헬륨-네온 레이저
헬륨-네온 레이저(영어: Helium–neon laser) 또는 He-Ne 레이저(영어: He–Ne laser)는 고에너지 이득 매질이 헬륨과 네온의 혼합물(5:1에서 10:1 사이의 비율)로 구성되며, 작은 전기 방전 내에서 총 압력이 약 1 Torr (133.322 Pa)인 기체 레이저의 일종이다. 가장 잘 알려져 있고 널리 사용되는 He-Ne 레이저는 가시광선 스펙트럼의 빨간색 부분에서 632.81646 nm (공기 중), 632.99138 nm (진공), 주파수 473.6122 THz의 중심 파장에서 작동한다.[1] 레이저 공진기의 모드 구조 때문에 레이저의 순간 출력은 중심에서 양방향으로 최대 500 MHz까지 이동할 수 있다.
He-Ne 레이저 개발 역사
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최초의 He-Ne 레이저는 1150 nm의 적외선을 방출했으며, 최초의 기체 레이저이자 연속파 출력 레이저였다. 그러나 가시광선 파장에서 작동하는 레이저에 대한 수요가 훨씬 더 많았다. 인구 반전이 가능한 다른 네온 전이를 조사했다. 633 nm 선이 가시광선 스펙트럼에서 가장 높은 이득을 가지는 것으로 밝혀져 대부분의 He-Ne 레이저에 선택되는 파장이 되었다. 그러나 다른 가시광선 및 적외선 유도 방출 파장도 가능하며, 이러한 다른 파장에서 최대 반사율을 갖는 거울 코팅을 사용하면 빨간색, 주황색, 노란색, 녹색으로 나타나는 가시광선 레이저를 포함하여 이러한 전이를 사용하도록 He-Ne 레이저를 설계할 수 있었다.[2] 유도 방출은 원적외선의 100 μm 이상에서 가시광선의 540 nm까지 알려져 있다.
가시광선 전이는 이득이 다소 낮기 때문에 이러한 레이저는 일반적으로 출력 효율이 낮고 비용이 더 많이 든다. 3.39 μm 전이는 매우 높은 이득을 가지지만, 광공진기와 거울이 해당 파장에서 손실이 크기 때문에 일반적인 He-Ne 레이저(다른 의도된 파장)에서는 사용할 수 없다. 그러나 특히 긴 공동을 가진 고출력 He-Ne 레이저에서는 3.39 μm에서의 초발광이 방해가 되어 유도 방출 매질에서 전력을 빼앗아 가므로 종종 추가적인 억제가 필요하다.
가장 잘 알려져 있고 널리 사용되는 He-Ne 레이저는 가시광선 스펙트럼의 빨간색 부분에서 632.8 nm의 파장에서 작동한다. 이 레이저는 1960년 12월 같은 연구실에서 최초의 연속 적외선 He-Ne 기체 레이저가 시연된 지 18개월 후인 1962년 벨 연구소에서 개발되었다.[3][4][5]
구조 및 작동
[편집]이름에서 알 수 있듯이 레이저의 이득 매질은 약 10:1 비율의 헬륨과 네온 기체 혼합물로, 유리 봉투에 저압으로 담겨 있다. 기체 혼합물은 대부분 헬륨이므로 헬륨 원자가 여기될 수 있다. 여기된 헬륨 원자는 네온 원자와 충돌하여 일부를 632.8 nm를 방출하는 상태로 여기시킨다. 헬륨이 없으면 네온 원자는 주로 비레이저 선을 담당하는 낮은 여기 상태로 여기될 것이다.
헬륨이 없는 네온 레이저도 만들 수 있지만, 이러한 에너지 결합 수단이 없으면 훨씬 더 어렵다. 따라서 충분한 헬륨을 잃은 He-Ne 레이저(예: 밀봉부 또는 유리를 통한 확산으로 인해)는 펌핑 효율이 너무 낮아 레이저 기능을 상실하게 된다.[6] 레이저의 에너지 또는 펌프 원은 튜브 내의 전극(애노드와 캐소드) 사이의 가스를 통과하는 고전압 전기 방전에 의해 제공된다. DC 전류 3~20 mA가 일반적으로 연속파 작동에 필요하다. 레이저의 광공진기는 일반적으로 두 개의 오목 거울 또는 하나의 평면 거울과 하나의 오목 거울로 구성된다. 하나는 매우 높은(일반적으로 99.9%) 반사율을 가지며, 출력 결합기 거울은 약 1%의 투과를 허용한다.
