고체 레이저

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배경

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자인 레이저는 전기 또는 광학 에너지를 빛으로 변환하는 장치입니다. 전기 또는 광학 에너지를 사용하여 원자나 분자를 여기시킨 다음 단색(단일 파장) 빛을 방출합니다. 레이저는 레이저 가능한 재료로 채워진 끝 부분에 평면 또는 구형 거울이 있는 공동으로 구성됩니다. 이 물질은 빛이나 방전에 의해 반안정 상태로 여기될 수 있습니다. 물질은 이러한 방식으로 여기될 수 있는 한 결정, 유리, 액체, 염료 또는 기체일 수 있습니다. 고체 레이저는 기체와 달리 원자가 단단히 결합되어 있는 결정을 사용하는 레이저입니다. 크리스탈은 램프나 다른 레이저에 의해 크리스탈에 빛이 펌핑된 후 레이저 빛을 생성합니다.

가장 단순한 공동에는 두 개의 거울이 있습니다. 하나는 완전히 반사하고 다른 하나는 50~99%를 반사합니다. 빛이 이러한 거울 사이에서 반사됨에 따라 강도가 증가합니다. 레이저 빛은 강렬한 빔과 같은 방향으로 진행하기 때문에 레이저는 매우 밝은 빛을 생성합니다. 레이저 빔은 또한 먼 거리에 투사될 수 있으며 매우 작은 지점에 초점을 맞출 수 있습니다.

거울의 유형은 빔의 유형을 결정합니다. 하나의 거울이 빛의 1-2%만 투과할 때 매우 밝고 매우 단색이며 일관된 빔이 생성됩니다. 평면 거울을 사용하는 경우 빔이 고도로 시준됩니다(평행하게 됨). 오목 거울을 사용하면 빔이 공동의 한쪽 끝 근처에서 나옵니다. 첫 번째 경우의 빔 유형은 이러한 특성을 통해 의사가 원하는 영역을 보다 정확하게 표적화하여 주변 조직의 손상을 방지할 수 있기 때문에 레이저를 의학에서 매우 유용하게 만듭니다.

원자를 더 높은 에너지 수준으로 여기시키는 한 가지 방법은 레이저 빛보다 더 높은 주파수의 빛으로 레이저 재료를 비추는 것입니다. 광학 펌핑이라고도 알려진 이 고체 상태 레이저는 끝이 평평하고 평행하게 연마되고 레이저 광을 반사하기 위해 거울로 코팅된 고체 결정질 재료 막대를 사용합니다. 이온은 결정질 매트릭스에 부유하고 여기되면 전자를 방출합니다.

막대의 측면은 펌핑 램프의 빛을 받아들이기 위해 투명하게 남겨져 있는데, 이는 깜박이는 빛을 생성하는 펄스 가스 방전일 수 있습니다. 최초의 고체 레이저는 핑크 루비 막대와 사파이어 인공 수정을 사용했습니다. 오늘날 사용되는 두 가지 일반적인 고체 상태 레이저는 Nd:YAG(네오디뮴:이트륨 알루미늄 가넷) 및 Nd:유리입니다. 둘 다 광학 펌핑을 위해 크립톤 또는 크세논 플래시 램프를 사용합니다. 최대 수천 와트의 눈부신 섬광을 얻을 수 있으며 작동 수명은 거의 10,000시간입니다.

레이저 광은 강도가 높은 정확한 지점에 집속될 수 있으므로 작은 펄스 레이저로 충분한 열을 생성하여 다른 재료를 기화시킬 수 있습니다. 따라서 레이저는 기계 가공을 포함한 다양한 재료 제거 공정에 사용됩니다. 예를 들어, 루비 레이저는 와이어 드로잉 다이의 다이아몬드와 시계 베어링의 사파이어에 구멍을 뚫는 데 사용됩니다.

연혁

레이저의 개념은 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 처음 제안한 것으로 빛이 광자(photons)라고 불리는 질량이 없는 입자로 구성되어 있음을 보여주었습니다. 각 광자는 파동의 주파수에 해당하는 에너지를 가지고 있습니다. 주파수가 높을수록 파동이 전달하는 에너지가 커집니다. 그런 다음 아인슈타인과 S. N. 보스라는 다른 과학자는 광자가 함께 이동하는 경향이 있는 현상에 대한 이론을 개발했습니다. 이것이 레이저의 원리입니다.

레이저 작용은 1954년 노벨상 수상자 Charles Townes와 동료들에 의해 마이크로파 영역에서 처음 시연되었습니다. 그들은 집속 전극 시스템을 통해 암모니아 분자 빔을 투사했습니다. 적절한 주파수의 마이크로파 전력이 캐비티를 통과하면 증폭이 일어나 방사선의 유도 방출에 의한 마이크로파 증폭(M.A.S.E.R.)이라는 용어가 탄생했습니다. 레이저라는 용어는 1957년 물리학자 Gordon Gould에 의해 처음 만들어졌습니다.

