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레이저 마킹용 10W 광섬유 레이저

전문가 제언: ○ 오늘날의 광정보통신 시대를 가능케 한 기술에는 여러 핵심기술이 있으나 광섬유 내 실리카 코어에 희토류 원소의 어븀(Er)을 첨가한 광섬유증폭기(EDFA)와 이의 여기광원인 레이저 다이오드(LD)의 공헌이 컸다.

○ 이러한 광섬유 레이저는 레이저 다이오드의 여기광과 광섬유의 증폭용 매체 사이에 결합효율이 우수하여 에너지 사용효율이 높다. 그러나 고출력이 되면 광섬유의 좁은 단면적으로 인해 광학 손상이 문제로 된다. 대책에는 많은 기술이 있으나 본문에서는 일본의 전선회사인 Fujikura사의 광섬유 구조개선과 첨가제 개선에 의한 최신 기술이 설명되었다.

○ 시드광 도파로인 첨가제를 도입한 코어 주위에 굴절률이 낮은 내부 클래딩의 단면적을 크게 하여 여기광 입사로 발진시켜 출력밀도를 낮추어 손상을 줄인다. 이 위 외부 클래딩의 굴절률은 더 낮추어 빛을 가두며 플라스틱 보호층을 갖는 2중 클래딩의 단일모드 광섬유가 개발되었다. 코어 단면적을 키우는 것은 다중모드화가 되므로 피한 것이다.

○ Er 대신에 이테르븀(Yb)을 첨가한 2중 클래딩 광섬유는 실리카 코어에 더 많이 첨가할 수 있고 빛 발산 효율이 더 우수한 Yb 사용으로, 피크 출력 5.6kW, 평균출력 14W, 초점직경 15㎛ 그리고 빔 품질(M2)이 1.1인 단일모드 광섬유 레이저의 개발을 가져왔다. 9개의 여기광을 동시 입사시키는 독특한 여기광 결합기의 고안도 고출력에 공헌하였다.

○ 개발된 2중 클래딩 Yb 첨가 광섬유는 Nd:YAG 레이저의 1/4의 초점직경으로 수십 배 좁은 선폭으로 인쇄가 가능한 고출력 광섬유 레이저로 레이저 마킹에 최적이다. 이외에도 벽 플러그 효율이 훨씬 우수하고 더 경량이며 부피가 작아 재료가공, 기계가공에서 기존 Nd: YAG 레이저를 능가하고 있다. 금속, 반도체 그리고 고분자 재료에 적용가능하다.

○ 광섬유 레이저는 절단, 용접과 같은 고출력 응용에서 활발한 발전으로 2010년 세계 산업용 레이저 시장의 1/4을 점할 예상이다. 10kW 연속파형을 상업화한 미국의 IPG Photonics사가 세계의 선두주자로 국내에도 진출해 있다. 광섬유의 산업계 전반으로의 끝없는 발전이 돋보인다.

저자: Shoji Tanigawa et al
자료유형: 학술정보