레이저 작동 방식

사진 제공 NASA NASA Langley Research Center의 광학 손상 임계값 테스트 스테이션.

"스타워즈", "스타트렉", "배틀스타 갤럭티카" -- 레이저 기술은 공상과학 영화와 책 에서 중추적인 역할을 합니다. 이러한 종류의 이야기 덕분에 우리는 이제 레이저를 미래 전쟁 및 세련된 우주선 과 연관시킵니다 .

다음으로 포럼: 레이저 출력은 무한합니까? 빛의 작동 원리 원자의 작동 원리 Discovery.com: 자이언트 레이저

그러나 레이저는 일상 생활에서도 중추적인 역할을 합니다. 사실, 그들은 놀라운 범위의 제품과 기술에 등장합니다. CD 플레이어 에서 치과 드릴, 고속 금속 절단기, 측정 시스템 에 이르기까지 모든 곳에서 찾을 수 있습니다. 문신 제거, 머리 교체 , 눈 수술 -- 모두 레이저를 사용합니다. 그러나 레이저가 무엇입니까? 레이저 광선이 손전등 광선과 다른 점은 무엇입니까 ? 구체적으로, 레이저 빛이 다른 종류의 빛과 다른 점은 무엇입니까? 레이저는 어떻게 분류됩니까?

이 기사에서는 다양한 유형의 레이저, 다양한 파장 및 사용 용도에 대해 모두 배울 것입니다. 그러나 먼저 레이저 기술의 기초부터 시작하겠습니다. 원자의 기초를 알아보려면 다음 페이지로 이동하십시오.

내용물

1. 원자의 기초
2. 에너지 흡수
3. 레이저/원자 연결
4. 레이저 광
5. 루비 레이저
6. 3단계 레이저
7. 레이저의 종류
8. 당신의 파장은 무엇입니까?
9. 레이저 분류

우주 전체 에는 약 100가지 종류의 원자 만 존재합니다. 우리가 보는 모든 것은 이 100개의 원자가 무한한 조합으로 이루어져 있습니다. 이 원자들이 어떻게 배열되고 함께 결합되는지에 따라 원자가 한 컵의 물, 금속 조각 또는 탄산음료 캔에서 나오는 거품을 구성하는지 여부가 결정됩니다!

원자는 끊임없이 움직입니다. 그들은 지속적으로 진동하고, 움직이고, 회전합니다. 우리가 앉아 있는 의자를 구성하는 원자조차도 이리저리 움직입니다. 고체는 실제로 움직이고 있습니다! 원자는 다양한 여기 상태에 있을 수 있습니다 . 즉, 그들은 다른 에너지를 가질 수 있습니다. 원자에 많은 에너지를 가하면 바닥 상태 에너지 준위를 벗어나 들뜬 준위 로 올라갈 수 있습니다. 여기 수준은 열, 빛 또는 전기 를 통해 원자에 적용되는 에너지의 양에 따라 다릅니다 .

위는 원자가 어떻게 생겼는지에 대한 고전적인 해석입니다.

이 간단한 원자는 핵 (양자와 중성자를 포함)과 전자 구름으로 구성됩니다. 많은 다른 궤도에서 핵 을 도는 이 구름의 전자를 생각하면 도움이 됩니다 .

이전 페이지의 그림을 고려하십시오. 원자에 대한 보다 현대적인 견해 는 전자에 대한 이산 궤도 를 묘사하지 않지만 이러한 궤도를 원자의 다른 에너지 준위로 생각하는 것이 유용할 수 있습니다. 다시 말해, 원자에 약간의 열을 가하면 저에너지 궤도에 있는 전자 중 일부가 핵에서 더 멀리 떨어진 고에너지 궤도로 전환될 것이라고 기대할 수 있습니다.

이것은 사물에 대한 매우 단순화된 관점이지만 실제로는 원자가 레이저의 관점에서 어떻게 작동 하는지에 대한 핵심 아이디어를 반영합니다 .

