가장 흔한 6가지 레이저 발전기 유형

레이저 기술은 현대 세계의 일상 생활에 통합되었습니다. 다양한 유형의 레이저 발생기는 서로 다른 파장에서 작동하고, 서로 다른 특성을 나타내므로 서로 다른 목적으로 사용됩니다. 

레이저 발생기는 사용하는 매체에 따라 고체 레이저, 가스 레이저, 염료 레이저, 다이오드 레이저, 파이버 레이저, 자유 전자 레이저 발생기 등 6가지 유형으로 나뉩니다. 그 중에서도 고체 레이저와 가스 레이저는 여러 가지 하위 분류가 있습니다. 자유 전자 레이저를 제외하고 대부분의 레이저 발생 방법은 펌프 소스, 광 공진기, 이득 매체와 같은 구성 요소를 기반으로 하는 동일한 메커니즘을 기반으로 합니다. 

이 글에서는 가장 일반적인 레이저 발생기 유형, 그 특징, 그리고 응용 분야에 대해 설명합니다.

솔리드 스테이트 레이저 생성기 

고체 레이저 발생기에서 빛은 일반적으로 펌프 소스로 사용되고, 수정이나 유리는 레이저 빛을 생성하는 데 사용됩니다. 재료는 매트릭스와 활성화된 이온으로 구성됩니다. 매트릭스 재료는 활성화된 이온이 레이저를 생성할 수 있는 환경을 제공합니다. 일반적으로 사용되는 활성화된 이온은 주로 크롬, 코발트, 니켈 이온과 같은 전이 금속 이온과 네오디뮴 이온과 같은 희토류 금속 이온입니다. 유전체 필름으로 코팅된 거울은 전체 거울과 반 거울을 포함하여 공진기 거울로 사용됩니다. 다양한 활성화된 이온과 매트릭스 재료 및 광 여기 파장의 조합으로 다양한 파장의 레이저가 방출됩니다. 

루비 레이저 발생기의 레이저 파장 출력은 694.3nm이고 광전 변환율은 0.1%에 불과합니다. 그러나 형광 수명이 길어 에너지 저장에 유리하며 높은 펄스 피크 전력을 출력할 수 있습니다. 펜 코어 두께와 긴 빔을 가진 루비 막대에서 생성된 레이저는 철판을 쉽게 관통할 수 있습니다. 보다 효율적인 YAG 레이저 시스템이 등장하기 전에 루비 레이저 시스템은 절단 및 드릴링에 널리 사용되었습니다. 또한 694nm 빛은 멜라닌에 쉽게 흡수되므로 루비 레이저는 색소 병변(피부 반점) 치료에도 사용됩니다. 

Ti:Sapphire 레이저 발생기는 660nm에서 1200nm까지 넓은 파장 범위를 조정합니다. 주파수 배가 기술(빛의 주파수를 두 배로, 즉 파장을 반으로 줄일 수 있음)과 함께 사용하면 파장 범위를 330nm-600nm로 확장할 수 있습니다. 티타늄 사파이어 레이저 시스템은 펨토초 분광법, 비선형 광학 연구, 백색광 생성, 테라헤르츠파 생성 등에 사용되며 의료 미용에도 응용됩니다. 

YAG는 이트륨 알루미늄 가넷의 약자로, 현재 가장 우수한 레이저 결정 매트릭스입니다. 네오디뮴(Nd)으로 도핑한 후 1064nm의 빛을 출력할 수 있으며, 최대 연속 출력 전력은 1000W에 도달할 수 있습니다. 초기에는 불활성 가스 플래시 램프를 펌프 소스로 사용했지만 플래시 램프 펌프 방법은 스펙트럼 범위가 넓고 이득 매질의 흡수 스펙트럼과 일치하지 않으며 열 부하가 커서 광전 변환율이 낮습니다. 레이저 다이오드(LD) 펌핑을 사용하면 시스템은 고효율, 고출력 및 장수명의 레이저 광을 생성할 수 있습니다. 

Nd:YAG 레이저 발생기는 혈관종 치료에 사용할 수 있으며 종양 성장을 억제할 수 있습니다. 그러나 조직에 대한 열 손상은 비선택적입니다. 종양의 혈관을 응고시키는 동안 과도한 에너지는 주변의 정상 조직도 손상시키고 수술 후 흉터를 남기기 쉽습니다. 따라서 Nd:YAG 레이저는 대부분 수술, 산부인과, 이비인후과에서 사용되고 피부과에서는 덜 사용됩니다. 

