| 레이저 매질 |
여기 방법 |
실용되는 레이저 |
고체
|
광 |
Ruby, Glass LASER
Flash Lamp Pumped Nd:YAG LASER
Diode Pumped Solid State Nd:YAG LASER |
| 기체 |
방전
전자빛살
기체운동 |
He-Ne LASER
Argon, Copper Vaporized 레이저
Excimer Laser
CO2 LASER |
| 액체 |
광 |
색소 레이저 |
| 반도체 |
전류 |
GaAs LASER |
레이저는 매질의 성질에 따라 고체레이저, 기체레이저 액체레이저 등이 있다.
이들은 그 특성에 따라 다른 용도로 쓰여지며 응용도 각각이다.
이 중에서 가장 널리 쓰이는 레이저를 자세히 살펴보자.
(1) He-Ne 레이저
632.8 nm의 붉은 파장을 가지는 이 레이저는 대표적인 레이저로서 최초의 개스레이저이기도 하다.
주로 간섭, 회절, 굴절 등 기초 광학 실험용으로 가장 흔히 사용되며 작은 것은 출력이 0.5mW에서 큰 것은 100mW까지의 대형레이저 까지 다양한 제품이 시판되고 있다.
이 레이저의 매질은 He와 Ne의 혼합기체로서 Ne가스에서 레이저가 발진된다. He개스는 Ne개스를 여기시키기 쉽게 하기위한 것으로서 길이가 수 십 cm 되는 모세관에 약 수 torr(mmHg)이하의 He과 Ne을 채우고 수 천 볼트의 직류고전압을 가하여 방전시 키면 전자가 He원자와 충돌하여 He이 21s와 23s의 높은 에너지 상태로 들뜨게 된다.
이 들뜬 He원자는 Ne원자와 충돌하여 He의 에너지가 Ne에 전달된다.
충돌후 He은 낮은 에너지 상태로 떨어지고 Ne은 각각 5s와 4s상태로 들뜨게 되는데 이들은 낮은 4p와 3p상태는 이들보다 수명이 짧아서 쉽게 아래로 떨어지므로 결국 5s와 4p사이에 밀도반전이 일어나고 4s와 3p 또는 5s와 3p사이에서도 밀도반전이 형성된다. 이 때 공진기 선택하기에 따라서 5s와 4p사이에 적외선인 3.99um파장을 5s와 3p 사이의 632.8 nm의 붉은 파장 또는 4s와 3p사이의 1.15um를 택할 수 있다.
일반적으로는 632.8 nm의 가시광 영역의 붉은 파장만을 발진시키는 공진기를 사용하는 경우가 가장 흔하다.
(2) 아르곤(Ar) 레이저
가장 강력한 가시광 영역의 레이저로서 수백 mW의 출력에서 수십 W의 출력을 내는 대형 아르곤레이저 가 있다.
이 아르곤 레이저는 청색(488.0 nm)과 녹색(514.5 nm)에서 가장 강력한 레이저 빛이 발생되므로 조명 효과가 뛰어나서 특수조명에 많이 쓰이고 있는데 서울 올림픽 당시 여의도 63빌딩 벽면에 보인 레이저 쇼라든가, TV 쇼 등 무대조명도 이 아르곤 레이저가 이용되고 있으며 연구실에서도 아르곤 레이저는 색소레이저의 여기용으로도 많이 쓰이고 있다.
그 외에도 351.1 nm 등의 자외선을 포함하여 476.5 nm, 496.5 nm 등 여러 파장의 빛이 발진된다.
아르곤 레이저는 길이 약 1m, 내경 약 수 nm의 작은 모세관에 수 torr의 Ar 개스를 채운 후 수 백 V의 직류전압을 가하여 방전시킨다. 모세관에 흐르는 전류는 보통 수 십 A가 흐른다.
이는 Ar 1가 이온에서 레이저가 발진되므로 모세관의 전류밀도가 수 백 A/cm 이상이어야 충분히 밀도반전이 일어나기 때문이다.
따라서 높은 전류밀도 때문에 방전관 벽의 온도가 매우 높아지므로 유리종류는 쉽게 변형이 일어나서 쓸모없고 흑연(garphite)이나 BeO 또는 텅스텐 판과 같은 융점이 높은 재료가 사용된다. 또한 높은 온도 상승은 냉각수를 흘려 열을 제거함으로서 억제한다.
