파이버 레이저란? 알아야 할 모든 것

광섬유라고도 하는 광섬유는 빛을 전송하는 데 사용되는 원통형 도파관입니다. 광섬유는 총 내부 반사 원리를 사용하여 광파를 광섬유 코어 내에 가두고 광섬유 축을 따라 안내합니다.

구리선이 광섬유로 대체되면서 세상이 바뀌었습니다. 광 전송 매체로서 광섬유는 고용량, 강력한 간섭 방지 기능, 낮은 전송 손실, 긴 전송 거리, 우수한 보안, 강력한 적응성, 컴팩트한 크기, 가벼운 무게, 풍부한 원자재 자원 등 수많은 장점으로 인해 1966년 가오쿤이 제안한 이래 널리 채택되었습니다.

'광섬유의 아버지'로 널리 알려진 가오쿤은 2009년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

통신 산업은 광섬유의 지속적인 개선과 실용적인 응용으로 변화를 거듭해 왔습니다. 광섬유는 구리선을 대부분 대체했으며 이제 현대 통신의 중요한 부분을 차지하고 있습니다.

광섬유 통신 시스템은 빛을 정보의 운반체로, 광섬유를 도파관 매체로 사용하는 통신 시스템의 일종입니다. 정보를 전송할 때 전기 신호가 광 신호로 변환되어 광섬유 내에서 전송됩니다.

새로운 형태의 통신 기술인 광섬유 통신은 처음부터 비교할 수 없는 장점을 보여주며 광범위한 관심과 주목을 받고 있습니다.

통신에 광섬유의 광범위한 사용은 광섬유 증폭기와 광섬유 레이저의 급속한 발전을 촉진했습니다. 광섬유 시스템은 통신 분야 외에도 의학, 감지 및 기타 분야에서도 일반적으로 사용됩니다.

광섬유

활성 광섬유는 광섬유 레이저에서 이득 매체 역할을 합니다. 구조에 따라 단일 모드 광섬유, 이중 피복 광섬유, 광결정 광섬유로 분류할 수 있습니다.

단일 모드 광케이블은 코어, 클래딩 및 코팅으로 구성됩니다. 코어 재료의 굴절률(N1)은 클래딩 재료의 굴절률(N2)보다 높습니다. 입사광의 입사각이 임계각보다 크면 빔이 코어에서 완전히 방출되어 광섬유가 빔을 코어에 한정하여 전송할 수 있습니다.

그러나 단일 모드 광섬유의 내부 클래딩은 다중 모드 펌프 광을 가둘 수 없으며 코어의 개구부가 낮습니다. 따라서 단일 모드 펌프 광을 코어에 결합해야만 레이저 출력을 얻을 수 있습니다.

초기 광섬유 레이저는 단일 모드 광섬유를 사용했기 때문에 결합 효율이 낮고 출력 전력도 밀리 와트에 불과했습니다.

광섬유를 통한 빛의 전송

이중 피복 섬유

변환 효율과 출력 전력 측면에서 기존의 단일 모드, 단일 클래딩 이테르븀 도핑(Yb3+) 파이버의 한계를 극복하기 위해 1974년 R. Maurer가 처음으로 이중 클래딩 파이버 개념을 제안했습니다. 그러나 1988년 E. Snitzer 등이 클래딩 펌핑 기술을 제안하면서 고출력 이테르븀 도핑 광섬유 레이저/증폭기 기술이 급속히 발전하기 시작했습니다.

이중 피복 광섬유는 독특한 구조를 가진 광섬유의 한 종류입니다. 기존 광섬유에 비해 코팅층, 내부 클래딩, 외부 클래딩 및 도핑된 코어로 구성된 내부 클래딩이 있습니다.

클래딩 펌핑 기술은 이중 클래딩 광섬유를 기반으로 하며 내부 클래딩에서는 다중 모드 펌프 광을, 광섬유 코어에서는 레이저 광을 전송하여 광섬유 레이저의 펌프 변환 효율과 출력을 크게 향상시키는 것을 목표로 합니다.

