우리는 흔히 ‘렌즈가 좋아야 잘 보인다’고 말합니다. 스마트폰 카메라든, 산업용 비전 시스템이든, 심지어 레이저 마킹 장비에서 사용하는 초점 렌즈까지도요. 그런데 아무리 좋은 렌즈를 써도, 일정 수준 이상의 해상도는 더 이상 올라가지 않는다는 걸 알고 계셨나요? 이 한계는 단순한 기계적 제약이 아니라, 빛이라는 파동이 가진 물리적 성질 때문입니다.
빛은 입자처럼 보이지만 파동의 성질도 지니고 있어서, 작은 구멍이나 렌즈를 통과할 때 곧바로 수렴하지 않고 퍼지는 성질이 있습니다. 이를 회절(diffraction)이라 하며, 파동의 속성 중 하나로, 파면이 좁은 틈을 지나면서 원형 또는 구형으로 퍼져나가는 특징을 가집니다.
회절 현상은 빛이 단순히 직선으로 전달되는 것에 반해, 좁은 틈이나 경계를 만날 때, 그 경계의 가장자리에서 빛의 파동이 굴절되지 않고 퍼져나가게 되는 것입니다. 이 때, 파동은 새로운 파면을 형성하게 되며, 이 파면이 여러 방향으로 간섭하여 새로운 패턴을 만들어냅니다. 회절 현상이 가장 잘 나타나는 조건은 파장의 크기가 장애물이나 구멍의 크기와 비슷할 때입니다. 만약 파장이 충분히 작다면, 빛은 장애물의 영향을 받지 않고 직진하는 경향을 보이게 되며, 회절 효과는 눈에 띄지 않게 됩니다. 그러나 파장이 너무 커지거나 좁은 틈을 통과할 때, 빛은 경계를 넘어가면서 굽어지며 그 결과로 퍼져나갑니다.
회절을 실생활에서 이해하기 쉬운 비유를 들면, 물결을 생각할 수 있습니다. 바다의 파도가 좁은 항구로 들어갈 때 파도가 퍼지면서 항구의 모양을 따라가거나, 좁은 틈을 통해 물이 퍼지는 것과 비슷합니다. 이때 물의 파동이 구멍을 지나면서 퍼져나가는 것처럼, 빛의 파동도 경계를 만나면 퍼지면서 회절 현상이 발생합니다. 이처럼 파장의 크기와 장애물 크기가 비슷할 때 회절 현상이 더욱 강하게 나타납니다.
회절 한계
이로 인해 빛이 완전히 한 점으로 모이지 못하고 퍼지는 한계가 생기고 초점 크기(focal spot size)나 분해능(resolution)이 제한됩니다. 이것이 바로 회절한계(Diffraction Limit)입니다. 즉, 회절 현상으로 인해 이론적으로 빛을 무한히 좁힐 수 없다는 한계를 의미합니다. 초점 크기가 너무 작아지면 빛은 회절을 일으키며 퍼져나가게 되어, 더 작은 크기의 초점을 만들 수 없게 됩니다.
혹은
기호 | 이름 | 단위 | 의미 및 수식에 포함된 이유 |
λ | 파장 (Wavelength) | [m] | 빛의 파장이 길수록 회절이 커지고, 초점이 퍼짐 |
NA | 개구수 (Numerical Aperture) | [무차원] | 수렴 각도에 비례, NA가 클수록 초점이 작아짐 |
f | 초점 거리 (Focal Length) | [m] | 렌즈와 초점 사이 거리, 초점 크기를 결정 |
D | 렌즈 입사 구경(Diameter) | [m] | 수렴각 결정 → NA와 연동됨 |
K | 상수 (계수) | [무차원] | 시스템의 파장 분포 및 빔 모드 특성 보정 (보통 Gaussian beam에서는 K ≈ 1.22~2) |
w0 | 최소 빔 반경(Beam waist) | [m] | 회절한계 하에서 이론적으로 가능한 가장 작은 초점 반경 |
회절한계 수식은 빛의 파동적 성질로 인해 발생하는 광학적 한계를 설명합니다. 일반적으로 렌즈나 광학계를 통과한 레이저 빔은 이상적인 점으로 집속되지 않고, 중심이 가장 밝고 주변으로 점점 밝기가 줄어드는 에어리(Airy) 패턴을 형성합니다. 이때 중앙의 가장 밝은 부분의 반경을 기준으로 회절한계의 빔 반경 w0를 정의합니다.