높은 전류밀도로 관 내에 아르곤 개스는 압력 차이가 생겨 방전이 불안정하거나 꺼지게 되는데 이를 방지하기 위해 Ar개스가 이동할 수 있는 옆길 (return path)를 만들어 주어야 한다.
방전시 이온 또는 전자가 관벽에 충돌하는 충돌 횟수가 작은 것이 바람직 하므로 방전관 주위에 솔레노이드를 만들어 수 백 가우스의 자장을 축 방향으로 가함으로서 효율을 높인다.
이와 같이 아르곤 레이저는 제작하기가 쉽지 않고 10 kW 이상의 전력을 쓰기 때문에 매우 고가이며 수명은 보통 5000시간 정도이다.
(3) 탄산가스(CO2) 레이저
탄산가스 레이저는 탄산가스 분자의 진동준위 사이에서 10.6um의 적외선이 발진되며 효율이 높아서 용이하게 고출력을 얻을 수 있다. 이런 이점으로 강한 열작용을 이용한 금속 또는 피륙의 용접 절단 등 산업에 이용되고 있다.
약 1m 길이의 유리(pryex)관에 CO2,He,N2를 일정비로 흘리면서 10kV 정도의 직류전압을 가하면 글로우 방전이 일어난다.
밀도반전은 방전시 전자와 N2 와의 충돌로 N2분자가 V"=0 에서 V"=1 의 진동준위로 들뜨게 되는데 이 들뜬 준위는 CO2 분자의 001 진동준위와 에너지 차가 작은 준위로서 두 분 자사이의 충돌로 N2 분자는 에너지를 CO2 분자에 제공하고 아래로 떨어진다. 이 과정으로 CO2분자가 001 준위로 들뜨게 된다.
들뜬 CO2 분자의 001 진동준위와 이보다 아래 에너지의 100 진동준위 사이에 밀 도반전이 형성되어 레이저 발진이 가능하게 된다. 따라서 레이저 발진은 CO2 분자에서 일어나지만 N2를 첨가함으로서 001준위로의 효율적인 여기가 가능하다.
한편 He 가스의 혼합으로 아래준위인 001 준위를 쉽사리 없앨 수 있기 때문에 밀도반전이 쉽게 일어날 수 있으므로 효율이 증대된다. 따라서 N2, He을 혼 합하면 순수 CO2 만이 있을때의 출력에 비해 매우 큰 출력을 얻을 수 있게 된다.
일반적으로 1 m 길이의 방전관은 최적 조건에서 100 W 까지의 출력을 얻을 수 있다.
이 CO2 레이저는 1964년 미국의 패텔이 처음으로 연속발진에 성공하였으며 현재 100 kW의 대형 CO2 레이저도 개발되었다. 이 경우 방전관은 수십 m 에 이를 정도로 길이가 길기 때문에 대단히 큰 공간을 차 지하는 불편함이 수반된다.
이러한 결점을 보완하기 위해 여러 가지 방안들이 모색되었는데 그 중에서도 가열된 CO2 개스의 급팽창에 의한 밀도반전을 이룩하는 개스 동력학 방법과 횡여기 방법이 두드러진다.
개스동력학 방법으로 60 kW 의 연속 출력 방식을 얻은 바 있으며, 횡여기 방법은 흔히 TEA CO2 레이저 로 알려져 있는데 TEA Transverse excited atomospheric 의 머리글자를 딴 단어이다.
대기압 정도의 개스 압력을 높은 전압으로 펄스방전을 일으켜서 밀도반전을 얻으며 1972년 출력펄스당 200 J의 에너지를 얻는 데 성공하였다.
(4) 색소(dye) 레이저
색소레이저는 다른 레이저와 매우 다른 매우 독특한 성질을 지니고 있다. 다른 레이저는 단일파장만을 발생시키는데 비해 색소레이저는 일정한 범위내의 모든 파장의 레이저가 발진 가능하다.
이것을 가변 파장 레이저(tunable laser)라고 한다. 여러 가지 염료가 레이저 물질로 사용되고 있지만 그 중에서도 Rhodamine-6G라는 붉은 염료가 효율이 높고 파장영역이 분광학적 실실험에 적합하므로 가장 많이 사용된다.
Rhodamine-6G는 알콜 또는 에칠렌그리콜과 같은 용매에 약 10-3 mole/l의 농도로 녹인 용액이 증폭기 의 활성 매질이 된다.
