파이버 레이저 응용 분야를위한 광학
파이버 레이저는 Nd : YAG 레이저가 너무 비싸거나 바람직하지 않은 빔 특성 (예 : 큰 M2 값)을 갖는 가공 및 연구 틈새를 발견했습니다. 파이버 레이저 사용자는 기존의 광학 부품 공급 장치의 호환성 또는 새로운 광학 장치를 지정하는 방법에 대해 우려 할 수 있습니다. 이 기사는 이러한 관심 영역을 다루고 특히 신중하게 지정해야 할 특성을 강조합니다.
파이버 레이저는 드릴링, 용접, 포일 커팅, 레이저 마킹 및 정밀한 미세 가공과 같은 다양한 응용 분야에서 발전하고 있습니다. 연구 과학자들은 또한 발자국이 작고 M2 값이 낮기 때문에 소스로 매우 유용하다는 것을 발견했습니다. 광섬유 레이저의 성공은 CW 또는 펄스 작동 옵션, 편광 제어 (무작위, 선형 또는 원형), 좁은 스펙트럼 대역폭 및 TEM00 M2 값이 1에 가까운 동일한 파장 범위의 다른 소스에서 사용할 수없는 고유 한 빔 특성 조합을 기반으로합니다. Nd : YAG 레이저에 비해 M2의 이러한 개선으로, 훨씬 더 높은 전력 밀도가 실현 될 수있다. 보다 밀집된 빔이 가능하여 마킹을위한 이미지가 선명 해지고 미세 가공을위한 미세한 절단이 가능합니다. 제조 작업 거리를 늘릴 수도 있습니다. 따라서, 시장은 섬유 레이저 응용을 위해 설계된 전용 광학 부품에 대한 수요가 증가 할 것으로 예상하고있다.
1 빔 품질의 영향
부품 선택 프로세스는 파이버 레이저로 얻을 수있는 고출력 밀도에 의해 크게 영향을받습니다. 파이버 레이저의 광학 캐비티는 모드 수를 최소화하도록 설계 할 수있는 파이버 코어이므로 제조업체는 M2 = 1.05 인 레이저를 상업적으로 생산할 수 있습니다. M2는 레이저 빔의 다중 모드 직경-분산 제품과 이상적인 회절 제한 (TEM00) 빔 직경-분산 제품의 비율입니다.
여기서 Θ0은 밀리 리안 단위의 빔 발산이고 w0은 출력 빔 허리의 너비입니다 (빔이 원형이면 w0은 빔 직경 d0으로 대체 될 수 있음). 또는 달성 가능한 초점 직경 d0의 경우 :
그림 1은 방정식 (2)에 사용 된 매개 변수를 보여줍니다. 파이버 레이저 제조업체는 일반적으로 직경 5mm ~ 20mm (D0)의 시준 출력을 가진 빔 전달 헤드를 제공합니다. 계산 결과 19mm 초점 거리 렌즈를 사용하면 이론적 인 초점 직경 d0 10μm을 얻을 수 있습니다. 따라서 1075nm에서 50W 파이버 레이저의 경우 초점 빔은 엄청난 광 출력 밀도를 제공합니다.
더 많은 조합이 표 1에 주어진다. 빔 스티어링 광학 장치는 완벽하게 초점이 맞춰진 지점을 볼 수 없지만 설계 엔지니어가 고려해야 할 안전 요소가있다. 이러한 높은 회절 제한 전력 밀도는 정렬 동안 광학 요소에 영향을 줄 수있다.
저에너지 펄스 파이버 레이저 및 중간 범위 CW 레이저 (1-5W 평균 전력)의 쇼트 쇼트 (Schott chott.de)의 N-BK7 유리는 에너지가 반사되는 반사 및 투과 광학 모두에 적합하고 저렴한 기판 재료입니다. 광학 표면에서의 <50mw> N-BK7은 가시 광선 및 근적외선에서 균일 성이 높고 투과율이 높은 붕 규산염 크라운 광학 유리입니다. 반사 방지 (AR) 코팅은 구성 요소를 통한 전체 투과율을 높이기 위해 창, 렌즈 및 부분 반사판에 사용할 수 있습니다. 이들 에너지에서 협 대역 ( "V"-코트) AR 코팅 또는 다층 광대역 AR 코팅을 사용하여 단일 파장에서 표면 당 반사율을 단일 파장에서 약 4 %에서 <0.25 %로="" 또는="" 대역폭에서="" 0.5="" %="" 미만으로="" 줄일="" 수="" 있습니다.="" 튜너="" 블="" 레이저="" 시스템의="" 경우="" 250-400nm="" (그림="" 2="">
협 대역 "V"-코트는 좁은 대역의 파장에서 이론상 최소 반사율을 달성하는 다층 (일반적으로 2 층) 유전체 반사 방지 코팅이다. 이 최소값의 어느 한 쪽에서 반사율이 급격히 증가하여 반사율 대 파장 그래프에서 "V"모양이됩니다. 미국 제조업체는 일반적으로“V-coat”또는“laserline”이라는 용어를 사용하여이 코팅을 광대역 AR 제품과 차별화합니다.
