엔지니어링 프론티어: 밝기 저하 없는 전력 확장

산업용 레이저 부문에서 더 높은 출력에 대한 수요는 일정하지만 출력만으로는 만족할 수 없습니다. 제조업체의 진정한 과제는 단일 이미터에서 고출력 레이저로 확장할 때 공간 밝기를 보존하는 것입니다. 멀티 모드 광섬유 결합 레이저 모듈. 단일 광케이블에 더 많은 다이오드 칩을 집적하면 필연적으로 빔 파라미터 제품(BPP)의 제약에 직면하게 됩니다. 통합 시스템의 BPP가 전송 광케이블의 수용 용량을 초과하면 초과 에너지가 열로 변환되어 광학 코팅과 광케이블 클래딩이 빠르게 저하됩니다.

확장 광섬유 결합 레이저 이미터의 기계적 “스태킹” 그 이상을 필요로 합니다. 여기에는 광 경로 길이 관리, 편광 상태 제어 및 스펙트럼 밀도에 대한 결정론적 접근 방식이 포함됩니다. 이 문서에서는 공간, 편광 및 스펙트럼과 같은 정교한 결합 기술을 통해 현대의 광섬유 결합 다이오드 레이저 시스템으로 정밀 재료 가공에 필요한 집중력을 유지하면서 킬로와트 수준에 도달할 수 있습니다.

공간적 제약: 스텝 미러 및 BPP 관리

모든 광역 지역 레이저 다이오드 (BAL)은 특징적인 비대칭성을 가지고 있습니다. 빠른 축(수직)은 회절 제한에 가까운 반면, 느린 축(수평)은 다중 모드가 많습니다. 에서 광섬유 결합 레이저 다이오드, 내부 마이크로 광학의 주요 목표는 이러한 발산 빔을 광섬유의 원형 코어와 일치하는 대칭 묶음으로 재구성하는 것입니다.

스텝 미러 아키텍처

여러 개의 단일 이미터를 공간적으로 결합하기 위해 엔지니어는 “스텝 미러” 또는 “계단” 배열을 활용합니다. 각 이미터의 빔은 개별 고속축 콜리메이터(FAC)와 저속축 콜리메이터(SAC)로 콜리메이트됩니다. 이렇게 조준된 빔은 빔을 수직으로 “스택”하는 일련의 정밀한 각도의 거울에 의해 반사됩니다.

이 스태킹의 정밀도는 매우 중요합니다. 쌓인 빔 사이에 간격이 있으면 BPP가 낭비되고, 겹치면 밝기가 손실됩니다. 고품질 멀티 모드 광섬유 결합 레이저 모듈 설계는 로봇 능동 정렬을 사용하여 빔 사이의 “데드 스페이스”를 5마이크로미터 미만으로 최소화합니다. 이 밀도는 200W 모듈을 0.15 NA의 105마이크로미터 광섬유에 결합할 수 있는 수준으로, 표준 산업용 광섬유의 0.22 NA 제한에 비해 상당한 안전 여유를 제공합니다.

편광 및 스펙트럼 결합: 밀도 두 배로 늘리기

공간적 적층이 광섬유 코어 직경의 물리적 한계에 도달하면 제조업체는 빛의 다른 특성인 편광과 파장에 주목해야 합니다.

편광 빔 결합(PBC)

레이저 다이오드가 자연적으로 편광된 빛을 방출한다는 사실(일반적으로 TE 모드)을 활용하여 공간적으로 쌓인 두 개의 동일한 빔 세트를 결합할 수 있습니다. 한 세트는 반파 플레이트를 통과하여 편광을 90도 회전시킵니다. 그런 다음 두 세트 모두 편광 빔 스플리터(PBS)로 보내집니다. 이를 통해 모듈의 출력 전력을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 광섬유 결합 레이저 공간이나 BPP를 늘리지 않고도 가능합니다.

그러나 PBC는 열 감도를 도입합니다. PBS와 웨이브플레이트에는 초저흡수 코팅(5ppm 미만)이 있어야 합니다. 이러한 구성 요소에 열이 흡수되면 “열 렌즈”가 발생하여 빔의 초점이 이동하고 광선로의 결합 효율이 저하될 수 있습니다.

스펙트럼 빔 결합(SBC) 및 WDM

스펙트럼 결합은 표적 물질의 다양한 흡수 피크 또는 파이버 레이저의 이득 매체를 활용합니다. 이색 필터(파장 분할 다중화)를 사용하여 915nm, 940nm 및 976nm 소스를 단일 파이버로 결합하면 다음과 같은 이점이 있습니다. 광섬유 결합 다이오드 레이저 는 전례 없는 전력 수준을 달성할 수 있습니다. 이 기술은 중량 대 전력 비율이 엄격하게 규제되는 방위 및 항공우주 분야의 고출력 펌핑에 필수적입니다.

