[보고서]박판 spot welding system용 출력 확장형 6kW급 준연속 레이저 개발

정훈

보고서 정보

주관연구기관

한국생산기술연구원
Korea Institute of Industrial Technology

연구책임자

정훈

보고서유형

최종보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2017-10

과제시작연도

2016

주관부처

산업통상자원부
Ministry of Trade, Industry and Energy

등록번호

TRKO201800040103

과제고유번호

1415148047

사업명

신성장동력장비경쟁력강화

DB 구축일자

2018-10-13

키워드

고출력 준연속 레이저.최대펄스에너지.펌프광 결합기.시그널 광 결합기.스팟용접.

표 Spot welding을 위한 준연속 광섬유 레이저 구성도
표 6 kW급 고출력 준연속 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 고출력 산업용 레이저와 신성장동력 산업과의 연관성
표 고출력 광섬유 레이저 구성도
표 ETRI 보유중인 coupler station 모습
표 펌프광 결합기 구조도, 회색부분은 double clad fiber
표 AOM 기반 MO 구조도
표 AOM 기반 pulse profile control 순서도
표 Low power Pump Combiner의 패키지 디자인 및 제작모형
표 고체 레이저 시스템인 Nd:YVO4 MOPA에서 씨앗 레이저 모양(윗 그림)에 따른 최종 출력 레이저빔 모양(아랫 그림)의 전산 묘사 결과.
표 19″rack에 패키징 된 고출력 광섬유 레이저 시스템의 예.
표 광섬유간 Closed packaging이 되도록 기존 Jig 재설계
표 펌프광 투과 파워 및 펌프광 손실 측정 방법
표 MOPA system의 temporal pulse 조절 방법
표 연속 스텝 형태의 펄스 작동을 위한 씨앗 신호의 모양
표 Signal combiner를 통한 고출력 광섬유 레이저 시스템 개념도
표 Signal combiner의 개략도
표 고출력 레이저 인가 후 출력 레이저 파워 및 빔 품질 측정
표 MOPA system의 펄스 프로파일 조절 방식
표 펌프광 투과 파워 및 출력 안정도 측정 방법
표 준연속발진 레이저에서의 burst mode
표 비선형광학 결정을 이용한 레이저 파장변환
표 고출력 광섬유 레이저 시스템
표 Signal combiner 제작 개념도
표 Signal Beam Combiner의 도면과 예배 패키징 모습
표 빔 결합기 최종 출력단 모습
표 고출력 광섬유 레이저 개념도
표 짧은 파장(~1030 nm)의 Yb 광섬유 레이저로 다시 Yb 광섬유 레이저를 펌핑하는 Tandem 펌핑 Yb 광섬유 레이저 개략도
표 Yb 광섬유 레이저와 Er,Yb 광섬유 레이저를 이용한 합주파수 파장 변환 실험 구성도
표 고출력 광섬유 레이저 시스템
표 Signal combiner 개념도
표 향상된 QBH 기반 빔 결합 패키지 제작
표 고출력 Pump power 광 특성 측정
표 Signal 광 특성 측정
표 광섬유 길이에 따른 광섬유 레이저 출력 변화
표 20 W 및 1000 W의 펌핑 파워가 광섬유에 입사될 때 100 mW와 10 W의 씨앗 레이저에 대한 광섬유 길이에 따른 최종 출력 기대치
표 1000 W의 펌핑 파워가 3 m의 광섬유에 입사될 때 씨앗 레이저의 크기에 따른 최대 출력 기대치
표 사각 펄스 형태의 최종 출력을 얻기 위한 입사 씨앗 레이저 신호의 시간적 변화.
표 50 W(왼쪽), 200 W(오른쪽)가 펌핑된 Yb 광섬유에 그림 4의 씨앗 신호를 입력하였을 때 최종 출력 모양
표 50 W가 펌핑되는 광섬유에서 씨앗 레이저 신호의 증폭 시 펄스 전후 광섬유에 저장되는 에너지의 시간적 변화
표 200 W가 펌핑되는 광섬유에서 씨앗 레이저 신호의 증폭 시 펄스 전후 광섬유에 저장되는 에너지의 시간적 변화
표 펌프광 결합기 구조도, 회색부분은 double clad fiber
표 Pump combiner에서 BPP 관계에 대한 계략도
표 Pump Combiner 제작을 위한 광섬유 테이퍼링 장치
표 광섬유 다발에서 장축방향 광섬유 수에 따른 광섬유 총 합과의 관계
표 테이퍼 된 7가닦의 광섬유 다발의 단면 모습.
표 좌) 스플라이싱 장비에서 융착 전 모습, 우) 패키징 후 펌프광 결합기 모습
