레이저 빔 프로파일이란 무엇인가?
레이저 빔 프로파일링은 레이저 빔의 특성을 측정하고 분석하는 데 필수적인 도구입니다. 본 기사에서는 레이저 빔 프로파일링의 개념을 살펴보고, 레이저 빔 특성을 이해하는 것이 왜 중요한지 설명합니다. 또한 카메라, 센서, 소프트웨어를 포함한 다양한 레이저 빔 측정 및 분석 방법과 각 접근 방식의 장점과 한계를 다룹니다. 더 나아가 레이저 시스템 설계 및 제조부터 과학 연구와 의료 응용 분야에 이르기까지 레이저 빔 프로파일링의 다양한 활용 사례를 소개합니다. 레이저 분야의 초보자이든 숙련된 전문가이든, 레이저 빔 프로파일링에 대한 이해는 최적의 레이저 성능을 달성하고 레이저 기술의 잠재력을 최대한 활용하는 데 필수적입니다.
레이저 빔 프로파일이란 무엇인가?
레이저 빔 프로파일은 공간상의 특정 지점에서 레이저 빔의 강도 분포를 측정한 것입니다. 이 프로파일은 레이저 빔 프로파일러라는 장치를 사용하여 측정할 수 있으며, 이 장치는 빔에서 방출되는 빛을 감지하여 공간상 강도 분포를 일종의 맵 형태로 생성합니다. 레이저 빔의 프로파일은 레이저의 특성과 빔을 형성하는 광학계에 따라 가우시안(Gaussian), 탑햇(Top-Hat), 로렌츠(Lorentz), 베셀(Bessel) 유사 형태 등 다양한 모양을 가질 수 있습니다.
위 이미지는 이상적인 2차원(2D) 가우시안 레이저 빔 프로파일을 색상 맵으로 표현한 예시입니다. 색상 맵은 이미지 오른쪽에 표시되어 있습니다.
빔 프로파일은 거리, 즉 빔의 전파 경로를 따라 변화할 수도 있으며, 가장 일반적인 예는 빔 발산(beam divergence)입니다. 레이저 빔 프로파일은 타깃에 전달되는 에너지의 양, 레이저 초점 스폿의 크기와 형태, 특정 위치에서의 빛의 강도와 균일성을 결정하기 때문에 많은 레이저 응용 분야에서 매우 중요합니다.
CMOS 및 CCD 카메라를 이용한 빔 프로파일 측정
CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 카메라와 CCD(charge-coupled device) 카메라는 모두 레이저 빔 프로파일을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 카메라는 레이저 빔의 빛을 감지하여 강도 분포 이미지를 생성하며, 이를 분석하여 빔 프로파일을 결정할 수 있습니다.
CMOS와 CCD 카메라는 모두 빛을 전기 신호로 변환하는 방식으로 작동합니다. CMOS 카메라에서는 센서의 각 픽셀이 자체적인 포토디텍터와 증폭기를 가지고 있어 빛을 전기 신호로 변환합니다. 모든 픽셀의 신호는 판독 및 처리되어 이미지를 형성합니다. CMOS 카메라는 낮은 전력 소모, 높은 판독 속도, 이미지 처리와 같은 기능을 동일한 칩에 통합할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
반면 CCD 카메라는 입사된 광자에 의해 생성된 전하를 반도체 상에 축적한 후, 이를 레지스터 간 이동 방식으로 판독합니다. CCD 카메라는 전통적으로 높은 이미지 품질과 낮은 노이즈로 잘 알려져 있지만, 최근에는 CMOS 카메라가 그 격차를 크게 줄였습니다.
두 가지 카메라 모두 레이저 빔 프로파일 측정에 사용될 수 있으나, 특성이 다르기 때문에 응용 분야에 따라 적합성이 달라질 수 있습니다. 예를 들어 CCD 카메라는 뛰어난 감도와 낮은 노이즈 특성으로 저광량 응용에 적합합니다. 반면 CMOS 카메라는 높은 판독 속도와 낮은 전력 소모로 고속 응용에 적합하며, 높은 레이저 출력으로 인한 손상에도 더 강한 것으로 알려져 있습니다.
어떤 경우든 카메라로 획득한 이미지는 레이저 스폿 이미지를 처리하고 빔 프로파일을 계산할 수 있는 소프트웨어를 통해 분석되어야 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 이미지 강도에 대한 가우시안 피팅(Gaussian fit)입니다.
아래 그림은 CMOS 어레이 표면의 이미지 예시입니다. 이 이미지는 픽셀 기하 구조를 조사하기 위해 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)을 사용하여 획득되었습니다. 그림에 보이는 각 작은 사각형은 실제로 빛에 민감한 검출기, 즉 픽셀입니다.
3차원 강도 분포는 레이저 빔 프로파일이다
레이저 빔 프로파일은 2차원(2D) 강도 분포를 의미할 수도 있고, 3차원(3D) 강도 분포를 의미할 수도 있습니다.
2D 강도 분포는 횡방향 강도 분포(transverse intensity distribution)라고도 하며, 초점이나 타깃과 같은 특정 공간 지점에서 레이저 빔의 강도를 측정한 것입니다. 이는 빔의 단면 전체에 걸쳐 강도가 어떻게 분포하는지를 보여줍니다.
