헬륨-네온 레이저

헬륨-네온 레이저() 또는 He-Ne 레이저()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.NIST Atomic Spectral Database 레이저 공진기의 모드 구조 때문에 레이저의 순간 출력은 중심에서 양방향으로 최대 500 MHz까지 이동할 수 있다.

 He-Ne 레이저 개발 역사 
섬네일|캘리퍼스로 헬륨-네온 빔을 측정하는 모습.|320x213px
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. 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.

 구조 및 작동 
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. 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.
섬네일|700px|일반적인 2-3 mW 빨간색 (633 nm) 헬륨-네온 레이저 튜브의 개략도
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. 요오드 흡수 셀을 사용하면 레이저 주파수(또는 파장)의 절대 안정화를 1011분의 2.5만큼 미세하게 얻을 수 있다.

섬네일|He-Ne 레이저의 에너지 준위|512x330px
섬네일|링 He-Ne 레이저

He-Ne 레이저 플라즈마에서 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  = 2 상태에 있음을 나타낸다)는 수명이 긴 준안정 상태이다. 두 헬륨 준안정 상태의 에너지 준위와 네온의 5s2 및 4s2 (파셴 표기법) 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.

섬네일|right|헬륨-네온 레이저의 스펙트럼. 그 매우 높은 스펙트럼 순도(측정 장치에 의해 제한됨)를 보여준다. 유도 방출 매질의 0.002 nm 대역폭은 발광 다이오드의 스펙트럼 폭보다 배 이상 좁으며 (비교를 위해 그 스펙트럼 참조), 단일 종모드의 대역폭은 훨씬 더 좁다.

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. 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.

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 
섬네일|많은 상업용 항공기 및 기타 용도의 기본 항법에 사용되는 허니웰 GG1320 링 레이저 자이로스코프의 단단한 유리-세라믹 블록 코어.
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 
 레이저의 종류
 아르곤

 각주 

분류:네온
분류:헬륨