레이저란 무엇입니까?
"레이저"라는 단어는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약어입니다. 모든 레이저는 유도 방출 과정을 통해 입력 에너지를 빛으로 변환합니다.
레이저의 크기는 작은 반도체 장치부터 건물 전체를 채우는 거대한 시스템까지 다양합니다. 또한 자유 전자부터 고체까지 다양한 이득 물질을 활용합니다. 그러나 이러한 다양한 레이저는 모두 동일한 기본 원리에 따라 작동합니다.
"유도 방출" 현상은 레이저 작동의 핵심입니다. 유도 방출을 생성하고 유지하는 조건을 만들기 위해 레이저는 세 가지 핵심 기능 요소를 통합합니다. 이는 다음과 같습니다:
- A 보통 확보 인구 역전을 지원하는 능력이 있음
- A 펌프 소스 인구 역전을 일으키기 위한 에너지를 공급합니다
- A 공진 공동 증폭을 지원하는 피드백 메커니즘을 제공하고 레이저 빔의 공간 및 스펙트럼 특성도 결정합니다.
그러나 이 세 가지 요소의 형태와 구현은 레이저 유형마다 크게 다릅니다. 구체적으로 여기에는 다양한 유형의 레이저 재료(유도 방출을 지원하는 이득 매체)의 사용, 이 재료에 에너지가 공급되는 방식, 레이저 공동의 형태 및 출력 특성이 포함됩니다.
이러한 각 요소의 기본 원리와 다양한 유형의 레이저에서 취하는 형태를 살펴보겠습니다.
예의:LaserAnimation Sollinger GmbH
레이저 게인 미디어
레이저 이득 물질이 무엇인지 이해하려면 먼저 유도 방출 과정을 이해해야 합니다. 양자 역학은 원자와 분자가 특정한 특정 개별 에너지 수준에서만 존재할 수 있음을 알려줍니다. 가장 낮은 에너지 준위를 바닥 상태라고 하고, 더 높은 에너지 준위를 들뜬 상태라고 합니다.
일반적으로 물질의 온도는 원자나 분자가 가능한 에너지 수준에서 어떻게 분포되는지를 결정합니다. 일반적인 열평형 상황에서 대부분의 원자나 분자는 낮은 에너지 상태에 있고, 들뜬 상태에 있는 원자나 분자는 점차 적습니다.
일부 물질에서는 에너지를 공급하여("펌핑"이라고 불리는 과정) 인구 반전을 일으키는 것이 가능합니다. 이는 원자 또는 분자의 50% 이상이 들뜬 상태에 있음을 의미하며, 이는 일반적인 열 평형 상황과 반대입니다.
인구 역전은 유도 방출 과정에 유리한 환경을 조성합니다. 이 과정은 하나의 원자나 분자가 광자를 방출하고 더 높은 에너지 상태에서 더 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 시작됩니다. 이를 자연 방출이라고 합니다.
이 첫 번째 광자는 다른 원자나 분자 근처를 통과하여 이를 자극하여 두 번째 광자를 방출합니다. 두 번째 광자는 자극 광자와 동일한 에너지, 방향, 위상 및 편광을 갖습니다. 이 두 개의 광자는 두 개의 추가 광자의 자극 방출을 유발하므로 이제 4개의 광자가 있습니다. 이 과정은 빠르게 계단식으로 진행되어 많은 수의 동일한 광자를 생성합니다. 증폭 또는 이득이라고 불리는 이러한 일련의 광자 현상은 레이저 작용의 기초입니다. 이를 통해 펌프 에너지가 간섭성 레이저 광으로 변환될 수 있습니다.
그러나 모든 물질이 인구 역전과 유도 방출을 지원할 수 있는 것은 아닙니다. 이를 수행할 수 있는 능력은 원자 또는 분자의 허용 가능한 에너지 수준, 이러한 에너지 수준 사이의 전이 확률, 여기 상태의 수명(원자 또는 분자가 여기 상태에 유지되는 경향이 있는 기간) 및 기타 여러 요인을 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다.
이득을 지원할 수 있는 물질은 고체, 액체, 기체 등 사실상 모든 형태의 물질로 나옵니다. 일반적으로 이러한 항목은 표에 표시된 대로 카테고리로 그룹화됩니다.
레이저 펌핑
인구 반전을 생성하려면 에너지가 외부 소스로부터 이득 매체로 공급되어야 합니다. (이 과정은 유도 방출로 이어져 레이저 출력을 생성합니다.) 방법은 이득 매체에 따라 다릅니다. 가장 일반적으로 에너지는 전기나 빛의 형태로 공급됩니다. 덜 일반적인 방법은 발열 화학 반응에서 방출되는 에너지입니다.
다양한 고체 결정 및 광섬유 이득 매체는 모두 전기 절연체입니다. 즉, 전류를 전도할 수 없습니다. 따라서 이러한 레이저 재료는 광학적으로 펌핑되어야 합니다. 즉, 외부 광원이 이득 매질에 집중되고 레이저 물질의 원자 또는 분자가 이 빛을 흡수합니다. 결과: 원자나 분자는 필요한 여기 상태에 도달합니다.
