레이저의종류 이병호서울대전기공학부 byoungho@snu.ac.kr
레이저의종류 매질의종류에따라고체 : 루비레이저, Nd:YAG 레이저, Ti:Sapphire 레이저, 광섬유레이저, 기체 : 탄산가스레이저, 헬륨 - 네온레이저, 아르곤이온레이저, 엑시머레이저, 기타 : 색소레이저, 자유전자레이저 발진종류에따라연속파 (cw: continuous wave) 레이저펄스레이저 : ~ 펨토초상용화 -- 아토초연구 파장에따라가시광선, 적외선, 자외선, ~X-ray
각레이저들의발진파장
He-Ne Laser 1961 년 Javan, Bennett, Herriott 세사람은헬륨 (He) 과네온 (Ne) 의혼합기체를이용하여최초로 1152.3nm 의적외선의연속발진에성공 오늘날에는이레이저는수밀리와트의가시광선 (632.8nm) 을발진하게하여실험실에서간섭을이용한측정, 홀로그래피의제작등에널리쓰이고있다. 0.8 torr 의 He 과 0.1 torr 의 Ne 의혼합기체를가늘고긴관속에넣어두고방전시킨다. 헬륨은네온을들뜨게하는매개물질로서작용하여실제의발진은네온에서이루어진다.
Energy Levels for He-Ne Laser
Argon Ion Laser 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Quartz Brewster windows 2 Tungsten disk segments 3 Copper support disks 4 Molybdenum/manganese metalization 5 Ceramic sleeve 6 Flow diverters 7 Tungsten cathode 8 External magnet Spectra-Physics argon-ion laser plasma tube
Energy Levels for Argon Ion Laser Commercial Ar-II argon-ion laser lines.
Argon Ion Laser 의특징 Ar-Ion 레이저는가스레이저로서 He-Ne 레이저와유사 Ar-Ion 레이저는전리 (ionization) 와여기 (excitation) 을위하여대단히높은전류가인가되어야한다. Blue-green 범위에서 100W 이상을공급할수있다. 이온레이저는고전류방전으로여기되는데높은전류밀도는기체를이온화시키고이온들을고준위로여기시킨다. 상위레이저준위가 36 ev 로매우높다. 강력한여기가필요하다.
Laser Shapes A variety of laser shapes have been developed to meet specific design constraints or to solve specific problems
Nd:YAG Laser The energy band diagram for the Nd 3+ ion in YAG
Nd:YAG Laser 의특징 YAG(yttrium aluminum garnet) 결정안의 Nd 가레이저물질 Nd:YAG 레이저는 100W 이하의연속파혹은수 MW 의짧은펄스를만들어내므로응용범위가상당히넓다. 외부광원에의해여기 레이저용접, 의료용, 핵융합
Ruby Laser The energy band diagram for ruby
루비의결정구조 Al O Cr Al 2 O 3 에서불순물로서 Al 과치환된미량의크롬원자가이득매질의역할 섬광에의해펌핑되어순간적으로레이저발진이일어나는펄스형의레이저를낸다. 플라즈마의진단이나홀로그램의제조에쓰인다.
루비레이저의의료응용 제모나문신제거등의의료용레이저로도이용
Ti:Sapphire Laser The Coherent Inc. Mira 900-p is a picosecond pulse Ti:sapphire laser
Ti:Sapphire Laser 의특징 파장가변고체레이저로는현재티타늄사파이어레이저가가장널리쓰이고있으며색소레이저의영역을급속하게대체 티타늄사파이어레이저는알루미늄의자리에치환된 3 가의티타늄이온이약 0.1% 가량첨가된사파이어결정을이용한다. Ti 3+ 이온은 3d 천이금속이온으로알렉산드라이트의크롬이온과원리적으로거의같은레이저발진을한다. 펌핑광원으로는아르곤이온레이저가이용되고있다. 티티늄사파이어레이저의발진파장범위는 660nm 1180nm 로매우넓은범위를가지고있어초단펄스의개발에많이이용되고있다.
CO 2 Laser Carbon dioxide laser cutting system Normal modes of the carbon dioxide molecule
CO 2 Laser 의에너지준위와쓰임새 분자레이저의한종류인탄산가스레이저는 CO₂ 분자의진동준위의에너지차 (10.6 μm, 9.6 μm ) 로레이저발진이일어난다. 탄산가스레이저는연속발진출력이 10kW 가넘는대출력의것도있으며효율도 15 20% 로높다. Nd:YAG 레이저와함께레이저가공분야에널리이용되고있다.
Excimer Laser A simplified potential energy diagram of a rare-gas halogen laser. 엑시머 (excimer) 는 excited dimer 를줄인말로여기상태로만존재하는분자이다. 엑시머분자는여기상태에서기저상태로돌아가면안정한분자상태를형성할수없고해리상태가된다. 엑시머레이저는동위원소분리와같은고도의기술을요구하는광화학 (photochemical) 과정에서응용될수있고강하고효율이높은자외선 (uv) 광원을필요로하는경우에매우유용하다.
Excimer Laser 의내외부
Laser Annealing & Lithography 반도체공정의 lithography 나 LCD 공정의 silicon annealing 에응용된다.
Dye Laser 색소레이저는유기색소분자를알코올등에용해시켜레이저매질로사용 액체레이저 색소의종류나농도를변화시켜, 0.3 μm 1.2 μm범위의근자외선, 가시광, 근적외선의넓은범위에걸쳐연속파장가변이되는레이저가가능하다. 광여기방법 극초단펄스, 의료용
염료의전형적에너지준위
반도체레이저 (DFB LD) 구조도
반도체레이저의원리 p + Junction n + E c E v Fp E g Holes in VB Electrons ev o Electrons in CB E Fn E c E c E g p + Inversion regi on n + E c ev E Fn E Fp E v V 순방향바이어스 pn 접합은내부포텐셜 (potential) 장벽을낮추어서접합의한쪽에서다른쪽으로전자를흐르도록만든다. 전자-홀재결합을하면서전자가전도띠 (conduction band) 에서원자가띠 (valence band) 로떨어질때밴드갭 (band gap) 에해당하는에너지가광자로방출된다. LED 에서는자발방출이일어나지만레이저다이오드 (LD) 에서는유도방출이일어도록제작된다.
반도체레이저의응용 CD, DVD, 광통신, 의료용 현재가장수요가많은반도체레이저는 780nm 파장대의것으로 CD 구동장치의광원으로가장많이이용되고있고, 800nm 대의것은 Nd:YAG 레이저의여기광원과의료용으로, 1.3 μm와 1.5 μm의레이저는주로광통신용으로이용되고있으며최근상품화가된 670nm 대의것은헬륨 - 네온레이저를대신하는용도로사용
광섬유레이저의예
어븀 (Erbium: 에르븀 ) 이온의에너지준위 고체인레이저매질 ( 주로유리 ) 을광섬유의형태로제조하고, 광섬유의코어부분에이온을첨가하여레이저매질이이루어진다. 다른고체레이저와마찬가지로광공진기내에광섬유를위치시킨다. 이광섬유에이온의상준위에해당하는보다짧은파장의광원으로강하게여기시킨다.