다양한 레이저의 특성 및 응용

레이저 기술은 모든 측면에서 사람들의 삶에 들어왔습니다.레이저, 각각 파장과 특성이 다르기 때문에 적용 분야도 다릅니다.

레이저는 작동 매체에 따라 고체 레이저, 가스 레이저, 염료 레이저, 반도체 레이저, 파이버 레이저, 자유 전자 레이저 등 6가지 유형으로 구분됩니다. 그 중 고체 레이저와 가스 레이저에는 많은 세분화가 있습니다. 자유 전자 레이저를 제외하고 다양한 레이저의 기본 작동 원리는 펌프 소스, 광학 공명 공동 및 이득 매체의 세 부분을 포함하여 동일합니다.

고체 레이저, 빛을 펌프원으로 사용하는 것이 일반적이며, 레이저를 발생시킬 수 있는 결정이나 유리를 레이저 가공재료라 한다. 레이저 작업 재료는 매트릭스와 활성화 이온의 두 부분으로 구성됩니다. 매트릭스 재료는 활성화 이온에 적합한 존재와 작업 환경을 제공하고 활성화 이온은 레이저 생성 프로세스를 완성합니다. 일반적으로 사용되는 활성화 이온은 주로 크롬, 코발트, 니켈 이온과 같은 전이 금속 이온과 네오디뮴 이온과 같은 희토류 금속 이온입니다. 공진 공동 렌즈로는 표면에 유전막이 있는 반사경을 사용하는데, 그 중 하나는 완전 반사경이고 다른 하나는 반 반사경입니다. 서로 다른 활성화 이온, 서로 다른 매트릭스 물질, 서로 다른 파장의 빛이 여기를 위해 사용되면 다양한 파장의 레이저가 방출됩니다.

1. 루비 레이저
출력 레이저 파장은 694.3nm이고 광전 변환율은 0.1%로 낮습니다. 그러나 형광 수명이 길어 에너지 저장에 도움이 되고 더 높은 펄스 피크 전력을 출력할 수 있습니다. 펜심만큼 얇고 손가락만큼 긴 루비막대에서 발생하는 레이저는 철판을 쉽게 관통할 수 있다. 보다 효율적인 YAG 레이저가 출현하기 전에는 루비 레이저가 레이저 절단 및 드릴링에 널리 사용되었습니다. 또한 694nm의 빛은 멜라닌에 쉽게 흡수되기 때문에 루비 레이저는 색소성 병변(피부 반점) 치료에도 사용됩니다.
2. 티타늄 사파이어 레이저
결정 특성으로 인해 조정 가능한 범위(즉, 파장 범위 조정 가능)가 넓으며 필요에 따라 660nm-1200nm 파장의 빛을 출력할 수 있습니다. 주파수 배가 기술(빛의 주파수를 두 배, 즉 파장을 절반으로 줄일 수 있음)이 성숙해지면 파장 범위를 330nm-600nm까지 확장할 수 있습니다. 티타늄 사파이어 레이저는 펨토초 분광학, 비선형 광학 연구, 백색광 생성, 테라헤르츠파 생성 등에 사용되며 의료 미용에도 사용됩니다.
3. Nd: YAG 레이저
YAG는 이트륨 알루미늄 가넷의 약자입니다. 이 재료는 현재 가장 포괄적인 특성을 지닌 레이저 크리스탈 매트릭스입니다. 네오디뮴(Nd)을 도핑한 후 1064nm의 빛을 출력할 수 있으며 최대 연속 출력 전력은 1000w에 도달할 수 있습니다. 초기에는 불활성 가스 플래시 램프가 레이저의 펌핑 소스로 사용되었지만 플래시 램프 펌핑 방식은 스펙트럼 범위가 넓고 레이저 이득 매질의 흡수 스펙트럼과의 중첩이 좋지 않으며 열 부하가 크기 때문에 광전 변환 효율이 낮다. 따라서 레이저의 고효율, 고출력, 장수명을 달성하기 위해 현재는 LD(레이저 다이오드) 펌핑을 사용하고 있습니다. Nd: YAG 레이저는 혈관종을 치료하고 종양 성장을 억제하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 이 레이저는 조직에 비선택적 열 손상을 줍니다. 과도한 에너지는 종양의 혈관을 응고시키면서 주변의 정상 조직도 손상시켜 수술 후 흉터가 남을 가능성이 높습니다. 따라서 Nd:YAG 레이저는 주로 수술, 산부인과, 이비인후과에서 사용되지만 피부과에서는 드물게 사용됩니다.
4.Yb:YAG 레이저
Yb:YAG, YAG는 이테르븀(Yb)을 도핑하여 1030nm의 빛을 출력할 수 있습니다. Yb:YAG의 펌프 파장은 941nm로 출력 파장에 매우 가깝고, 91.4%의 펌프 양자 효율을 달성할 수 있다. 펌프에서 발생하는 열은 10% 미만으로 억제됩니다(입력 에너지의 대부분은 출력 레이저의 에너지로 변환되고 작은 부분은 열이 되므로 변환 효율이 매우 높다는 의미). 이는 25입니다. Nd:YAG %~30%. Yb:YAG는 가장 눈길을 끄는 고체 레이저 미디어 중 하나가 되었습니다. LD 펌핑 고출력 Yb:YAG 고체 레이저는 새로운 연구 핫스팟이 되었으며 고효율, 고출력 고체 레이저 개발의 주요 방향으로 간주됩니다.