최초의 고체 레이저는 플래시 램프를 펌프 소스로 사용했으며 일부 응용 분야에서는 여전히 사용되고 있습니다. 주요 장점은 저렴한 비용과 높은 레이저 펄스 에너지를 전달하는 능력입니다.
그러나 플래시램프는 넓은 스펙트럼의 빛을 발산합니다. 레이저 이득 물질은 이 빛의 매우 좁은 스펙트럼, 특히 바닥 상태와 가장 높은 여기 상태 사이의 에너지 차이에 해당하는 파장만 활용할 수 있습니다. 실제로 플래시램프 펌프 에너지의 대부분이 낭비되고 이로 인해 레이저가 전기적으로 비효율적이게 되며 이는 많은 폐열을 발생시킨다는 것을 의미합니다. 결과적으로 이 열을 제거하려면 상당히 실질적인 냉각 시스템이 필요합니다.
이제는 또 다른 레이저(일반적으로 다이오드 또는 고체 레이저)를 사용하여 고체 및 광섬유 레이저를 펌핑하는 것이 더 일반적입니다. 펌프 레이저의 파장은 이득 매질의 흡수와 일치하도록 특별히 선택됩니다. 이로 인해 전반적인 펌핑 효율이 훨씬 높아지고 냉각 요구 사항이 줄어듭니다.
레이저를 펌프 소스로 사용하면 추가적인 이점이 있습니다. 대부분의 레이저는 쉽게 초점을 맞춘 빔을 생성합니다. 이를 통해 펌프 광이 가장 좋은 성능을 발휘하는 게인 매체에 집중될 수 있습니다. 즉, "모드 볼륨"이라고 불리는 범위 내입니다. 이는 레이저 빔이 실제로 차지하는 이득 매질 내의 영역입니다. 레이저 매체의 다른 부분으로 들어가는 펌프 광은 낭비됩니다. 모드 볼륨을 효과적으로 채우면 레이저 효율이 극대화되고 출력 빔 품질도 향상됩니다.
파이버 결합 다이오드 레이저를 펌프 소스로 사용하는 파이버 레이저는 이 원리의 좋은 예입니다. 필요에 따라 펌프 광이 주로 이득 광섬유의 코어 또는 클래딩으로 향하도록 쉽게 구성할 수 있으며 그 결과 매우 효율적인 레이저 시스템이 탄생합니다.
전기 펌핑은 반도체(다이오드) 레이저와 함께 사용할 수 있습니다. 이는 반도체(다이오드) 레이저가 특별히 전기를 전도하도록 고안된 장치이기 때문입니다. 특히 순방향 바이어스된 반도체 p-n 접합으로 구성됩니다. 인가된 전압은 에너지를 공급하여 반도체의 가전자대에서 전도대로 충분한 전자를 승격시켜 밀도 반전을 생성합니다. 전자와 정공(가자대에 전자가 없음)이 재결합할 때 광자가 방출되며, 모집단 반전으로 인해 유도 방출이 발생합니다.
반도체 레이저를 광학적으로 펌핑하는 것도 가능합니다. 이 경우 다른 다이오드 레이저의 출력은 다이오드의 활성 영역에 집중됩니다. 이는 전류를 사용하는 대신 펌프 에너지를 공급합니다. 광학 펌핑은 반도체 레이저를 더욱 복잡하게 만들지 만 더 넓은 레이저 출력 파장 선택, 더 높은 출력 전력 및 더 나은 효율성(열 발생 감소)을 제공할 수 있습니다.
가스 레이저의 전기 펌핑은 다소 복잡합니다. 가스 레이저는 일반적으로 레이저 튜브 내에 포함된 여러 가스로 구성됩니다. 레이저 튜브 내에서 전자 방전을 생성하기 위해 고전압이 사용됩니다. 이러한 고에너지 전자는 가스 분자에 영향을 미치고 에너지를 전달합니다.
CO의 경우2레이저에서 전자는 질소 분자와 충돌하여 진동을 통해 여기됩니다. 이 질소 분자는 이후 CO와 충돌합니다.2분자, 에너지를 CO로 전달2분자 밀도 역전을 생성합니다.
또 다른 예는 이온 레이저입니다. In these, an electron discharge again creates collisions with the Argon or Krypton gas within the laser tube. 첫 번째 충돌은 가스를 이온화합니다. Then, further collisions with the ions provide energy to put them in an excited state and produce a population inversion.
공명 공동
일반적으로 공진 공동(또는 공진기)은 광자가 레이저를 빠져나가기 전에 이득 매질을 여러 번 통과하도록 하는 데 사용됩니다. 이는 유용한 수준의 레이저 출력을 구축하는 데 필요합니다. 왜냐하면 이득 매질을 통과할 때마다 증폭량이 상대적으로 작기 때문입니다. 이에 대한 한 가지 주요 예외는 엑시머 레이저로, 이는 적은 수의 패스에서도 매우 많은 양의 게인(증폭)을 제공합니다.