표 펌프광 투과 파워및 펌프광 손실 측정 셋업
표 신호광 손실 측정 셋업
표 6+1 by 1 combiner 제작 결과 및 패키징 모습.
표 Package #4의 단면모습과 융착 전 모습
표 Package #5의 단면모습과 융착 전 모습
표 Package #4의 포트별 투과 파워 및 삽입손실
표 19 by 1 다발의 단면 모습
표 19 by 1 광섬유와 250 um DCF와 융착전과 후의 모습
표 18+1 by 1 pump
표 18+1 by 1 pump combiner 의 패키징 모습
표 신호광 손실 측정 방법
표 18개의 포트에 광 입사후 출력되는 광 투과 파워 및 광손실 특성
표 Epoxy curing test
표 Pump Combiner 7 by 1 예시도
표 열 보호 패키지 상/하 Block
표 Thermal Cycling. Temperature : -40℃~85℃(GR 326 기준 –40℃~70℃), Humidity : uncontrolled, Duration: 21 cycles, 168hr (7days)
표 Chamber Test
표 투과율 특성 비교 측정 결과
표 Seed laser 구성도
표 Passive fiber가 없을 때의 레이저 특성.
표 (a) CW laser self-pulsation 현상, (b) self-pulsation suppression 후 레이저 출력
표 Passive fiber SMF-1000 1km 추가 후 레이저 특성,
표 (a) Laser without SMF-1000 1km에 500Hz 사각파를 걸어 주었을때(b) Laser with SMF-1000 1km에 500Hz 사각파를 걸어 주었을때
표 (a) Laser without SMF-1000 1km에 500Hz 계단파를 걸어 주었을때(b) Laser with SMF-1000 1km에 500Hz 계단파를 걸어 주었을때
표 일반 연속 발진 광섬유 레이저 출력의 시간적 변화를 빠른 반응 속도의 광디텍터로 측정한 결과
표 자발 펄스 발생을 억제하여 안정된 출력을 얻는 실험의 기본 구성도
표 본 기술을 통해 자발 펄스 발생이 억제되었을 때와 되지 않았을 때의 출력의 시간적 비교
표 레이저 시스템으로부터 나온 출력의 시간적 변화
표 인가된 RF 신호에 따른 광신호의 출력 변화
표 Transfer Function block diagram
표 원하는 계단파를 얻기 위한 Matlab code
표 Matlab으로 계산된 RF 신호입력와 Optical 신호
표 (a). 사각 펄스 형태의 최종 출력을 얻기 위한 입사 씨앗 레이저 신호 (b). 그림 41의 출력신호를 얻기 위한 AOM 입력 신호(붉은선) 및 이를 가하여 얻은 광출력 신호파형
표 신호 발생기의 개략도
표 삼각파발생기의 개략도
표 저항값의 변화로 주파수 조정
표 적분기
표 삼각파 발생
표 Pulse Width Modulator
표 저항값의 변화에 따른 pulse duty 조절
표 신호발생기 설계
표 펄스 반복률을 10Hz~ 500Hz까지 변화
표 펄스폭 0.2 ms에서 10 ms까지 제어
표 반복률 100Hz의 계단파 펄스 스텝제어
표 제작한 레이저 다이오드 드라이버
표 수냉 plate와 heatsink
표 Dummy load
표 LD driver 구성
표 제작한 LD driver의 전류 상승 특성
표 제작한 LD driver의 전류 하강 특성
표 준연속 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 준연속 광섬유 레이저 시스템
표 10 Hz, 10 ms 펄스 파형 (왼쪽), 500 Hz, 0.2 ms 펄스 파형 측정 결과
표 펌프광원의 변조특성. 좌측부터 펌프광원을 10 ms, 2 ms, 1 ms, 0.2 ms의 펄스폭으로 구동하였을 때 측정된 펄스 파형
표 HI1060의 mode profile (왼쪽), HI1060으로 thermal expanded core를 제작하여 측정한 mode profile (중앙), HI1060으로 thermal expanded core를 잘못 제작한 경우 (오른쪽)
표 High index epoxy로 제작한 pump dump.
표 2차 증폭단의 CW 출력특성
표 2차 증폭단에서 측정한 optical spectrum
표 CW 레이저 출력 실험. 측정된 최대출력은 102 W임
표 레이저 평균출력과 펄스폭 실험
표 10 ms, 50% duty cycle에서 평균출력 특성
표 Input electric pulse(Ch1)와 output optical pulse(Ch2)
