레이저(유도 방출에 의한 광 증폭)의 기본 작동 원리는 빛의 유도 방출 현상에 기반합니다. 레이저는 일련의 정밀한 설계와 구조를 통해 높은 결맞음성, 단색성, 그리고 밝기를 지닌 빔을 생성합니다. 레이저는 통신, 의료, 제조, 측정, 과학 연구 등 현대 기술 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 높은 효율성과 정밀한 제어 특성 덕분에 많은 기술의 핵심 구성 요소로 자리 잡고 있습니다. 아래에서는 레이저의 작동 원리와 다양한 유형의 레이저 메커니즘에 대해 자세히 설명합니다.
1. 자극 방출
자극 방출레이저 발생의 기본 원리는 1917년 아인슈타인이 처음 제안한 유도 방출입니다. 이 현상은 빛과 들뜬 상태의 물질 사이의 상호작용을 통해 더욱 일관성 있는 광자가 생성되는 과정을 설명합니다. 유도 방출을 더 잘 이해하기 위해 먼저 자연 방출부터 살펴보겠습니다.
자연 사정원자, 분자 또는 기타 미세 입자에서 전자는 외부 에너지(전기 에너지 또는 광 에너지 등)를 흡수하여 들뜬 상태라고 알려진 더 높은 에너지 준위로 전이할 수 있습니다. 그러나 들뜬 상태의 전자는 불안정하여 짧은 시간 후에 바닥 상태라고 알려진 더 낮은 에너지 준위로 되돌아갑니다. 이 과정에서 전자는 광자를 방출하는데, 이를 자발적 방출이라고 합니다. 이러한 광자는 주파수, 위상 및 방향이 무작위적이므로 결맞음이 없습니다.
자극 방출유도 방출의 핵심은 들뜬 상태의 전자가 전이 에너지와 동일한 에너지를 가진 광자를 만났을 때, 그 광자가 전자를 바닥 상태로 되돌리면서 새로운 광자를 방출한다는 것입니다. 이 새로운 광자는 주파수, 위상, 전파 방향 면에서 원래 광자와 동일하므로 결맞음 광자가 생성됩니다. 이러한 현상은 광자의 수와 에너지를 크게 증폭시키며, 레이저의 핵심 메커니즘입니다.
자극 방출의 긍정적 피드백 효과레이저 설계에서 유도 방출 과정은 여러 번 반복되며, 이러한 양의 피드백 효과는 광자 수를 기하급수적으로 증가시킬 수 있습니다. 공진 공동을 이용하면 광자의 결맞음이 유지되고 광선의 강도가 지속적으로 증가합니다.
2. 이득 중간
그만큼이득 중간이득 매질은 레이저에서 광자 증폭과 레이저 출력을 결정하는 핵심 물질입니다. 이는 유도 방출의 물리적 기반이 되며, 이득 매질의 특성은 레이저의 주파수, 파장 및 출력 전력을 결정합니다. 이득 매질의 종류와 특성은 레이저의 응용 분야와 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
여기 메커니즘이득 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 펌핑이득 매질 내의 전자를 전류를 가하여 여기시키는 것.
광학 펌핑광원(예: 플래시 램프 또는 다른 레이저)으로 매질을 자극하는 것.
에너지 레벨 시스템이득 매질 내의 전자들은 일반적으로 특정 에너지 준위에 분포되어 있습니다. 가장 일반적인 것은 다음과 같습니다.2단계 시스템그리고4단계 시스템단순한 2단계 시스템에서는 전자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전이한 후 유도 방출을 통해 다시 바닥 상태로 돌아갑니다. 4단계 시스템에서는 전자가 서로 다른 에너지 준위 사이에서 더 복잡한 전이를 겪으며, 이로 인해 효율이 더 높아지는 경우가 많습니다.
이득 매체의 종류:
가스 이득 중간예를 들어 헬륨-네온(He-Ne) 레이저가 있습니다. 기체 이득 매질은 안정적인 출력과 고정된 파장을 가지는 것으로 알려져 있으며, 실험실에서 표준 광원으로 널리 사용됩니다.
액체 이득 매체예를 들어 염료 레이저가 있습니다. 염료 분자는 다양한 파장에 걸쳐 우수한 여기 특성을 가지고 있어 가변 파장 레이저에 이상적입니다.
솔리드 게인 미디엄예를 들어, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Nd) 레이저가 있습니다. 이 레이저는 효율이 높고 출력이 강력하여 산업용 절단, 용접 및 의료 분야에 널리 사용됩니다.
반도체 이득 매체예를 들어, 갈륨비소(GaAs) 소재는 레이저 다이오드와 같은 통신 및 광전자 장치에 널리 사용됩니다.
3. 공명 공동
그만큼공진 공동캐비티는 레이저에서 피드백 및 증폭에 사용되는 구조적 구성 요소입니다. 핵심 기능은 유도 방출을 통해 생성된 광자를 캐비티 내부에서 반사 및 증폭하여 광자 수를 증가시키고, 이를 통해 강력하고 집중된 레이저 출력을 생성하는 것입니다.
공진기 공동의 구조일반적으로 두 개의 평행한 거울로 구성됩니다. 하나는 완전 반사 거울로, 이를 반사경이라고 합니다.백미러다른 하나는 부분적으로 반사되는 거울로, 다음과 같이 알려져 있습니다.출력 미러광자는 공동 내부에서 앞뒤로 반사되고 이득 매질과의 상호 작용을 통해 증폭됩니다.
공진 조건공진기 공동의 설계는 공동 내부에서 광자가 정상파를 형성하도록 하는 등의 특정 조건을 충족해야 합니다. 이를 위해서는 공동의 길이가 레이저 파장의 배수여야 합니다. 이러한 조건을 만족하는 광파만이 공동 내부에서 효과적으로 증폭될 수 있습니다.
출력 빔부분 반사 거울은 증폭된 광선의 일부를 통과시켜 레이저의 출력 빔을 형성합니다. 이 빔은 높은 방향성, 결맞음성 및 단색성을 갖습니다..
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게시 시간: 2024년 9월 18일