레이저 펌핑

레이저 펌핑()은 외부 소스로부터 레이저의 이득 매질로 에너지를 전달하는 행위이다. 에너지는 매질에 흡수되어 원자에 들뜬 상태를 생성한다. 한 들뜬 상태의 입자 수가 바닥 상태 또는 덜 들뜬 상태의 입자 수를 일정 시간 초과하면 밀도 반전이 달성된다. 이 조건에서 자극 방출 메커니즘이 발생할 수 있으며, 매질은 레이저 또는 광 증폭기로 작동할 수 있다. 펌프 전력은 레이저의 레이저 발진 문턱치보다 높아야 한다.

펌프 에너지는 일반적으로 빛 또는 전류 형태로 제공되지만, 화학 반응 또는 핵반응과 같은 더 이색적인 소스도 사용되었다.

 광 펌핑 

 펌핑 캐비티 
아크 램프나 플래시 램프로 펌핑되는 레이저는 일반적으로 "측면 펌핑"으로 알려진 조건에서 금속 불순물이 포함된 결정 막대 형태이거나 액체 염료가 포함된 유리관 형태인 레이저 매질의 측면 벽을 통해 펌핑된다. 램프 에너지를 가장 효율적으로 사용하기 위해 램프와 레이저 매질은 대부분의 램프 에너지를 막대나 염료 셀로 다시 보내는 반사 캐비티에 보관된다.

섬네일|300px|다양한 레이저 펌핑 캐비티 구성.가장 일반적인 구성에서 이득 매질은 막대 형태이며, 막대의 축에 수직인 타원형 단면으로 구성된 거울 캐비티의 한 초점에 위치한다. 플래시 램프는 타원의 다른 초점에 위치한 튜브이다. 종종 거울의 코팅은 레이저 출력보다 짧은 파장을 반사하고 같거나 더 긴 파장을 흡수하거나 투과하도록 선택되어 열 렌징을 최소화한다. 다른 경우에는 더 긴 파장을 위한 흡수체가 사용된다. 종종 램프는 흐름 튜브라고 불리는 원통형 재킷으로 둘러싸여 있다. 이 흐름 튜브는 일반적으로 자외선과 같은 부적합한 파장을 흡수하거나 적외선을 흡수하는 냉각수 경로를 제공하는 유리로 만들어진다. 종종 재킷에는 부적합한 파장의 빛을 램프 안으로 다시 반사하는 유전체 코팅이 적용된다. 이 빛은 흡수되어 일부는 적합한 파장으로 다시 방출된다. 흐름 튜브는 또한 램프가 격렬하게 고장 날 경우 막대를 보호하는 역할도 한다.

더 작은 타원은 더 적은 반사를 생성하여("밀착 결합"이라고 불리는 조건) 막대 중앙에 더 높은 강도를 제공한다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 376 단일 플래시 램프의 경우, 램프와 막대의 직경이 같으면 높이의 두 배인 타원이 일반적으로 빛을 막대 안으로 이미징하는 데 가장 효율적이다. 막대와 램프는 끝면에서의 손실을 최소화하고 충분한 길이의 이득 매질을 제공하기 위해 비교적 길다. 더 긴 플래시 램프는 더 높은 온저항으로 인해 전기 에너지를 빛으로 전환하는 데 더 효율적이다. 그러나 막대가 직경에 비해 너무 길면 "프리레이저 발진"이라는 조건이 발생하여 적절하게 에너지를 축적하기 전에 막대의 에너지를 소모할 수 있다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 192 막대 끝은 종종 이 효과를 최소화하기 위해 반사 방지 코팅이 되어 있거나 브루스터 각으로 잘려 있다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 194 손실을 줄이기 위해 펌프 캐비티 끝에 평면 거울이 자주 사용된다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 368-376

이 설계의 변형은 겹치는 타원형 모양으로 구성된 더 복잡한 거울을 사용하여 여러 플래시 램프가 단일 막대를 펌핑할 수 있도록 한다. 이는 더 큰 출력을 가능하게 하지만, 모든 빛이 막대에 올바르게 이미징되지 않아 열 손실이 증가하므로 효율성이 떨어진다. 이러한 손실은 밀착 결합 캐비티를 사용하여 최소화할 수 있다. 그러나 이 접근 방식은 더 대칭적인 펌핑을 허용하여 빔 품질을 향상시킬 수 있다.

