레이저의 구조와 작동 원리. "3단계 체계"에 따라 작동하는 광학 펌핑 양자 장치

가시광선과 적외선 범위에서 방출하는 양자 발생기를 레이저라고 합니다. "레이저"라는 단어는 다음 표현의 약어입니다. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation은 양자의 유도 또는 유도 방출로 인해 빛이 증폭되는 것을 의미합니다.

레이저 장치

일반화된 레이저는 레이저 활성 매질, "펌핑" 시스템(전압원, 광학 공진기)으로 구성됩니다.

펌핑 시스템은 에너지를 레이저 매질의 원자 또는 분자로 전달하여 여기된 "준안정 상태"로 들어가 인구 반전을 생성합니다.

· 광 펌핑은 크세논 가스로 채워진 플래시 램프 또는 기타 레이저와 같은 소스에서 제공하는 광자를 사용하여 레이저 물질에 에너지를 전달합니다. 광원은 레이저 재료의 허용 가능한 전이 수준과 일치하는 광자를 제공해야 합니다.

· 충돌 펌핑은 레이저 물질의 원자(또는 분자)와의 충돌로 인해 레이저 물질에 에너지가 전달되는 것을 기반으로 합니다. 이 경우 허용 가능한 전환에 해당하는 에너지도 제공되어야 합니다. 이것은 일반적으로 순수한 가스 또는 튜브의 가스 혼합물에서 전기 방전을 통해 수행됩니다.

· 화학 펌핑 시스템은 화학 반응의 결과로 방출된 결합 에너지를 사용하여 레이저 물질을 준안정 상태로 변환합니다.

레이저에 원하는 힘을 제공하고 원하는 방향으로 이동하는 광자를 선택하려면 광학 공진기가 필요합니다. 모집단 역전의 준안정 상태에 있는 첫 번째 원자 또는 분자가 방전되면 유도 방출로 인해 준안정 상태의 다른 원자 또는 분자의 방전이 시작됩니다. 광자가 일반적으로 막대 또는 튜브와 같은 레이저 재료의 벽을 향해 이동하면 손실되고 증폭 과정이 중단됩니다. 로드 또는 파이프의 벽에서 반사될 수 있지만 조만간 시스템에서 손실되어 빔 생성에 기여하지 않습니다.

반면에 파괴된 원자나 분자 중 하나가 레이저 물질의 축과 평행한 광자를 방출하면 다른 광자의 방출을 시작할 수 있으며 둘 다 생성 끝에 거울에 의해 반사됩니다. 막대 또는 튜브. 그런 다음 반사된 광자는 재료를 통해 다시 이동하여 정확히 동일한 경로를 따라 추가 방사를 시작하고 레이저 재료의 끝에 있는 거울에 의해 다시 반사됩니다. 이 증폭 과정이 계속되는 한 증폭의 일부는 항상 부분 반사 거울을 통해 빠져나갑니다. 이 프로세스의 이득 또는 이득이 공진기의 손실을 초과하면 레이징이 시작됩니다. 따라서, 간섭성 광의 좁고 집중된 빔이 형성됩니다. 광선이 축과 평행을 이루도록 하려면 레이저 광 공동의 거울을 미세하게 조정해야 합니다. 광학 공진기 자체, 즉 매체의 물질은 빛 에너지를 강하게 흡수하지 않아야 합니다.

레이저 매체(생성 재료) - 레이저는 일반적으로 사용되는 레이저 재료의 유형에 따라 나타납니다. 다음과 같은 네 가지 유형이 있습니다.

단단한,

먹이다,

반도체.

고체 레이저는 고체 매트릭스에 분산된 레이저 물질을 사용합니다. 고체 레이저는 레이저 개발에서 고유한 위치를 차지합니다. 첫 번째 작업 레이저 매체는 분홍색 루비 크리스탈(크롬 도핑된 사파이어 크리스탈)이었습니다. 그 이후로 "고체 레이저"라는 용어는 활성 매체가 이온 불순물로 도핑된 결정인 레이저를 설명하는 데 일반적으로 사용되었습니다. 고체 레이저는 고출력을 생성할 수 있는 크고 유지하기 쉬운 장치입니다. 고체 레이저의 가장 주목할만한 점은 출력 전력이 일반적으로 일정하지 않고 많은 수의 개별 전력 피크로 구성된다는 것입니다.

