1. 자연방출

원자의 내부에너지는 전자가 어느 궤도를 돌고있느냐에 따라 결정되는데 전자가 안쪽궤도를 돌고있는 통상의 에너지 기저상태에서는 원자의 내부 에너지는 낮은 상태에 있게 된다.
원자가 외부로부터 에너지를 받아 전자가 바깥 궤도로 올라가게 되면 원자의 내부에너지는 높아지게 되며 이를 여기상태라고 한다. 그런데 이 여기상태의 수명은 매우 짧아 기저상태로 내려가 열적평형상태로 돌아가게 되는데 이때 두 에너지 준위의 차에 해당하는 에너지를 가진 빛이 방출되며 이것을 자연방출이라고 한다.

2. 밀도반전

만약 기저상태에 있는 원자수가 여기상태에 있는 원자수보다 많다면 아래 궤도에 있는 전자는 외부에서 입사된 빛 에너지를 흡수하여 높은 궤도로 올라가 버리는 흡수 과정이 발생하게 되나 자연방출로 결국 소멸될 것이므로 빛의 증폭이 일어나기 위해서는 높은 궤도에 전자가 채워져 있는 원자의 밀도가, 낮은 궤도에 전자가 채워져 있는 원자의 밀도보다 높아야 합니다. 이러한 상태를 밀도반전 (population inversion)이라 하며 레이저 발진에 필수 요건이 됩니다.

3. 유도방출

전자가 높은 궤도(여기준위)에 있고 원래의 아래 궤도(기저준위) 중에는 전자가 채워져 있지 않아 높은 궤도에 있는 전자가 원래의 아래 궤도 위치로 떨어질 수 있는 상황에서, 그 위치에너지 차이에 해당하는 빛이 입사하면 높은 궤도에 있는 전자는 이 빛의 자극에 의해 아래 궤도로 떨어지게 되는데 이때 그 위치에너지의 차이가 빛으로 변하게 되며 이 때 생성된 빛은 입사하는 빛과 같은 방향과 같은 위상을 갖게 됩니다.
이 과정은 마치 빛 하나가 입사했는데 동일한 파장과 위상을 갖는 빛이 두개가 되므로 2배 증폭되었다고 말할 수 있으며 이것을 유도방출이라고 합니다.
이 유도방출은 반드시 빛(에너지)이 외부에서 입사해야만 가능하며 또한 이 과정이 반복해서 일어나게 되면 점점 빛의 세기가 증폭되어 레이저로 방출되게 됩니다.

4. 광펌핑

자연의 열적 평형상태에서 밀도 반전이 일어나기는 거의 불가능하므로 빛이 증폭되려면 인위적으로 밀도반전 조건을 만들어 주어야 하는데 높은 궤도에 전자가 채워져 있는 원자의 밀도를 높일 수 있도록 외부에서 빛에너지를 가하는 것을 광펌핑이라고 하며 본 레이저 용접기에서는 광증폭기(Cavity)에 내장되어 있는 플래시램프가 그 기능을 담당합니다.
밀도반전이 쉽게 일어날 수 있는 원자로 채워진 물체는 레이저발진의 중요한 구성 요소로 레이저 활성매질(active medium)이라고도 하며 본 레이저 용접기에서는 광증폭기(Cavity)에 내장되어 있는 Nd:YAG Crystal Rod가 그 기능을 담당합니다.,
플래쉬 램프를 터트리면 광증폭기(Cavity)의 양쪽에 위치한 두개의 반사경(Resonator:공진기)이 유도방출에 의한 레이저를 다시 레이저 활성매질인 Nd:YAG Crystal Rod 안으로 반사시키고, 사용자가 지정한 0.5ms에서 20ms동안 더 많은 유도방출이 일어나 레이저 광을  증폭시키게 됩니다.  두개의 반사경으로 된 공진기(Resonator)의 한쪽 반사경은 부분 투광성을 띠고 있어서 고도의 직진성을 가진 레이저 광이 레이저헤드 밖으로 방출되도록 합니다. 이때 Nd:YAG Crystal Rod에서 유도방출된 레이저의 파장은 1064nm의 단일파장입니다.

5. 용접

광증폭기(Cavity)에서 발진된 레이저는 작업자가 선택한 초점상의 레이저빔 직경으로 맞추어질 수 있도록 빔 익스팬더 모듈(Beam Expander Module)에서 레이저빔의 직경이 조정된 뒤 벤딩미러(Bending Mirror)와 대물렌즈(Objective Lens)를 통해 최종적으로 용접대상물에 조사되게 됩니다.
레이저 광이 조사되는 동안 초점 거리에 위치한 용접대상물은 물체가 용접 될 수 있도록 하는 녹는 점 이상(최고 6,000C)으로 순간적으로 가열되면서 용접봉을 용해하고 용접대상물에 용입시킨 뒤 아주 짧은 시간에 다시 경화되면서 완벽한 재질로 형성되게 됩니다.
이와 같이 본 레이저 용접기는 용접대상물의 제한된 영역에 짧은 시간(0.5ms에서 20ms) 동안 집중된 고도의 레이저 에너지이므로 용접대상물에 열변형을 가하지 않고 필요한 부분만을 정밀 용접할 수 있도록 하게 해줍니다.

출처 : (주)풍산기술