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레이저 이득 매질이란 무엇인가요?
레이저 이득 매질은 유도 방출을 통해 빛을 증폭하는 물질입니다. 이 매질을 구성하는 원자나 분자가 더 높은 에너지 준위로 여기되면, 낮은 에너지 상태로 돌아갈 때 특정 파장의 광자를 방출할 수 있습니다. 이 과정이 매질을 통과하는 빛을 증폭시키는데, 이것이 레이저 작동의 핵심입니다.
[관련 블로그:]레이저의 주요 구성 요소]
일반적인 이득 매체는 무엇입니까?
이득 매질은 다양하게 변경될 수 있으며, 여기에는 다음이 포함됩니다.가스, 액체(염료), 고체(희토류 또는 전이 금속 이온으로 도핑된 결정 또는 유리) 및 반도체.고체 레이저예를 들어, Nd:YAG(네오디뮴이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷)와 같은 결정이나 희토류 원소가 도핑된 유리를 흔히 사용합니다. 염료 레이저는 용매에 용해된 유기 염료를 사용하고, 가스 레이저는 가스 또는 가스 혼합물을 사용합니다.
레이저봉(왼쪽에서 오른쪽 순): 루비, 알렉산드라이트, Er:YAG, Nd:YAG
이득 매질로서 네오디뮴(Nd), 에르븀(Er), 이터븀(Yb)의 차이점
주로 방출 파장, 에너지 전달 메커니즘 및 응용 분야, 특히 도핑된 레이저 재료의 맥락에서 관련됩니다.
방출 파장:
- 에르븀(Er): 에르븀은 일반적으로 1.55µm 파장에서 빛을 방출하는데, 이는 눈에 안전한 영역이며 광섬유에서 손실이 적어 통신 응용 분야에 매우 유용합니다(Gong et al., 2016).
- Yb: 이터븀(Yb)은 주로 1.0~1.1 µm 파장대의 빛을 방출하여 고출력 레이저 및 증폭기를 비롯한 다양한 응용 분야에 적합합니다. Yb는 Er 도핑 소자의 효율을 향상시키기 위해 Er의 감광제로 자주 사용되며, Yb에서 Er로 에너지를 전달하는 역할을 합니다.
- Nd: 네오디뮴이 도핑된 물질은 일반적으로 약 1.06µm 파장의 빛을 방출합니다. 예를 들어 Nd:YAG는 효율성이 뛰어나 산업용 및 의료용 레이저에 널리 사용됩니다(Y. Chang et al., 2009).
에너지 전달 메커니즘:
- Er 및 Yb 동시 도핑: 호스트 매질에 Er과 Yb를 동시 도핑하면 1.5~1.6 µm 대역에서 발광을 향상시키는 데 도움이 됩니다. Yb는 펌프광을 흡수하고 Er 이온에 에너지를 전달하여 Er의 효율적인 감광제로 작용하며, 이를 통해 통신 대역에서 발광이 증폭됩니다. 이러한 에너지 전달은 Er 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)의 작동에 매우 중요합니다(DK Vysokikh 외, 2023).
- 네오디뮴(Nd): 네오디뮴은 일반적으로 에르븀(Er) 도핑 시스템에서 이븀(Yb)처럼 감광제를 필요로 하지 않습니다. 네오디뮴의 효율은 펌프광의 직접 흡수 및 이후 방출에서 비롯되므로, 간단하고 효율적인 레이저 이득 매질입니다.
응용 분야:
- 에르:에르븀은 1.55µm 파장에서 빛을 방출하는데, 이 파장이 실리카 광섬유의 최소 손실 대역과 일치하기 때문에 주로 통신 분야에서 사용됩니다. 에르븀이 도핑된 이득 매질은 장거리 광섬유 통신 시스템의 광 증폭기 및 레이저에 필수적입니다.
- Yb:Yb 도핑 물질은 비교적 단순한 전자 구조 덕분에 효율적인 다이오드 펌핑과 높은 출력 구현이 가능하여 고출력 응용 분야에 자주 사용됩니다. 또한 Yb 도핑 물질은 Er 도핑 시스템의 성능을 향상시키는 데에도 사용됩니다.
- Nd산업용 절단 및 용접부터 의료용 레이저에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합합니다. Nd:YAG 레이저는 특히 효율성, 출력 및 다용도성으로 높은 평가를 받고 있습니다.
