레이저의 설계 및 사용. 레이저 작동 원리: 레이저 방사선의 특징 레이저의 실제 사용

요즘은 그 단어를 들어본 적도 없는 사람을 찾기가 어렵습니다. "원자 램프"그러나 그것이 무엇인지 명확하게 이해하는 사람은 거의 없습니다.

레이저가 발명된 지 반세기 다른 유형의학부터 디지털 기술까지 광범위한 분야에서 응용을 찾았습니다. 그렇다면 레이저란 무엇이며 작동 원리는 무엇이며 용도는 무엇입니까?

레이저란 무엇입니까?

레이저의 존재 가능성은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)에 의해 예측되었으며, 그는 1917년에 전자가 특정 길이의 광양자를 방출할 가능성에 관한 논문을 발표했습니다. 이 현상을 유도방출이라고 불렀으나 오랫동안이는 기술적인 관점에서 실현 불가능한 것으로 간주되었습니다.

그러나 기술적, 기술적 능력의 발달로 레이저의 탄생은 시간문제가 되었다. 1954년 소련 과학자 N. Basov와 A. Prokhorov는 노벨상암모니아로 구동되는 최초의 마이크로파 발생기인 메이저(maser)를 만들기 위해. 그리고 1960년에 미국인 T. Maiman은 최초로 레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)라고 불리는 광학 빔의 양자 발생기를 생산했습니다. 장치는 에너지를 좁은 방향의 광학 방사선으로 변환합니다. 광선, 고농도의 빛 양자(광자)의 흐름.

레이저 작동 원리

레이저 작동의 기반이 되는 현상을 매체의 강제 복사 또는 유도 복사라고 합니다. 특정 물질의 원자는 다른 광자의 영향을 받아 광자를 방출할 수 있으며, 작용하는 광자의 에너지는 방사선 전후의 원자 에너지 준위 차이와 같아야 합니다.

방출된 광자는 방사선을 발생시킨 광자와 일관성이 있습니다. 첫 번째 광자와 똑같습니다. 결과적으로 매체의 약한 빛 흐름이 증폭되고 혼란스럽지 않고 특정 방향으로 증폭됩니다. 레이저라고 불리는 자극 방사선 빔이 형성됩니다.

레이저 분류

레이저의 성질과 성질이 탐구되면서, 다양한 유형이 광선. 초기 물질의 상태에 따라 레이저는 다음과 같을 수 있습니다.

가스;
액체;
고체 상태;
자유 전자에.

현재 레이저 빔을 생성하기 위한 여러 가지 방법이 개발되었습니다.

가스 환경에서 전기 글로우 또는 아크 방전 사용 - 가스 방전;
뜨거운 가스의 팽창과 인구 반전의 생성을 사용 - 가스 역학;
매체의 여기(다이오드 또는 주입)를 통해 반도체를 통해 전류를 전달함으로써;
플래시 램프, LED, 기타 레이저 등을 사용하여 매체를 광학적으로 펌핑함으로써;
매체의 전자빔 펌핑에 의해;
원자로에서 방사선이 나올 때의 핵 펌핑;
특수 화학 반응 - 화학 레이저를 사용합니다.

이들 모두는 다양한 산업 분야에서 사용되는 고유한 특성과 차이점을 가지고 있습니다.

레이저의 실제 사용

오늘은 레이저 다른 유형수십 개의 산업, 의학, IT 기술 및 기타 활동 분야에서 사용됩니다. 그들의 도움으로 다음이 수행됩니다.

금속, 플라스틱 및 기타 재료의 절단 및 용접;
이미지, 비문 적용 및 제품 표면 표시
초박형 구멍 드릴링, 반도체 결정 부품의 정밀 가공;
스프레이, 표면처리, 표면 합금화 등에 의한 제품 코팅 형성;
유리 섬유를 사용한 정보 패킷 전송;
외과 수술 및 기타 치료 중재 수행
피부 회춘, 결점 제거 등을 위한 미용 시술;
소형 무기부터 미사일까지 다양한 유형의 무기를 표적으로 삼습니다.
홀로그램 방법의 생성 및 사용;
다양한 연구 작업에 적용;
거리, 좌표, 작업 매체 밀도, 유속 및 기타 여러 매개변수 측정
다양한 기술 프로세스를 수행하기 위해 화학 반응을 시작합니다.

