높은 출력 및 단펄스 지속 시간에 적합한 빔 쉐이핑

레이저 빔의 형태를 가우시안 프로파일에서 플랫 탑 또는 베셀 빔(Bessel beam)으로 전환하는 작업은 다수의 정밀 레이저 응용 분야에서 꼭 필요한 과정입니다. 이를 위해 굴절형 빔 쉐이핑 광학 부품이 주로 사용되긴 하지만, 반사형 빔 쉐이퍼(reflective beam shaper)와 액시콘(axicon)을 활용하면 투과 손실을 제거하고 출력이 더욱 높은 레이저까지 처리할 수 있습니다. 또한 색 분산이 발생하지 않아 극초단 레이저 시스템에도 사용하기 적합합니다. 반사형 빔 쉐이퍼는 마이크로 소재 가공 및 고정밀 레이저 용도에 안성맞춤인 제품입니다. 극초단 레이저와 기타 레이저 기술의 발달로 효율성 및 정밀도 개선이 요구되면서 빔 쉐이퍼를 활용하는 시스템의 수가 더욱 증가해가고 있습니다.

반사형 액시콘

투과형 액시콘(transmissive axicon)은 원뿔형 광학 부품으로서 원거리장(far field)에서는 입사한 시준빔을 링 모양의 빔 프로파일로 변환시키고 근거리장(near field)에서는 특정 영역에 걸쳐 베셀 빔(Bessel beam)과 유사한 형태로 변환시켜줍니다. 그림 2에서와 같이 베셀 빔의 영역에서는 빔이 전파를 하긴 하지만 회절 및 확장은 일어나지 않습니다. 실제로 베셀 빔의 폭은 회절 한계보다 작을 수 있습니다.

비축 반사형 액시콘(off-axis reflective axicon)은 고품질의 베셀 빔을 생성하는 광학 부품으로서 투과형 액시콘에 비해 더 많은 이점을 제공합니다. 반사형 액시콘은 투과형 설계보다 더욱 이상적인 베셀 빔을 만들어 내고 고출력 레이저에 더 강한 내성을 보입니다. 광 매질을 통한 전파가 적을수록 색 분산이 제거되고 극초단 레이저 용도에서 펄스 지속 시간이 그대로 유지됩니다. 그림 1은 반사형 액시콘을 이용해 베셀 빔이 생성되는 일반적인 과정을 도식화해 보여줍니다.

그림 1: Off-axis reflective axicon은 입사 빔을 특정 영역에서 Bessel beam과 매우 유사한 형태로 변환하며 그 외의 영역에서 링 모양의 분포로 전파시킴.

반사형 액시콘으로 생성된 베셀 빔 내 광원 강도 집중은 유리 및 기타 투명 소재의 나노 채널 드릴링과 같은 레이저 소재 가공에 안성맞춤입니다.¹ 유리를 절단하는 효율성은 먼저 나노 채널을 천공한 후 구멍을 따라 유리를 파열시킬 수 있는 정도의 힘을 가하면 최대화할 수 있습니다. 이때 구멍의 치수는 반복 재현성이 높기 때문에 정교한 제어가 가능합니다. 액시콘에 관한 더 많은 정보는 당사 어플리케이션 노트 액시콘에 대해 자세히 알아보기 편을 참조하십시오.

그림 2: Reflective axicon(위)으로 형성된 Bessel beam의 강도 분포 및 Bessel beam(아래)을 사용해 유리 내부에 나노 채널을 천공한 모습, 사진 출처=Courtesy of Cailabs².

다중 위상면에서의 광 변환 - 반사형 빔 쉐이핑의 핵심 기법

다중 위상면에서의 광 변환(MPLC: multi-plane light conversion) 기법은 위상판(phase plate)과 자유 공간 전파를 통한 저손실 빔 쉐이핑 공정을 가리킵니다.³ 이 MPLC는 빔을 동시에 형성할 수 있어 다중 빔 시스템에 사용하기 적합합니다. MPLC는 투과형과 반사형 구성 모두에서 수행될 수 있으며, 반사형 MPLC 시스템은 굴절 광학을 통해 전파하면서 야기되는 분산과 흡수를 방지해줍니다. 이와 같은 테크닉은 프랑스 렌에 본사를 둔 심층 기술 회사인 Cailabs에 의해 개발되었습니다.

