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신소재로 kW급 패러데이 절연체 구현
KTF는 TGG에 비해 열 효과가 크게 줄어든 자기 활성 결정입니다. 이를 통해 고출력 레이저 시스템에서 수명과 성능이 향상된 광학 절연체를 사용할 수 있습니다.
패러데이 절연체는 조명용 단방향 밸브입니다. 종종 레이저 및 증폭기의 출력부에 배치되어 다운스트림 광학 또는 표면에서 반사되는 빛으로부터 보호합니다. 이 반환된 빛이 레이저로 다시 들어가면 출력이 불안정하거나 손상될 수 있습니다.
패러데이 절연체는 자기 활성 결정을 기반으로 합니다. 이는 자기장에 놓으면 선형 편광 빛의 방향을 회전시키는 물질입니다. 테르븀 갈륨 가넷(TGG)은 오랫동안 가시광선 및 근적외선 스펙트럼에서 작동하는 패러데이 절연체의 표준 자기 활성 물질이었습니다. 그러나 산업용 레이저의 출력이 계속 증가함에 따라 TGG 고유의 흡수 및 열광학적 특성이 점점 불리해지고 있습니다. 이로 인해 결국 패러데이 절연체는 레이저 시스템에서 성능을 제한하는 광학 요소가 될 수 있습니다.
이제 칼륨 테르븀 플루오린화물(KTF)이 대체 자성 활성 물질로 부상했습니다. KTF는 TGG의 한계를 극복하고 훨씬 더 높은 레이저 출력에서 성공적으로 작동할 수 있습니다. 이 문서는 KTF의 속성에 대한 자세한 정보를 담고 있습니다. 또한 이 소재를 통합하는 고출력 레이저 전용으로 특별히 제작된 새로운 패러데이 절연체 시리즈, 즉 Coherent Pavos 울트라 시리즈의 테스트 결과도 검토합니다.
TGG와 그 한계
TGG는 몇 가지 이유로 오랫동안 650~1,100nm 스펙트럼 범위에 대한 패러데이 회전자 결정이었습니다. 예를 들면, TGG는 고순도로 제작이 가능합니다. 광학 상수(패러데이 효과의 강도 측정)가 높고 입방정 결정 구조와 낮은 고유 복굴절 덕분에 세심한 정렬 프로세스 없이도 높은 편광 소광을 쉽게 달성할 수 있습니다. 그리고 상대적으로 비용이 저렴합니다.
그러나 가장 순도가 높은 TGG조차도 대량 흡수로 인해 성능적 한계에 직면합니다. 이 흡수는 결정 내에서 국부적인 가열을 유발하여 세 가지 중요한 성능 제한 요인으로 이어집니다.
그 첫 번째는 편광 회전량이 레이저 출력의 기능에 따라 달라진다는 것입니다. 결정의 광학 상수가 온도에 따라 달라지기 때문입니다. 결정이 가열되면 주변 자석도 가열되어 성능이 떨어집니다. 결과적으로 격리 성능이 저하됩니다.
두 번째 문제는 열 렌즈입니다. 결정은 일반적으로 큰 영구 자석 내에 보관되기 때문에 결정을 직접 냉각하기는 어렵습니다. 결정 내의 가우스 빔은 굴절률 구배를 유발하는 방사형 온도 구배를 생성합니다. 이는 전력에 따라 달라지는 렌즈 효과가 있으며 시스템의 초점 위치를 이동합니다. 렌즈 효과가 너무 강하거나 비대칭인 경우 빔 품질도 저하될 수 있습니다.
또 다른 문제는 열에 의한 복굴절이며 소재 내의 열 구배로 인해 발생합니다. 이는 투과된 빛의 편광에 영향을 미치며 절연체의 성능과 편광을 이용하는 다운스트림 광학 구성 요소의 성능을 떨어트릴 수 있습니다.
