펄스 길이 변화
레이저 펄스의 지속시간을 변경하기 위해 몇가지 방법이 사용된다. 자주 등장하는 용어를 정리해보자.
(1) Q 스위칭(switching)
"Q-인자(quality factor)" 혹은 간단히 Q 의 정의는 다음과 같다.
Q = 패스당 저장된 에너지/패스당 흩어진 에너지
Q 는 정상적으로 일정한 값이다. Q 가 낮게 유지되면 Q 값이 레이저가 진동하기엔 너무 작기 때문에 에너지는 레이저 매질속에 점점 더 많이 저장된다. 손실이 갑자기 제 거되면 공동내의 높은 밀도반전 때문에 강력한 펄스가 방출된다. Q 의 빠른 변화를 주는 것을 "Q-스위칭"이라고 한다. Q-스위칭에는 3 가지 종류가 있다. 하나는
회전거울이나 프리즘을 공동의 뒷거울 대신에 사용하는 것이고 두번째는 공동속에 변조기 (modulator) 를 삽입하는 것이다. 셋째는 공동내부의 파워가 어느 수준이상일 때만 투명하게 되는 비선형 광학 도구를 삽입하는 것이다. 앞의 두가지 방법은
"능동(active)" Q-스위칭이라 고 부르고 세번째를 "수동(passive)" Q-스위칭이라고 부른다 . 펄스레이저의 Q-스위칭은 에너지를 증가시키는 것이 아니고 에너지 방출 시간을 줄여 순간적으로 강력한 에너지 를 얻는 것이다.( 수 nsec 에서 수십 nsec 사이에 수 MW 의 파워를 낸다.)
첫째, 회전거울이나 프리즘을 사용하여 출력거울과 일치하지 않도록 하고 밀도반전 을 높은 수준으로 만든후에 강력한 Q-스위칭된 펄스를 만들어낸다.
둘째는 변조기를 사용해 빛을 통과시키지 않다가 투명하게 변조되면 Q 가 높아지게 돼 강력한 펄스를 생성한다.
셋째는 비선형 흡수 성질을 가진 물질을 사용하는데 흔히 염료셀이 이용된다. 그러 한
물질들은 낮은 파워 수준에서 높은 흡수도를 갖는다. 파워가 비선형 물질의 흡수도 를
상쇄시키는 정도에 이르면 빛이 물질을 통과할 수가 있게 되어 펄스가 만들어진다. 이
방법은 능동 Q-스위칭보다 정밀하진 않지만 단순하고 값이 싼 장점이 있다.
그림 4) Q-스위칭의 형태
(2) 공동 덤핑(cavity dumping)
그림 5) 공동 덤핑의 기본개념.
공동덤핑은 조금 다른 원리를 사용하지만 Q-스위칭의 결과와 유사하다. 이 경우엔
양쪽의 공동거울은 전반사거울이고 공동내에 높은 순환 파워를 유지한다. 이러한 순환
파워는 팝업거울을 이용해 공동밖으로 빼낼 수가 있다. 몇가지 방법이 있는데 하나는
공동내에 음향광학(acouto-optic) 편향기(deflector)를 설치하는 것이다. 편향기는 빛을
정상적으로 통과시키다가 공동덤핑모드에서 빛을 공동밖으로 내보낸다. 다른 방법은
전 자광학(electro-optic) 변조기와 편광 빔스플릿터(polarizing beamsplitter)를 사용한다.
변 조기가 꺼져 있을때는 선형편광된 빛은 공동내에서 영향을 받지않고 앞뒤로
진동한다. 변조기가 켜지면 그것을 통과하는 빛은 편광이 회전하게 되어 빔스플릿터에 의해 공동 밖으로 반사되어 나간다. 공동덤핑은 Q-스위칭될 수 없는, 즉
상위에너지준위에 에너지 를 저장할 수 없는 연속파 레이저에 사용될 수 있으며 0.5 에서 5 MHz 의 반복비율로 1 0∼50 ns 의 펄스를 생성한다.
(3) 모드잠금(modelocking, ML)
피코초 (picosecond) 영역의 펄스들은 모드잠금으로 생성될 수 있다.
동일위상의 포톤덩어리들이 여러개 모여 공동내에서 진동한다고 가정하자. 그것들 이 매번 반투명의 출력거울을 때릴 때마다 빛의 일부는 매우짧은 펄스로 빠져나간다.
포톤덩어리는 다른 펄스가 방출되기 전에 공동을 통과해 왕복을 한다. 왕복시간은
T = 2L/c
이므로 그만큼 펄스는 시간간격을 갖게 된다.
