레이저(유도 방출에 의한 광 증폭)의 기본 작동 원리는 유도 방출 현상에 기반합니다. 일련의 정밀한 설계와 구조를 통해 레이저는 높은 결맞음성, 단색성, 그리고 밝기를 가진 빔을 생성합니다. 레이저는 통신, 의학, 제조, 계측, 과학 연구 등 현대 기술 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 높은 효율과 정밀한 제어 특성 덕분에 레이저는 여러 기술의 핵심 요소로 자리 잡았습니다. 아래에서는 레이저의 작동 원리와 다양한 유형의 레이저 메커니즘에 대한 자세한 설명을 제공합니다.
1. 자극 방출
자극 방출는 1917년 아인슈타인이 처음 제안한 레이저 생성의 기본 원리입니다. 이 현상은 빛과 여기 상태 물질 사이의 상호작용을 통해 더욱 결맞는 광자가 생성되는 방식을 설명합니다. 유도 방출을 더 잘 이해하기 위해, 먼저 자연 방출부터 살펴보겠습니다.
자발적 방출: 원자, 분자 또는 기타 미세 입자에서 전자는 외부 에너지(예: 전기 또는 광학 에너지)를 흡수하여 들뜬 상태라고 하는 더 높은 에너지 준위로 전이할 수 있습니다. 그러나 들뜬 상태의 전자는 불안정하여 짧은 시간 후 바닥 상태라고 하는 더 낮은 에너지 준위로 돌아갑니다. 이 과정에서 전자는 광자를 방출하는데, 이것이 자발 방출입니다. 이러한 광자는 주파수, 위상, 방향 측면에서 무작위적이기 때문에 결맞음(coherence)이 부족합니다.
자극 방출: 유도 방출의 핵심은 여기 상태의 전자가 전이 에너지와 일치하는 에너지를 가진 광자를 만나면, 이 광자가 전자를 바닥 상태로 되돌리면서 새로운 광자를 방출한다는 것입니다. 새로운 광자는 주파수, 위상, 그리고 전파 방향이 원래 광자와 동일하여 결맞는 빛을 생성합니다. 이러한 현상은 광자의 수와 에너지를 크게 증폭시키며, 레이저의 핵심 메커니즘입니다.
자극 방출의 긍정적 피드백 효과: 레이저 설계에서 유도 방출 과정은 여러 번 반복되며, 이러한 양의 피드백 효과는 광자 수를 기하급수적으로 증가시킬 수 있습니다. 공진 공동의 도움으로 광자의 결맞음은 유지되고 광선의 강도는 지속적으로 증가합니다.
2. 중간 이득
그만큼이득 매체레이저의 핵심 물질로, 광자의 증폭과 레이저 출력을 결정합니다. 유도 방출의 물리적 기반이며, 그 특성은 레이저의 주파수, 파장, 그리고 출력을 결정합니다. 이득 매질의 종류와 특성은 레이저의 응용 분야와 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
여기 메커니즘: 이득 매질 내의 전자는 외부 에너지원에 의해 더 높은 에너지 준위로 여기되어야 합니다. 이 과정은 일반적으로 외부 에너지 공급 시스템을 통해 이루어집니다. 일반적인 여기 메커니즘은 다음과 같습니다.
전기 펌핑: 전류를 인가하여 이득매질 내의 전자를 여기시킵니다.
광 펌핑: 광원(플래시 램프나 다른 레이저 등)을 이용해 매체를 자극합니다.
에너지 레벨 시스템: 이득 매질의 전자는 일반적으로 특정 에너지 준위에 분포합니다. 가장 흔한 것은 다음과 같습니다.2단계 시스템그리고4단계 시스템간단한 2단계 시스템에서는 전자가 바닥 상태에서 여기 상태로 전이한 후 유도 방출을 통해 바닥 상태로 돌아갑니다. 4단계 시스템에서는 전자가 서로 다른 에너지 준위 사이에서 더욱 복잡한 전이를 겪으며, 이는 종종 더 높은 효율로 이어집니다.
게인 미디어 유형:
가스 이득 매체: 예를 들어 헬륨-네온(He-Ne) 레이저가 있습니다. 가스 이득 매질은 안정적인 출력과 고정된 파장으로 잘 알려져 있으며, 실험실에서 표준 광원으로 널리 사용됩니다.
액체 이득 매체: 예를 들어, 색소 레이저가 있습니다. 색소 분자는 다양한 파장에 걸쳐 우수한 여기 특성을 가지므로 가변 파장 레이저에 이상적입니다.
솔리드 게인 미디엄예를 들어, Nd(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷) 레이저가 있습니다. 이 레이저는 매우 효율적이고 강력하며 산업용 절단, 용접 및 의료 분야에 널리 사용됩니다.
반도체 이득 매체: 예를 들어, 갈륨비소(GaAs) 소재는 통신 및 레이저 다이오드와 같은 광전자 소자에 널리 사용됩니다.
3. 공진기 공동
그만큼공진기 공동레이저의 구조적 구성 요소로, 피드백 및 증폭에 사용됩니다. 핵심 기능은 유도 방출을 통해 생성된 광자의 수를 공동 내부에서 반사 및 증폭시켜 증가시키는 것입니다. 이를 통해 강력하고 집중된 레이저 출력을 생성합니다.
공진기 공동의 구조: 일반적으로 두 개의 평행 거울로 구성됩니다. 하나는 완전 반사 거울로 알려져 있습니다.백미러, 다른 하나는 부분적으로 반사하는 거울로 알려져 있습니다.출력 미러광자는 공동 내부에서 앞뒤로 반사되고 이득 매질과의 상호 작용을 통해 증폭됩니다.
공명 조건: 공진기 공동의 설계는 광자가 공동 내부에서 정상파를 형성하도록 하는 등 특정 조건을 충족해야 합니다. 이를 위해서는 공동 길이가 레이저 파장의 배수여야 합니다. 이러한 조건을 충족하는 광파만이 공동 내부에서 효과적으로 증폭될 수 있습니다.
출력 빔: 부분 반사 거울은 증폭된 광선의 일부를 통과시켜 레이저 출력 광선을 형성합니다. 이 광선은 높은 지향성, 결맞음성, 그리고 단색성을 갖습니다..
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게시 시간: 2024년 9월 18일