레이저의 기본 작동 원리(복사 유도 방출에 의한 광 증폭)는 빛의 유도 방출 현상을 기반으로 합니다. 일련의 정밀한 설계와 구조를 통해 레이저는 일관성, 단색성 및 밝기가 높은 빔을 생성합니다. 레이저는 통신, 의학, 제조, 측정, 과학 연구 등의 분야를 포함하여 현대 기술에 널리 사용됩니다. 높은 효율성과 정밀한 제어 특성으로 인해 많은 기술의 핵심 구성 요소가 되었습니다. 다음은 레이저의 작동 원리와 다양한 유형의 레이저 메커니즘에 대한 자세한 설명입니다.
1. 유도 방출
유도 방출이는 1917년 아인슈타인이 처음 제안한 레이저 생성의 기본 원리입니다. 이 현상은 빛과 여기 상태 물질 사이의 상호 작용을 통해 어떻게 더 응집성 있는 광자가 생성되는지를 설명합니다. 유도 방출을 더 잘 이해하기 위해 자연 방출부터 시작해 보겠습니다.
자연 방출: 원자, 분자 또는 기타 미세한 입자에서 전자는 외부 에너지(예: 전기 또는 광학 에너지)를 흡수하여 여기 상태로 알려진 더 높은 에너지 수준으로 전환될 수 있습니다. 그러나 여기 상태 전자는 불안정하며 결국 짧은 기간 후에 바닥 상태로 알려진 더 낮은 에너지 수준으로 되돌아갑니다. 이 과정에서 전자는 자연 방출되는 광자를 방출합니다. 이러한 광자는 주파수, 위상 및 방향 측면에서 무작위이므로 일관성이 부족합니다.
유도 방출: 자극 방출의 핵심은 여기 상태의 전자가 전이 에너지와 일치하는 에너지를 가진 광자를 만날 때, 광자가 새로운 광자를 방출하면서 전자가 바닥 상태로 돌아가도록 유도할 수 있다는 것입니다. 새로운 광자는 주파수, 위상, 전파 방향 측면에서 원래 광자와 동일하여 일관성 있는 빛을 생성합니다. 이 현상은 광자의 수와 에너지를 크게 증폭시키며 레이저의 핵심 메커니즘입니다.
자극 방출의 긍정적 피드백 효과: 레이저 설계에서 유도 방출 과정은 여러 번 반복되며, 이러한 포지티브 피드백 효과는 광자 수를 기하급수적으로 증가시킬 수 있습니다. 공진 공동의 도움으로 광자의 일관성이 유지되고 광선의 강도가 지속적으로 증가합니다.
2. 이득 중간
그만큼중간 이득광자 증폭과 레이저 출력을 결정하는 레이저의 핵심 소재입니다. 이는 유도 방출의 물리적 기반이며, 그 특성은 레이저의 주파수, 파장 및 출력을 결정합니다. 이득매질의 유형과 특성은 레이저의 응용과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
여기 메커니즘: 이득 매질의 전자는 외부 에너지원에 의해 더 높은 에너지 수준으로 여기되어야 합니다. 이 프로세스는 일반적으로 외부 에너지 공급 시스템에 의해 달성됩니다. 일반적인 여기 메커니즘은 다음과 같습니다.
전기 펌핑: 전류를 가하여 이득 매질의 전자를 여기시킵니다.
광학 펌핑: 광원(예: 플래시 램프 또는 다른 레이저)을 사용하여 매체를 자극합니다.
에너지 레벨 시스템: 이득 매질의 전자는 일반적으로 특정 에너지 수준으로 분포됩니다. 가장 일반적인 것은2단계 시스템그리고4단계 시스템. 간단한 2레벨 시스템에서 전자는 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전환된 다음 자극 방출을 통해 바닥 상태로 돌아갑니다. 4레벨 시스템에서 전자는 서로 다른 에너지 레벨 사이에서 더 복잡한 전이를 거치며 종종 효율성이 높아집니다.
이득 매체의 유형:
가스 이득 매체: 예를 들어 헬륨-네온(He-Ne) 레이저입니다. 가스 이득 매체는 안정적인 출력과 고정된 파장으로 알려져 있으며 실험실에서 표준 광원으로 널리 사용됩니다.
액체 이득 매체: 예를 들어 염료 레이저. 염료 분자는 다양한 파장에 걸쳐 우수한 여기 특성을 가지므로 조정 가능한 레이저에 이상적입니다.
솔리드 게인 미디엄: Nd(네오디뮴 첨가 이트륨 알루미늄 가넷) 레이저를 예로 들 수 있습니다. 이 레이저는 매우 효율적이고 강력하며 산업용 절단, 용접 및 의료 응용 분야에 널리 사용됩니다.
반도체 이득 매체: 예를 들어, 갈륨비소(GaAs) 물질은 레이저 다이오드와 같은 통신 및 광전자소자에 널리 사용됩니다.
3. 공진기 공동
그만큼공진기 구멍피드백 및 증폭에 사용되는 레이저의 구조적 구성 요소입니다. 핵심 기능은 유도 방출을 통해 생성된 광자의 수를 캐비티 내부에서 반사 및 증폭하여 강력하고 집중된 레이저 출력을 생성하는 것입니다.
공진기 공동의 구조: 일반적으로 두 개의 평행 거울로 구성됩니다. 하나는 완전 반사 거울로 알려져 있습니다.백미러, 다른 하나는 부분 반사 거울로 알려져 있습니다.출력 미러. 광자는 공동 내에서 앞뒤로 반사되며 이득 매질과의 상호 작용을 통해 증폭됩니다.
공명 조건: 공진기 공동의 설계는 광자가 공동 내부에서 정재파를 형성하도록 보장하는 것과 같은 특정 조건을 충족해야 합니다. 이를 위해서는 공동 길이가 레이저 파장의 배수가 되어야 합니다. 이러한 조건을 충족하는 광파만이 공동 내부에서 효과적으로 증폭될 수 있습니다.
출력빔: 부분 반사 거울은 증폭된 광선의 일부를 통과시켜 레이저의 출력 광선을 형성합니다. 이 빔은 방향성, 일관성, 단색성이 높습니다..
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게시 시간: 2024년 9월 18일