What-is : 파이버 레이저

“고출력 산업용 파이버 레이저란? 도핑 광섬유 기반 광증폭 기술”

파이버 레이저의 핵심 구성 요소

• 에너지 흐름: 전기 → 광(다이오드) → 광 증폭(도핑 섬유) → 레이저 방출

• 공진기 구조: FBG와 도핑 광섬유 간 상호 작용으로 파장 안정화

• 출력 품질 결정: 결합 손실, 도핑 섬유 길이, NA, 코어 품질, 열 분산

• 가공 정밀도 영향: 빔 품질(M²), 출력 안정성, 고속 응답력

펌프 다이오드(Pump Diode)

• 기능: 파이버 레이저에 에너지를 공급하는 광원. 보통 915 nm 또는 976 nm 파장의 반도체 레이저 다이오드(LD)를 사용.

• 작동 원리:
• 전기 에너지를 주입하면, 반도체 내에서 전자-정공 재결합을 통해 특정 파장의 빛을 방출.
• 이 빛은 도핑된 광섬유로 결합되어 광증폭을 유도.

• 시스템 영향:
• 출력 파워, 변환 효율, 수명에 직접적인 영향.
• 다이오드 효율이 떨어질 경우 전체 레이저 시스템의 전기-광 변환 효율이 저하됨.

• 상호작용:
• 다이오드에서 발진된 빛은 광섬유 커플러를 통해 도핑 광섬유로 효율적으로 결합되어야 하며, 이 과정에서 광결합 손실이 성능을 좌우함.

도핑 광섬유(Active Fiber)

• 기능: 희토류(Yb, Er, Tm 등) 원소가 도핑된 광섬유로, 광증폭이 일어나는 주체.

• 작동 원리:
• 펌프 광원이 도핑 원소의 전자 에너지를 높은 상태로 여기시키고, 여기된 전자는 특정 파장에서 유도방출(stimulated emission)을 일으켜 레이저 빛을 증폭.
• 대표적으로 이터븀 도핑 광섬유(Yb-doped Fiber)는 1030~1100 nm 파장을 출력.

• 시스템 영향:
• 도핑 농도, 길이, 코어-클래딩 구조에 따라 증폭 효율, 출력 파워, 열 분산 특성이 결정됨.

• 상호작용:
• 펌프 다이오드에서 공급된 빛이 코어 근방의 클래딩을 통해 광섬유에 삽입되며, 멀티모드 펌핑 구조를 갖는 경우도 많음.
• 이 도핑 광섬유 내부에서 레이저 공진이 형성되고, 출력 커플러로 레이저가 방출됨.

광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG)

• 기능: 특정 파장의 빛만 반사하는 정밀한 광학 필터로, 파이버 내에 공진 구조를 형성.

• 작동 원리:
• 코어 내부의 굴절률 변조 패턴이 레이저 파장의 간섭 조건을 만족할 때 반사 발생.
• 두 개의 FBG로 레이저 캐비티(공진기)를 구성하고, 하나는 고반사, 하나는 부분 반사(출력용).

• 시스템 영향:
• 출력 파장 결정, 선폭(nm), 스펙트럼 순도에 영향을 미침.
• 고출력일수록 FBG 내 열 손상을 방지하기 위한 고내열 설계가 중요함.

• 상호작용:
• 도핑 광섬유와 일체형으로 구성되는 경우가 많으며, 레이저 발진 파장을 안정적으로 고정시키는 역할을 함.

광섬유 결합기(Fiber Combiner 또는 Pump Combiner)

• 기능: 다수의 펌프 다이오드 출력을 하나의 도핑 광섬유로 결합.

• 작동 원리:
• 펌프 파장(915/976nm)과 신호 파장(1030~1100nm)을 분리 또는 혼합하여 하나의 출력 포트로 연결.
• M×1 구조 (예: 6+1→1, 7+1→1) 형태로 설계됨.

• 시스템 영향:
• 결합 손실 최소화가 중요. 손실이 클 경우 증폭 효율이 급격히 감소.
• 고출력 설계에서는 열 분산과 비선형 효과 억제를 위해 높은 파워 핸들링 역량 필요.

