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레이저

Laser
적색(660 nm 및 635 nm), 녹색(532 nm 및 520 nm), 청자색(445 nm 및 405 nm) 레이저
용접에 사용되는 레이저 빔

레이저전자파 복사의 자극적인 방출을 바탕으로 광증폭 과정을 통해 빛을 내는 장치다."레이저"는 "방사선의 자극 방출에 의한증폭"[3][4][5]약어이다[1][2].최초의 레이저는 찰스 하드 타운즈아서 레너드 [6]쇼로우이론적 연구에 기초하여 휴즈 연구소테오도르 마이만이 1960년에 만들었다.

레이저는 다른 광원과는 달리 간섭성이 있는 빛을 방출합니다.공간적 일관성을 통해 레이저를 좁은 장소에 집중시킬 수 있으므로 레이저 절단 및 리소그래피 의 응용 프로그램이 가능합니다.공간적 일관성을 통해 레이저 빔이 먼 거리(콜리메이션)에서도 좁게 유지되므로 레이저 포인터 및 라이더(빛 감지 및 범위 지정)와 같은 응용 프로그램이 가능합니다.레이저는 또한 매우 좁은 스펙트럼으로 빛을 방출할 수 있는 높은 시간적 일관성을 가질 수 있습니다.또는 시간적 일관성을 사용하여 넓은 스펙트럼을 가지지만 펨토초만큼 짧은 지속시간을 가진 초단파 빛의 펄스를 생성할 수 있다.

레이저는 광디스크 드라이브, 레이저 프린터, 바코드 스캐너, DNA 배열 장치, 광섬유, 반도체 칩 제조(포토 리소그래피), 자유공간 광통신, 레이저 수술 및 피부 치료, 절단 및 용접 재료, 표적 표시 및 범위 측정을 위한 군사 및 법 집행 장치사용됩니다.속도, 엔터테인먼트용 레이저 라이팅 디스플레이 입니다.청색에서 근자외선까지의 반도체 레이저도 발광 다이오드(LED) 대신 사용되어 백색 광원으로서 형광을 자극합니다.이렇게 하면 레이저의 광도가 훨씬 커지므로 방출 면적이 훨씬 작아지고 LED가 처지는 현상을 방지할 수 있습니다. 이러한 장치는 이미 일부 차량 [7][8][9][10]헤드램프에 사용되고 있습니다.

기초

레이저는 일관성이 있다는 점에서 다른 광원과 구별됩니다.공간적(또는 횡단적) 일관성은 일반적으로 회절 제한이 있는 좁은 빔인 출력을 통해 표현됩니다.레이저 빔은 매우 작은 부분에 집중되어 매우 높은 조사 강도를 달성하거나 멀리 떨어진 곳에 전력을 집중시키기 위해 매우 낮은 발산을 가질 수 있습니다.시간적(또는 세로적) 일관성은 단일 주파수의 편파를 의미하며, 그 위상은 [11]빔을 따라 상대적으로 큰 거리(간결 길이)에 걸쳐 상관됩니다.열광원 또는 다른 일관성이 없는 광원에 의해 생성되는 빔은 시간 및 위치에 대해 랜덤하게 변화하는 순간 진폭 및 위상을 가지며, 따라서 짧은 코히렌스 길이를 가진다.

레이저의 특징은 진공에서의 파장에 따라 달라집니다.대부분의 "단파장" 레이저들은 실제로 약간 다른 파장을 가진 여러 가지 모드에서 방사선을 생성합니다.시간적 일관성은 어느 정도 단색성을 의미하지만, 넓은 스펙트럼의 빛을 방출하거나 다른 파장의 빛을 동시에 방출하는 레이저가 있습니다.일부 레이저는 단일 공간 모드가 아니며 회절 한계에서 필요한 것보다 더 많은 을 발산합니다.이러한 모든 장치는, 자극 방출에 의한 빛의 생성 방법에 근거해 「레이저」로 분류된다.레이저는 필요한 공간적 또는 시간적 일관성의 빛을 보다 단순한 기술을 사용하여 생성할 수 없는 경우에 사용됩니다.

용어.

마이크로파 주파수로 작동되는 자극 방출에 의한 증폭을 이용한 최초의 장치는 "방사선의 자극 방출에 의한 마이크로웨이브 증폭"의 약자인 "메서"로 명명되었다.유사한 광학 장치가 개발되었을 때, 처음에는 "광학식 메이저"로 알려졌으며,[12] 그 후 "마이크로웨이브"가 약어인 "라이트"로 대체되었다.

마이크로파보다 높은 주파수로 작동하는 이러한 모든 장치를 레이저라고 합니다(적외선 레이저, 자외선 레이저, X선 레이저 및 감마선 레이저 포함).마이크로파 이하의 무선 주파수로 동작하는 모든 디바이스를 메이저라고 부릅니다.

스스로 빛을 내는 레이저는 기술적으로 두문자어처럼 광증폭기가 아닌 광발진기입니다."자극 방사선의 방출에 의한 빛의 진동"이라는 약어가 [13]더 정확했을 것이라는 유머러스한 지적이 있었다.원래 약어가 일반 명사로 널리 사용되면서 광증폭기는 "레이저 증폭기"로 불리게 되었다.

역형동사 to lase는 현장에서 자주 사용되며, 이는 "커런트한 빛을 발산한다"는 의미이며,[14] 특히 레이저의 이득 매체와 관련하여 레이저가 작동 중일 때 "lasing"이라고 합니다.레이저와 메저라단어천체물리 메저와 원자 레이저처럼 제조된 장치와 연결되지 않은 일관성 있는 상태가 있는 경우에도 사용됩니다.

설계.

일반적인 레이저의 컴포넌트:
  1. 게인 미디어
  2. 레이저 펌핑 에너지
  3. 하이 리플렉터
  4. 출력 커플러
  5. 레이저 빔

레이저는 이득 매질, 이를 통전시키는 기구 및 [15]광피드백을 제공하는 것으로 구성됩니다.이득 매체는 자극 방출을 통해 빛을 증폭할 수 있는 특성을 가진 물질입니다.게인 매체를 통과하는 특정 파장의 빛이 증폭된다(전력의 증가).피드백에 의해 자극 방출이 이득 주파수 곡선의 피크에서 주로 광 주파수를 증폭할 수 있습니다.자극 방출이 증가함에 따라, 결국 하나의 주파수가 다른 모든 주파수보다 우세하며, 이는 간섭성 빔이 [16]형성되었음을 의미합니다.자극 방출의 과정은 예를 들어 퍼블릭 어드레스 시스템의 스피커가 마이크에 근접해 있을 때 발생할 수 있는 양의 피드백을 가진 오디오 발진기와 유사합니다.스크리크는 앰프의 [17]게인 주파수 곡선의 피크에서 발생하는 오디오 진동입니다.

게인 매체가 빛을 증폭시키려면 펌핑이라는 과정에서 에너지가 공급되어야 합니다.에너지는 일반적으로 전류 또는 다른 파장의 빛으로 공급됩니다.펌프 빛은 플래시 램프 또는 다른 레이저에 의해 제공될 수 있습니다.

가장 일반적인 유형의 레이저는 광학 공동(게인 매체의 양 끝에 있는 미러 쌍)의 피드백을 사용합니다.빛은 거울 사이를 왔다 갔다 하며 이득 매체를 통과하고 매번 증폭됩니다.일반적으로 2개의 미러 중 하나인 출력 커플러는 부분적으로 투명합니다.어떤 빛은 이 거울을 통해 빠져나간다.공동 설계(미러가 평평한지 곡선인지 여부)에 따라 레이저에서 나오는 빛이 확산되거나 좁은 빔을 형성할 수 있습니다.전자 발진기와 유사하게, 이 장치는 때때로 레이저 발진기라고 불립니다.

대부분의 실용적인 레이저에는 편광, 파장, 빔의 모양 등 방출되는 빛의 특성에 영향을 미치는 추가 요소가 포함되어 있습니다.

레이저 물리학

전자와 전자장이 전자장과 어떻게 상호작용하는지는 화학과 물리학을 이해하는 데 중요하다.

