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광펌핑 고체 레이저

레이저 작용이 일어나도록 원자들을 높은 에너지 준위로 여기시키는 방법 중 하나는 레이저가 발생시키는 빛보다 더 큰 진동수를 갖는 빛으로 레이저 물질을 조사(照射)하는 것이다.

이 과정을 광 펌핑이라고 하며, 대개 비효율적인 과정이기 때문에 광펌프는 큰 세기를 가져야 한다.

광펌핑 고체 레이저는 선택된 물질의 막대로 만드는데, 양 끝이 평평하고 평행하도록 다듬어지며 레이저 광을 반사하는 거울로 덮여 있다. 막대의 측변은 펌핑 등(燈)으로부터 빛을 받을 수 있도록 투명하며, 카메라의 전자 섬광(閃光) 전구처럼 점멸하는 펄스형 기체방전관이 펌핑 등으로 쓰일 수 있다.

펌핑 등은 레이저막대 주위에 길이 방향으로 감길 수도 있고 거울을 사용하여 막대에 집속될 수도 있다(그림 참조). 최초로 동작한 레이저는 인조보석인 사파이어(산화알루미늄) 결정으로 만든 분홍색의 루비 막대를 사용했다. 그이래로 많은 희토류 원소들이 사용되었으며 네오디뮴(Nd)이 가장 많이 쓰였다. 출력전력은 섬광의 형태로 수천W까지 얻을 수 있다.

액체 레이저

고체 레이저는 물질내부에서 발생하는 열과 펌핑 등에 의한 열 때문에 고출력에서는 때때로 파손되고 손상을 입는 단점이 있다.

액체 레이저는 그러한 손상을 입지 않으며, 산화네오디뮴 또는 염화네오디뮴을 염화산화셀렌에 녹인 용액으로 채워진 투명조(透明槽)가 결정체 또는 유리질막대를 대체한다. 투명조는 출력일률을 높이기 위해 원하는 만큼 크게 만들 수 있다. 그러나 레이저로서 동작하는 무기(無機) 액체의 종류는 아주 적다.

염료 레이저

어떤 유기염료는 다른 색깔의 재복사광을 내는 형광작용을 한다.

비록 구성원자들의 여기상태가 1초도 안 되게 지속되고 방출된 빛의 대역이 좁지는 않지만, 광범위한 주파수대역에 동조(同調)할 수 있는 장점을 가지고 있어서 레이저 작용을 나타내는 많은 염료들이 만들어졌다. 주황색을 띤 노란 빛을 발하는 로다민 6G와 같은 염료는 다른 레이저로 여기시켜 레이저 작용을 나타내게 한다. 로다민 6G는 펄스 발진이 아닌 연속발진이 처음으로 이루어진 염료이며 가변파장 레이저광의 연속빔을 생산 가능하게 했다.

메틸럼벨리페론 염료는 염산을 첨가하여 자외선에서부터 노란색 빛까지의 파장에서 레이저 작용을 하도록 만들 수 있어서 이 영역 안의 거의 모든 진동수에서 레이저 광이 만들어진다.

기체방전 레이저

기체방전 내의 원자는 네온사인에서처럼 빛을 생성하고 복사하도록 여기된다.

때때로 아주 많은 수의 원자가 특정 에너지 준위에 모이게 되며, 방전관의 양끝에 거울을 두면 레이저 작용이 일어난다. 이 조건은 흔하지 않으며 또 기체방전이 발하는 여러 파장 중 몇 개에서만 일어나지만 대부분의 기체는 특정한 방전조건에서 어떤 파장의 레이저 광을 발생하도록 만들 수 있다. 기체방전 레이저는 보통 헬륨-네온의 혼합기체를 사용하는데, 적외선영역의 레이저 작용에는 일산화탄소나 시안화수소 같은 기체를 사용한다.

기체역학 레이저

가열된 기체가 급냉(急冷)되면 저에너지 상태에 있는 분자들의 수는 더욱 빨리 줄어들어 고에너지 상태에 있는 분자들보다 적어지며, 이는 레이저 작용을 일으킨다.

