파이버 레이저 특성

파이버에서 펌핑이 진행된 파이버 레이저 모듈에서 레이저가 발진 된다.파이버 레 이저는 소형의 모듈 개념으로 설계되어,각 모듈을 직렬로 연결함으로서 요구되는 출력에 따라 레이저 다이오드 모듈(LDM)을 증설하는 구조로 구성되어 있다.

Fig. 2-8 Schematic of fiber laser module

파이버 레이저의 특성을 구분하면 다음과 같다.

첫째,레이저 빔 품질이 우수하다.

레이저 빔의 품질은 가공효율과 밀접한 관계를 가지고 있으며,레이저 가공 결과 에 결정적인 역할을 하는 요소 중 하나이다.파이버 레이저의 빔 품질 지수는 BPP (Beam ParameterProduct:mm*mrad)로 표현된다.파이버 레이저는 10㎛ 이하 의 작은 코어 (core)를 통해 발진되고,전달되기 때문에 정제되고 안정된 빔 품질 을 얻을 수 있다.파이버 레이저는 광 파이버 케이블을 통한 빔 전송이 이루어진 다.파이버 내부의 난반사로 인해 편광이 존재하지 않아,CO2레이저와 같은 편광 의 영향으로 인해 절단 방향에 따라 절단 품질이 변화하지 않는다.또한 CO2레이 저와 같이 전송된 빔의 경로 차이에 의해 초점크기가 변화하지 않고 항상 일정한 빔 특성이 유지된다.Fig.2-9는 고출력 파이버 레이저의 빔 품질을 측정한 것이다.

그림과 같이 레이저 초점 크기가 작고,빔 프로파일 (beam profile)이 가우시안 형 태로 항상 일정하며 중심부의 에너지는 균일하다.따라서 정교하고,균일함을 요하 는 레이저 가공에 파이버 레이저가 적합하다.파이버 레이저는 월등한 빔 품질을 나타내기 때문에 실제 가공에서 생산성과 유연성을 갖는다.빔 품질은 가공에서 초 점 크기와 깊이에 직접적인 영향을 보이며 가공 효율을 결정한다.빔 품질이 레이 저 가공 효율에 결정되기 때문에,빔 품질이 뛰어난 파이버 레이저가 용접,절단 등의 가공에서 더 유리하다[89].

Fig. 2-9 Fiber laser beam profile [89]

둘째,타 레이저에 비해 효율성과 경제성이 뛰어나다.

파이버 레이저는 기존 레이저와 발진구조가 달라 소모품이 없는 구조로 설계되 었기 때문에,전기료 등과 같은 최소의 운용비용 (runningcost)만 발생한다.

Fig.2-10은 Nd:YAG 레이저와 CO2레이저 그리고 파이버 레이저의 설치시 필요 한 레이저 및 냉각기의 실제 소요면적을 그림으로 나타내었으며,각 레이저별 에너 지 효율과 연간 소요되는 유지보수 비용을 나타내었다.램프 펌핑 (lamppumping) 방식의 Nd:YAG 레이저의 경우 에너지 효율이 4% 이하이므로,램프수명이 2,000 시간 이하로써 교체주기가 짧고 이에 따른 유지보수 비용이 소요된다.나머지 에너 지효율 96%는 열로 소모된다.이로 인한 고용량의 냉각기 (Chiller)가 필요하다.

CO2레이저의 경우 주기적인 레이저 혼합가스 교체에 따른 비용과 광학계 클리닝 및 빔 정렬 (beam alignment)점검을 위한 분해정비 (overhaul)가 필요하다.레이 저 에너지 발진효율은 12% 이하로써 램프방식의 Nd:YAG 레이저에 비해 효율은 개선되었지만 나머지 88%에 해당하는 열 에너지를 냉각시켜주기 위한 고용량의 냉각기가 필요하다.파이버 레이저의 경우 액티브 파이버 (activefiber)에서 레이 저 발진이 이루어지므로 반사경에 의한 광 증폭이 진행되는 타 레이저에 비해 레 이저 발진 효율이 25% 수준으로 매우 높다.에너지 효율이 높기 때문에 소비 전 력이 적게 소요되고,발진시 발열이 작아 냉각장치 용량도 작기 때문에 공간적 이 점이 있다.교체 부품으로는 레이저 다이오드가 있으나 수명이 10만 시간 이상 길 어 최소의 비용으로 운영할 수 있는 장점이 있다[90].

