Component 1 : Laser Source

산업용 레이저 장비의 설계·도입·품질 검증을 위한 핵심 파라미터 완전 해설. CW·펄스·QCW 레이저 소스의 특성과 측정법을 기반으로, 고성능 가공 시스템 구축을 위한 전략적 인사이트를 제공합니다.

Mar 27, 2025

레이저 소스

산업용 레이저 가공 시스템은 다양한 고정밀 작업(절단, 용접, 마킹, 드릴링 등)을 수행하기 위해 복잡한 구성 요소들의 정교한 조합으로 이루어집니다. 레이저 가공 시스템은 일반적으로 다음과 같은 구성 요소로 나뉩니다. 이 중 레이저 발진기는 가공용 광원을 생성하는 핵심 파트로, 다른 모든 파트의 동작은 이 발진기에서 생성된 빛을 어떻게 ‘전달’, ‘형성’, ‘제어’, ‘보정’할 것인가에 초점이 맞춰져 있습니다.

레이저 발진기 (Laser Source)

빔 딜리버리(BD; Beam Delivery) 시스템

빔 성형 및 가공광학계 (Beam Shaping / Focusing)

가공 모션 및 제어 시스템 (Motion & Control)

공정 모니터링 및 피드백 시스템 (Monitoring & Sensing)

레이저 발진기(Laser Source)는 말 그대로 이 시스템의 "심장"이라 할 수 있습니다. 에너지를 광으로 바꾸고, 원하는 파장과 특성의 레이저 빔을 생성하여 전체 가공 시스템의 성능을 좌우합니다.

레이저 발진기는 단순한 광원 이상의 존재입니다. 전체 가공 품질, 속도, 정밀도, 소재 호환성은 결국 발진기에서 시작되며, 빔의 전달, 형상 제어, 그리고 공정 모니터링이 이에 맞춰 설계됩니다. 따라서, 가공 어플리케이션에 맞는 최적의 레이저 발진기 선택은 성공적인 시스템 설계의 첫걸음이자, 가장 중요한 결정 포인트입니다.

레이저 발진기의 구동 원리

레이저 발진기는 세 가지 핵심 요소로 구성됩니다:

Gain Medium (이득 매질):

전자기 에너지를 흡수하고 특정 파장의 빛으로 방출할 수 있는 매질

→ 예: Yb-doped fiber (파이버 레이저), Nd:YAG (고체 레이저), CO₂ (기체 레이저)

Pump Source (펌핑원):

매질을 여기(Excite)시키는 에너지원. 일반적으로 반도체 레이저 다이오드 사용

Optical Resonator (공진기):

빛이 증폭되도록 두 거울 사이에서 왕복하며 간섭되는 구조.

일부 에너지는 출력 커플러를 통해 시스템 외부로 방출 → 레이저 빔 생성

다른 파트와의 상호작용

레이저 발진기에서 출력된 빛은 그 자체로는 가공이 불가능하며, 아래와 같은 순서로 다른 파트와 상호작용합니다.

파트	역할	레이저 발진기와의 연계
빔 딜리버리 (BD)	광섬유 or 미러로 빔 전달	출력 커플러를 통해 빔이 BD로 입사
빔 성형/초점계	빔의 크기, 균일성, 초점 조정	발진기 출력을 특정 에너지 밀도로 제어
모션 제어 (Stage, Scanner)	가공 대상에 빔을 스캔/이동	발진기 ON/OFF 타이밍과 동기화
공정 모니터링	열, 플라즈마, 반사율 모니터링	발진기 파라미터와 피드백 루프 구성

파장 및 레이저 종류에 따른 선택

레이저 발진기는 가공 목적, 소재 종류, 열 영향 최소화 여부에 따라 다양하게 선택됩니다:

발진기 종류	주요 파장	특징 및 용도
파이버 레이저	1064 nm	금속 마킹, 절단, 고속 미세 가공
CO₂ 레이저	10.6 μm	비금속(아크릴, 플라스틱 등) 가공
UV 레이저	355 nm	열영향 최소화, 반도체, 디스플레이 가공
그린 레이저	532 nm	반사율 높은 소재(구리 등) 용접, 마킹
디스크 레이저	1030 nm	고정밀 가공, 고에너지 밀도 응용

제어 인터페이스와 스마트 기능

최근의 산업용 레이저 발진기는 단순히 빛을 발생시키는 장비를 넘어, 다음과 같은 스마트 제어 기능을 내장하고 있습니다:

실시간 출력 모니터링

파형 및 펄스 폭 설정 (펄스/연속 모드 전환)

인터락(Interlock), 온도 보호 기능

외부 통신 (EtherCAT, RS232, TCP/IP 등)

이러한 기능은 시스템 통합성과 안정성을 높이며, 자동화 공정과의 연계도 용이하게 합니다.

