레이저에서 광 펌핑이란 무엇인가요?

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본질적으로 레이저 펌핑은 매질을 활성화시켜 레이저 광을 방출할 수 있는 상태로 만드는 과정입니다. 이는 일반적으로 매질에 빛이나 전류를 주입하여 원자를 여기시키고, 그 결과 결맞음 광이 방출되도록 함으로써 이루어집니다. 이러한 기본 과정은 20세기 중반 최초의 레이저가 등장한 이후로 상당한 발전을 거듭해 왔습니다.

레이저 펌핑은 종종 속도 방정식으로 모델링되지만, 근본적으로는 양자 역학적 과정입니다. 이는 광자와 이득 매질의 원자 또는 분자 구조 사이의 복잡한 상호작용을 포함합니다. 고급 모델은 라비 진동과 같은 현상을 고려하여 이러한 상호작용을 더욱 미묘하게 이해할 수 있도록 합니다.

레이저 펌핑은 일반적으로 빛이나 전류 형태의 에너지를 레이저 이득 매질에 공급하여 원자나 분자를 더 높은 에너지 상태로 끌어올리는 과정입니다. 이러한 에너지 전달은 입자 수가 낮은 에너지 상태보다 더 많은 상태인 역전 현상을 달성하는 데 필수적이며, 이를 통해 이득 매질은 유도 방출을 통해 빛을 증폭할 수 있습니다. 이 과정에는 복잡한 양자 상호작용이 포함되며, 종종 속도 방정식이나 보다 정교한 양자 역학적 틀을 통해 모델링됩니다. 주요 고려 사항으로는 펌프 광원(레이저 다이오드 또는 방전 램프 등)의 선택, 펌프 형상(측면 펌핑 또는 단부 펌핑), 그리고 이득 매질의 특정 요구 사항에 맞추기 위한 펌프 광 특성(스펙트럼, 강도, 빔 품질, 편광)의 최적화가 있습니다. 레이저 펌핑은 고체 레이저, 반도체 레이저, 가스 레이저를 포함한 다양한 레이저 유형에서 기본적이며, 레이저의 효율적이고 효과적인 작동에 필수적입니다.

광학 펌핑 레이저의 종류

 

1. 도핑된 절연체를 이용한 고체 레이저

· 개요:이러한 레이저는 전기적으로 절연된 매질을 사용하며, 광학 펌핑을 통해 레이저 활성 이온에 에너지를 공급합니다. 대표적인 예로는 YAG 레이저에 사용되는 네오디뮴이 있습니다.

·최근 연구 결과:A. Antipov 등이 발표한 연구에서는 스핀 교환 광 펌핑을 위한 고체 근적외선 레이저에 대해 논의합니다. 이 연구는 고체 레이저 기술, 특히 의료 영상 및 통신과 같은 응용 분야에 중요한 근적외선 영역에서의 발전을 보여줍니다.

추가 자료:스핀 교환 광학 펌핑을 위한 고체 근적외선 레이저

2. 반도체 레이저

·일반 정보: 일반적으로 전기적으로 여기되는 반도체 레이저는 특히 수직 외부 공진 표면 방출 레이저(VECSEL)와 같이 높은 밝기가 요구되는 응용 분야에서 광학적 여기를 통해 성능을 향상시킬 수도 있습니다.

·최근 연구 성과: U. Keller의 초고속 고체 및 반도체 레이저를 이용한 광 주파수 콤 연구는 다이오드 펌핑 고체 및 반도체 레이저로부터 안정적인 주파수 콤을 생성하는 데 중요한 통찰력을 제공합니다. 이 연구 성과는 광 주파수 측정 분야에 중요한 의미를 갖습니다.

추가 자료:초고속 고체 레이저 및 반도체 레이저에서 발생하는 광 주파수 콤

3. 가스 레이저

·기체 레이저의 광학 펌핑: 알칼리 증기 레이저와 같은 특정 유형의 기체 레이저는 광학 펌핑을 이용합니다. 이러한 레이저는 특정 특성을 가진 결맞음 광원이 필요한 응용 분야에 자주 사용됩니다.

 

 

광학 펌핑용 소스

방전 램프램프 펌핑 레이저에서 흔히 사용되는 방전 램프는 높은 출력과 넓은 스펙트럼 때문에 사용됩니다. YA Mandryko 외 연구진은 고체 레이저의 활성 매질 광학 펌핑 제논 램프에서 발생하는 임펄스 아크 방전의 출력 모델을 개발했습니다. 이 모델은 효율적인 레이저 작동에 필수적인 임펄스 펌핑 램프의 성능 최적화에 도움을 줍니다.

레이저 다이오드:다이오드 펌프 레이저에 사용되는 레이저 다이오드는 높은 효율, 소형 크기, 정밀한 조정 가능성 등의 장점을 제공합니다.

추가 자료:레이저 다이오드란 무엇인가요?

플래시 램프플래시 램프는 루비 레이저나 Nd:YAG 레이저와 같은 고체 레이저를 여기시키는 데 일반적으로 사용되는 강렬하고 광범위한 스펙트럼의 광원입니다. 고강도의 순간적인 빛을 방출하여 레이저 매질을 여기시킵니다.

아크 램프아크 램프는 플래시 램프와 유사하지만 연속 작동을 위해 설계되었으며, 강렬한 빛을 안정적으로 공급합니다. 연속파(CW) 레이저 작동이 필요한 분야에 사용됩니다.

