레이저에는 어떤 것이 있나요?

레이저 빛을 낼 수 있는 시스템을 레이저라고 합니다. 과학과 기술의 발달로 인해 레이저의 설계와 제조는 점점 완벽해지고 있으며, 비가 내린 뒤 버섯처럼 다양한 종류의 레이저가 솟아오르고 있습니다.

견고하고 내구성이 뛰어난 고체 레이저

고체 레이저의 작동 물질은 소량의 활성 이온을 고르게 혼합하는 것입니다(에너지 준위 구조가 다음과 같은 조건을 갖췄음을 의미). 광 증폭을 위해) 호스트 물질 이온의 결정 또는 유리로). 실제로 빛을 내는 것은 루비 3층계의 크롬 이온, 네오디뮴 유리 4층계의 네오디뮴 이온 등 활성화된 이온이다. 따라서 고체 이온 레이저라고도 불린다. 활성화된 이온은 원소 주기율표에 따라 세 가지 범주로 나뉩니다. 전이 금속 원소 - 크롬, 망간, 코발트, 니켈, 바나듐 등 대부분의 희토류 원소 - 네오디뮴, 디스프로슘, 홀뮴, 프라세오디뮴 등 우라늄 등의 원소. 각 활성화된 이온에는 적합한 하나 이상의 매트릭스 물질이 있습니다. 수백 개의 결정과 수십 개의 유리가 있지만 실제 실용적인 매트릭스 재료는 루비와 이트륨 알루미늄 석류 결정뿐만 아니라 규산염, 붕산염, 인산염, 붕규산염 및 불화물 유리입니다.

고체 물질의 활성 이온 밀도는 가스와 반도체의 중간 수준입니다. 고체 물질의 준안정 수명은 상대적으로 길고, 자연 방출로 인한 빛 에너지 손실이 적으며, 에너지 저장 용량이 강하므로 소위 Q 스위치 기술을 사용하여 고출력 펄스 레이저를 생성하는 데 적합합니다. . 또한, 고체 물질의 형광 선은 상대적으로 넓으며, "모드 잠금" 후에 초강력 레이저 방사선의 초단 펄스를 얻을 수 있습니다. 고체 레이저 중 루비는 3레벨 시스템이고, 나머지는 대부분 4레벨 시스템이다.

고체 레이저는 일반적으로 광 여기를 위해 펌프 램프를 사용하므로 펌프 램프에 따라 수명과 효율성이 제한됩니다. 그럼에도 불구하고 고체 소자는 작고 견고하며 펄스 방사 전력이 매우 높기 때문에 응용 범위가 넓습니다.

작고 정교한 반도체 레이저

고체 물질에서 내부에 많은 수의 전자가 자유롭게 흐르는 것을 도체라고 합니다. 전도도가 절연체보다 낮고 절연체보다 높은 전도체를 반도체라고 합니다. 반도체를 레이저 가공 재료로 사용하는 레이저를 반도체 레이저라고 합니다. 반도체 자체도 고체이지만, 발광 메커니즘은 본질적으로 고체 레이저와 크게 다르지 않습니다. 그러나 반도체의 재료 구조가 다르기 때문에 레이저를 생성하는 자극 방사선 전이의 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위는 각각 "전도대"와 "가자대"입니다. 방사선은 재결합의 결과입니다. 전자와 "정공"은 고유한 특성을 갖고 있으므로 고체 레이저 목록에 포함되지 않습니다.

반도체 레이저 가공 재료에는 수십 가지가 있으며, 더 성숙한 재료로는 갈륨비소(GaAs), 알루미늄이 첨가된 갈륨비소 등이 있습니다. 여기 방법에는 광학 펌핑, 전자 충격, 전기 주입 등이 포함됩니다.