자극 방출

자극방출과 레이저 원리를 설명하는 애니메이션

고전적인 관점에서 원자핵 주위를 도는 전자의 에너지는 원자핵에서 더 멀리 떨어진 궤도에 대해 더 크다.그러나 양자역학적 효과는 전자가 궤도에서 분리된 위치를 차지하도록 강요한다.따라서 전자는 원자의 특정 에너지 수준에서 발견되며, 그 중 두 가지는 다음과 같습니다.

Stimulated Emission.svg

원자의 전자는 광자나 포논에 의해 운반되는 에너지와 일치하는 에너지 수준 사이에 변화가 있을 경우에만 이나 로부터 에너지를 흡수할 수 있습니다.빛의 경우, 이것은 어떤 전이가 특정 파장만을 흡수한다는 것을 의미합니다.정확한 파장을 가진 광자는 전자가 낮은 에너지 수준에서 높은 에너지 수준으로 뛰어오르게 할 수 있다.광자는 이 과정에서 소비된다.

전자가 에너지 차이 δE와 함께 한 상태에서 더 높은 에너지 수준으로 들뜨면, 전자는 영원히 그렇게 머물지 않을 것입니다.결국, 광자는 에너지 δE를 가진 진공으로부터 자발적으로 생성될 것이다. 에너지를 절약하면서, 전자는 점유되지 않은 낮은 에너지 레벨로 이행하며, 다른 레벨로의 이행은 다른 시간 상수를 갖는다.이 과정을 "순간 방출"이라고 합니다.자발적 방출은 양자역학적 효과이며 하이젠베르크 불확도 원리의 직접적인 물리적 표현이다.방출된 광자는 임의 방향을 가지지만 파장은 천이 흡수 파장과 일치합니다.이것이 형광과 열방출의 메커니즘이다.

천이에 의해 흡수되는 정확한 파장을 가진 광자는 또한 전자를 높은 레벨에서 낮은 레벨로 떨어뜨려 새로운 광자를 방출할 수 있다.방출된 광자는 파장, 위상 및 방향에서 원래의 광자와 정확히 일치합니다.이 과정을 자극 방출이라고 합니다.

게인 미디어 및 캐비티

헬륨 네온 레이저 시연입니다.튜브의 중앙을 통과하는 광선은 방전입니다.이 빛나는 플라즈마는 레이저의 이득 매체입니다.레이저에 의해 화면 우측에 작고 강렬한 점이 생깁니다.이미지가 과도하게 노출되어 있기 때문에 점의 중앙은 흰색으로 표시됩니다.
헬륨-네온 레이저의 스펙트럼.실제 대역폭은 표시된 것보다 훨씬 좁습니다. 스펙트럼은 측정 장치에 의해 제한됩니다.

이득 매체는 외부 에너지원에 의해 들뜬 상태가 된다.대부분의 레이저에서 이 매체는 외부 광원에 의해 그러한 상태로 들뜬 원자의 집단 또는 원자가 흡수되어 들뜬 상태로 변환되는 에너지를 공급하는 전기장으로 구성됩니다.

레이저의 이득 매체는 일반적으로 순도, 크기, 농도 및 형상이 제어된 물질로, 위에서 설명한 자극 방출 과정에 의해 빔을 증폭시킵니다.이 재료는 기체, 액체, 고체 또는 플라즈마 등 모든 상태가 될 수 있습니다.이득 매체는 펌프 에너지를 흡수하여 일부 전자를 더 높은 에너지("여진") 양자 상태로 상승시킵니다.입자는 광자를 흡수하거나 방출함으로써 빛과 상호작용할 수 있다.방출은 자발적일 수도 있고 자극적일 수도 있습니다.후자의 경우, 광자는 통과하는 빛과 같은 방향으로 방출된다.하나의 들뜬 상태의 입자 수가 어떤 낮은 에너지 상태의 입자 수를 초과하면 모집단 반전이 달성됩니다.이 상태에서는, 매질중의 빛의 흡수율보다 자극 발광율이 높아져, 빛이 증폭된다.이 성질을 가진 시스템을 광증폭기라고 합니다.광증폭기를 공명광 캐비티 안에 [18]넣으면 레이저를 얻을 수 있다.

매우 이득이 높은 레이스 매체, 이른바 초휘도 매체에 대해서는 공진기를 필요로 하지 않고 이득 매체를 통과하는 1회 통과로 충분히 빛을 증폭할 수 있다.레이저라고 불리는 경우가 많지만(를 들어 질소 [19]레이저 참조), 이러한 디바이스로부터의 광출력은 레이저로 달성할 수 있는 공간적 및 시간적 일관성이 결여되어 있습니다.이러한 소자는 발진기라고 할 수 없고 오히려 자체 자연방사를 증폭하는 고이득 광증폭기이다.같은 메커니즘이 소위 천체물리학적 매저/레이저를 기술합니다.

광학 공진기는 때때로 "광학적 공동"이라고 불리기도 하지만, 이는 잘못된 명칭입니다. 레이저는 메이저에서 마이크로파 주파수로 사용되는 문자 그대로의 공동과 달리 개방형 공진기를 사용합니다.공진기는 일반적으로 두 개의 거울로 구성되어 있으며, 이 거울 사이에 간섭성 있는 빛 빔은 자신을 반사하여 평균 광자가 출력 개구부에서 방출되거나 회절 또는 흡수로 손실되기 전에 이득 매체를 반복적으로 통과하도록 합니다.매체의 게인(증폭)이 공진기 손실보다 클 경우 재순환 빛의 전력이 기하급수적으로 상승할 수 있습니다.그러나 각 자극 방출 이벤트는 원자를 들뜬 상태에서 지면 상태로 되돌려 매체의 이득을 감소시킵니다.빔 파워가 증가하면 순 게인(게인 - 손실)이 단일성으로 감소하며 게인 매체는 포화 상태라고 합니다.연속파(CW) 레이저에서는 게인 포화 및 캐비티 손실에 대한 펌프 전력의 균형이 캐비티 내부의 레이저 전력의 평형값을 생성합니다.이 평형은 레이저의 동작점을 결정합니다.적용된 펌프 출력이 너무 작으면 공동 손실을 극복하기에 이득이 충분하지 않고 레이저 빛이 생성되지 않습니다.레이저 동작을 개시하기 위해서 필요한 펌프의 최소 전력은, 레이싱 임계치라고 불립니다.이득 매체는 방향에 관계없이 통과하는 모든 광자를 증폭합니다. 그러나 공진기에 의해 지원되는 공간 모드의 광자만 매체를 두 번 이상 통과하여 상당한 증폭을 받습니다.

빛을 발하다

대부분의 레이저에서 레이싱은 레이싱 모드에 대한 자발적인 방출에서 시작됩니다.그런 다음 이 초기 빛은 이득 매체의 자극 방출에 의해 증폭됩니다.자극방출은 방향, 파장, 편파 등에서 입력신호와 일치하는 빛을 내는 반면, 방출되는 빛의 위상은 자극광의 [20]리드선이 90도이다.이는 광학 공진기의 필터링 효과와 결합되어 레이저광의 특징적인 일관성을 제공하며 공진기의 설계에 따라 균일한 편광과 단색성을 제공할 수 있습니다.레이싱 공진기에서 방출되는 빛의 기본 레이저[21] 선폭은 패시브 공진기에서 방출되는 빛의 선폭보다 훨씬 좁을 수 있습니다.일부 레이저에서는 별도의 사출 시더를 사용하여 이미 높은 간섭성을 가진 빔으로 프로세스를 시작합니다.이를 통해 가능한 것보다 좁은 스펙트럼을 가진 빔이 생성될 수 있습니다.

1963년, Roy J. Glauber는 일관성 있는 상태가 광자수 상태의 조합으로 형성된다는 것을 보여주었고, 이 공로로 그는 노벨 [22]물리학상을 수상했습니다.포아송 분포에 따라 분포된 단주파 양자광자 상태에 의해 간섭성 광선이 형성된다.그 결과, 레이저광에서의 광자의 도달률은 포아송 [16]통계로 기술된다.