한 가지 예가 네오디뮴-YAG 레이저입니다. YAG라는 용어는 네오디뮴 이온의 운반체 역할을 하는 이트륨 알루미늄 가닛인 크리스탈의 약자입니다. 이 레이저는 파장이 1,064마이크로미터인 적외선 빔을 방출합니다. 또한 에르븀(Er:YAG 레이저)과 같은 다른 도핑 원소를 사용할 수 있습니다.

가스 레이저는 튜브에서 가스 또는 가스 혼합물을 사용합니다. 대부분의 가스 레이저는 6,328nm(nm = 10-9미터)의 빨간색 가시광선의 기본 출력을 가진 헬륨과 네온(HeNe)의 혼합물을 사용합니다. 이러한 레이저는 1961년에 처음으로 개발되었으며 전체 가스 레이저 제품군의 선구자가 되었습니다.

모든 가스 레이저는 디자인과 속성이 매우 유사합니다. 예를 들어, CO2 가스 레이저는 스펙트럼의 원적외선 영역에서 10.6마이크로미터의 파장을 방출합니다. 아르곤 및 크립톤 가스 레이저는 스펙트럼의 가시 부분에서 주로 방출하는 여러 주파수에서 작동합니다. 아르곤 레이저 방사선의 주요 파장은 488 및 514nm입니다.

염료 레이저는 액체 용액 또는 현탁액의 복잡한 유기 염료인 레이저 매질을 사용합니다.

이 레이저의 가장 중요한 특징은 "유연성"입니다. 염료와 그 농도를 올바르게 선택하면 가시 스펙트럼 내 또는 그 근처의 광범위한 파장에서 레이저 광을 생성할 수 있습니다. 염료 레이저는 일반적으로 광학 여기 시스템을 사용하지만 일부 유형의 레이저는 화학 반응에 의한 여기를 사용합니다.


반도체(다이오드) 레이저 - 함께 적층된 두 개의 반도체 재료 층으로 구성됩니다. 레이저 다이오드는 그림과 같이 반도체 막대에서 유극에서 방출된 빛을 증폭시키는 광용량을 가진 발광 다이오드입니다. 적용된 전류, 온도 또는 자기장을 변경하여 조정할 수 있습니다.

레이저의 다양한 타이밍은 에너지가 전달되는 주파수에 의해 결정됩니다.

연속파(CW) 레이저는 일정한 평균 빔 출력에서 ​​작동합니다.

단일 펄스 레이저는 일반적으로 수백 마이크로초에서 몇 밀리초 범위의 펄스 지속 시간을 가집니다. 이 작동 모드는 일반적으로 긴 펄스 또는 정상 모드라고 합니다.

Q 전환 단일 펄스 레이저는 레이저 매질이 최대 위치 에너지를 보존할 수 있도록 하는 공동 내 지연(Q 전환 셀)의 결과입니다. 그런 다음 가장 유리한 조건에서 일반적으로 10-8초의 시간 간격으로 단일 펄스가 방출됩니다. 이러한 펄스는 종종 106~109와트 범위의 높은 피크 전력을 갖습니다.

배치 레이저 또는 스캐닝 레이저는 원칙적으로 펄스 레이저와 동일하게 작동하지만 고정(또는 가변) 펄스 속도는 초당 몇 펄스에서 초당 최대 20,000 펄스까지 다양할 수 있습니다.

레이저의 원리

레이저 작동의 물리적 기반은 자극(유도) 방사선 현상입니다. 현상의 본질은 후자의 에너지가 전후 원자 수준의 에너지 차이와 같으면 여기 된 원자가 흡수하지 않고 다른 광자의 영향으로 광자를 방출 할 수 있다는 것입니다. 방사. 이 경우 방출된 광자는 방사를 유발한 광자와 일관성이 있습니다("정확한 사본"). 이것이 빛이 증폭되는 방식입니다. 이 현상은 방출된 광자가 임의의 전파 방향, 편광 및 위상을 갖는 자발적 방출과 다릅니다.

