Laser Gain Crystals(레이저 게인 크리스탈)

Commonly Used Crystals(일반적으로 사용되는 크리스탈)

수년 동안 인기를 얻었다 사라진 제품 외에도 현재 상당히 다양한 레이저 크리스탈이 사용되고 있습니다. 하지만 시장을 지배하는 유형은 소수이며, 대부분의 고체 레이저 응용 분야를 지원하고 있습니다.

이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 계열에는 몇 가지 가장 널리 사용되는 산업용 및 의료용 레이저 게인이 있습니다(특히 Nd:YAG). YAG는 네오디뮴(Nd), 이터븀(Yb), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 크롬(Cr)과 같은 다양한 도펀트를 지원합니다.

이러한 도펀트는 YAG 크리스탈에 고효율을 포함한 특정한 특성을 부여합니다. YAG는 또한 우수한 열 전도성, 기계적 내구성 및 광범위한 투명도 범위를 제시합니다. 게다가, YAG는 수동 Q-스위치와 함께 사용할 경우 고피크 출력 펄스를 생성할 수 있습니다. 동시에, 이러한 특성을 가지기 때문에 YAG는 많은 의료, 산업 및 과학 응용 분야에 이상적인 호스트 재료가 됩니다.

바나듐산염 계열, 특히 Nd:YVO₄는 높은 게인과 뛰어난 펌프 광 흡수 특성으로 유명하며, 특히 다이오드 펌핑 레이저 시스템에서 매우 효율적입니다. 이런 효율성 덕분에 더 낮은 출력 수준에서도 레이저가 정확하고 깨끗하게 절단이나 마킹이 가능한 고품질 빔을 생성할 수 있습니다. 높은 흡수율로 더 짧은 크리스탈 길이와 더 작은 레이저 디자인을 지원합니다.

그러나 YAG 계열 크리스탈과 같은 다른 레이저 게인 크리스탈과 비교할 때 바나듐산염 크리스탈은 열 전도율이 낮습니다. 이는 렌즈 효과(lensing) 및 복굴절과 같은 열 효과에 대한 높은 민감성 때문에 고출력 응용 분야에서 레이저의 성능을 제한할 수 있습니다. 이 특성 때문에 최적의 레이저 성능을 유지하기 위해서는 세심한 열 관리가 필요합니다.

결과적으로 바나듐산염 계열은 콤팩트한 폼 팩터에 높은 빔 품질과 효율성을 요구하는 응용 분야에 여전히 인기 있는 선택입니다. 그러나 열 관리가 더욱 중요해지는 고출력 또는 고에너지 응용 분야에서는 우선적인 선택이 아닐 수 있습니다.

사파이어, 특히 Ti:Sapphire는 약 650nm에서 1100nm에 이르는 넓은 조정 가능성으로 레이저 기술에서 두드러진 소재입니다. 또한 이러한 넓은 게인 대역폭 때문에 Ti:Sapphire 레이저가 펨토초 범위까지 초단파 펄스를 생성할 수 있습니다. 이러한 특성 때문에 Ti:Sapphire는 Coherent Vitara 및 Astrella와 같은 가장 까다로운 고성능, 초고속 레이저 및 증폭기를 위해 제일 우선으로 선택됩니다.

이러한 이점에도 불구하고 Ti:Sapphire 레이저에는 몇 가지 제한이 있습니다. 특히 효율적인 작동을 위해 고체 녹색 레이저와 같은 고출력 펌프 소스가 필요합니다. 이러한 요구 사항은 레이저 시스템 비용과 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

유리는 원자의 무질서하고 무정형 배열을 가지고 있습니다. 반대로, 크리스탈은 물질 전체에 걸쳐 펼쳐진 매우 질서 있고 반복적인 원자 구조를 가지고 있습니다. 결과적으로, 유리는 특히 Nd, Er 또는 Yb와 같은 희토류 원소로 도핑된 경우 레이저 게인 매질로서 고유한 특성을 제공합니다.

