펄스 레이저

레이저의 펄스 작동(Pulsed operation of lasers)은 연속파로 분류되지 않는 모든 레이저를 의미하며, 광학 전력이 특정 진동수에서 특정 지속 시간의 펄스로 나타난다.Silfvast, William T. (1996). Laser Fundamentals, Cambridge University Press.  이는 여러 가지 다른 동기를 다루는 광범위한 기술을 포함한다. 일부 레이저는 연속 모드로 작동할 수 없기 때문에 단순히 펄스 방식으로 작동한다.

다른 경우에는 응용 분야에서 가능한 한 많은 에너지를 가진 펄스를 생성해야 한다. 펄스 에너지는 평균 전력을 반복률로 나눈 값과 같으므로, 이 목표는 때때로 펄스 사이에서 더 많은 에너지를 축적할 수 있도록 펄스 반복률을 낮춤으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 절제술에서 작업물의 표면에 있는 소량의 물질은 매우 짧은 시간 내에 가열되면 증발될 수 있지만, 에너지를 점진적으로 공급하면 열이 작업물 전체에 흡수되어 특정 지점에서 충분히 높은 온도를 얻지 못할 수 있다.

다른 응용 분야는 특히 비선형 광학 효과를 얻기 위해 펄스 내의 에너지보다는 피크 펄스 전력에 의존한다. 주어진 펄스 에너지의 경우, 이는 Q 스위칭과 같은 기술을 활용하여 가능한 한 가장 짧은 지속 시간의 펄스를 생성해야 한다.

펄스의 광학적 대역폭은 펄스 폭의 역수보다 좁을 수 없다. 극히 짧은 펄스의 경우, 이는 상당한 대역폭에 걸쳐 레이저를 발진시킨다는 것을 의미하며, 이는 연속파 (CW) 레이저의 전형적인 매우 좁은 대역폭과는 상당히 대조적이다. 일부 색소 레이저와 진동 전자 고체 레이저의 레이저 매질은 넓은 대역폭에 걸쳐 광학적 이득을 생성하여 몇 펨토초만큼 짧은 빛의 펄스를 생성할 수 있는 레이저를 가능하게 한다.

 Q 스위칭 

Q 스위칭 레이저에서는 공진기 내부에 매질의 이득을 초과하는 손실을 도입하여 개수 역전이 축적되도록 한다. 이는 공동의 품질 계수 또는 'Q'의 감소로 설명될 수도 있다. 그런 다음, 레이저 매질에 저장된 펌프 에너지가 가능한 최대 수준에 도달한 후, 도입된 손실 메커니즘(종종 전기 또는 음향 광학 요소)이 빠르게 제거되거나 (수동 장치에서는 저절로 발생함), 레이저 발진이 시작되어 이득 매질에 저장된 에너지를 빠르게 얻는다. 이는 해당 에너지를 통합하는 짧은 펄스를 생성하여 높은 피크 전력을 얻는다.

 모드 잠금 

모드 잠금 레이저는 수십 피코초에서 10 펨토초 미만의 극도로 짧은 펄스를 방출할 수 있다. 이 펄스는 왕복 시간, 즉 빛이 공진기를 구성하는 거울 사이를 한 번 왕복하는 데 걸리는 시간과 같은 간격으로 반복된다. 푸리에 불확정성 원리 (에너지-시간 불확정성 원리라고도 함) 때문에, 이처럼 짧은 시간 길이를 가진 펄스는 상당한 대역폭에 걸쳐 퍼져 있는 스펙트럼을 가진다. 따라서 이러한 이득 매질은 해당 주파수를 증폭할 수 있을 만큼 충분히 넓은 이득 대역폭을 가져야 한다. 적합한 재료의 예로는 매우 넓은 이득 대역폭을 가지며 따라서 몇 펨토초 지속 시간의 펄스만을 생성할 수 있는 타이타늄이 도핑된 인공 사파이어 (Ti:사파이어)가 있다.

이러한 모드 잠금 레이저는 극히 짧은 시간 척도에서 발생하는 과정(펨토초 물리학, 펨토초 화학 및 초고속 과학으로 알려짐)을 연구하고, 큰 피크 전력으로 인해 광학 재료에서 비선형성의 효과를 최대화하며(예: 2차 조화파 발생, 비선형 주파수 하향 변환, 광학 매개변수 발진기 등), 절제 응용 분야에서 가장 다재다능한 도구이다. 다시 말하지만, 극히 짧은 펄스 지속 시간 때문에 이러한 레이저는 극히 높은 피크 전력을 달성하는 펄스를 생성한다.

 펄스 펌핑 
펄스 레이저 작동을 달성하는 또 다른 방법은 플래시 램프의 경우 전자 충전을 통해 또는 이미 펄스 방식인 다른 레이저를 통해 자체적으로 펄스 방식인 광원으로 레이저 재료를 펌핑하는 것이다. 펄스 펌핑은 역사적으로 염료 분자의 반전 인구 수명이 너무 짧아 고에너지의 빠른 펌프가 필요했던 색소 레이저에서 사용되었다. 이 문제를 극복하는 방법은 대형 축전기를 충전한 다음 플래시 램프를 통해 방전시켜 강렬한 플래시를 생성하는 것이었다. 펄스 펌핑은 또한 낮은 에너지 준위가 빠르게 고도로 채워져 해당 원자들이 바닥 상태로 이완될 때까지 추가적인 레이저 발진을 방해하는 3준위 레이저에도 필요하다. 엑시머 레이저 및 구리 증기 레이저와 같은 이러한 레이저는 CW 모드로 작동할 수 없다.

 응용 분야 
펄스형 Nd:YAG 및 Er:YAG 레이저는 레이저 문신 제거 및 레이저 거리 측정기와 같은 응용 분야에 사용된다.

펄스 레이저는 연조직 수술에도 사용된다. 레이저 빔이 연조직과 접촉할 때, 중요한 요소 중 하나는 주변 조직을 과열시키지 않아 괴사를 방지하는 것이다. 레이저 펄스는 펄스 사이에 효율적인 조직 냉각(열 이완 시간)이 이루어지도록 간격을 두어야 한다.

 같이 보기 
 초단펄스 레이저
 펄스 레이저 증착
 레이저 절제술
 레이저 메스
 연조직 레이저 수술

 참고 문헌 
Siegman, Anthony E. (1986). Lasers, University Science Books. 
Svelto, Orazio (1998). Principles of Lasers, 4th ed. (trans. David Hanna), Springer. 

 각주 

분류:레이저
분류:레이저 물리학