공장의 레이저 절단기를 떠올려 봅시다. 빛을 만드는 레이저는 바닥의 상자 안에 있고, 빛을 내보내는 헤드는 떨어진 로봇 팔 끝에서 움직입니다. 둘 사이를 잇는 것은 굵은 호스처럼 생긴 케이블 한 가닥입니다. kW급 빛이 이 케이블을 지나 유리 끝을 떠나는 자리는 어떻게 생겼을까요?

케이블 양 끝에는 커넥터가 있고, 빛이 마지막으로 거치는 곳은 출력 헤드입니다. 이 글은 커넥터 안에 무엇이 들었는지, 출력 헤드가 퍼지는 빛을 어떻게 다시 모으는지, 이런 부품의 모양이 어떻게 표준으로 굳었는지를 봅니다.

레이저 상자에서 가공 헤드까지

광섬유 레이저(fiber laser)의 빛은 처음부터 유리 가닥 안에 있습니다. 유리 광섬유는 가운데 코어(core)의 굴절률이 높고 둘레 클래드(cladding)의 굴절률이 낮습니다. 빛은 클래드와의 경계에서 전반사되어 코어에 머물고, 그래서 적은 손실로 나아갑니다. 케이블이 휘어도 빛이 그 길을 따라가는 까닭입니다.

산업 현장에서는 이 성질을 그대로 씁니다. 레이저 안에서 나온 전달 광섬유(feeding fiber)가 공정 광섬유(process fiber) 케이블로 이어지고, 그 끝의 출력 헤드가 가공물에 빛을 보냅니다. 고출력 케이블은 거친 산업 환경을 견디도록 호스를 보강해, 움직이는 로봇 작업에도 씁니다.

레이저 상자에서 가공물까지 빛이 가는 길을 블록으로 그린 그림. 레이저 상자에서 전달 광섬유가 나와 결합 장치(있을 수도 없을 수도 있음)를 지나고, 양 끝에 커넥터가 달린 공정 광섬유 케이블이 출력 헤드로 이어진다. 출력 헤드에서 빔이 아래의 가공물로 나간다. 점선은 안전 인터록 회로가 케이블을 거쳐 레이저로 돌아가는 것을 나타낸다. 헤드는 로봇 팔에 달릴 수 있다는 메모가 있다. 값은 없다
레이저 상자에서 가공물까지 빛의 길. 결합 장치는 쓰지 않는 구성도 있고, 블록의 크기와 간격은 실제 배치가 아닙니다 (도표)(도표)

끝면이 약한 고리인 까닭

빛이 유리 안에 있는 동안은 비교적 편합니다. 문제는 끝입니다. 광섬유가 끝나는 면에서 빛은 유리를 떠나 공기로 나가야 하고, 이 끝면은 유리 몸체보다 다치기 쉽습니다.

NKT Photonics의 응용 노트는 끝면이 대개 더 약하고, 끝면의 고르지 않음이나 거칠기, 먼지가 레이저 유도 손상 문턱(laser-induced damage threshold, LIDT)을 크게 낮춘다고 적습니다. 끝면은 흠과 오염이 생기지 않게 조심해서 다뤄야 합니다. 이 노트가 다룬 것은 펄스 레이저의 끝면이지만, 공장에서 케이블을 꽂고 빼는 커넥터가 먼지와 흠에 늘 노출된다는 점은 어디서나 같습니다.

끝면에서 빔을 넓히면 끝면이 더 견딜 수 있고, 엔드캡이 그 방법의 하나입니다. 엔드캡이 빔을 넓혀 끝면이 받는 세기를 낮추는 원리는 펌프·신호 결합기와 엔드캡 글에 있습니다. 고출력 커넥터는 이 유리 덩어리를 품고 있습니다.

커넥터 안에 든 것

커넥터를 반으로 잘라 보면 세 가지 일이 한곳에 모여 있습니다. 빔을 넓혀 내보내는 유리, 원치 않는 빛을 걷어 내는 구간, 그 빛이 만든 열을 빼는 냉각입니다.

첫째는 유리 블록입니다. Coherent는 커넥터 안의 석영 블록이 고출력을 견디는 힘을 더 키우고, 그 면을 가시광과 근적외선의 흔한 파장에 맞춰 무반사 코팅(anti-reflection coating)할 수 있다고 설명합니다. 데이터시트의 특징 목록에도 무반사 코팅한 엔드캡이 있습니다. kW급 빔 전달용 엔드캡도 흡수가 낮은 유리와 코팅으로 만듭니다.

둘째는 클래드 빛 제거기(mode stripper)입니다. 코어 밖 클래드로 새어 흐르는 빛은 빔을 흐립니다.