물론 이것보다 훨씬 복잡하지만 더 이상 깊이 들어가지는 않도록 한다. 기본 개념은 공동내에 광학도구를 변경해 동일위상으로 진동하는 여러 가지 종모드를 만드는 것이다. 모드잠금은 변조진동수가 공동의 왕복시간과 일치할 때 일어난다.
3. 기체레이저
1962 년 러시아의 Basov 와 Oraevskii 는 고속 냉각(cooling)이 분자 시스템에서 밀도 반전을 만들 수 있다고 주장했다. 몇 년후에 다른 사람들은 이것이 초음속 노즐을 통과 하는 뜨거운 기체의 팽창으로 얻어질 수 있다고 생각했고 1966 년에 첫 번째 기체레이저 가 Avco Everett 연구소에서 성공적으로 만들어졌다.
기체레이저는 만들기 쉽다는 장점을 갖고 있다. 다른 레이저에 비해 기체 혼합물을 시험하는 것이 용이하므로 레이저 매질을 위한 이상적인 혼합물을 쉽게 발견할 수 있 다. 그래서 특정한 형태의 기체레이저를 위한 최적의 기체 혼합물에 따라 상당히 많은 종류의 레이저가 존재한다. 특히 에너지 전달 방식에 따라 분류될 수 있는데 전자, 이 온, 포톤 혹은 혼합물 입자의 충돌, 화학작용, 기체역학 과정 등 여러 가지 방식이 있다. 이러한 매카니즘은 다음과 같은 여기 매카니즘을 위한 기본이 된다.
- 방전여기：방전여기에는 그림처럼 두가지 방법이 있다. 방전은 연속 혹은 펄스형 태가 될 수 있다.
- 무선주파수(radiofrequency) 여기：도파관 이산화탄소 레이저가 해당된다.
- 전자빔과 이온빔 여기：많은 양의 에너지를 빠르게 전송하기 위해 사용된다. 전
자가속기가 거대하고 값이 비싸기 때문에 대용량 레이저나 실험실에서 주로 이용된다.
- 화학적 여기 - 광학적 여기
그림 10) 전기 방전 여기. 레이저 축에 대해 (a) 수평방전 (b) 수직방전
펄스 레이저
게인 스위치 (Gain-Switching) 섬광으로 펌핑한다.
최초의 루비 레이저는 루비 막대를 감싸고 있는 플래시 램프를 짧고 강력한 섬광으로 발광시 켜 루비의 크롬 원자를 들뜨게 하였다. 이에 의하여 순식간에 이루어진 점유자수의 역전의 상 태는 짧은 펄스의 레이저 빛을 방출하고 원래로 돌아가 버린다. 플래시 램프에는 충전과 방전 을 할 수 있는 축전기가 달려 있어 약간의 시간이 흐르면 방전에 의해 플래시 램프가 다시 터 질 수 있는 정도의 전하가 축전기에 모이게 된다.
이는 펄스 형의 빛으로 펌핑을 하여 매우 짧은 시간에 강력한 빛을 내게 하는 이 루비 레이저 는 펄스 레이저의 일종이다.
큐-스위칭 (Q-Switching)
매우 짧고 강력한 펄스를 만든다.
레이저는 레이저 매질의 손실과 비기는 문지방 값인 일정 비율 이상이 점유자수 역전의 상태 에 이르러야 비로소 레이저 발진이 시작된다. 한 발진 주기당의 부분적인 손실율의 역수를 그 공진기의 Q 값이라 한다. 손실율이 작을수록 Q 값이 커지고 또 발진이 시작되는 문지방의 역 전비율이 작아진다. 높은 일률의 펄스 레이저는 레이저 발진이 시작되자마자 곧 들뜬 상태를 소모해 버린다. 이 발진을 지연시켜 더 높은 밀도에 이르게 될 때 비로소 발진을 진행시킬 수 있는 스위치를 광경로상에 설치하여 더 짧고 강력한 펄스를 만들 수 있다.
모드 로킹
극히 짧고 강력한 펄스를 만든다.
여러 세로공진 모드의 위상을 고정시켜 앞의 두가지 형의 펄스 레이저보다 더 강력한 펄스 레 이저를 만들 수 있다.
광펌핑
레이저출력
시간
시간
펌핑 빛 출력
레이저출력
전자식 광 스위치 개폐 시간
시간
변조식 흡수체 열림
광스위치
레이저 공진
공진기
빛의 공명상태를 만든다.