LED(발광 다이오드)레이저 다이오드만큼 흔하지는 않지만, LED는 특정 저전력 응용 분야에서 광 펌핑에 사용될 수 있습니다. LED는 수명이 길고 가격이 저렴하며 다양한 파장을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

햇빛일부 실험 장치에서는 집중된 햇빛을 태양열 펌핑 레이저의 펌프 광원으로 사용했습니다. 이 방법은 태양 에너지를 활용하여 재생 가능하고 비용 효율적인 광원을 제공하지만, 인공 광원에 비해 제어가 어렵고 광량이 약합니다.

광섬유 결합 레이저 다이오드이는 광섬유에 연결된 레이저 다이오드로, 펌프광을 레이저 매질에 더욱 효율적으로 전달합니다. 이 방식은 특히 파이버 레이저 및 펌프광의 정확한 전달이 중요한 상황에서 유용합니다.

기타 레이저때때로 한 레이저를 사용하여 다른 레이저를 펌핑하는 경우가 있습니다. 예를 들어, 주파수 배가된 Nd:YAG 레이저를 사용하여 염료 레이저를 펌핑할 수 있습니다. 이 방법은 기존 광원으로는 쉽게 얻을 수 없는 특정 파장의 펌핑 공정이 필요할 때 자주 사용됩니다. 

 

다이오드 펌핑 고체 레이저

초기 에너지원이 과정은 펌프 광원으로 사용되는 다이오드 레이저로 시작됩니다. 다이오드 레이저는 효율성, 소형 크기, 그리고 특정 파장의 빛을 방출하는 능력 때문에 선택됩니다.

펌프 라이트:다이오드 레이저는 고체 이득 매질에 흡수되는 빛을 방출합니다. 다이오드 레이저의 파장은 이득 매질의 흡수 특성에 맞춰 조정됩니다.

고체 상태이득 중간

재료:DPSS 레이저의 이득 매질은 일반적으로 Nd:YAG(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷), Nd:YVO4(네오디뮴 도핑 이트륨 오르토바나데이트) 또는 Yb:YAG(이터븀 도핑 이트륨 알루미늄 가넷)와 같은 고체 물질입니다.

도핑:이러한 물질들은 레이저 활성 이온인 희토류 이온(예: 네오디뮴 또는 이트륨)으로 도핑되어 있습니다.

 

에너지 흡수 및 여기:다이오드 레이저에서 나오는 펌프광이 이득 매질에 들어가면 희토류 이온이 이 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 상태로 여기됩니다.

인구 역전

인구 역전 달성:레이저 작동의 핵심은 이득 매질에서 개체수 역전을 이루는 것입니다. 즉, 바닥 상태보다 들뜬 상태에 있는 이온의 수가 더 많아야 합니다.

자극 방출:개체수 역전이 이루어지면, 들뜬 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이에 해당하는 광자를 도입하면 들뜬 이온이 바닥 상태로 되돌아가면서 광자를 방출할 수 있습니다.

 

광학 공진기

거울: 이득 매질은 광학 공진기 내부에 배치되며, 일반적으로 매질의 양쪽 끝에 두 개의 거울이 설치되어 형성됩니다.

피드백 및 증폭: 거울 중 하나는 반사율이 매우 높고, 다른 하나는 부분적으로 반사됩니다. 광자는 이 거울들 사이를 왕복하며 반사되어 더 많은 광 방출을 자극하고 빛을 증폭시킵니다.

 

레이저 방출

결맞음 광: 방출되는 광자는 결맞음 상태입니다. 즉, 위상이 일치하고 파장이 같습니다.

출력: 부분 반사 거울은 이 빛의 일부를 통과시켜 DPSS 레이저에서 나오는 레이저 빔을 형성합니다.

 

펌핑 형상: 측면 펌핑 vs. 끝단 펌핑

 

펌핑 방식 설명 응용 프로그램 장점 도전 과제
측면 펌핑 레이저 매질에 수직으로 조사되는 펌프광 막대형 레이저 또는 광섬유 레이저 펌프광의 균일한 분포로 고출력 애플리케이션에 적합합니다. 불균일한 이득 분포, 낮은 빔 품질
펌핑 종료 펌프광은 레이저 빔과 동일한 축을 따라 조사됩니다. Nd:YAG와 같은 고체 레이저 균일한 이득 분포, 더 높은 빔 품질 복잡한 정렬, 고출력 레이저의 낮은 열 방출 효율

효과적인 펌프 조명 작동을 위한 요구 사항

 

요구 사항 중요성 영향/균형 추가 참고 사항
스펙트럼 적합성 파장은 레이저 매질의 흡수 스펙트럼과 일치해야 합니다. 효율적인 흡수와 효과적인 인구 역전을 보장합니다. -
강함 원하는 여기 수준에 도달하려면 충분히 높아야 합니다. 지나치게 높은 강도는 열 손상을 일으킬 수 있고, 너무 낮으면 인구 역전 현상을 달성할 수 없습니다. -
빔 품질 특히 말단 펌핑 레이저에서 매우 중요합니다. 효율적인 결합을 보장하고 방출되는 레이저 빔의 품질 향상에 기여합니다. 펌프광과 레이저 모드 볼륨의 정확한 중첩을 위해서는 높은 빔 품질이 필수적입니다.
편광 이방성 특성을 가진 매체에 필요합니다. 흡수 효율을 향상시키고 방출되는 레이저 광의 편광에 영향을 줄 수 있습니다. 특정 분극 상태가 필요할 수 있습니다.
강도 소음 낮은 소음 수준은 매우 중요합니다. 펌프광 강도의 변동은 레이저 출력 품질 및 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 높은 안정성과 정밀도가 요구되는 응용 분야에 중요합니다.
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게시 시간: 2023년 12월 1일