1년 후 Townes는 Arthur Schawlow와 함께 레이저를 제안했고 1960년에 특허를 받았습니다. 같은 해 Hughes Research Laboratories의 물리학자인 Theodore Maiman이 최초의 실용적인 레이저를 발명했습니다. 이 레이저는 강제 공기로 냉각된 광택이 나는 알루미늄 원통형 공동 내부에 플래시 튜브로 둘러싸인 분홍색 루비 크리스탈을 사용하는 고체 상태 유형입니다. 루비 원통은 빛의 파장의 3분의 1 이내로 평행이 되도록 양쪽 끝을 연마했다. 각 끝은 증발된 은으로 코팅되었습니다. 이 레이저는 펄스 모드에서 작동했습니다. 2년 후, 플래시 램프를 아크 램프로 교체하여 연속 루비 레이저를 만들었습니다.

Maiman의 레이저가 성공적으로 시연된 후 다른 연구자들은 에르븀, 네오디뮴, 심지어 우라늄을 포함한 다양한 기타 기질과 희토류를 시도했습니다. 이트륨 알루미늄 석류석, 유리 및 불화 칼슘 기질이 테스트되었습니다. 1980년대에 강력한 레이저 다이오드(전극 또는 반도체를 사용하여 일관된 광 출력을 형성하는 장치)의 개발은 보다 효율적이고 작고 신뢰할 수 있는 연속파 방식의 전고체 레이저로 이어졌습니다. 다이오드 기술은 1990년대에 개선되어 결국 고체 레이저의 출력을 수킬로와트 수준으로 증가시켰습니다.

Nd:YAG 및 루비 레이저는 현재 다양한 유형의 결정을 사용하는 다른 고체 레이저와 함께 많은 산업, 과학 및 의료 응용 분야에서 사용됩니다. Nd:YAG 레이저는 오염 모니터링, 용접 및 기타 용도로도 사용되고 있습니다. 이 유형의 결정이 가장 널리 사용되며 성장하는 결정의 3분의 2 이상이 이 유형입니다. 성장 중인 다른 결정에는 Nd:YVO4(이트륨 오르토바나데이트), Nd:유리 및 Er:YAG가 포함됩니다.

원자재

다양한 재료(결정, 금속, 반도체 등)로 만들어진 광학, 기계 및 전자 부품은 일반적으로 다른 제조업체에서 공급합니다. 아웃소싱은 레이저 제조업체마다 다릅니다. 고체 레이저는 두 가지 주요 구성 요소 또는 "상자"로 구성됩니다. 한 구성 요소에는 광학 장치(레이싱 수정 및 거울)가 포함되어 있고 다른 구성 요소에는 전자 장치(전원 공급 장치, 내부 제어 장치)가 포함되어 있습니다. 때때로 이 두 구성 요소가 하나의 상자에 통합됩니다.

디자인

레이저 캐비티의 디자인은 애플리케이션에 따라 결정됩니다. 일반적으로 연구 개발 그룹이 디자인을 개발합니다. 이 설계는 전력, 파장 및 기타 빔 속성을 포함한 작동 특성을 결정합니다. 설계자는 또한 FDA(식품의약국)에서 요구하는 안전 기능을 통합합니다.

제조 공정

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1 일반적으로 구성 요소의 전부 또는 대부분은 다른 곳에서 제조됩니다. 예를 들어, 크리스탈 재배자는 레이저 재료를 제공합니다. Nd:YAG 결정을 성장시키기 위해 원하는 원소의 고순도 산화물 분말 화합물을 도가니에 넣고 고주파로에서 고온에서 녹입니다. 그런 다음 종자 결정이 액체 표면과 접촉하게 됩니다. 종자 결정을 천천히 들어올려 회전시키고 약간 식히면 시간당 약 0.02인치(0.5mm)의 속도로 원하는 조성의 단결정이 나온다.

일반적인 Nd:YAG 결정의 범위는 직경이 2.4-3.1인치(60-80mm)이고 길이가 6.9-8.9인치(175-225mm)입니다. 다양한 형상의 막대, 웨이퍼 및 슬래브가 성장된 결정에서 추출된 다음 고객 사양에 따라 제작, 연마 및 코팅됩니다. 완제품은 직경이 0.02인치(0.5mm)에서 25mm(1인치)만큼 작은 막대에서 다양합니다. 고체 레이저는 크리스탈로 채워진 각 끝에 평면 또는 구형 거울이 있는 공동으로 구성되며, 원자가 단단히 결합되어 있습니다. 램프나 다른 레이저로 빛을 펌핑한 후 수정은 거울 사이에서 반사되는 빛을 생성하여 강도를 높이고 매우 밝은 빛을 생성합니다. 0.3 x 1.5인치(8 x 37mm), 9.2인치(235mm) 길이만큼 긴 슬래브 형상. 가장 일반적인 Nd:YAG 로드 형상은 오른쪽 원형 실린더입니다.

