레이저 원리 이해 및 진보된 펨토초 레이저 기술
레이저 원리 이해 Understanding the Basics for Lasers
레이저 범위는 양자-점에서 축구장 크기까지 다양하고, 자유 전자에서 고체까지의 물질을 사용하지만 근본적인 작동 원리는 항상 동일하다. 여기에서는 레이저 작동 방법 및 이유에 대한 기본 정보를 제공한다. Although lasers range from quantum-dot to football-field size and utilize materials from free electrons to solids, the underlying operating principles are always the same. This article provides the basic information about how and why lasers work.
레이저는 1960년 시연이 시작된 이래로 50년이 넘었다. 초기 관심의 대상이었던 레이저는 잠시 동안 "문제에 대하여 기다리는 해결책"으로 분류되었지만, 점차 적용 범위가 확장되었다. DNA 시퀀싱 (일련의 관련된 동작 또는 특정 순서로 서로를 따르는 동작), 가전 제품 제조 또는 원자 주위의 전자 이동을 정지시키는 것과 같은 다양한 분야를 포괄 할 수 있다. 이러한 적용분야의 대부분은 레이저 없이는 불가능 했을 것이다.
물리학에서 레이저의 관련성을 파악하려면 다른 인공 소스 (모든 유형의 펄스) 가 레이저 펄스만큼 짧은 펄스 (현재는 10-16 초 이하)를 생성 할 수 없으며 – 혹은, ~ 10-15초의 정확도! 로 절대 주파수를 측정하는 도구가 필요하다. 레이저로 서비스되는 산업 제조, 마이크로 전자 공학 및 생체 의학 및 계측 응용 프로그램은 매우 다양하며 광 회절 한계 이하의 기능 생성, 표면의 영향을 받지 않고 대량의 재질 수정 또는 개별 입자의 트래핑 및 공중에서 이동과 같은 고유한 기능에 의존한다.
Over 50 years have passed since the first demonstration of a laser in 1960. After the initial spark of interest, lasers were for a while categorized as “a solution waiting for a problem”, but bit by bit, the range of their applications has expanded to encompass fields as diverse as DNA sequencing (a set of related events, movements, or things that follow each other in a particular order), consumer electronics manufacturing, or freezing the motion of electrons around atoms. Most of these applications simply would not have been possible without lasers.
To grasp the relevance of lasers in physics, it is enough to note that no other man-made sources can generate pulses (of any type) as short as laser pulses – now below to 10−16 second – or tools to measure absolute frequencies with an accuracy of ~10−15second! Industrial manufacturing, microelectronics, and biomedical and instrumentation applications serviced by lasers are incredibly diverse and rely on unique capabilities, like producing features below the limit of light diffraction, modifying materials in their bulk while leaving the surface unaffected, or trapping and moving individual particles in mid-air.
레이저의 경우에서, 모든 광원은 입력 에너지를 빛으로 변환한다. 입력 또는 펌프의 에너지는 다양한 형태를 취할 수 있는데, 가장 일반적인 두 가지는 광학 및 전기이다. 광 펌핑의 경우, 에너지 원은 램프 또는 더 일반적으로 다른 레이저 일 수 있다. 전기 펌핑은 DC 전류 (레이저 다이오드에서와 같이), 전기 방전 (노블 가스 레이저 및 엑시머 레이저) 또는 무선-주파수 방전 (일부 CO2 레이저)을 통해 이루어질 수 있다.
All light sources convert input energy into light. In the case of the laser, the input, or pump, energy can take many forms, the two most common being optical and electrical. For optical pumping, the energy source may be a lamp or more commonly another laser. Electrical pumping can be via a DC current (as in laser diodes), an electrical discharge (noble gas lasers and excimer lasers) or a radio-frequency discharge (some CO2 lasers).
전구, LED 또는 별과 같은 종래의 (비 간섭 성) 광원에서, 입력 펌프 에너지에 의해 여기 된 각 원자는 주어진 통계적 확률에 따라 단일 광자를 무작위로 방출한다. 이것은 파장의 확산과 개별 광자 간의 상호 관계가 없는 모든 방향으로 방사선을 생성한다. 이것을 자연 방출이라고 한다.
In a conventional (incoherent) light source like a lightbulb, an LED or a star, each atom excited by input pump energy randomly emits a single photon according to a given statistical probability. This produces radiation in all directions with a spread of wavelengths and no interrelationships among individual photons. This is called spontaneous emission.
Figure 1. 자발적 방출은 무작위적인 과정인 반면, 자극된 방출은 동일한 성질을 지닌 광자를 생성한다. Spontaneous emission is a random process, whereas stimulated emission produces photons with identical properties.
아인슈타인은 또한 여기된 원자들이 유도 방출이라고 불리는 과정에 의해 축적된 에너지를 빛으로 변환 할 수 있다고 예측했다. 이 과정은 일반적으로 자연 방출에 의해 광자를 생성하는 여기 원자로 시작한다. 이 광자가 또 다른 여기 원자에 도달하면 상호 작용으로 그 원자가 두 번째 광자를 방출한다 (그림 1).
이 프로세스에는 두 가지 중요한 특징이 있다. 첫째, 곱셈적이다 - 하나의 광자는 2개가 된다. 이 2개의 광자가 다른 2개의 여기 원자와 상호 작용하면 총 4개의 광자가 생성된다. 두 번째이자 가장 중요한 것은 이 2개의 광자는 파장, 방향, 위상 및 편광과 같은 속성을 가진다. 충분한 수의 여기 원자가 있는 상태에서 빛을 "증폭"하는 이 능력은 레이저 작동의 기초가 되는 "광학 이득"을 이끌어 내고 “방사선의 자극에 의한 광선 증폭” 약어를 정당화한다. 적절한 펌핑 조건 하에서 이득을 나타내는 다양한 고체, 액체 및 기체 상 물질이 발견되었다.
Einstein predicted that excited atoms also could convert stored energy into light by a process called stimulated emission. This process typically starts with an excited atom first producing a photon by spontaneous emission. When this photon reaches another excited atom, the interaction stimulates that atom to emit a second photon (Figure 1).
This process has two important characteristics. First, it is multiplicative – one photon becomes two. If these two photons interact with two other excited atoms, this will yield a total of four photons, and so forth. Second and most importantly, these two photons have identical properties: wavelength, direction, phase and polarization. This ability to “amplify” light in the presence of a sufficient number of excited atoms leads to “optical gain” that is the basis of the laser operation and justifies its acronym of ”Light Amplification (by) Stimulated Emission (of) Radiation”. A wide range of solid, liquid and gas-phase materials have been discovered that exhibit gain under appropriate pumping conditions.
레이저 공동 The laser cavity
레이저 공동 또는 공진기는 시스템의 중심에 있다. 엑시머 레이저와 같은 일부 고 이득 장치에서 레이저 동작을 시작하려면 여기된 원자 또는 분자 집합을 통과하는 단일 통과만으로 충분하다. 그러나, 대부분의 레이저들에 있어서, 레이저 매체를 통한 다중 통과에 의해 이득을 추가로 향상시키는 것이 필요하다. 이것은 피드백을 생성하는 공동 미러 세트에 의해 정의 된 광축을 따라 구현된다 (그림 2). 레이징 매체 (적절한 구속 구조로 둘러싸인 크리스탈, 반도체 또는 가스)는 공진기의 광학 축을 따라 배치된다. 매우 높은 광학 이득을 갖는 이 고유 한 축은 또한 레이저 빔의 전파 방향이 된다. 독특하게 길고 (그리고 유연한!) 게인 축의 다소 다른 예가 파이버 레이저이다.
The laser cavity, or resonator, is at the heart of the system. A single transit through a collection of excited atoms or molecules is sufficient to initiate laser action in some high-gain devices such as excimer lasers; however, for most lasers, it is necessary to further enhance the gain with multiple passes through the laser medium. This is implemented along an optical axis defined by a set of cavity mirrors that produce feedback (Figure 2). The lasing medium (a crystal, a semiconductor or gas enclosed in an appropriate confinement structure) is placed along the optical axis of the resonator. This unique axis with very high optical gain becomes also the direction of propagation of the laser beam. A somewhat different example of a uniquely long (and flexible!) gain axis is the fiber laser.
Figure 2. 프로토 타입 가스 레이저에서 이득 매체는 길고 얇은 원통형을 띤다. 공동은 2개의 미러에 의해 정의된다. 하나는 부분적으로 반사되어 출력 빔이 빠져 나가도록 허용한다. In the prototypical gas laser, the gain medium has a long, thin cylindrical shape. The cavity is defined by two mirrors. one is partially reflecting and allows the output beam to escape.
가장 단순한 공동은 서로 마주하는 두 개의 미러, 즉 전 반사경과 반사율이 30에서 100%에 이르는 부분 반사경에 의해 정의된다. 빛은 이 미러들 사이를 왕복하며 이득 매체를 통과 할 때마다 강도를 얻는다. 축 이외의 방향으로 자발적으로 방출되는 광자는 단순히 손실되어 레이저 작동에 기여하지 않는다. 레이저 광이 증폭됨에 따라 일부 광이 부분 반사기(출력 커플러)를 통해 공동 또는 공진기에서 빠져 나온다. 그러나 평형 상태 (소위 "정상 상태" 또는 "연속 파")에서 이러한 "광학 손실"은 공동 내부의 광자의 연속적인 왕복 이동에서 경험되는 광학 이득에 의해 완벽하게 보상된다. 레이저의 출력은 정확하게 출력 커플러에 의해 전송되는 빔의 일부이다. 이상적인 레이저에서는 출력 빔의 모든 광자가 동일하므로 완벽한 지향성과 단일 색도를 얻을 수 있다. 이것은 레이저 소스의 고유한 일관성과 밝기를 결정한다.
The simplest cavity is defined by two mirrors facing each other – a total reflector and a partial reflector whose reflectance can vary between 30 and close to 100 percent. Light bounces back and forth between these mirrors, gaining intensity with each pass through the gain medium. Photons that are spontaneously emitted in directions other than the axis are simply lost and do not contribute to the laser operation. As laser light is amplified, some of the light escapes the cavity, or resonator, through the partial reflector (output coupler); however, at equilibrium (the so-called “steady state” or “continuous wave”), these “optical losses” are perfectly compensated by the optical gain experienced in the successive round trip of the photons inside the cavity. The output of the laser is exactly the part of the beam transmitted by the output coupler. In an ideal laser, all the photons in the output beam are identical, resulting in perfect directionality and mono-chromaticity. This determines the unique coherence and brightness of a laser source.
단색 성 - 광자의 에너지는 E = hc / λ의 관계를 통해 파장을 결정한다. 여기서 h는 플랑크 상수, c는 빛의 속도, λ는 파장이다. 이상적인 레이저는 똑같은 에너지와 동일한 파장을 가진 모든 광자를 방출 할 것이고, 그것은 완전히 단색 일 것이다. 많은 응용 프로그램은 단색성에 의존한다. 예를 들어, 통신에서, 약간 오프셋 된 파장의 몇몇 레이저는 크로스 토크가 없는 동일한 광파이버로 펄스의 병렬 스트림을 전송할 수 있다. 실제 레이저는 완벽하게 단색이 아니다. 몇 가지 확장 메커니즘이 방출 된 광자의 주파수 (및 에너지)를 넓히기 때문이다. 예를 들어, 자유 실행 YAG 레이저의 선 폭은 수백 GHz일 수 있지만 안정화 다이오드 펌프 YAG 레이저의 선 폭은 1 KHz 미만일 수 있다. 이러한 확장 메커니즘 중 가장 잘 알려진 것은 활성 가스 매질을 구성하는 원자 집합의 속도 분포에 의해 결정되는 도플러 확장이다.