반도체 레이저는 크기가 작고 무게가 가벼우며 수명이 길고 구조가 단순하기 때문에 항공기, 군함, 차량 및 우주선에 사용하기에 특히 적합합니다. 일부 반도체 레이저는 외부 전기장, 자기장, 온도, 압력 등을 통해 레이저의 파장을 변경할 수 있으며 이를 튜닝이라고 하며 출력 빔을 쉽게 변조할 수 있습니다. 반도체 레이저의 파장 범위는 0.32~34미크론입니다. 비교적 넓은 곳입니다. 10% 이상의 효율로 전기 에너지를 레이저 에너지로 직접 변환할 수 있습니다. 이 모든 것이 주목을 받아 레이저 통신, 거리 측정, 레이더, 시뮬레이션, 경고, 점화 및 폭발, 자동 제어 등에 널리 사용되었습니다.

반도체 레이저의 가장 큰 단점은 레이저 성능이 온도에 크게 영향을 받는다는 점이다. 예를 들어 갈륨비소 레이저는 절대온도 77°K에서 상온으로 온도가 변하면 레이저 파장이 변한다. 0.84에서 0.91 마이크론까지. 또한 효율은 높지만 크기가 작아 전체 전력은 높지 않다. 상온에서 연속 출력은 수십 밀리와트에 불과하고, 펄스 출력도 수~수십 와트에 불과하다. 광선의 발산각은 일반적으로 수도에서 20도 사이이므로 방향성, 단색성 및 일관성이 좋지 않습니다.

간단한 구조의 가스 레이저

가스를 작동물질로 사용하는 레이저를 가스레이저라고 합니다. 현재 가장 다양하고 널리 사용되는 레이저 유형입니다. 단색성과 일관성이 상대적으로 좋아 장시간 안정적으로 작동할 수 있으며, 대부분 연속적으로 작동할 수 있습니다. 수천 개의 레이저 파장이 있으며 자외선부터 원적외선 범위에 널리 분포되어 있습니다. 일반적으로 가스 레이저는 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 작동이 쉽습니다. 위의 장점으로 인해 산업, 농업, 의학, 정밀 측정, 홀로그램 기술 등과 같은 민간 및 과학 연구에 널리 사용됩니다.

그러나 대부분의 작동기체는 압력이 낮고, 단위체적당 입자수가 고체 내 활성화된 이온수의 수천분의 1에 불과해 순간전력이 높지 않다. 그러나 일부는 이산화탄소(CO2) 가스 레이저와 유사합니다. 펄스 방사 전력과 연속 방사 전력 모두 매우 높은 수준에 도달했습니다.

가스 레이저 작동 물질에는 원자, 이온, 분자 가스의 세 가지 범주가 있습니다. 원자가스는 모두 중성이며, 활성화된 성분은 불활성 기체(헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논)와 금속 증기(세슘, 납, 아연, 망간, 구리) 등으로 구분됩니다. 희가스 원자의 레이저 파장은 대부분 적외선 및 원적외선 영역에 분포되어 있으며 일부는 가시광선 범위에 있습니다. 헬륨-네온 가스가 대표적이다.

원자가 가장 바깥쪽 전자를 잃으면 이온이 됩니다. 몇 개의 전자를 잃으면 다가 이온이라고 합니다. 기체 이온 레이저 가공 재료는 아르곤, 크립톤, 크세논과 같은 불활성 기체 이온 레이저와 카드뮴, 셀레늄, 아연, 구리와 같은 금속 증기 이온 레이저의 두 가지 범주로 크게 구분됩니다. 이온가스 레이저는 원자가스에 비해 출력이 높지만 대부분의 레이저 파장이 자외선과 가시광선 범위에 있기 때문에 어느 정도 사용 범위가 있다.

중성 가스의 활성화 구성 요소에는 일산화탄소, 질소, 수소 및 산소와 같은 이원자 분자와 이산화탄소, 아산화질소, 수증기와 같은 삼원자 분자 및 몇 가지 다원자 분자의 세 가지 유형이 있습니다. . 분자가스 레이저의 특징은 가장 넓은 파장 범위, 자외선에서 원적외선까지의 레이저 생성, 큰 출력 전력 및 높은 변환 효율입니다. 그 중 이산화탄소(CO2) 레이저의 파장은 10.6미크론으로 우연히 대기창에 떨어지며 대기권에서 아주 멀리까지 이동할 수 있고 눈에 보이지 않는 중적외선 영역에 있어 고출력과 고효율을 갖고 있다. , 그래서 군사용으로 널리 사용됩니다.

