레이저 빔 발산 계측에 대한 빠른 가이드

잘 시준된 단일 파장 전자기 빔을 위한 레이저는 수요가 많습니다. 낮은 발산, 단일 파장 방사 및 광범위한 가용 레이저 파워 범위로 인해 레이저는 산업 및 연구에서 재료 가공을 위한 가장 귀중한 도구 중 하나가 되었습니다.

레이저 빔 발산은 레이저 스팟 크기를 제어해야 하는 레이저 제조업체와 사용자 모두가 알아야 할 중요한 파라미터입니다. 레이저 용접 응용 분야에서 웨이퍼 다이싱 또는 안과 수술에 이르기까지 빔 발산을 아는 것은 기능적 설정을 구축하고 특정 공정에 필요한 위치에 정밀하게 에너지를 겨냥하는 데 필수적입니다.

여기에서는 레이저 빔 발산 계측에 관한 중요한 개념을 제시합니다. 이러한 개념을 이해하면 에너지가 필요하지 않은 곳에 낭비되는 것을 피할 수 있습니다!

먼저, 레이저 빔 발산이란 무엇일까요?

원형 빔의 경우 발산은 빔 직경이 레이저 조리개로부터의 거리에 따라 어떻게 증가하는지에 대한 각도 측정값으로 정의됩니다. 이는 밀리라디안(mrad) 또는 도(°)로 측정됩니다. 간단히 말해서 발산은 빔이 소스에서 타겟으로 어떻게 도달하는지 알려줍니다.

레이저 빔은 발산합니다. 무한한 거리에 시준된 빔을 얻기 위해서는 하나의 단일 방향을 따라 공명하는 광자를 방출하는 무한히 얇고 긴 원자의 공동이 필요하기 때문입니다. 이는 실제 생활에서 작동하는 방식에 그치지 않습니다. 예를 들어 광섬유 출력에서 발산이 큰 광섬유 레이저를 사용하는 용접, 절단 또는 클래딩과 같은 산업 응용 분야의 증가를 고려할 때 발산을 취급하는 것은 필연적입니다.

더 정확하게 말하면, 발산은 빔 웨이스트의 중간을 기준으로 사용하여 원거리 필드(즉, 레일리 길이보다 훨씬 더 먼 빔 초점에서의 거리)에서 빔이 확장되는 각도로 정의됩니다.

레일리 길이 Zr은 빔 웨이스트에서 빔 횡단면의 면적이 두 배가 되는 곳까지 전파 축을 따라 있는 간격입니다.

그림 1: x와 y의 발산 반각은 θ = Div/2로 정의됩니다.

레이저 빔 발산 계측은 모두 빔 크기에 관한 것입니다.

설계상 원형 레이저 빔은 일반적으로 빔 중심에서 가장자리까지 가우스 모양의 에너지 밀도 분포(또는 방사 조도)를 가집니다. 아시다시피 종 모양의 곡선은 대부분의 빔 에너지가 전파 축을 따라 빔의 중심에 위치한다는 것을 알려줍니다.

그림 2: 이론상 가우스 빔 횡단면

Beamage-4M과 같은 적절한 레이저 빔 프로파일링 카메라는 ISO 규격 빔 크기 계측(예: 빔 반경)을 제공합니다. 여기서 빔 크기 계측은 (빔 중심에서의) 에너지 분포의 최대 에너지 밀도 E_max 지점으로부터 에너지 밀도가 E_max/e²와 같은 지점까지의 거리로 정의됩니다.

그림 3: 실제 빔과 관련하여 Gentec-EO PC-Beamage 소프트웨어에서 x 및 y를 따라

만든 가우스 적합도의 예입니다. X 및 Y 빔 크기는 이 적합도에서 파생됩니다.

직접 확인해 보시기 바랍니다! 제공된 시뮬레이션된 빔과 함께 PC-Beamage 소프트웨어를 무료로 다운로드하여 사용해 볼 수 있습니다.

레이저 빔 발산 공식

원형 가우스 빔의 경우 달성 가능한 최소 발산 값은 다음과 같은 간단한 공식으로 얻을 수 있습니다.

레이저 파장 및 빔의 자연스러운 웨이스트입니다. 최저 크기는 z축을 따라 있습니다.