많은 레이저가 가우스 빔으로 근사할 수 있는 빔을 생성합니다. 이러한 빔은 주어진 빔 직경에서 가능한 최소 발산을 가집니다.일부 레이저(특히 고출력 레이저)는 다중 모드 빔을 생성하며, 횡단 모드는 종종 헤르미트-가우스 또는 라게르-가우스 함수를 사용하여 근사합니다.일부 고출력 레이저에서는 '톱패드 빔'으로 알려진 플랫톱 프로파일이 사용됩니다.불안정한 레이저 공진기(대부분 레이저에는 사용되지 않음)는 프랙탈 모양의 [23]빔을 생성합니다.특수 광학 시스템은 베셀 빔 및 광학 소용돌이와 같은 보다 복잡한 빔 형상을 생성할 수 있습니다.

레이저 빔의 "웨이스트"(또는 초점 영역) 근처에서는 매우 시준됩니다. 즉, 전파 방향에 대해 수직인 평면이며, 그 지점에서 빔이 발산되지 않습니다.그러나 회절 때문에 레일리 범위 내에서만 참을 유지할 수 있다.단일 횡방향 모드(가우스 빔) 레이저의 빔은 회절 이론에서 요구하는 빔 직경에 반하는 각도로 최종적으로 분기합니다.따라서, 일반적인 헬륨 네온 레이저에 의해 직접 생성된 "연필 빔"은 (지구 거리에서) 달에 비칠 때 약 500 킬로미터 크기로 확산될 것입니다.한편, 반도체 레이저로부터의 빛은, 통상, 최대 50°의 큰 편차로 작은 결정으로부터 나옵니다.단, 이러한 발산광도 예를 들어 레이저 다이오드에서 발원하는 빛을 가진 레이저 포인터에 항상 포함되는 렌즈 시스템에 의해 마찬가지로 시준광으로 변환할 수 있다.그것은 빛이 단일 공간 모드이기 때문에 가능합니다.레이저 빛의 고유한 특성인 공간적 일관성은 손전등(토치) 또는 스포트라이트의 빔을 거의 모든 레이저의 빔과 비교함으로써 알 수 있는 표준 광원(광의 대부분을 폐기하는 것 제외)을 사용하여 복제할 수 없습니다.

레이저광 프로파일러는 레이저광의 강도 프로파일, 폭 및 발산 측정에 사용됩니다.

무광 표면으로부터의 레이저 빔의 확산 반사에 의해서, 흥미로운 성질을 가지는 스펙클 패턴이 생성된다.

양자 대 고전적 방출 과정

레이저에서 방사선을 생성하는 메커니즘은 원자 또는 분자의 전환에서 에너지가 추출되는 자극 방출에 의존합니다.이는 자연방출을 기술하는 A계수와 흡수 및 자극방출에 적용되는 B계수의 관계를 도출한 알버트 아인슈타인에 의해 예측된 양자현상이다[dubious ].하지만, 자유 전자 레이저의 경우, 원자 에너지 수준은 관여하지 않습니다; 이 다소 이국적인 장치의 작동은 양자 역학과 관계 없이 설명될 수 있는 것으로 보입니다.

연속 및 펄스 작동 모드

클레멘타인 임무에 의해 만들어진 달 지형 라이다 측정.
레이저 링크 포인트 투 포인트 광무선 네트워크
메신저 우주선의 수은 레이저 고도계(MLA)

레이저의 출력은 본질적으로 시간에 걸쳐 연속적인지 또는 그 출력이 하나 또는 다른 시간 척도의 빛의 펄스 형태를 취하는지 여부에 따라 연속 모드 또는 펄스 모드 중 하나로 분류할 수 있습니다.물론 통상적으로 출력이 연속적인 레이저라도 빛의 펄스를 생성하기 위해 의도적으로 온/오프할 수 있다.변조율이 캐비티 수명 및 레이싱 매체 또는 펌핑 메커니즘에 에너지를 저장할 수 있는 기간보다 훨씬 느린 시간 척도에 있는 경우, 여전히 "변조" 또는 "펄스" 연속파 레이저로 분류됩니다.통신 시스템에 사용되는 대부분의 레이저 다이오드는 이 범주에 속합니다.

연속파 동작

레이저의 적용에 따라서는 출력 전력이 시간에 따라 일정한 빔에 의존합니다.이러한 레이저는 연속파(CW) 레이저라고 불립니다.이러한 애플리케이션을 만족시키기 위해서, 많은 타입의 레이저를 연속파 모드로 동작시킬 수 있습니다.이러한 레이저의 대부분은 실제로 동시에 여러 종방향 모드로 소거하며, 이들 발진의 약간 다른 광주파수 사이의 비트에는 실제로는 왕복 시간(모드 간 주파수 간격의 역수)보다 짧은 시간 척도에서 진폭 변화가 발생합니다.일반적으로 몇 나노초 또는 레즈입니다.s. 대부분의 경우, 이러한 레이저들은 여전히 "연속파"라고 불리고 있는데, 그 이유는 레이저의 출력 전력이 장기간에 걸쳐 평균화되었을 때 안정적이며, 고주파 전력 변화는 의도한 용도에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않기 때문입니다.(단, 이 용어는 라운드 트립 시간의 레이트로 매우 짧은 펄스를 작성하는 것을 목적으로 하는 모드 잠금 레이저에는 적용되지 않습니다).

연속파 동작의 경우, 게인 매체의 모집단 반전이 안정된 펌프 소스에 의해 지속적으로 보충되어야 한다.일부 레이싱 미디어에서는 이것이 불가능합니다.그 외의 레이저에서는, 매우 높은 연속 전력 레벨로 레이저를 펌핑 할 필요가 있습니다.이것은 실용적이지 않거나, 과도한 열을 발생시켜 레이저를 파괴합니다.이러한 레이저는 CW 모드에서는 실행할 수 없습니다.

펄스 동작

레이저의 펄스 동작은 연속파로 분류되지 않는 레이저를 말하며, 광파워가 일정한 반복률로 일정 기간 펄스로 나타나는 것을 말합니다.여기에는 다양한 동기 부여에 대응하는 광범위한 기술이 포함됩니다.일부 레이저의 경우 연속 모드에서 실행할 수 없기 때문에 펄스가 발생합니다.

다른 경우에는 가능한 한 큰 에너지를 가진 펄스의 생산을 요구한다.펄스 에너지는 평균 전력을 반복률로 나눈 값과 같기 때문에 펄스 속도를 낮춰 펄스 사이에 더 많은 에너지를 축적할 수 있습니다.예를 들어 레이저 어블레이션에서는 매우 짧은 시간 내에 가열되면 공작물 표면에 있는 소량의 물질이 증발할 수 있지만, 에너지를 점차적으로 공급하면 특정 지점에서 충분한 고온에 도달하지 않고 공작물의 대부분으로 열을 흡수할 수 있습니다.

다른 애플리케이션은 특히 비선형 광학 효과를 얻기 위해 펄스 내 에너지가 아닌 피크 펄스 전력에 의존합니다.이를 위해서는 Q-스위칭 등의 기법을 사용하여 가능한 한 짧은 지속시간의 펄스를 생성해야 합니다.

펄스의 광 대역폭은 펄스 폭의 역수보다 좁을 수 없습니다.펄스가 매우 짧은 경우, 이는 CW 레이저의 일반적인 매우 좁은 대역폭과는 달리 상당한 대역폭에 걸쳐 레이싱하는 것을 의미합니다.일부 염료 레이저 및 바이브로닉 고체 레이저의 레이싱 매체는 광대역폭에서 광학적 이득을 생성하므로 레이저가 몇 펨토초(10초)의−15 짧은 빛의 펄스를 발생시킬 수 있습니다.

Q 스위칭

Q스위치레이저는 매체의 게인을 초과하는 손실을 공진기 내부에 도입함으로써 모집단 반전을 축적할 수 있으며, 이는 캐비티의 품질계수 또는 'Q'의 감소로도 설명할 수 있다.그런 다음 레이저 매체에 저장된 펌프 에너지가 가능한 최대 레벨에 도달한 후 도입된 손실 기구(종종 전기 또는 음향 광학 소자)를 신속하게 제거(또는 수동 디바이스에서 저절로 발생)하여 이득 매체에 저장된 에너지를 빠르게 얻는 레이싱을 시작할 수 있다.그 결과 그 에너지가 포함된 짧은 펄스가 발생하여 피크 전력이 높아집니다.

