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고출력 광섬유 레이저 용접의 초기 연구

전문가 제언: ○ 광섬유 레이저의 효시는 광섬유의 실리카 코어에 Er을 첨가한 광섬유 증폭기(EDFA)가 레이저 다이오드의 여기광원을 사용한 저출력의 광통신용이었다. 첨가제로 Er 대신에 Yb가 사용되어 벽 플러그 효율은 최대 20%에 달해 기존의 CO2 레이저나 Nd: YAG 레이저보다 높다.

○ 상업용으로 최대 17kW의 고출력을 가지며, 2kW 광섬유 레이저는 4mm 두께의 아연도금 강판을 분당 10~16m의 속도로 깨끗하게 절단한다. 개별 출력은 100W로 낮으나 용도에 맞추어 증가시킨다. 광 집속 능력이 양호하고 BPP가 CO2 가스레이저보다는 크나 Nd:YAG 레이저 수준 이하로 우수한 빔 품질을 가진다. 1kW까지 장치의 제조원가가 Nd:YAG 레이저와 견줄 만하고 이 이상에서도 유지보수비 등을 고려한 총괄원가는 Nd:YAG 보다 낮다고 한다.

○ 고출력 광섬유 레이저의 주 응용은 강철과 같은 금속의 용접과 절단이다. 종래의 파장 10.6㎛의 CO2 레이저와 파장 1.06㎛의 Nd: YAG 레이저 시장을 파장 약 1.07㎛의 Yb 첨가 코어의 광섬유 레이저가 대체해 나갈 전망이다. 파장이 짧아 CO2 레이저보다는 Al을 비롯한 대부분의 금속에 흡수가 잘되고 점유면적이 적고 초점이 적으며 수명이 긴 장점덕분이다. 표시용이나 스테인리스강 박막의 고속 마이크로 용접분야에서도 경쟁력이 있다.

○ 광섬유 레이저는 예상보다 기술발전이 빨라 미국의 IPG Photonics사가 세계의 선두주자로 10kW CW(연속파형)를 상업화하였다. 광섬유 레이저는 2010년 28억불의 세계 산업용 레이저 시장의 1/4을 점유하여 연평균 성장률 35%가 예상되는 고속성장 산업을 만든다는 보고가 있다.

○ 여기 광을 넣기 위한 이중 클래드 광섬유의 고분자 외부 클래드는 내부 클래딩의 NA(개구수)를 제한하고 화재 위험이 있어 많은 규칙적 기공(氣孔)의 클래딩을 가진 1.5kW CW를 실현한 광자결정 광섬유 레이저가 나날이 발전하고 있다. 2kW의 출력이 시현되고 더 콤팩트하고 효율이 높아 6kW까지 개발이 보고된 반도체 레이저 기술도 유망하다.

저자: L.Quintino et al.
자료유형: 학술정보