Mono-chromaticity – A photon’s energy determines its wavelength through the relationship E = hc/λ, where h is Planck’s constant, c is the speed of light, and λ is wavelength. An ideal laser would emit all photons with exactly the same energy, and thus the same wavelength and it would be perfectly monochromatic. Many applications are dependent on mono-chromaticity. For example, in telecommunications, several lasers at slightly offset wavelengths can transmit in parallel streams of pulses down the same optical fiber without crosstalk. Real lasers are not perfectly monochromatic because several broadening mechanisms widen the frequency (and energy) of the emitted photons. For example, free-running YAG lasers can have linewidths of hundreds of gigahertz, while stabilized diode-pumped YAG lasers can have a linewidth <1 kHz. The best known of these broadening mechanisms is the Doppler broadening, determined by the distribution of speeds in the collection of atoms making up active gas mediums.
일관성 - 동일한 파장을 공유하는 것 외에도 레이저 빔을 구성하는 광자는 모두 위상이 동일하거나 (그림 3) 균일한 파면으로 전파되는 전기장이 생긴다. 이상적인 표현은 주어진 방향을 따라 평평한 파면으로 전파되는 평면 파이고 이 방향에 수직인 각 평면은 주어진 시간에 동일한 전기장 및 자기장 진폭 및 위상을 경험한다. 이러한 특성을 가진 2개의 파가 상호 작용할 때, 그들은 Young의 실험에서와 같이 간섭 패턴을 생성한다. 실제 레이저 빔은 이 이상적인 동작과 다소 차이가 있지만, 여전히 이상적인 간섭성 평면 파를 가장 근사하게 만드는 원천이며 광학 간섭에 의존하는 많은 응용 프로그램을 가능하게 한다. 예를 들어, 정밀 렌즈 및 미러 표면은 레이저 간섭계를 사용하여 측정되며, 중력 파를 추적하고 탐지하는 데에 사용되는 장거리 간섭계는 간섭 패턴의 미세한 변화로 측정한다.
Coherence – Besides sharing the same wavelength, the photons that make up a laser beam are all in phase (Figure 3), or “coherent,” resulting in an electric field that propagates with a uniform wavefront. The ideal representation is a plane wave that propagates with a flat wavefront along a given direction and where each plane perpendicular to this direction experiences the same electric and magnetic field amplitude and phase at a given time. When two waves with such characteristics interact, they create interference patterns, as in Young’s experiment. Real laser beams somewhat deviate from this ideal behavior, but they are still the sources that best approximate an ideal coherent plane wave, and they enable a host of applications that rely on optical interference. For example, the surface of precision lenses and mirrors is measured using laser interferometers, and so are the minute variations in the interference patterns of miles-long interferometers used to chase and detect gravitational waves.
Figure 3. 레이저 광선은 동 위상이라는 점에서 서로 다른 위상인 모든 기존의 광선과 다르다. Laser light differs from conventional light in that all the light-waves are in phase with each other.
밝기 (또는 더 정확하게, 광도) - 레이저와 일반적인 광원의 가장 눈에 띄는 차이점은 방출 된 모든 빛이 강렬한 광선과 같은 방향으로 이동한다는 것이다. Radiance는 표면적의 단위와 입체각 단위로 광원을 떠나는 빛의 양으로 정의된다. 태양과 같은 별은 표면 영역에서 많은 양의 방사선을 방사하지만, 이것은 많은 다른 방향으로 방출된다. 반대로, 레이저 광선은 방향성이 강하기 때문에 지구 표면에서 경험 한 태양의 밝기보다 훨씬 강렬하다. 이런 이유 때문에, 레이저 포인터로부터 나오는 아주 적은 5mW의 전력은 직사광선보다 “눈을 더 멀게 할” (그리고 위험)이 있다.
Brightness (or, more correctly, radiance) – The most strikingly visible difference between lasers and conventional light sources is that all the emitted light travels in the same direction as an intense beam. Radiance is defined as the amount of light leaving the source per unit of surface area and unit of solid angle. A star like the sun emits a large amount of radiation from a unit of surface area, but this is emitted in many different directions. on the contrary, a laser beam is highly directional, with the result that its brightness is much more intense than the sun’s as experienced on the Earth’s surface. For this reason, just 5 mW of power from a laser pointer is more “blinding” (and dangerous) for the eye than direct sunlight.
높은 방사로 인해, 레이저 빔을 먼 거리에 투사하거나 아주 작은 지점에 집중시킬 수 있다. 잘 설계된 레이저는 회절 법칙에 의해 규정된 최소량으로만 확장 ("발산")하는 광선을 생성한다. 예를 들어, 회절은 그 파장과 동일한 레이저 빔에 의해 생성 될 수 있는 최소 스폿을 부과한다. (*부과한다: 그들의 관심과 협력을 요구함에 의하여 누군가의 장점을 취한다)
Because of its high radiance, a laser beam can be projected over great distances or focused to a very small spot. Well-designed lasers produce a beam of light that will expand (“diverge”) only by the minimum amount prescribed by the laws of diffraction. For example, diffraction imposes that the minimum spot that can be produced by a laser beam is equal to about its wavelength. (* imposes: take advantage of someone by demanding their attention or commitment)
레이저는 3가지 주요 범주로 나눌 수 있다: 연속파 (CW), 펄스 및 초고속.
Lasers can be divided into three main categories: continuous wave (CW), pulsed and ultrafast.
연속파 레이저 CW (Continuous-wave) lasers
그 이름에서 알 수 있듯이 연속파 레이저는 끊임없이 연속적으로 빛을 생성하며 이상적으로는 매우 안정적인 출력을 제공한다. 이것이 발생하는 정확한 파장 (들) 또는 라인 (들)은 레이저 매체의 특성에 의해 결정된다. 예를 들어, CO2 분자는 10.6μm에서 쉽게 레이징되며, 네오디뮴 기반 결정 (YAG 또는 바나 데이트와 같은)은 1,047과 1,064nm 사이의 파장 범위의 파장을 생성한다. 각각의 레이저 파장은 레이저 파장의 이득 대역폭과 필터 또는 에탈론과 같이 의도적으로 선 폭을 좁히는 소자를 포함 할 수 있는 광학 공진기의 설계와 같은 선 폭과 관련이 있다.
As their name suggests, continuous-wave lasers produce a continuous, uninterrupted beam of light, ideally with a very stable output power. The exact wavelength(s) or line(s) at which this occurs is determined by the characteristics of the laser medium. For example, CO2 molecules readily lase at 10.6 µm, while neodymium-based crystals (like YAG or vanadate) produce wavelengths in the range between 1047 and 1064 nm. Each laser wavelength is associated with a linewidth, which depends on several factors: the gain bandwidth of the lasing medium and the design of the optical resonator, which may include elements to purposely narrow the linewidth, like filters or etalons.
레이저가 동시에 다른 라인을 생성 할 수 있는 경우 작동 파장을 결정하는 첫 번째 단계는 원하는 파장에서만 높은 반사율을 갖는 공동 미러를 사용하는 것이다. 다른 모든 라인에서 반사율이 낮으면 레이저 동작 임계 값에 도달하지 못한다. 그러나, 단일 레이저 라인조차도 실제로는 파장의 범위를 커버한다. 예를 들어, 레이저 다이오드는 "이득 대역폭"에 해당하는 수 나노 미터의 파장 범위에서 빛을 생성한다.
If a laser can simultaneously produce different lines, the first step in determining the operating wavelength is to use cavity mirrors that are highly reflective only at the desired wavelength. The low reflectivity of the mirrors at all the other lines will prevent these from reaching the threshold for laser action. However, even a single laser line actually covers a range of wavelengths. For example, laser diodes produce light over a wavelength range of several nanometers corresponding to their “gain bandwidth.”
이 이득 대역폭 내의 출력 빔의 특정 파장은 공동의 종 방향 모드에 의해 결정된다. 그림 4는 가장 기본적인 설계인 2개의 미러 공동의 동작을 보여준다. 빛이 미러 사이를 오가며 빛을 받으면 파동은 위상을 유지하고 파동 패턴을 "재현"해야 한다. 즉, 공동 왕복 거리는 파장의 정확한 배수 여야 한다.
The specific wavelengths of the output beam within this gain bandwidth are determined by the longitudinal modes of the cavity. Figure 4 shows the behavior of a two-mirror cavity, the most basic design. To sustain gain as light travels back and forth between the mirrors, the waves must remain in phase and “reproduce” their wave pattern, which means that the cavity round-trip distance must be an exact multiple of the wavelength.
Nλ = 2 × Cavity Length,
여기서 λ는 레이저 파장이고 N은 모드 번호라고 하는 정수이다. 이것은 빛의 파장이 일반적인 공동 길이보다 훨씬 작기 때문에 대개 매우 큰 정수이다. 예를 들어 고출력 레이저 다이오드에서 IR 출력 파장은 0.808μm이지만 공동 길이는 1mm 일 수 있으므로 매우 작은 레이저 공진기에서도 N은 ~ 2,500이다. 이 공진 방정식을 만족시키는 파장을 세로 공동 모드라고 한다. 레이저의 실제 출력 파장은 그림 4 (하단)와 같이 이득 대역폭에 해당하는 공동 모드에 해당한다. 이 체제를 다중 항 모드 운영이라고 한다. 고출력 레이저 다이오드를 예로 사용하면, 인접한 종 방향 모드 사이의 간격은 ~ 150 GHz (파장 차이에서 ~ 0.3 nm에 해당)이다.
Where, λ is the laser wavelength and N is an integer called the mode number. This is usually a very large integer, since the wavelength of light is so much smaller than a typical cavity length. In a high-power laser diode, for example, the IR output wavelength is 0.808μm, yet the cavity length may be 1 mm, so that even in a very small laser resonator, N is ~2500. Wavelengths that satisfy this resonance equation are called longitudinal cavity modes. The actual output wavelengths of the laser will correspond to the cavity modes that fall within the gain bandwidth, as shown in Figure 4 (bottom). This regime is called multi-longitudinal-mode operation. Using the example of the high-power laser diode, the spacing between adjacent longitudinal modes is ~150 GHz (equivalent to ~0.3 nm in wavelength difference).
Figure 4. 공진 공동은 공진 조건, Nλ = 2 × cavity length를 만족하는 모드 만 지원한다. CW 레이저의 출력은 이득 대역폭과 이러한 공진 공동 모드의 중첩에 의해 정의된다. A resonant cavity supports only modes that meet the resonance condition, Nλ = 2 × cavity length. The output of a CW laser is defined by the overlap of the gain bandwidth and these resonant cavity modes.
레이저 다이오드가 3nm 이득 라인에서 작동하면 3nm에 걸친 약 10개의 세로 모드가 공진 할 수 있다. 공진기 설계는 또한 빔 방향에 수직 인 평면상의 세기 분포를 담당하는 소위 횡 모드를 제어한다. 이상적인 레이저 빔은 반경 방향으로 대칭인 단면을 가지고 있다. 강도는 중심에서 가장 크고 가장자리에서 꼬리를 감으면 가우시안 프로파일을 따른다. 이를 TEM00 또는 기본 출력 모드라고 한다. 레이저는 또한 많은 다른 TEM 모드를 생성 할 수 있으며 그 중 일부는 그림 5에 나와 있다. 일반적으로 공동 내부에 배치 된 둥근 구멍은 레이저가 기본 모드로 작동하도록 한다. 다중 중력 모드 작동에서 많은 모드가 동시에 존재하기 때문에 종종 가우시안 인 것처럼 보이는 프로파일을 생성하지만 실제로는 특성이 저하된다 (발산 및 방사 강도가 낮아짐). 종종 레이저 빔의 품질은 M2 (M 제곱) 파라미터를 사용하여 지정된다. 예를 들어, TEM00 모드에서만 작동하는 YAG 레이저는 M2 = 1이고, 다중 모드 레이저 다이오드는 수백 M2이다. 다른 횡단 모드 또한 약간 다른 주파수를 갖는다. 그러나 이 차이는 인접한 세로 모드 (약 1 MHz와 대략 수백 MHz에서 수백 GHz 사이의 차이)와의 차이보다 훨씬 작다.
