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특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 1. 파이버 레이저(Fiber LASER)란? 1.1 레이저의 구성 및 원리 LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRa 그림 2.

펌핑소스는 매질 플래시 램프 야그 레이저 파이버 레이저 에 빛을 공급하고, 외부 자극에 의해 매질로부터 유도 방출 된 빛은 공진기의 반사미러에 의해 증폭된다. <그림 1>은 레이저의 기본 구성 및 원리를 나타낸다.

2 파이버 레이저의 개발 배경 lensing effect라 함) 레이저의 빔 품질과 출력의 저하현상 등의 불안정한 현상을 야기 시킨다.

1 특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 1. 파이버 레이저(Fiber LASER)란? 1.1 레이저의 구성 및 원리 LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRa 그림 2. rod-type 고체레이저의 열 영향 문제 diation)란, 외부의 자극에 의해 매질로부터 빛을 방출하게 하고, 공진기에 의해 증폭된 빛을 말한다. 펌핑소스는 매질 플래시 램프 야그 레이저 파이버 레이저 에 빛을 공급하고, 외부 자극에 의해 매질로부터 유도 방출 된 빛은 공진기의 반사미러에 의해 증폭된다. <그림 1>은 레이저의 기본 구성 및 원리를 나타낸다. 레이저는 매질, 공진기, 펌핑 소스로 구성 되고, 매질의 종류에 따라 레이 그림 3. 매질의 기하학적 변형 - 파이버레이저 저는 분류된다. 자체가 볼록 렌즈로 작용하여(이러한 현상을 thermal 1.2 파이버 레이저의 개발 배경 lensing effect라 함) 레이저의 빔 품질과 출력의 저하현상 등의 불안정한 현상을 야기 시킨다. 특집 레이저50주년특집- 레이저의발전과응용 Principle and Application of Fiber Lasers 한유희* 좋은 빔 품질의 고출력 레이저를 얻기 위해서는 매질의 이러한 현상을 줄이기 위해서는 매질의 냉각이 관건인 냉각이 필수적이다. 그러나 고전적인 rod-type의 레이저는 데, 매질의 냉각을 용이하기 위해 <그림 3>과 같이 매질을 <그림 2>와 같이 rod의 내부와 표면의 온도 차로 인해 rod 기하학적으로 변형하여 rod의 직경을 작게 하고, 길이를 길게 함으로서 체적에 대한 표면적 비율을 높여, 냉각 효율 을 높이는 방식이 연구 되었는데, 이것이 파이버 레이저의 개발 배경이다. 1.3 파이버 레이저의 구성 및 원리 파이버 레이저는 <그림 4>와 같이 펌프 다이오드 레이 그림 1. 레이저의 기본 구성 * IPG Photonics Korea Ltd. April 2010 저(Pump Diode Laser), 이터븀 엑티브 파이버(Ytterbium

2 Active Fiber), FBG(Fiber Bragg Grating). < >., FBG.,. < > (single emiter diode). IPG,.,. < >,.,,,. ( -, W). < > Single Mode Fiber Laser. IPG Photonics. kw kw. Fiber Laser (< >). Single Mode Fiber Laser < > nm W Single Mode Laser 29

특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 10. 300W@1019nm Single Mode Fiber Laser Module의 Optical Configuration[2] 그림 13.

10kW Single Mode Fiber Laser 의 Optical Configuration[2] 그림 14.

Remote-Fusion Cutting[3] 그림 12. Tactical Fiber Laser Application[2] 적, 파괴하도록 설계되어 있다.

[2] Fiber Laser 로 지역방어 목적의 Phalanx System을 소개 Single Mode Fiber Laser 의 용도는 우선 Defense Single Mode Fiber Laser 는

<그림 14>는 Remote Cutting에서 스테인레스 Directed Energy Application 은 유효사정거리가 10km 강판 절단 시 두께 별 절단 속도를 나타낸다.

3mm 두께의 강판까지 절단 반면에 Tactical Directed Energy Application 에선 100m 이 가능하고, 0.

