배경
Joule급 펄스당 에너지의 나노초 레이저 빔은 순간출력이 100MW 이상으로 매우 높아, 기존에는 미러를 사용하여 전송할 수밖에 없었습니다. 이는 일반적인 광섬유 케이블이 손상 한계를 초과하는 순간출력을 견디지 못하기 때문입니다. 그러나 미러를 통한 전송 방식은 가공 스테이지나 로봇 암과 같은 매니퓰레이터에 적용할 때 이동 후에도 빔 정렬을 유지하기가 어려워 사용하기 매우 까다로운 방법입니다. 또한, 빔 전송 거리가 길어질수록 빔의 왜곡이 발생하여 전송 효율이 급격히 떨어지는 문제도 있습니다. 이러한 빔의 왜곡을 보완하기 위해 릴레이 렌즈(relay lens)와 진공 튜브를 활용하는 방법이 있지만, 이는 높은 비용이 소요됩니다.

문제
LSP(laser shock peening, 레이저 충격 피닝)는 금속 표면에 순간적으로 매우 높은 출력의 레이저 빔을 조사하여 충격파를 일으키고, 이를 통해 RCS(residual compressive stress, 잔류압축응력)를 부여함으로써 부품의 내구성과 피로강도를 향상시키는 표면 개질 기술입니다. 기존의 LSP는 Joule급 에너지의 나노초 레이저 빔을 자유공간에서 미러를 사용해 전송해야 했습니다. 하지만 이 방식은 대형 구조물이나 협소한 공간에 레이저 빔을 전달하는데 한계가 있었고, 다양한 산업 분야에 LSP를 적용하기에 적합하지 않았습니다. 따라서 Joule급 에너지의 레이저 빔을 전송하면서도 가공 유연성을 확보할 수 있는 새로운 전송 기술이 필요했습니다.

해결
힐랩은 코어 직경 1500μm의 광섬유를 이용해 펄스폭 10ns의 200mJ 레이저 빔을 전송하는 기술을 보유하고 있었으며, 이를 확장하여 광섬유 다발을 통해 Joule급 에너지의 레이저 빔을 전송하는 방식을 제안했습니다. 고에너지 레이저 빔을 빔 스플리터(beam splitter)로 여러 광섬유에 분할하여 전송하고, 레이저 가공 헤드(laser processing head)에서 이를 다시 하나로 합치는 것입니다. 이러한 전송 방식은 광섬유 경로를 따라 어느 위치나 각도에서도 LSP를 적용할 수 있도록 하였으며, 좁은 공간으로의 접근도 용이하게 만들었습니다. 그 결과, 힐랩은 LSP에 필요한 Joule급 에너지의 레이저 빔을 광섬유로 전송하는데 성공했습니다.

응용
광섬유 다발을 이용한 Joule급 에너지 레이저 빔 전송은 크게 세 가지 장점을 갖습니다. 첫째, 장거리에서도 유연하게 레이저 빔을 전송할 수 있습니다. 둘째, 미러를 사용하지 않아 광 정렬이 간편하고 유지보수가 용이합니다. 셋째, 매우 균질한 빔을 생성할 수 있어 다양한 응용에서 일관된 품질을 제공합니다. 이러한 장점은 LSP 뿐만 아니라 레이저 클리닝 및 레이저 어닐링에도 효과적으로 적용할 수 있습니다. 특히, 대형 구조물을 위한 레이저 클리닝 시스템에서는 긴 전송 거리와 간편한 정렬이 큰 이점을 제공하며, 균질한 레이저 빔은 레이저 어닐링 공정의 품질에 직접적인 영향을 미쳐 중요한 역할을 합니다.