방사선의 유도 방출에 의한 광 증폭, 줄여서 레이저는 유도 방출 과정을 통해 특정 주파수의 전자기 방사선을 생성하고 증폭시키는 장치입니다. 레이저에서 모든 광선은 동일한 파장을 가지며 일관성을 갖습니다. 확산되지 않고 장거리를 이동할 수 있습니다.
레이저의 작동 방식을 이해하려면 원자가 빛을 방출하는 방식을 이해해야 합니다. 원자는 세상에서 가장 작은 입자이며 전자를 포함하고 있습니다. 원자에 추가 광자를 도입함으로써 전자는 강제로 더 높은 에너지 준위로 이동하게 되고 이제 원자는 들뜬 상태에 있게 됩니다. 그러나 여기된 원자는 불안정하며 전자는 항상 바닥 상태로 돌아가려고 시도하므로 원래 얻은 초과 에너지를 빛 복사의 광자로 방출합니다. 아래 그림과 같이 이 과정을 자연 방출이라고 합니다. 1.
레이저에는 매질의 원자가 여기되어 전자를 더 높은 에너지 상태의 더 높은 궤도로 가져오는 챔버가 포함되어 있습니다. 이들 전자 중 하나가 더 낮은 에너지 상태로 점프하면 특정 주파수를 가진 광자로 추가 에너지를 방출합니다. 더 많은 광자를 시스템에 도입함으로써 광자는 결국 여기된 전자가 있는 다른 원자와 만나게 되며, 이는 전자가 원래 상태로 되돌아가도록 자극하여 첫 번째와 동일한 주파수 및 위상이 같은 두 개 이상의 광자를 방출합니다. . 이 효과는 챔버를 통해 계단식으로 퍼져 다른 원자를 지속적으로 자극하여 더욱 일관성 있는 광자를 방출하며, 이 과정을 자극 방출이라고 합니다. 즉, 아래 그림 2와 같이 빛이 증폭된 것입니다.
더욱이, 챔버 양쪽 끝에 있는 거울은 빛이 매체를 가로질러 앞뒤로 반사되도록 합니다. 거울 중 하나는 부분적으로 투명하여 레이저 빔이 챔버 끝에서 나올 수 있습니다. 더 높은 에너지 상태에서 외부 에너지원에 의해 매질에 충분한 수의 원자를 유지함으로써 방출이 지속적으로 자극되며 이 과정을 인구 역전이라고 합니다. 궁극적으로 강력한 레이저 광의 매우 집중된 빔인 응집성 광자 흐름을 생성합니다. 레이저는 용접, 표적 탐지, 현미경 사진, 광섬유, 수술 등을 포함하여 다양한 산업, 군사 및 과학 용도로 사용됩니다.
레이저 유형:
레이저에는 다양한 유형이 있으며 아래에는 5가지 주요 유형이 있습니다.
1. 가스 레이저 – 예. 수백 와트의 전력을 방출하는 HeNe 가스 레이저 및 CO2 레이저. 그들은 일반적으로 산업 분야의 절단 및 용접에 사용됩니다.
2. 화학 레이저 - 주로 군사용 및 매우 높은 파장의 에너지를 대량으로 허용하는 화학 반응에 의해 구동됩니다. 전. 불화수소 레이저 2700nm.
3. 고체 레이저 – 이온 도핑된 결정질 또는 유리와 같이 도핑된 고체 매질을 사용하여 광학적으로 펌핑됩니다. 대표적인 것이 레이저 포인터다.
4. 파이버 레이저 - 광섬유의 내부 반사로 인해 빛이 유도됩니다. 요즘에는 높은 출력, 높은 광학 품질, 긴 수명으로 널리 알려져 있습니다. 그 이유는 높은 표면적 대 부피 비율을 제공하는 섬유의 특성으로 인해 킬로와트의 연속 출력 전력을 지원할 때 효율적인 냉각이 가능하기 때문입니다. 광섬유의 도파 특성은 신호 강도를 유지하고 왜곡을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 파이버 레이저는 오늘날 수 킬로미터 길이의 지역에 걸쳐 퍼져 있는 통신에 널리 사용됩니다.
5. 반도체 레이저 – 전기적으로 펌핑되는 레이저
a) 발광 다이오드(LED) - 갈륨 비소와 같은 직접 밴드갭 반도체로 형성된 다이오드에서 접합을 가로지르는 캐리어는 반대편의 다수 캐리어와 재결합할 때 광자를 방출합니다. 재료에 따라 적외선부터 근자외선까지의 파장(또는 색상)이 생성될 수 있습니다. 모든 LED는 일관성이 없고 좁은 스펙트럼의 빛을 생성합니다. LED는 신호 애플리케이션에서 저효율 포토다이오드로 사용될 수도 있습니다. LED는 동일한 패키지의 포토다이오드 또는 포토트랜지스터와 쌍을 이루어 광절연체를 형성할 수 있습니다.
b) 레이저 다이오드 - 평행한 단면을 연마하여 형성된 공진 공동에 LED와 같은 구조가 포함되면 레이저가 형성될 수 있습니다. 레이저 다이오드는 일반적으로 광 저장 장치 및 고속 광통신에 사용됩니다.
레이저 다이오드는 그림 3과 같이 pn 접합으로 형성된 반도체를 매체로 하고 전류로 구동되는 레이저입니다. 다양한 유형의 레이저 다이오드 구조에 대해서는 부록 3을 참조하십시오. 기본적으로 레이저 다이오드는 간섭성 빛을 방출하는 반도체 칩과 전력 출력의 피드백 제어를 위한 모니터 포토다이오드 칩이 완벽하게 포장되고 밀봉된 케이스에 결합된 것입니다.
오늘날 빛을 방출하는 pn 접합 다이오드를 만드는 데 사용되는 반도체 재료는 갈륨 비소, 인듐 인화물, 갈륨 안티몬화물 및 갈륨 질화물입니다. 이것이 사용되는 이유는 화학 주기율표의 3-5 화합물 특성 때문입니다. P – N 영역을 생성하려면 재료를 강하게 도핑해야 하며, 이는 다른 영역을 배제하고 그룹 3-5를 이상적인 옵션으로 남겨둡니다.
구성 비율을 변경하여 파장을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, InP 기판에서 생성된 레이저 빔의 파장은 인듐 함량을 높이거나 인산염 함량 비율을 낮춤으로써 증가할 수 있습니다. 파장이 길수록 일반적으로 이동 거리가 길어집니다.
Wikipedia에 따르면 레이저 다이오드는 수치상 가장 일반적인 레이저 유형으로, 2004년에 약 7억 3,300만 개의 다이오드 레이저가 판매되었으며, 이는 다른 유형의 레이저가 131000대 판매된 것과 비교됩니다. 레이저 다이오드는 광섬유 통신을 위한 쉽게 변조되고 쉽게 결합되는 광원으로 통신에서 널리 사용됩니다.
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