가스 레이저 매질에는 일반적으로 활성 성분 외에 레이저 출력을 높이고 레이저 성능을 향상시키며 레이저 수명을 연장하기 위해 적절한 양의 보조 가스가 추가됩니다.

가스 레이저에는 전기에너지, 열에너지, 화학에너지, 광에너지, 원자력 에너지 등 다양한 여기 방식이 있다. 전기 에너지 여기는 직류, 교류, 무선 주파수 방전 및 기타 방법으로 나눌 수 있습니다.

강력한 화학 레이저

화학 반응을 통해 입자 수 반전을 이루는 레이저를 화학 레이저라고 합니다. 작동 물질의 대부분은 가스(일부 액체도 사용)이고 그 구조는 대부분 가스 레이저와 유사하지만 화학 반응 시작 및 입자 수 반전 프로세스 측면에서 고유한 특성을 가지고 있습니다. 레이저의 특성은 화학반응을 통해 이루어져야 하므로 가스 레이저에 통합되지 않고 별도로 도입됩니다.

화학 물질 자체에는 엄청난 화학 에너지가 포함되어 있습니다. 예를 들어 불소와 수소 연료 1kg이 반응하여 불화수소(HF)를 형성할 때 약 1.3×107줄의 에너지를 방출할 수 있습니다. 단위 부피 안에 많은 양의 에너지를 집중시킬 수 있기 때문에 화학 에너지를 직접 자극 방사선으로 변환하면 고에너지 레이저를 얻을 수 있다. 또한, 크기가 작고 무게도 가벼워 군용으로 인기가 높다. 1978년 미 해군은 선박용 레이저 무기 표적 사격 테스트에 400,000와트 연속파 불화중수소(DF) 화학 레이저를 사용했습니다. 우리나라가 설계하고 개발한 1테라와트(1메가와트에 해당)의 대용량 고출력 레이저인 선광장치(Shenguang Device)도 화학레이저이다. 미국은 순간 출력이 10테라와트(10메가와트에 해당)인 데스크톱 화학 고출력 레이저 시스템을 개발했습니다. 이는 미국 내 모든 발전소의 총 출력 전력의 20배에 해당합니다!

화학 여기 에너지는 화학 반응에서 나오기 때문에 기본적으로 외부 에너지 공급이 필요하지 않고 외부 소스에 대한 의존도가 거의 없으며 이는 현장 및 군사 응용에 매우 바람직합니다. 위에서 설명한 레이저는 모두 외부 여기 에너지, 특히 전기 에너지를 필요로 하며 레이저의 부피와 무게의 대부분을 차지하는 경우가 전원입니다. 출력이 100,000와트인 레이저의 경우 전체 효율이 1/1000이라면 레이저에 전력을 공급하기 위해 100,000킬로와트 이상의 발전기를 사용해야 합니다. 물론, 화학 레이저도 화학 반응을 일으키기 위해 외부 에너지를 사용하지만, 필요한 양은 다른 레이저의 여기 에너지에 비해 매우 적습니다.

화학레이저 작업물질은 대부분 독성이 있고, 유리 같은 물질도 쉽게 부식된다. 그리고 화학 반응에서는 입자 수와 에너지 준위 분포가 상대적으로 분산되어 있기 때문에 레이저 단색성이 좋지 않습니다. 화학 레이저 ​​가공 재료의 가스 압력은 여전히 ​​상대적으로 낮고 반응 에너지 활용률은 그다지 높지 않아 모두 개선이 필요합니다.

극단파장의 엑시머 레이저

'엑시머'는 일반적인 안정 분자와는 달리 실제 분자가 아니며 정상적인 자연 상태에서는 존재하지 않는다.