상업용 He-Ne 레이저는 다른 기체 레이저에 비해 상대적으로 작은 장치로, 공진기 길이는 일반적으로 15~50 cm (하지만 가장 높은 출력을 얻기 위해 때로는 약 1 m까지)이며, 광학 출력 전력 수준은 0.5~50 mW이다.
빨간색 He-Ne 레이저의 정확한 파장은 진공에서 632.991 nm이며, 공기 중에서는 약 632.816 nm로 굴절된다. 유도 방출 모드의 파장은 이 값보다 약 0.001 nm 위 또는 아래에 있으며, 이 모드의 파장은 공동의 열팽창 및 수축으로 인해 이 범위 내에서 이동한다. 주파수 안정화 버전은 반대 방향 편광의 두 종모드의 전력을 비교하는 기술을 통해 단일 모드의 파장을 108분의 1 이내로 지정할 수 있다.[7] 요오드 흡수 셀을 사용하면 레이저 주파수(또는 파장)의 절대 안정화를 1011분의 2.5만큼 미세하게 얻을 수 있다.[8]
He-Ne 레이저 플라즈마[5]에서 인구 반전 및 광 증폭을 생성하는 메커니즘은 기체 혼합물에서 에너지가 높은 전자가 바닥 상태 헬륨 원자와 비탄성 충돌하면서 시작된다. 첨부된 에너지 준위 다이어그램에 표시된 것처럼, 이러한 충돌은 헬륨 원자를 바닥 상태에서 더 높은 에너지 여기 상태로 여기시키는데, 그 중 23S1 및 21S0 (LS, 또는 러셀-사운더스 결합, 앞 숫자 2는 여기된 전자가 n = 2 상태에 있음을 나타낸다)는 수명이 긴 준안정 상태이다. 두 헬륨 준안정 상태의 에너지 준위와 네온의 5s2 및 4s2 (파셴 표기법[9]) 준위 간의 우연한 근접 일치로 인해, 이러한 헬륨 준안정 원자와 바닥 상태 네온 원자 간의 충돌은 헬륨에서 네온으로 여기 에너지를 선택적이고 효율적으로 전달하는 결과를 낳는다. 이 여기 에너지 전달 과정은 다음 반응 방정식으로 주어진다.
- He*(23S1) + Ne1S0 → He(1S0) + Ne*4s2 + ΔE,
- He*(21S) + Ne1S0 + ΔE → He(1S0) + Ne*5s2,
여기서 *는 여기 상태를 나타내고, ΔE는 두 원자의 에너지 상태 간의 작은 에너지 차이로, 약 0.05 eV 또는 387 cm−1이며, 운동 에너지에 의해 공급된다. 여기-에너지 전달은 네온 4s2 및 5s2 준위의 개체수를 여러 배로 증가시킨다. 이 두 상위 준위의 개체수가 광학적으로 연결된 해당 하위 준위인 3p4의 개체수를 초과할 때 인구 반전이 발생한다. 매질은 1.15 μm (4s2에서 3p4 전이에 해당) 및 632.8 nm (5s2에서 3p4 전이에 해당)의 좁은 대역에서 빛을 증폭할 수 있게 된다. 3p4 준위는 3s 상태로의 빠른 복사 감쇠를 통해 효율적으로 비워지고, 결국 바닥 상태에 도달한다.
광 증폭을 사용하여 광 발진기를 만드는 나머지 단계는 증폭 매질의 각 끝에 고반사 거울을 배치하여 특정 공간 모드의 파동이 자체적으로 반사되어 거울을 통한 투과 및 회절로 인한 손실보다 각 통과에서 더 많은 전력을 얻도록 하는 것이다. 이러한 조건이 하나 이상의 종모드에 대해 충족되면, 해당 모드의 복사는 이득 포화가 발생할 때까지 빠르게 증가하여 전면(일반적으로 99% 반사) 거울을 통해 안정적인 연속 레이저 빔 출력을 생성한다.