레이저가 이미 사용되고 있거나 가까운 미래에 응용될 영역이 더 많이 있습니다.

레이저는 인류에게 수많은 새로운 활동 영역을 열어준 20세기의 가장 놀랍고 유용한 발명품 중 하나입니다.

먼저 레이저가 무엇인지 알아볼까요?

레이저 빔은 일관성 있고 단색이며 편광되고 좁은 방향의 광속입니다. 인간의 관점에서 이는 다음을 의미합니다.

응집성(Coherent) - 즉, 모든 소스에서 나오는 방사선의 주파수가 동기적인 것입니다(그리고 빛은 원자에 의해 방출되는 전자기파이며 고유한 주파수를 가지고 있음을 이해해야 합니다).
단색은 좁은 범위의 파장에 집중되어 있음을 의미합니다.
극성 – 방향성 진동 벡터가 있음 전자기장(이 진동 자체는 광파입니다).

한마디로 이것은 동기 소스뿐만 아니라 매우 좁은 범위와 방향으로 방출되는 광선입니다. 일종의 극도로 집중된 광속입니다.

레이저 장치.

레이저의 물리적인 개념은 레이저를 만드는 방법을 모른다면 거의 쓸모가 없을 것입니다. 장치의 기본은 전기, 화학, 열 또는 기타 에너지를 사용하여 레이저 빔을 생성하는 광학 양자 발생기입니다. 그리고 그는 강제 또는 유도 방사선을 통해 그것을 생성합니다. 즉, 광자 (빛의 입자)가 떨어지는 원자가 그것을 흡수하지 않고 첫 번째 광자의 정확한 복사본 인 다른 광자를 방출하는 경우입니다. (일관됨). 따라서 빛이 증폭됩니다.

레이저는 일반적으로 세 부분으로 구성됩니다.

에너지원 또는 펌핑 메커니즘;
작동유체;
거울 또는 광학 공진기 시스템.

각 부분이 담당하는 부분은 다음과 같습니다.

에너지원, 이름에서 알 수 있듯이 장치 작동에 필요한 에너지를 공급합니다. 레이저는 작동 유체로 사용되는 것이 정확히 무엇인지에 따라 다양한 유형의 에너지를 사용합니다. 이러한 초기 에너지는 무엇보다도 또 다른 광원이 될 수 있을 뿐만 아니라 전기 방전, 화학 반응 등이 될 수도 있습니다. 여기서는 빛은 에너지의 전달이며 광자는 입자, 즉 빛의 양자일 뿐만 아니라 에너지의 입자이기도 하다는 점을 언급해야 합니다.

작동유체– 레이저의 가장 중요한 구성요소입니다. 그것은 바로 응집성 광자를 방출하는 원자가 있는 몸체입니다. 응집성 광자의 방출 과정이 발생하기 위해 작업 몸체는 에너지 펌핑을 받게 되는데, 이는 대략적으로 말하면 다음과 같습니다. 최대작동 유체를 구성하는 원자는 공통 분모를 가진 들뜬 에너지 상태로 전환되었습니다. 이 상태에서 광자가 원자를 통과하면 역-바닥-비여기 상태로의 전이가 발생하며, 이는 원자의 두 상태 사이의 차이에 해당하는 에너지입니다. 따라서 여기된 원자는 바닥 상태로 전환될 때 "그것을 통과해 날아가는" 광자에 정확한 복사본을 추가합니다.

출력, 범위 등과 같은 레이저의 가장 중요한 특성을 모두 결정하는 것은 작동 유체입니다. 작동 유체의 선택은 이 레이저에서 얻고자 하는 내용에 따라 결정됩니다.

따라서 여기에는 많은 옵션이 있습니다. 모든 응집 상태(가스, 고체, 액체 및 심지어 플라즈마), 모든 종류의 재료, 반도체도 사용됩니다(예: CD 드라이브).

광공진기- 이것은 모든 방향으로 빛을 방출하기 때문에 작동 유체 주위에 위치한 일반적인 거울 시스템이며, 우리는 그것을 하나의 좁은 빔으로 수집해야 합니다. 광학 공진기가 이러한 목적으로 사용됩니다.