위의 두 가지 유형 외에도 YAG에는 홀뮴(Ho), 에르븀(Er) 등을 도핑할 수도 있습니다. Ho:YAG는 인간의 눈에 안전한 2097nm 및 2091nm 레이저를 생산할 수 있으며 주로 광통신, 레이더 및 의료 응용. Er:YAG는 2.9μm의 빛을 출력하는데, 인체는 이 파장에 대한 흡수율이 높아 레이저 수술이나 혈관 수술에 활용 가능성이 크다.

가스 레이저일반적으로 가스 방전을 펌핑하는 이득 매체로 가스를 사용하는 레이저입니다(고체 레이저와 유사하므로 자세히 설명하지 않겠습니다). 가스 유형에는 원자 가스(헬륨-네온 레이저, 희가스 이온 레이저, 금속 증기 레이저), 분자 가스(질소 레이저, 이산화탄소 레이저), 엑시머 가스 및 화학 반응을 통해 펌핑 에너지를 제공하는 특수 가스 레이저가 포함됩니다.

1. He-Ne 레이저
HeNe 레이저(HeNe)는 He가 75% 이상, Ne가 15% 미만인 혼합 가스를 이득 매질로 사용합니다. 작업 환경에 따라 녹색(543.5nm), 노란색(594.1nm), 주황색(612.0nm), 빨간색(632.8nm) 및 3가지 근적외선(1152nm, 1523nm, 3391nm)을 방출할 수 있습니다. ), 그 중 적색광(632.8nm)이 가장 일반적으로 사용됩니다. HeNe 레이저의 빔 출력은 가우스 분포이며 빔 품질은 매우 안정적입니다. 전력은 높지 않지만 정밀 측정 분야에서 좋은 성능을 발휘합니다.

2. 불활성 가스 레이저
일반적인 불활성 가스 레이저는 아르곤 이온(Ar+)과 크립톤 이온(Kr+)입니다. 에너지 전환율은 최대 0.6%에 달할 수 있으며, 30-50w의 전력을 오랫동안 지속적이고 안정적으로 출력할 수 있으며 수명은 1000시간 이상입니다. 주로 레이저 디스플레이, 라만 분광학, 홀로그래피, 비선형 광학은 물론 의료 진단, 인쇄 색상 분리, 계측, 재료 처리 및 정보 처리와 같은 연구 분야에 사용됩니다.

3. 금속 증기 레이저
금속 증기 레이저는 구리 증기를 예로 듭니다. 구리 증기 레이저는 주로 녹색광(510.5nm)과 황색광(578.2nm)을 출력하며 평균 출력은 100w, 피크 출력은 100kw에 도달할 수 있습니다. 주요 적용 분야는 염료 레이저의 펌프 소스입니다. 또한 고속 플래시 촬영, 대형 스크린 프로젝션 TV 및 재료 가공에도 사용할 수 있습니다.

4. 질소 분자 레이저
질소 분자 레이저는 질소를 이득 매질로 사용하며 최대 45kw의 피크 출력으로 337.1nm, 357.7nm 및 315.9nm의 자외선을 방출할 수 있습니다. 유기 염료 레이저의 펌프 광원으로 사용할 수 있으며 동위원소 레이저 분리, 형광 진단, 초고속 사진 촬영, 오염 감지, 의료, 농업 육종 및 기타 측면에서도 널리 사용됩니다. 파장이 짧기 때문에 작은 지점을 얻기 위해 초점을 맞추기가 더 쉽기 때문에 서브미크론 부품을 처리하는 데에도 사용할 수 있습니다.

