레이저 발생 원리

레이저의 원리를 알아야 하는 이유는 무엇일까요?

일반적인 반도체 레이저, 광섬유, 디스크 등의 차이점을 아는 것YAG 레이저또한 선발 과정에서 더 나은 이해를 얻고 더 많은 토론에 참여하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 글은 주로 대중 과학에 초점을 맞춰 레이저 발생 원리, 레이저의 주요 구조, 그리고 몇 가지 일반적인 레이저 유형에 대한 간략한 소개를 제공합니다.

첫째, 레이저 발생 원리

레이저는 빛과 물질의 상호작용, 즉 유도방사 증폭을 통해 생성됩니다. 유도방사 증폭을 이해하려면 아인슈타인의 자연 방출, 유도 흡수, 유도방사 개념과 몇 가지 필수적인 이론적 기초를 이해해야 합니다.

이론적 근거 1: 보어 모델

보어 모형은 주로 원자의 내부 구조를 제공하여 레이저가 어떻게 발생하는지 쉽게 이해할 수 있도록 해줍니다. 원자는 핵과 핵 바깥쪽에 있는 전자로 구성되어 있으며, 전자의 궤도는 임의적인 것이 아닙니다. 전자는 특정 궤도에만 존재할 수 있는데, 그중 가장 안쪽 궤도를 바닥 상태라고 합니다. 전자가 바닥 상태에 있을 때 에너지는 가장 낮습니다. 전자가 궤도를 벗어나면 제1 들뜬 상태라고 하며, 이 상태의 에너지는 바닥 상태보다 높습니다. 또 다른 궤도는 제2 들뜬 상태라고 합니다.

레이저가 발생하는 이유는 이 모델에서 전자가 서로 다른 궤도를 따라 움직이기 때문입니다. 전자가 에너지를 흡수하면 바닥 상태에서 들뜬 상태로 이동할 수 있습니다. 전자가 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아올 때 에너지를 방출하는데, 이 에너지가 종종 레이저 형태로 방출됩니다.

이론적 근거 2: 아인슈타인의 유도방사선 이론

1917년 아인슈타인은 레이저와 레이저 생산의 이론적 기반이 되는 유도방사 이론을 제안했습니다. 이 이론에 따르면 물질의 흡수 또는 방출은 본질적으로 복사장과 물질을 구성하는 입자들 사이의 상호작용의 결과이며, 그 핵심은 입자들이 서로 다른 에너지 준위 사이를 이동하는 것입니다. 빛과 물질의 상호작용에는 자발 방출, 유도 방출, 유도 흡수의 세 가지 과정이 있습니다. 입자가 많은 시스템에서는 이 세 가지 과정이 항상 공존하며 서로 밀접하게 관련되어 있습니다.

자연 사정:

그림에서 보는 바와 같이, 높은 에너지 준위 E2에 있는 전자가 낮은 에너지 준위 E1으로 자발적으로 전이하면서 에너지 hv(hv=E2-E1)를 가진 광자를 방출합니다. 이러한 자발적이고 독립적인 전이 과정을 자발적 전이라고 하며, 자발적 전이에 의해 방출되는 빛을 자발적 복사라고 합니다.

자발광의 특징은 각 광자가 독립적이며 방향과 위상이 다르고 발생 시간 또한 무작위적이라는 점입니다. 이는 비간섭성 및 혼돈광에 속하며 레이저에 필요한 빛이 아닙니다. 따라서 레이저 생성 과정에서 이러한 유형의 산란광을 줄여야 합니다. 다양한 레이저 파장에 산란광이 존재하는 이유 중 하나도 바로 이 때문입니다. 하지만 잘 제어하면 레이저에서 자발광의 비율은 무시할 수 있습니다. 1060nm 레이저처럼 모든 광자가 1060nm인 순수한 레이저는 흡수율과 출력이 비교적 안정적입니다.