성능 관련 파라미터

파라미터	CW 레이저 기준	Pulsed/QCW 레이저 기준	정밀도 요구 수준
출력 파워	평균 파워(continuous, kW 단위), ±2~3% 안정성 요구	피크 파워 및 평균 파워 동시 측정, ±5% 이내	±2% (고정밀 가공 기준), ±5% (일반 마킹 기준)
빔 품질 (M²)	< 1.3 (고출력 fiber 기준), 1.1 이하가 이상적	동일하게 적용, 다만 high peak pulse는 빔 품질보다 파형 유지가 중요	±0.1 이내
빔 직경 및 확산각	Fθ 렌즈 적용 시 스폿 사이즈 예측 필수, 균일 빔 요구	포커싱 렌즈와 타겟 사이 거리 민감 → divergence 최소화 필요	±5~10 µm 이내의 스폿 측정
펄스 특성	N/A (CW에서는 해당 없음)	펄스 폭, 피크 파워, rising/falling time 중요	펄스 폭 ±5%, repetition rate ±1% 이내

안정성 파라미터

파라미터	CW 기준	Pulsed/QCW 기준	정밀도 요구 수준
출력 안정성	시간당 ±1~2% 이내 요구	±3~5% 이내 (주변 온도 민감)	장시간 기록 시 RMS 기준 ±1% 이내
파장 안정성	고정 파장(Fiber/Nd:YAG), ±0.5 nm 이내	펄스 간 파장 변동 존재 → 안정성 요구 더 높음	±0.1~0.3 nm (정밀 가공용)
모드 안정성	Single Mode 유지 중요 (특히 F-theta 계열)	멀티모드일 경우 모드 분포의 반복성 보장	동일 조건하 모드 형태 반복 가능성 ≥ 95%
작동 온도 범위	15~35°C, 고출력 fiber는 수냉 필요	±5°C에서 안정성 유지 가능해야 함	출력 변화율 < ±2% 이내 유지 필요

품질 파라미터

파라미터	CW 기준	Pulsed/QCW 기준	정밀도 요구 수준
스펙트럼 폭	좁을수록 좋음 (고정 파장 ±1nm 이내)	펄스형은 짧은 펄스일수록 spectral broadening 존재	고정 파장 ±0.5nm 이하 권장
코히런스 길이	interferometry 적용 시 수십 cm 이상 요구	짧은 펄스는 일반적으로 코히런스 짧음 (fs 단위일 경우 nm~µm 수준)	interferometry용은 coherence length ≥ 10cm
노이즈 레벨	CW는 주로 전류 잡음(RMS) 고려	펄스형은 타이밍 잡음(Jitter) 포함	출력 RMS noise < ±1%, timing jitter < ±100 ps
ASE (기생 방출)	fiber amplifier 사용 시 중요	pulsed fiber amplifier에서 더 큰 영향	Signal-to-ASE 비 ≥ 40 dB 필요 (정밀 응용)

기능 및 제어

파라미터	CW 기준	Pulsed/QCW 기준	정밀도 요구 수준
파워 제어 범위 및 정밀도	10~100% 범위, 1% 단위 제어	펄스 에너지 기준 제어, ±5% 이내 권장	파워 설정값과 측정값 오차 ≤ 2%
변조 기능	Analog/TTL mod. > 50 kHz 이상 대응	펄스폭 변조, burst mode 등 다양한 타이밍 제어 필요	펄스 폭 ±5%, pulse-to-pulse jitter < 0.5%
통신 인터페이스	RS-232, Ethernet, EtherCAT 등 지원	실시간 제어 및 모니터링 기능 필수	통신 지연 시간 ≤ 5ms, 응답 정확도 ≥ 99%
내장 센서	온도, 파워 모니터, 내부 진단 알람	열화/오류 예측 위한 내부 로깅 기능	알람 정확도 ≥ 98%, 이력 저장 ≥ 7일 이상

참고 표준 및 장비

항목	내용
관련 ISO 표준	ISO 11146 (빔 품질), ISO 11554 (출력 파워), ISO 13694 (빔 프로파일), ISO 11670 (파장 및 시간 특성)
측정 장비 예시	Ophir, Gentec-EO (파워미터), Thorlabs Beam Profiler, Yokogawa 오실로스코프, Ocean Optics 분광기 등

기본 파라미터

재료 가공, 레이저 수술, 원격 감지 등 다양한 응용 분야에 사용되는 광범위한 일반 레이저 시스템이 있지만, 그 중 대부분은 공통적인 매개변수를 공유합니다. 이러한 매개변수에 대한 공통 용어를 이해해 두시면 오해의 소지를 줄일 수 있고,응용 프로그램 요구 사항을 충족하는 레이저 시스템 또는 구성 컴포넌트를 선정 할 때에도 도움이 될 것입니다. 아래의 일반적인 레이저 소재 가공 시스템 개략도에는 레이저 시스템에 대한 10가지 핵심 매개변수들이 표시되어 있습니다.

