. 조정 가능성: 이는 희토류 이온의 광범위한 에너지 수준과 유리 섬유의 넓은 형광 스펙트럼 때문입니다.
6. 파이버 레이저의 공진 캐비티에는 광학 렌즈가 포함되어 있지 않으므로 조정이나 유지보수가 필요 없고 안정성이 높다는 장점이 있습니다. 이는 기존 레이저가 따라올 수 없는 장점입니다.
7. 광섬유 전달을 통해 레이저는 다양한 다차원 임의 공간 처리 애플리케이션을 쉽게 처리할 수 있어 기계 시스템 설계를 간소화합니다.
8. 파이버 레이저는 열악한 작업 환경을 견딜 수 있으며 먼지, 진동, 충격, 습도 및 온도에 대한 내성이 높습니다.
9. 열전 냉각이나 수냉이 필요 없이 간단한 공기 냉각만으로도 충분합니다.
10. 높은 전기 광학 효율: 전체 전기 광학 효율이 20% 이상에 달해 작동 중 전력 소비를 크게 절감하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
11. 높은 출력: 상용화된 파이버 레이저의 출력은 최대 60,000와트에 달합니다.

4. 고출력 파이버 레이저 및 클래딩 펌프 기술

이중 피복 섬유의 출현은 의심할 여지 없이 광섬유 분야의 주요 혁신으로, 고출력 광섬유 레이저와 고출력 광 증폭기의 제작을 현실로 만들었습니다.

1988년 E 스니처가 클래딩 펌핑 파이버 레이저를 처음 설명한 이래, 클래딩 펌핑 기술은 파이버 레이저와 파이버 증폭기에 널리 적용되어 고출력 파이버 레이저를 생산하는 데 선호되는 방법이 되었습니다.

클래딩 펌핑 기술은 네 가지 레이어로 구성됩니다:

섬유 코어;
내부 클래딩;
외부 클래딩;
보호 레이어 ④.

펌프 광은 내부 클래딩(일반적으로 타원형, 정사각형, 매화, D자형, 육각형 등 불규칙한 구조를 채택)에 결합되고, 빛은 내부 클래딩과 외부 클래딩(일반적으로 원형으로 설계) 사이에서 앞뒤로 반사되어 여러 번 교차한 후 단일 모드 광섬유 코어에 흡수됩니다.

이 구조는 펌프 광이 단일 모드 레이저 일 필요가 없으며 광섬유의 전체 길이를 펌핑 할 수 있으므로 고출력 다중 모드 레이저 다이오드 어레이를 펌프 소스로 선택하여 70% 이상의 펌프 에너지를 광섬유 코어에 간접적으로 결합하여 펌핑 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

클래딩 펌핑 기술의 특성에 따라 다음과 같은 뛰어난 성능이 결정됩니다. 레이저 유형:

(1) 높은 전력

멀티모드 펌프 다이오드 모듈 그룹은 100와트의 광 출력을 방출할 수 있으며, 여러 멀티모드 펌프 다이오드를 병렬로 설정하면 고출력 파이버 레이저를 설계할 수 있습니다.

(2) 열전 냉각기가 필요 없음

이 고전력, 광역 멀티모드 다이오드는 고온에서 작동할 수 있어 간단한 공랭식 냉각만 필요하며 비용도 저렴합니다.

(3) 넓은 펌핑 파장 범위

고출력 광섬유 레이저에 에르븀/이테르븀 희토류 원소가 도핑된 활성 클래딩 광섬유는 광파 흡수 범위가 넓고 평탄하므로(930-970nm) 펌프 다이오드에 어떤 종류의 파장 안정화 장치도 필요하지 않습니다.

(4) 높은 효율성

펌프 광은 단일 모드 광섬유 코어를 여러 번 교차하므로 활용도가 높습니다.

(5) 높은 신뢰성

멀티모드 펌프 다이오드는 단일 모드 펌프 다이오드보다 훨씬 더 안정적입니다. 기하학적으로 넓은 면적으로 인해 광 출력 밀도가 낮고 활성 영역을 통과하는 전류 밀도가 낮아 펌프 다이오드의 작동 수명이 100만 시간 이상 안정적으로 유지됩니다.

현재 클래딩 펌핑 파이버 레이저를 구현하는 기술은 선형 캐비티 싱글 엔드 펌핑, 선형 캐비티 더블 엔드 펌핑, 전 섬유 링 캐비티 이중 클래딩 파이버 레이저의 세 가지 주요 카테고리로 나눌 수 있습니다. 이 세 가지 기본 유형에서 다양한 유형의 이중 클래드 파이버 레이저를 확장할 수 있습니다.

OFC-2002의 한 문서는 출력 전력 3.8W, 임계값 1.7W, 최대 85%의 경사 효율을 가진 새로운 유형의 클래딩 펌핑 파이버 레이저를 달성하기 위해 구조를 채택했습니다.

제품 기술 측면에서는 700W 에르븀 도핑 이중 피복 파이버 레이저를 개발하고 2000W 파이버 레이저 출시를 발표한 미국 회사 IPG가 등장했습니다.