흡수 촉진:

낮은 에너지 준위(낮은 오비탈)에 있는 전자는 광자를 흡수한 후 더 높은 에너지 준위(높은 오비탈)로 전이하는데, 이 과정을 유도 흡수라고 합니다. 유도 흡수는 레이저 펌핑 과정에서 매우 중요하며 핵심적인 역할을 합니다. 레이저의 펌프 광원은 광자 에너지를 제공하여 이득 매질 내의 입자들이 더 높은 에너지 준위에서 유도 복사를 방출하도록 전이시킵니다.

유도 방사선:

외부 에너지(hv=E2-E1)의 빛을 조사하면, 높은 에너지 준위에 있는 전자가 외부 광자에 의해 여기되어 낮은 에너지 준위로 이동합니다(높은 궤도에서 낮은 궤도로 이동). 동시에 외부 광자와 동일한 광자를 방출합니다. 이 과정에서 원래의 여기광은 흡수되지 않으므로 두 개의 동일한 광자가 방출되는데, 이는 전자가 이전에 흡수했던 광자를 방출하는 것으로 이해할 수 있습니다. 이러한 발광 과정을 유도방사라고 하며, 유도흡수의 역과정입니다.

이론이 명확해지면 위 그림과 같이 레이저를 제작하는 것은 매우 간단합니다. 물질이 안정적인 정상 상태에서 대부분의 전자는 바닥 상태에 있으며, 레이저는 유도 방출에 의해 작동합니다. 따라서 레이저 구조는 먼저 유도 흡수가 일어나 전자를 고에너지 준위로 이동시킨 다음, 여기를 가하여 고에너지 준위의 많은 전자들이 유도 방출을 통해 광자를 방출하도록 하는 것입니다. 이를 통해 레이저가 생성됩니다. 다음으로 레이저 구조에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

레이저 구조:

앞서 언급한 레이저 발생 조건에 레이저 구조를 하나씩 맞춰보세요.

발생 조건 및 해당 구조:

1. 레이저 작동 매질로서 증폭 효과를 제공하는 이득 매질이 있으며, 활성화된 입자는 유도 방사선을 생성하기에 적합한 에너지 준위 구조를 가지고 있습니다(주로 전자를 고에너지 궤도로 여기시켜 일정 시간 동안 존재한 후 유도 방사선을 통해 한 번에 광자를 방출할 수 있습니다).

2. 외부 여기원(펌프원)이 하위 레벨에서 상위 레벨로 전자를 여기시켜 레이저의 상위 레벨과 하위 레벨 사이에서 입자 수 역전(즉, 저에너지 입자보다 고에너지 입자가 더 많은 상태)을 유발할 수 있습니다. 예를 들어 YAG 레이저의 제논 램프가 이에 해당합니다.

3. 레이저 발진을 가능하게 하는 공진 공동이 있으며, 이를 통해 레이저 작동 재료의 작동 길이를 늘리고, 광파 모드를 차폐하고, 빔의 전파 방향을 제어하고, 유도 방사 주파수를 선택적으로 증폭하여 단색성을 향상시킬 수 있습니다(레이저가 특정 에너지로 출력되도록 보장).

위 그림은 해당 구조를 보여주는데, 이는 YAG 레이저의 간단한 구조입니다. 다른 구조는 더 복잡할 수 있지만, 핵심은 이와 같습니다. 레이저 발생 과정은 그림에 나와 있습니다.

레이저 분류: 일반적으로 이득 매질 또는 레이저 에너지 형태에 따라 분류됩니다.

이득 매체 분류:

이산화탄소 레이저이산화탄소 레이저의 이득 매질은 헬륨입니다.CO2 레이저,10.6μm의 레이저 파장을 가진 이 제품은 초기 레이저 제품 중 하나로 출시되었습니다. 초기 레이저 용접은 주로 이산화탄소 레이저를 기반으로 했으며, 현재는 주로 비금속 재료(직물, 플라스틱, 목재 등)의 용접 및 절단에 사용됩니다. 또한, 리소그래피 장비에도 사용됩니다. 이산화탄소 레이저는 광섬유를 통해 전송될 수 없고 공간 광 경로를 통해 이동합니다. 초기 통쿠아이(Tongkuai)는 비교적 잘 구현되었으며, 많은 절단 장비에 사용되었습니다.

YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 레이저: 네오디뮴(Nd) 또는 이트륨(Yb) 금속 이온이 도핑된 YAG 결정을 레이저 이득 매질로 사용하며, 방출 파장은 1.06μm입니다. YAG 레이저는 높은 펄스 출력을 낼 수 있지만 평균 출력은 낮고, 최대 출력은 평균 출력의 15배에 달할 수 있습니다. 주로 펄스 레이저이기 때문에 연속 출력은 불가능합니다. 하지만 광섬유를 통해 전송할 수 있으며, 동시에 금속 재료의 흡수율이 높아 고반사 재료에 적용되기 시작했으며, 처음에는 3C 분야에 적용되었습니다.

파이버 레이저: 현재 시장의 주류는 이터븀 도핑 섬유를 이득 매질로 사용하며, 파장은 1060nm입니다. 이득 매질의 형태에 따라 파이버 레이저와 디스크 레이저로 나뉘는데, 파이버 레이저는 IPG(Intramolecular Power Gas)를, 디스크 레이저는 통쿠아이(Tongkuai)를 의미합니다.

반도체 레이저: 이득 매질은 반도체 PN 접합이며, 반도체 레이저의 주요 파장은 976nm입니다. 현재 반도체 근적외선 레이저는 주로 클래딩에 사용되며, 광점 크기는 600μm 이상입니다. 레이저라인은 반도체 레이저 분야의 대표적인 기업입니다.

에너지 작용 형태에 따라 펄스 레이저(PULSE), 준연속 레이저(QCW), 연속 레이저(CW)로 분류됩니다.

펄스 레이저: 나노초, 피코초, 펨토초 등 고주파 펄스 레이저(나노초, 펄스 폭)는 높은 피크 에너지와 높은 주파수(MHz)를 구현할 수 있어 주로 얇은 구리 및 알루미늄 이종 재료 가공 및 세척에 사용됩니다. 높은 피크 에너지를 이용하여 기판 재료를 빠르게 용융시킬 수 있으며, 작업 시간이 짧고 열영향부가 작습니다. 특히 초박막 재료(0.5mm 이하) 가공에 유리합니다.

준연속 레이저(QCW): 높은 반복률과 낮은 듀티 사이클(50% 미만)로 인해 펄스 폭이 짧습니다.QCW 레이저50μs~50ms의 펄스 폭을 갖는 준연속 파이버 레이저는 킬로와트급 연속 파이버 레이저와 Q-스위치 펄스 레이저 사이의 간극을 메웁니다. 준연속 파이버 레이저의 최대 출력은 연속 모드 작동 시 평균 출력의 10배에 달할 수 있습니다. QCW 레이저는 일반적으로 두 가지 모드를 제공하는데, 하나는 저출력 연속 용접 모드이고, 다른 하나는 평균 출력의 10배에 달하는 최대 출력을 갖는 펄스 레이저 용접 모드입니다. 펄스 레이저 용접 모드는 더 두꺼운 재료와 더 많은 열을 용접할 수 있으며, 동시에 열을 매우 작은 범위 내에서 제어할 수 있습니다.

연속파(CW) 레이저: 가장 일반적으로 사용되는 레이저 유형이며, 시중에 판매되는 대부분의 레이저는 용접 공정을 위해 레이저 빔을 연속적으로 출력하는 CW 레이저입니다. 파이버 레이저는 코어 직경과 빔 품질에 따라 단일 모드와 다중 모드 레이저로 나뉘며, 다양한 응용 분야에 적용할 수 있습니다.