고체 레이저란 무엇입니까?

고체 레이저액체나 기체가 아닌 희토류나 전이금속 이온이 도핑된 고체 물질(보통 크리스탈이나 유리)을 발광 매체로 하는 레이저입니다.

고체 레이저는 도펀트 선택과 결정 또는 유리 구성에 따라 자외선(UV)부터 적외선(IR)까지 광범위한 파장에 걸쳐 레이저 광을 방출합니다. 출력 전력의 범위는 특정 레이저 설계, 이득 매체 및 펌핑 메커니즘에 따라 밀리와트(mW)에서 수 와트(W)까지 또는 그 이상일 수 있습니다.

고체 레이저는 주로 고체 호스트 재료와 호스트 재료에 도핑된 활성 이온의 두 부분으로 구성됩니다. 활성 이온은 날카로운 형광선, 넓은 흡수 밴드, 원하는 파장에서 높은 양자 효율과 같은 특정 특성을 가져야 합니다. 반면, 호스트 재료는 강도, 내파괴성, 높은 열전도율, 광학 품질 등의 특성을 가져야 합니다.

희토류 이온으로 도핑한 후에는 유리와 결정질 재료 모두 이러한 원하는 특성을 나타냅니다. 적합한 호스트 재료에는 규산염 유리, 인산염 유리 및 석류석, 알루미네이트, 금속 산화물, 불화물, 몰리브덴산염, 텅스텐산염 등과 같은 다양한 결정질 재료가 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 활성 이온에는 네오디뮴, 에르븀, 홀뮴과 같은 희토류 이온도 포함됩니다. 크롬, 티타늄, 니켈과 같은 전이 금속으로.

유명한 고체 레이저로는 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, Nd:유리 레이저, Nd:Cr:GSGG 레이저, Er:유리 레이저, 알렉산드라이트 레이저, 티타늄:사파이어 레이저 등이 있습니다.

고체 레이저는 연속 레이저 출력을 생성하는 연속파(CW) 모드 또는 고출력 레이저 광의 짧은 펄스를 생성하는 펄스 모드에서 작동할 수 있습니다.

고체 레이저의 건설

고체 레이저를 만들려면 아크 램프나 플래시 램프 근처에 레이저 막대를 설치해야 합니다. 램프 튜브는 전원에 연결됩니다. 레이저 막대와 램프 튜브는 반사경으로 둘러싸여 평행하게 배열됩니다. 레이저 캐비티의 양쪽 끝에는 고반사 거울과 출력 커플러가 배치됩니다. 과도한 열을 제거하기 위해 일반적으로 냉각수 또는 글리콜 혼합물을 사용하는 순환 시스템을 사용하여 레이저를 냉각합니다.

고체 레이저 에너지 다이어그램
고체 레이저에 사용되는 활성 매체는 고체 재료입니다. 일반적으로 모든 고체 물질은 광학적으로 펌핑됩니다. 즉, 광원을 에너지원으로 사용하여 이득 매질에 적용합니다. 펌프 에너지를 흡수한 후 이득 매질의 전자는 더 높은 에너지 레벨로 여기됩니다. 여기 상태에서 일부 전자는 더 높은 에너지 수준에서 특정 전달 가능한 에너지 수준으로 점프합니다.

다른 여기 상태에 비해 과도 상태의 수명이 길기 때문에 에너지를 저장하고 축적할 수 있습니다. 과도 상태의 전자가 다시 바닥 상태로 변경되면 특정 에너지와 파장을 가진 광자가 방출됩니다. 이 과정을 유도 방출이라고 하며 일관성 있는 빛을 생성합니다.

생성된 광자는 레이저 캐비티의 거울이나 기타 반사 요소 사이에서 여러 번 반사됩니다. 이 피드백 메커니즘은 자극 방출을 증폭하고 강렬한 레이저 빔을 생성합니다. 증폭된 부분 빔은 부분 반사기 중 하나를 통해 빠져나가 레이저 출력을 형성합니다.

출력 빔은 일반적으로 선폭이 좁으며, 이는 과도 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이와 관련된 특정 파장을 특징으로 합니다.

고체 레이저의 장점:
1. 고체 레이저는 일반적으로 레이저 매질이 고체 상태이기 때문에 가스 레이저에 비해 재료 손실이 발생하지 않습니다. 크리스탈이나 유리와 같은 고체 레이저의 활성 매체는 그 구성을 유지하며 작동 중에 소비되거나 고갈되지 않습니다.
3. 고체 레이저는 연속 출력과 펄스 출력을 모두 생성할 수 있습니다.
4. 구조가 비교적 간단합니다.
고체 레이저의 단점:
1. 고체 레이저는 입력 에너지를 레이저 출력으로 변환하는 데 효율성이 떨어집니다.
2. 레이저 빔의 발산은 일정하지 않으며 1밀리라디안에서 20밀리라디안 사이에서 달라질 수 있습니다.
3. 레이저 막대가 과열되면 전력 손실이 발생할 수 있습니다.

고체 레이저의 응용:
고체 레이저는 다양한 분야에서 폭넓게 응용됩니다. 분광학 및 통신 외에도 고체 레이저의 응용 분야에는 다음이 포함됩니다.
재료 가공: 고체 레이저는 금속, 플라스틱, 세라믹 및 복합재와 같은 다양한 재료의 절단, 드릴링, 용접 및 조각에 널리 사용됩니다. 이는 매우 정확하며 매크로 및 마이크로 처리 작업을 모두 처리할 수 있습니다.
의료 및 생물의학: 이 레이저는 레이저 수술, 피부과(예: 문신 제거), 안과(예: 시력 교정), 치과 및 화장품과 같은 의료 시술에 사용됩니다. 주변 부위에 대한 손상을 최소화하면서 조직을 정확하게 타겟팅하고 절제할 수 있습니다.
과학 연구: 분광학, 형광 이미징, 입자 가속 및 초고속 현상 연구를 포함한 과학 연구를 위한 중요한 도구입니다. 재료와 기본적인 물리적, 화학적 과정을 연구하기 위해 정밀하게 제어 가능한 광원을 제공할 수 있습니다.
방어 및 보안: 이 레이저는 레이저 표적 지정자, 거리 측정, 지향성 에너지 무기 및 레이저 대책을 포함한 방어 및 보안 응용 분야에 사용됩니다. 군사, 항공우주, 보안 용도에 정확하고 강력한 광원을 제공합니다.
통신: 고체 레이저는 광섬유 통신 시스템에서 중요한 역할을 하며, 높은 데이터 속도로 장거리에 걸쳐 신호를 전송하는 광 증폭기 및 광원 역할을 합니다.

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