유리 호스트의 주요 장점 중 하나는 넓은 방출 스펙트럼으로, 광범위한 조정 가능성과 초단파 레이저 펄스 생성을 지원한다는 것입니다. 이 특성은 의료 기기, 전기 통신 및 기초 연구와 같이 유연한 파장 출력 또는 짧은 펄스 지속 시간이 필요한 응용 분야에서 특히 유익합니다. 게다가, 유리 재료는 대형 크기와 다양한 모양으로 생산할 수 있어 레이저 설계에 다양성을 제공합니다. 예를 들어, 매우 큰 Nd:유리 슬래브는  레이저 융합 실험과 같은 고에너지 레이저 시스템에 사용됩니다.

그러나 유리 호스트는 YAG와 같은 결정질 재료에 비해 열 전도도가 낮습니다. 따라서 열 효과에 대한 높은 민감성으로 인해 전력 확장 기능이 제한될 수 있습니다. 이러한 낮은 열 성능으로 인한 고출력 응용 분야에서의 열 발생 및 제거를 세심하게 관리할 필요가 있습니다. 또한, 결정질 호스트에 비해 유리의 단위 길이당 게인이 낮기 때문에 종종 더 긴 게인 매질이 필요하며, 이는 레이저 시스템의 복잡성과 크기를 증가시킬 수 있습니다.

Dopant Selection(도펀트 선택)

희토류 및 전이 금속 이온은 고유한 전자 구조로 인해 레이저 게인 매질에서 가장 일반적으로 사용되는 도펀트이며, 이는 레이저 작동에 여러 가지 유리한 광학적 특성을 제공합니다. 

희토류 이온은 원자가 전자가 4f 원자 궤도에 있어 외부 5s 및 5p 전자에 의해 차폐되기 때문에 잘 정의되고 명확한 에너지 준위를 가집니다. 이러한 차폐는 호스트 격자와의 상호 작용을 최소화하여 에너지 준위의 확장을 최소화하고 레이저 방출 파장을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 또한 비방사선 붕괴 과정이 줄어들어 양자 효율(흡수된 펌프 에너지를 레이저 광으로 변환)이 높아집니다. 이러한 이온의 전자 전이는 호스트 물질이나 온도의 변화에 영향을 적게 받으므로, 이러한 도펀트를 기반으로 하는 레이저는 다양한 조건에서 안정성과 신뢰성을 갖게 됩니다.

반대로, 전이 금속 이온은 3d  궤도에 원자가 전자를 가지고 있으며, 이는 외부 4s 전자 쉘에 의해 덜 차폐됩니다. 즉, 에너지 준위는 호스트 물질의 영향을 더 강하게 받아 더 넓은 흡수 및 방출 대역을 가집니다. 더 넓은 대역은 전이 금속 이온을 다양한 레이저 펌핑 방식과 호환되게 만들어 레이저 설계에서 더 큰 다양성을 주기 때문에 유리할 수 있습니다. 또한 더 넓은 게인 대역폭을 제공하여 광범위한 파장에서 조정 가능한 레이저 작동이 가능합니다.

희토류 이온, 특히 Er 및 Tm은 근적외선부터 중적외선 영역까지 방출하는 경향이 있습니다. 전이 금속 이온은 가시광선부터 근적외선 스펙트럼에서 레이저 작동을 제공할 수 있습니다. Ti는 가시광선에서 근적외선 범위에 걸쳐 매우 넓은 조정 가능성을 가진 것으로 유명합니다.

희토류 이온 Yb는 여러 가지 이유로 다른 모든 이온들 사이에서 눈에 띄는데, Yb 도핑 계열에 인기 있는 레이저 게인 크리스탈이 많은 이유입니다. 첫째, Yb 이온은 비교적 간단한 에너지 준위 구조를 가지고 있습니다. 구체적으로, Yb³⁺ 이온은 4f 쉘에 하나의 전자만 가집니다. 이로 인해 흡수 및 방출 과정이 효율화됩니다. 이러한 단순성으로 인해 최소한의 손실로 높은 전력 효율을 실현할 수 있습니다.