커넥터 안의 제거기가 걷어 내는 빛은 셋입니다. 쓰이지 않은 펌프 빛, 정렬이 어긋나 클래드로 들어갔을 수 있는 레이저 빛, 가공물에서 되돌아온 빛입니다. 이 빛을 걷으면 빔이 깨끗해져 가공면에 더 잘 모입니다. 제거기의 원리는 「클래드 광 제거기: 쓰고 남은 펌프 빛은 어디로 버릴까」 글에서 다룹니다.

고출력 광섬유 커넥터 안을 개념으로 자른 그림. 왼쪽에서 호스 안의 광섬유가 들어온다. 제거기 구간에서 클래드의 빛이 광섬유 밖으로 빠져나가 열이 되고, 그 열은 광섬유에 닿지 않는 냉각수가 가져간다. 코어의 빛은 오른쪽의 유리 블록(엔드캡)으로 들어가 그 안에서 넓어진 뒤 무반사 코팅한 면을 지나 출력 헤드 쪽으로 나간다. 커넥터는 원뿔 모양 자리에 앉고 위쪽에 인터록 접점이 있다. 치수와 값은 없다
커넥터 안의 세 가지 일: 클래드 빛을 걷어 열로 내보내기, 유리 블록 안에서 빔을 넓혀 내보내기, 인터록 회로 잇기. 부품의 모양과 순서는 제품마다 다르며 축척이 없는 개념도입니다 (도표)(도표)

셋째는 냉각입니다. 걷어 낸 빛의 에너지는 커넥터 안에 남으니 어딘가로 빼내야 하고, 그래서 열 관리(thermal management)가 커넥터의 큰 몫이 됩니다. Coherent는 QBH 커넥터를 물로 식혀, 커넥터에서 잃는 빛의 출력을 견디는 힘을 키웠다고 설명합니다. 출력이 낮은 체계를 위한 공랭형(RQB)도 있습니다.

2021년에 나온 설계는 냉각수가 광섬유에 직접 닿지 않는 간접 수냉이라서, 냉각수 수질에 대한 요구가 느슨해졌다고 회사는 밝힙니다. 2017년 공랭형 발표 자료에는 과열을 막는 온도 스위치가 커넥터에 들어 있다고 적혀 있습니다.

안전 인터록: 광섬유가 제자리에 있는지 살피기

커넥터는 빛만 지나는 길이 아닙니다. 전기 회로도 함께 지납니다. 그 회로가 안전 인터록입니다.

미국 연방 규정 21 CFR 1040.10은 안전 인터록을 레이저 제품의 보호 덮개에 딸려 사람이 지나친 복사에 닿지 않게 하는 장치로 정의합니다. 이 규정은 레이저 안전 등급(laser safety class) 3b·4등급 레이저 체계에 원격 인터록 커넥터를 두도록 합니다. 이 커넥터의 단자가 전기로 이어져 있지 않으면, 1등급 한계를 넘는 레이저 복사에 사람이 닿지 못해야 합니다. 등급의 뜻은 레이저 안전: 등급과 보안경 읽는 법 글에 있습니다.

규정의 이 정의는 보호 덮개와 원격 인터록 단자에 관한 것입니다. 광섬유 커넥터에는 제조사가 따로 넣은 인터록 회로가 있습니다. Coherent의 받침(receiver)은 케이블 커넥터를 제자리에 잠그면서 광섬유 안전 인터록 회로를 저절로 물립니다. 2017년 발표 자료는 이 인터록이 광섬유의 상태를 계속 살핀다고 적었습니다.

빛으로 살피는 장치도 있습니다. QD라는 커넥터에는 광다이오드가 들어 있어, 들어가는 쪽에서 빛이 제대로 결합되지 않아 생기는 손실과 나가는 쪽에서 가공물이 되돌려 보낸 빛을 알아챌 수 있다고 회사는 설명합니다.

출력 헤드: 퍼지는 빛을 다시 모으기

커넥터를 떠난 빛은 크게 퍼지며 나옵니다. 이 빛을 가공물 위의 작은 점으로 다시 모으는 것이 출력 헤드의 일입니다. 광학 부품 업체 Ophir의 설명에 따르면 광섬유 빔 전달계의 출력 광학 묶음은 보통 콜리메이팅 렌즈, 집속 렌즈, 보호 창으로 이루어집니다.

콜리메이팅 렌즈는 광섬유에서 크게 퍼져 나오는 빛을 받아 퍼짐을 줄인 평행 빔으로 만듭니다. 집속 렌즈는 이 평행 빔을 모아 광섬유 끝면의 상을 맺습니다. 렌즈 자체가 하는 일은 거울, 렌즈, 코팅 글에서, 빔을 곧게 펴는 부품은 「콜리메이터와 빔 익스팬더: 빔을 곧게 펴고 넓히기」 글에서 볼 수 있습니다.

