여러 가지 레이저

실제의 레이저

 

점유자수 역전이 가능한 매질이 있어야 한다.

비록 레이저가 원자나 분자의 에너지 준위를 이용하기는 하지만 그 매질(레이저 매질)이 역전을 시킬 수 있는 조건에 합당한 세 개나 네 개의 에너지 준위를 가지고 있어야 한다. 이러한 매질로는 기체 원자의 네온, 아르곤, 크립톤, 기체 분자의 이산화탄소, 불화수소, 질소 등이 있다. 한편 고체의 경우에는 CaWo4, Y2O4, SrMoO4, LaF3, YAG, 유리 등의 모체에 있는 일종의 불순물인 Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+, Eu3+ 등이 레이저 매질로서 작용한다. 또한 반도체, 액체도 레이저 매질의 조건을 충족하는 것이 많다.

 

 

효율적으로 펌핑을 할 수 있는 방법이 있어야 한다.

레이저 매질에서 점유자수 역전을 실제로 실현할 수 있는 효율적인 펌핑의 방법이 있어야 한다. 그러기 위해서는 레이저 매질의 온도나 압력 등을 적당한 조건에 두어야 한다든지, 아니면 펌핑의 매개역할을 할 수 있는 다른 매질을 같이 섞어 두어야 하는 경우도 있다.

 

 

 

레이저 발진을 실현시킬 적절한 공진기를 만들어야 한다.

레이저 매질에 합당하고, 효율적으로 발진을 시킬 수 있는 공진기가 만들어져서 그 내부에 그 매질을 가두어 둘 수 있어야 하고, 이렇게 해서 만들어진 레이저의 내부 에너지 감소율이 적어서 레이저가 증폭될 수 있는 조건에 이르러야 한다.

 

 

 

루비 레이저

 

루비 속의 크롬이 레이저 매질이다.

1960년 Maiman이 최초로 발진에 성공한 이 레이저는 루비를 사용하였다. 최초의 이 레이저에 사용한 루비는 0.05%의 Cr2O3를 불순물로서 가지고 있는 Al2O3의 결정체였다. 순수한 Al2O3는 무색 투명하여 그저 유리처럼 미적 가치가 없지만 크롬이 적당한 농도로 Al에 취환하여 들어가 밖히게 되면 이것이 색중심(color center)의 역할을 하여 맑고 투명한 붉은 색을 띄어 보석으로서 가치를 가지고 있어 이를 루비라고 부른다.

 

 

 

 

루비는 Al2O3는 6각기둥 형태를 기본 구조로 하여 결정을 이루고 있고 이 Al 중 일부분이 Cr으로 취한되어 있는 보석이다.

 

 

 

 

 

루비막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전등을 둘러싸서 방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 광펌핑을 시킨다.

 

 

섬광에 의해 펌핑(pumping)된 Cr3+은 굵은 청색으로 표시한 흡수대로 들뜨게 되고 순간적으로 이 들뜬 에너지는 준안정상태의 에너지 준위로 떨어지게 된다.

 

 

루비 레이저는 694.3nm와 692.9nm의 붉은 빛을 낸다.

이 루비레이저는 섬광에 의해 펌핑되어 순간적으로 레이저 발진이 일어나는 펄스형의 레이저를 낸다. 이는 플라즈마의 진단이나 홀로그래피의 제조에 쓰인다.

 

헬륨-네온 레이저

 

가장 보편적으로 쓰는 레이저이다.

1961년 Javan, Bennett, Herriott 세 사람은 헬륨(He)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 최초로 1152.3nm의 적외선의 연속발진에 성공하였다. 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와트의 가시광선(632.8nm)을 내게하여 실험실에서 간섭을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작등에 널리 쓰고 있다. 이 레이저에서 헬륨은 네온을 들뜨게 하는 매개물질로서 작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어 진다.

 

 

 

 

0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다.

 

 

 

 

 

한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.

 

 

직류, 혹은 교류의 방전에 의해 여기된 He은 Ne과 충돌(collision)하여 에너지를 잃어 버린다. 한편 충돌에 의해 여기된 네온은 바닥상태로 바로 떨어지는 것은 금지되어 있어 중간단계로 몇가지 파장의 빛을 내면서 떨어지게 된다. 이 중간단계에서는 빠르게 바닥상태로 떨어져서 점유밀도가 항상 작게 유지된다.

 

 

 

CO2 레이저

 

강력한 적외선을 발진한다.

이 레이저는 특이하게 CO2분자의 진동에너지 준위를 이용하므로 10.6㎛의 적외선을 발진하며 연속발진에서의 출력은 수백 kW에 이르러 금속의 가공 등 산업용으로 널리 쓰인다. 이 레이저는 효율을 높이기 위해 매개물질인 N2와 Ne을 첨가하여 거의 15% 의 높은 효율로 동작시킨다.

 

 

CO2 분자의 세가지 진동 모우드로 이의 고유진동수가 각각 달라서 이 진동에너지 준위는 서로 다는 간격을 하고 있다.

 

 

 

 

 

 

 

헬륨-네온 레이저에서의 He의 역할처럼 N2는 단지 펌핑을 시키는 매개물질로서 작용한다. N2는 CO2 와 달리 단일 진동 모우드로 되어 있는데 이 첫 번째 들뜬 준위가 바로 CO2 의 (001)준위와 비슷하여 충돌로 에너지를 넘기기가 용이하다. 기본적으로 진동의 에너지 준위는 전자의 에너지 준위보다 훨씬 작아서 위 그림에서 보듯이 발진하는 빛의 파장은 10.6㎛, 9.6㎛ 등 적외선이다.

 

반도체 레이저

 

높은 효율, 빠른 변조율, 작은 크기 등의 특성이 있다.

반도체 레이저는 광다이오드가 발견된 직후인 1962년 발명되었다. 이 레이저는 거의 100%의 효율과 취급이 간편한점, 매우 작은 크기로 만들 수 있는 점, 빠르게 변조시킬 수 있어 정보를 실어보내기 용이한 점 등 많은 장점 때문에 현재의 광통신, 광기록, 전기광학 소자 등 광공학에서 핵심적인 역할을 한다.