- 파장 λ (Wavelength) : 파장이 길수록 파동의 굴절 및 간섭이 더 크게 일어나므로, 같은 광학계에서도 회절 패턴이 더 퍼지게 됩니다. 따라서 짧은 파장을 사용할수록 더 좁은 초점을 만들 수 있어 고해상도 시스템에 유리합니다. 이는 파장이 짧은 자외선이나 X-ray를 이용한 리소그래피가 높은 해상도를 가지는 이유이기도 합니다.
- NA (Numerical Aperture) : NA는 렌즈의 개구각과 매질의 굴절률을 반영한 수치로, NA가 크다는 것은 더 넓은 각도로 빛이 수렴하고, 그만큼 더 작고 날카로운 초점을 형성할 수 있다는 뜻입니다. 따라서 NA는 회절한계를 줄이는 데 결정적인 역할을 합니다.
- 상수 K (계수) : 일반적인 Airy 디스크 중심 반지름은 1.22⋅λ/NA 로 알려져 있으며, 이는 완전한 원형 개구를 전제로 합니다. 하지만 실제 산업용 레이저 시스템에서 사용하는 빔은 대부분 Gaussian 분포를 따르기 때문에, 계수 K는 1.22~2.0 사이의 값을 사용하며, 빔 프로파일, 모드 구조, 비점수차 등을 고려한 조정 요소 입니다.
에어리 패턴
광학 시스템에서 이상적인 ‘점광원’은 결코 화면 위에 완벽한 점으로 맺히지 않습니다. 왜냐하면 빛은 입자이면서 동시에 파동이기 때문인데요, 렌즈나 조리개 같은 개구(aperture)를 통과할 때 회절(Diffraction) 현상이 발생하며, 그 빛은 퍼지게 됩니다.
결과적으로, 렌즈의 초점면에 맺히는 하나의 ‘점’은 사실 중심이 가장 밝고, 그 주변으로 동심원 형태의 희미한 고리들이 퍼져 있는 구조를 갖게 됩니다. 이것이 바로 에어리(Airy) 패턴입니다. 그 중심에 있는 가장 밝은 원형 부분을 에어리 디스크(Airy Disk)라고 하며, 이 영역이 바로 렌즈의 ‘해상력’을 가늠하는 기준이 됩니다.
에어리 디스크는 단순히 중심의 밝은 점만을 의미하지 않습니다. 실제로는 중심이 가장 밝고, 그 주위를 따라 동심원 형태의 밝기 감소가 이어지는 에어리 패턴의 일부입니다. 우리가 실질적으로 “이게 한 점으로 인식되는 범위”라고 보는 영역은 중심 최대 밝기에서 첫 번째 밝기 극소점까지의 거리로 정의되며, 이를 에어리 디스크의 반지름(r)이라 부릅니다.
에어리 디스크를 ‘정확히 식별’할 수 있다는 것은, 해당 광학 시스템이 최소한 이 정도 크기의 세부 구조까지 구분 가능하다는 뜻입니다. 이는 여러 정밀 산업 현장에서 실질적인 영향을 미치게 되죠.
- 레이저 초점 제어에서의 정확도 한계
예를 들어, 레이저 마킹 시스템에서 빔을 20μm의 선폭으로 조절하고 싶다고 가정해봅시다. 그런데 사용 중인 렌즈와 파장 조건에서 에어리 디스크의 반지름이 15μm라면? 이때는 원하는 ‘선’이 실제로는 퍼진 ‘점무늬’로 표현될 수 있어, 정밀한 마킹 품질에 한계가 생깁니다.
- 비전 시스템 해상력 판단의 기준
고배율 머신 비전 렌즈를 사용하더라도, 센서 픽셀 크기보다 에어리 디스크가 작아지지 않는다면 아무리 고해상도 센서를 써도 실제 분해능은 향상되지 않습니다. 즉, 센서보다 먼저 고려되어야 하는 것은 광학 해상력, 그 기준이 되는 것이 에어리 디스크입니다.