If the laser diode operates on a 3-nm gain line, about 10 longitudinal modes, spanning 3 nm, will be able to resonate. The resonator design also controls the so-called transverse modes, responsible for the intensity distribution on the plane perpendicular to the beam direction. The ideal laser beam has a radially symmetric cross section: The intensity is greatest in the center and tails off at the edges, following a Gaussian profile. This is called the TEM00 or fundamental output mode. Lasers can produce also many other TEM modes, a few of which are shown in Figure 5. Usually a round aperture placed inside the cavity is used to force the laser to operate in the fundamental mode. In multi-transverse-mode operation, many modes are present at the same time, often resulting in a profile that appears to be Gaussian but in reality has degraded properties (higher divergence and lower radiance). Often the quality of a laser beam is specified using the M2 (M squared) parameter. For example, a YAG laser operating exclusively in the TEM00 mode has M2 = 1, while multimode laser diodes have an M2 of hundreds. Different transverse modes also have slightly different frequencies; however, this difference is much smaller than the difference between adjacent longitudinal modes (~1 MHz compared with approximately hundreds of megahertz to hundreds of gigahertz).
Figure 5. 레이저는 임의의 수의 횡 모드를 방출 할 수 있으며, TEM00가 일반적으로 가장 바람직하다. Lasers can emit any number of transverse modes, of which the TEM00 usually is most desirable.
다중 종단 모드를 생성하는 레이저는 제한된 일관성을 가지며, 다른 파장은 확장된 거리에서 위상을 유지할 수 없다. 우수한 일관성을 요구하는 홀로그래피와 같은 응용 프로그램은 단일 세로 모드 레이저를 사용하는 것이 좋다. 좁은 이득 대역폭을 가진 일부 레이저 유형의 경우 매우 짧은 공진 공동으로 단일 모드 출력이 달성된다. 이것은 모드 스페이싱을 이득 대역폭보다 크게 만들고, 단지 하나의 모드 레이저다. 일반적으로, 오직 하나의 모드만을 우선적으로 통과시키는 필터 소자가 공동에 삽입된다. 가장 일반적인 유형의 필터를 에탈론 이라고 한다. 몇 가지 정교한 설계 개선을 통해 레이저의 선 폭을 과학적 간섭 측정 애플리케이션에 유용한 1kHz 미만으로 제한 할 수 있다.
A laser that produces multiple longitudinal modes has a limited coherence – different wavelengths cannot stay in phase over extended distances. Applications such as holography, which demand excellent coherence, benefit from using a single-longitudinal-mode laser. For some laser types with a narrow gain bandwidth, single-mode output is achieved with a very short resonant cavity; this makes the mode spacing larger than the gain bandwidth, and only one mode lases. Generally, though, a filtering element that preferentially passes only one mode is inserted into the cavity. The most common type of filter is called an etalon. Using a number of sophisticated design enhancements, it is possible to restrict the linewidth of a laser to less than 1 kHz, useful for scientific interferometric applications.
일부 고체 레이저는 수백 nm까지 확장되는 매우 넓은 대역폭을 가지고 있다. 가장 일반적인 예는 Ti:Sapphire 레이저이다. 단점이 있기보다는 이 넓은 대역폭으로 조정 가능하고 초고속 (펨토초 및 피코초 펄스 폭) 레이저를 설계 할 수 있다. 튜너블 CW 레이저 설계에는 공동에 여분의 필터링 소자 (대개 복굴절 (또는 Lyot) 필터 포함)가 포함된다. 복굴절 필터는 대역폭을 좁히고 필터를 회전하여 부드러운 튜닝을 허용한다. 이 같은 유형의 필터는 광대역 레이저가 특정 애플리케이션에 따라 사전 설정되어야 할 때 파장을 고정 값으로 고정시키는 공장에서 설정된 도구로도 사용된다. 이것은 일반적으로 5~10nm 작동 범위 내에서 원하는 파장으로 설정할 수 있는 OPSL (optical pumped semiconductor lasers)의 경우이다.
Some solid-state lasers have extremely broad bandwidths that extend to hundreds of nanometers. The most common example is the Ti:sapphire laser. Rather than being a disadvantage, this broad bandwidth enables the design of tunable and ultrafast (femtosecond and picosecond pulse width) lasers. Designing a tunable CW laser involves including an extra filtering element in the cavity – usually a birefringent (or Lyot) filter. A birefringent filter does two things: It narrows the bandwidth and, by rotating the filter, allows smooth tuning. This same type of filter is also used as a factory-set tool to lock the wavelength at a precise value, when broad-bandwidth lasers need to be preset at a specific application-dependent wavelength. This is typically the case with optically pumped semiconductor lasers (OPSLs) that can be set at the desired wavelength within their 5- to 10-nm operating range.
CW 레이저의 대부분의 적용분야는 특정 적용 분야에 따라 짧은 시간 (마이크로 초)뿐만 아니라 장시간 (몇 시간 또는 몇 주) 동안 가능한 한 안정적인 전원이 필요하다. 온도, 진동 및 레이저 자체의 노화와 같은 다양한 환경 상황에서도 이 안정성을 보장하기 위해 마이크로 프로세서 제어 루프가 구현된다. 예를 들어, 다이오드 펌핑 Nd 레이저는 공진기로부터 안정된 출력 전력을 유지하기 위해 펌프 다이오드의 온도 및 출력 전력을 조정하는 서보를 갖는다. 또한, 다른 서보가 공진기 미러의 완벽한 정렬을 제어 할 수 있다.
Most applications of CW lasers require that the power be as stable as possible over long time periods (hours or weeks), as well as over short time durations (microseconds), depending on the specific application. To ensure this stability also in the presence of varying environmental situations like temperature, vibration and the aging of the laser itself, microprocessor control loops are implemented. For example, a diode-pumped Nd laser will have servos to adjust temperature and output power of the pump diodes to maintain stable output power from the resonator. In addition, other servos may control the perfect alignment of the resonator mirrors.
펄스 레이저 Pulsed lasers
ArF 및 XeCl과 같은 할로겐이 함유된 희귀한 가스의 2차 다이머 (excimer)와 같은 일부 매질은 단 몇 나노초 만에 레이저 작용을 유지한다. Nd 또는 Yb 다이오드 펌핑 고체 상태 (DPSS) 레이저와 같은 다른 레이저는 CW 또는 펄스 작동 모두에서 작동 할 수 있다. 레이저 다이오드나 OPSL과 같은 다른 레이저는 펄스 작동에 전혀 적합하지 않다. 이 맥락에서 우리는 0.5에서 500nsec의 펄스를 생성하는 "펄스화" 레이저 장치로 정의한다. 이 체계는 시간 분해 과학 실험에 유용하지만, 특히 절삭 또는 비열 물질 변형과 관련된 광범위한 제조 공정에 유용한다. 나노초 펄스 레이저의 가장 중요한 특징은 에너지를 매우 빠르게 저장하고 방출하는 능력이다. 즉, 레이저 출력이 수십 KW에서 MW의 피크 전력을 달성 할 수 있도록 나노 세컨드 스케일에서 수행된다. 재질의 절삭 가공을 가능하게 하는 것은 바로 이 높은 피크 파워이다. 또한 높은 피크 파워는 여러 가지 소위 광학 비선형 프로세스를 가능하게 한다. 즉, 한 번에 하나 이상의 광자와 물질의 상호 작용에 의존하는 프로세스를 의미한다.
Some materials – like excited dimers (or “excimers”) of a noble gas with a halogen, such as ArF and XeCl – sustain laser action for only a brief period of several nanoseconds. Other lasers, like Nd or Yb diode-pumped solid-state (DPSS) lasers, lend themselves to be operated both in CW or pulsed operation. Other lasers, like laser diodes or OPSLs, are not suitable at all for pulsed operations. Within this context, we define as “pulsed” laser devices that produce pulses of 0.5 to 500 ns. This regime is useful for time-resolved scientific experiments but especially for a vast range of manufacturing processes related to ablation or some other type of nonthermal materials modification. The most important characteristic of a nanosecond-pulsed laser is the capability to “store” and release energy very rapidly; i.e., on a nanosecond scale so that the laser output can achieve tens of kilowatts to megawatts of peak power. It is precisely this high peak power that enables the ablative processing of materials. In addition, the high peak power enables a number of so-called optical nonlinear processes; i.e., processes that rely on the interaction of more than one photon at a time with matter.
나노초 펄스 레이저를 작동시키는 것은 CW 레이저를 작동시키는 것과 실질적으로 다르다. 각 펄스를 만들고 생성하기 위해, 빛은 레이저 공동에서 거의 왕복하지 못하는 시간을 가지며, 지금까지 설명한 부분 투과 미러를 기반으로 한 단순한 2 개의 미러 공간은 이러한 정력적인 짧은 펄스를 생성 할 수 없다. 이러한 에너지 펄스를 생성하는 열쇠는 레이저 이득 및 증폭 과정을 방지하여 레이저 매체의 원자 또는 분자에 펌프로부터 에너지를 저장하는 것이다. 그런 다음 저장된 에너지가 최대 일 때 레이저 동작이 신속하게 활성화된다. 저장된 에너지는 몇 번의 왕복 중 발생하는 극도로 높은 레이저 이득 (증폭)을 발생 시키며 거대한 펄스가 축적되어 커플링 된다 부분적으로 투과성 인 미러를 통과한다. 이 영역을 Q-스위치 작동이라고 하며, 미러 중 하나와 레이저 매체 사이에 광학 게이트가 있는 2 개의 미러 공동으로 개념화 할 수 있다 (그림 6). 게이트가 닫히고 레이저 매체가 펌핑되면, 광자는 공동에서 순환 할 수 없으며 원자의 여기가 증가한다. 게이트가 열리자 마자, 광자는 각 왕복 여행에서 매우 큰 이득으로 자극 방출을 통해 축적되기 시작한다. 그들 중 일부 (~ 20-40 %)는 부분적으로 투과적인 미러에 의해 결합된다. 결과적으로 1 ~ 200 ns의 일반적인 지속 시간을 갖는 매우 날카로운 상승 시간과 보다 느린 하강 시간을 갖는 펄스가 생성된다. 펄스 지속 시간은 몇 가지 매개 변수에 따라 달라 진다: 이득 매체의 유형과 저장할 수 있는 에너지의 양, 공동 길이, 펄스의 반복 속도 및 펌프 에너지. 가장 중요한 것들을 언급한다. 업계에서 일반적으로 사용되는 Q-스위치 레이저는 수십 또는 수백 와트의 평균 전력 및 10Hz 또는 200kHz의 높은 반복율을 생성 할 수 있다. 대부분의 산업 공정은 킬로 헤르츠에서 수십 킬로 헤르쯔 단위이다.
Operating a nanosecond-pulsed laser is substantially different from operating a CW laser. To build and produce each pulse, the light has time for very few round trips in the laser cavity, and the simple two-mirror cavity based on a partly transmissive mirror described so far cannot produce these energetic and short pulses. The key to producing these energetic pulses is storing energy from the pump in the atoms or molecules of the lasing medium by preventing the laser gain and the amplification process. Then, when the stored energy is at its maximum, lasing action is rapidly enabled: The stored energy results in an extremely high laser gain (amplification) that takes place during only a few round trips, during which a giant pulse builds up and gets coupled through the partly transmissive mirror. This regime is called Q-switched operation and can be conceptualized as a two-mirror cavity with an optical gate located between one of the mirrors and the laser medium (Figure 6). When the gate is closed and the laser medium is pumped, photons cannot circulate in the cavity, and the excitation of the atoms builds up; as soon as the gate is opened, photons start to build up via stimulated emission with a very large gain at each round trip; a fraction of them (~20-40%) get coupled by the partly transmissive mirror. The result is a pulse with a very sharp raising time and a slower falling time, with a typical duration of 1 to 200 ns. The pulse duration depends on several parameters: the type of gain medium and how much energy it can store, the cavity length, the repetition rate of the pulses and the pump energy, to mention the most important ones. Q-switched lasers commonly used in the industry can produce average powers up to tens or hundreds of watts and repetition rates as low as 10 Hz or as high as 200 kHz. Most industrial processes are in the kilohertz to tens-of-kilohertz regime.