레이저 매질에서 초기에 자발적이나 유도 방출된 빛의 대부분은 특별한 방향성이 없어 사방으 로 퍼져나가 버린다. 이 빠져나간 빛을 매질 속으로 되돌려서 아직 들뜬 상태로 있는 원자나
시간 밝기
N=15
분자를 자극시켜 유도방출을 계속 일으켜야 한다. 이를 위하여 양쪽에 거울을 배치하여 계속 되돌려 보낼 수 있도록 하는데 이를 레이저 공진기라고 한다. 이 공진기는 일종의 파브리-페로 에탈론이라 할 수 있는데 레이저 빛은 그 구조 속에서 공명상태의 빛이 부분적으로 빛을 투과 하는 한쪽 거울을 통하여 조금씩 빠져 나오는 것이라 할 수 있다.
세로공진 모드
양 거울사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 세로방향 진동 모드
공진기의 거울 사이의 거리를 d 라고 하면 그 사이에서 뛰노는 정상파는 c/2d 의 정수배의 진 동수를 가질 수 있어 Δν= c/2d 의 등간격을 갖는 무수히 많은 모드가 존재할 수 있다. 그러나 공진기 내부의 레이저 매질의 원자 방출 스펙트럼의 진동수가 특정한 값을 가지고 있어서 좁 은 대역의 빛만 증폭이 이루어진다.
1m 의 기체 레이저의 경우 Δν= 150MHz 이다. 한편 이득이 손실보다 큰 진동수 대역은 보통의 경우 이보다 수~십수배 정도 커서 레이저의 스펙트럼은 아주 날카로운 수~십수개의 선 스펙
Vn=n·c/2d
트럼을 가지게 된다.
가로공진 모드
양 거울 사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 가로방향 진동 모드
한편 공진기의 관을 따라 가는 방향의 세로공진 모드도 있지만 그 축에 수직인 방향으로의 가 로공진 모드도 있다. 이 모드는 레이저내부의 빛 전기장과 자기장이 가로방향이어서 TEMmn 모 드라고 한다. 이 모드의 모양은 레이저 빛 줄기의 단면을 관측하여 알 수 있다. 흔히 보는 실 험실의 레이저를 흰 종이에 비추어 보면 가운데가 가장 밝고 가장자리로 갈수록 어두워 진다.
이렇게 하나의 밝은 점을 가지고 있는 진동 모드는 TEM00 로서 이론적인 밝기 분포는 아래 그 림과 같다.
레이저 가공 원리
레이저를 이용한 절단, 용접, 천공, 마킹등의 가공시 레이저 빔은 대부분의 매질에서 매우 높은 에너지 강도를 가지며 입사하게 됩니다. 이때 매질 표면에 레이저 빔은 매질의 반사율에 따라 일부가 반사되고 나머지 에너지는 표면에서부터 빛의 세기가 지수적으로 감소하면서 매질에 흡수됩니다. 이때 흡수된 레이저 빔은 열 에너지로 변환되면서 매질의 온도를 증가시키고 이 현상을 통해서 레이저 스팟(spot) 가까운 영역에서 급속한 온도 상승과 함께 매질의 증발이 일어나 절단, 용접등의 레이저 가공이 가능하게 됩니다.
- 매질 표면의 반사율은 입사되는 레이저 에너지 가운데 실제로 가공에 이용되는 레이저 에너지의 비율을 결정하므로 매우 중요한 측정값입니다.
- 반사율은 레이저 빛의 파장, 재료의 종류, 표면상태등에 따라 각각 다릅니다.
- 일반적으로 금속의 반사율이 세라믹, 플라스틱, 나무등의 재료에 비해 높습니다.
- 흡수 계수는 레이저 에너지가 재료속을 통과할 때 얼마나 빨리 감소되는 지를 결정함
(흡수계수) 1 / 파장
■ 위 식을 통해서 자외선 빛은 흡수율이 높고, 적외선 빛은 흡수율이 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
■ 흡수 계수가 큰 재료는 표면의 온도가 급속히 상승하게 됩니다.
- 위 식을 통해서 우리는 침투 깊이를 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
침투깊이 ≡ 1 / 흡수계수
■ 레이저 빛이 재료 내부에 투과하는 깊이
■ 레이저 가공은 위 침투 깊이 이내에서만 이루어짐
- 레이저 빔에 노출된 재료에 발생하는 현상을 총칭하여 레이저 어블레이션(ablation)이라고 합니다. 매우 복잡한 열적, 광화학적 현상의 발생으로 이론적 해석은 여전히 불완전 합니다.
