레이저 빔 품질 및 M2 계측에 대한 초보자 가이드

레이저 이론에서는 설계상 대부분의 레이저 빔이 가우스 빔 형태를 가져야 한다고 말합니다. 가우스 빔(TEM₀₀)의 기본 모드는 다음과 같은 3가지 주요 이유 때문에 대부분의 레이저 시스템 설계자가 실현하고자 하는 이상적인 상태입니다.

1. 강도가 광축에서 최대이며, 이는 광 파워 및 강도를 원활하게 집중시킵니다.
2. 발산이 가장 낮으므로 흔히 넓어지지 않는 얇은 광선으로 취급됩니다.
3. 회절 제한적입니다. 즉, 초점을 맞출 때 빔 웨이스트는 해당 특정 파장에 대해 얻을 수 있는 가장 작은 것입니다.

그러나 현실에서 완벽한 것은 없으며 TEM₀₀ 프로파일과 무한히 퍼지는 종 모양의 곡선이 있는 순수한 가우스 빔은 안타깝게도 결코 실현되지 않습니다.

실제 레이저가 완벽에 얼마나 가까운지 궁금할 수 있습니다. 또 많은 사람들이 궁금해합니다. 이 가이드에서는 레이저 빔 품질을 정량화하는 M2 파라미터를 사용한 레이저 빔 품질 계측 개념과 실제 레이저에 대해 M2를 측정하는 방법을 소개합니다.

레이저 빔 품질을 어떻게 정의합니까?

최초의 레이저는 60년대에 만들어졌지만, 레이저 빔이 이 이상적인 가우스 빔에 얼마나 가까운지, 즉 레이저 빔 품질 계측에 대해 Anthony E. Siegman이 표준 계측을 제안한 것은 90년대 초반에 이르러서였습니다.

기본적으로 품질 계측은 실제 빔 웨이스트 및 발산이 동일한 파장에서 이상적인 가우스 빔과 어떻게 비교되는지 확인하는 것으로 귀결됩니다.

BPP(빔 파라미터 곱)는 특정한 사람들이 사용하는 하나의 레이저 빔 품질 지표이며, 원거리 필드에서 측정되는 빔의 발산 반각(θ)과 빔의 최소 반경(빔 웨이스트 반경, w₀)의 곱으로 정의됩니다. 다음과 같이 BPP의 계측 단위는 mm-mrad입니다.

BPP = θ w₀

이상적인 가우스 빔은 주어진 파장에 대해 최소 BPP를 가집니다. θ_ideal = λ/(π w_0,ideal)를 알고 있으므로 이상적인 빔의 BPP는 BPP_ideal= λ/π로 단순화됩니다. 계산은 간단하지만 BPP는 하나의 레이저를 다른 레이저와 비교하는 데 있어 가장 좋은 도구는 아닙니다. 이상적인 값은 파장에 따라 변하기 때문입니다.

Siegman이 제안한 것은 실제 레이저의 BPP를 이상적인 레이저의 BPP로 나누어 레이저 빔 품질에 무차원 값을 사용하는 것입니다. 따라서 우리는 레이저 빔이 완벽한 가우스 빔에 얼마나 가까운지를 나타내는 비율을 얻었으며, Siegman은 이 값을 M²(m 제곱으로 발음)이라고 했습니다.

M² = π θ w₀/λ

M²의 한 가지 좋은 점은 무차원이라는 것입니다(즉, 계측 단위가 없음). 따라서 서로 다른 레이저를 더 단순하게 비교할 수 있습니다. 다른 한편으로 M 제곱은 약간 직관에 반하지만, M² 값이 낮을수록 높은 값보다 품질이 더 좋습니다. 실제로 가능한 최상의 결과는 M² = 1이며 M² 값이 증가하면 레이저의 품질이 저하됩니다.

레이저의 빔 품질을 아는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?

M² 계수를 정의하면 일반화된 가우스 빔 전파를 위한 방정식에 이 계수를 다시 대입할 수 있습니다. 레이저의 M² 계수를 알고 있는 경우 이러한 방정식은 “실제” 레이저 빔이 어떻게 전파되는지, 얼마나 엄밀하게 초점을 맞출 수 있는지 그리고 얼마나 빨리 발산하는지를 설명합니다.

레이저의 M² 값을 알면 레이저 빔이 얼마나 엄밀하게 초점을 맞출 수 있는지 알 수 있습니다. 레이저 빔의 초점을 엄밀하게 맞추는 것은 제조 또는 이미징에 레이저를 사용할 때 특히 중요합니다. 빔 웨이스트가 작을수록 더 나은 해상도뿐만 아니라 더 높은 파워 밀도에 도달할 수 있기 때문입니다.

또한 광섬유가 있는 시스템에서는 단일 모드 광섬유와의 최적의 결합을 허용하기 위해 M²이 1에 가까운 레이저를 찾는 것이 일반적입니다. 실제 빔의 빔 웨이스트는 다음과 같이 정의됩니다.

위 방정식에서 알 수 있듯이 M² 값이 낮은 레이저 빔은 M² 값이 높은 레이저보다 더 정밀하게 초점을 맞출 수 있습니다.

또한 빔 품질 계측을 통해 레이저 빔이 어떻게 발산하는지 알 수 있습니다. 빔의 발산을 알고 있는 경우 공간의 거의 모든 지점에서 레이저 빔의 크기를 예측할 수 있습니다. 실제 빔의 빔 반경은 다음과 같이 정의됩니다.

