레이저 원리 및 응용 분야에 대한 종합 가이드

I. 레이저의 원리

레이저의 기본 구조:

1. 작업 물질

레이저 활성 매체는 인구 반전을 달성하고 자극된 빛의 방사선을 증폭하는 데 사용되는 재료 시스템을 말합니다. 레이저 이득 매체라고도 합니다. 고체(크리스탈, 유리), 기체(원자 가스, 이온 가스, 분자 가스), 반도체, 액체 매체가 이에 해당합니다.

레이저 활성 매체의 주요 요구 사항은 작동 입자의 특정 에너지 레벨 사이에서 가능한 한 많은 인구 반전을 달성하고 레이저 방출 프로세스 내내 이 반전을 가능한 한 효과적으로 유지하는 것입니다. 이를 위해 활성 매질은 적절한 에너지 준위 구조와 전이 특성을 가져야 합니다.

2. 펌핑 소스

여기(펌핑) 시스템은 레이저 작업 재료에서 입자 반전을 달성하고 유지하기 위해 에너지원을 제공하는 메커니즘 또는 장치를 말합니다. 레이저의 작업 재료와 작동 조건에 따라 다양한 여기 방법과 장치를 채택할 수 있습니다. 네 가지 일반적인 유형이 있습니다:

①. 광학 여기(광학 펌핑). 여기에는 외부 광원에서 방출된 빛을 사용하여 작업 물질을 조사하여 입자 반전을 달성하는 것이 포함됩니다. 전체 여기 장치는 일반적으로 가스 방전 광원(예: 크세논 램프 또는 크립톤 램프)과 콘덴서로 구성됩니다.

②. 가스 방전 여기. 여기에는 입자 반전을 달성하기 위해 가스 작동 재료 내에서 발생하는 가스 방전 프로세스를 사용하는 것이 포함됩니다. 전체 여기 장치는 일반적으로 방전 전극과 방전 전원 공급 장치로 구성됩니다.

③. 화학 여기. 여기에는 입자 반전을 달성하기 위해 작업 재료 내에서 발생하는 화학 반응 과정을 사용하는 것이 포함됩니다. 이를 위해서는 일반적으로 적절한 화학 반응물과 그에 상응하는 트리거링 조치가 필요합니다.

④. 핵 에너지 여기. 여기에는 소규모 핵분열 반응에 의해 생성된 핵분열 파편, 고에너지 입자 또는 방사선을 사용하여 작업 물질을 여기시키고 입자 반전을 달성하는 것이 포함됩니다.

3. 공진 캐비티 - 이득 매체에서 광파의 전파 거리를 늘리기 위해

광학 공진기는 일반적으로 특정 기하학적 모양과 광학 반사 특성을 가진 두 개의 거울을 특정 방식으로 결합하여 구성됩니다. 그 기능은 다음과 같습니다:

①. 광학 피드백 기능을 제공하여 자극된 방출 광자가 캐비티 내에서 여러 번 앞뒤로 이동하여 일관된 지속 진동을 형성할 수 있도록 합니다.

②. 캐비티 내에서 진동하는 광선의 방향과 주파수를 제한하여 출력 레이저가 일정한 방향성과 단색성을 갖도록 합니다.

공진기의 첫 번째 기능은 기하학적 모양(반사 표면의 곡률 반경)과 일반적으로 캐비티를 구성하는 두 거울의 상대적 조합 방식에 의해 결정됩니다. 두 번째 기능은 캐비티 내에서 이동 방향과 주파수가 다른 빛에 대한 주어진 공진기 유형의 서로 다른 선택적 손실 특성에 의해 결정됩니다.

II. 레이저의 분류

레이저 작업 매체별:

• 고체 레이저(파이버 레이저)
• 가스 레이저
• 반도체 레이저
• 염료 레이저
• 자유 전자 레이저

레이저 작동 모드:

• 연속
• 펄스: 단일 펄스; 반복 주파수; 준연속성

화학 성분별:

• 원자 레이저
• 분자 레이저
• 이온 레이저
• 자유 전자 레이저
• 엑시머 레이저

레이저 변조 방법:

• 무료 달리기
• Q-스위칭
• 모드 잠금

III. 일반적인 레이저

1. 고체 레이저

기본 재료에 활성 이온을 도핑하여 만든 크리스탈과 유리의 두 가지 범주로 나뉩니다.

