UV Laser

UV Lasers

UV레이저는 전 세계적으로 Coherent사(미국)가 선도해 나가고 있으며, 현재 355nm파장의 28W출력을 갖는 UV 레이저를 공급하고 있다. 또한 Spectra Physics사를 인수한 Newport사(미국)에서도 20W 출력의 UV레이저를 공급하고 있다. Photonics Industry사(미국)에서도 40W출력의 UV레이저를 공급하고 있다.

  JDSU사(미국)에서도 10W 출력의 UV 레이저를 공급하고 있다. JDSU 사의 제품은 타사 제품에 비해 펄스 폭이 상대적으로 긴 편인 long pulse UV를 공급하고 있다.

  이와 함께 대형 레이저 업체에서도 레이저 가공기의 성능 및 원가경쟁력을 높이기 위하여, 고출력 UV 레이저 개발에 필수적인 LD(laserdiode) 모듈을 포함한 레이저 발진기 제작 전 공정의 핵심기술을 M&A를 통해 확보하고 있다.

 

(1) GSI사(미국)가 10여 개의 핵심 레이저 발진기 회사를 갖고 있는 Excel Technology Group을 2008년 7월에 M&A하였으며,

 

(2) Rofin사(독일)는 2000년대 초반에 DPSS Nd:YAG 레이저의 핵심기업 중 하나인 미국 LEE 레이저사를 M&A하였다.  광섬유 레이저 전문기업인 Nufern사(미국)를 M&A하였다.

 

(3) Trumpf사(독일)는 최근에 광섬유 레이저 전문기업인 SPI사(영국)를M&A하였고, 이를 통해 Rofin사와 Trumpf사는 펌핑 LD-레이저 발진기-레이저 가공시스템 그룹을 모두 보유하여 수직계열화를 완성하였다.

 

일반적으로 UV 레이저는 1064nm 파장에서 발진 하는 Nd:YAG 또는 Nd:YVO4를 이득매질로 사용하여, Q-switched oscillator를 구성하고, 이의 출력을 고출력으로 증폭하는 증폭기 및 UV 파장 변환을 위한 비선형 광학계로 구성되어 있다.
 

최근에는 발진기 및 전치 증폭기를 광섬유 기반으로 구성한 복합형 MOPA 구조의 연구가 발표되고 있다. 또한, 모든 증폭기를 광섬유 기반으로 구성한 광섬유 기반 UV 레이저도 발표되고 있다.

한국의 DPSS 자외선 레이저 발진기는 주로 Nd:YAG 매질을 기반으로 개발되고 있으며, 국내 최대 레이저 발진기 평균출력은 10W로 세계 최고 수준인 28W에 비해 크게 뒤져 있다. 또한, 레이저 발진기의 안정성 측면에서도 기술 수준이 낮은 상태이다. 국내 주요 기업들의 UV 발진기 제품은 다음과 같다.

하나기술(주)에서는 펄스 반복율 1-15kHz, 펄스폭 < 100ns, 빔모드 < 1.2, pulse-to-pulse 안정도(stability) < 10% 정도의 5W급 DPSS Nd:YAG 레이저를 개발하여 판매하고 있으며

레이저엔피직스(주)에서는 10W, 355nm, Nd:YAG 레이저를 자사 레이저 가공기에 장착하여 공급하고 있다.

UV 레이저 개발에 반드시 필요한 1064nm 및 532nm 레이저의 경우, 국가 출연연구소를 중심으로 많은 연구 개발이 이루어진 상태이다.

코셋(주), (주)이오테크닉스, 하나 루미너스(주) 등에서 LD 패키징 기술을 개발하여 10W 내외의 여기용 LD를 공급하고 있다. 그러나 고성능 UV 레이저의 국산화를 위해서 필수적인 비선형 광결정은 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다.

 

 

FPCB 산업분야에서의 UV laser

 

기존의 PCB 가공공정에서는 도체층과 절연층을 번갈아 한 층씩 적층하게 되며, 이때 층간 전기신호연결을 위해서 층간 비어홀 가공하게 된다. CO₂ 레이저 드릴링 공정이 성숙 되어 PCB 생산에 필수적인 공정으로 적용되고 있으나, 최근 PCB 고집적화가 진행되면서 비어홀의 직경이 50㎛이하 혹은 25㎛이하의 고미세홀로 요구되어 CO₂ 레이저 드릴링은 더 이상 기술적으로 대응이 불가능 하게 되었다. 더욱이 스마트폰을 포함한 모바일 시장의 고성장세 유지가 예상되는 가운데, 연성기판 상에 동박의 예비 에칭 없이 폴리머와 동박을 함께 직접 드릴링할 필요성 또한 증가하면서 CO₂레이저 대신 UV 레이저를 이용한 드릴공정 및 장비기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.