• 상호작용:
• 펌프 다이오드 모듈과 도핑 광섬유 사이의 광학 링크로, 시스템 전체의 안정성과 신뢰성을 결정짓는 핵심 부품.

출력 포트 및 방출 광섬유(Delivery Fiber / Output Cable)

• 기능: 증폭된 레이저 빛을 작업 대상(워크피스)으로 전달하는 경로.

• 특징:
• Single-mode 또는 Multi-mode 구조.
• QB/QBH 인터페이스를 통해 스캐닝 헤드 또는 절단 헤드에 연결됨.

• 시스템 영향:
• 출력 광섬유의 코어 크기, NA(Numerical Aperture), 손실률이 실제 가공 품질에 직접적으로 연결됨.
• 빔 품질(M² factor)과 연관되어 가공 정밀도 결정.

• 상호작용:
• 내부 광학 신호뿐 아니라 냉각, 모니터링 센서 등도 함께 통합되어 전기-기계 시스템과 통합 작동.

열 관리 시스템 및 냉각 모듈

• 기능: 고출력 운전 중 발생하는 열을 안정적으로 제거.

• 시스템 영향:
• 열로 인해 광섬유의 도핑 매질이 과열될 경우 레이저 손실 발생.
• 냉각 성능이 출력 안정성과 장기 신뢰성을 좌우함.

• 상호작용:
• 펌프 다이오드, 결합기, 도핑 광섬유 모듈 등에 직접 결합되어 액체 냉각 루프 또는 TEC 열전 냉각으로 구성됨.

파이버 레이저 작동 방식

1단계: 전기 에너지 → 광 에너지 변환 (LD 구동)

• 컴포넌트: LD (Laser Diode, 펌프 다이오드)

• 역할: 전기 에너지를 고효율 광에너지(펌프 광)로 변환

• 파장: 일반적으로 915nm 또는 976nm

• 설명:
펌프 다이오드는 전원 공급을 받아 펌프 파장대(915nm 또는 976nm)의 레이저 빛을 발생시킵니다. 이 빛은 파이버 코어 내의 도핑된 이온(Yb³⁺ 등)을 들뜨린(excited) 상태로 만들기 위한 에너지 공급원입니다.

2단계: 펌프 광의 결합 및 주입

• 컴포넌트: Pump Combiner (펌프 커플러), 광섬유 결합 시스템

• 역할: 다중 펌프 광을 신호 광섬유로 안정적으로 결합

• 구동 메커니즘:
펌프 광은 Pump Combiner를 통해 신호 광섬유(Signal Fiber)의 cladding 또는 core 영역에 주입됩니다.
이때 신호용 입력 광(seed light)이 함께 결합되며, 펌프 광은 도핑된 코어 영역에서 흡수됩니다.

3단계: 광섬유 내 흡수 및 자극상태로의 전이

• 컴포넌트: Doped Fiber (Yb, Er, Tm 등 도핑된 광섬유)

• 역할: 펌프 광 에너지를 흡수하여 도핑 이온을 들뜨게 함

• 매커니즘:
도핑된 광섬유의 코어에서 펌프광은 도핑 이온(Yb³⁺ 등)에 의해 흡수되어 에너지 준위가 높은 상태로 전이됩니다.
이때 인구역전(population inversion)이 일어나고, 자극방출(stimulated emission)이 가능해지는 상태가 됩니다.

4단계: 자극 방출 및 광 증폭 (Laser Gain)

• 컴포넌트: Active Gain Fiber

• 역할: 신호 광(seed light)의 증폭

• 매커니즘:
신호광이 들뜬 이온들과 상호작용하면서 동일 위상/주파수의 광자를 유도 발광시킵니다.
이 과정을 따라 연속적으로 광이 증폭되며, 펌프 파워가 높을수록 이 효과는 더욱 강해집니다.

5단계: 공진기 구조에 의한 발진 조건 형성

• 컴포넌트: FBG (Fiber Bragg Grating), Loop Mirror 또는 Reflector

• 역할: 공진기 형성 및 특정 파장 선택

• 메커니즘:
FBG는 광섬유 내부에 굴절률 주기성을 가진 구조로 특정 파장의 광만 반사시켜 공진기 역할을 합니다.
두 개의 FBG 사이에 형성된 구조에서 증폭된 광이 왕복하며 발진 조건을 만족하면 레이저가 형성됩니다.