모드 잠금

모드 잠금식 레이저는 10펨토초 미만으로 수십 피코초 정도의 매우 짧은 펄스를 방출할 수 있습니다.이러한 펄스는 왕복 시간, 즉 공진기로 구성된 미러 간의 1회 왕복이 완료되기까지 빛이 걸리는 시간에 반복됩니다.푸리에 한계(에너지-시간 불확실성이라고도 함)로 인해 이러한 짧은 시간 길이의 펄스는 상당한 대역폭에 걸쳐 스펙트럼이 확산됩니다.따라서 이러한 이득 매체는 그러한 주파수를 증폭하기에 충분히 넓은 이득 대역폭을 가져야 합니다.적절한 재료의 예로는 티타늄 도프 인공 재배 사파이어(Ti:sappire)가 있으며, 이 사파이어는 매우 넓은 게인 대역폭을 가지며, 따라서 몇 펨토초 동안만 펄스를 생성할 수 있습니다.

이러한 모드 잠금식 레이저는 광학 재료(예: 제2 고조파 발생, 파라메트릭 다운 변환, 광학 파라메트릭 발진)의 비선형성 효과를 극대화하기 위해 극히 짧은 시간 척도로 발생하는 프로세스(펨토초 물리학, 펨토초 화학 및 초고속 과학)를 연구하기 위한 가장 다목적 도구이다.rs 등).Q 스위치드 레이저의 거대한 펄스와는 달리 모드 록 레이저로부터의 연속 펄스는 위상 일관성이 있습니다.즉, 펄스(포락선 뿐만이 아니라)는 동일하고, 완전하게 주기적입니다.이러한 이유로, 그리고 이러한 짧은 펄스로 얻을 수 있는 매우 큰 피크 파워는, 특정의 연구 분야에 있어서 매우 중요합니다.

펄스 펌핑

펄스 레이저 동작을 실현하는 또 다른 방법은 플래시 램프의 경우 전기 충전을 통해 펄스된 소스 또는 이미 펄스된 다른 레이저를 사용하여 레이저 재료를 펌프하는 것이다.펄스 펌핑은 염료 분자의 반전 모집단 수명이 너무 짧아서 고에너지 고속 펌프가 필요했던 염료 레이저에 역사적으로 사용되었습니다.이 문제를 해결하는 방법은 대용량 캐패시터를 충전하고 플래시 램프를 통해 방전되도록 전환하여 강렬한 플래시를 생성하는 것입니다.또한 펄스 펌핑은 낮은 에너지 레벨이 빠르게 고밀도로 채워져 원자가 지면 상태로 이완될 때까지 더 이상의 레이싱을 방지하는 3단계 레이저에도 필요합니다.엑시머 레이저나 동증기 레이저등의 이러한 레이저는, CW모드에서는 동작할 수 없습니다.

역사

기초

1917년 알버트 아인슈타인은 개념적으로 흡수, 자연 방출 및 s에 대한 확률 계수(아인슈타인 계수)에 기초한 막스 플랑크의 복사 법칙의 재유출을 통해 레이저매저에 대한 이론적 기초를 확립했다.전자기 [24]방사선의 시간적 방출.1928년, Rudolf W. Ladenburg는 자극적인 방출과 음의 [25]흡수 현상의 존재를 확인했습니다.1939년 발렌틴 A. 파브리칸트는 "단파"[26]를 증폭하기 위해 자극 방출을 사용할 것이라고 예측했다.1947년 윌리스 램과 R.C. 레더포드는 수소 스펙트럼에서 명백한 자극 방출을 발견했고, 자극 [25]방출의 첫 번째 시연에 성공했다.1950년 알프레드 카슬러(1966년 노벨 물리학상)는 광학 펌핑 방법을 제안했고, 2년 후 브로스엘, 카슬러, [27]윈터에 의해 실험적으로 증명되었다.

매서

1951년, 조셉 웨버는 [28]캐나다 온타리오 오타와에서 열린 1952년 6월 라디오 엔지니어 협회 진공관 연구 회의에 자극 방출을 사용하여 마이크로파 증폭기를 만드는 것에 대한 논문을 제출했다.이 프레젠테이션이 끝난 후 RCA는 웨버에게 이 아이디어에 대한 세미나를 해달라고 요청했고 찰스 하드 타운즈는 에게 [29]논문 복사본을 요청했다.

1953년 찰스 하드 타운즈와 대학원생 제임스 P. Gordon과 Herbert J. Zeiger는 레이저와 비슷한 원리로 작동하지만 적외선이나 가시 방사선이 아닌 극초단파 방사선을 증폭하는 장치인 최초의 마이크로파 증폭기를 만들었다.타운즈의 메서는 연속적인 [30]산출을 할 수 없었다.한편, 소련에서는 니콜라이 바소프와 알렉산드르 프로호로프독자적으로 양자 발진기를 연구하여 두 가지 이상의 에너지 레벨을 사용하여 연속 출력 시스템의 문제를 해결하였다.이러한 이득 매체는 들뜬 상태와 지면 상태가 아닌 낮은 들뜬 상태 사이에 자극된 방출을 방출하여 인구 역전 유지를 촉진할 수 있다.1955년 Prokhorov와 Basov는 나중에 레이저 펌핑의 주요 방법인 인구 반전을 얻기 위한 방법으로 다단계 시스템의 광학 펌핑을 제안했다.

타운스는 닐스 보어, 존 폰 노이만, 르웰린 토마스 등 몇몇 저명한 물리학자들이 이 매서가 하이젠베르크의 불확정성 원리를 위반해 효과가 없다고 주장했다고 보도했다.이시도르 라비와 Polykarp Kusch와 같은 다른 사람들은 이것이 비현실적이고 [31]노력을 기울일 가치가 없을 것이라고 기대했다.1964년 찰스 H.타운스, 니콜라이 바소프, 알렉산드르 프로호로프는 "양자 전자학 분야의 기초적인 업적으로, 메저-레이저 원리에 기초한 발진기와 증폭기의 제작을 이끌었다"고 노벨 물리학상을 공동 수상했다.

레이저

1957년 4월, 일본의 기술자 니시자와 준이치는 「반도체 광학 메자」의 컨셉을 특허 [32]출원으로 제안했다.

외부 오디오
audio icon "인간, 신화, 레이저", 증류 팟캐스트, 과학사연구소

같은 해, 당시 연구소에서 일하던 찰스 하드 타운즈와 아서 레너드 샤울로는 적외선 "광학 매저"에 대한 진지한 연구를 시작했다.아이디어가 발전하면서, 그들은 가시광선에 집중하기 위해 적외선을 포기했다.1958년, 벨 연구소는 제안된 광학 매머에 대한 특허 출원을 했고, 샤울로우와 타운즈는 1958년에 [33]출판된 Physical Review에 그들의 이론적 계산 원고를 제출했습니다.

레이저 노트북:Gordon Gould가 LASER라는 약자를 만든 노트북의 첫 페이지에는 LASER라는 약자를 만드는 데 필요한 요소들이 설명되어 있습니다.원고 텍스트: "LASER의 실현 가능성에 대한 대략적인 계산/자극/방사선에 의한 광증폭/광학적 평탄/[튜브의 스케치]/부분 반사 평행 거울에 의해 종단된 튜브를 상상한다."."

동시에 컬럼비아 대학에서 대학원생 고든 굴드는 흥분한 탈륨의 에너지 수준에 관한 박사 논문을 쓰고 있었다.굴드와 타운즈가 만났을 때, 그들은 방사선 방출에 대해 일반적인 주제로 이야기했다; 그 후 1957년 11월 굴드는 개방형 공진기(나중에 필수적인 레이저 장치 구성 요소)를 사용하는 것을 포함한 "레이저"에 대한 그의 아이디어를 언급했다.게다가, 1958년에 Prokhorov는 독자적으로 개방형 공명기를 사용할 것을 제안했는데, 이는 이 아이디어의 첫 번째 공개된 형태이다.한편, Schawlow와 Townes는 오픈 레조네이터 레이저 설계를 결정했는데, Prokhorov의 출판물과 Gould의 미발표 레이저 작업을 모르는 것 같습니다.

1959년 학회에서 고든 굴드는 "LASER"라는 약자를 "LASER"[3][13]라는 논문에서 처음 발표했다.Gould의 의도는 스펙트럼의 다른 부분에 대해 "-ASER"의 약자를 사용해야 한다는 것이었다: "XASER", "UVASER" 등. "레이저"는 무선주파수 방출 장치를 가리키는 데 잠깐 유행했지만 결국 비마이크로웨이브 장치의 총칭이 되었다.