조립

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2 레이저가 설계되고 구성 요소가 수신되면 광학 장치가 기계적 구성 요소와 통합됩니다. 기술자는 청사진을 따라 금속 홀더 또는 장착 장치를 사용하여 원하는 위치에 광학 부품을 배치합니다. 이 절차는 광학 부품의 오염을 방지하기 위해 클린룸 환경에서 수행됩니다.

정렬

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3 다음으로 레이저 캐비티가 원하는 사양으로 작동하도록 정렬됩니다. 이것은 정렬을 돕기 위해 다른 레이저를 사용하여 다른 기술자가 테스트 테이블에서 수행합니다.

최종 테스트

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4 레이저를 고객에게 배송하기 전에 기본적으로 출력 전력, 빔 품질 및 기타 특성을 포함하여 레이저가 제대로 작동하는지 확인하는 최종 테스트라는 단계를 거칩니다. 레이저는 검사를 통과하는지 확인하기 위해 몇 시간 동안 작동됩니다.

품질 관리

대부분의 레이저 제조업체는 제조 공정 전반에 걸쳐 피드백 루프를 제공하는 국제 품질 표준을 따릅니다. 레이저는 또한 앞에서 설명한 몇 가지 주요 테스트 절차를 거칩니다.

미국에서 배포되는 모든 레이저 장치는 최종 사용자에게 배포하기 전에 연방 레이저 제품 성능 표준을 준수하는 것으로 인증되고 장치 및 방사선 건강 센터(CDRH) 규정 준수 사무소에 보고되어야 합니다. 이 성능 표준은 사용자에게 적절한 안전을 제공하기 위해 모든 레이저가 갖추어야 하는 안전 기능과 라벨을 지정합니다. 각 레이저는 시장에 출시되기 전에 표준을 준수한다는 인증을 받아야 합니다. 인증이란 각 유닛이 성능 기준에 부합하는 품질 보증 테스트를 통과했음을 의미합니다. 레이저를 인증하는 사람은 레이저 문제를 보고하고 통지할 책임이 있습니다.

부산물/폐기물

다양한 구성 요소의 공급업체는 일반적으로 전체 품질 관리 절차를 따르기 때문에 레이저 제조업체는 구성 요소의 결함을 테스트하지 않으며 낭비가 거의 없습니다. 결함이 있는 구성 요소가 발견되면 제조업체로 다시 보내지는 경우가 있습니다.

미래

고체 레이저는 더 높은 출력, 더 빠른, 더 짧은 파장 및 더 나은 빔 품질을 갖도록 설계되어 응용 분야를 확장합니다. 예를 들어, 1초에 수십억 개의 펄스를 압축할 수 있는 레이저 재료가 개발되고 있어 펨토초 레이저가 각 나노초에 수십 개의 펄스를 전달하게 됩니다. 테라와트 또는 페타와트 수준의 전력을 제공할 수 있는 고체 레이저는 CAT 스캐닝과 같은 핵 의학 응용 분야에 사용될 가능성이 있는 핵 반응 생성을 위해 테스트 중입니다. Nd:YAG 레이저는 드릴링, 납땜 및 트리밍 응용 분야를 위한 전자 산업으로 확장하고 있습니다. 더 오래 지속되도록 계속해서 레이저 결정을 만듭니다.

세계 레이저 시스템 시장은 2000년 47억 달러에서 2005년 80억 달러로 증가할 것으로 예상되며, 고체 레이저 시장은 다이오드 레이저의 46억 달러에 비해 11억 달러 이상에 달할 것으로 예상됩니다. 고체 레이저는 특정 시장에서 염료, 이온 및 HeNe 유형 레이저를 대체하고 있습니다. 다른 분석가들은 플래시램프 펌핑 고체 레이저가 2003년까지 6억 6천만 달러, 다이오드 펌핑 고체 레이저가 3억 1200만 달러로 성장할 것이라고 예측합니다. 후자의 유형의 레이저는 다음과 같은 범용 마킹 및 재료 가공과 같은 산업 응용 분야에서 더 대중화될 것입니다. 비용이 낮아지고 더 높은 성능을 사용할 수 있게 됩니다. 이 레이저는 또한 최소한의 유지 관리로 설계되고 있습니다.