재료 무결성: 솔더 선택부터 광학 피드백 보호까지

수명은 멀티 모드 광섬유 결합 레이저 모듈 는 레이저가 처음 발사되기 훨씬 전에 어셈블리 클린룸에서 결정되는 경우가 많습니다. 반도체 칩에서 방열판으로의 전환은 가장 중요한 열 인터페이스입니다.

AuSn 하드 솔더의 우수성

고출력 광섬유 결합 레이저 모듈에서 인듐(소프트) 땜납의 사용은 점점 더 신뢰성 위험으로 간주되고 있습니다. 인듐은 산업용 용접의 일반적인 고전류 사이클에서 “크리프”와 열 피로가 발생하기 쉽습니다. 시간이 지나면 납땜 이동으로 인해 칩이 물리적으로 기울어지는 “써멀 그륀'이 발생합니다. 전문가급 모듈은 금-주석(AuSn) 경납땜을 사용합니다. 이 경우 칩과 서브마운트 사이의 열팽창 차이로 인해 더 복잡한 응력 완화 구조가 필요하지만 50,000시간 이상 광학 정렬이 안정적으로 유지됩니다.

산업 공정에서 역반사 관리

어느 때 광섬유 결합 다이오드 레이저 구리나 금과 같은 반사성 금속을 용접하는 데 사용되는 경우, 레이저 에너지의 일부가 광섬유로 다시 반사됩니다. 보호 장치가 없으면 이 반사광이 내부 렌즈나 다이오드 면에 닿아 순간적인 고장을 일으킬 수 있습니다.

최신 모듈에는 “역반사 필터” 또는 이색 흡수기가 통합되어 있습니다. 이러한 구성 요소는 공정 파장(예: 915nm)을 흡수하거나 전환하면서 펌프 파장(예: 1080nm 또는 450nm)은 통과할 수 있도록 설계되었습니다. OEM의 경우 이 보호 기능을 포함하면 $5,000 레이저 모듈이 단순한 공작물 오정렬로 인해 파손되는 것을 방지하는 일종의 보험과 같은 역할을 합니다.

기술 사양 매트릭스: 파장별 커플링 동역학

의 요구 사항 광섬유 결합 레이저 는 주로 광자의 에너지와 반도체 재료의 효율로 인해 파장에 따라 크게 달라집니다.

사례 연구: 전기차 배터리 제조를 위한 고효율 구리 용접

고객 배경

전기 자동차(EV) 산업의 한 티어 1 공급업체는 기존의 1064nm 적외선 레이저를 사용하여 얇은 구리 버스바를 용접할 때 발생하는 “스패터'와 불안정성으로 인해 어려움을 겪고 있었습니다. 구리의 적외선 흡수율은 5% 미만으로 매우 높은 전력을 필요로 하기 때문에 종종 ”번스루“ 현상이 발생하거나 기계적 강도가 떨어졌습니다.

기술적 과제

고객은 구리 흡수율이 65%를 초과하는 450nm(청색) 레이저 소스로 전환해야 했습니다. 그러나 청색 다이오드 레이저는 높은 발산과 청색 광자의 높은 에너지로 인해 시간이 지남에 따라 표준 광학 코팅을 “태양화”시키거나 어둡게 만들 수 있기 때문에 작은 광섬유에 결합하기가 어렵기로 악명이 높습니다. 목표는 높은 안정성을 갖춘 200마이크로미터 광섬유를 통해 300W의 청색광을 전달하는 것이었습니다.

기술 파라미터 및 설정

• 레이저 소스: 450nm 멀티 모드 광섬유 결합 레이저 모듈.
• 내부 아키텍처: 24개의 단일 이미터를 공간적으로 결합합니다.
• 파이버 인터페이스: 200/220 um, 0.22 NA, 클래딩 모드 스트리퍼 포함.
• 작동 모드: 변조된 램핑이 있는 연속파(CW).
• 코팅 기술: 이온 빔 스퍼터링(IBS) 코팅으로 자외선에 의한 성능 저하를 방지합니다.

품질 관리(QC) 및 구현

장기적인 안정성을 보장하기 위해 모듈은 습도가 높은 환경에서 500시간의 “가속 노화” 테스트를 거쳤습니다. 광섬유 코어 내에서 빔의 움직임인 “스팟 포인팅 안정성”을 모니터링했습니다. 최종 초점 렌즈에 6축 Invar 안정화 마운트를 사용하여 포인팅 드리프트를 2마이크로미터 미만으로 유지함으로써 용접 부위의 전력 밀도가 일정하게 유지되도록 했습니다.

결론

450nm를 구현함으로써 광섬유 결합 다이오드 레이저, 고객은 IR 레이저의 일반적인 “키홀” 용접이 아닌 “전도 모드” 용접을 달성했습니다. 그 결과 스패터가 95% 감소하고 버스바 조인트의 전기 전도도가 증가했습니다. 이 시스템은 현재 14개월 동안 전력 저하 없이 작동하고 있으며, 광학이 높은 광자 에너지를 위해 설계된 경우 고급 청색 파장 결합이 실행 가능한 산업 솔루션임을 입증했습니다.