Wavelength (unit : nm, um)

레이저의 파장은 방출되는 광파의 공간 주파수를 나타냅니다. 레이저 어플리케이션에서 최적의 파장은 목적에 따라 크게 달라집니다. 특히 재료 가공에 있어, 소재별로 고유한 파장에 따라 에너지 흡수 특성이 달라질 수 있으며, 이로 따라 재료와의 상호 작용이 변화합니다. 마찬가지로, 대기 흡수와 간섭은 원격 감지 분야에서 특정 파장에 달리 영향을 미칠 수 있으며, 다양한 복합체는 의료용 레이저 응용 분야에서 특정 파장을 다르게 흡수할 수 있습니다. 짧은 파장의 레이저가 초점이 더 작기 때문에 주변 가열을 최소화하면서 작고 정밀한 형상을 만드는 데 유리합니다. 그러나 일반적으로 더 비싼 편이며 더 긴 파장의 레이저보다 시스템이 손상되기 쉽습니다.

Power and Energy (unit : W, J)

레이저의 출력은 와트(W)로 측정되며, 이는 연속파(CW) 레이저의 광 출력이나 펄스 레이저의 평균 출력을 나타냅니다. 펄스 레이저는 펄스 에너지가 평균 전력에 비례하고 레이저의 반복 속도에 반비례합니다. 에너지는 줄(J)로 측정됩니다.

더 높은 출력과 에너지를 가진 레이저는 일반적으로 더 비싸고, 더 많은 폐열을 발생시킵니다. 전력과 에너지가 증가함에 따라 높은 빔 품질을 유지하는 것이 점점 더 어렵기 때문에 전기, 냉각 등 다양한 제어적 기술이 요구됩니다.

Pulse duration (unit : ms, ns, ps, fs)

레이저 펄스 지속시간 또는 펄스 폭은 일반적으로 시간에 대한 레이저 광 전력의 반치폭(FWHM)으로 정의됩니다. 초고속 레이저는 정밀 소재 가공 및 의료용 레이저를 포함한 다양한 응용 분야에서 많은 이점을 제공하며 피코초 에서 아토초 수준의 짧은 펄스 지속 시간을 뜻합니다.

레이저 펄스의 지속 시간을 말하는 레이저 펄스폭은 펄스 레이저의 성능을 설명하는 데 중요한 매개변수입니다. 다양한 레이저는 서로 다른 시간 척도의 펄스를 생성할 수 있으며, 이는 일반적으로 나노초, 피코초, 펨토초, 아토초와 같은 단위로 표현됩니다.

나노초 레이저: 펄스 폭은 나노초 수준으로, 보통 수 나노초에서 수십 나노초 사이입니다. 이 유형의 레이저는 재료 가공, 의료 치료, LiDAR와 같이 적당한 양의 에너지가 필요한 응용 분야에서 자주 사용됩니다.

피코초 레이저: 펄스 폭은 피코초 수준으로, 보통 수 피코초에서 수십 피코초 사이입니다. 피코초 레이저는 나노초 보다 더 짧은 펄스를 생성할 수 있으며 초고속 광학, 생물 의학, 재료 가공 등 더 높은 정밀도와 낮은 열 손상이 요구되는 응용 분야에 적합합니다.

펄스 폭은 펨토초 수준으로, 보통 수 펨토초에서 수십 펨토초 사이입니다. 펨토초 레이저는 매우 짧은 광 펄스를 생성하므로, 초고정밀 가공 및 연구가 가능합니다. 초고속 광학, 정밀 가공, 안과 수술 및 기타 분야에서 자주 사용됩니다.

아토초 레이저: 펄스 폭은 아토초 수준으로, 보통 수 아토초에서 수십 아토초 사이입니다. 이것은 원자와 분자 내의 초고속 적 과정(예: 원자 내 전자의 이동)을 연구하는 데 사용되는 매우 빠른 유형의 레이저입니다.

Single Pulse Energy

단일 펄스에 대한 에너지는 레이저 출력과 재료 가공 효율성을 평가하는 데 중요한 매개변수 중 하나입니다.

낮은 단일 펄스 에너지 레이저 : 각 펄스는 일반적으로 마이크로줄(μJ)에서 밀리줄(mJ) 사이의 낮은 에너지를 전달합니다. 이 유형의 레이저는 미세 가공 및 초고속 광학 실험과 같이 재료의 낮은 에너지와 정밀 가공이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

중간 단일 펄스 에너지 레이저 : 각 펄스는 보통 수 밀리줄(mJ)에서 수십 밀리줄(mJ) 사이의 중간 에너지를 전달합니다. 이 유형의 레이저는 레이저 절단, 레이저 마킹, 의료 치료 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

높은 단일 펄스 에너지 레이저 : 각 펄스는 보통 수십 밀리줄(mJ)에서 수백 줄(J) 또는 그 이상의 높은 에너지를 전달합니다. 이 유형의 레이저는 레이저 클래딩, 레이저 클리닝 등과 같이 재료 표면에 높은 에너지를 작용 시켜야 하는 응용 분야에 적합합니다.

