블루 레이저와 산업 및 과학 분야의 응용 분야

블루 레이저는 육안으로 보라색 또는 파란색으로 보이는 400nm에서 500nm 사이의 파장 범위에서 광선을 방출하는 장치입니다. 생성된 광선은 시간적으로 일관되고 시준이 잘 이루어질 수 있어 산업 및 과학 분야에서 다양하게 응용할 수 있습니다. 다양한 청색 레이저의 특성은 주로 다양한 이득 매체와 그 특성에 의해 결정됩니다. 블루 레이저라는 용어는 다음 중 하나를 지칭할 수 있습니다:

1. 산업, 과학 및 취미용 레이저 모듈인 소형 고출력 400-500nm 파장 레이저 헤드. 크기 고려 사항 외에도 표준 레이저 모듈과의 또 다른 주요 차이점은 레이저 헤드가 긴 수명을 유지하면서 집중된 빔 스팟에서 가장 높은 출력 밀도를 달성하도록 설계되었다는 것입니다.
2. 400-500nm 파장 레이저 모듈은 레이저 헤드보다 크기가 더 크지만, 레이저 헤드를 단순히 레이저 모듈이라고 부르기도 합니다.
3. 400-500nm 파장 레이저 다이오드. 가장 널리 사용되는 청색 레이저 다이오드는 405nm, 445nm, 447nm, 450nm 파장의 빔을 방출하는 다이오드입니다.

블루 레이저는 원래 실험실의 호기심으로 생겨났으며 헬륨-카드뮴, 아르곤 또는 크립톤 가스를 기반으로 했습니다. 그 당시 약 1992년 당시 청색 레이저는 열의 형태로 1킬로와트의 에너지를 생성하면서 130mW의 광출력만 방출할 수 있었습니다. 하지만 에지 방출 청색 반도체 레이저 다이오드의 혁신으로 상황이 바뀌었습니다. 얼마 지나지 않아(약 2000년) 청색 레이저가 전기적-광학적 전력 변환에 유리하다는 것이 분명해졌습니다.

블루레이 기술과 고출력 프로젝터의 등장으로 블루 레이저 다이오드를 위한 최초의 주요 시장이 탄생했습니다. 이로 인해 새롭고 개선된 품종의 개발이 가속화되었습니다. 블루 레이저는 이온 레이저, 염료 레이저, 반도체 레이저 다이오드, 다이오드 펌프 고체 레이저[DPSS] 등 다양한 종류의 레이저로 구현할 수 있지만, 현재 시장에서 점점 더 각광받고 있는 것은 반도체 블루 레이저 다이오드입니다. 이러한 인기 급상승은 블루 레이저 다이오드의 균일하게 우수한 전기 대 광학 효율, 작은 크기, 높은 작동 온도 및 수명에 기인합니다.

청색 레이저 다이오드의 전기 대 광학 효율은 상온에서 약 30%, 최대 39%까지 높은 편입니다. 반면에 산업용 Yb:YAG 박판 레이저를 펌핑하는 데 사용되는 940nm 레이저 다이오드는 일반적으로 전기 대 광학 효율이 46% 범위입니다. 후속 광학 대 광학 변환 프로세스인 Yb:YAG 박판 레이저 펌핑은 최대 77%의 광학 대 광학 효율에 도달하지만, 일반적인 광학 변환은 약 41%입니다. 따라서 Yb-YAG 박판 레이저 기반 모듈의 전체 전기-광학 변환 효율은 18,8%(일반)에서 최대 35.4%(실험실)에 이릅니다. 이는 청색 레이저로 달성할 수 있는 것보다 열등합니다.

Yb:YAG 레이저는 일반적으로 1030nm 및 1050nm의 적외선 영역에서 높은 빔 품질로 1kW 이상의 회절 제한 출력, 그리고 회절 제한이 없는 빔 품질로 더 높은 출력을 제공합니다. 그럼에도 불구하고 청색 레이저와 달리 Yb:YAG 레이저는 부피가 크고 비용이 많이 듭니다.