굴드의 노트는 분광학, 간섭계, 레이더, 핵융합과 같은 레이저에 대한 가능한 응용을 포함했다.그는 그 아이디어를 계속 개발했고 1959년 4월에 특허 출원을 했다.미국 특허청은 그의 출원을 거부하고 1960년 벨 연구소에 특허를 수여했다.이는 과학적 명성과 돈을 판돈으로 내세운 28년간의 소송을 유발했다.1977년 굴드는 첫 번째 마이너 특허를 따냈지만 1987년 연방법원이 미국 특허청에 광학펌프와 가스방전 레이저 장치에 대한 특허를 내라고 명령한 후에야 처음으로 중요한 특허 소송에서 승리했다.레이저 발명에 대한 공로를 어떻게 부여할 것인가 하는 문제는 역사가들에 의해 해결되지 [34]않은 채 남아 있다.

1960년 5월 16일, 시어도어 H. 마이만은 캘리포니아 말리부의 휴즈 연구소에서 콜럼비아 대학의 타운즈, 벨 [37]연구소의 아서 쇼로우, TRG(Technical Research Group) 회사의 굴드를 포함한 여러 연구팀을 제치고 최초의 레이저를[35][36] 작동시켰습니다.마이만의 기능성 레이저는 694나노미터 파장의 적색 레이저광을 내기 위해 플래쉬 램프로 펌핑된 합성 루비 결정을 사용했다.이 장치는 3단계 펌핑 설계 체계로 인해 펄스 작동만 가능했습니다.그 해 말, 이란의 물리학자 알리 자바윌리엄 R. 베넷과 도널드 헤리엇은 헬륨과 네온을 이용해 적외선(미국 특허 3,149,290)으로 연속 동작할 수 있는 최초의 가스 레이저를 개발했고, 이후 1993년 자반은 알버트 아인슈타인 세계과학상수상했다.바소프와 자바가 반도체 레이저 다이오드 개념을 제안했다.1962년 로버트 홀은 비화 갈륨으로 만들어져 850 nm의 근적외선 대역에서 방출되는 최초의 레이저 다이오드 장치를 시연했다. 해 말, 닉 홀로냐크 주니어는 가시적인 방출을 가진 최초의 반도체 레이저를 시연했다.이 최초의 반도체 레이저는 펄스 빔 작동 및 액체 질소 온도(77 K)까지 냉각될 때만 사용할 수 있습니다.1970년, 소련의 조레스 알페로프와 벨 전화 연구소의 이즈오 하야시, 모튼 패니쉬도 헤테로 접합 구조를 사용하여 상온 연속 작동 다이오드 레이저를 독자적으로 개발했다.

최근의 혁신

1960년 이후 최대 레이저 펄스 강도의 이력을 나타내는 그래프.

레이저 역사 초기부터 레이저 연구는 다음과 같은 다양한 성능 목표에 맞게 최적화된 다양한 개량형 및 전문화된 레이저 유형을 생산해 왔습니다.

  • 신파장 대역
  • 최대 평균 출력 전력
  • 최대 피크 펄스 에너지
  • 최대 피크 펄스 출력
  • 최소 출력 펄스 지속 시간
  • 최소 선폭
  • 최대 전력 효율
  • 최소 비용

그리고 이 연구는 오늘날까지 계속되고 있습니다.

2015년 연구진은 아연 카드뮴 황 셀레늄으로 만든 합성 나노시트에 의해 빛이 변조되는 백색 레이저를 만들어 각각의 [38][39][40]파장이 191nm에 이르는 적색 녹색 청색 빛을 다양한 비율로 방출할 수 있도록 했다.

2017년, TU 델프트의 연구진은 AC 조셉슨 접합 마이크로파 [41]레이저를 시연했습니다.레이저가 초전도 상태에서 작동하기 때문에 다른 반도체 레이저보다 안정성이 높다.이 장치는 양자 [42]컴퓨팅에서 응용될 가능성이 있습니다.2017년, TU 뮌헨의 연구진은 최대 200GHz의 [43]반복 주파수로 위상 잠김 피코초 레이저 펄스를 쌍으로 방출할 수 있는 최소 모드 잠금 레이저를 시연했습니다.

2017년에서, Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)의 연구원들은 함께 JILA는 국가 표준 연구소의(NIST)과 콜로라도 대학교 볼더에 대비한 공동 연구소에서 미국 연구자들과 겨우 10millihertz의 선폭을 가진erbium-doped 광섬유 레이저 개발함으로써 새로운 세계 기록을 갱신 했다[44][45]

유형 및 작동 원리

시판되는 레이저의 파장.다른 레이저 라인이 있는 레이저 타입은 파장 바 위에 표시되어 있으며, 아래는 파장 범위에서 방출할 수 있는 레이저입니다.색상은 레이저 재료의 유형을 코드화합니다(자세한 내용은 그림 설명 참조).

가스 레이저

HeNe 가스 레이저의 발명 이후, 많은 다른 가스 방출이 일관성 있게 빛을 증폭시키는 것으로 밝혀졌습니다.많은 다른 가스를 사용하는 가스 레이저가 만들어지고 다양한 용도로 사용되어 왔다.헬륨-네온 레이저(HeNe)는 다양한 파장에서 작동할 수 있지만, 대부분은 633 nm에서 라제를 하도록 설계되어 있습니다. 이러한 비교적 비용이 저렴하지만 매우 일관성이 높은 레이저는 광학 연구소와 교육 연구소에서 매우 흔합니다.상업용 이산화탄소(CO2) 레이저는 작은 장소에 집중될 수 있는 단일 공간 모드에서 수백 와트를 방출할 수 있습니다.이 방출은 10.6µm의 열적외선 내에서 발생하며, 이러한 레이저는 산업계에서 절단 및 용접에 정기적으로 사용됩니다.CO레이저의2 효율은 비정상적으로 높아 30%[46]가 넘습니다.Argon-ion 레이저는 351 nm에서 528.7 nm 사이의 다수의 레이싱 천이로 동작할 수 있습니다.광학 설계에 따라서는, 이러한 트랜지션의 1개 이상이 동시에 레이싱 되는 경우가 있습니다.가장 일반적으로 사용되는 라인은 458 nm, 488 nm 및 514.5 nm입니다.대기압(TEA) 레이저에서 가스의 질소 횡방향 방전은 저렴한 가스 레이저로, [47]337.1 nm에서 다소 일관성이 없는 자외선을 생성합니다.금속 이온 레이저는 깊은 자외선 파장을 발생시키는 가스 레이저입니다.헬륨-은(HeAg) 224 nm 및 네온-구리(NeCu) 248 nm가 두 가지 예입니다.모든 저압 가스 레이저와 마찬가지로 이 레이저의 이득 매체는 3GHz(0.5픽코미터)[48] 미만의 매우 좁은 진동 선폭을 가지고 있어 형광 억제 라만 분광법에 사용할 수 있습니다.

인구 역전 현상으로 흥분된 매질을 유지하지 않고 끈질기는 1992년 나트륨 가스에서, 1995년 루비듐 가스에서 다양한 국제 [49][50]팀에 의해 입증되었다.이것은 외부 메서를 사용하여 두 경로 사이에 접지 전자 전이를 도입하고 파괴적으로 간섭함으로써 매체의 "광학적 투명성"을 유도함으로써 이루어졌으며, 따라서 접지 전자가 에너지를 흡수할 가능성이 없어졌습니다.

화학 레이저

화학레이저는 화학반응에 의해 작동되어 많은 양의 에너지가 빠르게 방출된다.이러한 고출력 레이저는 특히 군대에 관심이 많지만, 가스의 흐름에 의해 공급되는 매우 고출력 수준의 연속파 화학 레이저가 개발되어 산업적으로 응용되고 있습니다.예를 들어 플루오르화수소 레이저(2700~2900nm) 및 플루오르화중수소 레이저(3800nm)는 수소 또는 중수소 가스와 삼불화질소에틸렌 연소 생성물의 조합이다.