Figure 6. 고체 상태 레이저에서 Q-스위치의 작동 원리를 보여주는 개략도 Schematic showing the operating principle of a Q-switch in a solid-state laser.
실제 Q-스위치 장치는 음향-광 변조기(AOM) 또는 전기 광학 변조기(EOM)이다. 양자 모두는 인가된 전기장이 결정의 광학 특성의 섭동을 생성하는 결정을 사용한다. AOM의 경우, 인가되는 전계는 고주파 음파를 결정 내에서 발생시키는 고주파 전압이다. 이 음파는 레이저에서 광자를 회절시켜 레이저 증폭을 중지한다. 대신 EOM은 결정 굴절률을 수정하고 들어오는 빛의 편광을 변경하는 높은 전압을 적용한다. 변경된 편광의 광이 순환하는 것을 방지하기 위해 공동 내에 편광 감응 광학기의 적절한 조합을 배치 할 수 있다.
The actual Q-switch device is an acousto-optical modulator(AOM) or an electro-optical modulator(EOM). Both use crystals where an applied electric field produces some perturbation of the optical properties of the crystal. In the case of AOM, the applied electric field is a radio-frequency voltage that produces a high-frequency sound wave in the crystal. This sound wave diffracts the photons from the laser and prevents laser amplification. EOMs instead use an applied high voltage that modifies the crystal refractive index and alters the polarization of the incoming light; an appropriate combination of polarization-sensitive optics can be placed in the cavity to prevent light of altered polarization from circulating.
엑시머 레이저와 같은 다른 유형의 레이저는 나노초 펄스를 생성하기 위해 Q-스위치를 필요로 하지 않고 과도 펌프 펄스에 의존한다. 엑시머 레이저 펄스는 강력하고 짧은 전기 방전으로 희가스/할로겐 혼합물을 여기시켜 생성된다. Ti: sapphire 레이저는 주파수가 2배로 증가된 Q-스위치 YAG 레이저에 의해 생성된 녹색 빛의 나노초 펄스로 펌핑되는 경우 나노초 펄스를 생성 할 수도 있다. 이 방법은 공동 손실보다는 공동 이득이 직접 변경되기 때문에 게인 전환이라고 한다.
Other types of lasers, such as excimer lasers, do not require a Q-switch to produce nanosecond pulses but rather rely on a transient pump pulse: Excimer laser pulses are produced by exciting the noble gas/halogen mixture with a powerful and short electric discharge. Ti:sapphire lasers can also produce nanosecond pulses if they are pumped with a nanosecond pulse of green light produced by a frequency-doubled, Q-switched YAG laser. This method is called gain switching because the cavity gain rather than the cavity loss is directly changed.
엄청난 수의 산업용 어플리케이션과는 별도로, Q-switched 레이저는 과학 연구에 중요한 응용 분야를 가지고 있다. 하나는 1~10 kHz에서 Q-switched Nd: YAG 또는 Nd: YLF의 주파수 배가 (녹색) 출력을 사용하여 Ti:sapphire 초고속 증폭기 (다음 절에서 설명 함)를 펌핑하는 것이다. 또 하나는 YAG 또는 YLF 레이저를 사용하여 1~100 Hz의 주울 범위에서 펄스 당 에너지를 생성한다. 이 레이저는 UV, 가시 광선 및 IR 영역에서 파장 가변 파장을 생성 할 수 있는 비선형 광 발생기와 함께 사용되어 시간 및 파장 분해 연구가 가능하다. 요즘 대부분의 YAG 또는 YLF 레이저는 >100Hz인 다이오드 펌핑 방식이지만, 고 에너지 10Hz 시스템은 다이오드가 고 에너지 출력 펄스를 생성하는 데 적당하지 않기 때문에 플래쉬 램프로 펌핑해야 한다.
Apart from a huge number of industrial applications, Q-switched lasers have important applications in scientific research. one is pumping of Ti:sapphire ultrafast amplifiers (described in the following section) by using the frequency-doubled (green) output of a Q-switched Nd:YAG or Nd:YLF at 1~10 kHz. Another one is using the YAG or YLF laser to produce energies per pulse in the joule range at 1~100 Hz. These lasers are often used with nonlinear optical generators that can produce tunable wavelengths in the UV, visible and IR region, enabling time- and wavelength-resolved studies. Nowadays most YAG or YLF lasers operating at >100 Hz are diode-pumped, while high-energy 10Hz systems require pumping with a flash lamp because diodes are not suitable for producing high-energy output pulses.
일부 과학적 어플리케이션의 경우 좁은 선폭의 Q-스위치 레이저를 사용하는 것이 바람 직 할 수 있다. 어떤 경우에는, 이것은 광학 격자 및 에탈론의 조합을 사용하여 달성 될 수 있다; 다른 경우에는 레이저가 고 전력 스테이지보다 제어하기 쉬운 저전력 CW 또는 Q-스위칭 좁은 선폭 레이저로 "시드"될 수 있다. "주입 시드 (injection seeding)"라고 하는 이 접근법은 MOPA (마스터 공진기, 전력 증폭기)를 사용하여 개념적으로 선폭 선택 및 고 전력 발생을 두 가지 목적으로 최적으로 설계된 두 단계로 분리한다.
For some scientific applications, it may be desirable to have a narrow-linewidth Q-switched laser. In some cases, this can be accomplished using a combination of optical gratings and etalons; in other cases, the laser can be “seeded” with a low-power CW or Q-switched narrow-linewidth laser that is easier to control than the higher-power stage. This approach, called “injection seeding,” uses a MOPA (master resonator, power amplifier), conceptually splitting the linewidth selection and the high-power generation into two stages that are optimally designed for the two purposes.
초고속 레이저 Ultrafast lasers
초고속 레이저는 일반적으로 5 fs에서 100ps (1 펨토초 = 10-15 초)의 범위에서 펄스를 생성하는 레이저로 정의된다.
CW 레이저는 많은 종 방향 모드를 생성 할 수 있다. 이러한 모든 모드가 위상 고정 (모드 잠금 통제) 될 수 있는 경우, 모든 모드의 광학 필드의 최종 겹침은 정재파가 아니라 오히려 공동 왕복으로 이격된 매우 짧은 펄스에 해당하는 분포가 된다. 이 모드 고정 시스템은 공동 내에서 앞뒤로 이동하는 단일 펄스를 발생시킨다. 이 펄스가 출력 커플러에 도달 할 때마다 레이저가 이 펄스의 일부를 방출한다. 펄스 반복 속도는 펄스가 공동 주위로 한 번의 이동을 하는 데 걸리는 시간에 의해 결정된다.
Ultrafast lasers are generally defined as lasers that produce pulses in the range of 5 fs to 100ps (1 femtosecond = 10−15 seconds). CW lasers can produce many longitudinal modes; if all these modes can be locked in phase (mode-locking regime), the resultant overlap of the optical field of all the modes will not be a standing wave but rather a distribution corresponding to very short pulses spaced by the cavity round trip. This mode-locked regime results in a single pulse traveling back and forth inside the cavity: Every time this pulse reaches the output coupler, the laser emits a part of this pulse. The pulse repetition rate is determined by the time it takes the pulse to make one trip around the cavity.
이들 모드를 함께 고정하는 개념을 이해하기 위해, 공진기 내의 특정 위치 (시간 함수)에서 모두 "0"(즉, 무효 전계)을 갖는 것으로 다양한 모드를 생각할 수 있다. 간섭하는 모드가 많을수록 펄스 지속 시간이 짧아진다 (그림 7). 더 큰 레이징 대역폭이 많은 수의 오실레이팅 모드를 지원하기 때문에 펄스 지속 시간은 레이저 게인 재료의 대역폭에 반비례한다. 이것은 왜 광범위하게 조율 가능한 레이저에 사용되는 매질이 최단 모드 잠금 펄스를 생성하는지 설명한다. 가장 인기 있는 초고속 레이저 소재는 넓은 대역폭과 넓은 튜닝 범위 덕분에 티타늄 도핑 사파이어 (또는 Ti:Sapphire) 이다. 상업용 턴키 Ti:Sapphire 레이저는 6~10 fs (10 × 10–15초)의 짧은 펄스를 제공 할 수 있다. Ti:Sapphire 레이저는 일반적으로 주파수가 2배로 증가한 OPSL 또는 Nd 기반 레이저인 녹색 파장 CW 레이저를 사용하여 보편적으로 펌핑되지만 파란색 또는 녹색 고출력 다이오드의 향후 가용성으로 인해 이러한 균형이 바뀔 수 있다.
To understand the concept of locking together these modes, one can think about the various modes as having a “zero” (i.e., null electric field), all at a certain position (function of time) in the resonator. It turns out that the more modes that interfere, the shorter the pulse duration (Figure 7). Since larger lasing bandwidths support a larger number of oscillating modes, the pulse duration is inversely proportional to the bandwidth of the laser gain material. This explains why materials used for broadly tunable lasers produce also the shortest mode-locked pulses. The most popular ultrafast laser material is titanium-doped sapphire or Ti:sapphire, thanks to its large bandwidth and broad tuning range; turnkey commercial Ti:sapphire lasers can deliver pulses as short as 6-10 fs (10 × 10–15 s). Ti:sapphire lasers are universally pumped using a green-wavelength CW pump laser, usually a frequency-doubled OPSL or Nd-based laser, but the future availability of blue or green high-power diodes may shift this balance.
Figure 7. 동일한 위치에 모두 "제로"를 갖는 매우 많은 수의 레이저 모드가 간섭을 일으키면 결과적으로 중첩되는 펄스가 매우 좁아진다. When a very large number of laser modes that all have a “zero” in the same position interfere, the resultant superposition is an extremely narrow pulse.
약 1.5 ~ 2m의 공동 길이에서 전형적인 반복 속도는 75 ~ 100MHz이며 평균 전력은 4 ~ 5W에 이를 수 있다. 100MHz에서 작동하는 모드 잠금 4W Ti:Sapphire 레이저의 피크 전력과 100fs 펄스를 발생시키는 것은 4 / (100 × 10-15 × 100 × 106) = 400kW이다.
With cavity lengths of about 1.5 to 2 m, typical repetition rates are 75-100 MHz, and the average power can reach 4 to 5 W. The peak power of a mode-locked 4-W Ti:sapphire laser operating at 100 MHz and producing 100-fs pulses is then 4/(100 × 10−15 × 100 × 106) = 400 kW.
분자 내에 화학 결합의 형성 및 해리보다 빠른 시간 척도와 같은 짧은 시간 척도로 사건을 일으킬 수 있는 다른 사람이 만든 근원은 없다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 또한, 이러한 레이저의 높은 피크 파워는 많은 비선형 프로세스의 생성을 가능하게 한다. 즉, 2 개, 3 개 또는 그 이상의 광자가 동시에 표적과 상호 작용하는 과정. 짧은 펄스 지속 시간과 높은 피크 파워 덕분에 1990 년대 펨토초 레이저의 출현으로 펨토 화학이나 비선형 광학 현미경과 같은 새로운 연구 영역이 탄생 한 과학의 진정한 혁명이 가능하게 되었다. 과학적 응용 이외에도, 피코 및 펨토초 레이저는 잔류 열 효과 및/또는 미크론 이하의 공간 규모 없이 절삭 또는 재질 변형이 필요한 산업 자재 가공 분야에 사용되고 있다.