가장 간단한 유형의 공진 공동은 서로 마주보는 두 개의 거울과 그 사이에 배치된 레이저 이득 매체로 구성됩니다. 백미러는 가능한 한 100%에 가깝게 반사됩니다. 출력 커플러라고 불리는 전면 미러는 이득 매체에 따라 30%에서 99% 사이의 반사율을 가질 수 있습니다.
작동 중에 빛은 이 거울 사이에서 앞뒤로 반사되어 레이저 매질을 통과할 때마다 강도가 증가합니다. 빛 중 일부는 출력 커플러를 통해 공진기에서 나옵니다. 결과적으로 레이저 공진기 내부의 광 강도는 항상 장치에서 나오는 광 강도보다 훨씬 높습니다.
엔드 미러에는 종종 빛을 공간적으로 제한하고(광자가 여러 번 통과한 후 공진기에서 "떠나는" 것을 방지하기 위해) 빔의 모양을 정의하기 위해 곡률이 있습니다.
레이저 공진기 기본
레이저 공진기의 주요 요소. 펌프 소스는 거울 사이에 배치된 이득 매체에 에너지를 공급합니다. 거울은 피드백을 제공하여 방출된 광자가 증폭을 위해 이득 물질을 여러 번 통과하도록 합니다.
두 개의 평면 거울을 사용하는 공진기는 구성이 간단하지만 적은 수의 통과 후에 광자가 "워크오프"되기 때문에 오정렬에 매우 민감합니다. 그러나 공진기가 물리적으로 작다면 문제가 되지 않습니다. 이 구성은 일반적으로 다이오드 레이저에 사용됩니다.
거울 중 하나 또는 둘 다를 오목하게 만들면 빔이 공진기 내부에 더 잘 가두어지고 작고 잘 형성된 빔을 가진 레이저가 생성됩니다. 이 공진기 설계의 변형은 많은 고체 및 가스 레이저에서 일반적입니다.
파이버 레이저에서 거울은 종종 파이버에 직접 통합된 고반사율 파이버 브래그 격자(FGB)입니다. 이 경우 광섬유 자체가 빔을 공간적으로 제한하고 빔의 모양을 정의합니다. 다이오드 레이저에서 거울은 반도체 장치의 끝 부분을 절단하고 광학 박막 코팅을 적용하여 형성됩니다.
레이저 빛의 독특한 특성
레이저는 다양한 응용 분야에서 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 진실은 작동 원리와 구조가 다른 기술로는 복제할 수 없는 고유한 빔 특성 세트를 제공한다는 것입니다. 여기에는 가장 중요한 속성 중 일부가 설명되어 있습니다.
속성 |
설명 |
애플리케이션 |
일관성 |
자극 방출은 서로 위상이 같은 광자를 생성합니다. 이것을 '일관성'이라고 합니다. 이 특성을 통해 레이저 광은 잘 정의된 간섭 무늬 패턴을 생성할 수 있습니다. |
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방향성 |
유도 방출 메커니즘과 대부분의 레이저 공진기의 특성이 종종 결합되어 거리에 따라 빠르게 퍼지지 않는 방향성이 높은 빔을 생성합니다. |
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고강도 |
레이저 빛은 매우 강할 수 있습니다. 왜냐하면 모든 레이저 출력은 쉽게 작은 지점에 집중(집속)될 수 있기 때문입니다. |
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단색성 |
자극 방출은 모두 동일한 단일 파장 또는 매우 좁은 파장 범위를 갖는 광자를 생성합니다. |
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The first laser was demonstrated in 1960. While it generated some interest and excitement, it largely remained a “solution in search of a problem” for the first several years. But, bit-by-bit, practical applications for laser were developed. Today, lasers are common and found in an extraordinarily diverse range of applications.
레이저는 실험실 테스트를 할 때 혈액 세포를 계산합니다. 레이저는 많은 극장에서 영화를 투사하는 데 사용됩니다. 레이저는 매년 수많은 수술 및 기타 의료 시술을 수행하는 데 사용됩니다. 레이저는 자동차를 용접하며 전기 자동차 생산의 핵심입니다. 레이저는 광섬유 케이블을 통해 거의 모든 전화 통화와 모든 인터넷 트래픽을 전달합니다. 레이저는 모든 현대 기술을 구동하는 마이크로 전자 회로를 만듭니다. 많은 사람들이 레이저를 항상 휴대하고 있습니다. 레이저는 거리 측정을 위해 일부 휴대폰에 통합되어 있기 때문입니다. 레이저는 소비재에 사용되는 많은 패키지에 날짜 코드 및 일련 번호와 같은 정보를 표시합니다. 레이저는 최첨단 신경과학, 현미경, 분광학부터 중력파 천문학에 이르기까지 과학 연구에서 다양한 용도로 사용됩니다. 오늘날 레이저는 실제로 더 밝은 미래를 향한 길을 밝혀줍니다.