엑시머 레이저

엑시머 레이저는 방전에 의해 구동되는 특수한 종류의 가스 레이저로, 레이싱 매체는 엑시머, 더 정확히는 기존 설계에서는 엑시플렉스입니다.이것들은 들뜬 전자 상태에서 오직 하나의 원자에서만 존재할 수 있는 분자들이다.일단 분자가 들뜸 에너지를 광자에 전달하면, 그 원자는 더 이상 서로 결합하지 않고 분자는 분해된다.이것은 낮은 에너지 상태의 인구를 극적으로 감소시켜 인구 반전을 크게 촉진한다.현재 사용되는 엑시머는 모두 귀가스 화합물입니다.귀가스는 화학적으로 불활성이며 들뜬 상태에서만 화합물을 형성할 수 있습니다.엑시머 레이저는 일반적으로 반도체 포토 리소그래피, 라식 눈 수술 등 주요 응용 분야에서 자외선 파장에서 작동합니다.일반적으로 사용되는 엑시머 분자에는 ArF(193nm에서의 방출), KrCl(222nm), KrF(248nm), XeCl(308nm) 및 XeF(351nm)[51]가 있습니다.진공 자외선에서 157 nm로 방출되는 분자 불소 레이저를 엑시머 레이저라고 부르기도 하지만, F는 안정적인 화합물이기 때문에2 이는 잘못된 명칭으로 보입니다.

솔리드 스테이트 레이저

50W FASOR, Nd:YAG 레이저, Starfire Optical Range에서 사용

고체 레이저에는 필요한 에너지 상태를 제공하는 이온이 "도핑"된 결정 또는 유리 막대가 사용됩니다.예를 들어, 최초의 작동 레이저는 루비(크롬 도프 코룬덤)로 만들어진 루비 레이저였다.인구 반전은 실제로 도판트에서 유지된다.이러한 재료는 종종 플래시 튜브 또는 다른 레이저에서 레이저 파장보다 짧은 파장을 사용하여 광학적으로 펌핑됩니다.레이저 물리학에서 "고체 상태"라는 용어의 사용은 일반적인 사용보다 좁습니다.반도체 레이저(레이저 다이오드)는 일반적으로 솔리드 스테이트 레이저라고 불리지 않습니다.

네오디뮴오르토바나산 이트륨(Nd:YVO4), 플루오르화 리튬 이트륨(Nd:YLF) 및 이트륨 알루미늄 가넷(Nd: 레이저들은 모두 1064 nm의 적외선 스펙트럼에서 높은 출력을 낼 수 있습니다.금속 및 기타 재료의 절단, 용접 및 마킹, 분광학염료 레이저 펌핑에 사용됩니다.또한 이러한 레이저들은 각각 532nm(녹색, 가시광선), 355nm(UV) 및 266nm(UV) 빔을 생성하기 위해 일반적으로 2배, 3배 또는 4배 주파수를 가집니다.밝은 녹색 레이저 포인터를 만들기 위해 주파수 더블 다이오드 펌프 솔리드 스테이트(DPSS) 레이저를 사용합니다.

이터비움, 홀뮴, 툴륨, 엘비움은 고체 레이저에서 [52]흔히 볼 수 있는 도판트입니다.Yterbium은 Yb와 같은 결정에 사용됩니다.YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, 일반적으로 1020~1050nm 전후로 동작합니다.작은 양자 결함으로 인해 잠재적으로 매우 효율적이며 높은 성능을 발휘합니다.Yb를 사용하면 초단파 펄스의 초고출력을 얻을 수 있습니다.YAG. 홀뮴 도프 YAG 결정은 2097 nm에서 방출되며, 수용성 조직에 의해 강하게 흡수되는 적외선 파장에서 작동하는 효율적인 레이저를 형성합니다.Ho-YAG는 보통 펄스 모드로 작동하며, 광섬유 수술 장치를 통해 관절을 다시 형성하고, 치아에서 부패를 제거하고, 암을 증발시키고, 신장 및 담석을 분쇄합니다.

티타늄 도프 사파이어(Ti:sappire)는 일반적으로 분광학에 사용되는 조정성이 높은 적외선 레이저를 생성합니다.또한 매우 높은 피크 전력의 초단파 펄스를 생성하는 모드 잠금식 레이저로도 사용됩니다.

고체 레이저의 열 제한은 매체를 가열하는 변환되지 않은 펌프 전력에서 발생합니다.이 열은 높은 열광학계수(dn/dT)와 결합하면 열렌즈를 일으켜 양자 효율을 저하시킬 수 있습니다.다이오드 펌프식 씬 디스크레이저는 펌프빔 직경보다 훨씬 얇은 게인 매체를 사용함으로써 이러한 문제를 해결합니다.이를 통해 재료의 온도를 보다 균일하게 할 수 있습니다.씬 디스크 레이저에서는 최대 1킬로와트의 [53]빔이 생성되는 것으로 나타났습니다.

파이버 레이저

싱글 모드 광섬유의 전체 내부 반사에 의해 빛이 유도되는 고체 레이저 또는 레이저 증폭기는 대신 파이버 레이저라고 불립니다.빛을 유도하면 매우 긴 게인 영역을 통해 양호한 냉각 조건을 제공할 수 있습니다. 섬유는 표면적 대 체적비가 높아 효율적인 냉각이 가능합니다.또한 파이버의 도파 특성이 빔의 열 왜곡을 줄이는 경향이 있습니다.엘비움이터비움 이온은 이러한 레이저에서 흔히 볼 수 있는 활성종이다.

대부분의 경우 파이버레이저는 이중 복층 파이버로 설계되어 있습니다.이 유형의 섬유는 섬유 코어, 내부 클래딩 및 외부 클래딩으로 구성됩니다.3개의 동심층 지수는 파이버 코어가 레이저 방출을 위한 단일 모드 파이버로 기능하고 외부 클래딩이 펌프 레이저를 위한 높은 멀티 모드 코어로 기능하도록 선택됩니다.이를 통해 펌프는 많은 양의 전력을 활성 내부 코어 영역으로 전달하면서도 높은 수치 개구(NA)를 유지하여 쉽게 기동할 수 있습니다.

파이버 디스크레이저 또는 이러한 레이저 스택을 작성함으로써 펌프 라이트를 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.

파이버 레이저는 파이버 내 빛의 강도가 국소 전계 강도에 의해 유도되는 광학적인 비선형성이 우세해져 레이저 동작을 방해하거나 파이버의 재료 파괴를 초래할 수 있다는 점에서 기본적인 한계가 있다.이 효과를 포토다킹이라고 합니다.벌크 레이저 재료는 냉각 효율이 높지 않아 광다이크 효과와 열효과를 분리하기 어렵지만, 섬유 실험을 통해 광다이크 효과가 장수하는 [citation needed]색중심의 형성에 기인하는 것으로 나타났다.

포토닉 결정 레이저

포토닉 결정 레이저란, 나노 구조에 근거하는 레이저로,[clarification needed] 모드 제한과 피드백에 필요한 광학 상태(DOS) 구조의 밀도를 제공합니다.일반적인 마이크로미터[dubious ] 크기로 광결정 [54][clarification needed]대역에서 조정할 수 있습니다.

반도체 레이저

CD 또는 DVD 플레이어에 사용되는 것과 같은 5.6mm '폐색 캔' 상용 레이저 다이오드

반도체 레이저는 전기적으로 펌핑되는 다이오드이다.인가된 전류에 의해 생성된 전자와 구멍의 재결합은 광학 이득을 가져온다.결정의 끝부분으로부터의 반사는 광학 공진기를 형성하지만, 일부 설계에서는 공진기가 반도체 외부에 있을 수 있습니다.

시판되는 레이저 다이오드는 375nm~3500nm의 [55]파장에서 방출됩니다.레이저 포인터, 레이저 프린터, CD/DVD 플레이어에는 저전력에서 중전력 레이저 다이오드가 사용됩니다.레이저 다이오드는 다른 레이저를 광학적으로 고효율로 펌핑하기 위해서도 자주 사용됩니다.최대 20kW의 전력을 가진 최고 전력 산업용 레이저 다이오드는 절삭 [56]및 용접에 사용됩니다.외부 캐비티 반도체 레이저는 큰 캐비티 내에 반도체 활성 매체를 가진다.이러한 장치는 양호한 빔 품질, 파장 조정 가능한 좁은 라인 폭 복사 또는 초단파 레이저 펄스로 고출력 출력을 생성할 수 있습니다.

