루비 레이저

Ruby laser
첫 번째 루비 레이저의 다이어그램.

루비 레이저는 합성 루비 크리스탈을 이득 매개로 사용하는 고체 레이저다. 최초의 작업용 레이저는 1960년 5월 16일 휴즈 연구소에서 테오도르 H. "테드" 마이만이 만든 루비 레이저였다.[1][2]

루비 레이저는 694.3nm의 파장에서 논리 정연한 가시광선의 펄스를 생성하는데, 이는 진한 붉은색이다. 전형적인 루비 레이저 펄스 길이는 밀리초 정도 입니다.

디자인

루비 레이저 막대. Inset: 막대를 통한 시야가 매우 맑음
참고 항목: 레이저 구조

루비 레이저는 인구 역전을 이루기 위해 대개 플래시 튜브에서 나오는 매우 높은 에너지로 펌프질해야 하는 루비 로드로 구성된다. 로드는 종종 두 거울 사이에 놓이며, 광학공동을 형성하는데, 이것은 루비의 형광에 의해 생성되는 빛을 진동시켜 자극적인 방출을 일으킨다. 루비는 스펙트럼의 가시적 범위에서 빛을 내는 몇 안 되는 솔리드 스테이트 레이저 중 하나로, 진한 붉은 색으로 694.3나노미터의 빛을 내고 있으며, 선폭이 0.53nm로 매우 좁다.[3]

루비 레이저는 3단 고체 상태의 레이저다. 활성 레이저 매체(레이저 게인/증폭 매체)는 광학 펌핑을 통해 통전되는 합성 루비 로드로, 일반적으로 제논 플래시튜브에 의해 통전된다. Ruby는 400 nm와 550 nm의 시각 스펙트럼에서 매우 광범위하고 강력한 흡수 밴드를 가지고 있으며, 형광 수명은 3ms의 매우 긴 편이다. 이것은 매우 높은 에너지 펌핑을 허용하는데, 맥박 지속시간이 다른 물질보다 훨씬 길 수 있기 때문이다. 루비는 흡수 프로필이 매우 넓지만, 다른 매체보다 변환 효율이 훨씬 낮다.[3]

초기의 예에서는 막대기의 끝을 출력등의 파장의 4분의 1 이내까지 평평하게 하고, 호의 몇 초 이내에 서로 평행하게 할 정도로 아주 정밀하게 다듬어야 했다. 잘 다듬은 막대의 끝은 은빛으로 물들였다. 한쪽 끝은 완전히, 다른 쪽 끝은 부분적으로만 다듬어졌다. 그 막대기는, 반사적인 끝을 가진, 그리고 나서, 파브리-페로트 에탈론 (또는 기레스-투르노이스 에탈론)의 역할을 한다. 현대의 레이저들은 종종 반선형 코팅을 하거나, 대신에 브루스터의 각도에서 끝을 자르고 광택을 낸 로드를 사용한다. 이렇게 하면 막대 끝의 반사가 제거된다. 외부 유전 거울은 광학 공동 형성에 사용된다. 커브드 미러는 일반적으로 정렬 공차를 완화하고 안정적인 공명기를 형성하는 데 사용되며, 종종 로드의 열 렌즈를 보상한다.[3][4]

광학 및 근IR 스펙트럼에서 루비의 투과율. 두 개의 넓은 파란색과 녹색 흡수 밴드와 좁은 흡수 밴드는 루비 레이저의 파장인 694 nm에 주목한다.

루비는 또한 라싱 파장에서 빛의 일부를 흡수한다. 이러한 흡수를 극복하기 위해 로드의 전체 길이를 펌핑하여 마운팅 근처에 음영 처리된 부분이 없도록 해야 한다. 루비의 활성 부분은 도판트인데, 합성 사파이어 결정체에 매달려 있는 크롬 이온으로 구성되어 있다. 도판트는 종종 결정의 약 0.05%로 구성되며, 방사선의 모든 흡수 및 배출을 담당한다. 도판트의 농도에 따라 합성 루비는 보통 분홍색이나 붉은색으로 나온다.[3][4]

적용들

루비 레이저의 첫 응용 프로그램 중 하나는 레인지 탐색에 있었다. 1964년까지, 보다 효율적인 Nd가 도입되기 전까지 회전 프리즘 Q스위치를 가진 루비 레이저는 군사 레인지파이터의 표준이 되었다.YAG 레인지파이터는 10년 후에 발견된다. 루비 레이저는 주로 연구에 사용되었다.[5] 루비 레이저는 광학적으로 튜닝 가능한 염료 레이저를 펌프질하는 데 사용된 최초의 레이저로, 특히 적외선 근방에서 방출되는 레이저 염료를 흥분시키는 데 매우 적합하다.[6] 루비 레이저는 주로 효율성이 낮고 반복률이 낮기 때문에 업계에서 거의 사용되지 않는다. 루비의 고출력 빔이 다이아몬드의 광폭 흡수 밴드(GR1 밴드)와 적색에서 밀접하게 일치하기 때문에 주요 산업 용도 중 하나가 다이아몬드에 구멍을 뚫는 것이다.[5][7]