임의의 광자가 여기된 원자의 유도 방출을 유발할 확률은 여기되지 않은 상태의 원자가 이 광자를 흡수할 확률과 정확히 같습니다. 따라서 빛을 증폭하기 위해서는 들뜬 원자보다 들뜬 원자가 더 많아야 합니다(이른바 모집단 역전). 열역학적 평형상태에서는 이 조건이 만족되지 않으므로 레이저 활성매체를 펌핑하기 위한 각종 시스템(광학, 전기, 화학 등)

생성의 주요 소스는 자발적 방출 과정이므로 광자 생성의 연속성을 보장하기 위해 방출된 광자가 후속 자극 방출 작용을 유발하는 포지티브 피드백이 필요합니다. 이를 위해 레이저 활성 매체는 광학 공진기에 배치됩니다. 가장 간단한 경우에는 두 개의 거울로 구성되며 그 중 하나는 반투명합니다. 레이저 빔은 부분적으로 공진기를 통과합니다. 미러에서 반사된 방사선 빔은 공진기를 반복적으로 통과하여 공진기에서 유도 전이를 일으킵니다. 방사선은 연속적이거나 펄스적일 수 있습니다. 동시에 다양한 장치(회전 프리즘, Kerr 셀 등)를 사용하여 피드백을 빠르게 끄고 켜서 펄스 주기를 줄임으로써 매우 높은 전력의 방사선을 생성하는 조건을 만들 수 있습니다. 거대한 펄스라고 함). 이 레이저 작동 모드를 Q 전환 모드라고 합니다.

레이저에 의해 생성된 방사선은 특정 파장의 광자를 방출할 확률이 확장과 관련하여 밀접하게 위치한 스펙트럼 선의 확률보다 크기 때문에 단색(하나 또는 이산 파장 세트)이며, 따라서 이 주파수에서 유도된 전이의 확률도 최대값을 갖습니다. 따라서 생성 과정에서 점차적으로 주어진 파장의 광자가 다른 모든 광자를 지배하게 됩니다. 또한, 거울의 특수한 배열로 인해 공진기의 광축과 평행한 방향으로 작은 거리에서 전파되는 광자만 레이저 빔에 저장되고 나머지 광자는 빠르게 공진기 볼륨을 떠납니다. . 따라서 레이저 빔은 발산각이 매우 작습니다. 마지막으로, 레이저 빔은 엄격하게 정의된 편광을 가지고 있습니다. 이를 위해 다양한 폴라로이드가 공진기에 도입됩니다. 예를 들어 레이저 빔의 전파 방향에 대해 브루스터 각도로 장착된 평면 유리판일 수 있습니다.


레이저의 적용

레이저 양자 발생기 방사선

발명 이후 레이저는 "아직 알려지지 않은 문제에 대한 기성 솔루션"임이 입증되었습니다. 레이저 방사선의 고유한 특성으로 인해 과학 및 기술의 많은 분야와 일상 생활(CD 플레이어, 레이저 프린터, 바코드 판독기, 레이저 포인터 등)에서 널리 사용됩니다. 산업 분야에서 레이저는 다양한 재료의 부품을 절단, 용접 및 납땜하는 데 사용됩니다. 복사 온도가 높기 때문에 기존 방법으로는 용접할 수 없는 재료(예: 세라믹 및 금속)를 용접할 수 있습니다. 레이저 빔은 미크론 정도의 직경을 가진 지점에 초점을 맞출 수 있으므로 마이크로 전자 공학(소위 레이저 스크라이빙)에서 사용할 수 있습니다. 레이저는 내마모성을 높이기 위해 재료의 표면 코팅(레이저 합금, 레이저 클래딩, 진공 레이저 증착)을 얻는 데 사용됩니다. 산업 디자인의 레이저 마킹 및 다양한 재료로 만들어진 제품의 조각도 널리 적용되었습니다. 재료의 레이저 가공 중에 기계적인 영향을 받지 않으므로 약간의 변형만 발생합니다. 또한 전체 기술 프로세스를 완전히 자동화할 수 있습니다. 따라서 레이저 가공은 높은 정밀도와 생산성을 특징으로 합니다.

Hewlett-Packard 프린터의 이미지 생성 장치에 사용되는 반도체 레이저.