3 특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 W@1019nm Single Mode Fiber Laser Module의 Optical Configuration[2] 그림 13. Laser Area Defense System Phalanx equipped with IPG50kW Laser System[2] 그림 kW Single Mode Fiber Laser 의 Optical Configuration[2] 그림 14. Remote Cutting Overview-Cutting Speed and Separable Thickness[3] 그림 15. Remote Cutting Vs. Remote-Fusion Cutting[3] 그림 12. Tactical Fiber Laser Application[2] 적, 파괴하도록 설계되어 있다. Raytheon 사는 50kW 를 이용하여 펌핑을 한다.[2] 하였다.[2] Fiber Laser 로 지역방어 목적의 Phalanx System을 소개 Single Mode Fiber Laser 의 용도는 우선 Defense Single Mode Fiber Laser 는 산업에서도 유용하게 활용 Directed Energy Application 을 꼽을 수 있다: Strategic 되고 있다. <그림 14>는 Remote Cutting에서 스테인레스 Directed Energy Application 은 유효사정거리가 10km 강판 절단 시 두께 별 절단 속도를 나타낸다. 5kW Single 이상이며 100kW 보다 훨씬 큰 용량의 레이저가 필요하다. Mode Fiber Laser 사용 시 1.3mm 두께의 강판까지 절단 반면에 Tactical Directed Energy Application 에선 100m 이 가능하고, 0.05mm 철판은 분당 800m의 속도로 절단 이상10km 미만의 지역방어 목적이며 표적대상은 지역경 이 가능함을 알 수 있다. 이는 스캐너에 의한 한계 속도일 계, 선박, 항공기 자위 그리고 대 IED, UXO 등을 들 수 있 뿐, 이를 극복하면 절단 속도의 증가를 예상 할 수 있다.[3] 다. 여기에 사용되는 레이저는 좋은 빔 품질을 갖춘10- <그림 15> 는 멀티모드 빔을 이용한 Remote Fusion 100kW의 출력을 내야 한다. 다음은 비교적 근거리 목표물 Cutting과 Single Mode Beam 을 이용한 Remote Cutting 을 겨냥한 Boeing 사의 Avenger 가 나타나 있다(<그림 을 비교한 것으로 Single Mode 의 경우 우수한 빔의 품질 12>). 미사일 대신 레이저를 장착하여 근거리 목표물을 추 을 가지고 있어 이로 인한 좁은 절단 폭으로 인해 절단 속 April 2010

빔 품질은 가공에서 초점 크기와 깊이에 직접적인 영향을 보이며 가공 효율을 결정한다.

<그림 18>은 빔 품질이 다른 레이저를 실제 용접에 적용 한 결과를 나타낸다.

따라서 초점을 작고 깊 게 하기 위해서는 빔 품질이 좋은 레이저를 선택해야 한다. 2.

프로세스 파이버가 손상을 받았을 경우, 커 그림 17. 고출력 레이저의 빔 특성 비교 도 면에서 비교를 허용하지 않을 정도로 빠르다. 1.3.

4 2. 파이버 레이저의 특징 및 장점-재료가공 관점에서 2.1 성능 레이저 빔의 품질을 정의하기 위해 BPP( Beam Parameter Product : 빔 품질을 나타내는 척도로 BPP가 낮을수록 빔 품질이 좋다.)가 사용된다. <그림 17>와 같이 그림 16. 고출력 파이버 레이저 (4k~50kW) 파이버 레이저는 월등한 빔 품질을 나타내기 때문에 실제 가공에서 생산성과 유연성을 갖는다. 빔 품질은 가공에서 초점 크기와 깊이에 직접적인 영향을 보이며 가공 효율을 결정한다. 빔 품질이 레이저 가공 효율을 결정하며, 빔 품 질이 뛰어난 파이버 레이저가 용접, 절단 등의 가공에서 유 리하다. <그림 18>은 빔 품질이 다른 레이저를 실제 용접에 적용 한 결과를 나타낸다. 빔 품질이 좋은 파이버 레이저는 초점 크기가 작고, 용접의 깊이가 크다. 따라서 초점을 작고 깊 게 하기 위해서는 빔 품질이 좋은 레이저를 선택해야 한다. 2.2 유연성 <그림 19>과 같이 파이버 커플러를 사용함으로써, 피딩 파이버를 보호하고 실제 작업에서는 프로세스 파이버를 사용하게 된다. 프로세스 파이버가 손상을 받았을 경우, 커 그림 17. 고출력 레이저의 빔 특성 비교 도 면에서 비교를 허용하지 않을 정도로 빠르다 고출력 멀티모드 파이버레이저 그림 18. 빔 품질에 따른 용접 결과 <그림 16>은 고출력 멀티모드 파이버 레이저의 구성을 나타내고 있다. 필요한 파워만큼 모듈을 증설하여 직렬로 연결하여 사용하고 있는 구조이다. 각 모듈에서 나온 레이 저는 컴바이너(combiner)를 통해 하나의 피딩(Feeding)파 이버로 모아져서 출력된다. 이러한 피딩 파이버는 최종적 으로 각 가공에 맞게 설계된 용접헤드 또는 절단 헤드와 연 결하여 가공하게 된다. 또한, 한 대의 레이저로 다양한 가 공을 필요로 하는 경우나, 작업 거리가 비교적 멀리 떨어져 있는 경우 최대 200m까지 사용가능하다. 그림 19. 파이버 커플러를 사용한 예 14권2호 광학과 기술

특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 22. 파이버 레이저의 유지 보수 항목 그림 20. 빔 스위치를 사용한 예 2.4 유지 보수 IPG 파이버 레이저는 유지 보수가 필요 없는 개념으로 설계 되어, <그림 22>와 같은 최소의 항목을 갖는다. 파이 버 레이저는 여러 개의 모듈로 구성되어 있다.

