소개
레이저 빔 콜리메이션은 많은 분석 방법에서 기본적인 측면이며, 여기서 연속파(CW) 레이저가 종종 여기 소스로 사용됩니다. 형광, 라만 산란, 흡수 및 레이리 산란과 같은 기술은 레이저를 사용하여 에너지를 분자로 전달하여 여기 또는 에너지 추출을 유도합니다. 레이저 유형의 선택은 빔 강도의 초점성과 균일성에 영향을 미치므로 중요합니다. 고해상도 및 균일한 조명 요구 사항의 경우 특정 유형의 CW 레이저가 필수적입니다.
분석 응용 프로그램을 위한 CW 레이저 유형
CW 레이저는 유형과 구조가 다양하며, 가시광선과 근적외선(NIR) 스펙트럼에 걸쳐 다양한 응용 분야에 맞게 조정됩니다. 다이오드 레이저와 다이오드 펌핑 솔리드 스테이트(DPSS) 레이저의 두 가지 주요 유형이 지배적입니다. 다이오드 레이저는 더 작고 경제적이지만 DPSS 레이저는 종종 더 높은 빔 품질을 제공합니다. 각 유형은 자유 공간, 단일 모드 파이버(SMF), 다중 모드 파이버(MMF), 편광 유지 파이버(PMF)와 같은 다양한 모듈로 구성할 수 있습니다. 아래 표는 다이오드 및 DPSS 레이저의 콜리메이션 기술의 기능을 비교합니다.
CW 레이저 공간 모드
CW 레이저는 단일 공간 모드(SM) 또는 다중 공간 모드(MM)에서 작동하며, 이를 "횡단" 또는 "빔 모드"라고도 합니다. 이러한 모드는 빔 프로파일에 영향을 미치며 초점성과 빔 품질을 결정하는 데 중요합니다. 레이저는 일반적으로 SM 레이저가 더 나은 빔 품질과 초점성을 제공하는 반면 MM 레이저는 더 높은 전력 출력을 제공하기 때문에 의도된 응용 분야에 따라 선택되는 경우가 많습니다.
레이저 빔 콜리메이션 방법
빔 콜리메이션은 발산을 최소화하기 위해 레이저 출력을 조정하는 것을 포함합니다. 이것은 발산이 2mrad 미만이어야 하는 현미경 및 분광학에서 특히 중요합니다. 예를 들어, 단공동 다이오드 레이저는 콜리메이션이 필요한 고도로 발산하는 빔을 생성합니다. 가장 간단한 방법은 발산을 줄이기 위해 단일 비구면 렌즈를 사용하지만, 망원경이라고도 하는 2개 렌즈 시스템과 같은 보다 복잡한 구성은 종종 빔 크기에 대한 더 큰 정밀도와 제어를 달성하기 위해 사용됩니다.
레이저 빔을 콜리메이션하는 가장 간단한 방법은 단일 비구면 렌즈를 사용하는 것입니다. 렌즈의 초점 거리는 콜리메이션 후 빔 직경에 직접 영향을 미치며, 초점 거리가 길수록 빔 직경이 커집니다. 이 방법은 간단하기 때문에 널리 사용되지만, 제대로 정렬하지 않으면 수차가 발생할 수 있습니다.
2개 렌즈 시스템
2렌즈 시스템 또는 망원경은 하나의 음수 렌즈와 하나의 양수 렌즈를 사용하여 빔을 평행하게 하고 확장하거나 축소합니다. 이 설정은 빔 반경에 대한 미세한 제어가 필요한 응용 분야에서 선호되며 특히 다이오드 레이저 빔의 빔 품질을 개선하고 비점수차를 줄이는 데 유용합니다.
빔 품질 및 측정
레이저 빔의 품질은 빔 품질 계수 M²를 사용하여 평가하는 경우가 많으며, 이는 빔이 가우시안 프로파일에 얼마나 근접하는지를 측정합니다. M² 값 1은 이상적인 가우시안 빔을 나타내는 반면, 값이 높을수록 편차가 있음을 나타냅니다. 저전력 DPSS 레이저는 일반적으로 낮은 M² 계수로 높은 빔 품질을 나타내는 반면, 고전력 DPSS 레이저와 다이오드 레이저는 열 효과로 인해 빔 품질이 떨어지는 경향이 있습니다.
타원형 레이저 빔의 원형화
다이오드 레이저는 일반적으로 타원형 단면을 가진 빔을 방출하여 특정 응용 분야에서 빔을 원형화하기 위한 추가 단계가 필요합니다. 한 가지 접근 방식은 서로 다른 축을 따라 발산을 해결하기 위해 두 개의 직교 원통형 렌즈를 사용하여 더 원형 빔 프로파일을 생성합니다. 또 다른 기술은 아나모픽 프리즘을 포함하는데, 이는 한 축을 확장하거나 압축하여 빔 모양을 조정합니다. 각 방법에는 표에 표시된 대로 강점과 한계가 있습니다.
포인팅 안정성 및 빔 프로파일 균일성
빔 포인팅 안정성은 높은 정밀도가 필요한 애플리케이션에 필수적입니다. 기계적 진동 및 구성 요소의 열 팽창과 같은 요인은 빔 변동을 일으킬 수 있습니다. 광학 요소의 신중한 정렬과 가열된 구성 요소의 온도 제어는 포인팅 불안정성을 최소화하는 데 중요합니다.
근거리에서 때때로 빔 프로파일이 좋지 않음에도 불구하고 다이오드 레이저는 더 긴 거리에서 좋은 초점성을 달성할 수 있습니다. 엄격한 테스트를 통해 레이저 빔이 균일성이 향상되고 초점점 근처에서 더 원형이 되어 높은 초점성을 요구하는 응용 분야에서 사용할 수 있음을 보여주었습니다.
마지막 생각
레이저 콜리메이션 기술은 레이저 유형과 애플리케이션 요구 사항에 따라 크게 다릅니다. 다이오드 레이저는 많은 용도에 비용 효율적인 솔루션을 제공하지만 최적의 빔 품질을 위해 추가 구성 요소가 필요할 수 있습니다. DPSS 레이저는 비용이 더 많이 들지만 뛰어난 빔 품질과 초점성을 제공합니다. Integrated Optics는 수요가 많은 애플리케이션을 위한 파이버 결합 솔루션과 함께 다양한 콜리메이션 옵션을 제공합니다. 궁극적으로 다이오드와 DPSS 레이저 중에서 선택할 때는 빔 품질, 초점성 및 예산 제약과 같은 요소를 고려해야 합니다.
