레이저 기본 사항: 주요 특성 이해

일반적인 광원은 모든 방향으로 방사되는 빛을 방출하고 거리가 멀어질수록 감쇠합니다. 이러한 감쇠는 주로 이러한 광원에서 나오는 빛이 자발적으로 방사되는 동안 광원 내의 수많은 분자 또는 원자가 독립적으로 광자를 방출한 결과이기 때문입니다. 이와 대조적으로 레이저는 자극 방출을 통해 입사 광자를 증폭시킵니다.

레이저는 일반 광원과 다른 생성 메커니즘으로 인해 기존 빛과는 다른 고유한 특성을 보이며, 일반적으로 방향성, 단색성, 일관성, 고강도 등 네 가지 측면으로 요약할 수 있습니다.

레이저의 방향성

레이저는 자극된 방사선을 통해 빛을 방출하며, 각 광자는 광학 공진기의 제어 하에 입사된 빛과 동일한 주파수, 위상 및 편광 상태를 유지합니다. 이러한 제어를 통해 레이저 빔은 공진기의 축을 따라 매우 작은 발산각으로 평행광에 가까운 상태로 엄격하게 전파될 수 있습니다.

레이저의 높은 방향성은 자극 방출 메커니즘과 광학 공진기가 진동하는 광선의 방향에 미치는 제한적인 영향에 의해 결정됩니다. 정확한 데이터에 따르면 지구에서 달까지 약 38만 킬로미터의 거리에서 방출된 레이저 빔은 달에 직경 1000미터 미만의 빔 스팟을 생성하는 것으로 나타났습니다.

이러한 뛰어난 방향성 덕분에 레이저는 거리 측정, 통신 및 위치 확인에 널리 사용되고 있습니다. 레이저의 높은 지향성 덕분에 장거리 전송과 매우 높은 출력 밀도에 초점을 맞출 수 있으며, 이 두 가지 모두 다음과 같은 경우에 매우 중요합니다. 레이저 가공.

레이저의 단색성

빛의 색은 파장에 따라 결정됩니다. 강도가 최대값의 절반인 두 파장 사이의 폭을 일반적으로 스펙트럼 선의 폭으로 정의합니다. 스펙트럼 선의 폭이 좁을수록 빛의 단색성이 우수합니다. 가시광선은 각각 40~50나노미터의 스펙트럼 선 폭을 가진 7가지 색상으로 구성됩니다.

레이저의 단색성은 일반 광원의 단색성을 훨씬 뛰어넘습니다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저에서 방출되는 적색 레이저 빛의 스펙트럼 선폭은 10%에 불과합니다.^-8 나노미터로 크립톤 램프보다 훨씬 더 단색입니다. 일부 특수 레이저는 단색도가 훨씬 더 높습니다.

레이저의 매우 높은 단색성은 초점 렌즈의 색 분산(파장에 따른 굴절률의 변화)을 사실상 제거하여 광선을 초점에 정확하게 집중시켜 높은 출력 밀도를 달성할 수 있게 해줍니다. 레이저의 뛰어난 단색성은 정밀 기기 측정과 과학 실험에서 특정 화학 반응을 자극하는 데 유리한 도구를 제공합니다.

레이저의 일관성

코히어런스는 주로 광파의 여러 부분 간의 위상 관계를 설명하며, 시간적 코히어런스와 공간적 코히어런스라는 두 가지 측면을 포괄합니다. 레이저의 경우, 광장의 공간 분포는 일반적으로 전파 방향(캐비티 축)에 따른 분포로 분해됩니다. E(z) 와 전파 방향에 수직인 횡단면의 분포입니다. E(x, y).

따라서 레이저 캐비티 모드는 각각 캐비티 모드의 종방향 및 횡방향 라이트 필드 분포를 나타내는 종방향 모드와 횡방향 모드로 나눌 수 있습니다.

