9.1.2 레이저 발진기의 구조와 제원

Structure and Specifications of Laser Generator

 

일반적으로 레이저 빛을 얻기 위해서는 레이저 발진기가 있어야 한다. 여기서는 레이저 발진기의 기본 구성에 대하여 고찰해 보자. 우선 레이저 발진 작용을 발생시키려면 그 원인이 되는 물질이 필요한데 이 물질을 레이저 매질이라고 한다. 그리고 외부에서 여기하기 위한 여기 매체(Pumping Source)와 공진기(Resonator) 등도 필요하다.

(1) 레이저 매질

레이저 매질은 액체, 기체, 고체 및 반도체의 4종류로 분리할 수 있다.

• 액체 --- 색소

• 기체 --- He-Ne, Ar, Kr, N2, Co2. XeF

• 고체 --- Nd , 루비, 유리

• 반도체 --- GaAs, Inp, GaAs-P, InAs

(2) 여기 매체

레이저 매질에 따라 여러 가지 여기 매체가 있는데, 구체적으로 레이저 이름과 그 방법을 서술하면 다음과 같다.

• 방전 --- He-Ne Laser, Ar Laser, Kr Laser, N2 Laser, Co2 Laser

• 전류 --- 반도체 레이저

• Flash Lamp --- Nd:YAG Laser, 루비 레이저, 색소 레이저, 유리 레이저

• Laser --- 색소 레이저

(3) 공진기

일반적으로 공진기는 2개의 반사형으로 구성된 Fabry-Perot 간섭계가 사용된다. 이것은 레이저 매질을 중심으로 양끝에 반사경을 부착시킨 것으로, 평면형과 구면형이 있으며, 보통 구면형의 거울은 반사율이 크기 때문에 고반사 거울이라 부르며, 출력측의 거울은 출력결합 거울이라 부른다.

(4) 레이저의 증폭작용

레이저의 기본 구성으로 레이저 매질, 여기 매체, 그리고 공진기가 있다. 이 기본 구성을 기본으로 레이저 광선이 형성되는 과정을 살펴본다. 레이저의 증폭 작용을 보여주는 그림 2-87의 A, B, C, D, E에서

(A) 레이저 매질의 양끝에 거울을 부착시킨 공진기로 여기 되기 전의 상태이다. 여기서 간단히 하기 위하여 H.R(후부반사거울)의 반사율은 완전 반사에 가까운 것으로, O.C(출력 거울)는 일부만 투과하는 것으로 한다.

(B) 여기 매체에 따라 대부분의 원자가 여기 상태로 이동한다.

(C) 몇 개의 원자는 자연 방출되며 어떤 원자는 외부로 빠져나간다. 굵은 화살표 방향으로(축에 평행) 이동하는 광자가 부근의 원자에 충돌하여 2개의 광자를 여기하여 방출시킨다. 또 이 2개의 광자가 다음의 원자에 충돌하여 4개의 광자를 방출시킨다. 이것이 계속해서 일어난다.

그림 2-87 레이저의 증폭작용

(D) 반사 표면까지 도달한 빛은 반사되어 거울 면으로 회절되며, 다시 같은 여기 방출을 몇 번이고 반복한다.

(E) 반사할 때의 손실이 레이저의 이득보다 적지 않으면 발진은 성장하며, 여기 매체에 의해서 주어지는 에너지를 완전히 방출시키기까지 힘은 증대한다. 이때 공진기 내부의 발진광이 일부 투과거울에 의해 누설되며, 방출된 빛이 레이저 빛의 출력이 된다.

(5) 레이저 장치의 제원

레이저 장치의 성능을 표시하는 항목과 제원에 대하여 서술하기로 한다. 레이저 빛의 특성을 이야기한다는 것은 레이저 매질 바로 그것의 차이를 밝히는 것이다. 기체 레이저는 여기가 균일하지 않거나 레이저 매질이 불균일할 경우 출력은 불안정하게 된다. 또한 불순물의 혼입도 고려해야 되며 레이저 매질은 일정한 기간이 지나면 교환되어야 하고 항상 순환한다.

① 발진 파장 (Wavelength)

발진하고 있는 레이저 빛의 중심 파장을 발진 파장이라고 한다 (예: 632.8 ㎚).

② 레이저 출력

연속 발진과 간헐 발진과는 레이저 출력의 표현 방법이 다르다. 연속 발진의 경우는 Watt, 간헐 발진의 경우에는 Joule로 표시한다 (그림 2-88 참조).

그림 2-88 레이저의 출력 에너지

③ 빔 직경

레이저 장치의 출구에서 측정한 빔의 λe2 또는 86.4%의 출력광이 얻어지는 점이 바로 빔 직경이다. 빔은 진행함에 따라 확산되기 때문에 거리의 함수로 표시할 수 있다 (예: 4.65 ㎜).

④ Warm-Up 특성

이것은 전원을 투입한 이후 완전히 안정한 상태로 되기까지(열적 평형 상태에 도달할 때까지) 충분히 동작할 때의 출력을 기본으로 하며 출력의 달성도 또는 출력의 비율을 말한다. 예를 들어, 전원 투입후 30분간을 Warm-Up 시간이라고 규정하며 이후 1시간 동안의 출력 평균치를 안정 출력 상태라고 한다. 이 출력에 대하여 전원 투입 시의 출력은 75%, 15분 후에는 95%에 도달하고 있다는 것을 의미한다 (그림 2-89 참조).

그림 2-89 레이저 출력 상승 시간

 

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