DPSS 레이저에서 이득 매질로 Nd:YAG를 선택한 이유는 무엇일까요?
DPSS 레이저는 반도체 레이저 다이오드로 구동되는 고체 이득 매질(예: Nd:YAG)을 사용하는 레이저의 한 종류입니다. 이 기술을 통해 가시광선에서 적외선 영역에 걸쳐 고품질 빔을 생성할 수 있는 소형의 고효율 레이저를 구현할 수 있습니다. DPSS 레이저 기술에 대한 자세한 내용은 신뢰할 수 있는 과학 데이터베이스나 출판사에서 관련 종합적인 리뷰 자료를 검색해 보시기 바랍니다.
[관련 제품:]다이오드 펌핑 고체 레이저]
Nd:YAG는 여러 연구에서 강조된 바와 같이 여러 가지 이유로 반도체 펌핑 레이저 모듈의 이득 매질로 자주 사용됩니다.
1. 높은 효율 및 출력다이오드 측면 펌핑 Nd:YAG 레이저 모듈의 설계 및 시뮬레이션 결과, 상당한 효율을 보였으며, 이 다이오드 측면 펌핑 Nd:YAG 레이저는 넓은 주파수 범위에서 펄스당 일정한 에너지를 유지하면서 최대 평균 출력 220W를 제공했습니다. 이는 다이오드 펌핑을 통해 Nd:YAG 레이저를 사용할 때 높은 효율과 고출력 가능성을 보여줍니다(Lera et al., 2016).
2. 운영 유연성 및 신뢰성Nd:YAG 세라믹은 눈에 안전한 파장을 포함한 다양한 파장에서 높은 광학 효율로 효율적으로 작동하는 것으로 나타났습니다. 이는 Nd:YAG가 다양한 레이저 응용 분야에서 이득 매질로서 다재다능하고 신뢰할 수 있음을 보여줍니다(Zhang et al., 2013).
3. 수명 및 빔 품질고효율 다이오드 펌핑 Nd:YAG 레이저에 대한 연구는 긴 수명과 일관된 성능을 강조하며, 내구성과 신뢰성이 요구되는 응용 분야에 Nd:YAG가 적합함을 보여주었습니다. 이 연구는 광학적 손상 없이 4.8 x 10^9회 이상의 샷을 장시간 작동시키면서 우수한 빔 품질을 유지했다고 보고했습니다(Coyle et al., 2004).
4. 고효율 연속파 작동:연구 결과에 따르면 Nd:YAG 레이저는 연속파(CW) 동작 시 매우 높은 효율을 나타내며, 다이오드 펌핑 레이저 시스템에서 이득 매질로서의 효과가 입증되었습니다. 특히 높은 광 변환 효율과 기울기 효율을 달성하여 Nd:YAG가 고효율 레이저 응용 분야에 적합하다는 것을 더욱 뒷받침합니다(Zhu et al., 2013).
높은 효율, 출력, 작동 유연성, 신뢰성, 긴 수명 및 우수한 빔 품질의 조합으로 인해 Nd:YAG는 다양한 응용 분야에서 반도체 펌프 레이저 모듈의 선호되는 이득 매체입니다.
참조
Chang, Y., Su, K., Chang, H., & Chen, Y. (2009). 이중단 확산결합 Nd:YVO4 결정을 자체 라만 매질로 사용하는 1525 nm의 소형 고효율 Q-스위치 눈 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 매질로서의 Er:Yb:KGd(PO3)_4 결정의 성장 및 분광학적 특성. Optical Materials Express, 6, 3518-3526.
Vysokikh, DK, Bazakutsa, A., Dorofeenko, AV, & Butov, O. (2023). 광섬유 증폭기 및 레이저용 Er/Yb 이득 매체의 실험 기반 모델. 미국 광학 학회지 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 눈 안전 레이저. Optics Letters, 38(16), 3075-3077.
Coyle, DB, Kay, R., Stysley, P., & Poulios, D. (2004). 우주 기반 식생 지형 고도 측정을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있으며 수명이 긴 다이오드 펌프 Nd:YAG 레이저. 응용 광학, 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 무엇입니까?
- 2. 일반적인 이득 매체는 무엇입니까?
- 3. nd, er, yb의 차이점
- 4. 이득 매질로 Nd:Yag를 선택한 이유는 무엇입니까?
- 5. 참고문헌 목록 (추가 자료)
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게시 시간: 2024년 3월 13일