이 기술에는 이중 피복 섬유의 구조, 내부 클래딩의 모양, 펌프 라이트의 결합 모드가 매우 중요합니다.

이중 피복된 파이버의 파이버 코일은 희토류 원소가 도핑된 실리카(SiO2)로 구성되어 있습니다. 파이버 레이저에서는 레이저 매체와 레이저 신호 전송 채널의 역할을 모두 수행합니다.

출력 여기가 기본 횡방향 모드가 되도록 하기 위해 수치 조리개와 코어 직경을 설계하여 해당 작동 파장에 대해 V 파라미터를 줄였습니다.

내부 클래딩의 가로 치수(기존 코어 직경의 수십 배)와 수치 조리개는 코어보다 훨씬 크고 굴절률이 코어보다 낮아 코어에서 레이저가 완전히 전파되는 데 제한이 있습니다.

이는 코어와 외부 클래딩 사이에 큰 단면과 수치 조리개를 가진 광 도파관을 생성하여 수치 조리개, 단면 및 다중 모드가 큰 고출력 펌프 광을 광섬유에 결합하고 확산 없이 내부 클래딩 내에서 전송으로 제한할 수 있습니다. 이를 통해 고출력 밀도의 광 펌핑을 유지하는 데 도움이 됩니다.

이중 피복 섬유의 외부 클래딩은 내부 클래딩보다 굴절률이 낮은 고분자 재료로 구성됩니다. 가장 바깥쪽 층은 유기 물질로 만들어진 보호 층입니다.

펌프 조명에 대한 이중 피복 광케이블의 결합 영역은 코어에 의해서만 결정되는 기존의 단일 모드 광케이블과 달리 내부 피복의 크기에 따라 결정됩니다.

이렇게 하면 이중 피복 광섬유를 위한 이중 레이어 도파관 구조가 만들어집니다.

한편으로는 파이버 레이저의 전력 결합 효율을 향상시켜 펌프 빛이 도핑된 이온을 여기시키고 내부 클래딩에서 전도될 때 파이버 코어를 통해 레이저 빛을 여러 번 방출할 수 있도록 합니다.

반면, 출력 빔 품질은 광섬유 코어의 특성에 따라 결정되며 내부 클래딩을 도입해도 광섬유 레이저의 출력 빔 품질에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.

팔각형 이중 피복 섬유의 구조도

다양한 내부 클래딩 구조의 개략도

이중 클래드 파이버 레이저의 특수 설계된 내부 클래딩은 펌프 광의 활용 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

처음에는 이중 피복 파이버의 내부 클래딩 구조가 원통형 대칭이어서 제조 공정이 비교적 간단하고 펌프 레이저 다이오드(LD)의 테일 파이버와 결합하기 쉬웠습니다.

그러나 완벽한 대칭성으로 인해 내부 클래딩 내 펌프 라이트의 나선형 광선이 여러 번 반사되어도 코어 영역에 도달하지 못하는 문제가 발생했습니다.

결과적으로 이러한 광선은 광섬유 코어에 흡수되지 않아 빛 누출로 이어져 더 긴 광섬유를 사용하더라도 변환 효율을 개선하기 어려웠습니다.

따라서 내부 클래딩 구조의 원통형 대칭이 깨져야 합니다.

광결정 섬유

기존의 이중 피복 광섬유에서는 출력 레이저 출력이 광섬유 코어의 크기에 따라 결정되고, 수치 조리개에 따라 출력 레이저 빔의 품질이 결정됩니다.

그러나 광섬유의 비선형 효과 및 광학 손상과 같은 물리적 메커니즘의 한계로 인해 코어 직경 증가만으로는 고출력에서 대형 모드 필드 이중 피복 광섬유의 단일 모드 작동에 대한 요구를 충족할 수 없습니다.

광결정 광섬유(PCF)와 같은 특수 광섬유의 출현은 이 문제에 대한 효과적인 해결책을 제시합니다.