동박으로 마스크(conformalmask)가 구성되어 있는 상태에서 폴리머만을 가공하는 CO₂레이저 드릴링과는 다르게 FPCB의 구성은 폴리이미드 (polyimide), 구리, 유리 섬유(glassfiber) 등 금속과 폴리머의 조합으로 이루어져 있고, 이러한 여러 가지 물질에 대한 CO₂ 레이저의 가공성(흡수율)은 상당히 큰 차이가 있다. 반면, 단파장 영역에서는 물질에 따른 흡수도 차이가 상당히 완화되며, 이러한 특성을 가지는 UV레이저를 이용하면 다양한 물질 구조를 관통하는 가공이 가능해짐을 알 수 있다.

  기본적으로 CO₂레이저의 장파장 영역에서는 재료의 가열, 용융 등의 광열적(photo- thermal) 효과가 두드러지고, 단파장에서는 분자간의 결합을 끊어내는 광화학적 (photo-chemical) 작용이 우세하므로 열영향을 최소화한 가공이 가능한 것도 UV 레이저의 장점이다.

또한, 기계적인 드릴 링에서는 비어홀 직경이 줄어들수록 가공 비용이 급격히 증가하는데 반해, 레이저 드릴링의 경우에는 비어홀 직경이 감소할 수록 가공비용이 감소하게 되는 특징이 있다. 이러한 장점을 가진 UV 레이저 드릴링 장비의 국내 장비시장은 수입장비가 독점하고 있어, 국내장비의 기술 및 가격 경쟁력 제고를 위해 기술개발 투자가 절실하다. 더욱이 비교적 기술력 우위에 있었던 과거와는 달리, 중국의 시장점유율 상승과 기술력 향상을 위한 투자가 확대되면서 향후의 시장주도에 대한 위기감도 존재하고 있는 상황이다. 그러나 기존의 CO₂레이저 드릴링 장비에 비해, UV레이저 드릴링 장비는 아직도 시장이 형성되고 있는 단계이므로, 국내 연구개발을 통하여 일본 및 미국장비와의 기술격차를 극복하는 것이 가능하 며, 향후의 기술 경쟁력 확보 및 기술선도가 가능하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Envisioned NRE for cost reduction

Envisioned NRE for cost reduction

Cost reduction mainly dependent on required optical performance. Generally, the percentage of optics, electronics, and mechanical parts of the BOM are 45~50%, 35~40%, and 15%, respectively.

1. Electronics

• New digital circuits needed.

2. Mechanical engineering

• No substantial NRE is foreseen.
• Reduced number of parts
• Parts as simple as possible

3. Optics

• Changes to the design will involve some qualification steps

4. System engineering

• New system design and qualification.
• NRE varies with the required level of qualification requested
• EMI testing,
• Thermal cycling

Single-crystal fibers for high power lasers

Single-crystal fibers for high power lasers

Single-crystal fibers of yttrium aluminum garnet could enable lasers with approximately 50 times more output power than those using conventional doped silica fibers.

Fiber lasers find many applications in materials processing, including cutting, welding, drilling, and marking metal. To maximize their market penetration, it is necessary to increase their output power.

Essentially all fiber lasers in use today are made of glass (a single fused silica strand). Conventional fiber lasers—in which the gain medium consists of a single fused silica strand—can emit only about 1.2kW of power. They are limited by the physical properties of rare-earth-doped silica materials. These glass structures normally involve a double-clad structure in which the core glass has been doped with a variety of rare-earth ions notably ytterbium-doped fiber lasers. Yet there are some limitations to power scaling of glass fiber lasers which result from laser induced damage to the small cores, nonlinear effects, and thermal loading.

 

We have developed single-crystal yttrium aluminum garnet (YAG) fibers, whose physical properties are superior to those of amorphous silica and which handle much higher output powers. These fibers enable a whole new array of applications, including materials processing and medical lasers.

There have been several approaches to the development of high-power (multi-kilowatt) lasers. Bulk single crystals are used extensively for their excellent thermal conductivity, efficiency, and mechanical resistance. However, heat dissipation becomes a problem in these systems at very high powers. A good remedy is to use fibers instead of bulk crystals. Ytterbium-doped glass fibers have demonstrated several kilowatts of continuous-wave output power with excellent efficiency. In fiber lasers, the pump is guided in a medium that is about 100μm in diameter, and the laser signal in a single-mode core (about 10μm). The low absorption of the pump is spread over a long length of fiber (around 1m), which makes the heat load dissipate better than in a bulk crystal, where the pump is absorbed over just a few millimeters. However, fiber lasers exhibit limited performance in pulsed regimes because high peak powers confined in a small core induce nonlinear effects that affect the quality of the laser beam. Our solution is to develop single-crystal fibers that act like a hybrid of glass fibers and bulk crystals. Single fibers maintain all the advantages of bulk single crystals, such as thermal conductivity, efficiency, and mechanical resistance.

Our approach is to grow single-crystal doped YAG fibers by the laser-heated pedestal growth (LHPG) method. A focused beam from a carbon dioxide (CO₂) laser heats the tip of a sintered ceramic rod with the desired composition. A mechanical apparatus lowers a seed crystal with the chosen orientation into the molten zone, then pulls the resultant fiber from the melt. This technique enabled us to grow long, flexible, single-crystal fibers.