특정 경우에 이 기술을 적용하는 방법을 알아낼 수 있는 충분한 공학적 사고가 있는 한 레이저는 모든 곳에서 사용됩니다. 그들은 의학, 산업, 일상 생활, 군사 업무, 심지어 정보 전달 분야에서도 자리를 잡고 있습니다.

다이어그램은 다음을 보여줍니다. 1 - 활성 매체; 2 - 레이저 펌프 에너지; 3 - 불투명 거울; 4 - 반투명 거울; 5 - 레이저 빔.

모든 레이저는 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.

활성(작업) 환경;

펌핑 시스템(에너지원);

광학 공진기(레이저가 증폭기 모드에서 작동하는 경우 없을 수 있음).

각각은 레이저가 특정 기능을 수행하도록 보장합니다.

활동적인 환경

현재 고체, 액체, 기체, 플라즈마 등 다양한 집합체 상태의 물질이 레이저의 작동 매체로 사용됩니다. 정상 상태에서 들뜬 에너지 준위에 위치한 원자의 수는 볼츠만 분포에 의해 결정됩니다.

여기 N- 에너지를 가지고 들뜬 상태에 있는 원자의 수 이자형, N 0 - 바닥 상태의 원자 수, 케이- 볼츠만 상수, 티- 환경 온도. 즉, 바닥 상태보다 여기 상태에 그러한 원자가 적기 때문에 매질을 통해 전파되는 광자가 자극 방출을 일으킬 확률도 흡수 확률에 비해 작습니다. 따라서 물질을 통과하는 전자기파는 원자를 자극하기 위해 에너지를 소비합니다. 복사 강도는 부게의 법칙에 따라 감소합니다.

여기 나 0 - 초기 강도, 나 l은 거리를 이동하는 방사선의 강도입니다. 엘문제에 있어서 에이 1은 물질의 흡수율이다. 의존성은 기하급수적이기 때문에 방사선은 매우 빠르게 흡수됩니다.

여기된 원자의 수가 여기되지 않은 원자보다 많은 경우(즉, 인구 반전 상태) 상황은 정반대입니다. 유도 방출 행위가 흡수보다 우세하며 방사선은 법에 따라 증가합니다.

어디 에이 2 - 양자 이득 계수. 실제 레이저에서는 유도 방출로 인해 수신된 에너지의 양이 공진기에서 손실된 에너지의 양과 같아질 때까지 증폭이 발생합니다. 이러한 손실은 작업 물질의 준안정 수준의 포화와 관련이 있으며, 그 후에는 펌핑 에너지가 가열에만 사용되며 다른 많은 요인(매체의 불균일성에 의한 산란, 불순물에 의한 흡수)이 존재하는 경우에도 발생합니다. , 반사 거울의 불완전성, 환경으로의 유용하고 원치 않는 방사선 등).

펌핑 시스템

레이저 환경에서 인구 반전을 생성하기 위해 다양한 메커니즘이 사용됩니다. 고체 레이저에서 경적은 강력한 가스 방전 플래시 램프, 집중된 태양 복사(소위 광학 펌핑) 및 다른 레이저(특히 반도체 레이저)의 복사를 통해 이루어집니다. 이 경우 매우 높은 펌핑 에너지 밀도가 필요하기 때문에 펄스 모드에서만 작동이 가능합니다. 이는 장기간 노출 시 강한 가열과 작동 물질 로드의 파괴를 유발합니다. 가스 및 액체 레이저는 방전 펌핑을 사용합니다. 이러한 레이저는 연속 모드에서 작동합니다. 펌핑 화학 레이저활성 매체에서 화학 반응이 일어나면서 발생합니다. 이 경우, 밀도 반전은 반응 생성물에서 직접 발생하거나 적절한 에너지 수준 구조를 갖는 특별히 도입된 불순물에서 발생합니다. 반도체 레이저의 펌핑은 p-n 접합을 통한 강한 순방향 전류와 전자 빔의 영향을 받아 발생합니다. 다른 펌핑 방법(예열된 가스의 급격한 냉각을 포함하는 가스 역학, 광해리, 화학적 펌핑의 특별한 경우 등)이 있습니다.