광자 결정의 개념은 1987년 E. 야블로노비치에 의해 처음 제안되었습니다. 여기에는 다양한 유전 상수를 가진 유전체 물질이 1차원, 2차원 또는 3차원 공간에서 빛의 파장 순서와 같은 주기적 구조를 형성하는 것이 포함됩니다. 이렇게 하면 빛의 전파를 허용하는 광자 가이드 밴드와 빛의 전파를 금지하는 광자 밴드 갭(PBG)이 생성됩니다.

다양한 매체의 배열과 분포 기간을 변경하면 광자 결정의 특성에 다양한 변화를 일으켜 특정 기능을 구현할 수 있습니다.

광결정 섬유(PCF)는 2차원 광결정으로, 미세 구조 섬유 또는 다공성 섬유라고도 합니다.

1996년 J.C. 나이트 등이 최초의 PCF를 개발했으며, 이 광유도 메커니즘은 기존 광섬유의 총내부반사 광유도 메커니즘과 유사합니다.

광자 밴드 갭 원리를 기반으로 한 최초의 PCF는 1998년에 발명되었습니다.

2005년 이후에는 대형 모드 필드 PCF의 설계 및 준비 방법이 다양해져 누수 채널 PCF, 로드 PCF, 큰 간격 PCF, 멀티코어 PCF 등 다양한 형태의 구조가 등장했습니다.

광섬유의 모드 필드 영역도 증가했습니다.

다양한 광결정 섬유의 미세 구조

광결정 광섬유(PCF)는 기존의 단일 모드 광섬유와 비슷해 보이지만 미세 구조 수준에서 복잡한 홀 배열 구조를 가지고 있습니다.

이러한 구조적 특징으로 인해 PCF는 논-컷오프 단일 모드 전송, 넓은 모드 필드 영역, 조정 가능한 분산, 낮은 제한 손실 등 기존 레이저의 수많은 문제를 극복하여 기존 광섬유와 비교할 수 없는 많은 고유한 이점을 제공합니다.

예를 들어, PCF는 넓은 모드 필드 영역에서 단일 모드 작동을 달성할 수 있어 레이저 출력 밀도 광섬유에서 비선형 효과를 최소화하고 빔 품질을 유지하면서 광섬유의 손상 임계값을 개선합니다.

또한 큰 수치 조리개를 허용하여 더 나은 펌프 광 결합과 더 높은 출력의 레이저 출력을 제공합니다.

이러한 PCF의 장점으로 인해 전 세계적으로 연구가 급증하여 파이버 레이저의 새로운 연구 초점이 되었으며 고출력 파이버 레이저 애플리케이션에서 점점 더 중요한 역할을 담당하고 있습니다.

파이버 레이저의 발명

광섬유를 레이저 이득 매체로 사용하는 레이저를 파이버 레이저라고 합니다.

다른 레이저 유형과 마찬가지로 이득 매체, 펌프 소스, 공진기로 구성됩니다.

그리고 파이버 레이저 용도 코어에 희토류 원소가 도핑된 활성 섬유를 이득 매체로 사용합니다.

일반적으로 반도체 레이저가 펌프 소스 역할을 하고 공진기는 거울, 파이버 종단면, 파이버 링 미러 또는 파이버 격자로 구성됩니다.

시간 영역 특성에 따라 파이버 레이저는 연속 파이버 레이저와 펄스 파이버 레이저로 나눌 수 있습니다.

공진기 구조에 따라 선형 캐비티 파이버 레이저, 분산 피드백 파이버 레이저, 링 캐비티 파이버 레이저로 나눌 수 있습니다.

다양한 이득 광섬유와 펌핑 모드에 따라 단일 클래딩 광섬유 레이저(코어 펌핑)와 이중 클래딩 광섬유 레이저(클래딩 펌핑)로 나눌 수 있습니다.

모든 파이버 선형 캐비티 파이버 레이저의 구조 원리

1961년 스니처는 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 레이저 방사 Nd 도핑된 유리 도파관에서.

1966년 가오쿤은 광섬유에서 광 감쇠의 주요 원인을 철저히 연구하고 광섬유를 통신에 실용적으로 적용하기 위해 해결해야 할 주요 기술적 문제를 지적했습니다.