5. 파이버 레이저의 응용 분야

(1) 마킹 애플리케이션

펄스 파이버 레이저는 뛰어난 빔 품질, 신뢰성, 최장 무보수 시간, 최고의 전체 전기 광학 변환 효율, 펄스 반복 주파수, 가장 작은 크기, 수냉 없이 가장 간단하고 유연한 사용, 최저 운영 비용으로 고속, 고정밀 레이저 마킹을 위한 유일한 선택입니다.

파이버 레이저 마킹 시스템은 하나 또는 두 개의 25W 파이버 레이저, 작업물에 빛을 유도하는 하나 또는 두 개의 스캐닝 헤드, 스캐닝 헤드를 제어하기 위한 산업용 컴퓨터로 구성될 수 있습니다. 이 설계는 50W 레이저를 두 개의 스캐닝 헤드로 분할하여 사용하는 것보다 4배 이상 효율적입니다.

(2) 재료 처리 애플리케이션

파이버 레이저를 이용한 재료 가공은 레이저 에너지를 흡수하는 재료의 일부를 기반으로 하는 열처리 공정입니다. 약 1um 파장의 레이저 빛은 금속, 플라스틱, 세라믹 소재에 쉽게 흡수됩니다.

(3) 재료 벤딩 애플리케이션

파이버 레이저 성형 또는 굽힘은 금속판이나 단단한 세라믹의 곡률을 변경하는 데 사용되는 기술입니다.

집중 가열과 빠른 자체 절단으로 레이저 가열 영역에 소성 변형이 발생하여 대상 공작물의 곡률이 영구적으로 변경됩니다.

(4) 레이저 커팅 애플리케이션

출력이 지속적으로 증가함에 따라 파이버 레이저는 산업용 절단에 대규모로 적용되고 있습니다. 예를 들어, 스테인리스 스틸 동맥관을 미세 절단하는 데 고속 절단 연속 파이버 레이저를 사용합니다.

파이버 레이저는 높은 빔 품질로 인해 초점 직경이 매우 작고 결과적으로 작은 커프 너비의료 기기 산업의 새로운 기준을 제시합니다.

또한 파이버 레이저는 파장이 1.3μm와 1.5μm의 두 가지 주요 통신 창을 커버하기 때문에 광통신 분야에서 대체할 수 없는 위치를 차지하고 있습니다.

고출력 이중 클래드 파이버 레이저의 성공적인 개발로 인해 다음과 같은 분야에서 시장 수요가 빠르게 확대되었습니다. 레이저 가공.

레이저 가공 분야에서 파이버 레이저의 구체적인 범위와 필요한 성능은 다음과 같습니다:

• 소프트 솔더링 및 소결: 50-500W;
• 폴리머 및 복합재 절단: 200W-1kW;
• 비활성화: 300W-1kW;
• 빠른 인쇄 및 마킹: 20W-1kW;
• 금속 경화 및 코팅: 2-20kW;
• 유리 및 실리콘 절단: 500W-2kW.

또한 자외선 섬유 브래그 격자 쓰기 및 클래딩 펌핑 기술의 개발로 자외선, 청색, 녹색, 적색 및 근적외선으로 출력되는 파장 변환 광섬유 레이저는 데이터 저장, 컬러 디스플레이 및 의료용 형광 진단에 실용적인 고체 광원으로 널리 사용되고 있습니다.

원적외선 파장을 출력하는 파이버 레이저는 작고 유연한 구조, 조정 가능한 에너지 및 파장으로 인해 레이저 의학 및 생명 공학 등의 분야에도 응용되고 있습니다.

(6) 새로운 파이버 레이저 기술

레이저에 대한 초기 연구는 주로 단펄스 출력과 조정 가능한 파장 범위 확장에 중점을 두었습니다.

오늘날 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 및 광 시분할 다중화 기술의 급속한 개발과 발전은 다파장 광섬유 레이저 기술 및 초음속 광섬유 레이저의 발전을 가속화하고 촉진하고 있습니다.

한편, 다파장 파이버 레이저와 초극초단파 파이버 레이저의 등장은 저비용 Tb/s DWDM 또는 OTDM 전송을 구현하는 데 이상적인 솔루션을 제공합니다.

기술적 구현의 관점에서 볼 때, 자발적 방출의 사용은 EDFA에 의해 증폭되었습니다, 펨토초 펄스 기술, 초발광 다이오드 등이 모두 보고되었습니다.

결론

3세대 레이저 기술을 대표하는 파이버 레이저는 다른 레이저에 비해 독보적인 기술적 우위를 점하고 있습니다.

그러나 단기적으로는 파이버 레이저가 주로 하이엔드 애플리케이션에 집중될 것으로 예상됩니다. 파이버 레이저의 대중화, 비용 절감, 생산 능력의 증가로 인해 결국 전 세계 고출력 CO2 레이저의 상당 부분과 대부분의 YAG 레이저를 대체할 수 있습니다.