표 Pulse delay board를 사용하여 나오는 출력 파형.
표 다양한 출력파워에서의 펄스파형
표 스텝 형태의 펄스 레이저 발진
표 (a) 펌프 세기 변조와 (b) 그에 따른 증폭 레이저 출력의 시간적 변화
표 (a) 연속적인 스텝 형태의 펌프 세기 변조와 (b) 그에 따른 증폭 레이저 출력의 시간적 변화
표 광섬유 증폭단에 50 W의 펌프광을 10 ms 동안 입사시키면서 직사각형 형태의 2 W의 씨앗빔을 입사시킬 때 씨앗빔의 주기에 따른 증폭단의 변화
표 직사각형 모양의 증폭 레이저 출력을 얻기 위한 씨앗빔의 시간 프로파일
표 펄스 반복률 및 펄스폭에 따른 씨앗빔의 시간 제어 및 증폭 출력 신호
표 반복률 100Hz의 계단파 펄스 스텝제어
표 AOM 제어 신호에 따른 PA 출력단에서의 펄스 파형 변화
표 자발 펄싱을 제거한 출력 안정화 시스템
표 일반적인 광섬유 레이저 출력과 출력 안정화 FP 외부 공진기를 설치했을 때 출력
표 흡수 펌프광 세기에 따른 광섬유 레이저 출력과 각 출력별 시간 안정도
표 광섬유 FBG를 사용한 FP 외부 공진기를 사용한 광섬유 레이저 개략도
표 광섬유 다발의 절단면 모습.
표 제작된 광섬유 다발의 융착 전 (좌) 융착후 (우) 모습.
표 패키징 과정 및 패키징 후 모습.
표 신호광 손실측정을 위한 프리셋업.
표 신호광 손실 셋업
표 광섬유 다발의 모습.
표 제작된 광섬유 다발의 융착 전 (좌) 융착후 (우) 모습.
표 제작된 광섬유의 패키징 모습.
표 신호광 손실 측정 셋업.
표 펌프광 포트 손실 측정을 위한 셋업.
표 제작된 펌프광 결합기의 투과파워 및 손실
표 제작된 광섬유 다발의 절단면 모습.
표 제작한 광섬유 다발의 융착 전후 모습.
표 제작된 19 by 1 펌프광 결합기의 패키징 모습.
표 19 by 1 펌프광 결합기의 신호광 측정 셋업
표 펌프광 투과 파워 측정 셋업.
표 포트별 펌프광 투과 파워 측정 셋업.
표 제작된 19by 1 광섬유 다발의 모습.
표 광섬유 다발과 400 um 출력 광섬유 간의 융착 모습.
표 TEC 기반 19 by 1 펌프광 결합기의 신호광 측정 셋업.
표 19 by 1 결합기의 펌프광 투과 파워 및 손실
표 항온 항습 신뢰성 시험
표 진동 시험
표 UV Epoxy 경화기 거치대 사진
표 UMI 7xxx 보드
표 Gas Control system
표 준연속 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 제작한 준연속 광섬유 레이저 시스템
표 Yb 여기의 정도에 따른 gain spectrum
표 씨앗 레이저의 출력 특성
표 펌프광원의 변조특성. 좌측부터 펌프광원을 10 ms, 1 ms, 0.2 ms의 펄스폭으로 구동하였을 때 측정된 펄스 파형
표 실험에서 사용한 증폭단의 구조
표 Yb 첨가 광섬유 한쪽에 입사되는 10% duty cycle로 동작하는 펌프광원의 출력
표 증폭단에 사용된 Yb 첨가 광섬유를 4% cavity 구성하여 측정한 laser spectrum
표 250 um 직경의 광섬유를 125 um로 tapering 한 결과
표 MFA output에서 측정한 mode profile
표 Fiber end cap 유무에 따른 레이저 빔 특성
표 제작된 광섬유 end cap
표 고출력 광섬유 레이저 시스템의 CW 출력 특성
표 씨앗 레이저와 최대 CW 출력에서 측정한 optical spectrum
표 레이저 평균출력과 펄스폭 실험
표 10 ms, 10% duty cycle에서 평균출력 특성
표 10 ms, 10% duty cycle로 동작하는 광섬유 레이저의 펄스파형 특성
표 Gaussian beam의 특성
표 최대 출력파워에서 측정한 M2 결과
표 광섬유 오실레이터 구조에서 1 kW의 펌프빔이 주어질 때 광섬유 위치별 출력 특성
표 광섬유 MOPA 구조에서 10 W의 시그널빔이 입사된 광섬유에 1 kW의 펌프빔이 주어질 때 광섬유 위치별 출력 특성
표 코어 직경 20 μm, 클래딩 직경 400 μm, NA 0.07의 광섬유에서 전파할 수 있는 모드의 종류 및 각 모드의 지름 위치에 따른 세기 분포
표 (a-c) 1~5 W의 저출력에서 나타나는 여러 가지 레이저 출력빔 모양 (d-f) 10 W 이상 고출력에서 출력빔의 대표적 모양들(10~30 W). 광섬유에 압력과 휨을 주면서 CCD 카메라로 측정함. 10 W 이상에서는 출력빔의 모양은 위 그림에서 크게 벗어나지 않음.