이 세 가지 요소는 함께 전력 안정성, 빔 품질, 작업 표면의 초점 위치에 영향을 미칩니다. 이 요소들은 모두 처리 결과에 직접적인 영향을 미치므로, 프로세스 일관성을 낮추고 프로세스 창의 크기가 줄어들 수 있습니다.
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패러데이 절연체는 어떻게 작동합니까?
패러데이 절연체의 작동 개념은 간단하며 이 그림에 설명되어 있습니다. 선형 편광(왼쪽에서 들어오는 빛)은 편광 벡터와 정렬된 편광판을 통과합니다. 이는 자기장 내에 있는 자기 활성 결정으로 들어갑니다. 이 결정은 빛의 편광면을 45° 회전시킵니다(패러데이 효과로 인해). 빛은 회전된 편광과 정렬된 다른 편광판을 통과한 다음, 광학 시스템을 통해 공정으로 빠져 나갑니다.
시스템 또는 공정에서 반환된 모든 빛은 먼저 원래 절연체의 출력과 같은 방향이 아닌 모든 편광을 걸러내는 편광판을 통과합니다. 이렇게 걸러진 빛은 자기 활성 결정을 통과하고 또 다시 45° 회전합니다. 이렇게 하면 편광 벡터가 첫 번째 편광판에 직각으로 놓이고 나머지 반사광을 걸러냅니다.
KTF와 그 이점
KTF는 TGG와 비슷한 전도 범위를 가지며 광학 상수도 비슷합니다. 가장 중요한 것은 TGG에 비해 대량 흡수 계수(8배 낮음), 열 광학 계수(15배 낮음) 및 응력 광학 계수가 낮다는 것입니다. 이를 통해 높은 레이저 출력에 노출될 때 TGG 패러데이 절연체를 방해하는 절연 성능, 빔 초점 및 빔 품질의 저하를 방지할 수 있습니다.
그러나 초기 KTF의 생산 시에는 기포, 내포물 및 높은 분산 문제가 있는 큰 단결정이 생성되었습니다. 이는 TGG를 통한 전도에서 순 개선 효과를 제공하지 못했습니다.
다행스럽게도 지속적인 공정 개선을 통해 이제 더 적은 비용으로 고품질 KTF의 수율을 높일 수 있습니다. 결과적으로 KTF는 고전력 패러데이 회전자 및 절연체에서 TGG를 대체할 태세를 갖추고 있습니다.
Pavos 울트라 시리즈 실험 데이터
KTF 기반의 Coherent Pavos 울트라 시리즈 패러데이 절연체는 현재 근적외선, kW급 레이저로 수천 시간의 수명 테스트를 거쳤습니다. 이 테스트는 산업용 레이저 제조업체에서 요구하는 장기간의 연속 사용 수명 기간 동안 성능을 유지하면서 우수한 절연 및 빔 품질을 제공한다는 것을 분명히 보여줍니다.
첫 번째 그래프는 TGG 및 KTF 절연체에 대한 레이저 출력 기능에 따라 절연체의 핵심 성능 메트릭인 광 절연을 비교합니다. TGG는 최저 전력에서 더 나은 성능을 발휘하지만 전력이 증가함에 따라 성능이 급격히 저하됩니다. 측정된 전력 범위에서 Pavos 울트라 절연체의 안정적인 성능은 레이저 시스템이 작동하는 방식과 기간에 관계없이 신뢰할 수 있음을 의미합니다.
그림 1: 레이저 출력 기능에 따른 KTF와 TGG의 절연 성능.
KTF 절연체는 또한 TGG 기반 절연체보다 더 나은 빔 품질을 유지합니다. 이는 6W 및 200W 전력에서 두 유형의 절연체에 대해 표시된 빔 프로파일 측정에서 입증됩니다.
절연체 유형 |
6W |
200W |
TGG |
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Pavos 울트라(KTF) |
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그림 2: 레이저 출력 기능에 따른 KTF 및 TGG의 빔 프로파일 효과.