현재 200개 이상의 다양한 베이스 도핑 시스템이 레이저 진동을 작업 재료로 실현하고 있지만, 널리 사용되고 성능이 좋은 세 가지 유형은 다음과 같습니다:

(1) 네오디뮴 유리 레이저

희토류 원소인 네오디뮴은 λ = 1.053 μm의 유리에 도핑되어 작동 재료로 사용됩니다. 부피가 크고 균일도가 좋은 네오디뮴 유리를 얻을 수 있기 때문에 대형 장치로 만들 수 있어 고에너지 및 고출력 레이저를 구현할 수 있습니다. 출력 1014W의 레이저가 생산되었습니다.

(2) 루비 레이저

• 작업 재료: 루비 크리스탈
• 출력 파장: λ=694.3nm
• 출력 선폭: Δλ=0.01~0.1nm
• 작동 모드: 연속, 펄스
• 발산 각도: θ ≈ 10^-3rad, 일반적으로 다중 모드 출력; 펌프 전력>임계값 10~20%→단일 모드

(3) 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG)

• 작업 재료: 희토류 원소 네오디뮴이 도핑된 YAG 결정
• 출력 파장: λ=1064nm, 914nm, 1319nm
• 작업 모드: 연속, 높은 반복률 펄스

고농도의 네오디뮴을 도핑할 수 있기 때문에 작업 재료는 단위 부피당 더 높은 레이저 출력을 제공할 수 있으며 레이저를 더 작게 만들 수 있습니다. 반도체 레이저를 펌프 소스로 사용하면 디바이스 부피를 더 작게 만들 수 있습니다.

(4) 연속파 가변 티타늄 사파이어 레이저

3900S CW 튜너블 Ti:사파이어 레이저

고성능, 조정 가능한 고체 상태의 IR 레이저

출력 파장 범위: 675~1100nm

Ar 레이저 또는 532nm 레이저를 펌핑하는 LD 펌프

TEM₀₀ 출력 전력은 최대 3.5Wcw에 도달할 수 있습니다.

애플리케이션:

• 분광학
• 파이버 레이저 연구
• 통신 연구
• 반도체 연구

2. 가스 레이저

• 작업 재료: 다양한 혼합 가스, 우수한 광학적 균일성.
• 가스 레이저는 고체 레이저, 반도체 레이저, 액체 레이저에 비해 단색성과 빔 안정성이 뛰어납니다.
• 스펙트럼 라인은 수천 가지(160nm~4mm)에 달합니다.
• 작업 모드: 연속 작동(대부분의 경우)

대부분의 가스 레이저는 순간 출력이 높지 않다는 약점이 있습니다.

이유: 일반적으로 가스 압력이 낮기 때문에 단위 부피당 입자 수가 적습니다.

(1) 헬륨-네온 레이저

작업 재료: 헬륨과 네온 가스의 혼합물

레이저는 네온 원자에 의해 방출되는 반면 헬륨은 가스 방출 조건을 개선하여 레이저의 출력을 향상시킵니다.

출력 파장: 일반적으로 사용되는 파장은 632.8nm입니다.

선택한 작동 조건에 따라 레이저는 근적외선, 적색, 황색, 녹색 빛을 출력할 수 있습니다.

(λ=3.39μm; λ=1.15μm)

(2) CO₂ 레이저

작업 재료: CO의 혼합물₂, He, N₂및 Xe 가스

레이저는 CO₂ 분자와 다른 가스는 레이저의 작동 조건을 개선하여 레이저의 출력, 안정성 및 수명을 향상시키는 데 도움을 줍니다.

출력 파장: λ=10.6μm

CO2 레이저는 가장 높은 출력을 자랑합니다. 가스 레이저연속 출력은 50kW, 펄스 출력은 1012W입니다.

(3) 아르곤 이온 레이저

아르곤/크립톤 이온 레이저, Stabilite2017 아르곤/크립톤 이온 레이저

출력 파장:

• λ = 488nm
• λ =514.5 nm ；

가시광선 영역에서 가장 높은 출력

출력 전력은 몇 와트에서 수백 와트까지 다양합니다.

3. 헬륨-카드뮴 레이저

카드뮴 금속 증기를 방출 물질로 사용하여 주로 파장 325nm의 자외선과 441.6nm의 청색광의 두 가지 연속 스펙트럼 라인을 가지고 있습니다. 일반적인 출력 전력은 각각 1~25mW 및 1~100mW입니다. 주요 응용 분야로는 활판 인쇄, 혈구 계수, 집적 회로 칩 검사, 레이저 유도 형광 실험 등이 있습니다.