It is important to note that there is simply no other man-made source that can produce events on such a short timescale, a timescale that is faster than the formation and dissociation of chemical bonds in molecules. Moreover, the high peak power of these lasers enables the generation of many nonlinear processes; that is, processes where two, three or more photons simultaneously interact with a target. Thanks to the short pulse duration and high peak power, the advent of femtosecond lasers in the 1990s enabled a true revolution in science that resulted in new areas of research as diverse as femto-chemistry or nonlinear optical microscopy. In addition to scientific applications, pico- and femtosecond lasers are now employed in industrial materials processing applications that require ablation or materials modification without any residual thermal effect and/or on a submicron spatial scale.
지난 몇 년 동안, 펨토초 등급 펄스를 생성 할 수 있는 새로운 레이저 매질이 등장했다. 이 레이저는 주로 다양한 호스트 결정 (YAG, KGW, KYW 등)의 Yb 원자를 기반으로 한다. Ti:Sapphire와 Yb 레이저 사이의 중요한 차이점 중 하나는 Yb 레이저는 ~ 100~200fs의 펄스를 생성하는 반면 Ti:sapphire는 10fs 미만을 달성 할 수 있다는 것이다. 두 번째로, Ti:Sapphire 레이저는 40 nm (680~1,080 nm)까지 조정 가능하며 Yb 레이저는 최대 1,040~1,060 nm 만 조정할 수 있다. 이것은 궁극적인 튜닝 범위와 짧은 펄스 지속 시간이 Ti:sapphire 레이저와 관련이 있음을 의미한다. 다른 한편, 직접 다이오드 펌핑 Yb 레이저의 단순성과 더 높은 평균 출력 (100W 초과)을 생산할 수 있는 능력으로 인해 산업용 애플리케이션이 레이저 유형에 가장 잘 대처할 수 있다.
In the past few years, new laser materials have emerged that can produce femtosecond-class pulses. These lasers are mostly based on Yb atoms in various host crystals (YAG, KGW, KYW, etc.). one important distinction between Ti:sapphire and Yb lasers is that Yb lasers are limited to producing pulses of ~100-200 fs, while Ti:sapphire can achieve <10 fs; secondly, Ti:sapphire lasers are tunable over as much as 400 nm (680-1080 nm), while Yb lasers can be tuned only over 10-20 nm at the most (1040-1060 nm). This means that ultimate tuning range and short pulse duration reside with Ti:sapphire lasers. on the other hand, the simplicity of directly diode-pumped Yb lasers and their capability to produce higher average powers (in excess of 100 W) means that industrial applications will be best addressed by the laser type.
또한 Yb는 초고속 파이버 레이저의 활성 매체로 사용하기에 적합한다. 이 레이저는 약 1mm 파장의 100fs ~ 10ps 펄스를 생산하는 통합 모드 잠금 메커니즘이 있는 다이오드 펌핑 광파이버를 사용하는 반면, Er 기반 광파이버 레이저는 약 1,550nm의 파장을 생성하며 현재 일반적인 통신 애플리케이션 용 광파이버 스테이플 중 하나이다.
Yb also lends itself for use as an active medium for ultrafast fiber lasers. These lasers use a diode-pumped optical fiber with an integrated mode-locking mechanism to produce 100-fs to 10-ps pulses with wavelengths around 1 mm, while fiber lasers based on Er produce wavelengths around 1550 nm and are now a common staple in optical fibers for telecom applications.
Figure 8. 처프 펄스 증폭기 (CPA)의 기본 소자 및 동작 The basic elements and operation of a chirped pulse amplifier (CPA).
모드 잠금 레이저는 높은 반복 속도와 1~100W의 평균 출력으로 펄스를 생성한다. 높은 반복 속도, 모드 잠금 지원이 필요, 펄스 당 에너지를 수십 또는 수백 nano-joule로 제한된다. 일부 (주로 과학적) 어플리케이션의 경우, 수백 와트 (페타 와트)까지의 최고 출력을 가진 밀리 주울 또는 주울 수준의 에너지를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 처프 펄스 증폭 (CPA)을 통해 달성 할 수 있다 (그림 8).
CPA는 모드 잠금 공진기를 첫 번째 빌딩 블록으로 사용하는 기술이다. 이 메가 헤르츠-반복 속도 공진기 (~ 20-100 fs)의 출력은 ~ 50-200 ps가 되도록 늘어난다. 이 50 - 200 ps 펄스 중 일부는 증폭 단계로 주입되며, 펄스는 millijoule 레벨로 증폭된다. 이 시점에서, 펄스는 일반적으로 EOM을 사용하여 증폭 단계에서 방출되고 30~100fs 이하의 원래 펄스 지속 시간에 가깝게 재 압축된다. "처프 (chirped)"라는 단어는 펄스가 높은 피크 파워에 의해 야기된 증폭기 스테이지의 광학 구성 소자에 대한 손상을 피하기 위해 더 긴 지속 기간으로 늘어난다는 사실을 의미한다. 물론 앰프는 증폭과 증폭을 유지하기 위해 광 펌핑이 필요하다. Ti:sapphire의 경우 대부분의 CPA 시스템은 1-10 kHz 또는 ~ 100 kHz에서 작동한다. 저 반복율 시스템은 Q-스위치 펌프 레이저에 의해 에너지가 공급되는 반면 높은 반복율의 레이저는 모드 잠금 Ti:Sapphire 레이저를 펌핑하는 데 사용되는 동일한 유형의 CW 녹색 펌프 레이저로 펌핑된다. Yb 시스템은 CPA 방식을 사용할 수도 있지만 다이오드 펌핑 때문에 Ti:Sapphire 시스템보다 더 높은 반복 속도 및 펄스 당 더 낮은 에너지에서의 작동에 더 적합하다.
Mode-locked lasers produce pulses at a high repetition rate and with average powers of 1-100 W which is the high repetition rate, necessary to support mode-locking, limits the energy per pulse to tens or hundreds of nanojoules. For some (mostly scientific) applications, it is desirable to have millijoule- or even joule-level energies with peak powers of hundreds of megawatts up to a petawatt. This can be achieved through chirped pulse amplification (CPA) (Figure 8).
CPA is a technique that uses a mode-locked resonator as a first building block. The output of this megahertz-repetition-rate resonator (~20-100 fs) is stretched to become ~50-200 ps. A fraction of these 50- to 200-ps pulses is injected into an amplification stage, where the pulses are amplified to the millijoule level. At this point, the pulses are ejected from the amplification stage, usually with an EOM, and become recompressed close to the original pulse duration of 30-100 fs or less. The word “chirped” refers to the fact that the pulses are stretched to longer duration to avoid damage to the optical components of the amplifier stage caused by the high peak power. The amplifier of course requires optical pumping to sustain gain and amplification; in the case of Ti:sapphire, most CPA systems operate at 1-10 kHz or ~100 kHz. The lower-repetition-rate systems are energized by a Q-switched pump laser, while the higher-repetition-rate ones are pumped by CW green pump lasers, of the same type used to pump a mode-locked Ti:sapphire laser. Yb systems can also use a CPA scheme but, because of the diode pumping, they are more suitable to operation at higher repetition rates and lower energy per pulse than Ti:sapphire systems.
모드 고정된 또 다른 뚜렷한 종류의 초고속 레이저가 산업용으로 개발되었다. 과학적 초고속 레이저는 일반적으로 펄스 지속 시간, 펄스 에너지 또는 반복 속도의 3가지 파라미터 중 적어도 하나에서 최첨단 성능을 제공하도록 설계되었다. 대조적으로, 산업용 초고속 레이저는 일반적으로 가능한 한 최저 비용으로 높은 작동 신뢰성을 제공하면서 실용적인 속도로 재질 처리를 가능하게 하는 이러한 특성 사이의 균형을 만들기 위해 고안되었다. 일반적으로 이러한 산업용 초고속 레이저의 펄스 폭은 10ps 범위이며 평균 출력은 약 10 ~ 100W이다.
Another distinct class of mode-locked, ultrafast lasers has been developed for industrial uses. Scientific ultrafast lasers are typically designed to deliver cutting-edge performance in at least one of three parameters: namely, pulse duration, pulse energy or repetition rate. In contrast, industrial ultrafast lasers are usually designed to produce a balance between these characteristics that enables materials processing at practical rates, while also delivering high operational reliability at the lowest possible cost. Typically, these industrial ultrafast lasers have pulse widths in the 10-ps range and average powers that range from about 10 up to 100 W.
주파수 2배 증폭 그리고 하모닉 생성 Frequency doubling and harmonic generation
상업적으로 이용 가능한 레이저의 폭 넓은 선택에도 불구하고, 특정 애플리케이션에 필요한 파장과 정확히 일치하는 레이저를 항상 찾아 낼 수 있는 것은 아니다. Ti:Sapphire 레이저는 광범위하게 조정할 수 있지만, 대부분의 경우 산업용 어플리케이션에는 너무 복잡하고 스펙트럼의 중요한 모든 UV 영역에 도달 할 수 없다. OPSL은 단순하고 920~1,160nm 영역의 많은 파장에서 설계 할 수 있지만 펄스 작동에는 이상적이지 않다. CW, 펄스 형 또는 초고속 - 거의 모든 동작 방식에서 원하는 파장을 얻기 위해 고조파 주파수 변환 및 파라메트릭 생성 프로세스는 지금까지 설명한 레이저와 함께 사용할 때 파장 유연성을 제공한다. 이 모든 과정은 레이저 피크 파워에 비선형 적으로 의존하기 때문에 비선형 현상이라고 불리며 이와 관련성이 있다. 즉, 레이저 출력의 제곱, 제3 또는 더 높은 출력 파워에 비례한다.
Even with the broad choice of commercially available lasers, it is not always possible to find one that exactly matches the wavelength required by a specific application. Ti:sapphire lasers are broadly tunable, but in most cases, they are too complex for industrial applications and unable to reach the all-important UV region of the spectrum. OPSLs are simple and can be designed at many wavelengths in the 920- to 1160-nm region but are not ideal for pulsed operation. To achieve the desired wavelength in just about any regime of operation – CW, pulsed or ultrafast – the processes of harmonic frequency conversion and parametric generation provide wavelength flexibility when used in conjunction with the lasers described so far. All these processes are related and are called nonlinear phenomena since they depend nonlinearly on the laser peak power. That is, they are proportional to the square, third or higher power of the laser output power.
간단한 용어로, 강하고 집중적으로 집속된 레이저 빔이 적합한 결정을 통과 할 때, 그 진동 전계는 여러 가지 방법으로 결정의 전자와 상호 작용한다. 이러한 메커니즘 중 하나는 결정 속의 전자 구름을 왜곡시켜 레이저 빔의 주파수와 동일한 주파수에서 원자를 분극 시키지만 그 주파수는 이중 (비선형 편광)이기도 한다. 이 주파수는 들어오는 레이저의 절반인 파장에 해당한다. 비선형 편광은 선형 항보다 훨씬 작지만 레이저 파워의 제곱에 따라 달라 지므로 강렬한 레이저 펄스가 존재할 때 더욱 강력하게 증가한다. 들어오는 레이저 파워의 일부가 원래 파장의 절반으로 변환된다 (2차 고조파 발생 (SHG) 또는 주파수 배증) (그림 9).
에너지가 보존되어야 하기 때문에 SHG 빔의 모든 이득은 원래 빔의 출력 감소와 교환된다. 경우에 따라 원래 ("기본") 빔을 두 번째 고조파로 거의 전체로 변환 할 수 있다. SHG의 일반적인 결정은 BBO, LBO 및 KDP이다. SHG의 가장 일반적인 예는 1,064nm에서 Nd 기반 레이저 IR 출력을 532nm (녹색)의 녹색 출력으로 변환하는 것으로 가장 널리 사용되는 가시 파장을 구성하며 Ti:sapphire 레이저를 펌핑하는 데 널리 사용된다.