표 2차년도에 수행한 고출력 준연속 광섬유 레이저 시스템 구조
표 Yb 여기의 정도에 따른 gain spectrum
표 레이저 드라이버 전류측정 사진
표 정류 다이오드를 이용한 드라이버 테스트 모습
표 5A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 10A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 15A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 레이저 다이오드 냉각모듈 설계도
표 펌프광원의 변조특성.
표 Yb 첨가 광섬유 한쪽에 입사되는 10% duty cycle로 동작하는 펌프광원의 평균출력
표 Yb 첨가 광섬유의 최적 출력 파장을 측정하기 위한 실험 setup
표 증폭단에 사용된 Yb 첨가 광섬유를 4% cavity 구성하여 측정한 laser spectrum
표 MOPA 방식의 고출력 준연속 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 MOPA에서 사용한 씨앗광원의 특성. Slope efficiency ~ 56.8%
표 씨앗광원의 출력안정도.
표 MOPA 시스템의 CW 출력 특성
표 레이저 평균출력과 펄스폭 실험
표 MOPA 시스템의 QCW 출력특성.
표 MOPA 시스템의 oscilloscope 측정결과.
표 Cavity 방식의 고출력 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 Cavity 시스템의 출력특성
표 Cavity 시스템의 monitoring port 출력특성
표 Gaussian beam의 특성
표 최대 출력파워에서 측정한 M2 결과
표 고출력 광섬유 레이저 시스템 기구물 설계도
표 제작된 1.5 kW급 고출력 광섬유 레이저 시스템
표 출력 안정화 광섬유 레이저 시스템 개략도
표 수동 광섬유 길이에 따른 광섬유 레이저 출력의 시간적 변화
표 수동 광섬유 끝에 고반사율 거울이 없을 때와 밀착시켰을 때 출력 안정도의 변화
표 자발 펄싱이 제거된 광섬유 레이저 출력
표 BPP에 대한 설명도.
표 7 by 1 신호광 결합기의 단면도
표 7 by 1 신호광 결합기의 융착 전후 모습.
표 포트별 손실 측정 셋업.
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 7 by 1 signal combiner의 M2 측정결과
표 3 by 1 신호광 결합기의 단면도.
표 3 by 1 신호광 결합기의 융착 전후 모습
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 3 by 1 signal combiner의 M2 측정결과
표 4 by 1 신호광 결합기의 단면도.
표 4 by 1 신호광 결합기의 융착 전후 모습
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 4 by 1 signal combiner의 M2 측정결과
표 광섬유 융착 전 및 후 모습. 그리고 패키징 한 모습.
표 W급 레이저 인가시 출력단 광손실 측정 셋업
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 신호광 결합기용 700W급 패키지 도안
표 레이저 출력결합 테스트 사진
표 Signal combiner를 통해 결합된 고출력 준연속 광섬유 레이저 특성평가 결과
표 피크파워가 ~30W 되는 공진기 구성도 및 AOM을 이용한 펄스 쉐이핑 개략도.
표 공진기 구성시 필요한 FBG 투과 스펙트럼
표 공진기 출력 스펙트럼.
표 공진기 펌프레이저 전류제어와 AOM 동시제어에 의한 펄스 쉐이핑 실험 셋업.
표 펄스 반복률 제어 실험결과
표 반복률 500Hz의 펄스 스텝 제어
표 (a) 500Hz, (b) 250Hz, (c) 100Hz에서 계단파 펄스열 생성 결과
표 고출력 공진기 개요.
표 FBG 제작 셋업.
표 20/400 광섬유로 자체 제작한 FBG 투과 스펙트럼.
표 TEC 제작
표 7(6+1) by 1 광섬유 다발 단면
표 19(18+1) by 1 광섬유 다발 단면
표 7(6+1) by 1 Combiner 측정
표 19(18+1) by 1 Combiner 측정
표 광섬유 다발 융착 전/후
표 Combiner 패키지
표 열 보호 패키지 케이스 도면
표 열 보호 패키지 케이스