많은 애플리케이션에서 파이버 레이저나 CO2 레이저와 같은 특정 적외선 레이저 대신 청색 레이저를 통합하는 것이 유리합니다. 파이버 레이저는 BPP(빔 파라미터 제품)가 낮기 때문에 멀티모드 블루 다이오드 레이저보다 실제로 더 작은 스폿 크기로 초점을 맞출 수 있지만, 더 큰 냉각 시스템이 필요합니다. 또한, 예를 들어 구리와 같은 다양한 금속을 효율적으로 처리할 수 없습니다. 구리는 상온에서 입사하는 1.064µm IR 광선의 5%, 입사하는 10.6µm IR 광선의 1% 미만을 흡수하지만 입사하는 450nm 청색 레이저 빔의 65%를 흡수합니다. 반면 구리는 CO2 레이저의 낮은 가격 대비 전력 비율에도 불구하고 CO2 레이저 광의 1% 미만을 흡수합니다. 또한 CO2 레이저는 약 7.5%의 매우 낮은 전기-광학 전력 변환을 가지고 있습니다. 이 때문에 30W 광출력 CO2 레이저의 경우 구리에 흡수되는 광출력은 0.3W 미만에 불과합니다(심지어 가공할 수조차 없습니다). 동시에 30W 광출력 CO2 레이저 장치는 약 400W의 전력을 소비하므로 더 높은 전기 요금이라는 숨겨진 비용이 발생합니다. CO2 레이저 장치에 비해 청색 레이저는 빔 웨이스트가 더 작기 때문에 사용자가 더 높은 정밀도를 달성하고 더 넓은 범위의 재료를 처리할 수 있습니다. 옵트론 레이저의 블루 레이저 다이오드 모듈과 레이저 헤드는 높은 신뢰성과 낮은 전력 소비를 제공하며 금속을 포함한 다양한 재료를 가공할 수 있기 때문에 대체 솔루션보다 우수한 선택이 되는 경우가 많습니다.

최신 청색 레이저 다이오드 모듈은 일반적으로 다양한 이득 매체가 포함된 청색 반도체 레이저 다이오드를 기반으로 합니다. 선택한 이득 매체에 따라 생성되는 광선의 특성이 결정됩니다. 모든 청색 레이저 다이오드는 서로 다른 특성을 가지고 있습니다. 여기에는 출력, 파장, 수명, 작동 온도, 초점을 맞출 수 있는 크기, 효율 등이 포함됩니다. 설계 시 다른 기술적 고려 사항도 중요합니다.

예를 들어, Opt Lasers의 레이저 헤드에 사용되는 GaN 기판(445~450nm 대역의 레이저)을 가진 InGaN 레이저 다이오드는 매우 유용한 청색 레이저 유형입니다. 그 이유는 컴팩트한 크기, 뛰어난 비용 효율성, 광범위한 애플리케이션, 85~90°C의 높은 작동 온도(블루 레이저 다이오드는 일반적으로 최대 60°C까지 최대 출력으로 레이저를 발사할 수 있음), 그리고 지속적으로 개선되는 성능 때문이죠.

질화 갈륨(GaN)은 우르츠자이트 결정 구조를 가진 2진 III/V 직접 밴드갭 반도체로, 높은 열 용량과 열 전도성으로 인해 레이저 다이오드 기판으로 매우 적합합니다. 그러나 GaN 기반 레이저 다이오드 생산 공정은 온도 민감도, 정공 이동도, 3.42V의 높은 밴드갭으로 인해 어려움이 있을 수 있습니다. 오늘날 상업적으로 생산되는 청색 레이저 다이오드는 GaN 층으로 코팅된 사파이어 표면을 사용합니다.

현재(2021년 7월 기준) 단일 청색 레이저 다이오드는 최대 6W의 장수명 출력을 달성할 수 있으며, 이러한 다이오드의 첫 번째 예는 Nichia의 NUBM44입니다. 최근에는 여러 회사에서 5W 이상의 출력을 가진 블루 레이저 다이오드를 개발하여 상용화했습니다. Opt Lasers의 현재 6W 레이저 다이오드는 20,000시간의 작동 수명을 자랑하며 시중에 출시된 블루 레이저 다이오드 중 지속 사용 가능한 최고 출력의 레이저 다이오드입니다.