In simple terms, when an intense and/or tightly focused laser beam passes through a suitable crystal, its oscillating electric field interacts with the electrons of the crystal in several ways. one of these mechanisms distorts the electron cloud in the crystal, thereby polarizing the atoms at a frequency that is the same as that of the laser beam, but also at a frequency that is its double (nonlinear polarization). This frequency corresponds to a wavelength that is half that of the incoming laser. The nonlinear polarization is much smaller than the linear term, but it depends on the square of the laser power, therefore increasing more strongly in the presence of an intense laser pulse. It generates an optical field at double the frequency of the original laser beam, with the result that part of the incoming laser power will be converted to half the original wavelength (second-harmonic generation (SHG) or frequency doubling) (Figure 9). Since energy has to be conserved, any gain in the SHG beam is traded for a decrease in power of the original beam. In some cases, it is possible to achieve an almost total conversion of the original (“fundamental”) beam into its second harmonic. Common crystals for SHG are BBO, LBO and KDP. The most common example of SHG is the conversion of a Nd-based laser IR output at 1064 nm into a green output at 532 nm (green), constituting the most popular visible wavelength, used ubiquitously to pump Ti:sapphire lasers.
Figure 9. 2차 고조파 생성 결정의 기본 기능 Basic functioning of a second-harmonic generating crystal.
효율적인 SHG는 "위상 정합 (phase matching)"이라는 조건에서만 달성 할 수 있다. 대부분의 조건에서 새 주파수의 빛은 원래의 주파수로 재 변환되어 손실되거나 위상이 추가되지 않아 상당한 전력을 생성한다. 이러한 어려움은 기본 및 2차 고조파 빛의 위상 속도가 동일한 소위 위상 정합 조건을 생성하는 결정 온도 및 방향을 선택함으로써 극복된다. 이것은 결정의 특정 전파 방향 (일반적으로 온도와 파장의 함수)을 선택하여 2개의 웨이브가 동일한 속도로 전파되도록 한다.
Efficient SHG can be achieved only under a condition called “phase matching.” Under most conditions, the light at the new frequency would be reconverted to the original frequency and lost or simply not added in phase to create any sizable power. This difficulty is overcome by choosing a crystal temperature and orientation that create the so-called phase-matching condition where the phase velocities of the fundamental and second-harmonic light are the same. This happens by choosing a specific direction of propagation (usually a function of temperature and wavelength) in the crystal such that the two waves propagate at the same velocity.
SHG 과정의 확장은 3차 고조파 발생 (THG)이며, 여기에서 입사 파장의 1/3 파장은 SHG 빔과 기본파의 상호 작용에 의해 생성된다. 4차 고조파 발생 (FHG)을 포함하며, 여기서 SHG 빔은 다시 주파수 배가된다. 이러한 모든 고조파 프로세스는 주파수 혼합으로 일반화 할 수 있다. 여기서는 서로 다른 파장의 2개의 일관성 빔을 혼합하여 합 주파수 및 차 주파수 (각각 SFG 및 DFG)를 생성한다.
Extensions of the SHG process are third-harmonic generation (THG), where the wavelength at one-third the incoming wavelength is created by the interaction of an SHG beam with its fundamental; and fourth-harmonic generation (FHG), where the SHG beam is frequency-doubled again. All of these harmonic processes can be generalized as frequency-mixing, where two coherent beams at different wavelengths are mixed to produce sum-frequency and difference-frequency generation (SFG and DFG, respectively).
고조파 생성은 CW, 펄스 및 초고속 레이저에 적용 할 수 있어 사용 가능한 파장 범위가 크게 확대된다. 펄스 또는 초고속 레이저는 고조파 수정을 통한 단일 패스에서 상대적으로 높은 변환 효율을 달성하기에 충분한 피크 전력 (킬로와트 범위)을 갖다. 반면 CW 레이저는 일반적으로 효율적인 고조파 생성을 위한 충분한 전력을 생성하지 않으므로 레이저 공동 내부에 비선형 크리스털 ("공동 이중화")을 넣거나 공동 광고를 작성하여 크리스탈의 전력을 높여야 한다 원래의 CW 레이저 공동의 모드와 일치하는 수정 ("공진 이중화") 주위에 있다.
Harmonic generation can be applied to CW, pulsed and ultrafast lasers, greatly expanding the range of available wavelengths. Pulsed or ultrafast lasers have enough peak power (kilowatt range) to achieve relatively high conversion efficiency in a single pass through the harmonic crystal. on the other hand, CW lasers usually do not produce sufficient power for efficient harmonic generation, so that the power in the crystal has to be enhanced by putting the nonlinear crystal inside the laser cavity (“intracavity doubling”), or building a cavity ad hoc around the crystal (“resonant doubling”) that matches the modes of the original CW laser cavity.
광학 파라메트릭 생성 Optical parametric generation
이전 섹션에서 설명한 SFM 프로세스에서 서로 다른 주파수의 두 광자가 상호 작용하여 2개 초기 주파수의 합인 주파수에서 단일 광자를 생성한다. 반대의 과정도 가능하다. 단일 광자가 적절한 결정과 상호 작용하고 사라지면서 더 낮고 다른 광자 ("비 퇴행" 에너지)를 생성한다. 광학 파라메트릭 생성 (optical parametric generation)이라고 하는 이 과정은 에너지 및 운동량의 보존과 비선형 결정 굴절률 n에 의해 전적으로 결합 된 2개의 새로운 파장 가변 파장을 생성하므로 유용하다.
In the SFM process described in the previous section, two photons at different frequencies interact to produce a single photon at a frequency that is the sum of the two initial frequencies. The opposite process is also possible: A single photon interacts with a suitable crystal and disappears, creating two photons of lower and different (called “nondegenerate”) energies. This process, called optical parametric generation, is useful because it results in the generation of two new tunable wavelengths, bound solely by the conservation of energy and momentum, and by the nonlinear crystal refractive indices n:
νp = νs + νi
1/(npλp) = 1/(nsλs) + 1/(niλi)
첨자 p, s 및 i는 펌프 파장과 (역사적인 이유로) "신호" 및 "아이들러" 라고 불리는 2개의 새로운 파장을 나타내며, 신호 파장은 2파장 중 더 짧고 2파장은 모두 펌프 파장이다. 위상 정합은 3개의 파장 (np, ns 및 np)의 굴절률이 결정에서 상기 운동량 보존 방정식을 만족할 때 발생한다. 이는 원하는 신호 또는 공전 파장에서 위상 정합이 발생하도록 결정의 온도 또는 각도 또는 펌프 파장 (펌프 레이저가 조정 가능한 경우)을 변경하여 수행 할 수 있다.
The subscripts p, s and i refer to the pump wavelength and to the two new wavelengths that are called (for historical reasons) “signal” and “idler,” with the signal wavelengths being the shorter of the two and both being longer than the pump wavelength. Phase matching takes place when the refractive indices of the three wavelengths np, ns and np satisfy the above momentum conservation equation in the crystal. This can be accomplished by changing the temperature or angle of the crystal, or the pump wavelength (if the pump laser is tunable) so that phase matching takes place at the desired signal or idler wavelength.
SHG 빔의 파장은 펌프 파장에 의해 명백하게 결정되지만, OPG 프로세스는 무한대의 파장 쌍을 생성 할 수 있다. 원하는 파장 쌍의 증폭은 결정에서의 위상 매칭 뿐만 아니라 파장 쌍의 통계적 분포의 잡음으로부터 프로세스를 "점프 스타트"하는 것을 요구한다. 이는 정확히 광 매개 공진기 (OPO) 또는 광 파라 메트릭 증폭기 (OPA)에서 발생한다. 둘 다 첨단 레이저 액세서리는 중간 UV에서 중간 IR까지 튜닝 가능한 출력을 생성 할 수 있다.
While the wavelength of an SHG beam is unambiguously determined by the pump wavelength, the OPG process can generate an infinite set of wavelength pairs. Amplification of the desired wavelength pair requires not only phase matching in the crystal but also “jump starting” the process from the noise of the statistical distribution of wavelength pairs. This is exactly what happens in an optical parametric resonator (OPO) or an optical parametric amplifier (OPA), both advanced laser accessories able to produce tunable outputs anywhere from the mid-UV to the mid-IR.
OPO에서, 신호 및 가능하면 펌프는 레이저와 같은 공동에서 공진되며, 여기에서 원하는 신호 파장은 잡음 (신호 / 공전 쌍의 무작위 분포)에서 시작하여 다음과 같이 적절하게 위상 정합 된 결정을 통과하여 증폭된다. 그 파장은 각 라운드 트립 동안 펌프와 동시에 나타납니다 (그림 10). OPA에서 사파이어 또는 YAG 디스크는 펌핑되어 상대적으로 밝은 흰색 광선을 생성한다. 이름에서 알 수 있듯이 가시 광선 및 근적외선 스펙트럼의 모든 파장을 포함한다. 크리스탈이 펌프 레이저에 의해 펌핑 될 때 OPA 크리스탈에서 위상 정합 된 고유 한 파장 쌍이 증폭된다.
In an OPO, the signal and possibly the pump are resonated in a laser-like cavity, where the desired signal wavelength starts from the noise (random distribution of signal/idler pairs) and is amplified by passing through the crystal properly phase-matched for that wavelength at the same time as the pump during each round trip (Figure 10). In an OPA, a sapphire or YAG disk is pumped to produce a relatively bright beam of white light that, as the name suggests, contains all the wavelengths of the visible and near-IR spectrum. The unique wavelength pair that is phase-matched in the OPA crystal will then be amplified when the crystal is pumped by the pump laser.
Figure 10. 광학 파라메트릭 공진기 (optical parametric resonator, OPO)는 입력 광자를 보다 낮은 에너지를 갖는 2개의 광자로 변환하고 입력의 에너지 및 운동량을 보존한다. An optical parametric resonator (OPO) converts an input photon into two photons having lower energy, and which conserve the energy and momentum of the input.
나노, 피코 및 펨토초 OPO는 펄스 및 초고속 펌프 레이저와 함께 구현되는 복잡한 장치이다. CW OPO는 더 복잡하지는 않지만 동일하게 적용된다. OPA는 설계 및 제작이 더 쉽지만 결정 내에서 백색광 및 원 패스 증폭을 생성하기 위해보다 강력한 펌프가 필요하다. 이러한 이유로, 이들은 적어도 몇 개의 마이크로 주울을 생성하는 CPA 피코 또는 펨토초 증폭기로 펌핑된다. 하나 이상의 고조파 발생 및 믹싱 단계의 OPA / OPO에 대한 추가는 200nm 내지 20㎛를 커버 할 수 있는 파장 범위를 산출한다.
Nano-, pico- and femtosecond OPOs are complex devices that are implemented in conjunction with pulsed and ultrafast pump lasers. CW OPOs are equally, if not more, complex. OPAs are easier to design and build but require a more energetic pump to produce the white light and one-pass amplification in the crystal. For this reason, they are pumped by CPA pico- or femtosecond amplifiers producing at least several microjoules. The addition to an OPA/OPO of one or more stages of harmonic generations and mixing yields a range of wavelengths that can cover 200 nm to 20 µm.
보편적인 레이저 형태 Common laser types
수년 동안 가장 보편적인 CW 레이저는 헬륨 네온 레이저 (또는 HeNe) 였다. 이 저전력 레이저 (수 밀리 와트)는 방전을 사용하여 유리관에 저압 플라즈마를 생성한다. 거의 모두 633nm에서 빨간색으로 방출된다. 최근 몇 년 동안 HeNe 애플리케이션의 대부분은 가시적인 레이저 다이오드로 전환되었다. 일반적인 적용분야에는 바코드 판독기, 건설 및 목재 산업의 정렬 작업, 의료 수술부터 고 에너지 물리학에 이르는 다양한 조준 및 포인팅 적용분야가 포함된다.
For many years, the most common CW laser was the helium neon laser (or HeNe). These low-power lasers (a few milliwatts) use an electric discharge to create a low-pressure plasma in a glass tube; nearly all emit in the red at 633 nm. In recent years, the majority of HeNe applications have switched to visible laser diodes. Typical applications include bar-code readers, alignment tasks in the construction and lumber industries, and a host of sighting and pointing applications ranging from medical surgery to high-energy physics.