일부 고출력 파이버 레이저는 공진기 대신 외부 Seed + MOPA 구조를 활용해 안정된 펄스를 구현합니다.

6단계: 출력 광 추출 및 빔 전달

• 컴포넌트: Output Coupler, Beam Delivery Fiber

• 역할: 원하는 출력 포트로 레이저를 안정적으로 추출

• 메커니즘:
공진기 구조에서 반사율이 낮은 FBG 또는 광섬유 단면을 통해 레이저 출력이 외부로 방출됩니다.
이 출력은 콜리메이팅, 포커싱 렌즈 또는 스캐너로 전달되며, 필요한 경우 Beam Delivery Fiber를 통해 가공 헤드로 전송됩니다.

7단계 (선택): 파형 제어 및 펄스 변조

• 컴포넌트: AO Modulator, EOM, MOPA 구성

• 역할: 펄스 생성 및 제어 (Pulsed Operation일 경우)

• 매커니즘:
• Q-Switching: 광학 셔터 개념으로 에너지 축적 후 방출
• Mode-locking: 위상 정렬된 파동 중첩으로 초단 펄스 형성
• MOPA: Seed Laser의 파형을 원하는 펄스로 만들고 파워 앰프로 증폭

MOPA 레이저

• Master Oscillator (Seed Laser):
• 레이저 빛의 파장, 펄스 폭, 반복 주파수 등을 결정하는 저출력 발진기입니다.
• 일반적으로 파이버 기반 다이오드 레이저 또는 펄스형 파이버 레이저가 사용됩니다.

• Power Amplifier:
• 시드 레이저에서 생성된 광 신호를 고출력으로 증폭하는 단입니다.
• Yb-doped 파이버가 일반적으로 사용되며, 이 파이버는 광펌핑을 통해 에너지를 받아 신호를 증폭시킵니다.

• Seed Laser가 설정된 파라미터(펄스 폭, 반복률, 파형)로 초기 펄스 빛을 발생시킵니다.

• 이 신호는 파이버 앰플리파이어에 입력되고, Yb 도핑된 파이버에서 펌핑 광원(주로 976nm LD)에 의해 증폭됩니다.

• 최종적으로 고출력의 가공 가능한 펄스 레이저가 출력됩니다.

• 펄스 폭 조절(예: 2ns~200ns) 및 주파수 조절(예: 1kHz~1MHz)이 가능하여 다양한 재료에 맞춤형 가공이 가능합니다.

Q-switched 와의 차이점

파이버 레이저 유형

발진 구조/형식에 따른 분류

1. 연속파(CW) 파이버 레이저:
• 장점: 안정적인 출력과 높은 평균 출력으로 두꺼운 금속 절단 및 용접에 적합합니다.
• 단점: 펄스 레이저에 비해 열 영향을 많이 주어 정밀한 가공에는 부적합할 수 있습니다.

2. 펄스 파이버 레이저:
• 장점: 짧은 시간에 높은 피크 출력을 제공하여 미세 가공 및 마킹에 적합합니다.
• 단점: 평균 출력이 낮아 두꺼운 재료의 가공에는 한계가 있습니다.

3. MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 파이버 레이저:
• 장점: 펄스 폭과 주파수를 조절할 수 있어 다양한 재료와 응용에 유연하게 대응 가능합니다.
• 단점: 구조가 복잡하여 가격이 상대적으로 높습니다.