다른 구성은 스펙트럴론 또는 분말 형태의 황산 바륨과 같은 확산 반사체 재료로 만들어진 캐비티에 막대와 플래시 램프를 사용한다. 이러한 캐비티는 빛을 집중시키는 것이 주요 목적이 아니므로 종종 원형 또는 긴 타원형이다. 빛이 막대에 도달하기 전에 여러 번 반사되기 때문에 레이저 매질에 빛을 잘 결합시키지는 않지만, 금속화된 반사체보다 유지 보수가 덜 필요한 경우가 많다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 368-373 반사 횟수의 증가는 확산 매질의 더 높은 반사율(금 거울의 97%에 비해 99%)로 보상된다. 이 접근 방식은 연마되지 않은 막대 또는 여러 개의 램프에 더 적합하다.

기생 모드는 막대의 길이 방향이 아닌 다른 방향에서 반사가 발생할 때 발생하며, 이는 빔에 사용할 수 있는 에너지를 소모할 수 있다. 막대 외부가 연마된 경우 특히 문제가 될 수 있다. 원통형 레이저 막대는 막대와 냉각수 사이의 전반사로 인해 막대 둘레를 지속적으로 반사하는 휘스퍼링 갤러리 모드를 지원한다. 광파이프 모드는 지그재그 경로로 막대 길이를 따라 반사될 수 있다. 막대에 반사 방지 코팅이 있거나 굴절률이 일치하는 유체에 잠겨 있으면 이러한 기생 반사를 극적으로 줄일 수 있다. 마찬가지로 막대 외부가 거칠게 연마되었거나(프로스팅 처리되었거나) 홈이 파여 있으면 내부 반사를 분산시킬 수 있다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 193-194

단일 램프 펌핑은 대부분의 에너지를 한쪽에 집중시켜 빔 프로파일을 악화시키는 경향이 있다. 막대 전체에 더 고른 빛 분포를 제공하기 위해 막대에 프로스팅 처리된 표면이 있는 경우가 흔하다. 이를 통해 이득 매질 전체에 더 많은 에너지가 흡수되어 더 나은 횡모드를 얻을 수 있다. 프로스팅 처리된 흐름 튜브 또는 확산 반사체는 전달 효율을 낮추지만 이 효과를 증가시켜 이득을 향상시키는 데 도움이 된다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 380-381

레이저 호스트 재료는 흡수율이 낮은 것을 선택하며, 도펀트만 흡수한다. 따라서 도핑에 의해 흡수되지 않는 주파수의 빛은 램프로 돌아가 플라스마를 재가열하여 램프 수명을 단축시킨다.

 플래시 램프 펌핑 
섬네일|300px|레이저 펌핑 램프. 위 세 개는 제논 (원소) 섬광 램프이고 아래쪽은 크립톤 아크 램프이다.
섬네일|200px|외부 트리거링이 이 매우 빠른 방전에서 사용되었다. 매우 빠른 속도(3.5 마이크로초)로 인해 전류는 제논을 완전히 가열하고 튜브를 채울 수 없을 뿐만 아니라 여전히 유리와 직접 접촉하고 있다.
섬네일|250px|bottom|회색체 복사에 가까운 전류 밀도에서 다양한 가스를 사용한 섬광관의 스펙트럼 출력.
섬광관은 레이저의 가장 초기 에너지원이다. 고체 레이저와 색소 레이저 모두에서 높은 펄스 에너지를 위해 사용된다. 넓은 스펙트럼의 빛을 생성하여 대부분의 에너지가 이득 매질에서 열로 낭비된다. 플래시 램프는 또한 수명이 짧은 경향이 있다. 최초의 레이저는 루비 레이저 막대를 둘러싼 나선형 섬광 램프로 구성되었다.

석영유리 섬광 램프는 레이저에 가장 일반적으로 사용되는 유형이며, 낮은 에너지 또는 높은 반복률에서 900 °C의 고온에서 작동할 수 있다. 더 높은 평균 전력 또는 반복률은 수냉을 필요로 한다. 물은 일반적으로 램프의 아크 길이뿐만 아니라 유리의 전극 부분도 씻어내야 한다. 수냉식 섬광 램프는 일반적으로 전극 주변의 유리가 수축되어 텅스텐을 직접 냉각할 수 있도록 제조된다. 전극이 유리보다 훨씬 더 가열되면 열팽창으로 인해 밀봉이 깨질 수 있다.