블루 레이저 다이오드는 수명에 큰 영향을 주지 않고 높은 작동 온도를 가질 수 있습니다. 이는 부분적으로 높은 접합 온도(~130℃)에 기인하며, 이로 인해 더 좁은 릿지가 가능하여 밝기가 더 높고 빔이 더 촘촘하게 집중될 수 있습니다. 또한 고출력 블루 레이저 다이오드가 과잉 구동 없이 달성할 수 있는 출력 전력은 다른 레이저 다이오드에 비해 훨씬 높습니다. 이 외에도 블루 레이저는 근적외선 및 적외선 레이저보다 더 작은 스팟 크기로 초점을 맞출 수 있는데, 이는 블루 레이저 빔의 파장이 더 짧기 때문입니다. 블루 레이저가 더 작은 스팟에 초점을 맞출 수 있는 또 다른 요인은 빔 파라미터 곱(BPP)인데, 블루 레이저 헤드의 BPP는 CO2 레이저의 BPP보다 2~20배 작기 때문입니다. 마지막으로 블루레이, 자동차 및 프로젝터 산업에서 블루 레이저 다이오드의 붐 덕분에 최근 세대의 블루 레이저 다이오드는 놀라울 정도로 저렴하고 비용 효율성이 높아졌습니다. 그 결과 블루 레이저는 견고성, 신뢰성, 비용 효율성 및 높은 출력 전력 밀도로 잘 알려져 있습니다.

멀티모드 블루 레이저 다이오드의 이미터는 빠른(수직) 축에서는 단일 모드 특성을, 느린(수평) 축에서는 멀티모드 특성을 갖는다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 그 결과 초점에서 빔이 약간 비대칭인 직사각형 타원형 모양을 띠게 됩니다. 또한 한 축의 발산은 다른 축보다 몇 배 더 높습니다. 따라서 모든 축을 개별적으로 분석하고 설계해야 하므로 청색 레이저 시스템의 엔지니어링이 어려울 수 있습니다. 또한 더 복잡한 시스템에서는 올바른 레이저 다이오드와 기타 구성 요소를 선택해야 하므로, 저희 팀이 모든 질문에 답해 드리며 5주 이내에 원하는 맞춤형 과학 레이저 또는 산업용 레이저를 제작할 수도 있습니다.

궁극적으로 블루 레이저의 가장 큰 장점은 금속이 블루 레이저 빔을 효율적으로 흡수한다는 것입니다. 즉, 모든 재료를 가공할 수 있는 범용 레이저가 있다는 뜻입니다. 또한 블루 레이저 헤드는 총 출력은 낮지만 CO2 레이저보다 훨씬 높은 출력 밀도를 자랑합니다. 또한 블루 레이저 빔은 가스 레이저보다 1차원적으로 작지만 빔을 훨씬 더 효과적으로 사용할 수 있습니다. 이는 블루 레이저 빔의 높은 출력 밀도와 높은 흡수율의 결과로 발생합니다. 이는 많은 조각 응용 분야의 경우 상당한 이점입니다. 축의 선택에 따라 각인 윤곽선을 90도 회전하면 더 넓은 각인 또는 더 깊고 좁은 각인을 얻을 수 있습니다. 블루 레이저는 티타늄, 구리, 금과 같은 다양한 소재는 물론 목재나 가죽과 같은 기타 소재도 효과적으로 가공할 수 있습니다.

위의 그래프에서 볼 수 있듯이 445nm(0.445µm) 블루 레이저 빔은 Nd:YAG(1064nm), CO2(10600nm), 파이버(일반적으로 1030 - 2050nm) 레이저보다 금속 흡수율이 훨씬 더 높습니다. 동시에 싱글 모드 블루 레이저는 50% 더 높은 출력 밀도를 달성할 수 있습니다. 즉, 블루 레이저는 CO2 및 Nd:YAG 레이저에 비해 동일한 출력 수준에서 조명된 물질에 몇 배에서 거의 20배까지 더 많은 에너지를 방출할 수 있습니다.

청색 레이저 빔의 출력은 그 사이에 비구면 렌즈가 있는 광섬유에 결합될 수도 있습니다. 이러한 종류의 시스템을 광섬유 결합(또는 광섬유 통합) 다이오드 레이저라고 하며, 다른 솔루션에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

1. 파이버 결합 다이오드 레이저는 빔 웨이스트 품질이 우수합니다. 청색 레이저 빔 웨이스트는 대칭적이고 균일하며 원형입니다.
2. 광섬유는 많은 CNC 기계에 쉽게 설치할 수 있습니다.
3. 광섬유는 가볍기 때문에 CNC 기계의 고속 작동을 저해하지 않습니다.

따라서 광섬유 결합 블루 레이저 시스템은 레이저 절단 및 레이저 조각과 같은 재료 가공 기술에 흥미로운 옵션이 됩니다.