Fig. 2-10 Compared to the high power CW laser efficient [91]

셋째,빔 흡수율이 우수하다.

파이버 레이저는 Fig.2-11에서와 같이 금속소재의 레이저 빔 흡수율이 높아 CO2

레이저에 비해 적은 출력으로 동일한 절단 성능을 발휘할 수 있다.특히 알루미늄 및 알루미늄 함금,마그네슘 합금,청동 등 CO2레이저로 절단이 어려웠던 소재의 절단이 가능하다.Fig.2-11에서와 같이 파장이 10.6㎛인 CO2레이저의 경우 파장 이 길어 거의 모든 금속에서 10% 미만의 에너지가 금속 내부로 흡수되고 나머지 는 반사됨을 알 수 있다.그러나 파장이 1.07 ㎛인 파이버 레이저의 경우 파장이 CO2레이저에 비해 1/10정도로 짧아 철(Fe)에서 35% 이상의 에너지가 흡수되고, 다른 금속 및 금속산화물 역시 CO2레이저에 비해 파이버 레이저의 에너지 흡수가 용이함을 알 수 있다.그러므로 자동차 부품소재의 용접 및 절단에서도 CO2레이 저에 비해 적은 출력으로도 가공이 가능하다.열전도율이 높은 알루미늄,구리,동 과 같은 소재는 레이저 빔의 흡수로 발생되는 열량의 대부분이 소재 주변으로 열 이 전도 및 발산되므로 레이저 빔이 가해지는 영역에서의 소재 용융을 위해 많은 에너지가 요구된다.반면 일반 탄소강과 같이 열전도율이 낮은 소재의 경우 주변으 로 전도되는 열이 상대적으로 적어,열전도율이 높은 소재에 비해 낮은 에너지로 소재 용접 및 절단이 가능하다.

Fig. 2-11 Absorption rate of light to metal [92]

넷째,파이버 빔 전송으로 시스템 구성이 용이하다.

파이버 레이저는 전송용 광 파이버 케이블 (opticalfibercable)에 의해 빔이 수 십m 이상 전송되어도 빔 품질에 영향이 없어 레이저 시스템 구성이 용이하다.

Fig.2-12는 파이버 레이저 가공 시스템에 대한 모식도이다.파이버 레이저에 의해 발생된 레이저 빔이 렌즈나 반사경과 같은 광학계를 통하지 않고,Photo2-1과 같 은 전송용 광 파이버 케이블에 의해 가공용 레이저 옵틱 헤드 (optichead)까지 레이저 빔이 전송 되어 용접 및 절단과 같은 레이저 가공 작업이 진행 된다.빔 전 송용 광 파이버 케이블의 구조는 Fig.2-13과 같이 코어와 굴절율이 다른 클래딩 (cladding)그리고 파이버를 보호하기 위한 버퍼 (buffer)와 전송용 광 파이버 케이 블의 외측 피복재 (sheath)으로 구성되어 있다.케이블의 코어 크기는 수십 ㎛에서 수백㎛ 까지 종류가 다양하다.광 파이버 케이블은 코어와 클래딩의 굴절율 차이에 의한 빛의 전반사로 빔 전송이 되어 빔 모드는 파이버 특성에 따라 가우시안 형태 의 싱글모드,탑 플레이트 (top plate)형태의 멀티모드로 집속된 빔의 에너지 분포 가 형성된다.Fig.2-14와 같이 빔 전송용 광 파이버 케이블은 일정한 허용 곡율 반 경을 벗어날 경우 코어와 클래딩 부분에 빛 투과가 발생되어 케이블이 손상되는 경우가 발생할 수 있으므로 기구적 스트레스를 최소화하여야 한다.

광섬유에 의한 빔 전송으로 반사경이나 렌즈 등 광학계를 사용하지 않고 레이저 빔은 전송용 광 파이버 케이블의 코어 내부를 전반사하며 진행하므로 항상 일정한 빔 품질의 레이저 가공 작업이 이루어지며,이에 대한 유지보수가 필요 없는 이점 이 있다.

Fig. 2-12 Schematic fiber laser system of optical beam transmission

Photo 2-1 Optical fiber cable

Fig. 2-13 Structure of optical fiber cable

Fig. 2-14 Banding radius of optical fiber cable [38]