램프 수명은 주로 특정 램프에 사용되는 에너지 체제에 따라 달라진다. 낮은 에너지는 스퍼터링을 유발하여 음극에서 물질을 제거하고 유리 위에 다시 증착하여 어둡고 거울 같은 외관을 만들 수 있다. 낮은 에너지에서의 기대 수명은 예측하기 매우 어려울 수 있다. 높은 에너지는 벽 융삭을 유발하는데, 이는 유리를 흐리게 할 뿐만 아니라 구조적으로 약화시키고 산소를 방출하여 압력에 영향을 미치지만, 이러한 에너지 수준에서는 기대 수명을 상당히 정확하게 계산할 수 있다.

펄스 지속 시간도 수명에 영향을 미칠 수 있다. 매우 긴 펄스는 음극에서 많은 양의 물질을 벗겨내어 벽에 증착시킬 수 있다. 매우 짧은 펄스 지속 시간의 경우 아크가 램프 중앙에 위치하여 유리에서 멀리 떨어져 있는지 확인하여 심각한 벽 융삭을 방지해야 한다. 외부 트리거링은 일반적으로 짧은 펄스에는 권장되지 않는다. 시머 전압 트리거링은 색소 레이저에 사용되는 극히 빠른 방전에 주로 사용되며, 종종 메인 플래시 직전 수 밀리초 전에 작은 플래시를 시작하여 더 빠른 상승 시간을 위해 가스를 예열하는 "프리펄스 기법"과 결합된다.

색소 레이저는 때때로 "축 펌핑"을 사용하는데, 이는 속이 빈 고리 모양의 섬광관으로 구성되어 있으며, 외부 봉투는 적절한 빛을 중앙으로 다시 반사하도록 거울로 되어 있다. 염료 셀은 중앙에 배치되어 펌핑 빛의 보다 균일한 분포와 에너지의 보다 효율적인 전달을 제공한다. 속이 빈 섬광관은 또한 일반 섬광관보다 유도계수가 낮아 더 짧은 섬광 방전을 제공한다. 드물게 "동축" 설계가 색소 레이저에 사용되는데, 이는 일반 섬광관을 고리 모양의 염료 셀이 둘러싸는 형태로 구성된다. 이는 반사체가 필요 없으므로 더 나은 전달 효율을 제공하지만, 회절 손실로 인해 이득이 낮아진다."Principles of Lasers", by Orazio Svelto

섬광관의 출력 스펙트럼은 주로 전류 밀도의 산물이다. 펄스 지속 시간에 대한 "폭발 에너지"(1~10회 섬광에서 파괴될 에너지 양)를 결정하고 작동을 위한 안전한 에너지 수준을 선택한 후, 전압과 정전 용량의 균형을 조정하여 출력을 근적외선에서 원자외선까지 모든 곳에 집중시킬 수 있다. 낮은 전류 밀도는 매우 높은 전압과 낮은 전류를 사용하여 발생한다. 이는 근적외선에 중심을 둔 넓은 스펙트럼 선을 생성하며, Nd:YAG 및 에르븀:YAG와 같은 적외선 레이저 펌핑에 가장 적합하다. 더 높은 전류 밀도는 스펙트럼 선을 서로 혼합되기 시작할 정도로 넓히고, 연속체 방출이 생성된다. 긴 파장은 짧은 파장보다 낮은 전류 밀도에서 포화 수준에 도달하므로 전류가 증가하면 출력 중심이 가시 스펙트럼으로 이동하며, 이는 루비 레이저와 같은 가시광선 레이저 펌핑에 더 적합하다. 이 지점에서 가스는 거의 이상적인 "회색체 복사"가 된다. 훨씬 더 높은 전류 밀도는 흑체 복사를 생성하여 출력을 자외선에 집중시킨다.