2012년 니치아와 OSRAM은 기존의 다이오드 펌프 방식의 고체 [57][58]레이저와 경쟁하는 상용 고출력 녹색 레이저 다이오드(515/520 nm)를 개발해 제조했다.

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)은 웨이퍼 표면에 대해 방사 방향이 수직인 반도체 레이저입니다.VCSEL 디바이스는 일반적으로 기존의 레이저 다이오드보다 더 둥근 출력 빔을 가집니다.2005년 현재 850nm의 VCSEL만이 널리 보급되어 있으며 1300nm의 VCSEL이 [59]상용화되기 시작하고 1550nm의 디바이스가 연구 대상입니다.VECSEL은 외부 캐비티 VCEL입니다.양자 캐스케이드 레이저는 여러 개의 양자 유정을 포함하는 구조에서 전자의 에너지 서브밴드 간에 활발한 전환을 하는 반도체 레이저입니다.

실리콘 레이저의 개발은 광학 컴퓨팅 분야에서 중요하다.실리콘은 집적회로의 선택 소재이기 때문에 전자 및 실리콘 포토닉 컴포넌트(광학 인터커넥트 등)를 같은 칩으로 제작할 수 있습니다.안타깝게도 실리콘은 레이싱을 차단하는 특성이 있기 때문에 다루기 어려운 레이싱 재료입니다.그러나 최근에는 실리콘과 인화인듐(III)이나 비화갈륨(III)과 같은 반도체 물질로 레이싱 재료를 제작하는 등의 방법을 통해 실리콘 레이저를 제작하고 있습니다.이것들은 하이브리드 실리콘 레이저라고 불립니다.또한 최근 개발에서는 광인터커넥트를 위해 실리콘에 직접 모노리스 집적 나노와이어 레이저를 사용하는 것으로 나타나 칩 레벨의 [60]응용을 위한 길을 열어주고 있습니다.실리콘으로 광인터커넥트를 할 수 있는 헤테로 구조의 나노와이어 레이저는 최대 200GHz의 반복 주파수로 위상잠금 피코초 펄스를 쌍으로 방출할 수 있어 온칩 광신호 [43]처리를 가능하게 합니다. 다른 유형은 라만 레이저로 실리콘과 같은 물질로부터 레이저를 생산하기 위해 라만 산란을 이용한다.

레이저를 염색하다

Rhodamin 6G 기반 테이블 상판 색소 레이저 클로즈업

염료레이저는 이득매체로 유기염료를 사용한다.사용 가능한 염료 또는 염료의 혼합물의 넓은 이득 스펙트럼은 이러한 레이저를 고도로 조절하거나 매우 짧은 지속 시간 펄스를 생성할 수 있도록 합니다(펨토초).이러한 조정 가능한 레이저는 주로 액체 형태로 알려져 있지만, 연구자들은 고체 염료 게인 미디어를 포함하는 분산 발진기 구성에서 좁은 선폭의 조정 가능한 방출을 증명했습니다.이러한 고체 염료 레이저가 가장 널리 사용되는 형태에서는 염료 도프 폴리머를 레이저 매체로 사용합니다.

자유 전자 레이저

Nieuwegein 플라즈마 물리학 FOM 연구소 Rijnhuizen의 자유전자 레이저 펠릭스

자유 전자 레이저(FEL)는 현재 마이크로파에서 테라헤르츠 방사선과 적외선, 그리고 부드러운 X선에 이르는 파장 범위에서 광범위하게 조정 가능한 일관성 있는 고출력 방사선을 생성합니다.레이저 타입 중 가장 넓은 주파수 범위를 가지고 있습니다.FEL 빔은 간섭성 방사선과 같은 다른 레이저와 동일한 광학 특성을 공유하지만 FEL 동작은 상당히 다릅니다.결합 원자 또는 분자 상태에 의존하는 기체, 액체 또는 고체 레이저와는 달리, FEL은 상대론적 전자 빔을 끈 매체로 사용하므로 자유 전자라는 용어를 사용합니다.

이국적인 미디어

원자핵이성체 상태 간 전이를 이용한 고양자 에너지 레이저의 추구는 1970년대 초부터 광범위한 학술 연구의 주제가 되어 왔다.이것의 대부분은 세 개의 리뷰 [61][62][63]기사로 요약된다.이 연구는 국제적으로 이루어졌지만 주로 구소련과 미국에 기반을 두고 있다.많은 과학자들이 획기적인 발견이 임박했다고 낙관하고 있지만, 작동 가능한 감마선 레이저는 아직 [64]실현되지 않았다.

초기 연구 중 일부는 고체에서 상위 이성질체 상태를 자극하는 중성자의 짧은 펄스를 지향하여 감마선 전이가 뫼스바우어 [65][66]효과의 라인 협소화의 이점을 얻을 수 있었다.이와 함께, [67]3단계 시스템의 2단계 펌핑으로부터 몇 가지 이점이 예상되었다.레이저 구동식 일관 발진 전자 구름의 근방장에 내장된 원자의 핵이 [68][69]구동 레이저보다 더 큰 쌍극자장을 경험할 것으로 추측되었다.또한 진동 구름의 비선형성은 공간 및 시간적 고조파를 모두 생성하므로 다극성이 높은 핵 전이 또한 레이저 [70][71][72][73][74][75][76]주파수의 배수로 구동될 수 있다.

2007년 9월, BBC 뉴스는 매우 강력한 감마선 레이저를 [77]구동하기 위해 포지트로늄 전멸을 사용할 가능성에 대한 추측이 있었다고 보도했다.리버사이드 캘리포니아 대학의 데이비드 캐시디 박사는 그러한 단일 레이저가 핵융합 반응에 불을 붙이는 데 사용될 수 있다고 제안했는데, 이는 현재 관성구속융합 [77]실험에 사용되는 수백 개의 레이저의 뱅크를 대체한다.

핵폭발에 의해 발사된 우주 기반 X선 레이저도 대미사일 [78][79]무기로 제안되었다.그런 장치들은 단발 무기가 될 것이다.

살아있는 세포는 레이저 [80][81]빛을 내는 데 사용되어 왔다.이 세포들은 레이저의 이득 매개체 역할을 하는 녹색 형광 단백질을 생성하도록 유전적으로 조작되었다.그런 다음 셀을 레이저 공동 역할을 하는 20 마이크로미터 폭의 미러 2개 사이에 배치했습니다.세포에 파란 빛이 비쳤을 때, 그것은 강렬한 방향의 녹색 레이저광을 방출했다.

천연 레이저

천체물리학적 메자처럼, 조사된 행성이나 항성 가스는 천연 레이저를 만들어 [82]내는 빛을 증폭시킬 수 있습니다.화성,[83] 금성, MWC 349는 이런 현상을 보인다.

사용하다

레이저의 크기는 다양한 응용 분야를 가진 현미경 다이오드 레이저(위)에서 관성 구속 융합, 핵무기 연구 및 기타 고에너지 밀도 물리학 실험에 사용되는 축구장 크기의 네오디뮴 유리 레이저(아래)에 이르기까지 다양합니다.

1960년에 레이저가 발명되었을 때,[84] 그것은 "문제를 찾는 해결책"이라고 불렸다.그 이후로, 그것들은 어디에서나 볼 수 있게 되었고, 소비자 전자제품, 정보기술, 과학, 의학, 산업, 법 집행, 엔터테인먼트, 군대포함한 현대 사회의 모든 분야에서 수천 가지의 매우 다양한 응용 분야에서 유용성을 발견하게 되었습니다.레이저를 이용한 광섬유 통신인터넷과 같은 서비스를 가능하게 하는 현대 통신의 핵심 기술이다.

레이저의 사용이 처음으로 널리 알려진 것은 1974년에 도입된 슈퍼마켓 바코드 스캐너였다.1978년에 소개된 레이저 디스크 플레이어는 레이저를 탑재한 최초의 소비자 제품이었지만, 1982년부터 레이저 프린터가 보급된 최초의 레이저 장치였다.

그 밖에 다음과 같은 용도가 있습니다.