(1) 시간적 일관성

레이저의 시간적 일관성은 빔 전파 방향을 따라 점 사이의 위상 관계를 나타냅니다. 실제 애플리케이션에서는 레이저의 시간적 일관성을 설명하기 위해 일관성 시간을 사용하는 경우가 많습니다. 스펙트럼 선폭이 좁을수록, 즉 단색성이 높을수록 일관성 시간이 길어집니다.

단일 모드 안정화 주파수 가스 레이저는 일반적으로 10%에 이르는 최고의 단색도를 제공합니다.⁶ 10¹³ 고체 레이저는 주로 게인 곡선이 넓어 단일 종방향 모드 작동을 보장하기 어렵고 반도체 레이저는 단색성이 가장 나쁘기 때문에 단색성이 떨어집니다.

단일 모드 작동(모드 선택 기술)과 주파수 안정화는 일관성을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 주파수 안정화된 단일 횡단 모드 레이저는 이상적인 단색 평면파에 가까운 빛, 즉 완전한 코히어런트를 방출합니다.

(2) 공간적 일관성

레이저의 공간 일관성은 빔 전파 방향에 수직인 평면상의 점 사이의 위상 관계입니다. 이는 빔에서 방출된 빛이 공간의 한 지점에서 수렴하여 간섭 패턴을 형성할 수 있는 규모를 의미하며, 공간 일관성은 광원의 크기와 관련이 있습니다.

이상적인 평면파는 공간적으로 완전히 일관되고 발산각이 0입니다. 그러나 실제로는 회절 효과로 인해 레이저가 달성할 수 있는 최소 빔 방출 각도는 출력 조리개를 통과할 때 회절 한계 각도보다 작을 수 없습니다.

레이저의 공간 일관성을 개선하려면 먼저 레이저가 단일 가로 모드에서 작동하도록 제한하고, 두 번째로 광학 캐비티 유형을 적절히 선택하고 캐비티 길이를 늘려 빔의 지향성을 향상시키는 것이 중요합니다. 또한 활성 매체의 불균일성, 캐비티 가공 및 조정 오류 및 기타 요인으로 인해 빔의 지향성이 저하될 수 있습니다.

고강도 레이저

레이저 빔의 우수한 지향성으로 인해 방출되는 에너지는 매우 좁은 솔리드 각도 내에 국한되고 에너지는 좁은 스펙트럼 선폭 내에 집중됩니다. 이는 기존 광원에 비해 레이저의 스펙트럼 밝기를 크게 증가시킵니다. 에너지 방출이 매우 짧은 시간 간격으로 더욱 압축되는 펄스 레이저에서는 스펙트럼 밝기를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

현재 레이저 개발의 중요한 방향은 출력과 효율을 높이는 것입니다. CO와 같은 가스 레이저₂는 가장 높은 연속 출력을 생성할 수 있고, 고체 레이저는 가장 높은 펄스 출력을 생성할 수 있습니다.

특히 광학 캐비티 변조 기술과 레이저 증폭기를 사용하면 레이저 진동 시간을 매우 작은 값(약 10^-9 초), 출력 에너지가 증폭되어 펄스 파워가 매우 높아질 수 있습니다. 모드 잠금 및 펄스 폭 압축 기술을 사용하면 레이저 펄스 폭을 10%까지 더 압축할 수 있습니다.^-15 초.

가장 중요한 것은, 레이저 파워 (에너지)를 한 가지(또는 몇 가지) 모드로 집중시킬 수 있으므로 매우 높은 수준의 광자 퇴화를 달성할 수 있습니다. 레이저 빔이 렌즈를 통해 집중되면 초점 근처에서 수천, 수만 섭씨에 달하는 온도를 생성하여 모든 재료를 가공할 수 있습니다.

예를 들어, 고출력 CO₂ 레이저 커팅 산업에서 일반적으로 사용되는 기계는 127~190mm의 초점 거리와 0.1~0.4mm 범위의 초점 직경을 채택하며, 에너지 밀도는 10W/cm에 달할 수 있습니다.².