Frequency (unit : Hz, kHz, mHz)

펄스 레이저의 반복률 또는 펄스 반복 주파수는 초당 방출되는 펄스 수 또는 펄스 간의 역시간 간격을 나타냅니다. 앞서 언급했듯이 반복률은 펄스 에너지에 반비례하고 평균 전력에 정비례합니다. 반복률은 일반적으로 레이저 이득 매질에 의해 결정되지만, 전기적 제어를 이용해 변경할 수 있습니다. 반복률이 높을수록 레이저 광학 표면과 최종 초점점에서 열 이완 시간이 짧아져 재료가 더 빨리 가열됩니다.

낮은 반복률 레이저: 반복률이 낮으며 일반적으로 수 헤르츠에서 수 킬로헤르츠 사이입니다. 이 유형의 레이저는 레이저 드릴링, 레이저 커팅 등 고에너지 단일 펄스가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

중간 반복률 레이저: 반복률은 보통 수천 헤르츠에서 수십 킬로헤르츠 사이로 적당합니다. 이 유형의 레이저는 레이저 가공, 레이저 마킹 등의 분야에서 널리 사용되며, 에너지와 속도의 균형을 이룰 수 있습니다.

높은 반복률 레이저: 반복률이 높고, 보통 수십 킬로헤르츠에서 수백 킬로헤르츠 또는 그 이상입니다. 이 유형의 레이저는 레이저 인쇄, 레이저 의료 치료 등 고속 및 효율적인 처리가 필요한 응용 분야에 적합합니다.

Line Frequency

레이저의 라인 주파수는 일반적으로 레이저 출력의 펄스 반복 주파수, 즉 단위 시간당 방출되는 펄스 수를 나타냅니다. 라인 주파수는 레이저 성능의 중요한 지표 중 하나이며, 특히 라이더, 레이저 통신 등 고주파 레이저 펄스가 필요한 응용 분야에서 중요합니다. 레이저 라인 주파수에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

펌프 소스의 특성 : 레이저의 펌프 소스는 여기 에너지를 제공하는 핵심 구성 요소이며, 그 성능은 레이저의 라인 주파수에 직접적인 영향을 미칩니다. 펌프 소스의 작동 주파수와 전력은 레이저의 라인 주파수 범위에 영향을 미칩니다.

레이저 매질 특성 : 레이저 매질의 종류에 따라 특성이 다릅니다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저와 CO2 레이저의 선 주파수 범위는 다를 수 있습니다.

광 케비티의 설계: 광 케비티의 설계는 레이저의 라인 주파수에도 영향을 미칩니다. 적절하게 설계된 광 공동은 더 높은 라인 속도를 달성할 수 있습니다.

제어 시스템: 레이저 제어 시스템은 라인 주파수를 포함한 레이저의 작동 매개변수를 조정할 수 있습니다. 제어 시스템의 성능과 안정성은 송전 주파수 제어에 매우 중요합니다.

레이저 라인 주파수를 높이는 방법은 다음과 같습니다.

펌프 소스 최적화 : 효율적인 펌프 소스를 사용하고 펌프 소스의 작업 매개변수를 합리적으로 설계하면 레이저의 라인 주파수를 높일 수 있습니다.

광 공동 최적화: 광 공동의 구조와 매개변수를 합리적으로 설계하면 레이저의 선 주파수를 높일 수 있습니다.

제어 시스템 최적화: 레이저 제어 시스템을 최적화하여 레이저 라인 주파수의 제어 정확도와 안정성을 개선합니다.

올바른 레이저 매질 선정 : 응용 프로그램 요구 사항에 따라 올바른 레이저 매체를 선택하세요. 레이저 매체마다 라인 주파수 범위가 다릅니다.

온도 제어: 레이저의 일정한 온도 제어는 온도 변화가 라인 주파수에 미치는 영향을 줄이고 라인 주파수의 안정성을 향상시킬 수 있습니다.

Coherence Length

레이저 빛은 결맞음(coherent)을 지닙니다. 즉, 서로 다른 시간이나 위치에서 전기장의 위상 값 사이에 고정된 관계가 있습니다. 레이저는 대부분의 다른 유형의 광원과 달리 자극 방출에 의해 생성되기 때문인데, 코히어런스는 전파 과정 전체에 걸쳐 저하되고, 레이저의 코히어런스 길이는 레이저의 시간적 코히어런스가 특정 수준으로 유지되는 거리를 정의합니다.