1970년 미국 코닝사는 감쇠도가 20dB/km 미만인 광섬유를 개발하여 광통신 및 광전자 기술 발전의 토대를 마련했습니다.

이 기술 혁신은 또한 광섬유 레이저의 개발을 크게 촉진했습니다.

1970년대와 1980년대에는 반도체 레이저 기술의 성숙과 상용화로 인해 광섬유 레이저 개발에 안정적이고 다양한 펌프 소스가 제공되었습니다.

동시에 화학 기상 증착의 발전으로 광섬유의 전송 손실이 감소했습니다.

파이버 레이저는 빠르게 다양화되었습니다. 에르븀(Er3+), 이테르븀(Yb3+), 네오디뮴(Nd3+), 사마륨(Sm3+), 툴륨(Tm3+), 홀뮴(Ho3+), 프라세오디뮴(Pr3+), 디스프로슘(Dy3+), 비스무트(Bi3+) 등 다양한 희토류 원소를 광섬유에 도핑하여 여러 파장의 레이저를 출력하여 다양한 애플리케이션 요구 사항을 충족할 수 있도록 합니다.

희토류 원소가 도핑된 석영 섬유의 방출 스펙트럼 범위

고출력 파이버 레이저의 특성

고출력 파이버 레이저의 장점은 다음과 같습니다.

(1) 좋은 빔 품질.

파이버 레이저의 도파관 구조는 단일 횡단 모드 출력을 쉽게 생성하고 외부 요인에 크게 영향을 받지 않아 고휘도 레이저 출력으로 이어집니다.

(2) 높은 효율성.

파이버 레이저는 도핑된 희토류 원소의 흡수 특성과 방출 파장이 일치하는 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하여 높은 광-광 변환 효율을 달성할 수 있습니다.

고출력 이터븀 도핑 파이버 레이저의 경우 일반적으로 915nm 또는 975nm 반도체 레이저가 선택됩니다.

Yb3+의 단순한 에너지 준위 구조는 상향 변환, 여기 상태 흡수 및 농도 소멸과 같은 현상이 거의 없고 형광 수명이 길어 에너지 저장 및 고출력 작동에 효과적입니다.

상업용 파이버 레이저의 전체 전기 광학 효율은 25%까지 높아 비용 절감, 에너지 절약 및 환경 보호에 기여할 수 있습니다.

(3) 방열 특성이 우수합니다.

파이버 레이저는 희토류가 도핑된 가느다란 파이버를 레이저 이득 매체로 사용하여 넓은 표면적과 부피 비율을 자랑합니다. 이는 고체 블록 레이저보다 약 1000배 더 크며 열 방출 측면에서 고유한 이점을 제공합니다.

저전력에서 중간 전력 애플리케이션의 경우 광섬유를 특별히 냉각할 필요가 없습니다. 고출력 시나리오에서는 수냉을 통해 고체 레이저의 열 효과로 인한 빔 품질 및 효율성 저하를 효과적으로 완화할 수 있습니다.

(4) 컴팩트한 구조와 높은 신뢰성.

파이버 레이저는 작고 유연한 파이버를 레이저 이득 매체로 사용하기 때문에 부피를 줄이고 비용을 절감하는 데 이상적입니다. 반도체 레이저인 펌프 소스도 크기가 작고 쉽게 모듈화할 수 있습니다. 대부분의 상용 제품은 테일 파이버를 사용하여 출력할 수 있습니다.

광섬유 브래그 격자와 같은 광섬유 장치를 통합하면 이러한 장치를 융합하여 모든 광섬유 시스템을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 환경 장애에 대한 높은 내성, 높은 안정성, 유지보수 시간 및 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

고출력 파이버 레이저에는 극복할 수 없는 단점도 있습니다:

첫째, 비선형 효과에 의해 쉽게 제한됩니다.

파이버 레이저의 도파관 구조는 유효 길이가 길기 때문에 다양한 비선형 효과에 대한 임계값이 낮습니다. 그러나 자극 라만 산란(SRS) 및 자기 위상 변조(SPM)와 같은 유해한 비선형 효과는 위상 변동, 스펙트럼의 에너지 전달, 심지어 레이저 시스템 손상으로 이어질 수 있어 고출력 파이버 레이저의 발전을 방해할 수 있습니다.

