고체 레이저

3. 특징

기체 레이저에 비해 활성 중심의 농도가 훨씬 높기 때문에, 비교적 소형이면서도 높은 증폭 이득을 얻을 수 있으며, 발진 출력도 크다는 특징을 가진다. 특히 발광 준위의 수명이 10^-5에서 10^-3초로 길기 때문에 Q 스위칭이 매우 효과적이며, 이 방법으로 시간폭이 좁은(～10^-8초), 피크 출력이 매우 큰(10⁶～10⁸W) 펄스 발진을 얻을 수 있는 점이 고체 레이저의 가장 큰 특징이라고 할 수 있다. 이것을 더욱 증폭함으로써 10⁹～10¹²W와 같은 큰 피크 출력의 펄스도 얻을 수 있으며, 레이저 핵융합 실험 등 큰 피크 출력이 요구되는 경우에 자주 사용된다.

4. 종류

고체 레이저는 여기 방식과 사용되는 매질에 따라 다양한 종류로 나뉜다.

• '''램프 여기 고체 레이저''': 1960년 5월 시어도어 메이먼이 최초로 발진한 레이저로, 플래시 램프를 이용해 루비를 여기시키는 방식이다.^[1] 비교적 저렴하여 연구용으로 쓰인다.^[1]
• '''반도체 레이저 여기 고체 레이저''': 램프 여기 방식보다 발열이 적고 빔 품질이 우수하지만, 광학계가 복잡하고 비용이 많이 든다.^[1] 레이저 가공기에서는 YAG 레이저 대신 파이버 레이저가 주로 사용되지만, 펄스 발진에서는 여전히 고체 레이저가 유리하다.^[1]
• '''초단 펄스 고체 레이저''': 펨토초(fs, 10^-15초)에서 피코초(ps, 10^-12초) 단위의 매우 짧은 펄스폭을 가지는 레이저로, 순간적으로 매우 높은 피크 강도의 빛을 얻을 수 있다. 티타늄 사파이어 레이저나 커 렌즈 모드 동기 Yb 고체 레이저 등이 있다.
• '''파이버 레이저''': 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 게인 매질로 사용하는 레이저로, 넓은 표면적 덕분에 평균 출력을 높이기 쉽다.^[1]
• '''마이크로칩 레이저''': 고체 레이저 공진기를 일체화하여 안정성과 경제성을 높인 레이저이다. 수동 Q스위치 마이크로칩 레이저의 경우, 간단한 광학계로도 높은 펄스 에너지와 짧은 펄스폭을 얻을 수 있다.

4. 1. 램프 여기 고체 레이저

4. 2. 반도체 레이저 여기 고체 레이저

4. 3. 초단 펄스 고체 레이저

5. 작동 원리

고체 레이저는 일반적으로 광 펌핑을 사용하여 플래시 램프, 아크 램프 또는 레이저 다이오드를 통해 펌핑된다.^[1] 다이오드 펌핑 고체 레이저는 훨씬 더 효율적이며 고출력 반도체 레이저의 비용이 감소함에 따라 훨씬 더 일반화되었다.^[7]

여기에는 광 조사가 일반적인 방법이며, 펄스 동작에는 제논 플래시 램프가, 연속 동작에는 수은등이나 할로겐이 들어간 텅스텐 램프가 자주 사용된다. 최근에는 램프보다 광-광 변환 효율이 높은 반도체 레이저가 여기 광원으로 사용된다.

플래시 램프 여기 YAG 레이저에서는 최대 수십 Hz의 펄스 반복 주파수가 방열의 한계이지만, 반도체 레이저는 파장 순도가 높고 여기에 기여하는 여기광 파장 성분이 많기 때문에 더욱 높은 반복 동작이 가능하다.

5. 1. 레이저 매질

5. 2. 펌핑(Pumping)

5. 3. 모드 동기(Mode locking)

6. 활용 분야

고체 레이저는 연구, 의료, 산업, 군사 등 다양한 분야에 활용된다. 기체 레이저에 비해 활성 중심의 농도가 높아 비교적 소형이면서도 높은 증폭 이득과 큰 출력을 얻을 수 있다. 발광 준위의 수명이 길어 Q 스위칭이 효과적이며, 이를 통해 시간폭이 좁고 피크 출력이 매우 큰 펄스 발진을 얻을 수 있는 것이 특징이다. 이러한 특성 덕분에 레이저 핵융합 실험 등 큰 피크 출력이 필요한 분야에 자주 사용된다.

6. 1. 군사적 활용 (대한민국)

6. 1. 1. 미사일 방어

6. 1. 2. 대포 방어

6. 2. 레이저 조정(Tuning)

참조

_[1] 웹사이트 A Primer on Solid-State Lasers https://www.techbrie[...] SAE Media Group 2022-03-01
_[2] 논문 Resonant pumped erbium-doped waveguide lasers using distributed Bragg reflector cavities
_[3] 논문 Ultra-compact and low-threshold thulium microcavity laser monolithically integrated on silicon
_[4] 간행물 Ultra-Compact CMOS-Compatible Ytterbium Microlaser https://www.osapubli[...]
_[5] 간행물 Continuous solid-state laser operation revealed by BTL http://www.gravityas[...] 1962-03-01
_[6] 서적 Transition metal solid-state lasers Academic
_[7] 웹사이트 Diode-Pumped Lasers: Performance, Reliability Enhance Applications https://www.photonic[...]
_[8] 논문 Induced solitons formed by cross polarization coupling in a birefringent cavity fiber laser http://www.sciencene[...]
_[9] 논문 Observation of high-order polarization-locked vector solitons in a fiber laser http://www3.ntu.edu.[...]
_[10] 논문 Polarization rotation locking of vector solitons in a fiber ring laser http://www.sciencene[...]
_[11] 논문 Large energy mode locking of an erbium-doped fiber laser with atomic layer graphene http://www3.ntu.edu.[...]
_[12] 논문 Large energy soliton erbium-doped fiber laser with a graphene-polymer composite mode locker http://www3.ntu.edu.[...]
_[13] 논문 Graphene: Mode-locked lasers 2009-12-21