- 렌즈 설계 및 선택에서의 근거 기준
광학 시스템을 설계하거나 렌즈를 선택할 때, NA 값을 조절하거나 파장을 바꾸는 것이 해상력 확보에 어떻게 영향을 주는지를 판단하는 기준이 됩니다. 이는 곧 시스템 비용, 장비 사이즈, 열 설계까지도 좌우하게 됩니다.
- OCT, LCI 등 정밀 측정 시스템에서의 PSF 이해
에어리 디스크는 사실상 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)와 같은 개념으로, 어떤 시스템이 '점'을 어떻게 왜곡시켜 인식하는지를 시각적으로 표현하는 지표입니다. 이 PSF를 통해 시스템의 정확도, 정밀도, 노이즈 민감도 등을 판단할 수 있습니다.
주요 요인
에어리 디스크는 단순한 계산상의 개념이 아닙니다. 이것은 실제로 광학계를 통과한 레이저가 맺히는 '광 강도 분포'를 지배하며, 광학 설계자와 시스템 엔지니어는 이 구조를 절대로 무시할 수 없습니다. 즉, 스팟 크기를 작게 만들고 싶다면 단순히 “렌즈를 잘 설계하자”로 해결되지 않습니다. 파장을 줄이거나 NA를 높이는 방식 외에는 ‘자연의 한계’를 넘을 방법이 없습니다.
레이저 빔의 포커스 크기를 줄이기 위한 모든 기술적 시도는 결국 에어리 디스크의 크기를 줄이는 방향으로 수렴합니다. 이 디스크는 가공 정밀도의 한계를 결정하는 물리적 기준점이며, 이를 기반으로 설계된 시스템만이 원하는 수준의 고해상도 마킹, 초미세 절단, 정밀 어닐링 등을 구현할 수 있습니다.
항목 | 주요 영향 요소 | 영향 방향 | 설명 |
λ (파장) | 짧을수록 유리 | ↓ 작아짐 | 짧은 파장은 회절 패턴을 좁혀 더 작은 초점을 형성 |
NA (개구수) | 클수록 유리 | ↓ 작아짐 | 큰 NA는 빛을 더 넓은 각도로 수렴시켜 초점을 줄임 |
렌즈 지름 D | 클수록 유리 | ↑ NA 향상 | D↑ → NA↑ → 초점 ↓ (같은 초점 거리일 때) |
초점 거리 f | 짧을수록 유리 | ↓ NA 향상 | f↓ → NA↑ → 초점 ↓, 단 이미지 왜곡 위험 증가 |
K (계수) | 시스템 특성에 따라 다름 | ± 보정 | Gaussian, TEM 모드, Airy 등 패턴 특성을 수식에 반영 |
M² (빔 품질 인자) | 1에 가까울수록 좋음 | ↓ 작아짐 | 이상적인 Gaussian 빔은 M²=1, 빔 왜곡 시 M²↑, 초점 퍼짐 |
고차 모드(Higher-order mode) | 많을수록 퍼짐 | ↑ 작아짐 방해 | 다중 모드는 중심에 에너지가 모이지 않아 회절 한계 방해 |
비구면 광학계(Aberrations) | 적을수록 좋음 | ↓ 왜곡 줄임 | 구면수차, 코마 등으로 인해 실제 초점이 퍼질 수 있음 |
정렬 정확도 | 정밀할수록 좋음 | ↓ 시스템 안정화 | 미세한 정렬 오차도 초점 이동 및 퍼짐에 영향을 줌 |
레이저 안정성 | 고정된 파장, 안정된 출력을 유지 | ↓ 일관된 초점 형성 | 파장 또는 M²가 변동하면 초점 크기도 변동함 |
열 렌즈 효과 | 적을수록 좋음 | ↑ 초점 퍼짐 | 고출력일수록 광학 요소의 열팽창 → 비의도 렌즈 효과 발생 |
1. 파장(λ) – "빛의 근본 속성, 회절의 시작점"
파장은 회절한계를 결정하는 가장 근본적인 요인입니다. 회절 현상은 빛이 파동이라는 성질을 갖고 있기 때문에 발생하는데, 이 파장이 짧을수록 빛은 "곧게 나아가려는 성질"이 강해지며, 회절로 인해 퍼지는 정도가 줄어듭니다.즉, 같은 광학 시스템이라면 파장이 짧을수록 더 좁은 초점(spot size)을 만들 수 있습니다.
