레이저

그러나 모든 물질이 모집단 역전 및 유도 방출을 지원할 수 있는 것은 아닙니다. 이를 수행하는 능력은 원자 또는 분자의 허용 에너지 레벨, 이러한 에너지 레벨 간의 전이 확률, 여기 상태의 수명(원자 또는 분자가 얼마나 오랫동안 해당 여기 상태에 머무르는 경향이 있는지) 및 기타 여러 요인에 따라 달라집니다.

이득을 지원할 수 있는 물질은 고체, 액체, 기체 등 거의 모든 형태의 물질로 제공됩니다. 관례에 따라 일반적으로 표와 같이 카테고리로 분류됩니다.

레이저 펌핑

모집단 역전을 생성하려면 외부 소스에서 이득 매질로 에너지를 공급해야 합니다. (이 과정은 레이저 출력을 생성하는 유도 방출로 이어집니다). 이 방법은 이득 매질에 따라 다릅니다. 대부분의 경우 에너지는 전기나 빛의 형태로 공급됩니다. 덜 흔한 방법으로는 발열 화학 반응에서 방출되는 에너지가 있습니다. 

모든 다양한 고체 결정 및 광학 파이버 이득 매질은 전기 절연체이므로 전류를 전도할 수 없습니다. 따라서 이러한 레이저 물질은 광학적으로 펌핑되어야 합니다. 즉, 외부 광원이 이득 매질에 집중되고, 레이저 물질의 원자 또는 분자가 이 빛을 흡수합니다. 그 결과 원자나 분자가 필요한 여기 상태에 도달합니다.

최초의 고체 레이저는 플래시 램프를 펌프 소스로 사용했으며 일부 응용 분야에서는 여전히 플래시 램프가 사용되고 있습니다. 주요 장점은 저렴한 비용과 높은 레이저 펄스 에너지를 전달할 수 있다는 것입니다. 

하지만 플래시 램프는 광범위한 스펙트럼의 빛을 생성합니다. 레이저 이득 물질은 이 빛의 매우 좁은 스펙트럼, 즉 기저 상태와 가장 여기된 상태 사이의 에너지 차이에 해당하는 파장만 활용할 수 있습니다. 실제로 플래시 램프 펌프 에너지의 대부분이 낭비되기 때문에 이러한 레이저는 전기적으로 비효율적이며, 이는 곧 많은 폐열을 발생시킨다는 것을 의미합니다. 따라서 이 열을 제거하기 위해서는 상당한 냉각 시스템이 필요합니다. 

이제 고체 레이저와 파이버 레이저를 다른 레이저(일반적으로 다이오드 레이저 또는 고체 레이저)로 펌핑하는 것이 더 일반적입니다. 펌프 레이저의 파장은 이득 매질의 흡수와 일치하도록 특별히 선택됩니다. 따라서 전반적인 펌프 효율이 훨씬 높아지고 냉각 요구 사항이 줄어듭니다. 

레이저를 펌프 소스로 사용하면 또 다른 이점이 있습니다. 대부분의 레이저는 쉽게 초점을 맞출 수 있는 빔을 생성합니다. 이를 통해 펌프 광이 가장 좋은 성능을 발휘하는 이득 매질에 집중될 수 있습니다. 즉, "모드 볼륨"이라고 하는 영역 내에 있습니다. 이것은 레이저 빔이 실제로 차지하는 이득 매질 내의 영역입니다. 레이저 매질의 다른 부분으로 들어가는 펌프 광은 낭비됩니다. 모드 볼륨을 효과적으로 채우면 레이저 효율이 극대화되고 출력 빔 품질도 향상됩니다. 

펌프 소스로 파이버 결합 다이오드 레이저를 사용하는 파이버 레이저가 이 원리의 좋은 예입니다. 필요에 따라 펌프 광이 주로 이득 파이버의 코어 또는 클래딩으로 향하도록 쉽게 구성할 수 있으며, 그 결과 매우 효율적인 레이저 시스템이 탄생합니다. 

전기 펌핑은 반도체(다이오드) 레이저와 함께 사용할 수 있는데, 이는 반도체(다이오드) 레이저가 전기를 전도하기 위해 특별히 고안된 장치이기 때문입니다. 특히 순방향 바이어스된 반도체 p-n 접합으로 구성되어 있습니다. 인가된 전압은 반도체의 원자가 밴드에서 전도 밴드로 충분한 전자를 이동시켜 모집단 역전을 일으킬 수 있는 에너지를 공급합니다. 광자는 전자와 정공(원자가 밴드에 전자가 없는 상태)이 재결합할 때 방출되며, 모집단 역전으로 인해 유도 방출이 일어날 수 있습니다.

반도체 레이저를 광학적으로 펌핑할 수도 있습니다. 이 경우 다른 다이오드 레이저의 출력이 다이오드의 활성 영역에 집중됩니다. 이것은 전류를 사용하는 대신 펌프 에너지를 공급합니다. 광학 펌핑은 반도체 레이저를 더 복잡하게 만들지만 더 다양한 레이저 출력 파장, 더 높은 출력 전력, 더 나은 효율성(발열 감소)을 제공할 수 있습니다. 

