이온 레이저

이온 레이저(Ion laser)는 이온화된 기체를 레이저 매질로 사용하는 기체 레이저이다.
다른 기체 레이저와 마찬가지로 이온 레이저는 레이저 매질과 파브리-페로 공진기를 형성하는 거울이 들어있는 밀봉된 캐비티를 특징으로 한다. 헬륨-네온 레이저와 달리 레이저 작용에 기여하는 에너지 준위 전이는 이온에서 발생한다. 이온 레이저에 사용되는 이온 전이를 여기시키는 데 필요한 에너지가 많기 때문에 필요한 전류도 훨씬 많으며, 그 결과 가장 작은 이온 레이저를 제외하고는 거의 모든 이온 레이저가 수랭식이다. 작은 공랭식 이온 레이저는 예를 들어 약 10 암페어의 튜브 전류와 105볼트의 전압으로 130 밀리와트의 출력 광을 생성할 수 있다. 1암페어 곱하기 1볼트가 1와트이므로, 이는 약 1킬로와트의 전력 입력이다. 전력 입력에서 (원하는) 130 mW의 광 출력을 빼면 거의 1킬로와트에 달하는 많은 폐열이 남는다. 이 열은 냉각 시스템으로 방출되어야 한다. 즉, 전력 효율이 매우 낮다.

유형

크립톤 레이저
크립톤 레이저는 비활성 기체인 크립톤의 이온을 활성 레이저 매질로 사용하는 이온 레이저이다. 레이저 펌핑은 방전에 의해 이루어진다. 크립톤 레이저는 과학 연구 및 상업적 용도로 널리 사용되며, 크립톤이 아르곤과 혼합되면 레이저쇼에 유용한 "백색광" 레이저를 생성한다. 크립톤 레이저는 의학 (예: 망막 응고), 보안 홀로그램 제조 및 기타 여러 목적으로도 사용된다.

크립톤 레이저는 일반적으로 406.7 nm, 413.1 nm, 415.4 nm, 468.0 nm, 476.2 nm, 482.5 nm, 520.8 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm와 같은 여러 다른 파장 근처에서 가시광선을 방출할 수 있다.

아르곤 레이저


아르곤 이온 레이저는 1964년 휴즈 항공의 윌리엄 브릿지스에 의해 발명되었으며W. B. Bridges, "LASER OSCILLATION IN SINGLY IONIZED ARGON IN THE VISIBLE SPECTRUM", Appl. Phys. Lett. 4, 128–130 (1964). 비활성 기체를 활성 매질로 사용하는 이온 레이저 계열 중 하나이다.

아르곤 이온 레이저는 망막 광선 요법 (당뇨병 치료용), 석판 인쇄, 다른 레이저의 레이저 펌핑에 사용된다. 아르곤 이온 레이저는 351.1 nm, 363.8 nm, 454.6 nm, 457.9 nm, 465.8 nm, 476.5 nm, 488.0 nm, 496.5 nm, 501.7 nm, 514.5 nm, 528.7 nm 및 1092.3 nm를 포함하여 가시 및 자외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 13개의 파장에서 방출한다. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 파장은 가시 스펙트럼의 청록색 영역에 있다. 이 파장은 해수가 이 파장 범위에서 상당히 투명하기 때문에 수중 통신에 사용될 가능성이 있다.

섬네일|여러 색상(파장)으로 구성된 아르곤 레이저 빔이 실리콘 회절 거울 격자에 부딪혀 각 파장(왼쪽에서 오른쪽으로): 458 nm, 476 nm, 488 nm, 497 nm, 502 nm 및 515 nm에 대해 여러 빔으로 분리된다.

일반적인 아르곤 및 크립톤 레이저는 수 밀리와트에서 수십 와트의 연속파(CW) 출력을 방출할 수 있다. 튜브는 일반적으로 니켈 엔드 벨, 코바르 금속-세라믹 밀봉, 산화 베릴륨 세라믹 또는 세라믹 라이너의 구리 방열판에 장착된 텅스텐 디스크로 만들어진다. 초기 튜브는 단순한 석영이었고, 이어서 흑연 디스크가 있는 석영이 사용되었다. 단 몇 밀리암페어의 입력 전류만 필요한 헬륨-네온 레이저와 비교할 때, 아르곤 레이저를 펌핑하는 데 사용되는 전류는 가스가 이온화되어야 하므로 수 암페어에 달한다. 이온 레이저 튜브는 많은 폐열을 발생시키므로 이러한 레이저는 능동 냉각이 필요하다.

일반적인 비활성 기체 이온 레이저 플라즈마는 자기장 내의 비활성 기체에서 고전류 밀도 글로 방전으로 구성된다. 일반적인 연속파 플라즈마 조건은 100~2000 A/cm2의 전류 밀도, 1.0~10 mm의 튜브 직경, 0.1~1.0 토르(0.0019~0.019 psi)의 충전 압력, 약 1000 가우스의 축 방향 자기장이다.Bridges, Halstead et al., Proceedings of the IEEE, 59 (5). pp. 724–739.

최초의 기체 레이저(헬륨-네온 레이저)의 공동 발명가인 윌리엄 R. 베넷 주니어는 기체 레이저에서 스펙트럼 홀 번잉 효과를 처음으로 관찰했으며, 레이저 발진에서 "홀 번잉" 효과에 대한 이론을 만들었다. 그는 각 비활성 기체에서 전자 충격 여기를 사용하는 레이저, 네온-산소 레이저(최초의 화학 레이저)에서 해리 여기 전달, 여러 금속 증기 레이저에서 충돌 여기를 사용하는 레이저의 공동 발견자였다.

기타 시판 유형
 Ar/Kr: 아르곤과 크립톤의 혼합은 백색광으로 나타나는 출력 파장을 가진 레이저를 생성할 수 있다.
 헬륨-카드 뮴: 442 nm에서 청색 레이저 방출, 325 nm에서 자외선 방출.
 구리 증기: 578 nm 및 510 nm에서 황색 및 녹색 방출.

실험용
 제논 (원소)Hoffman Toschek, et al., "The Pulsed Xenon Ion Laser: Covers the UV, visible, and near-IR with optics changes", IEEE Journal of Quantum Electronics
 아이오딘Hattori, Kano, Tokutome and Collins, "CW Iodine Ion Laser in a Positive Column Discharge", IEEE Journal of Quantum Electronics, June 1974
 산소Cold Cathode Pulsed Gas Laser" by R. K. Lomnes and J. C. W. Taylor in: Review of Scientific Instruments, vol 42, no. 6, June, 1971.

응용
 공초점 레이저 현미경
 외과
 레이저 의학
 고속 조판기
 레이저쇼
 DNA 염기서열 분석기
 분광학 실험
 색소 레이저 레이저 펌핑F. J. Duarte and L. W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapters 3 and 5
 반도체 웨이퍼 검사
 직접 쓰기 고밀도 PCB 석판 인쇄
 광섬유 브래그 격자 생산
 긴 간섭성 길이 모델은 홀로그램에 사용될 수 있다.

 같이 보기 
 레이저
 레이저 유형 목록

 각주 

분류:미국의 발명품