예:
- IR (1064 nm)보다 Blue (450 nm)는 회절한계가 약 절반 수준
- *UV (355 nm)**는 회절로 인한 퍼짐이 훨씬 적기 때문에 미세 가공이나 고해상도 측정에 적합
다만, 짧은 파장은 광학계 설계가 어려워지고, 렌즈 재료의 투과율 저하, 크로마틱 어버레이션 등 기술적 부담이 커지는 것이 현실입니다.
2. 개구수(NA) – "빛을 얼마나 넓은 각도로 모을 수 있는가?"
NA는 렌즈 또는 시스템이 얼마나 넓은 입사각의 빛을 수용하거나 집속할 수 있는지를 나타냅니다. 이는 회절 한계 수식에서 분모에 위치하여 NA가 클수록 초점이 작아집니다.
즉, 큰 개구각(짧은 초점거리, 큰 렌즈 직경)이 필요하며, 이는 시스템 설계에서 물리적 제약을 수반합니다. 또한 NA가 커질수록 초점 심도(Depth of Focus)가 얕아지기 때문에, 정밀 정렬과 진동 억제 설계도 함께 요구됩니다.
3. 빔 품질 인자(M²) – "이론적 회절 한계와의 거리"
실제 레이저 빔은 이상적인 Gaussian 빔이 아니기 때문에, 이론 수식에서 나온 회절 한계보다 더 퍼지게 됩니다. 이때 사용되는 지표입니다. M²는 레이저 내부의 모드 구성, 공진기의 품질, 열 왜곡, 정렬 오차 등 복합적인 영향으로 결정됩니다. 이를 개선하기 위해 모드 필터링(MICRO LENS ARRAY, 파이버 모드 스트리퍼)나 다단 펄스 압축이 사용됩니다.
4. 고차 모드 억제 – "중심 집중도 유지의 핵심"
레이저 내부에서 발생하는 고차 횡모드(TEM₁₀, TEM₂₁ 등)는 에너지를 중심이 아닌 주변부로 분산시킵니다. 이 경우 초점에 도달하는 중심 강도가 줄어들고, 초점이 넓어져 실질적 가공 효율이 낮아지고 해상도도 떨어집니다. 고차 모드를 억제하는 대표적인 방법은 다음과 같습니다:
- 단일모드 파이버(SMF)로 에너지 전송하여 고차모드 제거
- 파이버 코어 직경을 작게 설계 (V-number < 2.405)
- 모드 필터링 광학계 적용 (Pin-hole, Slit filter 등)
고차 모드를 잘 제어하지 못하면 빔의 중심에 충분한 에너지가 모이지 않아 회절한계를 맞추는 것 자체가 무의미해질 수 있습니다.
5. 렌즈의 비구면 효과 및 정렬 정밀도
이론적으로 아무리 좋은 수식을 써도, 실제 광학 시스템에서는 다음과 같은 요소들 때문에 빔이 퍼집니다:
- 비구면 수차(Spherical aberration): 중심과 주변 광선이 다른 초점을 형성
- 코마, 비점수차, 필드 커브 등 기타 광학 수차
- 미세한 정렬 오차: 시스템 정렬에서 생긴 각도 또는 위치 오차가 빔의 집속 위치를 변화시킴
이러한 비이상적 요인을 줄이기 위해서는 정밀 가공된 비구면 렌즈, AR 코팅, 고정밀 정렬 지그가 필요합니다. 특히 고출력 시스템에서는 열 렌즈 현상도 주요한 퍼짐 원인이 됩니다.
회절 한계 설계
회절 한계(Diffraction Limit)는 고정밀 광학 설계에서 매우 중요한 개념으로, 광학 시스템의 해상력 한계를 규정하며, 특히 레이저 초점 설계, 고정밀 비전 시스템, 정밀 측정기기, 광학 가공기기 설계에서 필수적으로 고려됩니다. ‘회절 한계 설계’는 말 그대로 광학 시스템이 이론적으로 도달할 수 있는 최소 초점 크기(d)를 실현하기 위한 설계 행위입니다.