제논은 효율성이 좋기 때문에 널리 사용되지만, 크립톤은 네오디뮴 도핑 레이저 막대를 펌핑하는 데 자주 사용된다. 이는 근적외선 범위의 스펙트럼 선이 네오디뮴의 흡수선과 더 잘 일치하여 전체 출력 전력은 낮지만 크립톤의 전달 효율이 더 좋기 때문이다. 이는 흡수 프로파일이 좁은 Nd:YAG에 특히 효과적이다. 크립톤으로 펌핑하면 이 레이저는 제논으로 얻을 수 있는 출력 전력의 두 배까지 달성할 수 있다.Solid-state laser engineering by Walter Koechner – Springer-Verlag 1965 Page 335 크립톤으로 Nd:YAG를 펌핑할 때는 일반적으로 스펙트럼 선 방출이 선택되지만, 제논의 모든 스펙트럼 선이 Nd:YAG의 흡수 대역을 놓치기 때문에 제논으로 펌핑할 때는 연속체 방출이 사용된다.Solid-state lasers: a graduate text by Walter Koechner, Michael Bass – Springer-Verlag 2003 Page 190

 아크 램프 펌핑 
섬네일|상단 호광등으로 레이저 막대(하단)를 광 펌핑한다. 빨간색: 뜨거움. 파란색: 차가움. 녹색: 빛. 비녹색 화살표: 물 흐름. 단색: 금속. 밝은색: 석영유리.
섬네일|200px|이 가스방전등은 다양한 비활성 기체의 스펙트럼 선 출력을 보여준다.
호광등은 연속 작동을 지원할 수 있는 막대를 펌핑하는 데 사용되며, 모든 크기와 전력으로 만들 수 있다. 일반적인 호광등은 램프가 작동하도록 설계된 특정 전류 수준을 유지할 만큼 충분히 높은 전압에서 작동한다. 이는 종종 10~50암페어 범위이다. 매우 높은 압력으로 인해 호광등은 시동, 즉 아크 "발생"을 위한 특별히 설계된 회로가 필요하다. 발생은 일반적으로 세 단계로 이루어진다. 트리거링 단계에서는 "직렬 트리거링" 변압기에서 나오는 극히 높은 전압 펄스가 전극 사이에 스파크 스트리머를 생성하지만, 주 전압이 인계하기에는 온저항이 너무 높다. 그런 다음 "부스트 전압" 단계가 시작되며, 전극 사이의 전압 강하보다 높은 전압이 램프를 통해 구동되어 가스가 플라스마 상태로 가열될 때까지 진행된다. 임피던스가 충분히 낮아지면 "전류 제어" 단계가 시작되며, 주 전압이 전류를 안정적인 수준으로 구동하기 시작한다.

아크 램프 펌핑은 플래시 램프 펌핑 레이저와 유사한 캐비티에서 이루어지며, 반사기 캐비티에 막대와 하나 이상의 램프가 있다. 캐비티의 정확한 모양은 종종 사용되는 램프 수에 따라 달라진다. 주요 차이점은 냉각 방식이다. 아크 램프는 물로 냉각해야 하며, 물이 유리뿐만 아니라 전극 연결부까지 씻어내야 한다. 이를 위해서는 회로가 단락되고 전기 분해를 통해 전극이 부식되는 것을 방지하기 위해 최소 200킬로옴의 비저항을 가진 탈이온수를 사용해야 한다. 물은 일반적으로 분당 4~10리터의 속도로 흐름 튜브를 통해 흐른다.

아크 램프는 제논, 크립톤, 아르곤, 네온, 헬륨을 포함한 거의 모든 비활성 기체 유형으로 제공되며, 이들 모두 가스에 매우 특정한 스펙트럼 선을 방출한다. 아크 램프의 출력 스펙트럼은 주로 가스 유형에 따라 다르며, 낮은 전류 밀도에서 작동하는 섬광 램프와 매우 유사한 좁은 대역 스펙트럼 선이다. 출력은 근적외선에서 가장 높으며, 일반적으로 Nd:YAG와 같은 적외선 레이저를 펌핑하는 데 사용된다.

 외부 레이저 펌핑 
섬네일|외부 주파수 2배 네오디뮴 야그 레이저 @ 532nm (황록색)로 펌핑되어 589nm (황색)로 튜닝된 색소 레이저. 파장 간의 근접성은 매우 작은 스토크스 이동을 유발하여 에너지 손실을 줄인다.
적합한 유형의 레이저는 다른 레이저를 펌핑하는 데 사용될 수 있다. 펌프 레이저의 좁은 스펙트럼은 레이저 매질의 흡수선과 밀접하게 일치될 수 있도록 하여 브로드밴드 방출의 섬광 램프보다 훨씬 효율적인 에너지 전달을 제공한다. 반도체 레이저는 고체 레이저 및 액체 색소 레이저를 펌핑한다. 링 레이저 설계는 특히 색소 레이저에서 자주 사용된다. 링 레이저는 3개 이상의 거울을 사용하여 빛을 원형 경로로 반사시킨다. 이는 대부분의 패브리-페로 공진기에 의해 생성되는 정상파를 제거하는 데 도움이 되어 이득 매질 에너지의 더 나은 활용으로 이어진다.Laser fundamentals by 윌리엄 토마스 실프바스트 – Cambridge University Press 1996 Page 397-399