레이저는 홀로그램 자체를 생성하고 홀로그램 체적 이미지를 얻기 위해 홀로그래피에 사용됩니다. 염료 레이저와 같은 일부 레이저는 거의 모든 파장의 단색광을 생성할 수 있는 반면 방사선 펄스는 10-16초에 도달할 수 있으므로 엄청난 출력(소위 거대 펄스)이 될 수 있습니다. 이러한 특성은 분광학 및 비선형 광학 효과 연구에 사용됩니다. 레이저를 이용해 달까지의 거리를 수 센티미터의 정확도로 측정할 수 있었다. 우주 물체의 레이저 거리 측정은 천문 상수의 가치를 개선하고 우주 항법 시스템의 개선, 대기 구조 및 태양계 행성의 표면에 대한 이해 확장에 기여했습니다. 대기 왜곡을 보정하기 위한 적응형 광학 시스템이 장착된 천체 망원경에서는 레이저를 사용하여 대기 상층부에 인공 참조 별을 생성합니다.

초단파 레이저 펄스는 레이저 화학에서 화학 반응을 유도하고 분석하는 데 사용됩니다. 여기에서 레이저 방사선은 정확한 국소화, 투약량, 완벽한 멸균 및 시스템에 대한 높은 에너지 입력률을 보장할 수 있습니다. 현재 다양한 레이저 냉각 시스템이 개발되고 있으며, 레이저를 이용한 제어식 열핵융합 구현 가능성이 검토되고 있다(열핵반응 분야 연구에 가장 적합한 레이저는 가시광선의 청색 부분에 있는 파장을 이용하는 레이저일 것이다) 스펙트럼). 레이저는 예를 들어 유도 및 조준 수단과 같은 군사 목적으로도 사용됩니다. 강력한 레이저를 기반으로 공중, 바다 및 육지를 보호하기 위한 전투 시스템을 만들기 위한 옵션이 고려되고 있습니다.

의학에서 레이저는 안과 질환 (백내장, 망막 박리, 레이저 시력 교정 등) 치료에 사용되는 무혈 메스로 사용됩니다. 그들은 또한 미용학(레이저 제모, 혈관 및 색소 피부 결함 치료, 레이저 필링, 문신 및 검버섯 제거)에 널리 사용됩니다. 현재 소위 레이저 통신이 빠르게 발전하고 있습니다. 통신 채널의 반송파 주파수가 높을수록 대역폭이 커지는 것으로 알려져 있습니다. 따라서 무선 통신은 점점 더 짧은 파장으로 전환되는 경향이 있습니다. 광파의 파장은 평균적으로 무선 범위의 파장보다 6배 더 작기 때문에 훨씬 더 많은 양의 정보가 레이저 방사를 통해 전송될 수 있습니다. 레이저 통신은 개방형 및 폐쇄형 광 가이드 구조(예: 광섬유)를 통해 수행됩니다. 내부 전반사 현상으로 인한 빛은 실질적으로 약해지지 않고 장거리에 걸쳐 전파될 수 있습니다.

매일의 산업 및 과학 활동. 수년에 걸쳐 이 "도구"는 점점 더 개선될 것이며 동시에 레이저 적용 분야는 지속적으로 확장될 것입니다. 레이저 기술 분야의 연구 속도가 빨라짐에 따라 특성이 크게 개선된 새로운 유형의 레이저를 만들 수 있는 가능성이 열렸습니다.




특히 단단한 재료뿐만 아니라 취성이 증가하는 특성이 있는 재료에도 적합합니다. 레이저 드릴은 강력할 뿐만 아니라 매우 섬세한 "도구"로 밝혀졌습니다. 예: 알루미나 세라믹으로 만든 미세 회로 기판에 구멍을 뚫을 때 레이저를 사용합니다. 세라믹은 매우 부서지기 쉽습니다. 이러한 이유로 칩 기판에 기계적으로 구멍을 뚫는...

레이저는 반드시 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

1) 활동적인 환경, 인구 반전이 있는 주가 생성되는 국가;

2) 시스템펌핑- 활성 매체에서 반전을 생성하는 장치;

3) 광학공진기에 대해- 광자 빔의 방향을 형성하는 장치.

또한 광학 공진기는 레이저 방사의 다중 증폭을 위해 설계되었습니다.

