레이저 펌핑

레이저 펌핑은 무엇입니까?

레이저 펌핑은 기저 상태보다 여기 상태에서 원자 또는 분자가 더 많은 밀도 반전을 일으킬 수 있도록 레이저 시스템에 에너지를 유도하는 것을 의미합니다. 이렇게 하면 빛의 유도 방출 가능성이 증가되고 레이저 발생을 가능하게 해줍니다.

펌핑을 통한 에너지 유도

레이저 유형에 따라 광학적 펌핑, 전기적 펌핑, 화학적 펌핑 등의 다양한 방법으로 레이저 펌핑을 수행할 수 있습니다. 사용된 펌핑 방법에 관계없이 레이저를 작동시키기 위한 핵심은 이득 매질에서 밀도 반전을 일으키는 것입니다. 이것은 레이저 작동이 아인슈타인이 처음 설명한 유도 방출이라는 과정을 기반으로 하기 때문입니다. 이러한 과정은 이득 매질에서 여기된 원자 또는 분자가 외부에서 들어오는 광자에 의해 유도되어 동일 파장 및 위상의 두 번째 광자를 방출할 때 발생합니다. 

이러한 증폭 과정에 따라 위상이 같고 단일 파장과 방향을 갖는 일관된 빛이 발생합니다. 그러나 여기된 입자가 유도 방출을 겪을 가능성은 여기된 입자 수에 따라 매우 크게 달라집니다. 따라서 기저 상태보다는 여기 상태의 입자가 더 많아야 합니다. 그렇지 않으면 다른 메커니즘이 발생하여 펌핑된 에너지가 대신 열이나 임의의 빛(자연 방출)으로 손실됩니다. 이러한 교차 지점을 펌핑 임계값이라고도 부릅니다.

가장 일반적인 유형의 레이저에서 이것이 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

레이저 유형은 일반적으로 선택한 이득 매질에 따라 분류됩니다. 이것은 실제로 펌프 에너지를 레이저 광으로 변환하는 물질입니다. 이득 매질은 고체 결정이나 유리, 반도체 칩, 가스 플라즈마 또는 액체일 수 있습니다.

광학적 펌핑 고체 레이저

광학적 펌핑에서 여기광은 이득 매질의 흡수 스펙트럼과 일치하는 파장을 가져야 합니다. 이득 매질이 여기광을 흡수하면 전자가 더 높은 에너지 준위로 승격되어 밀도 반전이 일어납니다. 

광학적 펌핑은 이득 매질이 유리 또는 수정 조각인 고체 레이저를 펌핑하는 가장 일반적인 방법입니다. 수년 동안 여기광은 짧은 빛의 폭발을 방출하는 고강도 광원인 강렬한 플래시 램프로 제공되었습니다. 플래시 램프는 일반적으로 이후 이득 매질에 집중되는 강렬한 백색광을 방출합니다. 최초의 레이저는 다음 유형의 고체 레이저였습니다. 플래시 램프로 펌핑되는 루비 레이저.

다이오드 펌핑 고체 레이저(DPSS)

안타깝게도 플래시 램프는 넓은 스펙트럼의 파장으로 빛을 생성하지만 고체 이득 매질은 일반적으로 한 개 또는 매우 특정적인 파장에서만 흡수가 이뤄집니다. 따라서 플래시 램프의 에너지 대부분이 열로 전환됩니다. 그 결과 액티브 방식의 수냉 장치가 필요합니다. 또한 열 렌즈 현상이라는 문제로 인해 출력 빔 품질을 손상시키지 않고 레이저 출력을 조정하는 기능이 제한됩니다.

이러한 열 문제를 줄이기 위해 전기적으로 펌핑되는 반도체 칩인 다이오드 레이저로 플래시 램프를 교체하는 방식의 해결 방법이 사용되었습니다(아래 참조). 다이오드 레이저는 고체 이득 매질이 빛을 흡수하는 것으로 알려진 파장으로만 빛을 생성하도록 설계되었습니다. 따라서 이러한 유형의 레이저를 당연하게도 다이오드 펌핑 고체 레이저(DPSS)라고 부릅니다.

다른 레이저의 광학적 펌핑

색소레이저에서 이득 매질은 액체 형태로 있습니다. 형광 염료를 포함하는 용매. 이러한 레이저는 다른 레이저 또는 플래시 램프에 의해 광학적으로 펌핑됩니다. 언제나 마이너 기술로 사용되는 색소레이저는 이전까지 파장 조정성으로 인해 과학 연구에 사용되었습니다. 그러나 오늘날 파장 조정이 필요한 대부분의 응용 분야는 티타늄 기반의 고체 대안으로 이전되었습니다. 사파이어(Ti:S) 또는 이테르븀 이득 매질. 그러나 플래시 램프로 펌핑되는 펄스 색소레이저는 일부 경우에 쇄석술과 같은 틈새 응용 분야에 사용됩니다.

티타늄 사파이어 레이저는 이득 매질이 티타늄 이온으로 도핑된 사파이어 결정인 고체 레이저입니다. 이러한 레이저는 일부 유형의 녹색 레이저로 광학적으로 펌핑됩니다. 넓은 파장 범위의 레이저로 형광 현미경 및 유동 세포 분석과 같이 간단한 조정성이 필요한 응용 분야를 지원하기 때문에 과학 분야에서 널리 사용됩니다. 또한 모드 잠금이라는 방법을 사용하여 몇 펨토초만큼 짧은 펄스로 펄스 작동을 지원합니다.