출력 헤드 안을 옆에서 본 개념 그림. 왼쪽 광섬유 끝에서 빛이 퍼져 나오고, 콜리메이팅 렌즈가 이를 평행 빔으로 만들고, 집속 렌즈가 빔을 오른쪽 가공물 위의 한 점으로 모은다. 집속 렌즈와 가공물 사이에 보호 창이 있고, 가공물 쪽에서 부스러기와 연기가 보호 창으로 날아오는 화살표가 있다. 아래에는 모인 점이 광섬유 끝면의 상이라는 설명과 함께, 둥근 코어는 둥근 점, 네모 코어는 네모 점이 된다는 그림이 있다. 값은 없다
출력 헤드의 렌즈 두 장과 보호 창. 모인 점은 광섬유 끝면의 상이라서 코어 모양을 닮습니다. 렌즈 간격과 크기는 실제 값이 아닙니다 (도표)(도표)

모인 점이 끝면의 상이라는 말에는 뜻이 있습니다. 점의 모양이 코어의 모양을 닮는다는 것입니다. QBH 케이블에는 둥근 코어와 네모 코어가 있고, 네모 단면 코어를 고르면 위가 거의 평평한 네모 빔이 나온다고 2017년 발표 자료는 설명합니다.

마지막 부품인 보호 창은 소모품입니다. 노즐이 완벽하지 않아 부스러기, 연기, 튀는 물질이 렌즈까지 닿을 수 있습니다. 그래서 대부분의 광섬유 레이저 체계는 집속 렌즈 앞에 보호 창을 두어 렌즈와 금속판 사이를 막습니다. 이 창은 광섬유 레이저 체계에서 가장 많이 갈아 쓰는 광학 소자입니다.

광섬유를 바꿔 끼우는 장치

공정 광섬유는 바꿔 끼우는 부품이기도 합니다. 용도에 따라 다른 빔이 필요하고, 가공 현장에서 다칠 수도 있기 때문입니다. 그래서 레이저와 헤드 사이에 광섬유끼리 빛을 옮겨 주는 장치를 둡니다.

광섬유 결합 장치(coupler)는 흔히 가공으로부터 전달 광섬유와 레이저를 지키는 데 씁니다. 광섬유와 빔 전달 헤드 사이에 결합 장치를 두면, 용도에 맞게 빔 성질을 빨리 바꾸려고 광섬유를 갈아 끼우거나 망가진 광섬유를 바꾸기도 쉽습니다.

빔 전환기(beam switch)는 한 걸음 더 갑니다. 레이저 한 대가 여러 작업 자리의 공정 광섬유 여섯 가닥까지 빛을 보낼 수 있습니다. 시간을 나눠 쓰는 방식에서는 한 번에 빔 하나만 나가고, 에너지를 나눠 쓰는 방식에서는 레이저 에너지를 나눠 여러 자리에 동시에 보냅니다.

커넥터 모양이 서로 다를 때를 위한 케이블도 있습니다. 양 끝에 다른 커넥터를 단 혼합 케이블은, 서로 다른 광섬유 인터페이스를 쓰는 레이저 광원과 가공 헤드를 따로 어댑터 없이 잇습니다.

표준 인터페이스가 자리 잡은 흐름

혼합 케이블이 따로 있다는 것은 커넥터 모양이 여럿이라는 뜻이기도 합니다. 그 가운데 몇 가지가 업계의 공통 모양으로 굳었습니다.

가장 흔한 것이 QBH입니다. Coherent는 QBH 광섬유 케이블을 고출력 산업용 광섬유 레이저의 업계 표준 인터페이스라고 부르고, 검증된 설계라 전 세계의 여러 레이저 가공 체계·공구와 맞는다고 설명합니다.

2017년 보도자료에는 Coherent가 예전의 Optoskand AB였다고 적혀 있습니다. 같은 해에는 표준 QBH 인터페이스를 그대로 두고 공기로 식히는 케이블이 나왔습니다.

2021년에는 간접 수냉 설계가 나왔고, 회사는 이 설계로 적외선 광섬유 레이저와 쓸 때의 최대 정격을 연속파 15 kW로 올렸다고 밝혔습니다. 다른 모양인 QD는 유럽 자동차 업계의 표준 인터페이스 요구를 따르며, 데이터시트는 연속파 20 kW까지라고 적습니다. 커넥터 모양이 표준으로 굳으면 레이저를 만든 회사와 헤드를 만든 회사가 달라도 서로 맞물릴 수 있습니다.

같은 흐름은 고에너지 레이저(high energy laser, HEL) 쪽 부품에서도 보입니다. 독일 FiberBridge Photonics는 높은 광출력의 다중 빔 응용을 위한 1차원·2차원 광섬유 커넥터 배열을 내놓으면서, 채널마다 kW급이고 산업용 커넥터를 쓴다고 적습니다. 그 응용으로는 고에너지 레이저 펌핑, 결맞음 빔 결합(coherent beam combining, CBC), 분광 빔 결합(spectral beam combining, SBC)을 듭니다. 레이저 무기 한 대가 어떤 부품 사슬로 이루어지는지는 레이저 무기 한 대 따라가기 글에 있습니다.

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