재료 가공, 레이저 수술, 원격 감지 등 다양한 응용 분야에서 특히 그렇습니다.레이저 마킹, 다양한 일반적인 레이저 시스템이 존재합니다. 이러한 레이저 시스템 중 다수는 주요 매개변수를 공유합니다. 이러한 매개변수에 대한 보편적인 용어를 설정하면 잘못된 표현을 방지할 수 있으며, 이러한 용어를 이해함으로써 응용 분야 요구 사항에 맞게 레이저 시스템과 구성 요소를 올바르게 지정할 수 있습니다.
그림 1: 레이저 시스템의 10가지 주요 매개변수가 해당 숫자로 표시되는 일반적인 레이저 재료 가공 시스템의 개략도
NO.1 파장: 레이저의 파장은 방출된 광파의 공간 주파수를 설명하는 기본 매개변수입니다. 다양한 파장의 레이저는 다양한 응용 분야에서 역할을 합니다. 재료 가공에서는 재료마다 파장에 따라 흡수 특성이 다르므로 재료와의 상호 작용도 다릅니다. 더 짧은 파장의 레이저와 레이저 광학은 주변 가열을 줄이면서 작고 정밀한 형상을 만드는 데 이점이 있습니다. 그러나 이러한 장치는 일반적으로 파장이 더 긴 레이저에 비해 더 비싸고 취약합니다.
NO.2 힘: 레이저 출력은 일반적으로 연속파(CW) 레이저의 광 출력 또는 펄스 레이저의 평균 출력을 설명하는 데 사용되는 와트(W)로 측정됩니다. 펄스 레이저의 특징은 펄스 에너지가 평균 전력에 정비례하고 반복률에 반비례한다는 것입니다. 에너지의 단위는 줄(J)이다. 따라서 펄스 에너지는 평균 전력을 반복률로 나누어 계산할 수 있습니다.
그림 2: 펄스 에너지, 반복률 및 펄스 레이저의 평균 출력 사이의 관계를 시각적으로 표현한 것입니다. 고출력 및 에너지 레이저는 일반적으로 더 비싸고 더 많은 폐열을 생성합니다. 전력과 에너지가 증가함에 따라 높은 빔 품질을 유지하는 것이 점점 더 어려워지고 있습니다.
NO.3 펄스 지속 시간:레이저의 펄스 지속 시간 또는 펄스 폭은 일반적으로 레이저가 최대 광 출력의 절반(FWHM)에 도달하는 데 걸리는 시간으로 정의됩니다. 초고속 레이저는 피코초(10-12초)에서 아토초(10-18초)까지의 짧은 펄스 지속 시간이 특징입니다.
그림 3: 펄스 레이저의 펄스 간격은 반복률의 역수입니다.
NO.4 반복률:펄스 레이저의 반복률은 초당 방출되는 펄스 수를 나타내며, 이는 펄스 간 시간 간격의 역수입니다. 앞서 언급한 것과는 달리 반복률은 펄스 에너지에 반비례하고 평균 전력에 정비례합니다. 반복률이 높을수록 레이저 광학 요소 표면과 최종 초점 지점의 열 이완 시간이 짧아지므로 재료의 가열 속도가 빨라집니다.
NO.5 일관성 길이:레이저에는 일관성이 있습니다. 이는 서로 다른 시간이나 위치에서 전기장의 위상 값 사이에 고정된 관계가 있음을 의미합니다. 이러한 특징은 레이저가 대부분의 다른 유형의 광원과 다른 유도 방출에 의해 생성된다는 사실에서 비롯됩니다. 레이저의 간섭성은 전파 중에 점차 약해지지만, 레이저의 간섭 길이는 시간 일관성이 특정 수준으로 유지되는 거리를 정의합니다.
NO.6 편광:편광은 전파 방향에 항상 수직인 광파 전기장의 방향을 정의합니다. 대부분의 경우 레이저는 선형 편광됩니다. 즉, 방출되는 전기장은 항상 같은 방향을 가리킵니다. 대조적으로, 비편광된 빛은 다양한 방향을 가리키는 전기장을 생성합니다. 편광은 일반적으로 100:1 또는 500:1과 같은 두 개의 직교 편광 상태 사이의 광 출력 비율로 표현됩니다.