그림에서: a - 3레벨 및 b - 레이저 활성 매체를 위한 4레벨 펌핑 회로.

예를 들어 루비 레이저에는 작동 매체를 펌핑하는 고전적인 3단계 시스템이 사용됩니다. 루비는 레이저 방사선의 원천인 소량의 크롬 이온 Cr 3+가 도핑된 커런덤 결정 Al 2 O 3입니다. 커런덤 결정 격자의 전기장의 영향으로 인해 크롬의 외부 에너지 준위 이자형 2는 분할됩니다(스타크 효과 참조). 이것이 비단색 방사선을 펌핑으로 사용하는 것을 가능하게 하는 것입니다. 이 경우 원자는 에너지를 가지고 바닥상태에서 빠져나온다. 이자형 0 에 대한 에너지에 흥분 이자형 2. 원자는 상대적으로 짧은 시간(약 10-8초) 동안 이 상태를 유지할 수 있습니다. 해당 준위로의 비방사 전이는 거의 즉시 발생합니다. 이자형 1, 원자가 훨씬 더 오랫동안(최대 10 −3 초) 머무를 수 있는 곳을 소위 준안정 수준이라고 합니다. 다른 무작위 광자의 영향으로 유도 방사선이 발생할 가능성이 있습니다. 주 상태보다 준안정 상태에 더 많은 원자가 있으면 생성 과정이 시작됩니다.

레벨에서 직접 펌핑을 사용하여 크롬 원자 Cr의 인구 반전을 생성한다는 점에 유의해야 합니다. 이자형레벨당 0 이자형 1은 불가능합니다. 이는 흡수와 유도 방출이 두 수준 사이에서 발생하면 두 과정이 동일한 속도로 발생하기 때문입니다. 따라서 이 경우 펌핑은 두 수준의 모집단만 균등화할 수 있으며 이는 레이저 발사가 발생하기에 충분하지 않습니다.

네오디뮴 Nd 3+ 이온을 사용하여 방사선이 생성되는 네오디뮴 레이저와 같은 일부 레이저는 4단계 펌핑 방식을 사용합니다. 여기서 준안정 사이 이자형 2 및 메인 레벨 이자형 0 중간-실무 수준이 있습니다 이자형 1. 자극 방출은 원자가 준위 사이를 전환할 때 발생합니다. 이자형 2 및 이자형 1. 이 방식의 장점은 이 경우 상위 운영 수준의 수명( 이자형 2) 하위 레벨의 수명보다 몇 배 더 길다( 이자형 1). 이는 펌프 소스에 대한 요구 사항을 크게 줄여줍니다. 또한 이러한 방식을 사용하면 연속 모드에서 작동하는 고출력 레이저를 생성할 수 있으며 이는 일부 응용 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 이러한 레이저는 방출된 광자의 에너지와 흡수된 펌프 광자의 에너지의 비율로 정의되는 낮은 양자 효율이라는 형태의 중요한 단점을 가지고 있습니다(θ 양자 = hν 방사선 / hν 펌프).

레이저는 반드시 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

1) 활성 매체, 인구 반전이 있는 주가 생성됩니다.

2) 시스템펌핑- 활성 매체에 반전을 생성하는 장치;

3) 광학공진기에 대해- 광자빔의 방향을 결정하는 장치.

또한 광학 공진기는 레이저 방사선의 다중 증폭을 위해 설계되었습니다.

현재 활동적인 (일하고 있는) 환경 레이저는 고체, 액체, 기체, 플라즈마 등 다양한 물질 집합 상태를 사용합니다.

레이저 환경의 역모집단을 생성하기 위해 다양한 펌핑 방법 . 레이저는 연속적으로 또는 펄스 방식으로 펌핑될 수 있습니다. 장기(연속) 모드에서 활성 매체에 도입된 펌프 전력은 활성 매체의 과열 및 관련 현상으로 인해 제한됩니다. 단일 펄스 모드에서는 연속 모드에서 동시에 동일한 시간 동안보다 활성 매체에 훨씬 더 많은 에너지를 도입할 수 있습니다. 이로 인해 단일 펄스의 전력이 더 커집니다.