엑시머는 들뜬 상태(여기 상태의 수명은 10~8초)에서는 분자 형태로만 존재할 수 있고, 바닥 상태(바닥 상태의 수명은 10~8초)에서는 원자로 해리되는 인위적으로 생성된 불안정한 복합체입니다. 3초), 즉 여기 상태에서는 분자로 결합하고 바닥 상태에서는 원자로 해리된다고 합니다. 예를 들어 희가스 원자의 경우 가장 바깥쪽 궤도(껍질)는 전자로 채워져 있으므로 원자가는 0이며 일반적으로 어떤 원자와도 결합하여 분자를 형성하지 않습니다. 그러나 외부 여기로 인해 들뜬 상태가 되면 다른 원자와 결합하여 불안정한 분자를 형성할 수 있는데, 이를 관례적으로 "여기된 엑시머"라고 합니다. 여기된 엑시머가 자극을 받아 여기 상태에서 기저 상태로 다시 전환되면(엑시머가 원래의 원자 상태로 해리됨) 자극 방사선과 공명 증폭을 통해 레이저 출력이 발생합니다. 이런 종류의 레이저를 '엑시머 레이저'라고 합니다.

엑시머 레이저는 1970년대부터 등장한 새로운 유형의 고에너지 펄스 장치로, 펄스 폭은 피코초(10~12)초 범위에 속하며, 펄스 피크 전력은 기가와트(109)를 초과한다. ) 와트이며, 펄스 에너지는 100J보다 크고, 펄스 반복률은 초당 수백 회이며, 효율은 10% 이상입니다. 펄스 피크 전력은 1012와트의 화학 펄스 레이저에 비해 여전히 3배나 낮지만 개발 측면에서 큰 전망을 가지고 있습니다. 특히 엑시머 레이저 장치의 파장은 대부분 자외선 영역에 분포하며 파장 조절이 가능해 제어된 핵융합, 동위원소 분리, 플라즈마 진단, 유기물의 저온 및 원활한 가공, 성간 통신 등에 활용될 것으로 기대된다. , 광학 무기 등의 스킬.

독특한 자유전자 레이저

자유전자의 유도 방출 원리는 1951년에 제안되었지만 1977년이 되어서야 미국 스탠포드 대학에서 2.4킬로가우스 초전도체를 사용했다. 43 MeV의 에너지, 0.36 와트의 평균 레이저 출력 및 7 킬로와트의 피크 출력을 갖는 자기장 및 전자 빔이 3.4 미크론의 파장에서 얻어졌습니다. 소위 "자유 전자 레이저"는 가속기와 같은 복잡한 장비를 사용해야 하는 새로운 고출력 연속 가변 레이저 장치를 의미합니다. 이런 종류의 레이저는 이론부터 실험까지 아직 성숙하지 않았습니다.

자유 전자 레이저의 작동 메커니즘은 독특합니다. 가속기에서 수천만 전자 볼트의 고에너지 조정 전자빔을 얻습니다. 이렇게 조정된 전자는 주기적인 자기장을 통과하여 에너지를 형성합니다. 서로 다른 에너지 상태 수준 사이에 입자 수 반전이 이루어지고 방사선의 유도 방출이 생성됩니다.

이런 방식으로 자유전자는 결합된 전자의 고정된 에너지 준위 구조에 비해 상대적으로 자유롭게 움직입니다. 따라서 레이저 방사 파장 또는 주파수는 전자 에너지 준위의 변화(주로 전자 에너지에 의해 결정됨)에 따라 조정될 수 있습니다. 현재 튜닝은 전자빔의 에너지와 자기장의 세기를 변경하여 수행됩니다. 튜닝 범위는 마이크로파부터 적외선, X선 대역까지 다양합니다.

자유 전자는 원자핵에 묶여 있지 않고 고정된 전자 궤도에 의해 제한되지 않기 때문에 레이저 출력과 효율이 지속적으로 향상될 수 있습니다. 이 장치는 진동 및 증폭이 가능하며 펄스 또는 연속 모드에서 작동할 수 있습니다. . 또한, 자유 전자의 에너지는 쉽게 "노화"되지 않으며, 저장 링 구조의 가속기를 사용하면 전자빔을 재사용할 수 있어 효율성이 더욱 향상됩니다.