구분 | 설계 요소 | 내용 | 목적 및 고려 사항 |
1단계 | 파장(λ) 선정 | 사용 파장 범위를 명확히 정의 | 짧을수록 회절한계는 작아짐 (즉, 해상도 ↑) |
2단계 | 입사 빔 크기 (D) 설정 | 렌즈 또는 개구부에 입사하는 빔 직경 | D가 클수록 포커스는 더 작아짐 |
3단계 | 개구 수치(NA) 산정 | NA = n·sinθ (θ: 반각, n: 매질 굴절률) | 해상도에 직접 영향, 고NA일수록 회절한계 작아짐 |
4단계 | 렌즈 종류 및 재질 선정 | 비구면, achromatic, aplanatic 렌즈 등 | 수차 최소화 및 최적 초점 형성 |
5단계 | 회절한계 계산 | d = 1.22·λ / NA 또는 d = 4·λ·f / (π·D) | 초점에서의 최소 빔 지름(d) 도출 |
6단계 | 시뮬레이션 및 최적화 | Zemax, CodeV 등 광학 설계 툴 사용 | 이상 조건과 실제 조건 간 차이 보정 |
7단계 | 현실 요소 고려 | 빔 품질(M²), 정렬오차, 렌즈 공차 등 | 이론값과 실제 성능 간 갭 최소화 |
블루 레이저 VS IR 레이저
이론적으로는 블루 레이저(파장이 짧음)가 적외선(IR) 레이저보다 더 작은 초점 크기를 만들어야 맞습니다. 하지만 실제 산업 현장에서는 반대로 블루 레이저가 더 크게 맺히는 경우도 자주 발생합니다. 파장은 짧을수록 회절한계는 작아지지만, 실제 시스템에서는 M², 광학계의 설계 자유도, 정렬 민감도, 렌즈 수차 등 실무적 요소들이 더 큰 영향을 미칩니다. 결과적으로 동일 조건이라면 IR은 더 안정적이고 정밀한 빔 집속이 가능, 블루는 고성능 시스템 구현이 더 어렵습니다.
구분 | 항목 | 영향 방향 | 설명 |
광원 특성 | 파장(λ) | 🔽 초점 작아짐 | 파장이 짧을수록 회절 한계는 작아짐 (이론상 유리) |
ㅤ | 빔 품질(M²) | 🔼 초점 커짐 | Blue LD, 다이오드 기반 레이저는 일반적으로 M²가 크고 빔 왜곡이 심함 |
ㅤ | 모드 구조 | 🔼 초점 커짐 | 블루 레이저는 고차 모드가 섞이기 쉬움 (비대칭, 비가우시안) |
빔 딜리버리 | 파이버 전송 여부 | 🔼 초점 커짐 | 블루 레이저는 전송용 광섬유의 선택 폭이 좁고 손실 많아 자유공간 전송 → 빔 확장 제약 |
ㅤ | 콜리메이터 설계 | 🔼 초점 커짐 | 파장이 짧아질수록 광학계 민감도 증가 → 비구면 렌즈 정렬/제작 난이도 상승 |
광학계 설계 | 렌즈 재질 | 🔼 초점 커짐 | 블루파장을 다룰 수 있는 렌즈 소재(예: fused silica)는 고굴절률 설계 제한 및 코팅 어려움 |
ㅤ | NA 확보 | 🔼 초점 커짐 | 블루용 렌즈는 큰 NA 구현이 어렵고, 포커스 거리가 길어짐 (빔 집속이 약해짐) |
정렬 및 수차 | 색수차 (Chromatic Aberration) | 🔼 초점 커짐 | 광학계가 IR 기준으로 설계되면 블루에서 초점이 흐려지거나 위치가 다름 |
ㅤ | 비구면 수차 | 🔼 초점 커짐 | 짧은 파장은 수차에 훨씬 민감하여 정밀도 확보가 어려움 |
산란/손실 | 산란 손실 | 🔼 초점 커짐 | 짧은 파장은 광학 표면의 미세 조도에 의한 산란 증가 → 중심 강도 약화 |
고출력 한계 | 열 렌즈 / 손상 한계 | 🔼 초점 커짐 | 블루 광학계는 고출력 설계가 어려워 beam shaping 여유가 없음 |
빔 품질(M²)과 모드의 영향
블루 레이저는 대개 GaN 기반 다이오드 레이저나 그 LD 어레이로 구성됩니다. 이러한 광원은 다음과 같은 특성을 가집니다:
- 고차 모드 다수 포함
- 비가우시안 형태
- 비대칭적인 출력 패턴 (엘립스 형태 등)
따라서 파장이 짧아 회절한계는 유리하더라도, 실제 초점 성능은 M²의 영향으로 상당히 저하됩니다. 반면, 파이버 기반 IR 레이저(예: 1064 nm 파이버 레이저)는 M² ≈ 1.1~1.3 수준으로 이상적인 가우시안 빔에 가까워, 오히려 초점 크기가 더 작게 형성됩니다.
