이트륨 레이저(Ytterbium laser, 종종 Yb 레이저로 약칭됨)는 삼가 이터븀 이온(Yb3+ )을 활성 레이저 이득 매질로 사용하는 고체 또는 광섬유 레이저의 일종입니다. 고효율, 우수한 열 관리 및 극도로 높은 출력을 생성하는 능력으로 잘 알려진 Yb 레이저는 산업 및 과학 응용 분야 모두에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 근적외선 스펙트럼, 가장 일반적으로 1030nm에서 1080nm 사이에서 빛을 방출합니다.
작동 원리
이트륨 레이저의 작동은 Yb3+ 이온의 단순한 2개 매니폴드 전자 에너지 구조에 의존합니다.
- 광학 펌핑: Yb 레이저는 거의 전적으로 반도체 레이저 다이오드를 사용하여 광학적으로 펌핑됩니다. 펌프 빛은 일반적으로 940nm 또는 976nm를 중심으로 하며, 이터븀 이온은 강한 흡수를 보입니다.
- 낮은 양자 결함: 펌프 파장(~976nm)이 방출 파장(~1030nm)에 매우 가깝기 때문에 "양자 결함"(변환 과정에서 열로 손실되는 에너지)이 예외적으로 낮습니다. 종종 10% 미만입니다. 이를 통해 Yb 레이저는 심각한 열 렌징 또는 열 유도 성능 저하 없이 높은 출력 수준에서 작동할 수 있습니다.
- 에너지 레벨 구조: 단순한 에너지 레벨 구조는 다른 유형의 레이저(네오디뮴 도핑 레이저와 같은)에서 효율성을 감소시킬 수 있는 여기 상태 흡수 또는 업컨버전과 같은 바람직하지 않은 효과를 방지합니다.
물리적 구성
Yb 레이저의 구성은 특정 유형에 따라 크게 달라지지만 일반적으로 펌프 소스, 이득 매질 및 광학 공동의 세 가지 주요 광학 구성 요소로 구성됩니다.
- 펌프 소스: 고출력 InGaAs(인듐 갈륨 비소) 레이저 다이오드가 초기 광학 에너지를 공급하는 데 사용됩니다.
-
이득 매질: Yb3+ 이온은 기판에 포함되어야 합니다. 일반적인 호스트에는 다음이 포함됩니다.
- 실리카 유리 섬유: Yb 도핑 광섬유 레이저에 사용됩니다. 길고 얇은 형상은 우수한 열 방출 및 빔 가둠을 제공합니다.
- YAG(이트륨 알루미늄 가넷): Yb:YAG 벌크 또는 얇은 디스크 레이저에 사용됩니다.
- 유리 또는 기타 결정(KYW, KGW): 특정 초고속(펨토초) 응용 분야에 사용됩니다.
-
광학 공동/공진기: 레이저 발진을 달성하려면 빛이 이득 매질을 통해 앞뒤로 반사되어야 합니다.
- 벌크 레이저에서는 고반사 유전체 거울을 사용하여 이를 달성합니다.
- 광섬유 레이저에서는 공동이 종종 광섬유에 직접 새겨진 광섬유 브래그 격자(FBG)에 의해 형성되어 자유 공간 거울이 필요 없습니다.
주요 광학 측정
Yb 레이저를 평가하거나 통합할 때 몇 가지 주요 광학 측정이 중요합니다.
- 방출 파장: 일반적으로 1030nm에서 1080nm 범위입니다.
- 출력 전력: 단일 모드 과학 레이저의 밀리와트에서 다중 모드 산업용 광섬유 레이저의 100킬로와트 이상까지 다양합니다.
- 빔 품질(M2 ): 특히 Yb 도핑 광섬유 레이저는 1.0에 가까운 M^2 값(완벽한 가우시안 빔)을 달성할 수 있으며, 이는 빛이 극도로 작고 고강도의 지점으로 초점을 맞출 수 있음을 의미합니다.
- 펌프 파장: 일반적으로 940nm 또는 976nm입니다.
- 펄스 지속 시간: Yb 레이저는 연속파(CW) 모드로 작동하거나 모드 고정되어 피코초 또는 펨토초 범위의 초단 펄스를 생성할 수 있습니다.
분류 및 유형
- 이트륨 도핑 광섬유 레이저(YDFL): 가장 일반적인 상업용 유형입니다. 빛은 유연한 광섬유 내부에 완전히 갇혀 있어 견고하고 소형이며 정렬이 필요 없습니다.
- 얇은 디스크 레이저: Yb:YAG 이득 매질은 열 방열판에 장착된 매우 얇은 디스크(밀리미터의 일부 두께)로 형성됩니다. 이 형상은 우수한 냉각을 허용하며 우수한 빔 품질을 유지하면서 고출력으로 스케일링하는 데 매우 효과적입니다.
- 벌크 고체 Yb 레이저: Yb 도핑 결정의 막대 또는 슬래브를 사용하는 전통적인 레이저 구성입니다. 종종 초고속 펄스 생성을 위한 과학적 환경에서 사용됩니다.
응용 분야
- 산업 재료 가공: 고출력과 우수한 집속성 덕분에 Yb 광섬유 레이저는 금속(강철, 알루미늄, 티타늄) 절단, 용접, 드릴링 및 마킹을 위한 산업 표준입니다.
- 의료 기기: 섬세한 수술 절차, 안과 및 피부과에 사용됩니다.
- LIDAR 및 원격 감지: 매핑 및 대기 모니터링을 위한 소스로 사용됩니다.
- 과학 연구: 다른 레이저 시스템(Ti:사파이어 또는 광학 파라메트릭 발진기와 같은)을 펌핑하고 분광학을 위한 초고속 펄스를 생성합니다.
실제 예: 산업용 레이저 절단 시스템
Yb 레이저가 실제 시스템에서 다른 광학 구성 요소와 어떻게 상호 작용하는지 이해하기 위해 1064nm에서 방출되는 4kW Yb 도핑 광섬유 레이저로 구동되는 산업용 판금 절단기를 고려해 보십시오.
- 생성: 레이저 빛은 976nm 펌프 다이오드를 사용하여 Yb 도핑 광섬유 공동 내부에서 생성됩니다.
- 빔 전달: 1064nm 빛은 수동 전달 광섬유를 통해 로봇 팔에 부착된 절단 헤드로 이동합니다.
- 평행화: 절단 헤드에서 광섬유를 빠져나온 빛은 발산합니다. 평행화 렌즈가 이 빛을 포착하여 평행 빔으로 만듭니다.
- 보호 및 필터링: 작업물에 도달하기 전에 빔은 보호 창(특수 광학 창)을 통과합니다. 공정 모니터링이 장착된 시스템에서는 용융 금속 풀을 모니터링하기 위해 광학 경로에 이색성 거울 또는 광학 대역 통과 필터(예: 1064nm를 투과하지만 가시광선을 반사)를 배치할 수 있습니다. 이를 통해 카메라가 강렬한 레이저 반사에 눈이 멀지 않고 용융 금속 풀을 모니터링할 수 있습니다.
- 초점: 마지막으로 초점 렌즈는 평행화된 1064nm 빔을 금속판 위에 직경이 수십 미크론에 불과한 지점으로 집중시켜 재료를 녹이고 절단할 수 있을 만큼 충분한 국부적 열을 생성합니다.