결맞음은 파동의 위상 관계가 얼마나 잘 유지되는지를 측정하는 기준입니다. 코히어런스 길이는 파동이 눈에 띄는 위상 변화가 일어나기 전에 그 특징적인 모양을 유지하는 거리입니다. 코히어런스 길이가 길수록 빛은 더 동기화되고 위상 관계가 유지되는 거리가 더 길어집니다. 빛이 코히어런스 길이를 이동하는 데 걸리는 시간을 코히어런스 시간이라고 합니다.

Polarization Ratio

편광은 빛 파동의 전기장 방향을 정의하는데, 이는 항상 전파 방향과 수직입니다. 대부분의 경우, 레이저 빛은 선형 편광됩니다. 즉, 방출되는 전기장은 항상 같은 방향을 가리킵니다. 편광되지 않은 빛은 여러 다른 방향을 가리키는 전기장을 갖습니다. 편광의 정도는 일반적으로 100:1 이나 500:1과 같이 두 개의 직교 편광 상태의 광학적 전력의 비율로 표현됩니다.

Polarization Extinction Ratio (PER)

레이저의 편광비는 레이저 빔의 편광 상태를 설명하는 중요한 매개변수입니다. 레이저 빔의 특정 편광 방향의 전기장 세기와 그 방향에 수직인 전기장 세기의 비율을 말합니다. 실제 응용 분야에서는 레이저 광의 높은 편광율이 일반적으로 바람직한데, 이는 레이저 시스템의 성능과 정확성을 개선하는 데 도움이 되기 때문입니다.

예를 들어, 레이저 빔이 수평 방향으로 편광되면, 레이저 광의 편광비는 수평 방향의 전계 강도와 수평 방향에 수직인 전계 강도의 비율을 나타냅니다. 분극비가 1이면 수평 및 수직 방향의 전계 세기가 같다는 의미, 즉 비분극 상태를 의미합니다. 편광비가 1보다 큰 경우 수평방향의 전계세기가 수직방향의 세기보다 크다는 의미, 즉 편광상태를 의미합니다. 따라서 레이저 광의 편광비는 편광 특성을 설명하는 중요한 매개변수이며, 다양한 광학 응용 분야의 설계 및 작동에 핵심적인 의미를 갖습니다.

레이저 편광 비율의 중요성은 다음과 같습니다.

광학 시스템 매칭: 편광판, 파장판 등과 같은 특정 광학 구성 요소는 편광된 빛과 편광되지 않은 빛에 다르게 반응합니다. 레이저 빔의 높은 편광율은 이러한 광학 부품이 최대의 효율성을 갖도록 보장합니다.

향상된 공정 효율성: 절단, 드릴링 또는 용접과 같은 레이저 가공에서 특정 편광 상태의 레이저 광은 처리 효율성과 품질을 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 선형 편광 레이저는 편광 방향과 상호 작용하는 금속 표면에 더 깨끗하고 정밀한 절단을 생성할 수 있습니다.

측정 및 분석: 분광학 및 광학 이미징과 같은 분야에서는 편광 레이저 광을 사용하여 샘플의 광학적 특성을 감지하고 분석합니다. 높은 편광 비율을 갖는 레이저는 더 정확한 데이터를 제공할 수 있습니다.

레이저 편광 비율을 측정하려면 일반적으로 편광판과 광도계를 사용합니다. 편광판을 회전시키고 다양한 각도에서 빛의 강도를 측정함으로써 레이저 편광 비율을 계산할 수 있습니다. 이상적으로, 완벽하게 편광된 빔은 무한대에 가까운 매우 높은 편광 비율을 갖는 반면, 완전히 편광되지 않은 빔은 1의 편광 비율을 갖습니다. 레이저 시스템을 선택하거나 설계할 때 레이저의 편광 비율을 이해하고 이를 제어하여 시스템의 전반적인 성능과 적합성을 최적화하는 것이 중요합니다.

빔 파라미터

다음 매개변수는 레이저 빔의 모양과 품질을 나타냅니다.

Fiber Diameter

레이저의 빔 직경은 빔의 측면 확장, 즉 전파 방향에 수직인 물리적 크기를 나타냅니다. 일반적으로 폭으로 정의되며, 이는 최대 (13.5%) 까지의 빔 강도 폭입니다. 지점에서는 전계 강도가 (37%)로 떨어집니다. 빔 직경이 클수록 빔 절단을 피하기 위해 광학 장치와 전체 시스템도 커야 하며, 이로 인해 비용이 증가합니다. 그러나 빔 직경이 줄어들면 전력/에너지 밀도가 증가하여 해로울 수도 있습니다.

Beam Quality

일반적으로 계수로 측정하는데, 이는 레이저 빔의 스팟 직경을 다양한 위치에서 측정한 다음 관련 알고리즘을 사용하여 결정하여 계산합니다. 일반적으로 레이저의 값이 1에 가까울수록 가우시안 빔으로서 광학적 품질이 높고, 레이저 빔의 발산이 작고, 초점이 더 잘 맞습니다. 가장 간단한 계산 방법은 아래와 같습니다.