두 번째는 광자 다크닝 효과입니다.

파이버 레이저에 희토류의 도핑 농도가 높으면 펌핑 시간이 길어질수록 광자 암화 효과로 인해 전력 변환 효율이 점진적이고 비가역적으로 감소합니다. 이는 특히 이테르븀이 도핑된 고출력 파이버 레이저의 경우 고출력 파이버 레이저의 장기적인 안정성과 수명을 제한합니다.

그러나 고휘도 광섬유 결합 반도체 레이저와 이중 피복 광섬유 기술의 발전으로 고출력 광섬유 레이저의 출력 전력, 광 변환 효율 및 빔 품질이 크게 향상되었습니다.

산업 공정, 지향성 에너지 무기, 장거리 원격 측정, 라이더 및 기타 분야에서 고출력 파이버 레이저에 대한 엄청난 수요로 인해 IPG 포토닉스, 누펀, 엔라이트, 트럼프 그룹과 같은 회사들이 연구 노력을 기울여 다양한 제품 라인을 갖춘 연속파 및 펄스파 고출력 파이버 레이저를 모두 개발했습니다.

칭화대학교, 국방과학기술대학교, 상하이 광학 및 정밀기계 연구소, 중국과학원, 중국항공우주과학공업그룹 제4연구소와 같은 학술 기관에서도 이 분야에서 흥미로운 결과를 보고했습니다.

파이버 레이저 출력 향상 기술

파이버 레이저의 비선형 효과, 열 효과 및 재료 손상 임계값의 한계로 인해 단일 채널 파이버 레이저의 출력 전력이 제한되며, 전력이 증가함에 따라 빔 품질이 저하됩니다.

빔 품질을 개선하려면 모드 제어 기술을 채택하고 특수 구조를 가진 새로운 광섬유를 설계해야 합니다. J.W. 도슨과 동료들은 단일 파이버의 출력 전력 한계에 대한 이론적 분석을 수행했습니다. 계산 결과 광대역 파이버 레이저는 최대 출력 36kW의 회절 한계 레이저 출력을 달성할 수 있는 반면, 좁은 선폭 파이버 레이저는 최대 출력 2kW에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다.

파이버 레이저와 증폭기의 출력을 더욱 향상시키기 위해서는 코히어런트 합성 기술을 통한 다중 채널 파이버 레이저의 전력 합성이 효과적인 방법입니다. 이는 최근 몇 년 동안 널리 연구되고 있는 주제입니다.

파이버 레이저의 일관된 합성 시스템

파이버 레이저의 비선형 효과, 열 효과 및 재료 손상 임계값으로 인한 한계는 단일 채널 파이버 레이저의 출력을 제한하고 출력이 증가함에 따라 빔 품질이 저하됩니다.

빔 품질을 향상하려면 모드 제어 기술과 특수 광섬유 구조의 설계를 활용해야 합니다. J.W. 도슨과 그의 동료들은 단일 파이버의 출력 한계에 대한 이론적 분석을 수행했습니다. 그 결과 광대역 파이버 레이저는 최대 출력 36kW의 근회절 한계 레이저 출력을 생성할 수 있는 반면, 좁은 선폭 파이버 레이저는 최대 출력 2kW에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다.

여러 광섬유 레이저의 전력 합성을 포함하는 코히어런트 합성 기술은 광섬유 레이저 및 증폭기의 출력을 높이는 데 효과적인 방법입니다. 이 접근 방식은 최근 몇 년 동안 중요한 연구 주제가 되었습니다.

광섬유 레이저의 고유한 장점과 100킬로와트 시스템에 대한 수요 외에도 광섬유 융합 콘 커플러, 멀티코어 광섬유, 피그테일 위상 변조기, 음향광 주파수 시프터와 같은 다양한 지원 장치가 광섬유 통신 상용화에 중요한 역할을 해왔습니다.

