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레이저 이득 매체란 무엇입니까?
레이저 이득 매질은 유도 방출을 통해 빛을 증폭하는 물질입니다. 매질의 원자나 분자가 더 높은 에너지 준위로 여기되면, 더 낮은 에너지 상태로 돌아갈 때 특정 파장의 광자를 방출할 수 있습니다. 이 과정은 매질을 통과하는 빛을 증폭시키는데, 이는 레이저 작동의 핵심입니다.
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일반적인 이득 매체는 무엇입니까?
이득 매체는 다음을 포함하여 다양할 수 있습니다.가스, 액체(염료), 고체(희토류 금속이나 전이 금속 이온으로 도핑된 결정이나 유리) 및 반도체.고체 레이저예를 들어, Nd:YAG(네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷)와 같은 결정이나 희토류 원소로 도핑된 유리를 사용하는 경우가 많습니다. 색소 레이저는 용매에 용해된 유기 염료를 사용하고, 가스 레이저는 가스 또는 가스 혼합물을 사용합니다.
레이저 막대(왼쪽에서 오른쪽으로): 루비, 알렉산드라이트, Er:YAG, Nd:YAG
이득매체로서의 Nd(네오디뮴), Er(에르븀), Yb(이터븀)의 차이점
주로 방출 파장, 에너지 전달 메커니즘, 응용 분야, 특히 도핑된 레이저 소재와 관련된 내용입니다.
방출 파장:
- Er: 에르븀은 일반적으로 1.55µm에서 방출하는데, 이는 눈에 안전한 영역이며 광섬유에서의 손실이 적어 통신 응용 분야에 매우 유용합니다(Gong et al., 2016).
- Yb: 이터븀은 1.0~1.1µm 정도의 파장을 방출하므로 고출력 레이저 및 증폭기를 포함한 광범위한 응용 분야에 적합합니다. Yb는 Er의 증감제로 자주 사용되어 Yb에서 Er로 에너지를 전달함으로써 Er 도핑 소자의 효율을 향상시킵니다.
- Nd: 네오디뮴이 도핑된 물질은 일반적으로 약 1.06µm의 파장을 방출합니다. 예를 들어, Nd:YAG는 높은 효율로 유명하며 산업용 및 의료용 레이저에 널리 사용됩니다(Y. Chang et al., 2009).
에너지 전달 메커니즘:
- Er 및 Yb 공동 도핑: 호스트 매질에서 Er과 Yb를 공동 도핑하면 1.5-1.6 µm 범위에서 방출을 향상시키는 데 유용합니다. Yb는 펌프 광을 흡수하고 Er 이온에 에너지를 전달하여 통신 대역에서 방출을 증폭시킴으로써 Er에 대한 효율적인 감응제 역할을 합니다. 이러한 에너지 전달은 Er 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)의 작동에 매우 중요합니다(DK Vysokikh et al., 2023).
- Nd: Nd는 일반적으로 Er 도핑 시스템에서 Yb와 같은 증감제를 필요로 하지 않습니다. Nd의 효율은 펌프 광을 직접 흡수하고 그에 따라 방출되기 때문에 간단하고 효율적인 레이저 이득 매질입니다.
응용 프로그램:
- 어:실리카 광섬유의 최소 손실 윈도우와 일치하는 1.55µm에서의 방출로 인해 통신 분야에 주로 사용됩니다. Er 도핑 이득 매질은 장거리 광섬유 통신 시스템의 광 증폭기와 레이저에 필수적입니다.
- Yb:비교적 간단한 전자 구조로 효율적인 다이오드 펌핑과 고출력을 구현할 수 있어 고전력 응용 분야에 자주 사용됩니다. Yb 도핑 재료는 Er 도핑 시스템의 성능 향상에도 사용됩니다.
- Nd: 산업용 절단 및 용접부터 의료용 레이저까지 광범위한 응용 분야에 적합합니다. Nd:YAG 레이저는 특히 효율성, 출력, 그리고 다재다능함으로 높은 평가를 받고 있습니다.
왜 우리는 DPSS 레이저의 이득매질로 Nd:YAG를 선택했나요?
DPSS 레이저는 반도체 레이저 다이오드로 펌핑되는 고체 이득 매질(예: Nd:YAG)을 사용하는 레이저 유형입니다. 이 기술은 가시광선에서 적외선까지 고품질 빔을 생성할 수 있는 작고 효율적인 레이저를 가능하게 합니다. 자세한 내용은 평판 있는 과학 데이터베이스나 출판사에서 DPSS 레이저 기술에 대한 종합적인 리뷰를 검색해 보세요.
