레이저 크리스탈은 어떻게 작동하나요?

2023-08-16

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레이저 크리스탈은 레이저 시스템의 핵심으로, 일관성 있는 빛의 생성과 증폭을 가능하게 합니다. 레이저 결정의 작동 방식을 이해하려면 유도 방출의 기본 원리와 레이저 발생 과정을 자세히 살펴봐야 합니다.

1. 유도 방출:

레이저 결정은 일반적으로 루비(크롬이 첨가된 알루미늄 산화물) 또는 Nd:YAG (네오디뮴 첨가 이트륨 알루미늄 가넷). 이러한 결정에는 결정 격자 내에 에너지 준위를 갖는 불순물 이온(예: 크롬 또는 네오디뮴)이 포함되어 있습니다.

레이저 결정이 플래시램프나 다른 레이저와 같은 외부 에너지원에 의해 여기되면 도펀트 이온이 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 수준으로 전환됩니다. 이 과정을 흡수라고 합니다. 여기된 이온은 자연 방출을 통해 다시 낮은 에너지 수준으로 이완되어 임의의 방향과 위상으로 광자를 방출합니다.

그러나 레이저 결정에서는 유도 방출이라는 현상이 발생할 수 있습니다. 특정 에너지(여기된 에너지 수준과 낮은 에너지 수준 사이의 에너지 차이와 일치)를 가진 광자가 여기된 이온 근처를 통과할 때 이온을 자극하여 에너지, 방향, 위상 및 분극이 동일한 두 번째 광자를 방출할 수 있습니다. 이 과정은 방출된 광자가 차례로 다른 여기 이온을 자극하여 더 많은 광자를 방출하여 빛을 증폭시킬 수 있기 때문에 계단식 효과를 생성합니다.

2. 광학 공진기:

레이저 동작을 달성하기 위해 레이저 크리스탈은 공동을 형성하는 두 개의 거울로 구성된 광학 공진기 내에 배치됩니다. 한 거울은 부분적으로 반사되어 방출된 빛의 일부가 빠져나가는 반면, 다른 거울은 반사율이 높아 빛을 크리스탈로 다시 반사합니다.

광학 공진기는 레이저 작동에서 중요한 역할을 합니다. 이는 광자를 다시 결정으로 반사하여 추가 방출과 증폭을 자극함으로써 증폭 과정을 유지하기 위한 피드백을 제공합니다. 공진기의 길이는 레이저 결정에 의해 증폭되고 방출되는 빛의 특정 파장을 결정합니다.

3. 펌핑 메커니즘:

레이저 크리스탈 도펀트 이온을 여기시키고 레이저 공정을 시작하려면 외부 에너지원이 필요합니다. 이 에너지원을 펌프라고 합니다. 펌프는 특정 결정 재료 및 응용 분야에 따라 플래시 램프, 다이오드 레이저 또는 기타 레이저 형태일 수 있습니다.

펌프는 레이저 결정의 도펀트 이온을 여기시켜 더 높은 에너지 수준으로 올립니다. 이온이 유도 방출을 통해 낮은 에너지 준위로 다시 이완되면서 광학 공진기로 인해 결정 내에서 증폭된 광자를 방출합니다. 이 증폭 과정은 공진기에 충분한 수의 광자가 존재하여 응집력 있고 강렬한 레이저 빔을 형성할 때까지 계속됩니다.

요약하면, 레이저 결정은 유도 방출 및 광학 공진기의 원리를 활용하여 작동합니다. 결정 내의 도펀트 이온은 외부 펌프 소스로부터 에너지를 흡수하여 더 높은 에너지 레벨로 전환된 다음 유도 방출을 통해 광자를 방출합니다. 이러한 광자는 광학 공진기로 인해 결정 내에서 증폭되어 일관성 있고 집중된 레이저 빔이 생성됩니다.