He-Ne 레이저의 이득 대역폭은 낮은 기체 압력으로 인한 압력 확장보다는 도플러 확장에 의해 지배되므로 매우 좁다. 633 nm 전이의 경우 약 1.5 GHz 전폭에 불과하다.[7][10] 일반적으로 15~50 cm 길이의 공동에서는 약 2~8개의 종모드가 동시에 발진할 수 있다 (그러나 단일 종모드 장치는 특수 응용 분야에 사용할 수 있다). 빨간색 He-Ne 레이저의 가시 출력, 긴 결맞음 길이 및 뛰어난 공간 품질은 이 레이저를 홀로그래피의 유용한 광원이자 분광학의 파장 기준으로 만든다. 안정화된 He-Ne 레이저는 미터 정의를 위한 벤치마크 시스템 중 하나이기도 하다.[8]
저렴하고 풍부한 반도체 레이저가 발명되기 전에 빨간색 He-Ne 레이저는 슈퍼마켓 계산대의 바코드 스캐너에서 널리 사용되었다. He-Ne 레이저는 일반적으로 교육 및 연구 광학 실험실에 있다. 또한 반도체 제조와 같은 응용 분야에서 나노 위치 결정에 탁월하다. 고정밀 링 레이저 자이로스코프는 633 nm에서 링 레이저 구성으로 작동하는 He-Ne 레이저를 사용했다.
응용 분야
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빨간색 He-Ne 레이저는 산업 및 과학 분야에서 엄청난 수의 용도를 가지고 있다. 공간 결맞음(단일 모드 가우시안 빔) 및 긴 결맞음 길이 측면에서 유사한 품질의 빔을 생성하는 다른 가시광선 레이저에 비해 상대적으로 저렴하고 작동하기 쉽기 때문에 광학 분야의 실험실 시연에서 널리 사용된다 (그러나 1990년경부터 반도체 레이저는 이러한 많은 응용 분야에서 더 저렴한 대안을 제공하고 있다).
1978년부터 HeNe 튜브 레이저(도시바 및 NEC에서 제조)는 파이오니아의 레이저디스크 플레이어에 사용되었다. 이는 1984년 모델 라인업까지 계속되었으며, 이 모델에는 대신 적외선 반도체 레이저가 포함되었다. 파이오니아는 레이저디스크가 2009년에 단종될 때까지 모든 레이저디스크 플레이어에 계속해서 반도체 레이저를 사용했다.
같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ NIST Atomic Spectral Database
- ↑ Willet, C.S. (1974). 《An Introduction to Gas Lasers》. Pergamon Press. 407–411쪽.
- ↑ White, A.D.; Rigden, J.D. (1962). 《Correspondence: Continuous gas maser operation in the visible》. 《Proceedings of the IRE》 50 (Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)). 1697쪽. doi:10.1109/jrproc.1962.288157. ISSN 0096-8390.
- ↑ White, A.D. (October 2011). “Recollections of the first continuous visible laser”. 《Optics and Photonics News》. 22권 10호. 34–39쪽.
- ↑ 가 나 Javan, A.; Bennett, W.R.; Herriott, D.R. ( 1 February 1961). 《Population inversion and continuous optical maser oscillation in a gas discharge containing a He–Ne mixture》. 《Physical Review Letters》 6 (American Physical Society (APS)). 106–110쪽. Bibcode:1961PhRvL...6..106J. doi:10.1103/physrevlett.6.106. ISSN 0031-9007.
- ↑ “Sam's Laser FAQ – Helium-Ne Lasers”. 《K3PGP.org》.
- ↑ 가 나 Niebauer, T.M.; Faller, James E.; Godwin, H.M.; Hall, John L.; Barger, R.L. (1988년 4월 1일). 《Frequency stability measurements on polarization-stabilized He–Ne lasers》. 《Applied Optics》 27 (The Optical Society). 1285–1289쪽. Bibcode:1988ApOpt..27.1285N. doi:10.1364/ao.27.001285. ISSN 0003-6935. PMID 20531556.
- ↑ 가 나 Iodine-stabilized helium–neon laser (보고서). National Institute of Standards and Technology (NIST). 《NIST Museum》 (U.S. Department of Commerce). 21 July 2006에 원본 문서에서 보존된 문서.
- ↑ “Notes on the Paschen notation”. 2012년 6월 18일에 원본 문서에서 보존된 문서.
- ↑ “Sam's Laser FAQ”. 《RepairFAQ》.
