재료 가공, 레이저 수술, 원격 감지 등 다양한 응용 분야를 위한 광범위한 범용 레이저 시스템이 있지만 많은 레이저 시스템은 공통된 주요 매개변수를 공유합니다. 이러한 매개변수에 대한 공통 용어를 설정하면 오해를 방지할 수 있으며, 이를 이해하면 응용 요구 사항을 충족하는 레이저 시스템 및 구성 요소의 적절한 사양을 얻을 수 있습니다.
기본 매개변수
다음 기본 매개변수는 레이저 시스템의 가장 기본적인 개념이며 고급 사항을 이해하는 데 필수적입니다.
1: 파장(일반적인 단위: nm ~ µm)
레이저의 파장은 방출된 광파의 공간 주파수를 나타냅니다. 주어진 사용 사례에 대한 최적의 파장은 응용 분야에 따라 크게 달라집니다. 재료 가공에서 다양한 재료는 독특한 파장에 따른 흡수 특성을 갖고 있어 재료와의 상호 작용이 다릅니다. 마찬가지로, 원격 탐사에서 대기 흡수 및 간섭은 특정 파장에 다르게 영향을 미칠 수 있으며 의료 레이저 응용 분야에서는 다양한 복합체가 특정 파장을 다르게 흡수할 수 있습니다. 단파장 레이저와 레이저 광학은 초점이 더 작기 때문에 주변 가열을 최소화하면서 작고 정밀한 형상을 만드는 데 도움이 됩니다. 그러나 일반적으로 더 긴 파장의 레이저보다 가격이 더 비싸고 쉽게 손상됩니다.
2: 전력 및 에너지(일반적인 단위: W 또는 J)
레이저 출력은 와트(W) 단위로 측정되며 연속파(CW) 레이저에서 출력되는 광 출력 또는 펄스 레이저의 평균 출력을 설명하는 데 사용됩니다. 펄스 레이저는 평균 출력에 비례하고 레이저의 반복률에 반비례하는 펄스 에너지를 특징으로 합니다(그림 2). 에너지는 줄(J) 단위로 측정됩니다.
더 높은 출력과 에너지의 레이저는 일반적으로 더 비싸고 더 많은 폐열을 생성합니다. 출력과 에너지가 증가하면 높은 빔 품질을 유지하는 것도 더욱 어려워집니다.
3: 펄스 지속 시간(일반적인 단위: fs ~ ms)
레이저 펄스 지속 시간 또는 펄스 폭은 일반적으로 시간 대비 레이저 광 출력의 최대 반치(FWHM) 전폭으로 정의됩니다(그림 3). 초고속 레이저는 정밀 재료 가공, 의료 레이저 등 다양한 응용 분야에서 많은 장점을 제공하며, 펄스 지속 시간이 약 피코초(10-12초)에서 아토초(10-18초)까지 짧은 것이 특징입니다.
4: 반복률(일반적인 단위: Hz ~ MHz)
펄스 레이저의 반복 속도 또는 펄스 반복 주파수는 초당 방출되는 펄스 수 또는 역시간 펄스 간격을 나타냅니다(그림 3). 앞서 언급했듯이 반복률은 펄스 에너지에 반비례하고 평균 전력에 정비례합니다. 반복률은 일반적으로 레이저 이득 매체에 따라 달라지지만 많은 경우 달라질 수 있습니다. 반복률이 높을수록 레이저의 광학 표면과 최종 초점에서 열 완화 시간이 짧아지고 재료 가열 속도가 빨라집니다.
5: 일관성 길이(일반적인 단위: 밀리미터에서 미터까지)
레이저는 일관성이 있습니다. 이는 서로 다른 시간이나 위치에서 전기장의 위상 값 사이에 고정된 관계가 있음을 의미합니다. 이는 대부분의 다른 유형의 광원과 달리 레이저는 여기 방출에 의해 생성되기 때문입니다. 간섭성은 전송 과정 전반에 걸쳐 감소하며, 레이저의 간섭 길이는 레이저의 시간적 간섭성이 특정 품질로 유지되는 거리를 결정합니다.
6: 분극화
편광은 전파 방향에 항상 수직인 광파의 전기장의 방향을 결정합니다. 대부분의 경우 레이저는 선형으로 편광됩니다. 즉, 방출된 전기장은 항상 같은 방향을 가리킵니다. 편광되지 않은 빛은 다양한 방향을 가리키는 전기장을 갖습니다. 편광은 일반적으로 두 개의 직교 편광 상태(예: 100:1 또는 500:1)에서 빛의 초점 거리의 비율로 표현됩니다.
빔 매개변수
다음 매개변수는 레이저 빔의 모양과 품질을 특성화합니다.