그리고 실제 레이저의 원거리 필드에서의 발산은 다음과 같이 정의됩니다.

위 방정식에서 M²이 높은 레이저가 M²이 낮은 레이저보다 더 빠르게 발산된다는 것을 알 수 있습니다. 레이저 제조업체는 대개 자사의 사양에 M² 계수를 제공합니다. 그러면 사용자가 레이저 작업이 얼마나 쉬운지 파악할 수 있기 때문입니다.

M²은 어떻게 계산할까요?

Siegman의 제안은 단순함 때문에 인기를 얻게 되었지만, 실험적으로는 그렇게 간단하지 않으며 이러한 원칙에서 일부 불확실성이 발생합니다. 예를 들어 실험실에서 웨이스트 반경을 측정하려는 경우 계측 장치가 초점에 정확히 배치되었는지 어떻게 확신할 수 있을까요?

그리고 발산을 측정하기 위해 원거리 필드에 있으려면 얼마나 멀리 가야 할까요? 이러한 두 데이터 포인트는 충분할까요? ISO(국제 표준화 기구)에 속한 사람들은 이 모든 혼란을 종식하기로 했습니다. 이에 따라 M²을 적절하게 측정하고 계산하는 방법을 설명하는 표준인 ISO 11146을 작성했습니다.

ISO 표준은 오차 원인을 최소화하는 방식으로 빔 직경 계측 세트에서 M²을 계산하는 방법을 설명합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.

1. 시준된 빔으로 시작합니다.
2. 수차 없는 렌즈로 초점을 맞춥니다.
3. 초점 주위의 다양한 위치에서 빔의 직경을 측정하여 10개 이상의 데이터 포인트를 얻습니다. 즉, 초점의 첫 번째 레일리 거리 내에서 대략 절반을 얻고 2레일리 길이 이상에서 나머지 절반을 얻습니다.
   
   
4. 표준에 자세히 설명된 회귀 방정식을 사용하여 X축과 Y축 모두의 데이터 포인트에 쌍곡선을 맞춥니다. 이렇게 하면 계측 오차를 최소화하여 계산의 정확도가 높아집니다.
5. 이 적합도에서 각 축의 θ, w₀, z_R 및 M²값을 추출합니다.

또한 ISO 표준에서는 다음과 같이 직경 계측에 관한 추가 규칙도 몇 가지 명시하고 있습니다(특히 CCD 또는 CMOS 센서와 같은 어레이 센서를 사용하는 경우).

• 직경 내에 10픽셀 이상이 있는지 확인합니다.
• 직경의 3배인 ROI(관심 영역)를 사용합니다.
• D4σ 정의(2차 모멘트 폭)를 사용하여 직경을 계산합니다.
• 계측을 수행하기 전에 항상 백그라운드 노이즈를 제거해야 합니다.

레이저 빔 품질을 측정하려면 어떤 장비가 필요할까요?

가장 기본적인 수준에서 렌즈, 빔 프로파일러 및 눈금자만 있으면 됩니다. 이러한 기본 도구를 사용하여 빔 프로파일 품질을 측정하고 무료 소프트웨어를 사용하여 레이저 빔 품질 결과를 계산하는 방법을 단계별로 설명하는 애플리케이션 노트를 참조할 수 있습니다.

이 방법은 비용이 많이 들지 않지만 시간이 오래 걸립니다. 따라서 다양한 직경 계측을 수행하는 동안 M² 값이 변동하지 않도록 레이저가 충분히 안정적인 상태를 유지하기를 바라야 합니다. 값을 얻는 속도를 높이는 간단한 방법은 전동 변환 스테이지에 빔 프로파일러를 장착하고 값 획득을 자동화하는 것입니다.

이동 스테이지의 경우 시스템 및 자동화 루틴을 설정하는 데 시간이 조금 걸릴 수 있습니다. 그러나 Gentec-EO에서 이미 모든 작업을 수행했기 때문에 고객은 많은 시간과 노력을 절약할 수 있습니다! Gentec-EO의 Beamage-M2 자동 레이저 빔 품질 계측 시스템은 위에 설명된 것보다 몇 단계 더 발전된 것으로, 설정이 매우 간편하여 처음에 몇 분 만에 M2 값 계측을 시작할 수 있으며, 일단 계측이 진행되면 1분도 채 걸리지 않습니다.

M² 계측은 꼭 필요합니까?

이제 레이저 빔 품질 계측에 대해 더 많이 알게 되었으므로 M 제곱을 실제로 측정해야 할지 여부를 더 잘 이해하게 되었습니다. M²은 레이저 빔이 이상적인 TEM₀₀ 가우스 빔에 얼마나 가까운지를 나타내는 지표입니다.

예를 들어 베셀 빔과 같은 비회절 빔 또는 도넛 프로파일이 있는 고차 가우스 빔을 사용하는 레이저를 개발하려는 경우에 M²은 좋은 지표가 아닐 수 있습니다.

이상으로 글을 마칩니다! 이제 M² 계측의 기본 사항을 이해하게 되었습니다. 궁금한 사항이 있으십니까? 언제든지 아래에 댓글을 달거나 문의하시면 기꺼이 답변해 드리겠습니다!