이 조건은 질소와 혼합된 일산화탄소를 연소시켜 제트노즐을 통해 팽창시킴으로써 얻어지며 3만W 이상의 고출력(高出力)을 얻을 수 있다.

화학 레이저

어떤 화학반응은 레이저 작용을 일으킬 만한 고에너지의 원자를 발생시킨다.

예를 들어 수소와 불소가 만나 불화수소를 만들 때 이산화탄소가 함께 있으면 레이저 작용이 일어난다. 적당한 분자들이 알맞은 양으로 반응할 때 많은 양의 에너지가 발생된다.

반도체 레이저

반도체 레이저는 p형과 n형의 서로 다른 불순물이 첨가된 두 반도체물질의 평평한 접합으로 이루어져 있다.

비소화갈륨(GaAs)과 비소화알루미늄갈륨(Al_xGal _1-xAs)의 쌍이 이런 종류의 레이저에 전형적으로 사용되며 인화인듐(InP)과 비소인화인듐갈륨(Al_xGal _1-xAs_yP_1-y) 같은 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 쌍도 사용된다(→ 반도체 소자). 이 소자를 통해서 큰 전류가 흐를 때 레이저 광이 접합영역으로부터 발생한다. 이들 소자는 출력일률이 제한되어 있지만 낮은 비용, 작은 크기 그리고 비교적 높은 효율 때문에 광섬유통신 시스템과 디지털 오디오 디스크 플레이어의 광원으로 사용되기에 적합하다(반도체 소자).

자유전자 레이저

이 레이저는 고출력복사빔을 발생함에 있어서 다른 어떤 종류의 레이저보다도 효율적이다.

더욱이 이 장치는 파장이 가변적이어서 마이크로파에서 자외선까지의 파장에서 작동하도록 만들 수 있다(이론적 X선의 파장을 가진 레이저를 만들 가능성은 있지만 현재의 기술 수준으로는 그렇게 짧은 파장을 다룰 수는 없음). 입자가속기 또는 다른 원천에서 나온 자유전자들이 일직선으로 배열된 전자석으로 구성된 장치인 언듈레이터(undulator：보통 wiggler라 함)를 통과한다. 언듈레이터 안의 교류전기장에 의해 전자들이 역선 주위로 나선형의 경로를 따른다.

그에 따라 전자들이 빛의 속력에 접근할 정도로 가속되고 싱크로트론 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 복사의 세기와 파장은 자기장의 어떤 매개변수를 조정함으로써 조절할 수 있다. 넓은 범위에서 가변적인 파장과 높은 효율을 가진 레이저 광을 발생시키는 능력 때문에 연구자들은 자유전자 레이저가 더욱 개발되면 동위원소의 분리, 반도체 연구, 레이저빔 무기로서의 탄도 미사일 방위 등과 같은 응용에서 특히 유용할 것이라고 기대한다(전략방위구상).

짧고 강한 펄스를 발생시키는 레이저

증폭기와 레이저의 양끝에 있는 거울 사이에 놓인 셔터는 닫혀 있는 한 레이저 작용을 방해한다.

조건이 그밖의 다른 면에서 레이저 작용에 적당할 때 셔터가 갑자기 열리면 저장된 에너지가 강력한 펄스광으로 방출된다. 이 펄스광은 1초보다 짧은 시간 동안 지속되며, 최고일률용량이 105W 정도로 강하다. Q-스위치는 기계적 셔터일 수도 있지만, 보통 때는 불투명하다가 전기 펄스의 작용에 의해 투명하게 되는 액체·고체 광 셔터인 경우가 많다. 레이저 광에 노출되었을 때 투명하게 되는 불투명 염료로 된 셔터도 있다(펄스레이저).

보통 레이저는 여러 진동방식, 즉 여러 진동수에서 진동한다.

이들 진동방식을 동시에 작동시킴으로써 더 짧고 강력한 펄스가 얻어진다. 이 과정을 진동방식고정(mode-locking)이라 한다(모드 동기). 이러한 펄스는 과학연구 또는 주위의 물질이 영향을 받지 않도록 신속하게 구멍을 뚫는 작업 등에 유용하다.