가시광선에서 방출되는 양자발생기 적외선, 레이저라고합니다. "레이저"라는 단어는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation이라는 표현의 약어입니다. 이는 양자 유도 또는 유도 방출이라고도 불리는 결과로 빛이 증폭되는 것을 의미합니다.

레이저 장치

일반화된 레이저는 레이저 활성 매체, "펌핑" 시스템(전압원 및 광학 공동)으로 구성됩니다.

펌핑 시스템은 레이저 매질의 원자 또는 분자에 에너지를 전달하여 인구 반전을 생성하는 여기된 "준안정 상태"로 들어갈 수 있는 기회를 제공합니다.

· 광학 펌핑은 크세논 가스 충전 플래시 램프나 기타 레이저와 같은 광원에서 제공되는 광자를 사용하여 레이저 물질에 에너지를 전달합니다. 광원은 레이저 재료의 허용 가능한 전이 수준과 일치하는 광자를 제공해야 합니다.

· 충돌 펌핑은 레이저 물질의 원자(또는 분자)와 충돌하여 레이저 물질에 에너지가 전달되는 것을 기반으로 합니다. 동시에 허용 가능한 전환에 해당하는 에너지도 제공되어야 합니다. 이는 일반적으로 순수 가스 또는 튜브 내 가스 혼합물의 전기 방전을 사용하여 수행됩니다.

· 화학 시스템펌프는 화학 반응의 결과로 방출된 결합 에너지를 사용하여 레이저 물질을 준안정 상태로 변환합니다.

레이저에 원하는 힘을 제공하고 원하는 방향으로 이동하는 광자를 선택하려면 광학 공동이 필요합니다. 준안정 상태인 집단 반전의 첫 번째 원자나 분자가 방전되면 유도 방출로 인해 준안정 상태의 다른 원자나 분자의 방전이 시작됩니다. 광자가 일반적으로 막대나 튜브와 같은 레이저 물질의 벽을 향해 이동하면 광자가 손실되고 증폭 과정이 중단됩니다. 막대나 파이프의 벽에서 반사될 수 있지만 조만간 시스템에서 손실되어 빔 생성에 기여하지 않습니다.

반면, 파괴된 원자나 분자 중 하나가 레이저 물질의 축과 평행한 광자를 방출하면 다른 광자의 방출이 시작될 수 있으며, 둘 다 생성 막대 끝에 있는 거울에 반사됩니다. 또는 튜브. 반사된 광자는 물질을 다시 통과하여 정확히 동일한 경로를 따라 추가 방사선을 시작하며, 이는 레이저 물질 끝에 있는 거울에 의해 다시 반사됩니다. 이 증폭 과정이 계속되는 한 증폭의 일부는 항상 부분 반사 거울을 통해 빠져나갑니다. 이 프로세스의 이득이 캐비티의 손실을 초과하면 레이징이 시작됩니다. 따라서 좁고 집중된 간섭성 광선이 형성됩니다. 레이저 광 공동의 거울은 광선이 축과 평행하도록 정밀하게 조정되어야 합니다. 광 공진기 자체, 즉 매체의 물질은 빛 에너지를 강하게 흡수해서는 안됩니다.

레이저 매체(레이징 재료) – 레이저는 일반적으로 사용되는 레이저 물질의 유형에 따라 지정됩니다. 다음과 같은 네 가지 유형이 있습니다.

단단한,

먹이다,

반도체.

고체 레이저는 고체 매트릭스에 분산된 레이저 재료를 사용합니다. 고체 레이저는 레이저 개발에서 독특한 위치를 차지합니다. 첫 번째로 작동하는 레이저 매체는 분홍색 루비 크리스탈(크롬이 도핑된 사파이어 크리스탈)이었습니다. 그 이후로 "고체 레이저"라는 용어는 일반적으로 활성 매체가 이온 불순물로 도핑된 결정인 레이저를 설명하는 데 사용되었습니다. 고체 레이저는 고출력 에너지를 생성할 수 있는 크고 유지 관리가 쉬운 장치입니다. 고체 레이저의 가장 주목할만한 점은 출력 전력이 일반적으로 일정하지 않지만 다음과 같이 구성된다는 것입니다. 큰 수개인 전력 최고점.

