빔 익스팬더 특성 간의 비직관적인 밸런싱을 통해 집속 스폿 강도를 극대화하는 방법

저자: Jay Small

집속 빔을 사용하는 레이저 어플리케이션에서는 대개의 경우 집속 스폿 크기를 특정 공정에 충분한 출력 밀도로 얻는 것이 목표입니다. 빔 전달 시스템은 초기 레이저, 콜리메이터 스테이지 및 최종 집속 요소로 구성됩니다. 스폿 크기를 줄이기 위해 빔 익스팬더를 사용하여 집속기로 들어가는 빔의 크기를 확대하는 경우가 많습니다.

레이저 빔 품질 저하, 레이저 출력 감소 및 스폿 크기 최소화를 방지하기 위해서는 빔 익스팬더의 유효 구경이 입력 빔 직경의 최소 2배여야 한다고 일반적으로 가정합니다. 조리개 비율이 작을 때보다 스폿 강도가 더 높아지는 것은 사실이지만, 이 규칙을 따를 경우 시중에 판매되는 5배율 이상의 빔 익스팬더는 대부분 비현실적으로 작은 입력 빔을 받게 됩니다.

실제로는 빔을 약간 줄이는 시스템 구성을 통해 더 높은 빔 강도를 얻을 수 있습니다. 이 접근 방식에서는 최종 스폿 강도에 영향을 미치는 두 가지 상반된 요소가 있습니다. 초점을 맞추기 전에 빔 직경을 넓히면 스폿 크기가 감소하고 강도가 증가하는 반면, 빔을 잘라내면 스폿 크기가 증가하고 강도가 감소합니다. 다소 직관적이지 않을 수는 있지만, 가장 높은 스폿 강도를 얻기 위한 최적의 절충안은 잘라낸 빔을 더 높은 배율의 익스팬더에 통과시키는 것입니다.

이 어플리케이션 노트는 레이저 출력의 일부를 잘라내는 광학 부품을 선택함으로써 빔 출력의 99% 이상을 통과시키는 것보다 더 높은 스폿 강도를 얻는 방법을 보여줍니다. 다양한 클리핑 비율에 대해 Ansys의 OpticsStudio POP(Physical Optics Propagation)를 사용하여 강도를 분석했습니다.

그림 1: 놀랍게도, 빔 엣지를 잘라내는 고배율 빔 익스팬더를 사용하는 것이 엣지를 잘라내지 않는 저배율 익스팬더를 사용하는 것에 비해 초점을 맞춘 후 최종 스폿 크기가 더 클 수 있습니다.

출력 밀도를 극대화하기 위해 빔을 잘라내는 예시

532nm에서 100W 연속파(CW) Nd:YAG 레이저를 사용하며 최소 작동 거리 100mm, 집속 스폿 최대 강도 10kW/mm²가 요구되는 시스템을 가정해 보겠습니다. 이 레이저는 $1⁄e^2$ 이차 모멘트 직경으로 측정했을 때 출력 빔 직경이 2.5mm입니다. 분석을 단순화하기 위해 이상적인 가우시안 빔이라고 가정하고 빔 품질 계수를 M² = 1로 설정하겠습니다. 허용되는 최단 초점 거리인 100mm로는 요구되는 스폿 강도를 얻을 수 없고, 0.35kW/mm²까지만 가능합니다.

따라서 집속기에 들어가기 전에 빔 익스팬더를 사용하여 빔을 확대해야 합니다. 에드몬드옵틱스 Vega^® 제품군에서는 5X 익스팬더인 #39-738과 7X 익스팬더인 #39-739의 두 가지 빔 익스팬더를 제공합니다. 두 제품 모두 외경은 같고 가격대도 비슷합니다. 5X 익스팬더의 입력 유효 구경은 5.0mm로 빔 직경의 2배이지만, 최종 스폿 강도는 8.6kW/mm²에 불과합니다. 7X 익스팬더의 경우, 기기의 출사면 구경 크기가 같으므로 배율이 높을수록 입력 유효 구경은 3.3mm로 더 작아져 빔이 잘리게 됩니다.

그림 1에서 조리개 크기에 따라 두 빔 익스팬더가 스폿 강도에 미치는 영향을 살펴보겠습니다. 최대 강도 데이터는 OpticStudio POP 분석을 통해 생성되었으며, 이 분석에서는 집속 스폿 크기 증가에 따른 클리핑 효과와 그에 따른 출력 손실을 고려했습니다. 두 경우 모두 입력 빔 직경은 2.5mm입니다. 그래프는 빔 직경의 1배에 해당하는 빔 절단 비율에서 시작하며, 레이저 출력에서 13.5%라는 상당히 큰 부분을 잘라냅니다. 그러나 실제로 살펴보면, 7X 빔 익스팬더는 입력 조리개 한계인 3.3mm에 도달하기 전에 요구된 10kW/mm² 스폿 강도를 달성하는 반면, 5X 익스팬더는 이 값에 결코 도달하지 못합니다.

그림 2: 입력 유효 구경 직경에 따른 최대 강도를 나타내는 그래프이며, 7X 익스팬더를 통과하는 빔을 잘라내는 것이 클리핑이 없는 5X 익스팬더보다 더 높은 출력 밀도를 얻을 수 있음을 보여줍니다.

이 예시에서 7X 익스팬더는 레이저 출력의 3%를 잘라내지만, 최종 스폿 강도는 요구 조건을 충족합니다. 3W의 출력 감소로 인해 익스팬더 앞에 과열을 방지하기 위한 열 제어 조리개가 필요할 수는 있지만, 이것이 스폿 강도에 추가적인 변화를 주지는 않습니다.

에드몬드옵틱스의 빔 익스팬더 제품

Photo of different kinds of laser beam expanders

에드몬드옵틱스는 다양한 레이저 빔 익스팬더를 설계합니다. 다양한 레이저 파장에 맞춘 여러 가지 코팅, 발산 조절, 가변 배율, 반사형 설계 등 많은 옵션이 제공됩니다. 신속 배송 가능한 소량의 표준 제품부터 대량의 맞춤형 빔 익스팬더까지, 고객의 레이저 시스템에 맞는 솔루션을 제공합니다.