5. 이산화탄소 레이저
이산화탄소 레이저에 사용되는 이득 매질은 헬륨과 질소가 혼합된 이산화탄소이며, 9.6μm 및 10.6μm 파장을 중심으로 한 원적외선을 출력할 수 있습니다. 이산화탄소 레이저의 에너지 변환율은 높으며 출력 전력은 몇 와트에서 수만 와트까지 다양합니다. 매우 높은 빔 품질과 함께 이산화탄소 레이저는 재료 가공, 과학 연구, 국방 및 의학 분야에서 널리 사용됩니다.

6. 엑시머불안정한 분자이다. 서로 다른 희가스와 할로겐 가스의 혼합물이 공진 공동에 채워지면 서로 다른 파장의 레이저가 생성됩니다. 여기를 달성하기 위해 상대론적 전자빔(200킬로전자볼트보다 큰 에너지) 또는 횡방향 급속 펄스 방전이 일반적으로 사용됩니다. 여기된 엑시머의 불안정한 분자 결합이 깨지고 바닥 상태 원자로 해리되면 여기 상태의 에너지가 레이저 방사선의 형태로 방출됩니다. 의료, 광통신, 반도체 디스플레이, 원격 감지, 레이저 무기 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다.

화학 레이저특수한 유형의 가스 레이저, 즉 화학 반응에 의해 방출되는 에너지를 사용하여 인구 반전을 달성하는 레이저입니다. 이러한 레이저의 대부분은 근적외선에서 중적외선까지의 일반적인 파장 범위를 갖는 분자 전이 모드에서 작동합니다. 가장 중요한 장치는 불화수소(HF)와 불화중수소(DF)입니다. 전자는 2.6~3.3 마이크론 사이의 15개 이상의 스펙트럼 라인을 출력할 수 있습니다. 후자는 3.5~4.2 마이크론 사이에 약 25개의 스펙트럼 선을 가지고 있습니다. 두 장치 모두 현재 수 메가와트의 출력을 달성할 수 있습니다. 엄청난 에너지로 인해 일반적으로 원자력 공학 및 군사 분야에서 사용됩니다.

염료 레이저유기 염료를 레이저 매체(보통 액체 용액)로 사용하는 레이저입니다. 기체 및 고체 레이저 매체와 비교하여 염료 레이저는 일반적으로 더 넓은 파장 범위에서 사용할 수 있습니다. 대역폭이 넓기 때문에 파장 가변 레이저와 펄스 레이저에 특히 적합합니다. 그러나 짧은 매체 수명과 제한된 출력으로 인해 기본적으로 티타늄 사파이어와 같은 파장 조정이 가능한 고체 레이저로 대체되었습니다.

반도체 레이저반도체 재료를 작업 재료로 사용하는 레이저입니다. 여기 방법에는 전기 주입, 전자빔 여기 및 광학 펌핑이 포함됩니다. 크기가 작고 가격이 저렴하며 효율성이 높고 수명이 길며 전력 소비가 낮습니다. 전자 정보, 레이저 인쇄, 레이저 펜, 광통신, 레이저 텔레비전, 소형 레이저 프로젝터, 전자 정보, 통합 광학 및 기타 분야에서 사용할 수 있습니다. 가장 실용적이고 중요한 레이저 유형입니다.

파이버 레이저희토류가 첨가된 유리섬유를 이득매질로 사용하는 레이저를 말합니다. 레이저 광섬유 통신, 레이저 공간 장거리 통신, 산업 조선, 자동차 제조, 레이저 조각, 레이저 마킹, 레이저 절단, 인쇄 롤러 제작, 금속 및 비금속 드릴링/절단/용접( 황동 용접, 담금질, 클래딩 및 심층 용접), 군사 국방 보안, 의료 장비 및 장비, 대규모 인프라, 기타 레이저의 펌프 소스 등

자유 전자 레이저기존 레이저와는 다른 새로운 유형의 고출력 응집성 방사선 소스입니다. 작업 재료로 가스, 액체 또는 고체가 필요하지 않지만 고에너지 전자빔의 운동 에너지를 응집성 방사선 에너지로 직접 변환합니다. 따라서 자유전자레이저의 작동물질은 자유전자라고 볼 수도 있다. 고출력, 고효율, 광범위한 파장 동조, 초단 펄스의 시간 구조 등 일련의 우수한 특성을 갖고 있습니다. 이를 제외하고는 다른 어떤 레이저도 이러한 특성을 동시에 가질 수 없습니다. 물리학 연구, 레이저 무기, 레이저 융합, 광화학, 광통신 등 분야에서 매우 유망한 전망을 가지고 있습니다.

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