가우스 레이저 빔은 측정된 발산이 θ₀에 가까울 때 회절 제한적이라고 합니다. 최고의 조준 성능을 달성하려면 이것이 목표입니다!

레이저 빔 발산을 쉽게 측정하는 방법은 다음과 같습니다.

정지 상태를 유지해도 될까요?

발산을 측정하려면 레이저의 전파 축을 따라 카메라를 움직여야 한다고 생각할 수 있지만 실제로는 그렇지 않습니다!

우리 모두는 레이저 빔의 M² 계수(빔 품질 계수라고도 함)를 얻으려면 발산 θ와 빔 웨이스트 ω₀를 모두 측정해야 하며 실제로 웨이스트를 찾아서 그 크기를 측정하려면 z축을 따라 움직여야 한다는 점을 알고 있습니다.

무차원인 M² 계수는 레이저 빔 품질을 나타내는 지표이며 빔 전파가 동일한 파장의 이론적 가우스 빔 전파에 얼마나 가까운지를 정량화합니다.

M² 계수를 측정하려면 렌즈 및 정렬 미러와 함께 빔 프로파일러용 이동 스테이지를 사용해야 하는데, 이는 Gentec-EO의 자동 Beamage-M2 시스템 덕분에 완전한 패키지로 이용할 수 있습니다. 이 패키지는 빔 품질에 관한 추가 정보 계층을 제공하지만 여기서는 발산을 계산하기 위해 z축을 따라 여러 빔 직경 값을 얻을 필요가 없습니다.

정지 상태 유지!

첫 번째 단계는 카메라와 레이저 사이에 수차 없는 초점 렌즈를 배치하는 것입니다. 핵심은 렌즈를 레이저 빔의 원거리 필드에 배치하고 카메라 센서를 렌즈의 초점(빔 웨이스트가 아님)에 정확하게 배치하는 것입니다.

이 시점에서 중요한 것은 계산입니다! ISO11146:2005 표준에 따라 두 주요 축(x 및 y)의 발산은 다음 공식으로 지정됩니다.

ω_f는 렌즈로부터 f 거리에 있는, 초점이 맞춰진 스팟의 너비이고 f는 레이저 파장의 렌즈 초점거리입니다. 초점거리는 파장에 따라 달라지므로 렌즈 공급업체에서 정확한 값을 받아야 합니다.

이 방법은 가우스 빔이 아닌 빔에도 적용됩니다. 초점 전후의 빔 직경은 측정할 필요가 없습니다. 이런 점이야말로 이 설정의 장점입니다. 또 다른 초점거리를 위해 렌즈를 변경하면 초점의 빔 크기가 달라지지만 카메라가 초점에 제대로 배치되어 있다면 측정된 발산은 동일합니다.

이제 컴퓨터에 PC-Beamage를 설치하고 실행했다면 Divergence 탭을 열고 원하는 작업을 할 수 있습니다!

레이저 빔의 발산을 제어할 수 있을까요?

예를 들어 고성능 광섬유 레이저를 사용하는 경우 샘플은 일반적으로 광섬유 출력에 매우 가깝게 처리되지만, 처리할 샘플에 필요한 빔 크기를 제공하는 광학 스캐너를 사용함으로써 발산을 제어하고 수정합니다.

또한 콜리메이터를 전기 통신 응용 분야와 같은 저전력 광섬유 레이저 응용 분야에서 그리고 다양한 다이오드 레이저와 함께 사용할 수 있습니다.

이제 발산을 쉽게 측정하는 방법을 알게 되었으므로 다양한 광학 장치를 테스트하여 해당 장치가 레이저 빔 크기에 어떻게 영향을 주는지 평가해 보십시오.

레이저 빔의 자연스러운 발산은 흔히 빔 크기를 확대하고 레이저 파워 미터를 사용하는 파워 계측을 위해 파워 밀도 손상 임계값을 준수하는 데 활용됩니다.

빔 프로파일링 카메라를 가장 빠르고 쉽게 사용하는 방법을 확인하고 안전한 프로파일링 및 파워 계측을 위해 파워 밀도를 검증해야 합니까? Gentec-EO에 레이저 사양에 대해 문의하십시오!