헬륨-네온 레이저

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.^[2] 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.^[3]^[4]^[5]

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.^[6] 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.

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.^[7] 요오드 흡수 셀을 사용하면 레이저 주파수(또는 파장)의 절대 안정화를 10¹¹분의 2.5만큼 미세하게 얻을 수 있다.^[8]

He-Ne 레이저 플라즈마^[5]에서 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 $n$ = 2 상태에 있음을 나타낸다)는 수명이 긴 준안정 상태이다. 두 헬륨 준안정 상태의 에너지 준위와 네온의 5s₂ 및 4s₂ (파셴 표기법^[9]) 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.

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.^[7]^[10] 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.^[8]

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.

헬륨-네온 레이저

He-Ne 레이저 개발 역사

구조 및 작동

응용 분야

같이 보기

각주

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