반면 3D 강도 분포는 공간상의 여러 지점에서 레이저 빔의 강도를 측정한 것으로, 빔의 특성을 보다 종합적으로 파악할 수 있게 해줍니다. 이는 단면상의 강도 분포뿐만 아니라 빔 발산이나 초점 위치를 고려하여 빔 축을 따라 강도가 어떻게 변화하는지를 설명합니다.
3D 강도 분포를 측정하기 위해 여러 방법을 결합하여 사용할 수 있습니다. 예를 들어 센서나 빔을 제어된 방식으로 이동시키면서 여러 지점에서 강도를 측정하거나, Shack-Hartmann 센서 또는 스캐닝 슬릿 시스템과 같은 특수 이미징 시스템을 사용할 수 있습니다. 이러한 방법은 레이저 재료 가공과 같이 3D 강도 분포가 가공 품질에 영향을 미치는 응용 분야에서 매우 유용한, 보다 정밀한 레이저 빔 특성 분석을 가능하게 합니다.
이러한 이미지들을 결합하면 아래 그림에 개략적으로 나타난 것과 같은 레이저 빔의 ‘코스틱(caustics)’을 그릴 수 있습니다.
이러한 곡선(코스틱)을 통해 빔 품질 계수 중 하나인 M² 값을 추정할 수 있습니다.
레이저 빔 프로파일에서 나타나는 예시 아티팩트
레이저 빔 프로파일에는 사용되는 레이저와 측정 시스템의 특성에 따라 다양한 아티팩트가 나타날 수 있습니다. 대표적인 예시는 다음과 같습니다.
노이즈(NOISE):
전원 변동이나 온도 변화 등으로 인해 발생하는 레이저 빔 강도의 원치 않는 변동을 의미합니다. 노이즈는 빔 프로파일을 정확하게 측정하는 것을 어렵게 하며, 강도 분포에서 무작위적인 변화로 나타날 수 있습니다.
클리핑(CLIPPING):
레이저 빔의 고강도 영역이 잘려 나가는 현상을 의미합니다. 이는 빔 프로파일을 측정하는 센서가 포화 상태에 도달하여 가장 높은 강도 영역을 감지하지 못할 때 발생합니다. 클리핑은 실제 피크 강도를 과소평가하게 만듭니다.
산란(SCATTERING):
빔 경로 상의 표면이나 재료에 의해 회절 또는 반사가 발생하면서 빔이 퍼지는 현상을 말합니다. 산란은 빔을 왜곡시켜 빔 프로파일의 변화를 초래할 수 있습니다.
공간 주파수 의존 손실(SPATIAL FREQUENCY DEPENDENT LOSS):
광학 부품이 레이저 파장에 완전히 최적화되지 않았을 때 발생할 수 있으며, 이로 인해 강도 분포가 불균일해질 수 있습니다.
기준 빔 불일치(MISMATCH OF THE REFERENCE BEAM):
예를 들어 Shack-Hartmann 센서에서 발생할 수 있는 현상입니다. 이 센서는 렌즈렛 어레이를 사용하여 레이저 빔을 샘플링하고 기준 빔과 비교합니다. 기준 빔이 측정 대상 레이저 빔의 특성과 일치하지 않으면, 측정된 빔 프로파일에 오차가 발생할 수 있습니다.
먼지(DUST):
레이저 시스템에서 매우 흔한 문제로, 광학 소자 표면에 먼지가 존재할 수 있습니다. 이러한 미세한 입자는 회절을 일으켜 레이저 빔 품질에 영향을 줄 수 있으며, 빔 강도가 증가하면 먼지가 과도하게 복사를 흡수하여 열을 거울로 전달하고, 결국 광학 소자의 파손으로 이어질 수 있습니다.
인공지능을 기반으로 한 Huaris Laser Cloud는 광학 소자의 손상 위험이 낮은 매우 초기 단계에서 자동으로 빔 내 먼지를 감지합니다. 시스템은 사용자에게 경고를 보내고, 광학 소자가 돌이킬 수 없이 손상되기 전에 세척을 권장합니다.
회절(DIFFRACTION):
레이저 빔에서는 다양한 형태의 회절이 관찰될 수 있습니다. 예를 들어, 빔이 전파 경로에서 만난 구조물에 따라 선형 또는 원형 회절이 발생할 수 있습니다. 또한 거울의 가장자리와 같은 둥근 모서리를 만나면, 결과적인 회절 패턴은 둥근 형태를 띠게 됩니다.
먼지 감지와 유사하게, 당사의 AI는 다양한 종류의 회절 패턴도 매우 초기 단계에서 감지할 수 있습니다. 종종 사람이 육안으로 인식하기 전 단계에서도 이를 감지하며, 레이저 시스템에 문제가 발생하고 있다는 명확한 신호를 제공합니다. 이 경우에도 Huaris Cloud는 빔 정렬 점검과 같은 유지보수 조치를 안내합니다.
아래 그림은 회절된 빔의 예시를 보여줍니다. 이 사례에서는 Huaris 프로파일링 소프트웨어 로컬 애플리케이션에서 가우시안 빔에 발생한 선형 회절을 확인할 수 있습니다.
이러한 아티팩트는 모든 측정에서 항상 나타나는 것은 아니며, 잘 설계되고 교정된 시스템을 사용하면 상당 부분 줄일 수 있습니다.
유용한 Huaris 링크
Huaris 시스템은 인공지능을 활용한 최신 레이저 빔 프로파일링 기술의 대표적인 예입니다. 제품 및 소프트웨어를 확인해 보세요:
Recent posts about laser beam profiler