7: 빔 직경(일반적인 단위: mm ~ cm)
레이저의 빔 직경은 빔의 측면 확장, 즉 전파 방향에 수직인 물리적 치수를 나타냅니다. 이는 일반적으로 1/e2 폭, 즉 1/e2(약 13.5%)의 빔 강도에 의해 달성되는 폭으로 정의됩니다. 1/e2 지점에서 전계 강도는 1/e(약 37%)로 떨어집니다. 빔 직경이 클수록 빔 잘림을 방지하기 위해 광학 장치와 전체 시스템이 더 커져야 하며, 이는 비용을 증가시킵니다. 그러나 빔 직경이 감소하면 전력/에너지 밀도가 증가하며 이는 또한 해롭습니다.
8: 전력 또는 에너지 밀도(일반적인 단위: W/cm2 ~ MW/cm2 또는 µJ/cm2 ~ J/cm2)
빔 직경은 레이저 빔의 출력/에너지 밀도 또는 단위 면적당 광학 출력/에너지와 관련이 있습니다. 빔 직경이 클수록 일정한 전력 또는 일정한 에너지 빔의 전력/에너지 밀도는 낮아집니다. 시스템의 최종 출력(예: 레이저 절단 또는 용접)에서는 일반적으로 높은 전력/에너지 밀도가 필요하지만 시스템 내에서는 일반적으로 레이저로 인한 손상을 방지하는 데 낮은 전력/에너지 밀도가 유리합니다. 이는 또한 빔의 높은 전력/에너지 밀도 영역에서 공기 이온화를 방지합니다. 이러한 이유로 무엇보다도 레이저 빔 확장기는 직경을 증가시켜 레이저 시스템 내부의 출력/에너지 밀도를 줄이는 데 자주 사용됩니다. 그러나 빔을 너무 크게 확장하여 시스템의 구멍에서 빔이 가려져 에너지가 낭비되고 잠재적인 손상이 발생하지 않도록 주의해야 합니다.
9: 빔 프로필
레이저의 빔 프로파일은 빔 단면의 분포 강도를 나타냅니다. 일반적인 빔 프로파일에는 각각 가우스 및 플랫탑 기능을 따르는 가우스 및 플랫탑 빔이 포함됩니다(그림 4). 그러나 레이저 내부에는 항상 일정한 수의 핫스팟이나 변동이 있기 때문에 어떤 레이저도 고유함수와 정확히 일치하는 완전 가우스 또는 완전 평면형 빔을 생성할 수 없습니다. 레이저의 실제 빔 프로파일과 이상적인 빔 프로파일 간의 차이는 일반적으로 레이저의 M2 계수를 포함하는 측정항목으로 설명됩니다.
10: 발산(일반 단위: mrad)
레이저 빔은 일반적으로 시준된 것으로 간주되지만 항상 특정 양의 발산을 포함합니다. 이는 회절로 인해 레이저 빔 웨이스트에서 멀어질수록 빔이 발산되는 정도를 나타냅니다. 물체가 레이저 시스템에서 수백 미터 떨어져 있을 수 있는 LIDAR 시스템과 같이 작동 거리가 긴 응용 분야에서는 발산이 특히 중요한 문제가 됩니다. 빔 발산은 일반적으로 레이저의 반각으로 정의되며 가우스 빔의 발산(θ)은 다음과 같이 정의됩니다.
λ는 레이저의 파장이고 w0는 레이저의 빔 웨이스트입니다.
최종 시스템 매개변수
이러한 최종 매개변수는 출력 시 레이저 시스템의 성능을 설명합니다.
11: 스폿 크기(일반 단위: µm)
초점이 맞춰진 레이저 빔의 스폿 크기는 초점 렌즈 시스템의 초점에서의 빔 직경을 나타냅니다. 재료 가공 및 의료 수술과 같은 많은 응용 분야에서 목표는 스폿 크기를 최소화하는 것입니다. 이를 통해 전력 밀도가 최대화되고 매우 미세한 기능을 생성할 수 있습니다(그림 5). 비구면 렌즈는 구면 수차를 최소화하고 더 작은 초점 크기를 생성하기 위해 기존 구면 렌즈 대신 사용되는 경우가 많습니다. 일부 유형의 레이저 시스템은 최종적으로 레이저의 초점을 해당 지점에 맞추지 못하며, 이 경우 이 매개변수를 적용할 수 없습니다.
12: 작동 거리(일반적인 단위: µm ~ m)
레이저 시스템의 작동 거리는 일반적으로 최종 광학 요소(일반적으로 초점 렌즈)에서 레이저 초점이 맞춰지는 물체나 표면까지의 물리적 거리로 정의됩니다. 의료용 레이저와 같은 일부 응용 분야에서는 종종 작동 거리를 최소화하려고 노력하는 반면, 원격 감지와 같은 다른 응용 분야에서는 작동 거리 범위를 최대화하는 것을 목표로 하는 경우가 많습니다.