◎ 재료
■ 가열, 용융, 증발
■ 순간 온도 : 수백 - 수천도
■ 순간 압력 : 수 - 수십 기압
■ 산화 및 탄화
■ 보일링 및 입자 발생 , 천공 및 크레이터 발생
◎ 증발현상
■ 순간적인 고압 증기의 팽창
■ 주변 공기에 충격파 발생
■ 플라즈마(이온화된 가스)의 생성
1. 레이저 크레이터
2. 충격파 (shock wave) 및 증기유동
충격파는 주로 펄스레이저와 같이 순간 강도가 매우 높은 큰 레이저 가공에서 주로 발생하는 현상입니다.
수 나노초나 혹은 수십 나노초 사이의 짧은 시간 동안에 온도가 증발점 이상으로 가열된 재료 표면에서 발생된 증기는 압력이 수기압에서 수십기압까지 상승하며 주변의 대기중으로 팽창해 나가면서 충격파를 형성하게 됩니다.
▷ 폴리싱한 알루미늄 샘플을 파장 266nm 펄스길이 3 나노초의 Nd:YAG 레이저로 어블레이션 했을 때의 충격파 발생
3. 레이저 가공 플라즈마의 생성
레이저 플라즈마는 가공중에 증기나 입자 형태로 제거되는 재료가 입사되는 레이저 에너지를 흡수해서 이온화 되면서 생성됩니다. 이때 플라즈마가 에너지를 흡수 및 재 분배 함으로써 가공중의 현상을 더욱 복잡하게 만들며, 높은 에너지 강도에서는 거의 발생하는 현상입니다.
Operating Principles of Laser Diodes
“LASER” is an acronym for “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. The term “LASER DIODE” denotes a device which uses a semiconductor p-n junction in LASER system.
Atoms and molecules possess internal energy. The value of internal energy is restricted to specific discrete values, or energy values.
The transition of an electron from one energy level to another is made possible by the absorption or emission of light. Light is absorbed or emitted in individual units called photons. Each photon is an an electromagnetic wave which has a specific wavelength and travels in a specific direction.
The energy of the photon must correspond exactly to the energy difference between the two energy levels. The wavelength of the photon can be calculated from its energy by using the following equation.
In a state of thermal equilibrium, the number of atoms within a material which have an electron in the energy level E1 is always greater than the number of atoms which have an electron in the energy level E1.
As a result, more light is absorbed than is emitted. In order to achieve light amplification, there must be more electrons in the E2 energy level than in the E1 energy level. This population inversion is achieved in a laser diode by applying an injection current to a p-n junction. In this so called population inversion state, stimulated emission predominates over induced absorption, allowing for the amplification of light.
In order to produce a useful laser beam, a laser oscillator must be formed which has the ability not only to amplify light, but also to feedback light. A laser oscillator generally consists of two confronting mirrors the space between mirrors occupied by the light amplifying material.
This structure, called a Febry-Perot Resonator, is obtained in a laser diode by cleaving the ends of the semiconductor crystal to form two parallel reflective crystal surfaces.The component of the
spontaneously emitted light which travels parallel to the optical axis will be repeatedly reflected by the mirror facets. As the light travels through the semi-conductor material, it is amplified by stimulated emission. Laser oscillation begins when the amount of amplified light becomes equal to the total amount lost through the sides of the resonator, through the mirror facet, and through absorption By the semiconductor material.
A. Longitudinal Mode
During laser oscillation, constructive interference allows the creation of a standing wave within the Fabry- Perot resonator. For light of wavelength λ travelling in a medium of refractive index n, the half-
wavelength in the medium is λ/2n. As the condition for a standing wave, an integral multiple, q, of the half- wavelength must be equal to the resonator length, L.
In the case of the laser diode with, for example λ=780nm, n=3.5, and L=250 ㎛, q takes on a value of greater than 2000 (q~2240). Variation of the integer q by 1 causes a wavelength variation, Δ λ, of 0.35nm.
Because of its relative long length as compared to the light wavelength, the laser resonator may simultaneously support several standing waves, or longitudinal modes, of slightly different wavelength.
In a laser diode, laser oscillation arises at the wavelength with the maximum gain, which is determined by the band gap energy of the semiconductor since the band gap varies with temperature, so too does the oscillation wavelength. For the GaAlAs laser diode, the wavelength increases by approximately 0.23nm for An incremental increase in temperature of 1℃.
B. Transverse Mode
The transverse mode represents the state of the electromagnetic standing wave in the direction
perpendicular to the optical axis of the laser resonator. The transverse mode has two components, one parallel and the other perpendicular to the active layer. As stated above, there exist steps in the refractive index on each side of the active layer which serve to confine the light to the active layer.