전자가 더 높은 에너지 궤도로 이동하면 결국 바닥 상태로 돌아가기를 원합니다. 그렇게 하면 에너지를 광자 , 즉 빛 의 입자로 방출 합니다. 항상 광자로 에너지를 방출하는 원자를 볼 수 있습니다. 예를 들어, 토스터기 의 발열체 가 밝은 빨간색으로 바뀌면 빨간색은 원자에 의해 발생하고 열에 의해 여기되어 빨간색 광자를 방출합니다. TV 화면 에서 사진을 볼 때 보고 있는 것은 형광체 원자이며 고속 전자에 의해 여기되어 다양한 색상의 빛을 방출합니다. 빛을 생성하는 모든 것 - 형광등 , 가스 랜턴 , 백열 전구 -- 궤도를 변경하고 광자를 방출하는 전자의 작용을 통해 수행합니다.

레이저 장치이다 통전 원자가 광자를 방출하는 것이 그 제어 방법. "레이저"는 레이저가 작동하는 방식을 매우 간결하게 설명 하는 유도 방사 방출에 의한 광 증폭 의 약어입니다 .

많은 유형의 레이저가 있지만 모두 특정 필수 기능이 있습니다. 레이저에서 레이저 매체는 원자 를 여기 상태로 만들기 위해 "펌핑"됩니다 . 일반적으로 매우 강렬한 빛의 섬광이나 전기 방전은 레이저 매질을 펌핑하고 많은 양의 여기 상태 원자(고에너지 전자를 가진 원자)를 생성합니다. 레이저가 효율적으로 작동하려면 여기 상태에서 원자의 많은 집합이 필요합니다. 일반적으로 원자는 바닥 상태보다 2~3단계 높은 수준으로 여기됩니다. 이것은 인구 역전 의 정도를 증가시킵니다 . 인구 역전은 여기 상태의 원자 수 대 바닥 상태의 원자 수입니다.

레이저 매체가 펌핑되면 일부 전자가 여기 수준에 있는 원자 집합이 포함됩니다. 여기된 전자는 이완된 전자보다 더 큰 에너지를 갖는다. 전자가 이 들뜬 수준에 도달하기 위해 일정량의 에너지를 흡수한 것처럼 이 에너지도 방출할 수 있습니다. 아래 그림에서 알 수 있듯이 전자는 단순히 이완되어 일부 에너지를 스스로 제거할 수 있습니다. 이 방출된 에너지 는 광자 (빛 에너지) 의 형태로 옵니다 . 방출된 광자는 광자가 방출될 때 전자의 에너지 상태에 따라 매우 특정한 파장 (색상)을 갖습니다 . 동일한 상태의 전자를 가진 두 개의 동일한 원자는 동일한 파장의 광자를 방출합니다.

레이저 광은 일반 광 과 매우 다릅니다 . 레이저 광에는 다음과 같은 속성이 있습니다.

• 방출되는 빛은 단색입니다. 그것은 하나의 특정 파장의 빛(하나의 특정 색상)을 포함합니다. 빛의 파장은 전자가 낮은 궤도로 떨어질 때 방출되는 에너지의 양에 의해 결정됩니다.
• 방출된 빛은 일관성이 있습니다. 그것은 "조직화"되어 있습니다. 각 광자는 다른 광자와 함께 움직입니다. 이것은 모든 광자가 일제히 발사되는 파면을 가지고 있음을 의미합니다.
• 빛은 매우 방향성이 있습니다. 레이저 광선은 빔이 매우 조밀하고 매우 강하고 집중되어 있습니다. 반면에 손전등은 여러 방향으로 빛을 방출하며 빛은 매우 약하고 확산됩니다.

이 세 가지 속성이 발생하도록 하려면 유도 방출 이라고 하는 것이 필요합니다 . 이것은 일반적인 손전등 에서는 발생하지 않습니다 . 손전등에서 모든 원자는 무작위로 광자를 방출합니다. 유도 방출에서는 광자 방출이 구성됩니다.