또한 Yb 도핑 재료는 넓은 흡수 대역폭을 나타내므로, 펌프 소스 선택에 보다 큰 유연성을 제공하고 초단파 펄스를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, Yb 도핑 크리스탈은 약 980nm의 파장에서 쉽게 구할 수 있고 저렴한 다이오드 레이저로 효과적으로 펌핑할 수 있습니다. 따라서 효율성이 더 향상되고 운영 비용이 절감됩니다.

Growing Laser Gain Crystals(레이저 게인 크리스탈 성장)

레이저 게인 크리스탈을 생산하려면 호스트 크리스탈 내에서 도펀트 이온의 정밀한 분포를 보장하며, 원하는 광학적, 물리적 특성을 달성하기 위한 정교한 성장 및 도핑 기법이 필요합니다. 모든 레이저 게인 크리스탈 제조업체가 기본적으로 유사한 생산 방법을 사용하지만, 독점 지식, 품질 관리 절차, 공정 제어 기기 및 계측 도구에는 상당한 차이가 존재합니다. 궁극적으로 이는 제조업체 간에 품질에 상당한 차이를 일으키며, 모든 레이저 게인 크리스탈이 동일하게 만들어지는 것은 아니라는 사실을 뒷받침합니다.

하나의 일반적인 크리스탈 성장 방법은 Czochralski 공정입니다. 이 공정에는 도가니에서 도펀트와 함께 호스트 재료를 녹인 다음, 용융물에서 시드 크리스탈을 천천히 당겨서 새로운 크리스탈이 성장하도록 하는 과정이 포함됩니다. 이 방법을 사용하여 크리스탈의 구성과 구조를 면밀하게 제어할 수 있습니다. Nd:YAG 및 Er:YAG는 종종 Czochralski 공법을 사용하여 생성되는 두 가지 크리스탈입니다.

Bridgman-Stockbarger 방법은 널리 사용되는 또 다른 크리스탈 성장 기법입니다. 특히 최소한의 결함을 가진 단결정 재료를 생성하는 데 효과적입니다. 그 이유는 Bridgman-Stockbarger 기법이 크리스탈 성장 중에 열 구배(용융 영역과 응고 전면 사이의 온도 차이)를 최소화하기 때문입니다.

Bridgman-Stockbarger 공정은 원료(호스트 재료 및 도펀트)를 밀폐된 도가니에 넣는 것으로 시작됩니다. 그 다음에 이 도가니를 세밀하게 제어되는 온도 구배를 가진 용광로를 통해 천천히 내립니다. 일반적으로 위쪽은 더 뜨거운 영역이고 아래쪽은 더 차가운 영역입니다.

도가니가 더 뜨거운 영역에서 더 차가운 영역으로 이동하므로, 내부의 재료는 용광로의 위쪽(더 뜨거운) 영역에서 녹기 시작합니다. 더 차가운 영역으로 더 내리면, 용융된 재료가 맨 아래에서부터 응고되기 시작하거나, 용융물 바닥에 놓인 씨드 크리스탈 주위에서 응고되기 시작합니다. 이 방향성 응고는 크리스탈이 더 차가운 쪽에서 위쪽으로 열 구배를 따라 성장함에 따라 단결정을 형성하는 데 도움이 됩니다. Bridgman-Stockbarger 기법은 일반적으로 높은 녹는점을 가진 크리스탈 재료를 성장시키는 데 사용되며, 크리스탈 성장에 특정 방향이 필요하거나 Czochralski 공정으로는 달성하기 어려운 더 큰 부울에 사용됩니다.

Coherent 크리스탈에 대해 자세히 알아보십시오.