현재 활동적인 (일하고 있는) 환경 레이저는 고체, 액체, 기체, 플라즈마 등 다양한 물질 상태를 사용합니다.

레이저 매질의 역 모집단을 만들기 위해 다양한 펌핑 방법 . 레이저는 지속적으로 펌핑되거나 펄스로 펌핑될 수 있습니다. 장기(연속) 모드에서 활성 매체에 도입되는 펌프 전력은 활성 매체의 과열 및 관련 현상에 의해 제한됩니다. 단일 펄스 모드에서는 연속 모드에서 같은 시간 동안보다 활성 매체에 훨씬 더 많은 에너지를 도입할 수 있습니다. 이로 인해 단일 펄스의 큰 전력이 발생합니다.


레이저- 이것은 다른 모든 광원(백열등, 형광등, 불꽃, 자연 조명 등)과 확연히 다른 특성을 가진 광원입니다. 레이저 빔에는 여러 가지 놀라운 특성이 있습니다. 그것은 먼 거리에 걸쳐 전파되며 엄격한 직선 방향을 갖습니다. 빔은 발산 정도가 작은 매우 좁은 빔으로 이동합니다(수백 미터의 초점으로 달에 도달함). 레이저 빔은 열이 커서 어떤 재료에도 구멍을 뚫을 수 있습니다. 빔의 광도는 가장 강한 광원의 강도보다 큽니다.
레이저 이름는 영어 구: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)의 약어입니다. 유도 방출에 의한 빛의 증폭.
모든 레이저 시스템은 사용되는 활성 매체의 유형에 따라 그룹으로 나눌 수 있습니다. 가장 중요한 레이저 유형은 다음과 같습니다.

  • 고체 상태
  • 반도체
  • 액체
  • 가스
    활성 매질은 원자, 분자, 이온 또는 결정(반도체 레이저)의 집합체로, 빛의 작용 하에서 증폭 특성을 얻을 수 있습니다.

    따라서 각 원자에는 별개의 에너지 준위 집합이 있습니다. 바닥 상태(에너지가 최소인 상태)에 있는 원자의 전자는 빛 양자를 흡수할 때 더 높은 에너지 준위로 이동합니다. 즉, 원자가 여기됩니다. 빛의 양자가 방출되면 모든 것이 반대 방향으로 발생합니다. 또한 빛의 방출, 즉 더 낮은 에너지 수준으로의 전환(그림 1b)은 자발적으로(자발적으로) 또는 외부 복사(강제)의 작용에 따라 발생할 수 있습니다(그림 1c). 게다가, 자발적 방출 양자가 임의의 방향으로 방출된다면, 유도 방출 양자는 이 복사를 야기한 양자와 같은 방향으로 방출됩니다. 즉, 두 양자는 완전히 동일합니다.

    Fig.1 레이저 방사의 종류

    에너지 방사선이 발생하는 전이(상위 에너지 준위에서 하한 에너지 준위로 전이)가 우세하려면 여기된 원자 또는 분자의 농도를 증가시켜야 합니다(역전 모집단 생성). 이것은 물질에 입사되는 빛의 증가로 이어질 것입니다. 에너지 준위의 역집단이 생성되는 물질의 상태를 활성이라고 하며, 이러한 물질로 구성된 매질을 활성 매질이라고 합니다.

    역수위 모집단을 생성하는 과정을 펌핑이라고 합니다. 그리고 펌핑 방법(광학, 열, 화학, 전기 등)에 따라 레이저의 또 다른 분류가 이루어집니다. 펌핑 방법은 레이저 유형(고체, 액체, 기체, 반도체 등)에 따라 다릅니다.
    펌핑 프로세스의 주요 문제는 3레벨 레이저의 예를 사용하여 고려할 수 있습니다(그림 2).


    그림 2 3레벨 레이저의 구성

    에너지가 E1인 낮은 레이저 레벨 I는 모든 활성 원자가 처음에 위치한 시스템의 주요 에너지 레벨입니다. 펌핑은 원자를 들뜨게 하여 에너지 E3를 사용하여 원자를 1단계에서 3단계로 이동시킵니다. 수준 III에 있는 원자는 빛 양자를 방출하고 수준 I로 이동하거나 빠르게 상위 레이저 수준 II로 이동합니다. 상위 레이저 레벨 II에서 여기된 원자의 축적을 위해 에너지 E2로 레벨 III에서 II로 원자의 빠른 이완이 필요하며 이는 상위 레이저 레벨 II의 붕괴 속도를 초과해야 합니다. 이렇게 생성된 역 모집단은 방사선 증폭을 위한 조건을 제공합니다.