사실, 레이저 다이오드는 통신 및 데이터 저장 장치 (예: DVD, CD) 전반에 걸쳐 가장 많이 사용되는 레이저 유형이 되었다. 레이저 다이오드에서, 전류 흐름은 p-n 접합부에서 전하 캐리어 (전자 및 정공)를 생성한다. 이들은 결합하여 자극 방출을 통해 빛을 방출한다. 레이저 다이오드는 최대 수십 와트의 출력을 가진 단일 이미 터 및 다수의 개별 이미터가 있는 모 놀리 식 선형 바를 사용할 수 있다. 이 막대는 총 출력이 킬로와트 범위의 2차원 어레이로 조립 될 수 있다. 이들은 소위 다이렉트 다이오드 어플리케이션을 위해 CW 및 펄스 작동 모두에 사용된다. 그러나 더 중요한 것은, 레이저 다이오드가 초기의 전기-광 전력 변환을 수행하는 광 펌프로 사용되는 많은 다른 유형의 레이저를 지원한다는 것이다.
In fact, the laser diode has become by far the most common laser type, with truly massive use throughout telecommunications and data storage (e.g., DVDs, CDs). In a laser diode, current flow creates charge carriers (electrons and holes) in a p-n junction. These combine and emit light through stimulated emission. Laser diodes are available as single emitters with powers up to tens of watts, and as monolithic linear bars with numerous individual emitters. These bars can be assembled into 2-D arrays with total output powers in the kilowatt range. They are used in both CW and pulsed operation for so-called direct diode applications. But even more importantly, laser diodes now underpin many other types of lasers, where they are used as optical pumps that perform the initial electrical-to-optical power conversion.
예를 들어, 고 전력 가시 및 자외선 CW 애플리케이션은 원래 아르곤 이온 및 크립톤 이온 레이저에 의해 지원되었다. 고-전류에서 작동하는 플라즈마 방전관을 기반으로 한, 이러한 기상 레이저는 크고 비효율적이어서 많은 양의 열을 발생시켜 적극적으로 소산해야 한다. 튜브는 또한 유한 수명을 가지므로 비용이 많이 드는 소모품이다. 이전의 대부분의 어플리케이션에서, 청색 또는 녹색 파장에서 방출하는 이온 레이저는 DPSS 레이저에 의해 대체되었다. 여기서, 이득 매체는 하나 이상의 레이저 다이오드에 의해 펌핑되는 네오디뮴-도핑 된 결정 (보통 Nd: YAG 또는 Nd: YVO4)이다. 1,064nm의 근적외선 근본은 내부 공동 배증 결정을 사용하여 녹색 532nm 출력으로 변환된다.
For example, higher-power visible and UV CW applications were originally supported by argon-ion and krypton-ion lasers. Based on a plasma discharge tube operating at high current, these gas-phase lasers are large and inefficient, generating a large amount of heat that must be actively dissipated. The tube also has a finite lifetime and thus represents a costly consumable. In most former applications, the ion laser emitting at blue or green wavelengths was displaced by DPSS lasers. Here, the gain medium is a neodymium-doped crystal (usually Nd:YAG or Nd:YVO4) pumped by one or more laser diodes. The near-IR fundamental at 1,064 nm is then converted to green 532nm output with the use of an intra-cavity doubling crystal.
DPSS 레이저는 몇 가지 최신 기술로 인해 어려움을 겪었으며 OPSL은 이러한 기술 중 가장 성공적이었다. 여기서 이득 매체는 하나 이상의 레이저 다이오드로 펌핑되는 대 면적 반도체 레이저이다. OPSL은 파장 및 파워 확장성과 같은 많은 이점을 제공한다. 특히, 제한된 레거시 파장 선택 (즉, 아르곤 이온 레이저로부터의 488 및 514nm 및 주파수 이중화 YAG 레이저로부터의 532nm)의 제한으로부터 실질적으로 임의의 가시 파장에서 작동하도록 설계 될 수 있으며, 사실, OPSL은 응용 프로그램의 요구 사항에 맞게 설계 될 수 있기 때문에 레이저의 패러다임 변화를 나타낸다.
The DPSS laser, in turn, has been challenged by several newer technologies, with the OPSL the most successful of these. Here the gain medium is a large-area semiconductor laser that is pumped by one or more laser diodes. The OPSL offers numerous advantages, most notably wavelength and power scalability. Specifically, these lasers can be designed to operate at virtually any visible wavelength, at last freeing applications from the restrictions of limited legacy-wavelength choices (i.e., 488 and 514 nm from argon-ion lasers and 532 nm from frequency-doubled YAG lasers). Indeed, OPSLs represent a paradigm shift in lasers because they can be designed for the needs of the application instead of vice versa.
OPSL은 현재 저전력 생체 계측 응용 분야의 선도적인 기술이며, 특히 488nm; OPSL 기술의 출력 확장 성 및 고유의 저 노이즈는 이제 과학 연구, 법의학, 안과 및 조명 쇼를 포함하여 다른 애플리케이션으로 강력하게 이동하는 멀티-와트 녹색 및 노란색 OPSL을 보고 있다.
OPSL is now a leading technology in low-power bioinstrumentation applications, most notably at 488 nm; the power scalability and inherent low noise of OPSL technology is now seeing multi-watt green and yellow OPSLs moving strongly into other applications, including scientific research, forensics, ophthalmology and light shows.
YAG 및 기타 네오디뮴 수정 호스트가 CW에서 작동하는 동안, Q-스위치 및 모드 잠금 작동, 레이저 다이오드, OPSL 및 이온 레이저는 Q-스위치 작동을 지원하지 않으며 사실상 모드 고정 범주에 사용되지 않는다.
While YAG and other neodymium crystal hosts lend themselves to operation in CW, Q-switched and mode-locked operations, laser diodes, OPSL and ion lasers do not support Q-switched operation and are virtually not used in mode-locked regime.
더 긴 파장에서, 플라즈마 방전 기술을 사용하는 이산화탄소 (CO2) 레이저는 약 10μm의 중 적외선에서 방출된다. 대부분 CW 또는 의사 CW이며, 상업적 출력은 수 와트에서 수 KW이다.
비슷한 기술은 1960년대에 처음 개발된 일산화탄소 (CO) 레이저이지만, 2015년에는 산업용으로만 실용화되었다. CO 레이저는 5~6μm 스펙트럼 범위에서 방출된다. 이보다 짧은 파장의 중간 적외선 출력은 CO2 레이저에 비해 일부 응용 분야에서 두 가지 중요한 이점을 제공한다.
첫 번째는 많은 금속, 필름, 폴리머, PCB 유전체, 세라믹 및 복합 재료가 단파장에서 현저하게 다른 흡수를 보임으로써 때로는 장점으로 활용 될 수 있다는 것이다.
두 번째는 파장과 선형으로 비례하는 회절로 인해 더 작은 스폿 크기에 초점을 맞출 수 있다는 것이다.
이러한 특성들은 CO 레이저가 일부 유리 가공, 필름 절단 및 세라믹 스크라이빙 분야에서 우수한 결과를 제공 할 수 있게 한다.
At longer wavelengths, carbon dioxide (CO2) lasers, which use plasma discharge technology, emit in the mid-infrared around 10 µm. Most are CW or pseudo-CW, with commercial output powers from a few watts to several kilowatts. A similar technology is the carbon monoxide (CO) laser, which was originally developed in the 1960s, but only made truly practical for industrial use in 2015. CO lasers emit in the 5 to 6 µm spectral range. This shorter wavelength, mid-infrared output offers two important advantages for some applications as compared to CO2 lasers. The first is that many metals, films, polymers, PCB dielectrics, ceramics and composites exhibit significantly different absorption at the shorter wavelength, which can sometimes be exploited to advantage. The second is that they can be focused to smaller spot sizes due to diffraction, which scales linearly with wavelength. Together, these characteristics enable the CO laser to deliver superior results in some glass processing, film cutting and ceramic scribing applications.
또 다른 중요한 기술은 CW, Q-스위치 및 모드 잠금 형식으로 작동 할 수 있는 파이버 레이저이다. 여기서 레이저 다이오드는 일반적으로 약 1μm에서 방출되는 희토류가 도핑된 파이버를 광학적으로 펌핑한다.
Another important technology is the fiber laser, which can be operated in CW, Q-switched and mode-locked formats. Here, laser diodes optically pump a rare-earth doped fiber, which typically emits at about 1μm.
Nd: YAG, CO2, 광파이버 및 다이렉트 다이오드 레이저는 산업용 레이저 응용 분야의 일꾼이다. 직접 다이오드 레이저는 열처리, 클래딩 및 일부 용접 응용 프로그램과 같이 저 휘도 응용 분야에 주로 사용된다. 이는 직접 다이오드 레이저가 높은 전기 효율로 인해 가장 낮은 운영 비용뿐만 아니라 모든 산업 레이저 유형 중 가장 낮은 자본 비용을 제공하기 때문이다. 단점이라면, 고출력 레이저 다이오드 또는 어레이는 다른 레이저 유형에 의해 제공되는 회절-제한 빔에 가까운 것을 제공 할 수 없다는 것이다.
Nd:YAG, CO2, fiber and direct diode lasers are the workhorses of industrial laser applications. Direct diode lasers predominantly service low-brightness applications, such as heat treating, cladding and some welding applications. This is because direct diode lasers offer the lowest capital cost of any industrial laser type, as well as the lowest operating costs, due to their high electrical efficiency. on the downside, high-power laser diodes or arrays cannot deliver anything close to the diffraction-limited beam provided by other laser types.
슬랩-방전 기술의 출현으로 CO2 레이저의 크기 : 파워 비율이 크게 축소되어 서브 킬로와트 응용 분야에서의 유용성이 증가했다. 저 비용 도파로 설계는 주로 마킹 및 조각 응용 분야에서 수십 와트의 출력을 가진 CO2 레이저의 건재한 시장을 지원한다.
The advent of slab-discharge technology has allowed the size:power ratio of CO2 lasers to be greatly scaled down, increasing their utility in sub-kilowatt applications. Low-cost waveguide designs also support a healthy market for CO2 lasers with powers in the tens of watts, primarily in marking and engraving applications.
밀폐된 CO2 레이저와 파이버 레이저는 2~4mm 두께 범위의 금속 절단을 지배하게 되었다. 봉인된 CO2는 일반적으로 금속과 비금속을 모두 처리해야 하는 첫 번째 선택인 반면, 파이버 레이저는 높은 반복률, 낮은 펄스 에너지 및 높은 밝기가 결합된 특정 시장에서 큰 성공을 거두었다. 또한 4~6mm 두께 범위의 금속 절단 및 용접은 물론 일부 마킹 응용 분야에서도 탁월하다. 흐르는 가스 CO2 레이저는 여전히 두꺼운 금속 절단 (> 6 mm) 시장을 장악하고 있다.
Sealed CO2 lasers and fiber lasers have come to dominate metal cutting in the 2- to 4-mm thickness range. Sealed CO2 is usually the first choice when both metals and nonmetals must be processed, while fiber lasers have proved quite successful in certain markets that can benefit from their combination of high repetition rate, low pulse energy and high brightness. They also excel at metal cutting and welding in the 4- to 6-mm thickness range, as well as some marking applications. Flowing gas CO2 lasers still dominate the market for cutting thick metal (>6 mm).
Nd: YAG는 금속 용접과 같은 재료 가공 분야에 높은 피크 전력을 제공 할 수 있다. 이러한 중공업 산업 분야에서 원시 전력은 빔 품질보다 중요하며, 수년 동안, 이 레이저는 램프로 펌핑 되었다. 그러나 계속 증가하는 레이저 다이오드의 출력 및 수명 특성으로 인해 이러한 레이저는 다이오드 펌핑으로 전환되고 있다. 즉 DPSS 레이저이다.