Yb:YAG, Ytterbium(Yb)은 1030nm의 빛을 출력할 수 있는 YAG에 도핑됩니다. Yb:YAG의 펌프 파장은 941nm로 출력 파장과 매우 ​​가까워서 91.4%의 펌프 양자 효율을 달성할 수 있습니다. 즉, 대부분의 입력 에너지가 출력 에너지로 변환되는 반면 에너지의 일부만 열로 변환됩니다. 펌프에서 생성되는 열은 10% 이내로 억제되며, 이는 열의 형태로 25%~30%의 에너지를 손실하는 Nd:YAG에 비해 비교적 낮은 비율입니다. Yb:YAG는 가장 매력적인 고체 레이저 매체 중 하나가 되었고, LD 펌핑 고출력 Yb:YAG 고체 레이저 생성기는 고효율, 고출력 고체 레이저 생성기의 잠재력을 가진 새로운 연구 핫스팟이 되었습니다. 

위의 두 가지 외에도 YAG는 홀뮴(Ho), 에르븀(Er) 및 기타 여러 원소로 도핑할 수 있습니다. Ho:YAG는 눈에 안전한 2097nm 및 2091nm 레이저를 생산하며, 주로 광통신, 레이더 및 의료 응용 분야에 사용됩니다. Er:YAG는 2.9μm의 빛을 출력하며 인체는 이 파장에 대한 흡수율이 높기 때문에 레이저 수술 및 혈관 수술에 사용할 수 있는 잠재력이 큽니다. 

가스 레이저 발생기 

가스 레이저 발생기는 가스를 이득 매체로 사용하는 레이저 시스템으로, 일반적으로 가스 방전을 펌핑합니다. 가스 유형에는 원자 가스(헬륨-네온, 비활성 가스 이온 및 금속 증기), 분자 가스(질소 및 이산화탄소) 및 엑시머 가스가 포함됩니다. 이들은 일반적으로 화학 반응에서 생성됩니다. 

HeNe 레이저 발생기(HeNe)는 75% 이상의 He와 15% 이하의 Ne를 혼합한 것을 이득 매질로 사용합니다. 작업 환경에 따라 녹색(543.5nm), 노란색(594.1nm), 주황색(612.0nm), 빨간색(632.8nm) 및 1152가지 종류의 근적외선(1523nm, 3391nm 및 632.8nm)을 방출할 수 있으며, 그 중 빨간색(XNUMXnm)이 가장 많이 사용됩니다. HeNe 레이저 발생기의 빔 출력은 가우시안 분포를 가지며 빔 품질이 매우 안정적입니다. 전력은 높지 않지만 정밀 측정 분야에서 좋은 성능을 보입니다. 

일반적인 고귀가스 레이저 발생기는 아르곤 이온(Ar+)과 크립톤 이온(Kr+)으로 작동합니다. 에너지 변환율은 최대 0.6%에 도달할 수 있으며, 장시간 30-50W의 전력을 지속적이고 안정적으로 출력할 수 있으며, 수명은 1000h를 초과합니다. 이 유형의 레이저는 주로 레이저 디스플레이, 라만 분광법, 홀로그래피, 비선형 광학 및 기타 연구 분야와 의료 진단, 인쇄 색상 분리, 계측 재료 처리 및 정보 처리에 사용됩니다. 

금속 증기 레이저 발생기는 금속 증기로 작동합니다. 예를 들어, 구리 증기 레이저 발생기는 주로 녹색 빛(510.5nm)과 노란색 빛(578.2nm)을 출력하며, 평균 전력은 100W, 피크 전력은 100kw에 도달할 수 있습니다. 주요 응용 분야는 염료 레이저 발생기의 펌프 소스입니다. 또한 고속 플래시 사진, 대형 스크린 프로젝션 TV 및 재료 처리에도 사용할 수 있습니다. 

질소 분자 레이저 발생기는 질소를 이득 매질로 사용하여 337.1nm, 357.7nm, 315.9nm의 자외선을 방출할 수 있으며 피크 전력은 45kw에 도달할 수 있습니다. 유기 염료 레이저 발생기의 펌프 광원으로 사용할 수 있으며 동위 원소의 레이저 분리, 형광 진단, 초고속 사진, 오염 감지, 의료 및 건강 관리, 농업 육종에도 널리 사용됩니다. 짧은 파장은 작은 지점을 얻기 위해 초점을 맞추기가 더 쉽기 때문에 서브 마이크론 구성 요소를 처리하는 데에도 사용할 수 있습니다. 