표 Welding system 도면
표 Cu foil에 spot welding 테스트 결과
표 내부 공진기 증폭형 Yb 광섬유 레이저 파장 변환 기술을 이용한 녹색 레이저 발진
표 내부공진기 증폭형 Yb 광섬유 레이저 시스템에서 측정한 Yb 광섬유 레이저에 입사된 다이오드 레이저 입력 대비 녹색 레이저 출력.
표 광섬유 오실레이터 구조에서 1 kW의 펌프빔이 주어질 때 광섬유 위치별 출력 특성
표 광섬유 오실레이터 구조에서 1 kW의 펄프빔이 10 Hz, 10 ms으로 주어질 때의 출력 특성
표 코어 직경 20 μm, 클래딩 직경 400 μm, NA 0.07의 광섬유에서 전파할 수 있는 모드의 종류 및 각 모드의 지름 위치에 따른 세기 분포.
표 제작한 레이저 드라이버 사진
표 레이저 드라이버 전류측정 사진
표 정류 다이오드를 이용한 부하 모습
표 5A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 10A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 15A, 10% duty cycle 테스트 결과
표 레이저 다이오드 및 광학 부품 냉각 판 설계도
표 펌프광원의 변조특성.
표 Yb 첨가 광섬유 한쪽에 입사되는 10% duty cycle로 동작하는 펌프광원의 평균출력
표 Yb 첨가 광섬유의 최적 출력 파장을 측정하기 위한 실험 setup
표 증폭단에 사용된 Yb 첨가 광섬유를 4% cavity 구성하여 측정한 laser spectrum
표 Cavity 방식의 고출력 광섬유 레이저 시스템 구성도
표 공진기 구조의 준연속 광섬유 레이저 출력특성
표 준연속 광섬유 레이저 출력단에서의 optical spectrum과 temporal characteristic 측정 결과
표 제작한 4 대의 QCW 광섬유 레이저의 출력특성 비교
표 고출력 광섬유 레이저 시스템 기구물 설계도
표 4대의 QCW 레이저, 레이저 드라이버 및 signal combiner를 19“ rack에 설치한 사진
표 4차년도 빔 결합기 구성도.
표 에칭 시간에 따른 광섬유 외경 변화
표 에칭된 광섬유 모습
표 70 um 광섬유를 4가닥으로 묶을 경우 크기는 170 um 코어간 간격 최대값은 119 um.
표 출력광섬유의 스펙과, 광섬유 단면
표 100/140/500 광섬유 기반 QBH 커넥터 모습.
표 QBH와 빔 결합기가 장착될 전체 빔 결합기 패키지 모습
표 제작한 빔 결합기를 넣고 패키징한 모습.
표 제작된 빔 결합기 패키지와 외부에 네 개의 20/400 광섬유와 한 개의 QBH 광섬유가 연결된 모습
표 제작된 4by1 빔 결합기의 출력 광섬유 연결전 단면 모습
표 광섬유 다발과 출력광섬유간 융착 전후 모습
표 빔 결합기의 출력 광섬유와 QBH 광섬유간의 연결 부분.
표 빔 결합기 패키지의 광손실 측정 셋업.
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 제작된 QBH기반 빔 결합기의 빔품질 측정 셋업과, 측정 결과
표 광섬유다발과 출력광섬유간 융착 접속 전후와 패키징 모습.
표 제작된 신호광 결합기의 투과파워 및 손실
표 Signal combiner의 CW 출력 특성
표 Signal combiner를 통해 결합된 고출력 준연속 광섬유 레이저 출력특성 평가결과
표 6 kW급 출력확장형 광섬유 레이저의 출력 펄스 모양의 예
표 FBG 제작 개요도.
표 수소처리 과정
표 첩광섬유격자를 제작하는 과정
표 제작된 광섬유격자의 어닐링 전 후의 스펙트럼.
표 LMA-GDF-20/400-M를 이용한 첩 광섬유 브래그 격자 반사율 스펙트럼.
표 PS-GDF-20/400-M를 이용한 고반사율 광섬유브래그 격자의 반사스펙트럼.
표 PS-GDF-20/400-M를 이용한 저반사율 광섬유브래그 격자의 반사스펙트럼.
표 4# Axis 모터 드라이버 및 Stage 기구물 설계
표 Fiber Tapering Test
표 Fiber Tapering 제작 조건 설정 Fiber 사양
표 7(6+1) by 1 Tapering 125 & 250um 조건 설정 단면형상
표 19(18+1) by 1 Tapering 400um 조건 설정 단면형상
표 파이버 다발 정렬 불량 단면 형상
표 파이버 다발 Bubble & Crack 불량 단면 형상
표 파이버 다발 측면 불량형상

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