    그러나 생성이 일어나기 위해서는 유도방출이 일단 발생하면 새로운 유도방출 행위를 유발하는 피드백을 제공하는 것도 필요하다. 이러한 프로세스를 생성하기 위해 활성 매체는 광학 공진기에 배치됩니다.

    광학 공진기는 두 개의 거울 사이에 활성 매체가 있는 시스템입니다(그림 3). 증폭 매체를 따라 축을 따라 전파되는 광파의 다중 원점을 제공하여 높은 방사 전력이 달성됩니다.


    Fig.3 레이저 방식

    특정 출력에 도달하면 방사선은 반투명 거울을 통해 빠져나갑니다. 공진기의 축에 평행한 양자의 일부만 생성하는 개발에 참여하기 때문에 효율성이 향상됩니다. 레이저는 일반적으로 1%를 초과하지 않습니다. 경우에 따라 특정 특성을 희생하는 K.P.D. 최대 30%까지 증가시킬 수 있습니다.

    • 다이어그램은 다음을 보여줍니다. 1 - 활성 매체; 2 - 레이저 펌프 에너지; 3 - 불투명 거울; 4 - 반투명 거울; 5 - 레이저 빔.

    모든 레이저는 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.

      활성(작업) 환경;

      펌핑 시스템(에너지원);

      광학 공진기(레이저가 증폭기 모드에서 작동하는 경우 없을 수 있음).

    그들 각각은 특정 기능을 수행하기 위해 레이저 작동을 제공합니다.

    활동적인 환경

    현재 다양한 응집 상태의 물질이 작동하는 레이저 매질로 사용됩니다: 고체, 액체, 기체, 플라즈마. 정상 상태에서 들뜬 에너지 준위의 원자 수는 Boltzmann 분포에 의해 결정됩니다.

    여기 N에너지를 가진 들뜬 상태에 있는 원자의 수 이자형, N 0은 바닥 상태의 원자 수, 케이볼츠만 상수, 티- 환경 온도. 즉, 바닥 상태보다 여기 상태에서 그러한 원자가 적기 때문에 매질을 통해 전파되는 광자가 유도 방출을 일으킬 확률도 흡수 확률에 비해 작습니다. 따라서 물질을 통과하는 전자기파는 에너지를 원자의 여기에 소비하는데, 이 경우 방사선의 강도는 Bouguer의 법칙에 따라 감소합니다.

    여기 나 0 - 초기 강도, 나 l은 거리를 이동한 방사선의 강도입니다. 엘물질에서 ㅏ 1 - 물질의 흡수 지수. 의존도가 기하급수적이기 때문에 방사선은 매우 빠르게 흡수됩니다.

    여기된 원자의 수가 여기되지 않은 원자의 수보다 많은 경우(즉, 인구 역전 상태) 상황은 정반대입니다. 유도 방출 행위가 흡수보다 우선하며 방출은 법에 따라 증폭됩니다.

    어디 ㅏ 2 - 양자 증폭 계수. 실제 레이저에서는 유도 방출로 인해 들어오는 에너지 양이 공진기에서 손실된 에너지 양과 같아질 때까지 증폭이 발생합니다. 이러한 손실은 작동 물질의 준안정 수준의 포화와 관련이 있으며, 그 후 펌프 에너지는 가열에만 사용되며 다른 많은 요인(매질 불균일성에 의한 산란, 불순물에 의한 흡수, 반사 거울, 환경에 대한 유용하고 바람직하지 않은 방사선 등).