CO2 레이저 발생기에서 사용되는 이득 매질은 헬륨과 질소를 혼합한 이산화탄소로, 9.6μm와 10.6μm 파장을 중심으로 한 원적외선을 출력할 수 있습니다. 발생기는 높은 에너지 변환율을 가지고 있으며, 출력 전력은 수 와트에서 수만 와트에 이르기까지 다양하며, 빔 품질이 매우 높아 CO2 레이저 발생기가 재료 가공, 과학 연구, 국방 및 의학에 널리 사용됩니다. 

엑시머는 공진기에서 다양한 불활성 가스와 할로겐 가스의 혼합물로 채워진 불안정한 분자로, 다양한 파장의 레이저를 생성합니다. 여기는 일반적으로 상대론적 전자 빔(200 keV 이상의 에너지) 또는 횡단 빠른 펄스 방전에 의해 달성됩니다. 여기 상태 엑시머의 불안정한 분자 결합이 끊어지고 기저 상태 원자로 분리되면 여기 상태의 에너지가 레이저 복사의 형태로 방출됩니다. 의료, 광 통신, 반도체 디스플레이, 원격 감지, 레이저 무기 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 

화학 레이저 ​​발생기는 화학 반응에서 방출되는 에너지를 사용하여 입자 수 반전을 실현하는 특수 유형의 가스 레이저 시스템입니다. 대부분은 분자 전이 모드에서 작동하며 일반적인 파장 범위는 근적외선에서 중적외선 스펙트럼 영역에 있습니다. 가장 중요한 것은 불화수소(HF)와 불화중수소(DF) 장치입니다. 전자는 15~2.6마이크론 사이에서 3.3개 이상의 스펙트럼 선을 출력할 수 있고, 후자는 25~3.5마이크론 사이에서 약 4.2개의 스펙트럼 선을 가지고 있습니다. 두 장치 모두 현재 수 메가와트 출력이 가능합니다. 엄청난 에너지로 인해 일반적으로 핵 공학 및 군사 분야에서 사용됩니다. 

염료 레이저 생성기 

염료 레이저 발생기는 일반적으로 액체 용액인 유기 염료를 레이저 매체로 사용합니다. 염료 레이저 발생기는 일반적으로 기체 및 고체 레이저 매체보다 더 넓은 파장 범위에서 사용할 수 있습니다. 넓은 대역폭으로 인해 조정 가능 및 펄스 레이저 발생기에 특히 적합합니다. 그러나 매체 수명이 짧고 출력 전력이 제한되어 기본적으로 티타늄 사파이어와 같은 파장 조정 가능 고체 레이저로 대체됩니다. 

다이오드 레이저 발생기 

다이오드 레이저 발생기는 반도체 재료를 매체로 사용하는 레이저 시스템입니다. 여기 모드는 전기 주입, 전자 빔 여기, 광 펌핑의 세 가지가 있습니다. 소형, 저가, 고효율, 긴 서비스 수명, 낮은 전력 소모로 인해 전자 정보, 레이저 인쇄, 레이저 포인터, 광 통신, 레이저 TV, 소형 레이저 프로젝터, 전자 정보, 통합 광학 및 기타 분야에서 사용할 수 있습니다. 

파이버 레이저 발생기

파이버 레이저 발생기는 희토류 원소가 도핑된 유리 섬유를 이득 매질로 사용하는 레이저 시스템 유형입니다. 인쇄 롤, 금속 및 비금속 드릴링, 절단, 용접(브레이징, 물 담금질, 클래딩 및 심용접), 군사, 방위 및 보안, 의료 장비, 대규모 인프라 및 기타 레이저 소스의 펌프로 사용할 수 있습니다. 

자유 전자 레이저 발생기 

자유 전자 레이저 발생기는 기존 레이저 발생기와는 다른 새로운 유형의 고출력 코히런트 복사원입니다. 가스, 액체 또는 고체를 매체로 필요로 하지 않고 고에너지 전자 빔의 운동 에너지를 코히런트 복사 에너지로 직접 변환합니다. 따라서 자유 전자 레이저 발생기의 작동 물질은 자유 전자라고 볼 수도 있습니다. 고출력, 고효율, 광범위한 파장 튜닝 및 초단 펄스의 시간 구조와 같은 일련의 우수한 특성을 가지고 있습니다. 이를 제외하고 이러한 특성을 동시에 가질 수 있는 레이저 발생기는 없습니다. 물리학 연구, 레이저 무기, 레이저 융합, 광화학 및 광통신 분야에서 상당한 전망이 있습니다.

출처 스타일씨앤씨

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