한 가지 예가 네오디뮴-YAG 레이저입니다. YAG라는 용어는 네오디뮴 이온의 운반체 역할을 하는 이트륨 알루미늄 가넷 결정의 약자입니다. 이 레이저는 파장 1,064 마이크로미터의 적외선 빔을 방출합니다. 또한 에르븀(Er:YAG 레이저)과 같은 다른 도핑 원소도 사용할 수 있습니다.

가스 레이저는 튜브에 가스 또는 가스 혼합물을 사용합니다. 대부분의 가스 레이저는 헬륨과 네온(HeNe)의 혼합물을 사용하며 기본 출력 신호는 6,328nm(nm = 10-9미터)이고 빨간색으로 보입니다. 이 레이저는 1961년에 처음 개발되었으며 전체 가스 레이저 제품군의 전신이 되었습니다.

모든 가스 레이저는 디자인과 특성이 매우 유사합니다. 예를 들어, CO2 가스 레이저는 스펙트럼의 원적외선 영역에서 10.6 마이크로미터의 파장을 방출합니다. 아르곤 및 크립톤 가스 레이저는 여러 주파수에서 작동하며 주로 스펙트럼의 가시광선 부분에서 방출됩니다. 아르곤 레이저 방사선의 주요 파장은 488nm와 514nm입니다.

염료 레이저는 액체 용액이나 현탁액의 복잡한 유기 염료인 레이저 매체를 사용합니다.

이 레이저의 가장 중요한 특징은 "적응성"입니다. 올바른 선택염료와 그 농도를 통해 가시광선 스펙트럼 내 또는 근처의 광범위한 파장에 걸쳐 레이저 광을 생성할 수 있습니다. 일부 유형의 염료 레이저는 화학적 여기를 사용하지만 염료 레이저는 일반적으로 광학 여기 시스템을 사용합니다.

반도체(다이오드) 레이저 - 서로 적층된 두 개의 반도체 재료 층으로 구성됩니다. 레이저 다이오드는 그림과 같이 반도체 막대의 백래시에서 방출된 빛을 증폭시키기 위해 광 용량을 갖춘 발광 다이오드입니다. 적용된 전류, 온도 또는 자기장을 변경하여 조정할 수 있습니다.

레이저 작동의 다양한 시간 모드는 에너지가 공급되는 주파수에 따라 결정됩니다.

연속파(CW) 레이저는 일정하게 작동합니다. 평균 전력빔.

단일 펄스 레이저는 일반적으로 수백 마이크로초에서 수 밀리초 범위의 펄스 지속 시간을 갖습니다. 이 작동 모드를 일반적으로 긴 펄스 또는 일반 모드라고 합니다.

단일 펄스 Q 스위치 레이저는 공동 내 지연(Q 스위치 셀)의 결과로, 레이저 매질이 최대 위치 에너지를 유지할 수 있습니다. 그러면 최대로 유리한 조건, 단일 펄스가 일반적으로 10-8초의 시간 간격으로 방출됩니다. 이러한 펄스는 종종 106~109와트 범위의 높은 피크 전력을 갖습니다.

펄스 펄스 레이저 또는 스캐닝 레이저는 원칙적으로 펄스 레이저와 동일한 방식으로 작동하지만 고정(또는 가변) 펄스 주파수를 사용하며 초당 몇 펄스에서 매우 중요한초당 20,000 펄스와 같습니다.

레이저 작동 원리

레이저 작동의 물리적 기반은 강제(유도) 방사선 현상입니다. 현상의 본질은 후자의 에너지가 광자 전후의 원자 수준의 에너지 차이와 같을 경우 여기된 원자가 다른 광자의 영향을 받아 흡수되지 않고 광자를 방출할 수 있다는 것입니다. 방사. 이 경우, 방출된 광자는 방사선을 발생시킨 광자와 일관성을 갖습니다(이것은 "정확한 복사본"입니다). 이렇게 하면 빛이 증폭됩니다. 이 현상은 방출된 광자가 무작위 전파 방향, 편광 및 위상을 갖는 자연 방출과 다릅니다.