파이버 퓨즈드 콘 커플러와 멀티 코어 파이버는 레이저 에너지 주입 결합 및 소실파 결합을 통한 수동 위상 제어를 훨씬 더 쉽게 관리할 수 있게 해줍니다.

피그테일과 음향 광학 주파수 시프터가 있는 위상 변조기는 메가헤르츠 제어 대역폭으로 능동 위상 제어가 가능하여 고전력 조건에서 위상 변동을 제어하고 위상 고정 출력을 달성할 수 있습니다.

연구원들은 스펙트럼 합성 기술, 하나 이상의 회절 격자를 사용하여 여러 개의 서브빔을 동일한 조리개로 회절시켜 단일 조리개 출력과 향상된 빔 품질을 제공하는 비코히어런트 합성 기술 등 다양한 코히어런트 합성 방식을 제안했습니다.

파이버 레이저의 스펙트럼 합성은 단일 파이버 레이저 출력 전력의 한계를 극복하기 위해 이테르븀 도핑 파이버 레이저의 넓은 이득 대역폭을 최대한 활용하여 고출력 및 고빔을 생성합니다. 고품질 레이저 출력. 이는 향후 고출력 파이버 레이저의 중요한 기술적 방법 중 하나입니다.

스펙트럼 합성 섬유 레이저 시스템

상하이 광학 및 기계 연구소는 최근 몇 년간 고출력 파이버 레이저와 스펙트럼 합성에 대한 광범위한 연구를 수행하여 장치 준비, 핵심 기술 및 스펙트럼 합성 시스템에서 상당한 혁신을 이루어냈습니다.

좁은 선폭 및 고출력 광섬유 증폭기 분야에서 연구소는 2016년에 광섬유 브래그 격자, 고출력 광섬유 결합기, 클래딩 광학 필터 등 자체 개발한 핵심 장치를 활용했습니다. 이는 광섬유 브래그 격자 캐스케이드 필터링, 선폭 제어, 증폭단 파라미터 제어, 광섬유 모드 제어 등의 핵심 기술을 기반으로 합니다.

이 획기적인 성과는 독일 예나 대학교 연구 그룹이 보고한 선폭 50GHz 미만의 레이저의 단일 모드 출력 전력 한계를 뛰어넘은 것입니다. 연구소는 2.5kW의 출력, 0.18nm(50GHz)의 선폭, 1064.1nm의 중심 파장으로 회절 한계에 가까운 파이버 레이저 출력을 달성할 수 있었습니다.

이 레이저는 작고 안정적인 올-옵티컬 파이버 시드와 3단계 증폭 구조를 갖추고 있어 매우 견고합니다. 메인 증폭기는 편광을 유지하지 않는 20μm/400μm 광섬유를 사용하며, 사용 가능한 펌프 전력을 높이면 레이저 출력 전력을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

스펙트럼 합성의 측면에서 금속 필름 반사 회절 격자는 손상 임계값이 낮고 고출력 레이저 조사에 견딜 수 없어 고출력 스펙트럼 합성을 달성하기 어려웠습니다. 그러나 2016년 8월, 연구소는 7개의 좁은 선폭 광섬유 레이저와 높은 손상 임계 편광 비상관 다층 유전체 회절 격자(MLDG)를 사용하여 11.27kW 고빔 품질의 스펙트럼 합성을 실현함으로써 고출력 광섬유 레이저의 스펙트럼 합성 분야에서 큰 진전을 이루었습니다.

고출력 파이버 레이저의 일반적인 응용 분야

파이버 레이저는 우수한 빔 품질, 높은 전기 광학 효율, 컴팩트한 구조 및 신뢰성으로 인해 산업 가공, 의료, 원격 감지, 보안, 과학 연구 등 다양한 분야에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.

산업 부문에서 파이버 레이저는 출력 전력에 따라 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

저전력 파이버 레이저(50와트 미만)는 주로 미세 구조 가공, 레이저 마킹, 저항 조정, 정밀도에 사용됩니다. 드릴링금속 조각 등

중출력 파이버 레이저(50~500와트)는 주로 드릴링, 용접, 절단 및 표면 처리 얇은 금속판으로 만들어집니다.

