CO2레이저

본문내용

관 중심을 통과하도록 조정한다. 이때 레이저광이 방전관 벽에 부딪히지 않도록 주의해야한다. 출력경 반대쪽 방전관에 전반사거울을 달고 반사한 광이 입사광과 일치하도록 조절나사를 조절하고 출력경(반투과 거울)을 달고, 전체적으로 광축이 일치하도록 조정한다. 그리고 진공펌프를 가동시켜 방전관 내부의 공기를 빼내고 다시 한 번 출력경의 평행성을 정밀하게 맞추었다.
냉각수는 관 외부를 흐르도록 수돗물을 틀어주고 기체 밸브를 열어 유량을 조절하면서 기체 혼합비를 맞춘 후 방전관으로 흐르게 한다. 혼합기체의 흐름이 안정이 되면 방전관에 전원을 공급하였다. 탄산가스레이저 발진이 성공적으로 이루어지면, 기체의 혼합비를 바꿔가면서 출력을 측정하였다. 일정한 출력이 유지되면 스펙트럼 분석장치를 이용하여 레이저의 파장을 측정하였다.
4. 실험결과
4.1. 출력측정
본 실험에서 제작된 cw CO2 레이저는 CO2 분자의 진동-회전 준위사이의 천이에 의하여 발진되는데 그 출력은 입력전류 및 전압, 기체혼합상태, 기체유입량, 내부압력 등의 여러 가지 요소에 의해 변한다.
전원의 안전성과 편리성을 위해 교류전원 15kV, 80mA의 트랜스를 이용하여 방전을 시도하였고, 이에 따라 가스혼합비와 유입량에 따른 실험을 하였다.
초기 실험에서 방전전압 15kV, 방전전류 40mA, 관내압력 10torr영역에서 레이저 출력이 안정되게 나왔으며, 이에 대한 기체 혼합비에 따른 출력상태는 다음과 같다.
표 1. CO2 , N2 유량을 10 cc/min 고정 후 He 유량 변화에 따른 레이저 출력값
No.
CO2 , N2 유량을 10 cc/min 고정, He의 유량의 따른 출력
He(cc/min)
출력(W)
1
20
11
2
40
13
3
60
17
4
80
25
5
100
20
이러한 실험 결과를 통하여 CO2 레이저 빔의 최대출력은 25W로 최대효율은 4.2%이다.
그림 8. CO2 , N2 유량을 10 cc/min 고정 후 He 유량 변화에 따른 레이저 출력
4.2. 파장 측정
CO2 레이저의 파장은 이론적으로 9.6㎛와 10.6㎛의 적외선 영역인데, 10.6㎛영역이 지배적이고 9.6㎛도 방출되는 것으로 되어 있다. 본 실험에서는 10.6㎛의 파장이 측정 되었다.
0001 - 0200 0001 - 1000
그림 9. CO2 레이저 빔 분석장치의 형광스크린에 나타난 스펙트럼
4.3. CO2 레이저빔의 모드 측정
CO2 레이저의 출력을 측정하는 과정에서 CO2 레이저의 발진모드, 즉 TEM00, TEM01, TEM10 모드가 관측되었다.
그림 10. TEM00 mode
그림 11. TEM01 Mode
그림 12. TEM10 Mode
5. 결론
60Hz의 교류전원을 이용한 레이저 발진에서 방전전압 15kV, 방전전류 40mA 및 관내압력이 10torr영역에서 레이저의 출력이 안정되었다. 레이저 발진을 위한 전반사 거울은 반경 5m인 금도금 거울이며, 반 반사 출력경은 20% 투과율을 갖는 ZnSe 거울을 사용하였다. 이 때 적절한 혼합기체의 유량비는 CO2 : N2 : He = 1 : 1 : 8 이었으며, 레이저의 최대 출력은 25 W로 최대 효율은 4.2%였다. 스펙트럼 분석장치로 레이저 빔의 파장을 측정한 결과 10.6㎛의 파장을 측정할 수 있었으며, 이에 따른 출력을 측정하는 과정에서 CO2레이저의 세가지 발진모드인 TEM00, TEM01, TEM10 모드를 관찰할 수 있었다. 지금까지 습득한 레이저의 이론 및 실험결과들을 분석해 봄으로써 레이저 출력 개선 및 이용에 대한 기술을 경험을 얻을 수 있었다. 이러한 과정을 통해서 보다 효율적이고 출력이 높은 레이저 장비로 개발하여 활용하는 것이 앞으로의 연구과제이다.
6. 참고문헌
1. 김병태, 레이저 공학, 상학당(1994)
2. 송강철, 응용 레이저 가이드, 기전연구소(1993)
3. 유종인, 유연석 공저, LASER 입문, 청범출판사(1993)
4. 장준성, 새물리, Vol.20, No.3 (1980) p.145
5. 이인원, 새물리, Vol.21, No.4 (1981) p.226
6. A.J.Beaulieu, Appl. Phys. Lett., Vol.16 (1970) p.504
Study on the Lasing Conditions and Power Characteristics of CO2 Laser

Beam power was measured according to the gas mixing ratios for finding the lasing conditions and power characteristics of CO2 laser. Discharge tube is 20-mm diameter, 126-cm long and has two electrodes at each end. Lasing tube is composed of the double tube with water tube outside the discharge tube. The cooling water prevents the discharge tube from rising temperature.
Specification of power supply is 15kV, 80mA and 60Hz. Laser beam was stable when discharge voltage, current were 15kV, 40mA and pressure was 10torr. Radial curvature of gold coated total reflector is 5meter. Partial reflector of ZnSe mirror has 20% transmittance.
Optimized gas mixing ratios were CO2:N2:He = 1:1:8. Maximum power of the CO2 laser was 25W, max. efficiency is 4.2%. Wavelength of the laser beam was measured 10.6μm by the spectrometer.
Key words : CO2laser, lasing, lasing mode

키워드

CO2레이저,   레이저,   CO2,   이산화탄소,   탄산가스레이저,   레이저출력,   레이저파장,   레이저발진