= 레이저 빔의 실제 발산 각도와 이상적 빔의 발산 각도의 비율의 제곱근

Power / Energy Density

빔 직경은 레이저 빔의 전력/에너지 밀도나 단위 면적당 광전력/에너지와 관련이 있습니다. 빔 직경이 클수록 일정한 전력이나 에너지의 빔의 전력/에너지 밀도는 낮아집니다. 시스템의 최종 출력(예: 레이저 절단 또는 용접)에서는 높은 전력/에너지 밀도가 바람직하지만, 시스템 내에서는 레이저로 인한 손상을 방지하기 위해 낮은 전력/에너지 농도가 종종 유익합니다. 또한 이를 통해 빔의 높은 전력/에너지 밀도 영역이 공기를 이온화하는 것을 방지할 수 있습니다. 이러한 이유 외에도 레이저 빔 확장기는 종종 직경을 늘리고 레이저 시스템 내부의 전력/에너지 밀도를 줄이는 데 사용됩니다. 그러나 빔을 너무 확장하여 시스템의 구멍이 막혀 에너지가 낭비되거나 잠재적인 손상이 발생하지 않도록 주의해야 합니다.

Power Stability

레이저의 에너지 안정성은 시간과 공간에 따른 출력 에너지의 변동 정도를 나타냅니다. 에너지 안정성은 많은 응용 분야에서 매우 중요한 고려 사항이며, 특히 의료 치료나 정밀 가공과 같이 높은 정밀도나 일관성이 요구되는 분야에서는 더욱 그렇습니다.

시간적 안정성: 시간에 따른 레이저 출력 에너지의 변동 정도. 더 나은 시간적 안정성은 레이저가 급격한 변동 없이 연속 작동 중에도 안정적인 출력 에너지를 유지할 수 있다는 것을 의미합니다. 이것은 레이저 절단, 용접 등 긴 처리 시간이 필요한 작업에서 특히 중요합니다.

공간 안정성: 공간에서 레이저 출력 에너지의 균일성과 일관성. 치수 안정성이 우수하다는 것은 레이저 빔의 에너지가 작업물 표면 전체에 균일하게 분포되어 뚜렷한 핫스팟이나 약한 지점이 없음을 의미합니다. 이는 표면 코팅, 사진 평판 인쇄 등의 분야와 같이 균일한 가공이 필요한 작업에 특히 중요합니다.

Beam Profile

레이저의 빔 프로파일은 빔 단면의 강도 분포를 설명합니다. 일반적인 빔 휠에는 가우시안 빔과 플랫탑 빔이 포함되며, 그 빔 프로파일은 각각 가우시안 함수와 플랫탑 함수를 따릅니다. 그러나 어떤 레이저도 그 특성 함수와 정확히 일치하는 빔 프로파일을 갖는 완벽한 가우시안 빔이나 완벽한 평탄한 상단 빔을 생성할 수 없습니다. 레이저 내에 항상 어느 정도의 핫스팟이나 변동이 존재하기 때문입니다. 레이저의 실제 빔 프로파일과 이상적인 빔 프로파일의 차이는 종종 레이저의 계수를 포함한 측정 기준으로 설명됩니다. 아래 그림에서 동일한 평균 전력 또는 세기를 갖는 가우시안 빔과 플랫탑 빔의 빔 프로파일을 비교해보면 가우시안 빔의 피크 세기가 플랫탑 빔의 피크 세기의 두 배임을 알 수 있습니다.

Beam Circularity

빔 스팟의 원형도는 레이저 빔의 단면 모양이 완벽한 원에 얼마나 가까운지를 나타냅니다. 특정 평면에서 빛 반점의 대칭성과 균일성을 측정하는 데 사용됩니다. 원형도는 일반적으로 비율 또는 백분율로 표현되며, 값이 1 또는 100%에 가까울수록 해당 점은 이상적인 원에 가까워진다. 반점 원형도를 계산하는 한 가지 방법은 반점의 최소 직경과 최대 직경의 비율을 사용하는 것입니다.

광점의 단면이 이상적인 원일 경우, 최소 직경과 최대 직경이 같으며 진원도는 1입니다. 단면이 타원형이면 최소 및 최대 직경이 다르므로 원형도는 1보다 작아집니다. 레이저 가공 및 광학 시스템 설계에서 스팟 원형도는 중요한 지표입니다. 매우 둥근 모양의 스팟은 일반적으로 레이저 빔이 전송 중에 왜곡되는 정도가 적어 더 나은 초점 조정과 더 정확한 처리를 보장합니다. 동시에, 원형도가 높은 스팟은 광학 시스템의 불균일성을 줄이고 광학 성능을 향상시키는 데 도움이 될 수도 있습니다.