고출력 파이버 레이저(1000와트 이상)는 주로 두꺼운 금속판 절단, 금속 표면 코팅, 특수 판재의 3차원 가공 등에 사용됩니다.

파이버 레이저는 우수한 빔 품질, 높은 전기 광학 효율, 컴팩트한 디자인 및 신뢰성으로 인해 산업 가공, 의료, 원격 감지, 보안, 과학 연구 등 다양한 분야에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.

산업용 영역에서 파이버 레이저는 출력 전력에 따라 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

저전력 파이버 레이저(50와트 미만)는 주로 미세 구조 가공, 레이저 마킹, 저항 조정, 정밀 드릴링, 금속 조각 등에 사용됩니다.

중출력 파이버 레이저(50~500와트)는 주로 얇은 금속판의 드릴링, 용접, 절단 및 표면 처리에 사용됩니다.

고출력 파이버 레이저(1000와트 이상)는 주로 두꺼운 금속판 절단, 금속 표면 코팅, 특수 판재의 3차원 가공 등에 활용됩니다.

파이버 레이저는 우수한 빔 품질, 높은 전기 광학 효율, 컴팩트한 디자인 및 신뢰성으로 인해 산업 가공, 의료, 원격 감지, 보안, 과학 연구 등 다양한 분야에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

산업 부문에서 파이버 레이저는 출력 전력에 따라 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다:

저전력 파이버 레이저(50와트 미만)는 주로 미세 구조 가공, 레이저 마킹, 저항 조정, 정밀 드릴링, 금속 조각 등에 사용됩니다.

중출력 파이버 레이저(50~500와트)는 주로 얇은 금속판의 드릴링, 용접, 절단 및 표면 처리에 사용됩니다.

고출력 파이버 레이저(1000와트 이상)는 주로 두꺼운 금속판 절단, 금속 표면 코팅, 특수 판재의 3차원 가공 등 다양한 용도로 사용됩니다.

다른 광원에 비해 부피가 작은 파이버 레이저는 발사 플랫폼에서 높은 기동성을 제공하여 전장에서의 적응성과 생존성을 향상시킵니다.

아프가니스탄에서는 Spata사의 레이저 지뢰 제거 시스템인 '제우스'가 지뢰 제거에 사용되었습니다.

2009년부터 미 해군은 광섬유 레이저 시스템을 사용하여 무인 항공기, 포탄, 소형 선박을 파괴하는 데 성공했습니다. 이 시스템은 2014년에 군함에 설치되었습니다.

2012년 독일 방위산업체 라인메탈은 50kW급 이중 튜브 레이저 시스템을 출시하여 무인항공기, 포탄 및 기타 표적을 성공적으로 요격하고 파괴하는 실증 실험을 진행했습니다.

레이저 무기

레이저 무기는 빠르게 발전하고 있는 신개념 무기입니다.

빛의 속도로 고에너지 레이저를 표적 표면에 방출하여 광전 감지, 항법, 유도 등 주요 장치에 손상을 입히거나 표적을 '눈 멀고 귀 먹은' 상태로 만들거나 이동 물체 껍질을 태워 격추하거나 연료를 폭발시켜 공중에서 폭발시켜 단시간에 피해를 입히는 임무를 완수하는 방식입니다.

에너지 집중, 빠른 전송 속도, 반복 사용의 장점은 물론 높은 비용 효율성, 빠른 화력 전달, 전자기 간섭에 대한 내성까지 갖추고 있습니다.

레이저 무기의 개발은 시작부터 우여곡절이 많았습니다. 하지만 고체 레이저 파이버 레이저와 같은 기술은 레이저 무기 개발을 활성화하고 주요 군사 강대국들의 연구의 초점이 되었습니다.

현재 미국, 영국, 러시아, 독일, 인도 등의 국가에서 레이저 무기 개발에 착수하여 관련 실험을 진행하고 있습니다.

레이저 무기의 전장 투입이 코앞으로 다가왔습니다.

