레이저 유형 101: 레이저 분류 가이드

레이저는 일반적으로 활성 매체, 여기 방식, 출력 모드, 파장 범위 등 다양한 방식으로 분류할 수 있습니다.

활성 매질에 따른 분류는 레이저를 고체, 기체, 액체, 반도체 레이저로 나눕니다.

또한 레이저는 출력에 따라 연속파 또는 펄스로 분류할 수 있습니다.

(1) 고체 레이저

고체 레이저는 루비, 네오디뮴 유리, 이트륨 알루미늄 가넷(YAG) 등의 재료를 사용하여 소량의 이온을 호스트 결정이나 유리에 균일하게 도핑합니다. 활성 이온으로 알려진 도핑된 이온이 레이저 방출을 담당합니다. 크롬과 같은 전이 금속 이온(Cr³⁺)와 네오디뮴(Nd³⁺) 및 에르븀은 활성 이온으로 작용할 수 있습니다.

이러한 레이저는 일반적으로 제논 플래시 램프와 같은 일반적인 펄스 광원과 크립톤 아크 램프, 요오드 텅스텐 램프, 루비듐 칼륨 램프와 같은 연속 광원을 사용하여 빛에 의해 여기됩니다. 수명이 긴 소형 레이저에서는 발광 다이오드 또는 태양 광을 여기 소스로 사용할 수 있습니다. 일부 새로운 고체 레이저는 다른 레이저에 의해 여기되기도 합니다.

고체 레이저는 컴팩트한 크기, 견고함, 사용 편의성, 높은 출력을 자랑합니다. 연속 출력은 100W를 초과할 수 있으며 펄스 피크 출력은 최대 10⁹W. 그러나 활성 매체의 복잡한 준비로 인해 비용이 많이 드는 경향이 있습니다.

(2) 가스 레이저

가스 레이저는 일반적으로 방전관 내에 포함된 가스 또는 금속 증기를 활성 매질로 사용하여 활성 이온을 생성합니다. 주요 여기 방법에는 전기, 공기 역학, 광자, 화학적 방식이 있으며, 전기 방식이 가장 일반적입니다.

적절한 방출 조건에서 가스 입자는 선택적으로 더 높은 에너지 수준으로 여기되어 이 에너지 수준과 더 낮은 에너지 수준 사이에 입자 수의 반전을 일으켜 방출 전이를 자극합니다. 가스 레이저는 원자, 이온, 분자 또는 엑시머일 수 있습니다.

분자 가스 레이저는 종종 CO₂ 를 매질로 사용하여 주로 적외선 파장을 방출하며, 높은 열 효과로 인해 일반적으로 다음과 같은 분야에서 사용됩니다. 레이저 커팅, 의료 응용 분야, 기계 가공, 거리 측정 및 통신에 사용됩니다. 엑시머 레이저는 자외선 범위에서 방출되며 미세 가공, 포토리소그래피 및 의학 분야에서 사용됩니다.

가스 레이저는 간단한 구조, 저렴한 비용, 편리함, 우수한 빔 품질, 장시간 지속적이고 안정적으로 작동할 수 있다는 특징이 있습니다. 가장 다양하고 널리 사용되는 레이저 유형입니다.

(3) 액체 레이저

염료 레이저라고도 하는 액체 레이저는 에탄올, 아세톤 또는 물과 같은 용매에 용해된 유기 염료를 활성 매체로 사용하지만 증기 형태로도 작동할 수 있습니다. 일반적인 유기 염료로는 로다민, 쿠마린, 프탈로시아닌 등이 있으며, 이를 통해 가시 범위 내에서 다양한 레이저 파장을 생성할 수 있습니다. 액체 레이저는 레이저 또는 플래시 램프를 통해 광학적으로 펌핑되는 경우가 많습니다.

파장 범위는 자외선부터 적외선(321nm~1.168μm)까지이며, 주파수 배가 기술을 사용하여 진공 자외선 범위까지 확장할 수 있습니다. 액체 레이저의 장점은 넓은 범위에서 연속 출력을 조정할 수 있다는 점이며 주로 레이저 분광학, 광화학, 동위원소 분리, 광생물학 등 과학 연구 및 의학 분야에서 사용됩니다.

(4) 반도체 레이저

레이저 다이오드라고도 하는 반도체 레이저는 반도체 재료를 활성 매체로 사용합니다. 구조적 차이로 인해 레이저 생성 과정은 다양한 유형의 반도체 재료에 따라 매우 독특합니다. 일반적인 활성 물질로는 갈륨 비소(GaAs), 황화 카드뮴(CdS), 인화 인듐(InP), 황화 아연(ZnS)이 있습니다.

여기 방식에는 전기 주입, 전자빔 여기, 광학 펌핑의 세 가지 주요 방식이 있습니다. 반도체 레이저는 동접합, 단일 이종접합, 이중 이종접합 유형으로 분류됩니다. 동접합 및 단일 이종접합 레이저는 일반적으로 상온에서 펄스 장치로 작동하며, 이중 이종접합 레이저는 상온에서 연속적으로 작동할 수 있습니다.

반도체 레이저는 크기가 작고 수명이 길며 간단한 전류 주입을 통해 쉽게 펌핑할 수 있습니다. 작동 전압과 전류가 집적 회로와 호환되므로 모놀리식 통합이 가능합니다. 또한 고속 레이저 출력을 위해 최대 50~100GHz의 주파수에서 직접 변조할 수 있습니다.

이러한 장점으로 인해 반도체 레이저는 레이저 통신, 광학 스토리지, 광학 자이로스코프, 레이저 인쇄, 거리 측정 및 레이더 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

(5) 파이버 레이저

파이버 레이저 는 희토류가 도핑된 광섬유를 활성 매체로 사용하는 고체 레이저의 일종입니다. 파이버 레이저의 펌프 소스는 하나 이상의 고출력 레이저 다이오드 어레이로 구성됩니다. 방출된 펌프 광은 특수한 펌핑 구조를 통해 희토류가 도핑된 광섬유에 결합됩니다. 펌프 파장의 광자는 도핑된 광섬유 매질에 흡수되어 인구 반전을 일으켜 자극 방출로 이어집니다.

방출된 광파는 공진기 거울에 반사되어 진동하면서 레이저 출력을 생성합니다. 파이버 레이저는 결합 효율이 높고, 높은 전력 밀도를 쉽게 달성할 수 있으며, 열 방출이 뛰어나 부피가 큰 냉각 시스템이 필요하지 않습니다. 또한 높은 변환 효율, 낮은 임계값, 우수한 빔 품질, 좁은 선폭을 자랑합니다.

또한 파이버 레이저는 공진기 캐비티에 광학 렌즈가 없어 유지보수가 필요 없고 안정성이 높으며 수명이 100,000시간 이상으로 매우 길다. 그 결과 파이버 레이저는 절단, 마킹, 용접과 같은 산업 분야에서 다른 유형의 레이저를 점차 대체하고 있습니다.