빔 품질에 대한 보다 정량적인 측정은 M² 메트릭을 사용하여 제공됩니다. 이는 측정된 빔의 강도 프로파일을 이론적으로 완벽한 가우스 빔과 비교하는 비율입니다. 다음 그래프는 TGG 및 KTF 절연체에 대해 측정된 M²를 비교합니다. 테스트된 출력 범위에서 Pavos 울트라 절연체의 빔 품질이 거의 저하되지 않음은 분명합니다.
그림 3: 레이저 출력 기능에 따른 KTF 및 TGG의 빔 품질.
초점 이동은 고전력에서 패러데이 절연체를 사용할 때 가장 중요한 문제 중 하나입니다. 레이저 시스템이 손상이나 불안정성 없이 계속 작동하더라도 초점 이동으로 인해 공정 결과가 저하될 수 있기 때문입니다.
TGG의 열전도율이 KTF보다 훨씬 높지만, 실험 결과는 동등한 전력 수준에서 TGG와 비교했을 때 열 관련 초점 이동이 훨씬 낮고 빔 품질이 더 우수함을 분명히 보여주었습니다. 테스트 결과는 다음 그래프에 제공됩니다.
그림 4: KTF 및 TGG 절연체의 200W 레이저 출력 변화에 대한 초점 이동.
그래프에서 볼 수 없는 것은 KTF에서 경험한 작은 초점 이동도 선형적이라는 것입니다. 이는 측정된 이동을 추정하여 더 높은 전력 수준에서 예상되는 초점 이동을 제공할 수 있음을 의미합니다.
마지막 플롯에서 주목해야 할 또 다른 중요한 점은 KTF가 음의 초점 이동을 보여준다는 것입니다. 특히 빔 발산은 온도에 따라 증가하는데, 이는 양의 이동이 있는 흡수 광학에서 발생하는 셀프 포커싱과는 다른 점입니다.
KTF가 다른 양의 이동 광학 장치(예: 용융 실리카 구성 요소)와 함께 사용될 때 실제로 도움이 될 수 있습니다. 특히 KTF의 음의 이동은 다른 구성 요소의 양의 이동을 부분적으로 보완하여 전체 시스템의 순 초점 이동을 낮춥니다.
예를 들어 Coherent 4mm 조리개 PAVOS 울트라 절연체는 2개의 용융 실리카 편광 빔 스플리터 큐브와 KTF 결정을 사용합니다. 각 빔 스플리터에는 약 0.3zR/kW의 초점 이동이 있습니다. KTF 결정의 평균 초점 이동은 -0.6zR/kW입니다. 그 결과 일반적으로 전체 절연체에 대해 무시할 수 있는 초점 이동이 발생합니다.
Coherent PAVOS 울트라 시리즈 절연체의 장기 성능도 조사되었습니다. 특히 이 절연체는 1,800~3,000시간의 사용 간격에 걸쳐 Coherent의 프로토타입 레이저 캐비티 내에서 테스트되었습니다.
KTF 결정의 입사 전력은 대략 800μm의 빔 직경에서 2.7kW였습니다. 이는 130kW/cm²를 조금 넘는 전력 밀도로 해석됩니다. 그래프는 캐비티가 1,800시간의 전체 테스트 기간 동안 안정적으로 유지되었음을 보여줍니다. 모든 증가 또는 변경은 KTF 회전자 외부의 다른 시스템 구성 요소의 조정으로 인한 것입니다. 이러한 안정성을 유지하려면 빔 품질을 일정하게 유지해야 했습니다.
그림 5. 높은 레이저 출력에 노출될 때 KTF 기반 Coherent Pavos 울트라 절연체의 장기 작동 안정성.
결론
TGG는 저전력 패러데이 절연체 및 회전자용으로 가장 많이 사용하는 자기 활성 결정이지만 고유한 흡수 및 열 광학 특성으로 인해 고출력 레이저에는 사용이 제한됩니다. 고전력 패러데이 절연체의 새로운 표준으로 KTF를 채택하면 레이저 제조업체는 TGG로 인한 제약을 없애고 나머지 시스템의 성능 향상에 집중할 수 있게 됩니다.