2004년에는 다이오드 레이저를 제외하고 약 131,000개의 레이저가 판매되었으며, 가격은 21억9천만 [87]달러입니다.같은 해, 약 7억 3천 3백만 개의 다이오드 레이저가 [88]판매되었고, 그 가치는 32억 달러에 달했다.

의학에서

레이저는 레이저 수술, 레이저 치료, 신장 결석 치료, 안과 내시경 검사, 여드름 치료, 셀룰라이트선조 감소, 그리고 제모와 같은 미용 피부 치료를 포함한 많은 의학 용도를 가지고 있습니다.

레이저는 종양이나 암 전 성장을 축소하거나 파괴함으로써 암을 치료하는데 사용된다.그것들은 신체의 표면이나 내부 장기의 내벽에 있는 표피암을 치료하는데 가장 일반적으로 사용된다.그것들은 기초 세포 피부암과 자궁경부, 음경, , 외음부, 그리고 비소세포 폐암과 같은 다른 초기 단계들을 치료하는데 사용된다.레이저 치료는 종종 수술, 화학요법 또는 방사선 치료와 같은 다른 치료와 결합된다.레이저 유도 간질성 열요법 또는 간질성 레이저 광응고술은 열을 이용하여 암세포를 손상시키거나 죽임으로써 종양을 수축시키는 온열병을 이용하여 일부 암을 치료하기 위해 레이저를 사용한다.레이저는 기존의 수술 방법보다 더 정밀하고 손상, 통증, 출혈, 붓기, 흉터를 덜 일으킨다.단점은 외과의사들이 전문 교육을 받아야 하기 때문에 다른 [89][90]치료법보다 비용이 많이 들 수 있다는 것이다.

무기로서

레이저 무기는 지향 에너지 무기로 사용되는 레이저입니다.

미국-이스라엘 전술 고에너지 무기는 로켓과 포탄을 격추하는 데 사용되어 왔다.

취미들

최근 몇 년 동안, 몇몇 취미 생활가들은 레이저에 관심을 가지고 있다.취미 생활자가 사용하는 레이저는 일반적으로 클래스 IIIa 또는 IIIb(안전 참조)이며, 일부는 자체 클래스 IV 유형을 만들었습니다.[91]하지만, 다른 취미 생활자들과 비교했을 때, 레이저 취미 생활자들은 비용과 잠재적인 위험 때문에 훨씬 덜 흔하다.레이저의 비용 때문에 일부 취미가들은 고장난 DVD 플레이어(빨간색), 블루레이 플레이어(보라색), 또는 CD나 DVD 버너에서 [92]고출력 레이저 다이오드를 회수하는 등 레이저를 구하기 위해 저렴한 방법을 사용한다.

취미 생활자들도 퇴역 군대에서 추출한 잉여 레이저를 사용해 홀로그램용으로 개조했다.펄스 루비 및 YAG 레이저가 잘 작동합니다.

검정력별 예시

천문 적응 광학 영상에서의 레이저 응용

애플리케이션에 따라서는, 출력 전력이 다른 레이저가 필요합니다.연속 빔 또는 일련의 짧은 펄스를 생성하는 레이저는 평균 전력에 따라 비교할 수 있습니다.펄스를 생성하는 레이저는 각 펄스의 피크 전력에 따라 특성화할 수도 있습니다.펄스 레이저의 피크 전력은 평균 전력보다 훨씬 큽니다.평균 출력 전력은 항상 소비 전력보다 작습니다.

일부 용도에 필요한 연속 전력 또는 평균 전력:
사용하다
1~5 mW 레이저 포인터
5 mW CD-ROM 드라이브
5~10 mW DVD 플레이어 또는 DVD-ROM 드라이브
100 mW 고속 CD-RW 버너
250 mW 컨슈머용 16×DVD-R 버너
400 mW DVD 24×2 레이어[93] 레코딩
1 W Holographic Versatile Disc 시제품 개발의 그린 레이저
1 ~ 20 W 마이크로머신에 사용되는 시판되는 대부분의 고체 레이저
30 ~ 100 W 일반적인 밀폐형2 CO 수술용[94] 레이저
100~3000 W 산업용 레이저 절삭에 사용되는 전형적인 밀폐형2 CO 레이저

피크 전력이 높은 펄스 시스템의 예:

  • 700TW(700×10W12) – 국가 점화 시설, 192빔, 1.8메가줄 레이저 시스템, 직경 10m의 타깃[95] 챔버에 인접
  • 10 PW(10×1015 W)– 루마니아 [96]머굴레에 있는 ELI-NP 시설에 있는 2019년 현재 세계에서 가장 강력한 레이저.

안전.

European laser warning symbol
US laser warning label
왼쪽: 클래스 2 이상의 레이저에는 유럽 레이저 경고 기호가 필요합니다.오른쪽: 미국 레이저 경고 라벨(클래스 3B 레이저의 경우)

심지어 첫 번째 레이저도 잠재적으로 위험한 것으로 인식되었다.테오도르 마이만은 첫 번째 레이저가 질레트 면도날 하나를 타고 지나갈 수 있기 때문에 하나의 "질레트"의 힘을 가졌다고 특징지었다.오늘날, 몇 밀리 와트의 출력 전력만을 가진 저전력 레이저조차도 빔이 직접 눈에 닿거나 반짝이는 표면에서 반사된 후에 인간의 시력에 해가 될 수 있다는 것이 받아들여지고 있다.각막과 수정체가 잘 초점을 맞출 수 있는 파장에서 레이저광의 일관성과 낮은 산란성은 눈에 의해 망막의 극히 작은 점으로 초점을 맞출 수 있다는 것을 의미하며, 결과적으로 몇 초 또는 심지어 더 짧은 시간 내에 국소적인 화상 및 영구적인 손상을 초래합니다.

레이저에는 보통 안전 등급 번호가 붙어 있습니다.이 번호는 레이저가 얼마나 위험한지를 나타냅니다.

  • 클래스 1은 빛이 CD플레이어 등 인클로저에 포함되어 있기 때문에 본질적으로 안전합니다.
  • 클래스 2는 정상 사용 시 안전합니다. 눈의 깜박임 반사가 손상을 방지합니다.통상 최대 1mW의 전력(레이저 포인터 등)
  • Class 3R(기존 IIIa) 레이저는 보통 최대 5mW이며 깜박임 반사 시간 내에 약간의 눈 손상 위험이 있습니다.이러한 광선을 몇 초 동안 응시하는 것은 망막의 반점에 손상을 입힐 수 있습니다.
  • 클래스 3B 레이저(5~499mW)는 노출 시 즉각적인 눈 손상을 일으킬 수 있습니다.
  • Class 4 레이저(500mW 이하)는 피부를 태울 수 있으며, 경우에 따라서는 레이저에서 산란된 빛조차 눈 및/또는 피부 손상을 일으킬 수 있습니다.많은 산업용 및 과학적 레이저가 이 클래스에 있습니다.

표시된 전력은 가시광선 연속파 레이저용입니다.펄스 레이저 및 보이지 않는 파장의 경우 다른 전력 제한이 적용됩니다.등급 3B 및 등급 4 레이저를 사용하는 사람은 특정 파장의 빛을 흡수하도록 설계된 안전 고글을 사용하여 눈을 보호할 수 있습니다.

약 1.4마이크로미터보다 긴 파장을 가진 적외선 레이저는 각막이 망막을 손상으로부터 보호하기 위해 이러한 파장에서 빛을 흡수하는 경향이 있기 때문에 종종 "눈 안전"이라고 불립니다.그러나 "눈 안전"이라는 라벨은 상대적으로 낮은 전력의 연속파 빔에만 적용되기 때문에 오해의 소지가 있습니다. 이러한 파장에서 고출력 또는 Q스위치 레이저가 각막을 태워 심각한 눈 손상을 일으킬 수 있으며 중간 정도의 전력 레이저라도 눈을 다치게 할 수 있습니다.

레이저는 일시적으로 조종사의 주의를 분산시키거나 시각장애를 일으킬 수 있기 때문에 민간 항공과 군 항공 모두에 위험할 수 있습니다.이 항목에 대한 자세한 내용은 레이저항공 안전을 참조하십시오.

전하 결합 장치를 기반으로 하는 카메라는 실제로 생물학적 [97]눈보다 레이저 손상에 더 민감할 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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Further reading

Books

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Periodicals

External links