과학 및 산업 분야에서의 응용

포토닉스에서 블루 레이저를 응용하는 관점에서 볼 때, 블루 레이저는 실용적인 출력 범위와 고주파 제어 전류로 쉽게 변조할 수 있기 때문에 매우 편리한 장치입니다. 블루 레이저의 응용 분야에는 무엇보다도 고체 레이저, 양자점 또는 단일 양자 발광체(SQE) 펌핑, 레이저 현미경, 분광학, 표면 스캐닝, 레이저 인쇄, 센서 및 펌핑 RBG 소스(예: 형광체) 등이 포함됩니다. 예를 들어, 청색 레이저 센서는 파장이 짧아 고광택 표면에서 더 잘 작동하기 때문에 유리합니다. 반면 적색광은 이러한 표면에 의해 왜곡되어 '얼룩' 효과가 발생합니다. 이로 인해 감지기에 신호 노이즈가 발생하여 측정 정확도가 낮아집니다. 반면 청색 레이저 센서는 눈에 띄게 적은 양의 얼룩으로 매우 효율적인 성능을 발휘할 수 있습니다. 따라서 청색 레이저를 사용하면 적색 레이저 센서에 비해 일반적으로 2~3배 정도 노이즈 레벨이 낮아집니다.

또한 블루 레이저는 섬유 산업에서 면, 폴리에스테르, 비스코스, 펠트, 플리스, 가죽, 실내 장식, 유리섬유 직물 등의 직물을 빠르게 재단하고 장식하며 맞춤화하는 데에도 사용할 수 있습니다. 또한 블루 레이저는 레이저 쇼를 위한 탁월하고 매혹적인 선택이 될 수 있습니다.

의학 분야에서도 블루 레이저를 광범위하게 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 수술 중 인체에 삽입되는 티타늄 원소의 대부분은 블루 레이저로 표시되어 있습니다. 또한 블루 레이저는 형광 현미경 검사에서 광원으로 사용됩니다.

또한 재료 가열, 절단 및 용접과 같은 산업 응용 분야에서는 우수한 전력 흡수의 이점을 누릴 수 있습니다. 티타늄, 구리 또는 금과 같은 재료는 청색 레이저에서 약 65~80%의 에너지를 흡수할 수 있습니다. 이는 용접의 경우 특히 유용한데, 적외선 레이저의 낮은 흡수율(5%)은 가공된 금속 덩어리 전체에 결함의 양을 증가시킬 수 있기 때문입니다. 반대로 청색 레이저는 얇은 금속을 결함이 거의 또는 전혀 없이 빠르고 안정적으로 접합해야 하는 상황에 매우 적합합니다. 또한 블루 레이저 빔 흡수율이 높기 때문에 레이저 금속 증착 및 분말 베드 성장 방법 모두에서 적층 제조의 조립 속도를 높일 수 있습니다. 이는 사용되는 재료에 따라 다르지만, 블루 레이저를 채택하면 속도가 3배에서 10배까지 빨라질 수 있습니다. 그 외에도 청색 레이저의 작은 초점 스폿 크기는 두 가지 추가적인 이점을 제공합니다. 우선, 세트 광학 시스템의 경우 450nm 광선의 빔 웨이스트는 1080nm 빔의 빔 웨이스트에 비해 절반 이하입니다. 따라서 청색 레이저 빔을 사용하면 완제품의 피처 스케일링 능력, 해상도 및 정밀도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 적외선 빔으로 가능한 동일한 해상도를 적용할 경우 블루 레이저는 동일한 해상도를 제공하지만 4배 더 넓은 영역에 적용할 수 있습니다. 분명한 것은 제조 품질과 처리 속도를 크게 향상시킬 수 있다는 점입니다.

전반적으로 블루 레이저 시스템은 다양한 실제 응용 분야에서 큰 인기를 얻고 있습니다. 견고하고 안정적이며 시간 효율적이고 비용 효율적이며, 그 예로 PLH3D-XT-50 레이저 헤드 또는 µSpot 렌즈 업그레이드가 포함된 PLH3D-6W-XF+ 레이저 헤드가 있습니다:

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PLH3D-XT-50

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• 매뉴얼 포함 Plug & Play 키트

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• 초고속 조각 및 심층 절단에 최적
• 목재 조각 속도 350 mm/s (827 inch/min)
• 합판 절단 속도 22.5 mm/s (53.1 inch/min)
• 매뉴얼 포함 Plug & Play 키트

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PLH3D-XF+

입문형 솔루션

• 광학 출력 6 W
• 표준 85 DPI – 스폿 300 μm
• 최대 다중 패스 목재 절단: 3 mm (⅛")
• 취미용 및 소규모 크리에이티브 프로젝트에 적합
• 매뉴얼 포함 Plug & Play 키트

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