    펌핑 시스템

    다양한 메커니즘이 레이저 매질의 역 모집단을 생성하는 데 사용됩니다. 고체 레이저에서는 강력한 가스 방전 플래시 램프, 집중 태양 복사 (소위 광학 펌핑) 및 다른 레이저 (특히 반도체)의 복사로 조사하여 수행됩니다. 이 경우 매우 높은 펌프 에너지 밀도가 필요하기 때문에 펄스 모드에서만 작동할 수 있으며, 이로 인해 장기간 노출되는 동안 작업 물질 막대가 강하게 가열되고 파괴됩니다. 가스 및 액체 레이저는 방전 펌핑을 사용합니다. 이 레이저는 지속적으로 작동합니다. 펌핑 화학 레이저활성 환경에서 화학 반응의 흐름을 통해 발생합니다. 이 경우 인구 반전은 반응 생성물에서 직접 발생하거나 적절한 에너지 수준 구조를 가진 특별히 도입된 불순물에서 발생합니다. 반도체 레이저의 펌핑은 전자빔뿐만 아니라 p-n 접합을 통한 강한 직류의 작용으로 발생합니다. 다른 펌핑 방법이 있습니다 (예열 된 가스의 급격한 냉각으로 구성된 가스 역학 방법, 광해리, 화학 펌핑의 특수한 경우 등).

    그림에서: a - 레이저 활성 매체를 펌핑하기 위한 3단계 및 b - 4단계 체계.

    작동 매체를 펌핑하기 위한 고전적인 3단계 시스템은 예를 들어 루비 레이저에 사용됩니다. 루비는 레이저 방사원인 소량의 Cr 3+ 크롬 이온이 도핑된 Al 2 O 3 커런덤의 결정체입니다. 커런덤 결정 격자의 전기장의 영향으로 크롬의 외부 에너지 준위 이자형 2는 분할됩니다(스타크 효과 참조). 이것이 비단색 방사선을 펌프로 사용하는 것을 가능하게 하는 것입니다. 이 경우 원자는 에너지와 함께 바닥 상태에서 통과합니다. 이자형 0에 대한 에너지로 흥분 이자형 2. 원자는 상대적으로 짧은 시간 동안(대략 10-8초) 이 상태를 유지할 수 있으며 준위로의 비복사 전이는 거의 즉시 발생합니다. 이자형 1 , 원자가 훨씬 더 오래 머무를 수 있는 곳(최대 10–3초), 이것은 소위 준안정 수준입니다. 다른 무작위 광자의 영향으로 유도 방출을 구현할 가능성이 있습니다. 주 상태보다 준안정 상태에 더 많은 원자가 있는 즉시 생성 프로세스가 시작됩니다.

    크롬 원자 Cr의 인구 역전은 레벨에서 직접 펌핑하여 만들 수 있습니다. 이자형레벨당 0 이자형 1 불가능합니다. 이것은 흡수와 유도 방출이 두 수준 사이에서 발생하면 이 두 과정이 동일한 속도로 진행된다는 사실 때문입니다. 따라서 이 경우 펌핑은 두 수준의 인구를 균등화할 수 있을 뿐이며, 이는 세대가 발생하기에 충분하지 않습니다.

    예를 들어 Nd 3+ 네오디뮴 이온에 의해 방사선이 생성되는 네오디뮴 레이저와 같은 일부 레이저에서는 4단계 펌핑 방식이 사용됩니다. 여기 준 안정 사이 이자형 2 및 메인 레벨 이자형 0 중간 작업 수준이 있습니다. 이자형 1 . 유도 방출은 준위 사이에서 원자가 전이하는 동안 발생합니다. 이자형 2와 이자형 1 . 이 체계의 장점은 이 경우 상위 작업 수준의 수명( 이자형 2) 하위 레벨의 수명보다 수십 배 더 긴( 이자형 1). 이렇게 하면 펌프 소스에 대한 요구 사항이 크게 줄어듭니다. 또한 이러한 방식을 통해 일부 응용 분야에서 매우 중요한 고출력 연속파 레이저를 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 레이저는 방출된 광자의 에너지와 흡수된 펌프 광자의 에너지의 비율로 정의되는 낮은 양자 효율의 형태로 상당한 결점을 갖는다(ηquant = hν 방사선/hν 펌프).

    우리 시대에 그 말을 듣지 않는 사람을 찾기란 어렵습니다. "레이저", 그러나 그것이 무엇인지 명확하게 이해하는 사람은 거의 없습니다.

    발명 이후 반세기 동안 다양한 유형의 레이저가 의학에서 디지털 기술에 이르기까지 광범위한 분야에서 사용되었습니다. 레이저 란 무엇이며 작동 원리는 무엇이며 용도는 무엇입니까?

