솔리드 입문서

Nov 17, 2023

최초의 레이저는 1960년 Theodore Maiman이 제작한 고체 루비 레이저였습니다. 그러나 고체 레이저는 역사적 호기심이 아닙니다. 오히려 이 기술은 수년에 걸쳐 성장하고 다양화되어 엄청난 범위의 과학, 산업, 항공우주, 국방, 의료 및 생명과학 응용 분야에 서비스를 제공하고 있습니다.

레이저는 레이저 발사 재료(이득 매체)의 물질 상태에 따라 가스, 액체, 고체, 심지어 플라즈마 레이저로 광범위하게 분류됩니다. 그러나 크리스탈이나 유리 이득 매체를 사용하는 레이저에만 고체라는 용어를 사용하는 것이 일반적입니다. 이 호스트 재료는 일반적으로 인구와 레이저 작용을 지원하기 위해 이온으로 도핑됩니다.

펌핑은 레이저 결정에 원시 에너지를 공급한 후 레이저 광으로 변환하는 과정입니다. 결정은 비전도성이므로 펌프 에너지는 사실상 항상 전기의 형태가 아닌 빛의 형태로 고체 이득 매체에 공급됩니다. 초기 고체 레이저는 플래시램프에 의해 펌핑되었습니다. 이러한 상황은 1980년대에 다이오드 레이저 펌핑이 도입되면서 극적으로 바뀌었습니다.

다이오드 레이저는 강력한 광원을 제공하며 파장은 이득 매질의 흡수에 맞춰질 수 있습니다. 그 결과 원래 레이저에 공급된 상대적으로 많은 양의 에너지(특히 다이오드에 전원을 공급하는 데 사용되는 전기)가 결국 레이저 광으로 변환되는 매우 효율적인 레이저가 생성됩니다. 또한 다이오드 펌핑은 엄청난 신뢰성과 수명 이점, 작은 설치 공간(크기) 및 운영 일관성을 제공합니다.

그러나 특정 고체 레이저 결정에는 램프 펌핑이 여전히 사용됩니다. 이는 램프 펌핑 고체 레이저가 매우 높은 펄스 에너지를 생성할 수 있기 때문입니다. 또한 램프 펌프 전력의 일반적인 구매 가격과 와트당 비용은 다이오드보다 훨씬 낮습니다.

고체 레이저 공진기는 대부분 전통적인 방식으로 구성됩니다. 즉, 이득 물질은 두 거울 사이에 배치되어 광학 공동을 형성합니다. 레이저 크리스탈의 끝 부분을 코팅하여 거울이 되는 경우도 있습니다. 레이저 크리스탈 자체는 막대, 슬래브 또는 얇은 디스크 형태일 수 있습니다.

사용 가능한 다양한 결정의 수가 많기 때문에 현재 사용되고 있는 고체 레이저의 종류도 다양합니다. 기존의 고체 레이저는 매우 넓은 범위의 출력 특성을 다루기 때문에 여기에서 이를 모두 설명하는 것은 불가능하며 분류하는 것조차 어렵습니다. 그러나 이 논의의 목적에 따라 연속파(CW) 및 나노초 펄스 폭, 초단 펄스 및 초고속 레이저라는 세 가지 광범위한 범주로 분류하는 것이 유용합니다.

이 범주의 가장 일반적인 고체 레이저는 네오디뮴 결정을 기반으로 하며 일반적으로 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG), 이트륨 오르토바나데이트(Nd:YVO4) 또는 이트륨 불화리튬(Nd:YLF)으로 도핑됩니다. 이 모든 결정의 가장 강력한 레이저 기본 출력은 약 1μm의 적외선에 있습니다.

이러한 결정은 각각 다소 다른 작동 특성을 생성하므로 모두 사용됩니다. 예를 들어, Nd:YVO4는 높은 피크 전력, 높은 반복률 펄스 레이저에 가장 적합합니다. 대조적으로, Nd:YAG는 일반적으로 더 낮은 반복률에서 더 높은 총 펄스 에너지를 제공합니다. Nd:YLF는 일반적으로 더 낮은 반복률에서도 더 높은 펄스 에너지를 제공합니다.

Nd 대신 홀뮴, 툴륨, 이테르븀 또는 에르븀 도펀트를 활용하는 여러 가지 레이저 결정도 있습니다. Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG 결정은 모두 약 2μm에서 레이저를 발생시킵니다. 이 파장은 물을 함유한 생체 조직에 강하게 흡수되므로 이러한 레이저 유형은 다양한 의료 응용 분야에 유용합니다.

이러한 결정의 대부분은 연속파(CW)로 작동될 수 있습니다. 그러나 대부분의 재료 가공 및 기타 산업용 고체 레이저는 펄스 방식으로 작동됩니다. 펄스는 피크 전력을 증가시킵니다. 이는 많은 재료, 특히 금속의 절삭 임계값(용융 또는 기화에 필요한 최소 전력)을 초과하거나 마킹을 위한 표면 색상 변화를 생성하는 데 중요합니다.