이테르븀 레이저
이테르븀 레이저는 무엇입니까?
이테르븀 레이저는 다른 재료를 기반으로 하는 레이저에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 이것은 슬래브 또는 디스크 레이저로 만들어지지만, 자연과학 및 재료 가공 애플리케이션을 위한 Ultrafast 레이저 출력을 가진 파이버 레이저와 같은 분야에 영향을 미칩니다.
이테르븀(Yb) 레이저는 매질이 이테르븀(Yb3+) 이온으로 사용되는 호스트 물질 레이저입니다. 호스트에 따라 1030~1070nm 사이의 근적외선을 방출합니다. 이 출력은 모드 잠금 Yb 레이저의 경우 효율적으로 주파수를 두 배 또는 세 배로 높여 녹색 및 자외선 파장을 전달할 수 있습니다. 이러한 모드 잠금 레이저는 또한 파라메트릭 장치를 펌핑하여 파장 조정 가능한 출력을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
Yb레이저의 4가지 주요 장점
이터븀(Yb) 레이저의 주요 장점은 다음과 같습니다.
- 펨토세컨드(fs) 출력을 제공하기 위해 모드로 잠글 수 있습니다. 이것이 만들어내는 높은 피크 전력 때문에 fs 펄스는 신경과학의 최첨단 애플리케니션뿐만 아니라 고급 재료 가공 애플리케이션에도 적합합니다.
- 파이버 레이저를 생산할 수 있어 어려운 산업환경에서도 작동이 단순하고 신뢰성이 뛰어납니다.
- 다른 fs 레이저보다 더 높은 출력으로 확장시킬 수 있습니다. 이를 통해 신경과학에서 더 밝은 이미지와 더 빠른 멀티 광자 여기가 가능하며 스텐트와 같은 의료 장치와 같은 정밀 절단에서 더 높은 처리량을 제공합니다.
- 다른 Ultrafast 레이저보다 전기 효율이 높습니다. 이를 통해 지속 가능성이 더 높은 친환경 제조기술과 호환됩니다.
이제 이러한 장점의 기술적 기반에 대해 자세히 살펴보고 대표적인 몇 가지 애플리케이션에 어떤 영향을 미치는지 알아보겠습니다.
몇 가지 "간단한" 기술 참조
모드 잠금은 짧은 펄스와 높은 피크 전력 제공
모드 잠금은 레이저가 매우 짧은 펄스와 높은 펄스 반복률을 생성하도록 하는 방법입니다. 연속파 레이저에서 생성된 모든 빛을 레이저 캐비티 주변을 순환하는 매우 짧은 펄스로 축소시킵니다. 펄스가 부분적으로 반사되는 출력 미러에서 튕겨 나올 때마다 일부가 빠져나갑니다. 따라서 레이저는 자연스럽게 캐비티 주변 이동 시간에 해당하는 펄스 속도를 생성합니다. 이는 10s cm 이하의 레이저 캐비티 길이에서 10s of MHz의 반복속도로 해석됩니다.
반면 펄스 폭은 "이득 대역폭"이라고 하는 레이저의 파장 확산에 따라 달라집니다. 더 넓은 출력은 더 짧은 펄스를 생성하고 그 반대도 마찬가지입니다. Yb의 넓은 대역폭은 이러한 레이저가 기가와트 체제에서 최대 전력으로 50 fs만큼 짧은 펄스를 전달할 수 있음을 의미합니다.
파이버 아키텍처가 신뢰성 및 전력 확장성 제공
파이버와 전력 확장은 밀접하게 관련되어 있습니다. 모든 고체 레이저에서 해결해야 하는 문제는 렌즈 문제와 손상을 일으킬 수 있는 이득 물질로부터 원하지 않는 열을 제거하는 것입니다. 열이 재료의 가장자리(표면)로 전도성으로 흘러야 추출할 수 있습니다. 이는 벌크 결정을 기반으로 하는 고체 레이저의 최대 출력을 제한시킵니다. 하지만 이득 물질이 파이버로 늘어나거나 디스크로 압축되는 경우 재료의 모든 부분이 냉각된 표면 근처에 있으며 냉각을 고려하면 더 이상 전력 확장을 방해하지 않습니다.
