레이저: 기본 이해

실제 Q-스위치 장치는 음향광학 변조기 또는 전기광학 변조기(EOM)입니다. 둘 다 적용된 전기장이 결정의 광학적 특성을 어느 정도 교란시키는 결정을 사용합니다. 음향광학 변조기의 경우 인가된 전기장은 수정체에 고주파 음파를 생성하는 무선 주파수 전압입니다. 이 음파는 레이저의 광자를 회절시켜 레이저 증폭을 방지합니다. 대신 EOM은 결정 굴절률을 수정하고 들어오는 빛의 편광을 변경하는 인가 고전압을 사용합니다. 편광에 민감한 광학 장치의 적절한 조합을 캐비티에 배치하여 변경된 편광의 빛이 순환하는 것을 방지할 수 있습니다. 엑시머 레이저와 같은 다른 유형의 레이저는 나노초 펄스를 생성하기 위해 Q 스위치가 필요하지 않고 과도 현상에 의존합니다. 펌프 펄스: 엑시머 레이저 펄스는 강력하고 짧은 전기 방전으로 비활성 가스/할로겐 혼합물을 여기시켜 생성됩니다. Ti:sapphire 레이저는 주파수가 두 배로 증가된 Q 스위치 YAG 레이저에서 생성된 녹색광의 나노초 펄스로 펌핑되는 경우 나노초 펄스를 생성할 수도 있습니다. 공동 손실보다는 공동 이득이 직접 변경되기 때문에 이 방법을 이득 스위칭이라고 합니다. 수많은 산업 응용 분야 외에도 Q 스위치 레이저는 과학 연구에서 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다. 하나는 1~10kHz에서 Q 스위치 Nd:YAG 또는 Nd:YLF의 주파수 두 배(녹색) 출력을 사용하여 Ti:sapphire 초고속 증폭기(다음 섹션에서 설명)를 펌핑하는 것입니다. 또 다른 방법은 YAG 또는 YLF 레이저를 사용하여 1~100Hz의 줄 범위에서 펄스당 에너지를 생성하는 것입니다. 이러한 레이저는 UV, 가시광선 및 IR 영역에서 조정 가능한 파장을 생성할 수 있는 비선형 광학 발생기와 함께 사용되는 경우가 많아 시간 및 파장 분해 연구를 가능하게 합니다. 오늘날 100Hz 이상에서 작동하는 대부분의 YAG 또는 YLF 레이저는 다이오드 펌핑되는 반면, 고에너지 10Hz 시스템은 다이오드가 고에너지 출력 펄스 생성에 적합하지 않기 때문에 플래시램프를 사용한 펌핑이 필요합니다. 일부 과학 응용 분야의 경우 선폭이 좁은 Q-스위치 레이저를 사용하는 것이 바람직합니다. 어떤 경우에는 광학 격자와 에탈론의 조합을 사용하여 이를 수행할 수 있습니다. 다른 경우에는 레이저가 고출력 스테이지보다 제어하기 쉬운 저전력 CW 또는 Q 스위치 좁은 선폭 레이저로 "시드"될 수 있습니다. "주입 시딩"이라고 하는 이 접근 방식은 MOPA(마스터 발진기, 전력 증폭기)를 사용하여 개념적으로 선폭 선택과 고전력 생성을 두 가지 목적에 맞게 최적으로 설계된 두 단계로 분할합니다.초고속 레이저 초고속 레이저는 일반적으로 5fs ~ 100ps(1펨토초 = 10−15초) 범위의 펄스를 생성하는 레이저로 정의됩니다. 레이저가 다양한 세로 모드로 진동할 수 있는 경우 소위 모드 잠금 기술을 사용하여 이러한 짧은 펄스를 생성할 수 있습니다. 이 기술을 사용하면 모드가 위상에 고정되고(모드 잠금 방식) 간섭으로 인해 공동 내 광학 필드가 레이저 공동에서 앞뒤로 이동하는 단일 펄스로 붕괴됩니다. 펄스가 출력 미러에 도달할 때마다 그 일부가 결합되어 사용 가능해집니다.

물리학에서는 간섭하는 모드가 많을수록 펄스 지속 시간이 짧아지는 것을 보여줍니다(그림 7). 더 큰 레이저 대역폭은 더 많은 수의 진동 모드를 지원하므로 펄스 지속 시간은 레이저 이득 물질의 대역폭에 반비례합니다. 분산이 없는 경우 이러한 펄스는 시간 대역폭이 제한됩니다. 즉, 주어진 대역폭에 대해 가능한 가장 짧은 길이를 갖습니다.

초고속 펄스는 연구에 매우 유용합니다. 짧은 펄스 지속 시간과 높은 피크 출력 덕분에 1990년대 펨토초 레이저의 출현으로 펨토화학(펌프-프로브 분광학) 및 광학 빗 생성 분야에서 노벨상을 수상하는 획기적인 연구가 가능해졌습니다. 펨토초 레이저는 또한 살아있는 조직의 3차원 이미징을 제공하는 다광자 여기(MPE) 기술을 가능하게 했습니다. MPE는 현재 생물학 연구의 여러 분야, 특히 신경과학에서 널리 사용되고 있습니다.