1-5W 파이버 레이저와 함께 사용하기위한 또 다른 재료 옵션은 Schott의 N-SF11 유리로, N-BK7 (1.507)보다 1060nm에서 굴절률 n = 1.754입니다. 응용 분야에 초점 거리가 짧은 렌즈가 필요한 경우 유연성을 제공합니다. N-SF11 및 N-BK7은 모두 8 × 10-6 / ° C 범위의 열팽창 계수를 가지므로 열 안정성이 중요한 경우 용융 실리카가 선호되는 기판 재료 선택입니다. 용융 실리카는 단지 0.57 x 10-6 / ° C의 열 팽창 계수를 가지며, 이는 다른 광학 재료보다 훨씬 안정적이다. 파이버 레이저 제조업체는 50W보다 큰 파이버 레이저 출력에 사용되는 투과형 광학 용 용융 실리카를 권장합니다. 예를 들어 Southampton Photonics, Inc. pioptics.com)은 레이저 손상 임계 값이 상당히 높기 때문에 파이버 레이저 응용 분야에 용융 실리카를 사용할 것을 강력히 권장합니다. 그것은 500-2000nm에서 N-BK7과 유사한 투과 특성을 갖지만, 열적으로 더 안정적이며 펄스 및 CW 시스템 모두에 대한 더 높은 손상 임계 값 한계를 갖습니다. IPG Photonics pgphotonics.com)은 1kW 이상의 광섬유 레이저에 IR 등급 용융 실리카를 권장합니다. 다시 한 번 AR 코팅을 사용하여 표면 반사를 줄일 수 있지만 높은 에너지의 경우 최대 1MW / cm2 이상을 견딜 수있는 다층 "V"코팅 AR 코팅 만 사용하는 것이 가장 좋습니다.
렌즈 2 개
광학 트랩 이미징과 같은 특정 응용 분야에서는 빔 경로 전체에서 이미지 품질을 유지하는 것이 중요합니다. 용융 실리카 또는 N-BK7 재질의 일 중항 렌즈가 단순한 빔 조향 애플리케이션에 적합하지만, 투과 파면 오류를 최소화하기 위해 이중 또는 삼중 평면 렌즈가 더 적합 할 수 있습니다. 이 렌즈는 구면 수차 및 코마라는 두 가지 단색 파면 오류를 최소화하도록 설계되었습니다. 구면 수차는 축 대칭이며 렌즈의 외부 영역을 통과하는 시준 된 광선이 중앙 영역을 통과하는 광선과 렌즈와 다른 거리에있을 때 발생합니다. Coma는 비축 비대칭 파면 왜곡으로, 주축으로부터의 필드 각도 또는 거리에 따라 선형으로 증가합니다. 조합하여, 이들 수차는 렌즈를 통해 투과 된 파면을 왜곡시키고 초점이 불규칙하게 형성 및 / 또는 흐려지게한다.
이중 및 삼중 렌즈 설계는 특정 설계 기준에 따라 이전에 나열된 기판 재료 또는 기타 재료를 활용할 수 있습니다. 단일 파장에 최적화되어 있으며 일반적으로 유리 표면 사이의 시멘트에 의해 유발되는 추가적인 파면 왜곡을 최소화하기 위해 공기 간격을두고 있습니다. 공기 간격을 두는 요소는 인접한 표면에 곡률이 일치하지 않아도되므로 설계 유연성이 향상됩니다. 대신, 완전한 렌즈 어셈블리를 통해 코마 및 구면 수차를 최소화하기 위해 4-6 개의 표면을 독립적으로 최적화 할 수 있습니다. 구성 요소의 전체 손상 임계 값 및 수명을 최대화하려면 시멘트 렌즈 어셈블리를 피해야합니다.