MPLC를 활용하는 반사형 빔 쉐이퍼는 다중 경로 공진기(multi-pass caivity)으로 구성되는 경우가 많으며, 이 경우 반사형 위상판과 공진거울 사이에서 입사 레이저 빔이 여러 번 반사를 하면서 원하는 출력 빔 프로파일을 생성하게 됩니다. 이와 같은 시스템은 모드 선택성이 높고 삽입 손실이 낮다는 이점을 제공합니다. MPLC에 관한 더 자세한 내용은 아래의 영상을 참조하십시오.

MPLC 개론, 사진 출처=Courtesy of Cailabs

MPLC를 사용해 플랫 탑 빔을 생성하면 정밀도가 향상되고 마이크로 소재 가공과 같은 레이저 어플리케이션의 효율성이 개선됩니다. 플랫 탑 빔은 가공부 주변의 열 효과를 감소시켜 가장자리를 평평하게 만드므로 가공 품질을 높여줍니다. 또한 가공부 주변의 중첩과 자재 낭비를 줄이기 위해 직사각형 모양의 빔을 정사각형으로 기울여 조정할 수 있습니다(그림 3).⁴ MPLC 시스템은 다양한 레이저 모드를 수용하고 불필요한 모드를 피하도록 맞춤 조절이 가능해 시간 경과에 따른 광원의 변화와 불완전한 입력 빔에 대해 더 적은 영향을 받도록 합니다. 반사형 빔 쉐이핑의 기타 이점으로는 갈보 스캐너와의 호환성, 제조량 증가, 처리 시간 단축, 펨토초 시스템에서의 색 분산 제거 등이 있습니다. 이외에도 MPLC를 사용해 반사형 빔을 쉐이핑하면 레이저 용접, 마킹, 표면 텍스처링, 3차원 프린팅의 정확도가 향상됩니다.

그림 3: 이 정사각형 결과물은 CANUNDA-PULSE reflective laser beam shaper와 Amplitude社 Ultrafast Laser로 마이크로 드릴링 됨. 이와 같은 형태는 주변 중첩과 자재의 낭비를 최소화함. 사진 출처=Courtesy of Cailabs

자주 묻는 질문

  극초단 레이저 시스템에서 색 분산이 중요한 이유는?

레이저 펄스의 파장 스펙트럼은 펄스 지속 시간이 줄어들 때 증가함에 따라 극초단 레이저의 짧은 펄스 지속 시간은 넓은 대역폭을 초래합니다. 초단파는 현미경 대물렌즈, 음향 광학 변조기, 윈도우, 렌즈, 필터 등의 광학 매질을 통해 이동하기 때문에 이처럼 넓은 대역폭은 색 분산에 의해 상당항 영향을 받습니다. 기타 자세한 사항은 여기를 참고하십시오.

  반사형 Canunda-Axicon은 최대 몇 피크 에너지까지 처리할 수 있습니까?

Canunda-Axicon은 저손실 코팅과 반사형 설계 때문에 펨토초 시스템에서도 사용할 수 있으며, 최대 1mJ의 고에너지 레이저와 사용하기 적합하도록 설계되었습니다.

  MPLC(Multi-Plane Light Conversion) 기법은 소재 가공 이외의 용도에서도 사용됩니까?

네, 그렇습니다. Cailabs 사가 개발한 MPLC는 광섬유 통신에도 유용합니다. MPLC는 시스템을 복잡하게 구성하거나 비용을 크게 증가시키지 않고도 멀티모드 광섬유 시스템의 대역폭을 증가시킬 수 있습니다. 또한 발산각을 낮게 유지하면서 대기난류를 여과하고 레이저를 결합하는 방식으로 지상에서 인공위성까지 광 통신을 하는 데도 사용될 수 있습니다.

  레이저는 펄스 지속 시간이 몇 정도가 될 때 "극초단"으로 간주됩니까?

일반적으로 레이저 펄스의 펄스 지속 시간이 피코초, 펨토초, 아토초(<100ps)일 때 극초단으로 간주됩니다.