다른 레이저에는 다른 희토류 금속으로 도핑된 파이버 기반 레이저는 물론 이터븀 도핑 유리 및 이터븀 도핑 파이버를 포함하여 다이오드 레이저에 의한 광학적 펌핑이 사용됩니다.

가스 레이저의 전기적 펌핑

전기적 펌핑은 레이저 펌핑의 또 다른 방법입니다. 여기에는 이득 매질을 통해 전류를 전달하여 원자 또는 분자를 여기하는 과정이 포함됩니다. 이러한 펌핑 메커니즘은 저압 가스를 통한 전기 흐름으로 플라즈마가 생성되는 거의 모든 가스 레이저에서 사용됩니다.

전기적 펌핑은 엑시머 레이저를 지원하기 위해 사용됩니다. 이러한 강력한 가스 레이저는 매우 높은 에너지로 심층 UV 레이저 광의 펄스를 방출합니다. 엑시머 레이저의 고유한 성능 체제는 OLED 및 최신 마이크로 OLED 기술 기반의 디스플레이를 포함하여 고성능 디스플레이를 제조하는 중요 프로세스의 핵심입니다. 엑시머 레이저는 시력 교정에 사용되는 굴절 안과 시술(예: LASIK)에도 사용됩니다. 또한 많은 새로운 펄스 레이저 증착(PLD) 응용 분야에서 주력 레이저 소스로 자리를 잡고 있습니다.

아르곤 이온 레이저 및 헬륨 네온 레이저와 같은 연속파(CW) 가스 레이저는 전기적 펌핑을 사용하고 가시광선 파장이 필요한 레이저 응용 분야에 주로 사용되는 중요한 예시였습니다. 고품질 빔이 생성되었지만 파장 선택이 제한적이고 전기적 효율이 매우 낮아서 오늘날 일부 틈새 제품에만 사용됩니다. 이전의 응용 분야는 현재 반도체 레이저, DPSS 레이저 또는 광여기 반도체 레이저(OPSL)로 지원되는 경우가 많습니다(아래 참조).

반도체 레이저의 전기적 펌핑

전기적 펌핑은 p-n 접합으로 밀도 반전을 일으키는 반도체 레이저라고도 부르는 다이오드 레이저에서 일반적으로 사용됩니다. p-n 접합은 두 가지 유형의 반도체 간의 경계이며, 여기에서 p형 반도체는 양전하를 띤 정공이 많고, n형 반도체는 음전하를 띤 전자가 많습니다. p-n 접합에 전압을 가하면 전자와 정공이 반도체에 주입되어 밀도 반전을 일으키고 레이저 빛을 생성합니다. 

다이오드 레이저는 크기가 작고 비용이 상대적으로 저렴하여 지금까지 전기적 펌핑을 사용하는 가장 일반적인 레이저 유형입니다. 그리고 다이오드 레이저 자체는 다른 레이저 유형을 펌핑하는 데 널리 사용됩니다. 고출력 다이오드 레이저는 일반적으로 플라스틱 용접 및 금속 클래딩/경화와 같은 응용 분야에도 직접 사용됩니다.

광여기 반도체 레이저

그 결과 광여기 반도체 레이저(OPSL)라는 중요하고 독특한 유형의 레이저를 사용할 수 있습니다. 이 레이저에는 전기가 아닌 하나 이상의 다이오드 레이저 광으로 펌핑되는 특수한 유형의 반도체 칩이 포함됩니다. OPSL은 몇 가지 고유한 장점이 있습니다. 다양한 근적외선 스펙트럼의 특정 파장에 맞게 반도체 세부 사항을 설계할 수 있습니다. 그런 다음 근적외선 파장의 주파수를 두 배 또는 세 배로 늘려서 가시광선 또는 자외선을 출력함으로써 뛰어난 파장 선택 옵션을 지원하는 모델을 제공할 수 있습니다. 그 외에도 몇 밀리와트부터 최대 20와트까지 출력을 확장할 수 있는 중요한 장점이 있습니다. 

OPSL의 예로는 Coherent의 Verdi, Sapphire, Genesis 및 OBIS 레이저 제품군이 있습니다. 이러한 레이저는 특히 유동 세포 분석 및 공초점 현미경 등의 생명과학 분야에서 널리 사용됩니다. OPSL은 또한 다른 레이저 유형보다 더 넓은 색상 팔레트를 지원하기 때문에 화려한 다중 색상 레이저 라이트 쇼에도 사용됩니다. 

화학적 펌핑

화학적 펌핑은 드물게 사용되는 레이저 펌핑 방법이며, 화학적 반응을 사용하여 이득 매질에서 밀도 반전을 일으킵니다. 화학적 펌핑은 가스에서 원자 또는 분자를 여기시키기 위해 화학 반응이 사용되는 매우 특수한 가스 레이저에 사용됩니다. 가장 일반적인 화학적 펌핑 방법은 화학 레이저에서 수소와 불소 가스를 연소시켜 밀도 반전 및 레이저 광을 생성합니다.

요약

결론적으로, 레이저 펌핑은 레이저 시스템에서 일관적인 고강도 빛을 생성하기 위한 중요한 프로세스입니다. 광학적, 전기적 또는 화학적 방법에 관계없이 레이저 펌핑의 핵심은 이득 매질에서 밀도 반전을 일으켜서 유도 방출과 레이저 광 생성을 가능하게 하는 것입니다.