미 해군은 무인항공기와 스텔스 공격정 등 비대칭 위협에 대응하고 함정의 근접 방어 능력을 강화하기 위해 2010년에 공식적으로 '레이저 무기 체계'(LAWS) 개발에 착수했습니다. 이 시스템은 2014년 9월 상륙함 수송함 '폰스'에 배치되어 1년간의 운용 시험 및 평가를 거쳤습니다.

LAWS는 레이시온이 주도하며 보잉과 록히드마틴이 일부 작업에 참여하고 있습니다. 이 시스템은 R&D 및 조달 비용을 최소화하기 위해 기존의 상용 기술과 구성 요소를 최대한 활용합니다.

LAWS 프로토타입은 6개의 산업용 파이버 레이저로 구성되어 있으며, 작동 시 레이저 빔을 결합하여 30kW의 레이저 빔을 생성합니다. 레이저 무기 시스템 사용 비용은 미사일 한 발당 수만 또는 수십만 달러에 달하는 것과는 대조적으로, 한 발당 $1에 불과할 것으로 추정되는 저렴한 비용입니다.

2016년에 미국 해군 연구국은 이전에 테스트한 법률 시스템 프로토타입보다 5배 더 강력한 출력 150kW의 새로운 함정 탑재형 고에너지 레이저 무기 시스템 개발에 착수했습니다. 이 프로젝트는 12개월이 걸렸고 미화 1억 4천 5백만 달러가 소요되었으며, 1단계는 초기 설계, 2단계는 지상 테스트, 3단계는 해군 자위 시험함에서 테스트하는 등 3단계로 '레이저 무기 시스템 실증 프로토타입'을 개발하는 데 총 3단계에 걸쳐 진행되었습니다.

2014년 중국공정원 물리학 아카데미와 상하이 광학 및 기계 연구소는 '저고도 가드' 시스템을 공동 개발했습니다. 실증 및 검증 실험에서 고정익, 멀티로터, 헬리콥터 등 소형 항공기 30여 대를 100%의 성공률로 격추하는 데 성공했습니다. 이 시스템은 약 10,000와트의 발사 출력과 12제곱킬로미터의 저고도 유효 방어 면적을 가졌습니다. 이 시스템은 반경 2km, 360도 공역 내에서 고정익을 포함한 다양한 항공기를 5m 이내에서 정확하게 요격할 수 있었습니다. 이 시스템은 빠르고 정확하며 부수적인 피해도 없었습니다.

2015년에 록히드마틴은 아테나라는 30kW 레이저 무기를 사용하여 1마일 떨어진 곳에서 트럭을 파괴했습니다. 2017년 3월에는 60kW 레이저 무기 시스템의 연구 개발을 완료하고 알래스카에 있는 미 육군 사령부로 배송했다고 발표했습니다. 이 회사의 수석 기술자는 이번 테스트 성공으로 군용 항공기, 헬리콥터, 선박 및 트럭에 배치할 수 있는 휴대용 레이저 무기 시스템 개발에 더 가까워졌다고 말했습니다. 이 연구를 통해 고에너지 지향성 레이저는 이제 지상, 해상 및 공중 플랫폼에서 방어용으로 사용할 수 있을 만큼 작고 가벼우며 신뢰할 수 있는 것으로 나타났습니다.

요약

결론적으로, 레이저 기술의 발전은 파이버 레이저 기술이 고출력 및 고휘도 레이저의 미래 방향임을 보여줍니다. 도파관 광섬유 기술과 반도체 레이저 펌핑 기술의 결합은 첨단 레이저 제조 및 군사 방위의 고출력, 고효율 레이저에 대한 긴급한 수요를 충족할 수 있는 고출력 광섬유 레이저의 탄생으로 이어집니다.

이 기술은 국가 경제와 안보 모두에서 전략적으로 매우 중요합니다. 또한 고출력 파이버 레이저는 에너지 탐사, 대형 과학 기기, 우주 과학, 환경 과학 등 다양한 분야에서 엄청난 응용 잠재력을 가지고 있습니다. 고출력 광섬유 레이저는 인간이 세상을 이해하고 만들어가는 데 강력한 도구가 될 것입니다.