파이버 레이저 개발배경

고출력 파이버 레이저가 개발되기 이전 자동차 부품의 레이저 가공을 위한 kW 급 고출력 산업용 레이저는 주로 기체레이저인 CO2 레이저와 근적외선 영역의 YAG 타입의 고체 레이저가 사용되었다.레이저는 발진원리 및 활성매질의 특성에 따라 기체 레이저,고체 레이저,액체 레이저로 구분한다.

기체 레이저의 종류로는 원자 레이저인 헬륨네온 (He-Ne)레이저,이온 레이저인 아르곤(Ar⁺)레이저,분자 레이저인 CO2레이저 등이 있으며,다양한 방식의 기체 레이저 중에서 가장 많이 산업현장에서 사용되고 있는 CO2레이저의 발진 원리는 Fig.2-1과 같다.

CO2레이저는 활성물질이 CO2혼합 기체로서 가스의 보충 및 냉각작용을 위해 기체의 순환이 필요하므로 일반적으로 고체레이저에 비해 상대적 부피가 크다.가 스방전관에 고전압을 인가하여 자유전자가 전기장에 의해 양극으로 가속되며,가속 된 자유전자들이 이동 중 활성매질인 중성의 원자,혹은 분자들과 충돌시 높은 준 위로 여기되어 레이저를 방출한다.CO2레이저는 이산화탄소(CO2),헬륨(He),질소 (N2)가스를 일정 배율로 혼합된 혼합가스(CO2+He+N2)사용하며 주기적으로 가스 를 교환 및 충전해야 한다.혼합가스가 방전관의 내부의 방전전극(+/-)을 통해 전 기적인 방전이 이루어지며,이 과정에서 파장이 10.6 ㎛의 레이저 빔이 생성되며, 양끝 반사경을 통해 레이저 출력이 증폭 된다.

고체 레이저의 종류에는 루비 레이저,Nd:YAG 레이저,Nd:Glass레이저,타이 사파이어 (Ti:Sapphire)레이저 등이 있으며,고체 레이저 중에서 주로 많이 사용되 는 램프 펌핑 방식의 Nd:YAG 레이저의 발진 원리를 Fig.2-2에 나타내었다.

Fig. 2-1 Schematic diagram of a CO2 Laser [38]

Fig. 2-2 Schematic diagram of a YAG Laser

Nd:YAG 레이저는 플래쉬 아크 (flash arc)램프에서 발산된 빛이 반사경에 의해 Nd:YAG 봉(Rod)에 전달되고,Nd:YAG 봉에서 파장이 1.06㎛의 레이저 빔이 생성 되어 양끝 반사경를 통해 레이저 출력이 증폭된다.

고체레이저인 YAG 레이저는 고체 활성 매질에 다른 금속이온을 불순물로 첨가 시켜 만든다.이 불순물은 원래 결정의 격자원자 위치에 치환되어 외부의 광학적 펌핑시 이온의 에너지 준위를 반전시키는 역할을 한다.이온의 반전된 불안정한 에 너지 상태에서 안정된 기저상태로 돌아오는 과정에서 레이저를 방출한다.

YAG (Yttrium Aluminium Garnet)는 광학적으로 가공이 용이할 만큼 굳고 안 정적인 등방성물질로써,유리의 10배 정도 높은 열전도성으로 인해 발생된 열을 제 거하기가 상대적으로 용이하며,높은 열전도성은 열적 부하에서 쉽게 열 방출을 가 능하게 한다.

고체 및 기체 레이저 모두 레이저 발진을 위해 내부 공진기를 사용하고 있으며, 공진기는 광학계로 구성되어 있다.가공성 및 생산성을 높이기 위해 더 높은 출력 의 고출력 레이저가 계속 요구되면서 공진기 반사경의 열렌즈 현상을 피할 수 없 게 되었다.반사경의 체적 대비 공진기 내부 레이저 출력 비율이 너무 높아 반사경 을 수냉 시켜 공진기의 열렌즈 현상을 억제하기 위한 냉각장치 비중이 높아짐에 따라 레이저 발진 효율 저하 및 빔 품질 저하가 발생하게 되었다[82].

좋은 빔 품질의 고출력 레이저를 얻기 위해서는 매질의 냉각이 필수적이다.그러 나 고전적인 환봉형태 (rod-type)의 YAG 레이저는 Fig.2-3과 같이 봉의 내부와 표면의 온도 차로 인해 봉 자체가 열 렌즈 효과에 의해 볼록 렌즈로 작용하여 레 이저의 빔 품질과 출력의 저하현상 등의 불안정한 현상을 야기 시킨다.이러한 현 상을 줄이기 위해서는 매질의 냉각이 매우 중요하다.매질의 냉각을 용이하기 위해 Fig.2-4와 같이 매질을 기하학적으로 변형하여 봉의 직경을 작게 하고,길이를 길 게 함으로서 체적에 대한 표면적 비율을 높여 냉각 효율을 높이는 방식이 연구 되 었는데,이것이 파이버 레이저가 개발되게 된 배경이 되었다.

Fig. 2-3 Illustration of thermal lens effect of rod type laser

Fig. 2-4 Schematic laser resonator change concept