[Figure] The laser heated pedestal growth method for growing single-crystal doped YAG fibers. CO₂: Carbon dioxide.

To fabricate single-crystal YAG fibers as laser gain media, the challenge was to synthesize a cladded flexible fiber with a core of dopant—erbium (Er), neodymium (Nd), or ytterbium (Yb)—that would exhibit good wave-guiding properties. Some dopants, such as Nd, spontaneously congregate at the center of the crystal during growth, creating a natural core of dopant in the crystal, while others (such as Er or Yb) do not. For those not spontaneously congregating at the core, we coated the as-grown fibers with polycrystalline YAG.

We grew single-crystal Nd:YAG fibers of up to 900mm in length. These fibers consisted of a doped core, 30μm in diameter, surrounded by an undoped YAG cladding with an outer diameter of 70–100μm. To clad doped single-crystal YAG fibers with polycrystalline YAG, we developed a new sol-gel process (a chemical process by which a solid compound is made from liquid precursors). We were then able to synthesize high-quality Er:YAG and Yb:YAG fibers with dopant concentrations as high as 10%. Finally, we used a closed-loop feedback system to improve control of sizing the fiber diameter, and reduced the maximum diameter fluctuations from 7% to less than 1%. These developments enabled us to produce very high quality, low-scattering (as low as 0.1dB/m), flexible single-crystal fibers. Preliminary power handling experiments in our fibers show a damage threshold of 6MW/cm² in continuous mode. We consider this result highly promising because the threshold for a bulk Nd:YAG crystal is about 1MW/cm².

 

It is crucial for future generations of fiber lasers to overcome the limitations of glass to reach very high powers. Therefore, we have developed single-crystal fibers of doped YAG that act as a hybrid between bulk crystals and glass fibers. In this work, we grew 900mm-long and 30μm-diameter single-crystal strands with a variety of dopants. Preliminary results confirm the potential for such fibers to overcome the limitations of materials commonly used to fabricate lasers. The next steps for our technology will be lasing experiments using our cladded fibers in both continuous-wave and pulsed regimes, to enable proof of superior gain and efficiency.

Any crstllographic orientation can be requested. The orientation is defined by the seed, a piece of crystal cut with suitable orientation.

Why Use Lasers?

Why Use Lasers?

(1)  Material Selective

- Wavelength can be absorbed selectively

- Localized thermal effects controlled (low) thermal budget

- Non-contact processes less expensive consumables

- Light can be focused within or through transparent materials at interfaces between materials to mark, ablate, lift-off or weaken (used in thin film solar, stealth dicing, glass cutting, flap cutting, laser lift off)

(2)  High Precision

- UV laser light can be tightly focused to create very small feature sizes with resolution down to micrometers or less

- Ultra short pulses with high peak intensities can be used to ablate material/features that cannot be cut with any blade/drill

- Feature depth control on nanometer scale

- Light scattering can be used to detect nm features or defects

(3)  Scalability / Productivity / Lower Costs

- High throughput laser processes reduce costs

- Large substrates (e.g. G8~G10 glass)

- Fewer process steps

- Eco-Friendly = No Wet Chemistry

Motivation for Shorter Wavelengths

Motivation for Shorter Wavelengths

Typically at Shorter wavelengths

       (1) Stronger absorption in many materials

                 Shallower penetration depth

                 Less heat affected zone HAZ

                 Reduced damage to surrounding materials or structures

       (2) Smaller focal spot possible
       (3) Longer depth of focus
       (4) Localized removal with less power

Hans Laser

www.hanslaser.net

Han's Laser Technology Industry Group Co., Ltd, a public company that is established in 1996, has now become the flagship of Chinese national laser industry and the world's famous laser equipment manufacturer. Han's Laser went public in Shenzhen Stock Exchange Market in 2004. And so far, its market value reaches more than 2.15 billion USD.

Han's Laser has more than 200 machine models, including Laser Engraving/Marking Series, Laser Welding Series, Laser Cutting Series, Sub-Surface Engraving Series, Laser Display Series, and so on. All these equipments have been widely used in the production of electronic appliances, integrated circuits, telecommunication equipments, computers, auto parts, glass and optical units, construction materials, medical devices, jewelries, packaging materials, crafts, fashion and clothing, urban illumination and other fields.

Han's Laser Technology Industry Group Co., Ltd, a public company that is established in 1996, has now become the flagship of Chinese national laser industry and the world's famous laser equipment manufacturer. Han's Laser went public in Shenzhen Stock Exchange Market in 2004. And so far, its market value reaches more than 2.15 billion USD.

Based on customer-oriented marketing strategy, Han's Laser had setup 7 regional centers and more than 105 service offices all over China. Moreover, in order to give satisfying services to international customers, Han's Laser had founded more than 9 oversea branches and has qualified agents in more than 20 countries. All these branches and offices have qualified technicians and engineers providing in-time and effective pre-sale, sale and after-sale services.


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