NO.7 빔 직경: 레이저의 빔 직경은 빔의 측면 확장, 즉 전파 방향에 수직인 물리적 크기를 나타냅니다. 일반적으로 빔 직경은 1/e² 폭, 즉 빔 강도가 최대값의 1/e²(약 13.5%)에 도달하는 지점에서 정의됩니다. 이 시점에서 전기장의 세기는 최대값의 1/e(약 37%)로 떨어진다. 빔 직경이 클수록 빔 클리핑을 방지하기 위해 필요한 광학 구성 요소와 전체 시스템이 커지므로 비용이 증가합니다. 그러나 빔 직경을 줄이면 전력/에너지 밀도가 증가하여 부작용도 발생합니다.
NO.8 전력 또는 에너지 밀도: 전력 또는 에너지 밀도는 빔 전력 또는 단위 면적당 에너지를 나타냅니다. 빔 직경은 전력/에너지 밀도와 밀접한 관련이 있습니다. 빔의 출력 또는 에너지가 일정하게 유지되면 빔 직경이 클수록 출력/에너지 밀도는 작아집니다. 일반적으로 출력/에너지 밀도가 높은 레이저는 레이저 절단이나 레이저 용접 응용 분야와 같은 시스템의 이상적인 최종 출력입니다. 그러나 낮은 출력/에너지 밀도를 갖는 레이저는 시스템 내부적으로 유익하며, 레이저로 인한 손상을 줄일 수 있으며, 빔의 높은 출력/높은 에너지 밀도 영역이 공기를 이온화하는 것을 방지할 수 있습니다.
NO.9 빔 프로파일: 빔 프로파일은 단면에서의 빔 분포 강도를 설명합니다. 일반적인 빔 프로파일에는 가우스 빔과 플랫탑 빔이 포함되며, 해당 빔 프로파일은 각각 가우스 및 플랫탑 함수를 따릅니다. 그러나 레이저 내부에는 항상 일정한 수의 핫스팟이나 진동이 있기 때문에 어떤 레이저도 이상적인 빔 프로파일과 완벽하게 일치하는 완벽한 가우스 빔이나 완벽한 플랫탑 빔을 생성할 수 없습니다. 레이저의 실제 빔 프로파일과 이상적인 빔 프로파일 사이의 차이는 일반적으로 여러 측정 지표(레이저의 M² 계수 포함)로 설명됩니다.
NO.10 다이버전스:사람들은 일반적으로 레이저 빔이 시준된 빛이라고 생각하지만 실제로 레이저 빔에는 항상 어느 정도의 발산이 있습니다. 발산은 회절로 인한 장거리 전파 후 빔 웨이스트에 대한 빔의 확산 정도를 나타냅니다. 대상과 레이저 시스템이 수백 미터 떨어져 있을 수 있는 레이저 레이더 시스템과 같이 작동 거리가 긴 응용 분야에서는 발산이 특히 중요한 문제가 됩니다. 빔의 발산은 일반적으로 레이저의 반각으로 정의되며, 가우시안 빔의 발산각(θ)은 λ는 레이저 파장, w0는 레이저 빔 웨이스트로 정의됩니다.
NO.11 스팟 사이즈: 스폿 크기는 포커싱 렌즈 시스템의 초점에 위치한 포커싱된 레이저 빔의 스폿 직경을 나타냅니다. 재료 가공 및 의료 수술과 같은 다양한 응용 분야에서 우리의 목표는 스폿 크기를 최소화하는 것입니다. 이를 통해 전력 밀도를 최대화하고 특히 미세한 기능을 생성할 수 있습니다. 비구면 렌즈는 구면 수차를 줄이고 점 크기를 줄이기 위해 기존 구면 렌즈를 대체하는 데 자주 사용됩니다. 일부 유형의 레이저 시스템에서는 레이저가 결국 레이저의 초점을 한 지점에 맞추지 않으므로 이 경우 이 매개변수가 적용되지 않습니다.
그림 5: 이탈리아 기술 연구소의 레이저 미세 가공 실험은 일정한 플럭스에서 스폿 크기가 220미크론에서 9미크론으로 줄어들면 나노초 레이저 드릴링 시스템의 제거 효율이 10배 증가한다는 것을 보여줍니다.