3 좁은 스펙트럼 대역폭
파이버 레이저의 파장 범위는 제조업체의 펌핑 아키텍처와 활성 파이버 레이저 캐비티에 사용 된 도펀트에 의해 결정됩니다. 일반적인 파장 범위는 다음과 같습니다 : 에르븀 도핑의 경우 780-800nm,
이테르븀의 경우 1030-1120nm, 어븀-이테르븀의 경우 1530-1600nm, 툴륨의 경우 1800-2100nm. 파이버 레이저의 대역폭은 일반적으로 파이버 브래그 격자에 의해 정의됩니다. 파이버 레이저 제조업체는 최종 사용자가 특정 파장을 선택할 수있는 범위를 지정합니다. 각 레이저의 실제 대역폭은 1-2nm입니다. 이것은 좁은 대역폭에서만 제대로 작동하는 고차 파장 판과 같은 구성 요소를 선택할 때 중요한 세부 사항이 될 수 있습니다.
4 편광 광학
다양한 편광기와 파장 판 중에서 선택할 때 알아야 할 가장 중요한 빔 특성은 대역폭과 에너지 밀도입니다. 폴리머 선형 편광기는 1W / cm2보다 큰 에너지에서 사용하기위한 것이 아닙니다. 시멘트 입방체 편광판은 협 대역 및 광대역 설계로 제공되지만 손상 임계 값은 내부 에폭시에 의해 제한됩니다. 일부 광학 시멘트는 500W / cm2의 레이저 출력 밀도를 견딜 수 있지만 섬유 레이저 제조업체는 50W 이상의 광섬유 레이저에 대해 시멘트 광학을 피할 것을 권장합니다. 이 레벨 이상에서는 공기 간격 또는 광학적으로 접촉 된 편광 큐브 디자인으로 전환해야하며, 일반적으로 1MW / cm2 이상의 CW 레이저 광을 처리 할 수 있습니다.
1mm 두께 근처의 다차 수정 석영 파장 판의 경우, 파장의 2nm 변화는 우수한 파장 판과 허용되지 않는 부분의 차이를 만들 수 있습니다. 1082nm 용으로 설계된 1mm 두께의 λ / 4 파장 판은 실제로 1084nm에서 0.23λ 파장 판 또는 λ / 50이됩니다. 대안 적으로, 동일한 2 개의 파장을 위해 설계된 복합 0 차 파장 판은 2 개의 <λ 1000="" 파에="" 의해="" 지연을="" 변화시킬="" 것이며,="" 이는="" 전형적인="" 측정="" 한계=""> 제로 오더 파장 판은 설계 파장에서 ± 40-70nm 이상에서 매우 잘 작동하며 조정 가능한 레이저 시스템과 레이저 선 대역폭이 1nm보다 큰 시스템에 적합합니다 (그림 3 참조).
거울 5 개
다른 레이저 라인에 대한 표준 구성 요소 (예 : 기존 코팅 디자인)는 최적의 성능을 위해 새로운 파이버 레이저 파장 및 전력에 충분히 맞지 않을 수 있습니다. 매우 낮은 에너지 시스템의 경우, 금, 알루미늄 및은과 같은 보호 된 금속 거울 코팅은 100 % 반사율이 필요하지 않은 특정 응용 분야에 적합한 선택 일 수 있습니다. 그것들은 쉽게 구할 수 있고 저렴합니다. 그러나 보호 층이 있어도 금속 코팅은 부드럽기 때문에 제대로 다루지 않으면 긁히거나 부식 될 수 있습니다. 대안 적으로, 다층 유전체 미러는 정상 입사 또는 45 °에서 하드 코팅, 내구성 및 반사율이 높습니다 (그림 4 참조). 10-20ns 펄스 시스템에서 20J / cm2를 초과하는 데미지 임계 값을 가지므로 펄스 또는 CW 파이버 레이저 설정에 사용될 때 성능이 저하되거나 손상되지 않아야합니다. 특히 광대역은 아니지만 1064nm Nd : YAG 시스템 용으로 설계된 유전체 표준 미러는 여전히 1075nm 또는 1080nm에서> 99 %를 반영합니다.
6 결론
CVI는 파이버 레이저 시스템과 함께 사용하도록 특별히 설계된 새로운 미러 라인을 출시했습니다. 또한 CVI는 웨이브 플레이트, 렌즈 및 창과 같은 투과형 광학 용 AR 코팅과 빔 스플리터, 부분 반사기, 출력 커플러 및 미러 용 반사 코팅을 포함하여 기존 제품 라인에 가장 일반적인 파이버 레이저 파장을 추가했습니다.
파이버 레이저 제조업체는 계속해서 기술의 한계를 뛰어 넘어 상용 CW 전력 및 펄스 에너지를 증가시킵니다. 더 높은 에너지와 결합 된 우수한 빔 품질은 이들 시스템에 사용되는 광학 구성 요소에 대한 요구를 계속 증가시킬 것이다. 이러한 구성 요소의 주요 사양에는 기판 재료, 손상 임계 값 및 표면 품질이 포함됩니다.