블루 다이오드의 한계
블루 레이저가 일반적으로 파이버 펌프형이 아니라 직접 다이오드 방식(Direct Diode Laser) 이라는 사실 자체가 빔 품질이 낮고, 초점 빔 사이즈가 커질 수밖에 없는 핵심 이유 중 하나 입니다.
항목 | 파이버 펌프 방식(IR 계열, Yb 등) | 직접 다이오드 방식(Blue 계열, 450nm 등) |
광원 구조 | 다이오드 → 파이버 → 파이버 레이저 증폭 | 다이오드 자체에서 직접 출력 |
출력 빔 품질(M²) | 우수 (1.1~1.3 수준) | 열화된 M² (10 이상도 많음) |
빔 모드 | 근본모드(Gaussian) 중심 | 다중 엣지 방출 + 고차모드 혼합 |
포커스 빔 크기 | 작고 정밀 (10~50μm 이하) | 넓고 불균일 (100μm 이상도 존재) |
Beam Shaping 필요 | 거의 없음 또는 최소화 | 필수 (광축 정렬, 균일화, 정형화) |
1. 방출 면적의 크기
다이오드 레이저는 반도체 칩의 엣지(Edge-emitting)에서 빛이 방출됩니다. 이 엣지의 크기와 형상은 수 µm × 수백 µm 이상이며, 이는 자연스럽게 비대칭적이고 넓은 방사 패턴을 만듭니다. 특히 Fast axis와 Slow axis 간의 NA 차이가 심각하게 크기 때문에, 초점 형성이 까다롭고 광축이 뒤틀리기 쉽습니다.
2. 멀티 모드 출력
다이오드는 기본적으로 고차 횡모드를 포함한 멀티모드 광원입니다. 이는 서로 다른 위상과 방향성을 가진 빛들이 섞여 나오며, 집속 시 간섭 또는 고르지 못한 초점을 유발합니다.
3. 광학 공진기의 부재
파이버 레이저는 파이버 코어 내에서 공진기를 형성해 빔을 정제하고 증폭하지만, 블루 다이오드 레이저는 공진기 없이 직접 방출되므로, 스펙트럼이나 공간 모드가 넓고 제어되지 않음.
파이버 전송 한계
같은 파이버 전송이라 하더라도, IR 레이저는 안정된 싱글 모드, 큰 MFD, 저손실 전송이 가능 한 반면, 블루 레이저는 멀티모드, 작은 MFD, 출력 제약 등으로 인해 출사 빔 품질이 낮고, 초점 빔 사이즈도 더 크게 형성됩니다.