경제적 신뢰: “와트당 달러”에서 “부품당 달러”로의 전환”

위험 부담이 큰 OEM 제조 세계에서는 광섬유 결합 레이저 는 종종 잘못된 렌즈를 통해 평가됩니다. 모듈이 20% 더 저렴하지만 고장률이 10% 더 높거나 유지보수가 더 자주 필요한 경우 “와트당 달러” 지표는 의미가 없습니다.

진단 피드백의 가치

이제 정교한 모듈에는 내부 센서가 포함됩니다:

1. 습도: 내부 광학 장치를 흐리게 할 수 있는 잠재적 응결 감지.
2. 백 리플렉션 강도: 배달 섬유의 실시간 “상태 점수'를 제공합니다.
3. 케이스 온도: 방열판이 의도한 대로 작동하는지 확인합니다.

이러한 수준의 투명성을 제공하는 제조업체는 단순히 광원을 판매하는 것이 아니라 “예측 가능한 가동 시간”을 판매하는 것입니다. 시스템 통합업체의 경우, 고객에게 레이저 모듈에 유지보수가 필요하다는 것을 알려줄 수 있는 능력이 있어야 합니다. 전에 실패하는 것이 궁극적인 경쟁 우위입니다.

미래 전망: 3D 프린팅 및 다이렉트 다이오드 발전

다음 단계의 도전 과제는 멀티 모드 광섬유 결합 레이저 모듈 는 반응성 금속의 적층 제조(3D 프린팅)입니다. 청색 및 녹색 광섬유 결합 다이오드의 밝기가 확장됨에 따라 고가의 광섬유 레이저에서 “다이렉트 다이오드” 시스템으로 전환될 것입니다. 이러한 시스템은 업계가 BPP 관리 및 열 안정성의 한계를 계속 확장할 수 있다면 더 높은 월 플러그 효율과 더 작은 설치 공간을 제공합니다.

FAQ: 전문 기술 상담

Q1: 멀티 모드 모듈에 “클래딩 모드 스트리퍼”(CMS)가 필요한 이유는 무엇인가요?

A: 고출력 광섬유 결합 레이저에서는 정렬이 잘못되거나 반사되는 모든 빛이 코어가 아닌 광섬유 클래딩으로 들어갑니다. 클래딩 빛은 코어 빛처럼 유도되지 않고 일반적으로 플라스틱인 보호 재킷을 통해 누출됩니다. 이 “불량” 빛을 안전하게 흡수하여 금속 방열판으로 방출하는 CMS가 없으면 광케이블 피그테일에 불이 붙게 됩니다.

Q2: “써멀 블루밍”은 광케이블 결합에 어떤 영향을 미치나요?

A: 열 블루밍은 내부 광학 장치 또는 레이저 다이오드 자체가 가열되어 굴절률이 변경되거나 기계적 마운트가 약간 팽창할 때 발생합니다. 이로 인해 빔의 발산이 증가합니다. 발산이 너무 많이 증가하면 빔이 광섬유 코어의 가장자리를 지나 “블룸'되어 결합 출력이 즉각적으로 떨어집니다.

Q3: 필요 이상으로 큰 광케이블 코어를 사용하면 이점이 있나요?

A: 105um에 들어갈 수 있는 모듈에 200um 광케이블을 사용하면 광케이블 면의 전력 밀도가 감소하여 커넥터의 수명이 늘어날 수 있습니다. 그러나 밝기도 감소합니다. 애플리케이션에 절단과 같이 매우 작고 강렬한 지점이 필요한 경우, 광케이블이 클수록 단점이 있습니다. 광역 가열 또는 클래딩만 하는 경우에는 더 큰 광케이블이 더 안전하고 견고한 선택입니다.

Q4: “파장 안정화” 펌핑의 영향은 무엇인가요?

A: 펌핑에 사용되는 광섬유 결합 다이오드 레이저에서 안정화(VBG를 통한)는 전력(전류)을 변경할 때 파장이 드리프트되지 않도록 보장합니다. 광섬유 레이저는 매우 특정한 파장(예: 976nm)에서만 흡수가 효율적이기 때문에 이 기능은 광섬유 레이저에 매우 중요합니다. 안정화가 없으면 펌프 출력을 높이면 파장이 드리프트하고 흡수가 떨어지며 시스템이 불안정해집니다.

Q5: 이 모듈을 100% 듀티 사이클에서 실행할 수 있나요?

A: 산업용 등급 다중 모드 광섬유 결합 레이저 모듈 장치는 냉각 시스템(냉각기 또는 방열판)이 지정된 범위(일반적으로 섭씨 20~30도) 내에서 베이스 플레이트 온도를 유지할 수 있는 경우 100% 듀티 사이클에서 연중무휴 24시간 작동하도록 설계되었습니다.