Divergence

레이저 빔은 종종 평행화된 것으로 간주되지만, 항상 어느 정도의 발산이 발생합니다. 발산이란 회절로 인해 레이저 빔 허리부분에서 거리가 멀어질수록 빔이 발산되는 정도를 말합니다. 발산은 LiDAR 시스템과 같이 물체가 레이저 시스템으로부터 수백 미터 떨어져 있는 장거리 작업 거리 적용 분야에서 특히 중요한 문제가 됩니다. 빔 발산각은 일반적으로 레이저의 반각으로 정의됩니다. 가우스 빔(0)의 발산은 다음과 같이 정의됩니다.

: 레이저의 파장

: 레이저의 빔 허리

발산각은 레이저 빔의 초점과 특정 거리에서의 스팟 크기에 영향을 미치며, 많은 응용 분야에서 핵심 성능 지표입니다. 방출 각도가 클수록, 같은 거리에서의 스팟 크기가 커집니다. 발산각에 의한 대표적인 영향은 다음과 같습니다.

범위 및 초점 : 발산각이 작을수록 레이저 빔의 범위가 길어지고 초점 효과가 더 좋습니다. 발산각이 작다는 것은 레이저 빔이 더 긴 거리에서도 작은 스팟을 유지할 수 있다는 것을 의미하는데, 이는 정밀한 표시나 절단과 같은 응용 분야에 매우 중요합니다.

에너지 밀도: 발산각이 작은 레이저 빔이라도 더 긴 거리에서 더 높은 에너지 밀도를 유지할 수 있는데, 이는 높은 에너지 밀도가 필요한 응용 분야(예: 레이저 무기, 장거리 전송 등)에 매우 중요합니다.

스팟 발산각은 레이저 빔이 광원 또는 광학 시스템으로부터 출력된 후 전파 과정에서 스팟 직경이 점차 증가하는 각도를 말합니다. 이 매개변수는 레이저 빔의 발산을 설명하는 데 사용되며, 일반적인 단위는 mrad(밀리라디안) 또는 도입니다. mrad는 레이저 빔의 발산각이나 초점각을 나타내는 일반적으로 사용되는 단위로, "밀리라디안"을 의미합니다. "mrad"는 "milliradian"의 약자이며, "m"은 "milli-"를 의미하는데, 이는 천분의 일을 의미합니다.

라디안은 원의 중심각의 단위로, 호의 길이에 해당하는 각을 반지름으로 나눈 값과 같고, 밀리라디안은 라디안의 1/1000입니다. 레이저 기술에서 mrad는 종종 레이저 빔의 발산각이나 초점 각도를 설명하는 데 사용됩니다. 즉, 레이저 빔이 광원이나 광학 시스템에서 전파될 때 확산되거나 초점이 맞춰지는 정도를 말합니다. 일반적으로 작은 mrad 값은 더 집중되거나 초점이 맞춰진 레이저 빔을 나타내는 반면, 큰 mrad 값은 더 확산된 레이저 빔을 나타냅니다.

Beam Pointing Fluctuations

빔 포인팅 안정성은 레이저 빔이 전파되는 동안 방향성을 유지할 수 있는 능력을 말합니다. 많은 응용 분야에서, 특히 고정밀 위치 지정이나 정밀한 조사가 필요한 경우 빔 포인팅 안정성이 매우 중요합니다. 빔 포인팅 안정성에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

기계적 진동 및 충격: 레이저나 광학 시스템이 외부의 기계적 진동이나 충격을 받으면 빔 방향이 변경되어 빔 포인팅 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

온도 변화: 온도 변화는 광학 구성 요소의 변형이나 굴절률 변화를 초래하여 광선의 전파 방향에 영향을 미칠 수 있습니다.

공기 흐름 교란: 대기 환경에서 전파될 때 공기 흐름 교란으로 인해 광선이 휘거나 변동하여 방향 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

느슨하거나 변형된 광학 구성 요소: 광학 구성 요소가 단단히 고정되지 않았거나 변형된 경우 광선의 방향이 바뀔 수 있습니다.

빔 포인팅 안정성을 개선하는 방법은 다음과 같습니다.

기계적 안정성 설계: 외부 진동 및 충격이 시스템에 미치는 영향을 줄이기 위해 안정적인 기계 구조를 설계합니다.

온도 제어: 레이저와 광학 시스템은 빔 방향에 대한 온도 변화의 영향을 줄이기 위해 온도 제어됩니다.

공기 흐름 제어: 안정적인 빔 전파가 필요한 환경에서는 공기 흐름 제어 조치를 취해 빔에 대한 공기 흐름 교란의 영향을 줄입니다.

정확한 광학 부품 고정: 광학 부품이 느슨해지거나 변형되는 것을 방지하기 위해 안정적으로 고정되어 있는지 확인합니다.