가스 레이저의 전기 펌핑은 좀 더 복잡합니다. 가스 레이저는 일반적으로 레이저 튜브 안에 포함된 여러 가스로 구성됩니다. 레이저 튜브 안에서 전자 방전을 생성하기 위해 고전압이 사용됩니다. 이러한 고에너지 전자는 가스 분자에 영향을 미치고 가스 분자에 에너지를 전달합니다. 

CO₂ 레이저의 경우, 전자가 질소 분자와 충돌하여 진동적으로 여기됩니다. 이러한 질소 분자는 이후 CO₂ 분자와 충돌하여 에너지를 CO₂ 분자로 전달하고 모집단 역전을 일으킵니다. 

또 다른 예로 이온 레이저를 들 수 있습니다. 여기서 전자 방전은 다시 레이저 튜브 안의 아르곤 또는 크립톤 가스와 충돌을 일으킵니다. 첫 번째 충돌은 가스를 이온화합니다. 그런 다음 이온과의 추가 충돌은 에너지를 제공하여 이온을 여기 상태로 만들고 모집단 역전을 생성합니다.

공진 캐비티

일반적으로 공진 캐비티(또는 공진기)는 광자가 레이저를 빠져나가기 전에 이득 매질을 여러 번 통과하도록 하는 데 사용됩니다. 이것은 이득 매질을 통과할 때마다 증폭되는 양이 상대적으로 적기 때문에 유용한 수준의 레이저 출력을 구축하는 데 필요합니다. 이에 대한 주요 예외 중 하나는 엑시머 레이저로, 적은 수의 패스로도 매우 큰 이득(증폭)을 얻을 수 있습니다. 

가장 간단한 유형의 공진 캐비티는 두 개의 미러가 서로 마주 보고 있고 그 사이에 레이저 이득 매질이 배치된 구조로 되어 있습니다. 백미러는 최대한 100%에 가깝게 반사됩니다. 출력 커플러라고 불리는 전면 미러는 이득 매질에 따라 반사율이 30%에서 99%에 달할 수 있습니다. 

작동 중에 빛은 이러한 미러 사이에서 앞뒤로 반사되어 레이저 매질을 통과할 때마다 강도가 증가합니다. 빛의 일부는 출력 커플러를 통해 공진기를 빠져나갑니다. 결과적으로 레이저 공진기 내의 빛의 강도는 항상 장치에서 나오는 빛의 강도보다 훨씬 높습니다. 

엔드 미러에는 빛을 공간적으로 제한하고(여러 번 통과한 후 광자가 공진기에서 "나가는" 것을 방지하기 위해) 빔의 모양을 정의하기 위해 곡률이 있는 경우가 많습니다.

파이버 레이저에서 미러는 파이버에 직접 통합된 고반사율 광섬유 브래그 격자배열형 센서(FGB)인 경우가 많습니다. 이 경우 파이버 자체가 빔을 공간적으로 제한하고 빔의 모양을 정의합니다. 다이오드 레이저에서 미러는 반도체 장치의 끝부분을 절단하고 광학 박막 필름 코팅을 적용하여 형성됩니다.

레이저 빛의 고유한 특성

이제 레이저는 다양한 응용 분야에서 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 사실 이 빔의 작동 원리와 구조는 다른 어떤 기술로도 복제할 수 없는 고유한 빔 특성을 가지고 있습니다. 가장 중요한 속성 중 몇 가지가 여기에 설명되어 있습니다. 

최초의 레이저는 1960년에 시연되었습니다. 레이저는 약간의 관심과 흥미를 불러일으켰지만, 처음 몇 년 동안은 '문제 해결을 위한 해결책'에 머물렀습니다. 그러나 조금씩 레이저의 실용적인 응용 분야가 개발되었습니다. 오늘날 레이저는 매우 다양한 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 

레이저는 여러분이 실험실 검사를 받을 때 혈구 수를 계산합니다. 레이저는 많은 극장에서 영화를 영사하는 데 사용됩니다. 레이저는 매년 수많은 수술 및 기타 의료 시술에 사용됩니다. 레이저는 자동차를 용접하고 전기 자동차 생산에 핵심적인 역할을 합니다. 레이저는 광섬유 케이블을 통해 거의 모든 전화 통화와 인터넷 트래픽을 전달합니다. 레이저는 모든 현대 기술을 작동시키는 마이크로 전자 회로를 만듭니다. 레이저는 거리 측정을 위해 일부 휴대폰에 내장되어 있기 때문에 많은 사람이 항상 휴대하고 다닙니다. 레이저는 소비재에 사용되는 많은 패키지에 날짜 코드, 일련 번호와 같은 정보를 표시합니다. 레이저는 최첨단 신경과학, 현미경, 분광학부터 중력파 천문학에 이르기까지 자연과학 연구에서 다양하게 활용되고 있습니다. 오늘날 레이저는 더 밝은 미래를 향한 길을 밝히고 있습니다.