고체 레이저
고체 레이저는 레이저 매질로 고체 물질을 사용하는 레이저의 한 종류이다. 이러한 고체 매질은 일반적으로 결정이나 유리로 만들어지며, 여기에 레이저 활성 이온이 도핑되어 있다. 펌핑 광원(광학 펌핑)을 사용하여 이온을 여기시키고, 유도 방출을 통해 레이저 빛을 생성한다.
작동 원리
고체 레이저의 작동 원리는 다음과 같다.
- 펌핑: 외부 광원(예: 플래시 램프, 아크 램프, 다이오드 레이저)을 사용하여 고체 매질 내의 레이저 활성 이온을 높은 에너지 준위로 여기시킨다.
- 자연 방출 및 비복사 천이: 여기된 이온은 자연 방출 또는 비복사 천이를 통해 낮은 에너지 준위로 되돌아갈 수 있다.
- 유도 방출: 충분한 수의 이온이 특정 에너지 준위에 축적되면, 외부 광자가 이 이온과 상호 작용하여 동일한 위상, 편광 및 진행 방향을 갖는 광자를 방출하도록 유도한다. 이것이 유도 방출이며, 레이저 빛 증폭의 핵심 메커니즘이다.
- 공진: 레이저 매질 양쪽에 배치된 거울은 유도 방출된 광자를 반복적으로 매질을 통과하게 하여 빛을 증폭시킨다. 거울 중 하나는 부분적으로 투명하여 레이저 빔의 일부가 레이저에서 방출되도록 한다.
종류
다양한 종류의 고체 레이저가 있으며, 레이저 매질과 펌핑 방식에 따라 구분된다. 주요 예시는 다음과 같다.
- 루비 레이저: 최초의 레이저 중 하나로, 크롬 이온이 도핑된 루비 결정을 사용한다.
- Nd:YAG 레이저: 네오디뮴 이온이 도핑된 YAG(이트륨 알루미늄 가넷) 결정을 사용하며, 높은 출력과 효율로 다양한 산업 및 과학 응용 분야에 활용된다.
- Nd:유리 레이저: 네오디뮴 이온이 도핑된 유리를 사용하며, 대형 레이저 시스템에 사용된다.
- 티타늄 사파이어 레이저: 티타늄 이온이 도핑된 사파이어 결정을 사용하며, 매우 넓은 파장 범위에서 작동할 수 있는 튜너블 레이저이다.
- Er:유리 레이저: 에르븀 이온이 도핑된 유리를 사용하며, 1.5μm 대역에서 작동하여 광섬유 통신에 사용된다.
응용 분야
고체 레이저는 다양한 분야에서 널리 사용된다.
- 산업: 재료 가공 (절단, 용접, 마킹), 정밀 측정
- 의료: 레이저 수술, 피부과 치료
- 과학: 분광학, 레이저 유도 핵융합, 레이저 냉각
- 군사: 표적 지정, 거리 측정
- 통신: 광섬유 통신
장단점
장점:
- 높은 출력 및 효율을 얻을 수 있다.
- 다양한 파장 범위에서 작동이 가능하다.
- 빔 품질이 우수하다.
단점:
- 액체 또는 기체 레이저에 비해 크기가 클 수 있다.
- 펌핑 광원의 냉각이 필요할 수 있다.
- 일부 고체 매질은 가격이 비쌀 수 있다.