 기타 광 펌핑 방법 
마이크로파 또는 무선주파수 전자기 복사는 가스 레이저를 여기시키는 데 사용될 수 있다.

태양 펌핑 레이저는 태양 복사를 펌프 소스로 사용한다.

 전기 펌핑 
가스 레이저에서는 전기 글로 방전이 흔히 발생한다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저에서는 방전에서 나오는 전자가 헬륨 원자와 충돌하여 헬륨 원자를 여기시킨다. 여기된 헬륨 원자는 네온 원자와 충돌하여 에너지를 전달한다. 이를 통해 네온 원자의 역전 집단을 형성할 수 있다.

전류는 일반적으로 반도체 레이저 및 반도체 결정 레이저(예: 게르마늄 photo 3)를 펌핑하는 데 사용된다.

전자 빔은 자유 전자 레이저 및 일부 엑시머 레이저를 펌핑한다.

 가스 역학 펌핑 

가스 역학 레이저는 이산화 탄소와 같은 가스의 초음속 흐름을 사용하여 분자를 임계치를 넘어 여기시키도록 구성된다. 가스는 가압된 다음 최대 1400 켈빈까지 가열된다. 그런 다음 가스는 특별히 형성된 노즐을 통해 매우 낮은 압력으로 빠르게 팽창한다. 이 팽창은 마하 4만큼 빠른 초음속으로 발생한다. 뜨거운 가스에는 상위 들뜬 상태에 많은 분자가 있고, 더 많은 분자가 하위 상태에 있다. 급격한 팽창은 단열 냉각을 유발하여 온도를 300K까지 낮춘다. 이러한 온도 감소는 상위 및 하위 상태의 분자가 더 낮은 온도에 더 적합한 값으로 평형을 이완시키도록 한다. 그러나 하위 상태의 분자는 매우 빠르게 이완되는 반면, 상위 상태 분자는 이완하는 데 훨씬 더 오래 걸린다. 상당수의 분자가 상위 상태에 남아 있으므로 종종 상당한 거리까지 이어지는 밀도 반전이 생성된다. 동적 이산화 탄소 레이저에서 최대 100킬로와트의 연속파 출력을 얻을 수 있었다.Principles of lasers By Orazio Svelto – Plenum Press 1998 Page 203

초음속 팽창의 유사한 방법은 일산화 탄소 레이저를 단열 냉각하는 데 사용되며, 그런 다음 화학 반응, 전기 또는 무선주파수 펌핑을 통해 펌핑된다. 단열 냉각은 액체 질소를 사용한 부피가 크고 비용이 많이 드는 극저온 냉각을 대체하여 일산화 탄소 레이저의 효율성을 높인다. 이 유형의 레이저는 최대 기가와트의 출력을 낼 수 있었으며 효율은 최대 60%에 달했다.Principles of lasers By Orazio Svelto – Plenum Press 1998 Page 442-443

 다른 유형 
전하 변위 자가 채널링은 전자의 폰더로모티브 힘에 의해 생성되고 유지되는 기둥을 따라 높은 에너지 농도를 유발할 수 있다. 이 채널은 또한 더 짧은 파장의 2차 복사를 컬럼화하고 궁극적으로 극히 짧은 파장의 레이저 발진을 유발한다.

화학 반응은 화학 레이저의 전원으로 사용된다. 이는 다른 수단으로는 달성하기 어려운 매우 높은 출력 전력을 가능하게 한다.

핵분열은 특이한 핵 펌핑 레이저에서 사용되며, 원자로에서 방출되는 고속 중성자 에너지를 직접 활용한다.

미국 군부는 1980년대에 핵무기로 펌핑되는 X선 레이저를 시험했지만, 시험 결과는 결정적이지 않았고 반복되지 않았다.

 같이 보기 
 레이저 구성

 각주 

분류:레이저 물리학