Nd:YAG can deliver the high peak power for materials processing applications such as metal welding. In these heavy industrial applications, raw power is more important than beam quality, and for many years, these lasers were lamp-pumped. But the ever-increasing power and lifetime characteristics of laser diodes are causing these lasers to switch to diode pumping; i.e., DPSS lasers.
반대로, 저전력 Q-스위치 DPSS 레이저는 종종 Nd: YVO4를 기반으로 한다. 이들은 일반적으로 고 처리량 공정을 지원하기 위해 높은 반복 속도 (최대 250 kHz)로 마이크로 머시닝 및 마이크로 구조화 어플리케이션을 위한 하이 빔 품질에 최적화 되어 있다. 그들은 근적외선 (1,064 nm), 녹색 (532 nm) 또는 UV (355 nm) 출력을 선택할 수 있는 수십 와트의 출력을 제공한다. 자외선은 작은 지점에 집중되어 주변 열 손상을 최소화 할 수 있기 때문에 "섬세한" 재질로 작은 피쳐를 생성하는 데 널리 사용된다. 일부 응용 분야에서는 Deep-UV (266 nm) 버전이 사용되기 시작했지만 상대적으로 높은 비용과 특수 광선 전달 광학에 대한 필요성 때문에 짧은 펄스 기간 동안 최적화 된 355nm 레이저에 많은 응용 프로그램이 의존하게 된다. 많은 재질에서 유사한 결과를 산출한다.
Conversely, lower-power Q-switched DPSS lasers are often based on Nd:YVO4. These are usually optimized for high beam quality for micromachining and micro-structuring applications with high repetition rates (up to 250 kHz) to support high throughput processes. They are available with powers up to tens of watts with a choice of near-IR (1064 nm), green (532 nm) or UV (355 nm) output. The UV is popular for producing small features in “delicate” materials because it can be focused to a small spot and minimizes peripheral thermal damage. Deep-UV (266 nm) versions are starting to be used in some applications, but their relatively high cost and the need for specialty beam delivery optics causes many potential applications to rely instead on 355-nm lasers optimized for short pulse duration, which can produce similar results in many materials.
엑시머는 또 다른 중요한 펄스 레이저 기술이다. 그들은 UV 전체에 걸쳐 여러 가지 이산 파장을 생성 할 수 있다. 가스 조합에 따라, 방출 파장은 157 ~ 348nm의 범위이다. 193nm의 deep-UV 라인은 반도체 산업에서 리소그래피 프로세스에 가장 널리 사용되는 소스이다. 308nm 파장은 고성능 디스플레이에서 실리콘을 어닐링하는 데 사용된다. 동일한 파장은 또한 고성능 디젤 엔진의 실린더 라이너에 독특한 장시간 마모 표면을 처리하는 데 중요하다. 마지막으로 엑시머는 최대 1 주울/펄스 까지 높은 펄스 에너지를 생성 할 수 있는 독창적인 기능을 갖추고 있다. 이를 통해 의료용 일회용품과 같은 애플리케이션에 낮은 비용으로 전자 회로를 직접 작성(direct writing) 할 수 있다.
Excimers represent another important pulsed laser technology. They can produce several discrete wavelengths throughout the UV; depending on the gas combination, emission ranges from 157 to 348 nm. The deep-UV line at 193 nm is the most widely used source for lithography processes in the semiconductor industry. The 308-nm wavelength is used for annealing silicon in high-performance displays. The same wavelength is also a key to generating a unique long-wear surface on the cylinder liners of high-performance diesel engines. And finally, excimers have a unique ability to produce high pulse energies – up to one joule per pulse. This enables direct writing of low-cost electronic circuits for applications such as medical disposables.
과학적 응용을 위한 초고속 레이저는 이미 설명한 Ti:sapphire에 의해 지배된다. 초고속 레이저는 초 미세 가공 및 기타 고정밀 소재 가공 분야에서 빠르게 성장하는 기술이다. 시중에서 구할 수 있는 산업용 초고속 레이저의 형태와 구조에는 다양성이 존재하지만, 모두 특정 기본 구성을 사용한다. 특히 수동형 모드 고정 공진기는 광 절제를 구동하는 데 필요한 약 10ps 이하의 펄스 폭에서 출력을 생성하는 데 사용된다. 그러나 대부분의 모드 고정 공진기는 수십 MHz의 반복 속도로 상대적으로 낮은 에너지 펄스 (나노 주울 범위)를 생성한다. 펄스 간 겹침이 50~70% 범위에 있을 때, 마이크로 머시닝에 대한 최상의 결과를 얻을 수 있다. 즉, 빔 편향 메커니즘은 다음 초고속 펄스가 도달하기 전에 빔 직경의 약 1/3만큼 빔을 이동시킨다. 결과적으로, 수십 MHz의 범위에서 반복 속도가 너무 높아서 기존의 스캐닝 기술과 함께 사용할 수 없으므로 펄스 선택기가 이러한 펄스의 일부를 선택한다. 이 펄스의 에너지는 앰프에서 증폭되어 최종 출력을 생성한다.
Ultrafast lasers for scientific applications are dominated by Ti:sapphire, as already described. Ultrafast lasers are also a fast-growing technology for micromachining and other high-precision materials processing applications. While there is some diversity in the form and construction of commercially available industrial ultrafast lasers, they all utilize a certain basic configuration. Specifically, a passively mode-locked resonator is used to generate output at the pulse widths of about 10 ps or shorter that are necessary to drive photo-ablation. However, most mode-locked resonators produce relatively low energy pulses (in the nanojoule range) at repetition rates in the tens of megahertz. Best results for micromachining are achieved when the pulse-to-pulse overlap is in the range of 50 to 70 percent. In other words, the beam deflection mechanism moves the beam about one-third of the beam diameter before the arrival of the next ultrafast pulse. Consequently, a repetition rate in the range of tens of megahertz is too high to be used with existing scanning technology, so a pulse picker selects a fraction of these pulses. The energy of these pulses is then boosted in an amplifier to produce the final output.
대부분의 상용 피코초 제품은 다음 아키텍처 중 하나를 기반으로 한다.
• 광파이버 레이저 공진기 다음에 광파이버 또는 로드 유형 증폭기가 뒤 따른다.
• 광파이버 레이저 공진기 다음에 자유 공간 증폭기
• 다이오드 펌핑 고체 상태 공진기와 자유 공간 증폭기
Most commercial picosecond products are based on one of the following architectures:
• A fiber laser resonator followed by a fiber- or rod-type amplifier
• A fiber laser resonator followed by a free-space amplifier
• A diode-pumped solid-state resonator followed by a free-space amplifier
모든 파이버 (공진기 및 증폭기) 방식은 상대적으로 저렴한 비용이라는 장점이 있으며, 견고 할 수 있는 잠재력이 있다. 큰 부정적인 점은 광 증폭기의 비선형 성, 산란 및 기타 효과가 약 10μJ (10ps 펄스 폭에서)로 달성 할 수 있는 최대 펄스 당 에너지를 제한한다는 것이다. 이 수준의 펄스 에너지는 일부 애플리케이션에 적합하지만, 100μJ 범위의 펄스 에너지로 많은 수의 애플리케이션이 제공된다. 특수 파이버를 사용하여 파이버 내부의 모드를 증가시키고 더 큰 펄스 에너지를 허용 할 수 있지만, 이러한 파이버는 제한된 굴곡 반경을 초래하므로 자체 포장 한계를 초래한다.
The all-fiber (resonator and amplifier) approach has the advantage of being relatively low cost and holds the potential of being robust. The big negative is that nonlinearities, scattering and other effects in the fiber amplifier limit the maximum per-pulse energy that can be attained to about 10 µJ (at a 10-ps pulse width). This level of pulse energy can cater to some applications, but a large number of applications are served with pulse energies in the 100-µJ range. one can use specialty fibers to increase the mode inside the fiber and thereby allow for larger pulse energies, but such fibers lead to limited bend radii and hence bring their own packaging limitations.
대부분의 어플리케이션에 필요한 더 높은 펄스 에너지를 얻기 위해, 파이버 공진기는 자유 공간 증폭기와 결합 될 수 있다. 파이버 시드 (fiber seed)로부터의 상대적으로 낮은 에너지 출력 때문에, 재생 증폭기 (regenerative amplifier)가 종종 사용된다. 재생 증폭기에서, 펄스는 많은 수의 패스를 거치므로 실질적으로 증폭 될 수 있다. 재생 앰프는 소형이며 우수한 빔 성능을 제공한다는 장점이 있다.
To achieve the higher pulse energies required for most applications, a fiber resonator can be mated with a free-space amplifier. Because of the relatively low energy output from the fiber seed, a regenerative amplifier is often used. In a regenerative amplifier, a pulse undergoes a large number of passes and can therefore be amplified substantially. Regenerative amplifiers also have the advantage of being compact and delivering good beam performance.
세 번째 접근법은 파이버 시드 보다 더 높은 펄스 에너지를 생성 할 수 있는 다이오드 펌핑 고체 상태 공진기 (일반적으로 이득 매질로 Nd: YVO4 포함)를 사용하는 것이다. 그 다음에는 일반적으로 재생성 또는 다중 경로 구성의 자유 공간 증폭기가 뒤 따른다. 사실, 하나 이상의 앰프 스테이지가 100W의 높은 레벨까지 전력을 높일 수 있다.
The third approach is to use a diode-pumped solid-state resonator (usually with Nd:YVO4 as the gain medium), which can produce higher pulse energies than a fiber seed. This is followed by a free-space amplifier, typically in either a regenerative or multi-pass configuration. In fact, more than one amplifier stage can boost power to levels as high as 100 W.
그리고 마지막으로 이 개요 기사의 범위를 벗어나는 많은 다른 유형의 틈새 시장과 이국적인 레이저가 존재한다. 예를 들어 통신에 사용되는 라만 레이저, 일부 가스 감지 응용 분야에 사용되는 양자 캐스케이드 레이저 및 군사용 적용에 국한되는 경향이 있는 화학 레이저가 있다.
And finally, many other types of niche and exotic lasers exist that are beyond the coverage of this overview article. Examples include Raman lasers used in telecommunications, quantum cascade lasers used in some gas-sensing applications, and chemical lasers, which tend to be limited to military programs.
용어 설명 GLOSSARY
레이저 공동 Laser cavity
장치로부터 방출되기 전에 방사선의 이득 길이를 증가 시키도록 의도된 광학 감금 수단. 이득 경로 길이를 증가 시키는데 사용되는 광 구속 수단은 레이저 매체 내에 요구되는 빔의 특성에 따라 변한다. 레이저 공동 내에는 높은 광 강도가 발생하고 레이징 파장에 대해 코팅된 유전체 미러가 사용된다. 광학 공동 소자의 위치 및 곡률은 레이저 성능을 최적화하기 위해 변경 될 수 있다.
A means of optical confinement intended to increase the gain length of radiation prior to emission from the device. The means of optical confinement used to increase gain path length vary depending upon the properties of the beam desired within the lasing medium. High light intensities occur within a laser cavity and dielectric mirrors coated for the lasing wavelength are used. The position and curvature of the optical cavity elements may be altered in order to optimize the laser performance as.
펨토초 레이저 Femtosecond laser
마이크로 머시닝, 의료 기기 제조, 과학 연구, 안구 수술 및 바이오 이미징에 이상적인 기술로, 펄스 지속 시간이 피코초 수준 이하로 유지되어 열에 영향을 받는 영역을 최소화하는 초고속 레이저 유형.
A type of ultrafast laser that creates a minimal amount of heat-affected zones by having a pulse duration below the picosecond level, making the technology ideal for micromachining, medical device fabrication, scientific research, eye surgery and bio-imaging.
Dated May 02, 2017
Interpreted by C.B Park who is CEO of Dream Photonics Inc., contact to cbpark36@gmail.com
마이크로머시닝, 미세단차드릴, 슈퍼드릴, 홀가공, 미세홀, 초미세홀, 초미세홀가공, 초미세 슈퍼드릴, 커팅, 스크라이빙
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