피드백 제어 시스템: 피드백 제어 시스템은 빔의 방향을 모니터링하고 필요에 따라 광학 시스템을 미세하게 조정하여 빔이 안정적으로 향하도록 유지하는 데 사용됩니다.

Beam Position Accuracy

빔 위치 정확도는 공간에서 레이저 빔의 위치가 예상 위치와 얼마나 차이가 나는지를 나타냅니다. 많은 응용 분야에서, 특히 정밀한 위치 지정이나 정확한 가공이 필요한 경우 빔 위치의 정확도가 매우 중요합니다. 빔 위치 정확도에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

광학 시스템의 정렬: 광학 시스템의 정확한 정렬은 빔 위치의 정확성을 보장하는 데 중요합니다. 여기에는 렌즈, 거울, 광학 프리즘과 같은 구성 요소의 위치와 각도를 조정하여 광선이 의도한 경로를 따라 이동하도록 하는 작업이 포함됩니다.

기계적 안정성: 광학 시스템의 기계적 안정성은 빔 위치의 정확도에 직접적인 영향을 미칩니다. 광학 장치나 마운트에 느슨함이나 진동이 있으면 빔 위치가 이동할 수 있습니다.

광학 부품의 제조 정확도: 광학 부품의 제조 정확도도 빔 위치의 정확도를 보장하는 데 중요한 요소입니다. 제조 공정의 편차나 불균일성으로 인해 빔 위치가 예상 값과 달라질 수 있습니다.

환경적 요인: 온도 변화나 공기 흐름 장애와 같은 환경적 요인도 빔 위치의 정확도에 영향을 미칠 수 있습니다. 온도 변화로 인해 광학 부품이 변형되거나 굴절률이 변할 수 있으며, 공기 흐름의 교란으로 인해 광선이 휘어질 수 있습니다.

빔 위치 정확도를 개선하는 방법은 다음과 같습니다.

정밀한 광학 시스템 설계 및 교정: 고정밀 광학 구성 요소를 사용하고 정확한 교정을 수행하여 광선이 예상 경로를 따라 전파되도록 합니다.

안정적인 기계 구조: 외부 진동 및 충격이 시스템에 미치는 영향을 줄이기 위해 안정적인 기계 구조를 설계합니다.

환경 제어: 레이저 및 광학 시스템의 온도 제어, 필요한 경우 공기 흐름 제어를 통해 빔 위치에 미치는 환경적 요인의 영향을 줄입니다.

실시간 모니터링 및 피드백: 실시간 모니터링 시스템을 사용하여 빔 위치를 모니터링하고 필요에 따라 피드백 조정을 수행하여 빔 위치의 정확성을 유지합니다.

시스템 파라미터

마지막 매개변수는 출력 시 레이저 시스템의 성능을 설명합니다.

Spot Size (um)

초점 레이저 빔의 스팟 크기는 초점 렌즈 시스템의 초점점에서의 빔 직경을 나타냅니다. 스팟 직경의 크기는 레이저 빔의 발산각, 초점 거리 및 초점 시스템의 품질, 타겟 표면과 레이저 빔 사이의 거리를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 재료 가공이나 의료 수술 등 많은 응용 분야에서 목표는 스팟 크기를 최소화하는 것입니다. 이를 통해 전력 밀도가 극대화되고 특히 정교한 기능을 생성할 수 있습니다. 비구면 렌즈는 구면수차를 줄이고 초점 크기를 더 작게 만들기 위해 전통적인 구면 렌즈 대신 사용되는 경우가 많습니다. 일부 유형의 레이저 시스템은 궁극적으로 레이저를 한 지점에 집중시키지 않습니다. 이 경우 이 매개변수는 적용되지 않습니다.

레이저 응용분야에서 스팟 직경의 크기는 처리 정확도와 효율성에 매우 중요합니다. 일반적으로 스팟 직경이 작을수록 공간 분해능과 처리 정확도가 높아지지만, 이를 달성하기 위해서는 더 복잡한 광학 시스템이 필요할 수 있습니다. 반대로, 더 큰 스팟 직경은 공간 해상도를 감소시킬 수 있지만 어떤 경우에는 빠른 처리에 더 적합할 수 있습니다.

Transverse Gaussian mode patterns with n, m indicated.

Working Distance (unit : um, mm, m)

레이저 시스템의 작동 거리는 일반적으로 최종 광학 요소(일반적으로 초점 렌즈)에서 레이저가 초점을 맞춘 물체 또는 표면까지의 물리적 거리로 정의됩니다. 의료용 레이저와 같은 특정 응용 분야는 일반적으로 작업 거리를 최소화하는 것을 목표로 하는 반면, 원격 감지와 같은 다른 응용 분야는 일반적으로 작업 거리 범위를 최대화하는 것을 목표로 합니다.

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