무작위 광자가 여기된 원자로부터 자극 방출을 일으킬 확률은 여기되지 않은 상태의 원자가 이 광자를 흡수할 확률과 정확히 같습니다. 따라서 빛을 증폭하려면 매질에 여기되지 않은 원자보다 여기된 원자가 더 많아야 합니다(소위 인구 역전). 열역학적 평형 상태에서는 이 조건이 충족되지 않으므로 레이저 활성 매체(광학, 전기, 화학 등)를 펌핑하기 위한 다양한 시스템이 사용됩니다.

생성의 주요 원인은 자연 방출 과정이므로 광자 생성의 연속성을 보장하기 위해 긍정적인 존재가 존재합니다. 피드백, 이로 인해 방출된 광자가 후속 유도 방출 행위를 유발합니다. 이를 위해 레이저 활성 매체가 광학 공동에 배치됩니다. 가장 간단한 경우에는 두 개의 거울로 구성되며 그 중 하나는 반투명합니다. 이를 통해 레이저 빔이 부분적으로 공진기를 빠져나갑니다. 거울에서 반사된 방사선 빔은 공진기를 반복적으로 통과하여 공진기에 유도 전이를 일으킵니다. 방사선은 연속적이거나 펄스형일 수 있습니다. 동시에 다양한 장치(회전 프리즘, 커 셀 등)를 사용하여 피드백을 신속하게 끄고 켜서 펄스의 주기를 줄임으로써 매우 방사선 발생 조건을 만드는 것이 가능합니다. 고성능(소위 거대한 충동). 이 레이저 작동 모드를 Q 스위치 모드라고 합니다.

레이저에 의해 생성된 방사선은 단색(하나 또는 별개의 파장 세트)입니다. 특정 파장의 광자가 방출될 확률이 스펙트럼 선의 확장과 관련하여 밀접하게 위치한 광자의 방출 확률보다 크기 때문입니다. 따라서 이 주파수에서 유도된 전이의 확률도 최대값을 갖습니다. 따라서 생성 과정에서 점진적으로 특정 파장의 광자가 다른 모든 광자보다 우세하게 됩니다. 또한 거울의 특별한 배열로 인해 공진기의 광축과 평행한 방향으로 짧은 거리에서 전파되는 광자만 레이저 빔에 유지되고 나머지 광자는 공진기 볼륨에서 빠르게 빠져나갑니다. 따라서 레이저 빔은 매우 작은 발산각을 갖습니다. 마지막으로, 레이저 빔은 엄격하게 정의된 편광을 갖습니다. 이를 위해 다양한 폴라로이드가 공진기에 삽입됩니다. 예를 들어 레이저 빔의 전파 방향에 대해 브루스터 각도로 설치된 평면 유리판일 수 있습니다.

레이저의 응용

레이저 양자 발생기 방사선

레이저는 발명된 이래로 " 기성 솔루션아직 알려지지 않은 문제." 레이저 방사선의 고유한 특성으로 인해 일상 생활(CD 플레이어, 레이저 프린터, 바코드 판독기, 레이저 포인터 등)뿐만 아니라 다양한 과학 및 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 산업계에서 레이저는 다음과 같은 재료로 만들어진 부품을 절단, 용접 및 납땜하는 데 사용됩니다. 다양한 재료. 고온방사선을 사용하면 기존 방법으로 용접할 수 없는 재료(예: 세라믹 및 금속)를 용접할 수 있습니다. 레이저 빔은 1 마이크론 정도의 직경을 가진 지점에 집중될 수 있으며 이를 통해 마이크로 전자 공학(소위 레이저 스크라이빙)에 사용할 수 있습니다. 레이저는 내마모성을 높이기 위해 재료의 표면 코팅(레이저 합금, 레이저 표면 처리, 진공 레이저 증착)을 얻는 데 사용됩니다. 산업 디자인의 레이저 마킹과 다양한 재료로 만든 제품의 조각도 널리 사용됩니다. 재료를 레이저 가공하는 동안 재료에 기계적 영향이 없으므로 약간의 변형만 발생합니다. 또한, 모든 프로세스완전히 자동화될 수 있습니다. 따라서 레이저 가공은 높은 정밀도와 생산성을 특징으로 합니다.