Yb의 주요 장점은 파이버 또는 디스크로 만들어질 수 있는 유리에 호스팅될 수 있습니다. 하지만 파이버 레이저는 광기계적으로 강하며 정렬에서 벗어날 수 없다는 장점이 있습니다. 이러한 전력 확장성은 Coherent Monaco와 같은 Yb 파이버 레이저가 펨토세컨드 레이저에 대한 새로운 전력 표준을 계속 설정하는 이유입니다. 또한 고유한 신뢰성이 요구되는 다양한 애플리케이션에 채택되는 이유이기도 합니다.
효율적인 다이오드 레이저 펌핑으로 탄소 배출량 감소
Yb 레이저가 다른 고체 레이저보다 전기적으로 더 효율적인 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 전기를 빛으로 변환하는 다이오드 레이저는 전체 전기 효율을 낮출 수 있는 중간단계 없이 Yb 도핑 파이버를 직접 펌핑하는 데 사용됩니다. 또한 다이오드 펌프 파장(976nm)과 Yb 파이버 출력 파장(1030~1070nm)에서 차이가 발생하는 상대적으로 작은 양자 결함이 있습니다. 양자 결함으로 표현되는 에너지는 열로 손실되기 때문에 이와 같이 작은 값이 매우 바람직합니다.
Yb 레이저 애플리케이션
모드 잠금 Yb 파이버 레이저의 애플리케이션 영역은 출력 수준 및 파장(IR, 녹색 또는 UV)에 따라 달라집니다.
다광자 신경과학
평균 출력이 몇 와트인 저출력 레이저는 주로 응용과학 분야에 사용됩니다. 여기서 Yb 레이저는 OPO(Optical Parametric Oscillator)와 함께 단일 상자 형식으로 통합되어 가변 파장 출력을 제공합니다. Chameleon Discovery NX가 그 예입니다. 이러한 조정 가능한 소스의 가장 큰 응용분야는 신경과학, 생체 이미징, 실시간(잠재적으로 수술 중) 생체 검사에 대한 응용 연구를 위한 고해상도 3D 이미지를 제공하는 다광자 현미경입니다.
고출력(10와트) 증폭 Yb 레이저에는 Monaco 시리즈가 포함됩니다. 적외선 버전은 과학 및 산업분야 모두에 유용합니다. 주요 과학적 응용분야는 신경과학이며, 여기서 Monaco는 50fs의 펄스폭을 생성하는 Opera F와 같은 조정 가능한 광학 파라메트릭 증폭기와 쌍을 이루고 있습니다. 가변 파장 출력은 3광자 이미징과 2광자 Optogenetic Photostimulation 모두에 사용됩니다. 두 개의 고정 파장 출력(1035nm 및 1300nm)은 Monaco 1300에서 비선형 광학으로 비용 효율적으로 생성되어 이러한 응용분야에 최적입니다.
정밀 재료 가공
산업적으로 포장된 Monaco 시리즈는 점점 더 다양한 정밀 제조분야에 fs 레이저 가공의 독특한 장점을 제공합니다. 적외선 모델인 Monaco 1035는 유리 절단 및 용접, 박막/필름 절단, 의료장비 제조(예: 스텐트, TAVR 도구)와 같은 응용분야에 사용됩니다.
Monaco 517 모델은 친환경 출력으로 폴리머 절단 및 드릴링, 플렉스 PCB 및 IC 패키지 절단, 실리콘 웨이퍼 싱귤레이션, 의료장비 제조, 얇은 금속 호일 절단 및 텍스처링에 사용됩니다.
Monaco UV의 345nm 자외선 출력은 Flex 부품의 재료 가공과 주변 열 효과 없이 다양한 재료 절단에 사용됩니다. OLED 모듈, 반도체 웨이퍼, 박막, 호일, 디스플레이 터치 센서.