로봇등과 같은 동적인 환경에서 사용되기 때문 에 프로세스 파이버가 손상을 입을 수 있다. 정렬이 필요 없는 구조의 광 커플러와 파이버를 사용하기 때문에, 예비 파이버로 쉽고 빠르게 교체할 수 있다.

실제 3. Fiber Laser 시장 동향 작업에는 프로세스 파이버가 사용되므로, 손상을 받았을 경우 손실 없이 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 2009년의 세계적인 경기 불황은 레이저산업을 비켜가지 않았다. 2009년 재료가공 분야 레이저 판매 실적을 보면 2.3 경제성 전년도에 비해 판매량이 43% 감소되었고 레이저 시스템 의 경우 45% 감소하였다.

5 특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 그림 22. 파이버 레이저의 유지 보수 항목 그림 20. 빔 스위치를 사용한 예 2.4 유지 보수 IPG 파이버 레이저는 유지 보수가 필요 없는 개념으로 설계 되어, <그림 22>와 같은 최소의 항목을 갖는다. 파이 버 레이저는 여러 개의 모듈로 구성되어 있다. 특정 모듈의 고장 발생시, 예비 모듈로 자동적으로 교체되기 때문에 레 이저 출력저하 없이 장비를 사용할 수 있다. 수리는 장비 휴식 중 모듈을 점검하고 필요에 따라 새로운 모듈로 교체 그림 21. 레이저 유지 보수 비용 비교 플링 손실 없이 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 할 수 있다. 로봇등과 같은 동적인 환경에서 사용되기 때문 에 프로세스 파이버가 손상을 입을 수 있다. 정렬이 필요 없는 구조의 광 커플러와 파이버를 사용하기 때문에, 예비 파이버로 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 파이버 레이저는 사 <그림 20> 같이 빔 스위치를 사용함으로써, 피딩 파이버 를 보호하고 빔 스위치에 의해 레이저의 사용 듀티를 증가 이즈가 작기 때문에 레이저 자체의 고장일 경우 백업 레이 저를 보유하고 있다가 대체할 수 있는 장점이 있다. 시켜 작업 속도를 향상 시킬 수 있고 한 대의 레이저로 다 양한 가공을 한꺼번에 진행 할 수 있는 이점이 있다. 실제 3. Fiber Laser 시장 동향 작업에는 프로세스 파이버가 사용되므로, 손상을 받았을 경우 손실 없이 쉽고 빠르게 교체할 수 있다. 2009년의 세계적인 경기 불황은 레이저산업을 비켜가지 않았다. 2009년 재료가공 분야 레이저 판매 실적을 보면 2.3 경제성 전년도에 비해 판매량이 43% 감소되었고 레이저 시스템 의 경우 45% 감소하였다. 반면에 Fiber Laser 는 21%의 파이버 레이저는 소모품이 없는 구조로 설계되었기 때문 감소를 기록했다. 2010에는 경기가 다소 회복되고 있다는 에 전기료 등과 같은 최소의 부대비용이 발생한다. 소모품 조심스런 예측과 함께 레이저산업 전반에 걸쳐15% 성장을 이 발생하지 않고, 30% 이상의 효율(Wall Plug 예측하고 있으나, 2008년 수준과는 거리가 먼 것을 알 수 Efficiency)을 보장하기 때문에 전기료가 적고, 크기가 작 있다. 재료가공 분야에서 Fiber Laser 점유율은 2008년 기 때문에 공간적 이점이 있으며, 10만 시간 이상의 다이오 7%에서 2009년 9.5% 로 증가하였고, 반면 IPG 드 수명을 갖고 있고, 유지 보수가 필요 없는 개념으로 설 Photonics 가 재료가공 분야에서 점유율이 다소 하락하였 계되었기 때문에 최소의 비용으로 운영할 수 있는 장점이 다(2008년 89%에서 2009년 85%). 있다. April 2010

. [1] Andreas Tünnermann : High repetition rate short pulse fiber lasers and amplifiers: Fundamentals and perspectives. 5th international workshop on fiber lasers. Dresden, 2009. [2] Dr. V.

6 . [1] Andreas Tünnermann : High repetition rate short pulse fiber lasers and amplifiers: Fundamentals and perspectives. 5th international workshop on fiber lasers. Dresden, [2] Dr. V. Gapontsev, V. Fomin, N. Platonov, V. Ivshin, O. Shkurikhin, M. O'Connor : Power Scaling of Fiber Lasers. SPIE Photonics West [3] Matthias Lüutke et al. : Recent Developments in Remote-Cutting. 5 th International Workshop on Fiber Lasers. Dresden, Sep 30 - Oct 01, 2009.,.,,,,,,,,.,,.. Fiber Laser 33

12권2호내지합침

12권2호내지합침 14 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 15 16 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 17 18 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 19 20 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 21 22 OPTICAL