원자가 방출하는 광자는 여기 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이에 따라 달라지는 특정 파장을 가지고 있습니다. 이 광자(특정 에너지와 위상을 가짐)가 동일한 여기 상태의 전자를 가진 다른 원자를 만나면 유도 방출이 발생할 수 있습니다. 첫 번째 광자는 원자 방출을 자극하거나 유도하여 후속 방출된 광자(두 번째 원자에서)가 들어오는 광자와 동일한 주파수 및 방향으로 진동하도록 할 수 있습니다.

레이저의 또 다른 핵심 은 레이저 매체의 양쪽 끝에 하나씩 있는 한 쌍의 거울 입니다. 매우 특정한 파장과 위상을 가진 광자는 미러에서 반사되어 레이저 매체를 통해 앞뒤로 이동합니다. 이 과정에서 다른 전자를 자극하여 하향 에너지 점프를 하고 동일한 파장과 위상의 더 많은 광자를 방출할 수 있습니다. 캐스케이드 효과가 발생하고 곧 우리는 동일한 파장과 위상의 많은 광자를 전파합니다. 레이저의 한쪽 끝에 있는 거울은 "반은색"으로 되어 있어 일부 빛을 반사하고 일부 빛을 통과시킵니다. 그것을 통과하는 빛은 레이저 빛입니다.

간단한 루비 레이저 가 어떻게 작동 하는지 보여주는 다음 페이지의 그림에서 이러한 모든 구성 요소를 볼 수 있습니다 .

루비 레이저는 플래시 튜브( 카메라에 있는 것처럼 ), 루비 막대 및 두 개의 거울(하나는 반은색)로 구성됩니다. 루비 막대는 레이저 매체이고 플래시 튜브는 그것을 펌핑합니다.

1. 비발광 상태의 레이저

 

2. 플래시 튜브가 발사되어 루비 막대에 빛을 주입합니다. 빛은 루비의 원자를 자극합니다.

 

3. 이들 원자 중 일부는 광자를 방출합니다.

 

4. 이 광자 중 일부는 루비 축과 평행한 방향으로 움직이기 때문에 거울에서 앞뒤로 튕깁니다. 결정을 통과할 때 다른 원자의 방출을 자극합니다.

 

5. 단색, 단상, 기둥 모양의 빛이 반은 거울을 통해 루비를 떠납니다 -- 레이저 빛!

다음은 실제 3단계 레이저에서 일어나는 일입니다.

다음 섹션에서는 다양한 유형의 레이저에 대해 알아봅니다.

다양한 종류의 레이저가 있습니다. 레이저 매체는 고체, 기체, 액체 또는 반도체 일 수 있습니다 . 레이저는 일반적으로 사용되는 레이저 재료 유형에 따라 지정됩니다.

• 고체 상태 레이저 는 고체 매트릭스에 레이저 재료가 분포되어 있습니다(예: 루비 또는 네오디뮴:이트륨-알루미늄 가넷 "Yag" 레이저). 네오디뮴-YAG 레이저는 적외선 발광 광을 1,064 나노 미터 (㎚)에서. 나노미터는 1x10 ^-9 미터입니다.

• 가스 레이저 (헬륨 및 헬륨-네온, HeNe는 가장 일반적인 가스 레이저임)는 가시 적색광의 기본 출력을 가지고 있습니다. CO2 레이저는 원적외선으로 에너지를 방출하며 단단한 재료를 절단하는 데 사용됩니다.

• 엑시머 레이저 (이름은 여기 및 이합체 라는 용어에서 파생됨 )는 아르곤, 크립톤 또는 크세논과 같은 불활성 가스와 혼합된 염소 및 불소와 같은 반응성 가스를 사용합니다. 전기적으로 자극되면 유사 분자(이량체)가 생성됩니다. 레이저를 쏘면 이합체는 자외선 범위의 빛을 생성합니다.

• 염료 레이저 는 로다민 6G와 같은 복잡한 유기 염료를 레이저 매체로 액체 용액 또는 현탁액에 사용합니다. 광범위한 파장에서 조정할 수 있습니다.