아르곤레이저에서 나오는 514.5 및 488nm의 파장을 가지는 레이저빛을 용액에 접속 시키면 단일 상태인 S1상태로 들뜨게 된다. S1상태는 수많은 진동준위로 인하여 띠모양의 에너지 준위 가 되기 때문에 넓은 파장 범위의 가변 파장레이저가 가능하다. S1준위에서 S2 준위로 유도방출에 의한 증폭이 일어나도록 S1을 충분히 크게해야 하므로 아르곤레이저와 같은 센 광원에 의한 펌핑이 요구된다.
수명이 매우 긴 3중 상태가 S1준위 밑에 존재하기 때문에 S1에서 3중 상태로 떨어진 분자는 쉽 사리 기저 상태(S0)로 되돌아 올 수 없다. 이 때문에 삼중 상태와 분자 수가 점차 많아지므로 계속해서 아 르곤레이저 등을고 펌핑을 하더라도 서서히 레이저의 세기가 감소하게 된다.
이 결점을 제거하기 위한 한 가지 방법이 염료 용액을 순환시키는 것이다. 따라서 연속 발진 염료레이저에 서는 염료 용액을 항상 순환시켜야 한다.
염료의 종류에 따라 각기 다른 불진 파장이 다른데 Rhodamine-6G는 580-620 nm의 파장 영역을 가진다.
프리즘이나 회절격자를 공진기에 사용하면 580-620nm내에서, 우리가 원하는 대로 파장을 선택할 수 있으므로 분광학적 응용에 매우 유리하다.
(5) 반도체 레이저
반도체 레이저는 다이오드레이저 라고도 하며 지금까지 개발된 레이저 중에서 제일 작은것으로 보통 1nm이하의 크기이다.
p형 반도체와 n형 반도체의 접합으로 되어 있으며 p-n접합의 양쪽끝은 평행한 평면이다.
만약 면이 평면이 아니거나 평행하지 않으면 반도체레이저가 될 수 없다. 이 두면은 매우 큰 굴절율 때문에 반사경의 역할이 가능하게 된다.
반도체 제조기술의 발달로 이러한 조건은 쉽사리 만족된다.
반도체 레이저는 체적이 매우 작은 특징이 있고 제조단가가 저렴하고 대량생산이 용이하며 수 mA의 전류만 흘리면 레이저가되는 이점이 있으므로 CD재생장치, 광통신 등 응용도가 매우 높다.
재료는 GaAs나 GaAIAS 또는 GaAIAsP 등이 개발되어 있으며 발진파장을 매질의 종류에 따라 다르나 GaAs인 경우 840nm의 적외선이다. 크기가 매우작기 때문에 회절효과가 두드러져 지향성이 다른 레이저에 비해 좋지않은 결점이 있다.
보통 빔의 확산 각도가 다른 레이저의 경우보다 훨씬 큰 5-10°정도이다.
(6) Nd:YAG 레이저와 Nd:Glass 레이저
Nd:YAG 레이저는 루비(ruby)레이저와 더불어 대표적인 고체레이저로 손꼽힌다.
화학적인 조성은 Nd3+이온이 Y3+ 대신에 약 1%정도 YAG(yttrium aluminium garnet)결정에 들어 있는 Nd:Y3Al5O12 로써 근적외선 파장을 발진하는데 크립톤(Kr)개스가 봉입된 아크램프로 광펌핑하여 밀도반전이 형성된다.
펄스 발진에서는 Xe개스의 플래 쉬램프를 사용한다. 펄스 동작뿐만 아니라 연속 발진도 가능한데 파장이 1.064um이므로 용접도 가능하고 second harmonic generation이라는 비선형 광학 기술을 이용하면 파장이 절반으로 줄어들어 532 nm의 가시광 영역이 되므로 여러 가지 용도로 이용된다. 그러나 YAG는 결정이므로 대형 증폭기의 제작은 불가능 한 결점이 있다.
Nd:glass 레이저는 YAG대신에 유리를 사용하며 발진 파장을 ND:YAG와 비슷한 1.06um이다.
ND:glass레이저의 이점은 크기에 제한없이 용이하게 레이저봉을 만들 수 있고 모양이나 형태 또한 원하는 대로 만들 수 있다. 더욱이 Nd3+의 양을 쉽게 조정할 수 있다.
현재 레이저 핵융합 등의 고출력 발진레 이저 장치는 대체로 ND:glass 봉이 증폭기로 이용된다.
이때는 보통 펄스로 동작되는데 순간 출력이 1012W 에 달하는 것도 있다. | 