루비 레이저는 더 좋은 라싱 매체의 발견과 함께 사용이 줄어들었다. 그것들은 적색 신호의 짧은 펄스가 요구되는 많은 어플리케이션에서 여전히 사용된다. 전 세계의 홀로그래퍼들은 루비 레이저로 최대 1m² 크기의 홀로그래피 초상화를 제작한다. 높은 펄스 파워와 양호한 일관성 길이 때문에 빨간색 694nm 레이저 광선은 532nm의 녹색 주파수를 사용하는 Nd:대형 홀로그램에 다중 펄스가 필요한 경우가 많은 YAG.[8] 많은 비파괴시험소가 루비 레이저를 이용해 항공기 타이어 등 대형 물체의 홀로그램을 만들어 라이닝의 약점을 찾아낸다. 루비 레이저는 문신과 제모에 광범위하게 사용되었지만 알렉산드라이트와 Nd:이 어플리케이션의 YAG 레이저.

역사

Maiman's original ruby laser.
마이만 오리지널 루비 레이저

루비 레이저는 기능적으로 만들어진 최초의 레이저였다. 1960년 테오도르 마이만이 만든 이 장치는 스펙트럼의 시각적 또는 적외선 영역에서 작동할 수 있는 마저인 '광학 마저' 개념으로 만들어졌다.

1958년, 마서의 발명자인 찰스 타운즈(Charles Townes)와 그의 동료인 아서 샤로우(Arthur Schawlow)가 광학 마저 아이디어에 관한 기사를 <물리 리뷰>에 게재한 후, 작업 모델을 구축하기 위한 경쟁이 시작되었다. 루비는 마저에 성공적으로 사용되어 왔기 때문에 가능한 매체로서 우선 선택이었다. 마이만은 1959년 콘퍼런스에 참석하면서 샤울로의 연설을 들으며 루비를 라싱 매체로 사용하는 것을 기술했다. 샤울로우는 지상에 너무 가까운 최저 에너지 상태를 가진 분홍색 루비는 레이저 작동에 너무 많은 펌핑 에너지를 필요로 할 것이라고 말하며 가능한 대안으로 붉은 루비를 제시했다. 다년간 루비와 함께 일해 왔고, 루비 형광에 관한 논문을 쓴 마이만은 샤울로가 "너무 비관적"이라고 느끼고 있었다. 그의 측정에 따르면 분홍색 루비의 최저 에너지 수준은 최소한 매우 강렬한 광원으로 펌핑을 하면 부분적으로 고갈될 수 있다는 것을 알 수 있었고, 루비가 쉽게 구할 수 있었기 때문에 그는 어쨌든 그것을 시도하기로 결정했다.[9][10]

또한 회의에 참석한 사람은 고든 굴드였다. 굴드는 레이저를 펄스하면 메가와트만큼 높은 피크 출력을 생성할 수 있다고 제안했다.[11]

Components of original ruby laser.
오리지널 루비 레이저 구성품

시간이 흐르면서 많은 과학자들은 레이저 매체로서의 어떤 색깔 루비의 유용성을 의심하기 시작했다. 마이만 역시 나름대로의 의구심을 느꼈지만, 아주 '단신론자'인 그는 비밀리에 프로젝트를 계속 진행하였다. 그는 로드를 펌핑할 수 있을 정도로 강렬할 광원과 높은 반사율을 가진 타원형 펌핑 캐비티를 찾아 에너지를 로드로 유도했다. 그는 제너럴 일렉트릭(General Electric) 소속 영업사원이 그에게 제논 플래시 튜브 몇 개를 보여주면서 가장 큰 것을 튜브 근처에 두면 강철 양털에 불이 붙을 수 있다고 주장하면서 자신의 광원을 발견했다. 마이만은 그런 강도로는 그렇게 반사성이 높은 펌핑 캐비티가 필요없고, 나선형 램프가 있으면 타원형 모양이 필요없다는 것을 깨달았다. Maiman은 그의 루비 레이저를 캘리포니아 말리부에 있는 Hughes Research Laboratory에 만들었다.[12] 그는 가로 1cm, 세로 1.5cm의 분홍색 루비 막대를 사용했고, 1960년 5월 16일 이 장치를 발사하여 최초의 레이저 광선을 만들어냈다.[13]

테오도르 마이만의 루비 레이저가 여전히 작동하고 있다.[14] 2010년 5월 15일 브리티시 컬럼비아 주 밴쿠버에서 박사가 공동 주최한 심포지엄에서 시연되었다. 마이만 박사가 공대 겸임교수로 재직했던 시어도어 마이만 기념재단과 사이먼 프레이저 대학. 마이만의 원래 레이저가 어두운 방의 프로젝터 스크린에 발사되었다. 백색 섬광(제논 섬광관에서 흘러나온 흔적)의 중앙에는 붉은 반점이 잠깐 보였다.