(1). 구리 증기 레이저

일반적으로 전자 충돌을 통해 여기되는 두 가지 주요 작동 스펙트럼 라인은 510.5nm 파장의 녹색 빛과 578.2nm의 노란색 빛입니다. 일반적인 펄스 폭은 10~50nS이며, 반복 주파수는 최대 100KHz까지 도달할 수 있습니다. 현재 수준에서 단일 펄스의 에너지는 약 1mJ입니다. 이는 평균 전력은 최대 100W까지 도달할 수 있고, 최대 전력은 100KW까지 치솟을 수 있음을 의미합니다.

(2). 질소 분자 레이저

펄스 방전 여기는 수십 메가 와트에 이르는 피크 전력, 10nS 미만의 펄스 폭, 수십 Hz에서 수천 Hz의 반복 주파수로 보라색 외부 광을 출력합니다. 주로 염료 레이저의 펌프 소스로 사용되며 스펙트럼 분석, 감지, 의학 및 광화학에도 사용할 수 있습니다. 일반적인 파장: 337.1nm, 357.7nm.

3. 반도체 레이저

다양한 구성 요소의 반도체 재료로 제작되었습니다.

활성 영역과 제약 영역이 있는 레이저.

특징: 가장 작은 크기, 가장 가벼운 무게, 긴 사용 수명, 100,000시간이 넘는 유효 사용 시간.

출력 파장 범위: 자외선, 가시광선, 적외선

출력 전력: mW, W, kW.

DFB 반도체 레이저의 개략도

DBR 반도체 레이저의 개략도

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)

양자 캐스케이드 레이저, QCL

반도체 양자 우물의 서브 밴드 간 전자 전이 원리와 포논 보조 공진 터널링에 기반한 새로운 유형의 단극 반도체 소자입니다.

파이버 결합(피그테일 패키지)

반도체 레이저 장치

프로라이트 타입 파이버 결합 단일 방출 레이저

IV. 레이저의 응용 분야

1. 산업 애플리케이션

• 정밀 측정(거리, 변위)
• 레이저 가공(절단, 용접, 드릴링, 조각)
• 스펙트럼 분석

2. 의료 애플리케이션

• 안과
• 일반 외과
• 치과
• 피부과

3. 군용 애플리케이션

• 레이저 거리 측정
• 레이저 정찰
• 대기 레이저 통신
• 레이저 가이드
• 레이저 무기

4. 일일 애플리케이션

• 레이저 프린터
• 컴퓨터 광학 드라이브
• 바코드 스캐너
• 레이저 위조 방지
• 레이저 네온 조명

5. 커뮤니케이션 분야에서의 애플리케이션

• 우주 레이저 통신
• 광섬유 통신

V. 레이저 무기로 인한 피해 메커니즘

1. 절제 효과 - 국소 고온

2. 충격파 효과

3. 방사선 효과 - 강한 전자기장

VI. 레이저 무기의 장점

1. 탄도 계산이 필요 없음

2. 반동 없음

3. 간편한 조작, 민첩하고 다양한 사용 방법

4. 방사능 오염 없음, 높은 가성비

광통신에 사용되는 거의 모든 레이저는 반도체 레이저이며, 1310나노미터 또는 1550나노미터 LD 펌프형 고체 레이저를 사용하는 CATV 시스템은 소수에 불과합니다.

통신에 사용되는 레이저는 크게 광섬유 증폭기에 사용되는 펌프 광원과 송신기에 사용되는 신호 광원의 두 가지 유형이 있습니다.

자유 공간 광학(FSO) 통신에 사용되는 레이저는 두 가지 유형이 있습니다: 850nm와 1550nm.

VII. 레이저 거리 측정

레이저의 단색성, 강력한 일관성 및 방향성을 활용하여 길이, 거리, 속도 및 각도 측정과 같은 고정밀 측정 및 검사를 수행할 수 있습니다.

VIII. 레이저 용접

IX. 레이저 래피드 프로토타이핑

X. 레이저 인그레이빙

XI. 레이저 핵융합

XII. 레이저 치료

XIII. 레이저 통신

광파의 주파수는 전파의 주파수보다 몇 배나 높기 때문에 매우 얇은 광섬유는 사진 속 이 두께의 케이블이 전달할 수 있는 양과 동일한 양의 정보를 전달할 수 있습니다.

XIV. 레이저 무기

XV. 레이저 디스플레이