Hewlett-Packard 프린터의 이미지 생성 장치에 사용되는 반도체 레이저입니다.

레이저는 홀로그래피에 사용되어 홀로그램 자체를 만들고 홀로그램 3차원 이미지를 얻습니다. 염료 레이저와 같은 일부 레이저는 거의 모든 파장의 단색광을 생성할 수 있으며 방사선 펄스는 10-16초에 도달할 수 있으므로 엄청난 출력(소위 거대 펄스)을 생성할 수 있습니다. 이러한 특성은 분광학뿐만 아니라 비선형 광학 효과 연구에도 사용됩니다. 레이저를 이용하면 수 cm의 정확도로 달까지의 거리를 측정하는 것이 가능했다. 우주 물체의 레이저 거리 측정은 천문 상수의 값을 명확하게 하고 우주 항법 시스템의 개선에 기여했으며 대기 구조와 행성 표면에 대한 아이디어를 확장했습니다. 태양계. 대기 왜곡 보정을 위한 적응형 광학 시스템을 갖춘 천체 망원경에서는 레이저를 사용하여 대기 상층부에 인공 안내별을 만듭니다.

초단파 레이저 펄스는 레이저 화학에서 화학 반응을 유발하고 분석하는 데 사용됩니다. 여기에서 레이저 방사선을 사용하면 정확한 위치 파악, 투여량, 절대 무균성 및 시스템에 빠른 에너지 입력 속도를 보장할 수 있습니다. 현재 다양한 레이저 냉각 시스템이 개발되고 있으며, 레이저를 사용하여 제어된 열핵융합을 구현할 가능성이 고려되고 있습니다(열핵반응 분야 연구에 가장 적합한 레이저는 가시광선 스펙트럼의 파란색 부분의 파장을 사용하는 레이저일 것임) ). 레이저는 유도 및 조준 보조 장치와 같은 군사 목적으로도 사용됩니다. 고출력 레이저를 기반으로 한 공중, 해상 및 지상 기반 전투 방어 시스템을 만드는 옵션이 고려되고 있습니다.

의학에서는 레이저를 무혈 메스로 사용하며 안과질환(백내장, 망막박리, 레이저 시력교정 등) 치료에 사용한다. 또한 미용(레이저 제모, 혈관 및 색소성 피부 결함 치료, 레이저 필링, 문신 및 검버섯 제거)에도 널리 사용됩니다. 현재 소위 레이저 통신이 빠르게 발전하고 있습니다. 통신 채널의 반송파 주파수가 높을수록 더 많은 것으로 알려져 있습니다. 처리량. 따라서 무선 통신은 점점 더 짧은 파장으로 이동하는 경향이 있습니다. 빛의 파장은 무선 범위의 파장보다 평균 6자리 더 짧으므로 레이저 방사선은 훨씬 더 많은 양의 정보를 전송할 수 있습니다. 레이저 통신은 개방형 및 폐쇄형 광 가이드 구조(예: 광섬유)를 통해 수행됩니다. 내부 전반사 현상으로 인해 빛은 실질적으로 약화되지 않고 장거리로 전파될 수 있습니다.

일상적인 생산과 과학 활동. 수년에 걸쳐 이 "도구"는 점점 더 개선될 것이며 동시에 레이저의 범위도 지속적으로 확장될 것입니다. 레이저 기술 분야의 연구 속도가 증가함에 따라 특성이 크게 향상된 새로운 유형의 레이저를 만들 수 있는 가능성이 열리고 있으며, 이를 통해 응용 분야를 확장할 수 있습니다.

특히 단단한 재료뿐만 아니라 취약성이 증가된 재료에도 적용됩니다. 레이저 드릴은 강력할 뿐만 아니라 매우 섬세한 "도구"임이 밝혀졌습니다. 예: 알루미나 세라믹으로 만들어진 칩 기판에 구멍을 뚫을 때 레이저를 사용합니다. 도자기는 유난히 깨지기 쉽습니다. 이러한 이유로 칩 기판에 구멍을 기계적으로 드릴링하는 작업은...