펄스 지속 시간(Pulse Duration)에 따른 분류

파장/도핑 원소 기반의 분류

최신 발전 동향

Ultrafast 파이버 레이저 기술의 고도화 (Femtosecond, Picosecond 영역)

• 핵심 기술: Mode-locking 기술의 안정화 + CEP(Carrier Envelope Phase) 제어 기술의 정밀도 향상

• 기술적 돌파:
• 페토초(10⁻¹⁵초)급 펄스를 산업용 고출력 레벨에서 안정적으로 구현
• Ti:Sapphire 기반보다 유지비용이 낮고, 견고하며, 전기광학적 제어가 용이

• 응용 확대:
• 박막 태양전지, OLED 마이크로패턴, 의료용 레이저 절제(레이저 각막절개술, LASIK)

• 대표 기술 사례:
• NKT Photonics의 aeroPULSE FS 시리즈: >10 µJ, <400 fs, MHz 수준의 rep rate 가능

고속 다이나믹 파형 제어 기술 (Arbitrary Pulse Shaping, AOM/EOM 제어)

• 기술 개요: 단순 펄스 폭 제어가 아니라, 펄스의 "모양" 자체를 설계하는 기술

• 기술적 혁신:
• Arbitrary Pulse Shaping (APS)를 통해 펄스 내 sub-structure 제어 가능
• 에너지 집중 또는 분산형 펄스를 설계하여 재료 특성에 맞춘 열 영향 영역(HAZ) 극소화

• 핵심 장비 요소: Acousto-Optic Modulator, Electro-Optic Modulator, Digital Pulse Synthesizer

• 응용 분야: 레이저 리프트오프, 미세 드릴링, 레이저 인듐 솔더링 등

파장 가변형 파이버 레이저 (Tunable Fiber Laser)

• 핵심 기술: 브래그 그레이팅(FBG), Tunable Filter, Raman/Brillouin Gain 이용

• 기술적 의의:
• 단일 모듈에서 광대역 파장을 수십 nm ~ 수백 nm까지 자유롭게 조정
• 레이저 기반 분광, 정밀 화학 분석, 생체진단 등에서 파장 선택성을 요구하는 공정에 적합

• 대표 스펙 예시:
• 1030-1600nm 등 대역 조절 가능, <0.1nm의 Spectral Linewidth

• 응용 예:
• 광섬유 센싱, 가변 파장 LIDAR, Photonic Microwave Generation

다중 출력 포트(Multi-port / Multi-core) 파이버 기술

• 기술적 센세이션:
• 하나의 파이버 내에 다중 코어(Multi-core Fiber, MCF) 구조를 구현하여 출력 증대
• 서로 다른 가공에 동시에 대응하거나, 병렬 공정(line splitting)으로 생산성 향상 가능

• 응용 포인트:
• EV 배터리 탭 용접에서 다중 지점 동시 가공 솔루션으로 급부상
• Flexible PCB 또는 웨이퍼 마킹에서 throughput 2~4배 향상

• 대표 제품 예:
• IPG Photonics의 QCW-MC 모델: 최대 8개 포트 동시 출력, 개별 파워 제어 지원

파이버 내 빔 모드 제어 (Mode Manipulation, Higher-order Mode Fiber, LP Mode Control)

• 기술 포인트:
• Gaussian beam 외에도 LP₁₁, LP₂₁ 등의 고차 모드 이용
• 원하는 에너지 분포 또는 비정형 패턴 생성(예: donut, ring, vortex beam) 가능

• 기술적 장점:
• 고반사 재료(구리, 알루미늄) 가공 시 흡수율 향상
• Selective Heating, 비접촉 응용에서 강력한 대응력

• 향후 발전 방향:
• MOPA와의 연계, Mode-selective Amplifier, Coherent Beam Combining 방식과의 통합

AI 기반 실시간 피드백 제어 (AI-Driven Laser Control)

• 기술 방향:
• 머신러닝 기반으로 레이저 출력, 펄스, 포커싱, 빔 품질을 공정 중 실시간 제어

• 기술적 혁신:
• OCT, Confocal, TDLAS, 고속 이미지 센서를 통해 공정 피드백 수집
• 알고리즘이 재료의 반응에 따라 레이저 파라미터를 ms 단위로 최적화

• 결과:
• 스퍼터링/변색/결함률 30% 이상 감소
• 고속 라인 마킹 및 커팅 공정에서 yield 15% 이상 개선

비선형 파이버 증폭 기술 (Nonlinear Fiber Optics for Wavelength Conversion)

• 기술 개요: 광섬유 내 비선형 현상(SPM, FWM, Raman, Brillouin)을 활용하여 새로운 파장대 생성

• 파장 확장:
• Mid-IR (2.0–3.5 µm), UV (~200–400 nm), Deep-UV까지도 파이버 기반으로 구현 가능

• 응용 예:
• 정밀 스펙트로스코피, 고속 반도체 검사, 바이오 이미징, 포토닉스 리소그래피

• 대표 기술 사례:
• Supercontinuum 레이저 (광대역 스펙트럼): NKT Photonics, Leukos, Toptica

주요 파이버 레이저 제조 기업

• 2024년 시장 규모: 약 4.15억 달러에서 7.7억 달러 사이로 추정됩니다.