    레이저란?

    레이저의 존재 가능성은 알베르트 아인슈타인에 의해 예측되었는데, 그는 1917년에 전자가 특정 길이의 양자를 방출할 가능성에 대한 논문을 발표했습니다. 이 현상을 유도방출(stimulated emission)이라고 부르지만 오랫동안 기술적인 관점에서 실현 불가능한 것으로 여겨졌다.

    그러나 기술 및 기술 능력의 발전으로 레이저를 만드는 것은 시간 문제가 되었습니다. 1954년 소련 과학자 N. Basov와 A. Prokhorov는 암모니아로 구동되는 최초의 마이크로파 발생기인 메이저를 개발하여 노벨상을 받았습니다. 그리고 1960년에 미국인 T. Maiman은 최초의 광선 양자 발생기를 제조했으며, 이를 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)라고 불렀습니다. 이 장치는 에너지를 좁은 방향의 광학 방사로 변환합니다. 광선, 고농도의 광양자(광자)의 흐름.

    레이저 작동 원리

    레이저 작동의 기반이 되는 현상을 매질의 자극 또는 유도 방사선이라고 합니다. 특정 물질의 원자는 다른 광자의 작용으로 광자를 방출할 수 있지만 작용하는 광자의 에너지는 방사선 전후 원자의 에너지 준위 차이와 같아야 합니다.

    방출된 광자는 방출을 일으킨 광자와 일관성이 있습니다. 첫 번째 광자와 똑같습니다. 결과적으로 매체의 약한 광속이 증폭되고 무작위가 아니라 주어진 방향으로 증폭됩니다. 레이저라고 하는 유도 방사선 빔이 형성됩니다.

    레이저의 분류

    레이저의 특성과 특성이 연구되면서 다양한 종류의 레이저 빔이 발견되었습니다. 초기 물질의 상태에 따라 레이저는 다음과 같을 수 있습니다.

    • 가스;
    • 액체;
    • 고체 상태;
    • 자유 전자에.



    현재 레이저 빔을 얻기 위한 몇 가지 방법이 개발되었습니다.

    • 가스 매체에서 전기 글로우 또는 아크 방전의 도움으로 - 가스 방전;
    • 뜨거운 가스를 확장하고 인구 역전을 생성함으로써 - 가스 역학;
    • 다이오드 또는 주입 매체의 여기와 함께 반도체를 통해 전류를 통과시킴으로써;
    • 플래시 램프, LED, 다른 레이저 등으로 매체를 광학적으로 펌핑하여;
    • 매체의 전자빔 펌핑에 의해;
    • 원자로에서 방사선을 수신할 때 핵 펌핑;
    • 특수 화학 반응 - 화학 레이저를 사용합니다.

    그들 모두는 다양한 산업에서 사용되기 때문에 고유한 특성과 차이점을 가지고 있습니다.

    레이저의 실용화

    현재까지 수십 개의 산업, 의학, IT 기술 및 기타 활동 분야에서 다양한 유형의 레이저가 사용되고 있습니다. 다음과 같은 용도로 사용됩니다.

    • 금속, 플라스틱, 기타 재료의 절단 및 용접;
    • 그림, 비문 및 제품 표면 표시;
    • 초박형 홀 드릴링, 반도체 결정 부품의 정밀 가공;
    • 분무, 표면 처리, 표면 합금화 등에 의한 제품 코팅 형성;
    • 유리 섬유를 사용한 정보 패킷 전송;
    • 외과 수술 및 기타 치료 효과의 수행;
    • 피부 회춘, 결함 형성 제거 등을 위한 미용 절차;
    • 소형 무기에서 미사일에 이르기까지 다양한 유형의 무기를 표적으로 삼습니다.
    • 홀로그램 방법의 생성 및 사용;
    • 다양한 연구 프로젝트에 적용;
    • 거리, 좌표, 작동 매체의 밀도, 유속 및 기타 여러 매개변수 측정
    • 다양한 기술 프로세스를 수행하기 위한 화학 반응 시작.



    레이저가 이미 사용되고 있거나 가까운 장래에 응용 프로그램을 찾을 수 있는 더 많은 영역이 있습니다.