항목 | 블루 레이저에서의 한계 | 결과 |
1. 싱글 모드 파이버 설계 한계 | 파장이 짧을수록 코어 직경을 작게 설계해야 단일 모드 유지됨. 하지만 제조/취급 난이도가 급증함 | 대부분 멀티모드 파이버 사용 → 빔 품질(M²) 저하 |
2. 모드 필드 직경 (MFD) 특성 | 짧은 파장일수록 MFD가 작아짐 → 파이버에서 나오는 빔이 확산 각이 커짐 | 콜리메이션이 어려워지고, 초점 크기 커짐 |
3. 멀티모드 출력 특성 | 파이버 내부에서 고차 모드 혼합 발생 → 비대칭, 간섭 무늬 | 빔 품질 저하로 초점이 넓고 불균일하게 맺힘 |
4. 파이버 손실 및 열 안정성 | 블루 파장은 산란 손실, 흡수 손실이 커짐. 열 손상 임계점 낮음 | 고출력 유지가 어려워 beam shaping에 제약 |
5. 파이버-콜리메이터 인터페이스 정렬 오차 | 짧은 파장일수록 정렬 민감도 증가 | 빔 축 방향, 직경 안정성 확보 어려움 |
IR 파장(예: 1064nm)은 직경 8~10 µm 정도의 코어로도 안정적인 싱글모드 전송이 가능하며, 매우 우수한 M² 값을 확보할 수 있습니다. 반면 블루 파장(예: 450nm)에서는 단일 모드를 유지하기 위해 코어 직경을 3~4 µm 이하로 작게 해야 하고, 이 경우 파이버가 극도로 민감해져 결합 효율, 안정성, 제조 난이도 모두 급상승합니다. 실무에서는 대부분 멀티모드 파이버를 선택하게 되며, 이는 고차 모드 혼합 → 빔 품질 열화로 이어집니다.
최신의 동향
과거에는 블루 다이오드 레이저의 출력 빔이 가진 특성 때문에, 작은 코어 파이버와의 결합이 사실상 불가능하거나, 매우 비효율적인 방식에 머물렀습니다. 이는 특히 다이오드의 고유 방사 특성 때문이었습니다. 다이오드 레이저는 일반적으로 Fast Axis(수 μm)에서의 급격한 확산과 Slow Axis(수백 μm)에서의 완만한 확산이라는 강한 비대칭 빔을 가지며, 출력 빔의 품질 지수(M²)가 매우 나쁘고, 결과적으로 소형 코어에 효과적으로 입사되지 않거나 다량의 손실이 발생했습니다. 이 때문에 블루 다이오드 기반의 고출력 시스템은 주로 멀티모드(MM) 파이버, 그것도 코어 직경 100μm 이상, NA 0.22 수준의 대구경 파이버에만 한정되었습니다.
고출력 블루 다이오드 레이저의 파이버 커플링 기술 발전은, 결국 출사면(패싯)에서의 빔 특성을 ‘정제’하여 소구경 파이버 코어로 효율적으로 입사시키기 위한 것입니다. 즉, 이 기술들이 '다이오드 → 파이버' 구간의 빔 품질 향상과 면적 축소를 가능하게 만들어, 결과적으로 작은 코어로도 안정적인 커플링을 가능하게 합니다.
구분 | 기술명 | 개요 | 주요 역할 | 블루 레이저 파이버 커플링에 기여 |
1 | Fast/Slow Axis Collimation (FAC/SAC) | 다이오드 특유의 비대칭 빔 확산(Fast > Slow)을 보정 | 빔을 대칭 형태로 조절 | 파이버 입사 효율 개선 (NA 대응) |
2 | Beam Shaping Optics | 비정형 빔을 원형 혹은 균질 프로파일로 변환 (예: Freeform optics, 광섬유 어레이 렌즈) | 빔 품질 향상, 비대칭 제거 | 고품질 M² → 작은 코어 수용 가능 |
3 | Tapered Lens 또는 Fused Tapered Fiber | 광 경로를 좁혀주는 구조. 큰 빔 → 작은 입사면으로 축소 | 다이오드 어레이 출력을 파이버 입사 직경에 맞춤 | 대구경 다이오드 빔을 소구경 파이버에 매칭 |
4 | Volume Bragg Grating (VBG) | 좁은 스펙트럼/방향의 빔만 통과시켜 콜리메이션 품질을 향상 | 방사 패턴 제어 및 ASE 억제 | 고품질 빔 유지 → 멀티모드 전송 억제 |
5 | Polarization Beam Combining (PBC) | 서로 직교 편광의 다이오드를 하나로 결합 | 출력 증대 + 빔 정렬 용이 | 출력은 유지하면서 커플링 난이도 낮춤 |
6 | Wavelength Beam Combining (WBC) | 파장이 다른 다이오드 빔을 병합 | 다중 출력을 하나의 파이버로 | 소구경 파이버 하나로 멀티소스 커버 |
7 | Micro Lens Array (MLA) | 다이오드 배열마다 개별 렌즈를 사용 | 다이오드 빔을 균일하게 보정 | 각 개별 소스를 일관된 빔 품질로 정렬 |
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