• 2029년 예상 시장 규모: 약 12.8억 달러로 예측되며, 이는 2024년부터 2029년까지 연평균 성장률(CAGR) 약 10.8%에 해당합니다.

1. IPG Photonics

• 설립 연도: 1990년

• 본사 위치: 미국 매사추세츠주 옥스퍼드

• 주요 제품:
• YLS 시리즈: 고출력 연속파(CW) 파이버 레이저로, 금속 절단, 용접, 드릴링 등에 사용됩니다.
• Pulsed 파이버 레이저: 마이크로머시닝, 표면 처리, 마킹 등에 적합한 나노초 및 피코초 펄스 레이저를 제공합니다.

2. Coherent Inc.

• 설립 연도: 1966년

• 본사 위치: 미국 캘리포니아주 산타클라라

• 주요 제품:
• Highlight FL 시리즈: 고출력 파이버 레이저로, 자동차, 항공우주 산업의 용접 및 절단에 활용됩니다.
• Fidelity 시리즈: 초고속 펄스 파이버 레이저로, 의료 및 과학 연구 분야에 사용됩니다.

3. nLIGHT

• 설립 연도: 2000년

• 본사 위치: 미국 워싱턴주 밴쿠버

• 주요 제품:
• Corona 시리즈: 빔 품질을 조절할 수 있는 파이버 레이저로, 다양한 재료 가공에 적합합니다.
• Element 시리즈: 고출력 산업용 파이버 레이저로, 절단 및 용접에 사용됩니다.

4. Raycus (Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co., Ltd.)

• 설립 연도: 2007년

• 본사 위치: 중국 우한

• 주요 제품:
• RFL-CW 시리즈: 고출력 연속파 파이버 레이저로, 금속 절단 및 용접에 활용됩니다.
• RFL-Pulsed 시리즈: 펄스 파이버 레이저로, 표면 처리 및 마킹에 적합합니다.

5. Maxphotonics

• 설립 연도: 2004년

• 본사 위치: 중국 선전

• 주요 제품:
• MFSC 시리즈: 연속파 파이버 레이저로, 금속 가공 분야에 사용됩니다.
• MFP 시리즈: 펄스 파이버 레이저로, 마킹 및 미세 가공에 적합합니다.

6. JPT Opto-electronics

• 설립 연도: 2006년

• 본사 위치: 중국 선전

• 주요 제품:
• LP 시리즈: 저출력 펄스 파이버 레이저로, 정밀 마킹 및 미세 가공에 사용됩니다.
• M7 시리즈: 고출력 펄스 파이버 레이저로, 깊은 각인 및 절단에 적합합니다.

7. GZTECH (Wuhan Guangzhi Technology Co., Ltd.)

• 설립 연도: 2018년

• 본사 위치: 중국 우한

• 주요 제품:
• CW 시리즈 파이버 레이저: 100W에서 500W의 싱글 모드 연속파(CW) 레이저로, IC 마킹, 정밀 절단 및 용접, 3D 프린팅 등에 적합합니다.
• GM 시리즈 펄스 파이버 레이저: 고출력과 우수한 빔 품질을 제공하며, 정밀 마킹, 블랙 마킹, 컬러 마킹, 깊은 각인, 정밀 용접 및 절단에 활용됩니다.
• GME 시리즈 펄스 파이버 레이저: MOPA 구조를 채택하여 펄스 폭과 주파수를 조절할 수 있으며, 표면 처리, 일반 마킹, 컬러 마킹, 정밀 절단 및 드릴링에 사용됩니다.