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Nd:YAG는 다양한 연구에서 강조된 바와 같이 여러 가지 이유로 반도체 펌핑 레이저 모듈에서 이득 매질로 자주 사용됩니다.
1. 높은 효율과 출력: 다이오드 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저 모듈의 설계 및 시뮬레이션 결과, 상당한 효율을 보였습니다. 다이오드 사이드 펌핑 Nd:YAG 레이저는 넓은 주파수 범위에서 펄스당 일정한 에너지를 유지하면서 최대 평균 220W의 출력을 제공했습니다. 이는 다이오드 펌핑 시 Nd:YAG 레이저의 높은 효율과 고출력 출력 가능성을 시사합니다(Lera et al., 2016).
2. 운영의 유연성과 신뢰성: Nd:YAG 세라믹은 눈에 안전한 파장을 포함한 다양한 파장에서 높은 광간 효율로 효율적으로 작동하는 것으로 나타났습니다. 이는 다양한 레이저 응용 분야에서 이득 매질로서 Nd:YAG의 다재다능함과 신뢰성을 보여줍니다(Zhang et al., 2013).
3. 수명 및 빔 품질: 고효율 다이오드 펌핑 Nd:YAG 레이저에 대한 연구는 레이저의 장수명성과 일관된 성능을 강조하여, 내구성과 신뢰성이 뛰어난 레이저 광원이 필요한 응용 분야에 Nd:YAG 레이저가 적합함을 보여주었습니다. 이 연구는 광학적 손상 없이 4.8 x 10^9회 이상의 레이저 조사로 장시간 작동하면서도 우수한 빔 품질을 유지함을 보고했습니다(Coyle et al., 2004).
4. 고효율 연속파 운전:여러 연구에서 Nd:YAG 레이저의 고효율 연속파(CW) 작동이 입증되었으며, 다이오드 펌핑 레이저 시스템에서 이득 매질로서의 효과를 강조합니다. 여기에는 높은 광 변환 효율과 경사 효율 달성이 포함되며, 이는 고효율 레이저 응용 분야에서 Nd:YAG 레이저의 적합성을 더욱 입증합니다(Zhu et al., 2013).
높은 효율성, 전력 출력, 운영상의 유연성, 신뢰성, 수명, 탁월한 빔 품질이 결합되어 Nd:YAG는 광범위한 응용 분야에서 반도체 펌핑 레이저 모듈에 선호되는 이득 매질입니다.
참조
Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). 양면 확산 결합 Nd:YVO4 결정을 자가 라만 매질로 사용한 1525 nm의 소형 고효율 Q-스위치 안구 안전 레이저. Optics Express, 17(6), 4330-4335.
Gong, G., Chen, Y., Lin, Y., Huang, J., Gong, X., Luo, Z., & Huang, Y. (2016). 유망한 155 µm 레이저 이득 매질로서 Er:Yb:KGd(PO3)_4 결정의 성장 및 분광 특성. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). 광섬유 증폭기 및 레이저를 위한 Er/Yb 이득 매질의 실험 기반 모델. Journal of the Optical Society of America B.
Lera, R., Valle-Brozas, F., Torres-Peiró, S., Ruiz-de-la-Cruz, A., Galán, M., Bellido, P., Seimetz, M., Benlloch, J., & Roso, L. (2016). 다이오드 측면 펌프 QCW Nd:YAG 레이저의 이득 프로파일 및 성능 시뮬레이션. 응용광학, 55(33), 9573-9576.
Zhang, H., Chen, X., Wang, Q., Zhang, X., Chang, J., Gao, L., Shen, H., Cong, Z., Liu, Z., Tao, X., & Li, P. (2013). 1442.8 nm에서 작동하는 고효율 Nd:YAG 세라믹 안구 안전 레이저. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.
Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). 우주 기반 식생 지형 고도측량을 위한 효율적이고 신뢰성 있으며 장수명인 다이오드 펌프 Nd:YAG 레이저. Applied Optics, 43(27), 5236-5242.
Zhu, HY, Xu, CW, Zhang, J., Tang, D., Luo, D., & Duan, Y. (2013). 946 nm에서 고효율 연속파 Nd:YAG 세라믹 레이저. Laser Physics Letters, 10.
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목차：
- 1. 레이저 이득 매질이란 무엇인가?
- 2. 일반적인 이득 매체는 무엇입니까?
- 3.nd, er, yb의 차이점
- 4. 왜 우리는 이득매질로 Nd:Yag를 선택했나요?
- 5. 참고문헌 목록 (추가 자료)
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게시 시간: 2024년 3월 13일