• 다이오드 레이저라고도 하는 반도체 레이저 는 고체 레이저가 아닙니다. 이러한 전자 장치는 일반적으로 매우 작고 저전력을 사용합니다. 일부 레이저 프린터 나 CD 플레이어 의 기록 소스와 같이 더 큰 어레이에 내장될 수 있습니다 .

루비 레이저 (이전에 도시 된)는 694 nm의 파장에서의 고체 레이저를 방출한다. 원하는 방출 파장(아래 표 참조), 필요한 전력 및 펄스 지속 시간에 따라 다른 레이저 매체를 선택할 수 있습니다. 일부 레이저는 강철을 절단할 수 있는 CO2 레이저와 같이 매우 강력 합니다. CO2 레이저가 위험한 이유 는 스펙트럼의 적외선과 마이크로파 영역에서 레이저 빛 을 방출하기 때문 입니다. 적외선은 열이며 이 레이저는 기본적으로 초점을 맞추는 모든 것을 녹입니다.

다이오드 레이저와 같은 다른 레이저는 매우 약하며 오늘날의 포켓 레이저 포인터에 사용됩니다. 이러한 레이저는 일반적으로 630nm에서 680nm 사이의 파장을 갖는 적색 광선을 방출합니다. 레이저는 강렬한 레이저 빛을 사용하여 다른 분자를 여기시켜 그들에게 무슨 일이 일어나는지 관찰하는 것을 포함하여 많은 일을 하기 위해 산업 및 연구에서 활용됩니다.

다음은 몇 가지 일반적인 레이저와 방출 파장입니다.

레이저 유형	파장(nm)
아르곤 플루오라이드(UV)	193
크립톤 불화물(UV)	248
염화제논(UV)	308
질소(UV)	337
아르곤(파란색)	488
아르곤(녹색)	514
헬륨 네온(그린)	543
헬륨 네온(빨강)	633
로다민 6G 염료(조정 가능)	570-650
루비(CrAlO 3 )(빨간색)	694
Nd:야그(NIR)	1064
이산화탄소(FIR)	10600

레이저 경고 표시

레이저는 생물학적 손상 을 일으킬 가능성에 따라 크게 4가지 영역으로 분류됩니다 . 레이저를 보면 다음 4가지 등급 중 하나로 레이블이 지정되어야 합니다.

• 클래스 I - 이 레이저는 알려진 위험 수준에서 레이저 방사선 을 방출할 수 없습니다 .
• 클래스 IA - 슈퍼마켓 레이저 스캐너와 같이 "보기용이 아닌" 레이저에만 적용되는 특별 지정입니다. 클래스 IA의 전력 상한은 4.0mW입니다.
• 클래스 II - 클래스 I 수준 이상으로 방출하지만 1mW를 넘지 않는 복사 전력으로 방출하는 저출력 가시 레이저입니다. 개념은 밝은 빛에 대한 인간의 혐오 반응이 사람을 보호한다는 것입니다.
• 클래스 IIIA - 빔 내 보기에만 위험한 중간 출력 레이저(cw: 1-5mW)입니다. 대부분의 펜 모양의 포인팅 레이저가 이 클래스에 속합니다.
• 클래스 IIIB - 중간 출력 레이저입니다.
• 클래스 IV - 고출력 레이저(cw: 500mW, 펄스: 10J/cm ² 또는 확산 반사 한계)로 모든 조건(직접 또는 확산 산란)에서 보기에 위험 하고 잠재적인 화재 위험이 있습니다. 및 피부 위험. Class IV 레이저 시설에 대한 상당한 통제가 필요합니다.

레이저 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

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저자 소개
Matthew Weschler는 Florida State University에서 물리 유기 화학 석사 학위를 받았습니다. 그의 논문 주제는 피코초 레이저 분광법이었고 분자가 레이저 광선을 받은 후 피코초에 반응하는 방식을 연구했습니다.