루비 레이저는 하나의 펄스를 전달하지 않고, 오히려 맥박 지속시간 내에 일련의 불규칙한 스파이크로 구성되는 일련의 펄스를 전달하였다. 1961년 R.W. Hellwarth는 출력을 하나의 펄스로 집중시키는 q-스위치 방법을 발명했다.[15]

루비 레이저 권총은 1964년 스탠포드 대학 물리학 교수가 자신의 수업에 레이저를 시연하기 위해 만들었다. 장난감 레이건에서 재활용된 플라스틱 몸체에는 두 개의 플래시 튜브(오른쪽) 사이에 루비 로드가 들어 있었다. 일관된 붉은 빛의 맥박은 푸른 풍선(왼쪽 그림)을 튀길 정도로 강했지만 빛을 반사하는 붉은 풍선은 아니었다.

1962년, 벨 연구소에서 일하는 윌러드 보일은 루비 레이저로부터 최초의 연속적인 출력을 생산했다. 일반적인 사이드펌프 방식과 달리 수은 아크 램프에서 나오는 빛을 아주 작은 막대 끝에 주입해 필요한 모집단을 거꾸로 달성했다. 레이저는 연속 파동이 아니라 연속적인 펄스열을 발산하여 과학자들에게 루비의 스파이크 출력을 연구할 수 있는 기회를 주었다.[16] 계속되는 루비 레이저는 의학에 사용된 최초의 레이저였다. 레이저 의학의 선구자인 리언 골드먼이 문신 제거, 흉터 치료, 치유를 유도하는 치료 등에 사용했다. 출력 전력의 한계, 튜닝성, 장치의 작동과 냉각에 있어서의 합병증 때문에, 연속 루비 레이저는 더 다용도 염료로 빠르게 대체되었다. Nd:YAG, 아르곤 레이저.[17]

참조

  1. ^ Maiman, T.H. (1960) "Ruby의 Stimulated 광학 방사선" 자연, 187 4736, 페이지 493–494.
  2. ^ "Laser inventor Maiman dies; tribute to be held on anniversary of first laser". Laser Focus World. 2007-05-09. Retrieved 2007-05-14.
  3. ^ a b c d 오라지오 스벨토의 레이저 원리 – 플레넘 프레스 1976 페이지 367–370.
  4. ^ a b 윌리엄 토마스 실프바스트(William Thomas Silfvast) – 케임브리지 대학 출판부 1996페이지 547-549.
  5. ^ a b Walter Koechner – Springer-Verlag 1965, 페이지 2의 솔리드 스테이트 레이저 엔지니어링.
  6. ^ F. J. Duarte, and L. W. Hillman (Eds.) (1990). Dye Laser Principles. Academic. pp. 240–246.
  7. ^ http://accreditedgemologists.org/lightingtaskforce/OpticalAbsorptionand.pdf
  8. ^ Silfvast, William Thomas. Laser Fundamentals. Cambridge University. p. 550.
  9. ^ 마리오 베르톨로티의 레이저의 역사. IOP 출판 2005 페이지 211–218
  10. ^ 레이저 발생 방법: 찰스 H의 과학자의 모험 타운즈 – 옥스퍼드 대학 출판부 1999 페이지 85-105.
  11. ^ 레이저 발생 방법: 찰스 H의 과학자의 모험 타운즈 – 옥스퍼드 대학 출판부 1999 페이지 104.
  12. ^ Beam By Jeff Hhecht – 옥스퍼드 대학교 2005 페이지 170–172 인쇄
  13. ^ 레이저 발생 방법: 찰스 H의 과학자의 모험 타운즈 – 옥스퍼드 대학교 출판부 1999 페이지 105
  14. ^ "Video: Maiman's first laser light shines again". SPIE Newsroom. 2010-05-20. Retrieved July 9, 2010.
  15. ^ 월터 코에치너의 솔리드 스테이트 레이저 엔지니어링. 스프링거-베를라크 1965 페이지 1
  16. ^ 1962년 우주 비행사 74 페이지 http://www.gravityassist.com/IAF3-1/Ref.%203-49.pdf
  17. ^ Gregory S. Keller, Kenneth M.에 의한 미의학 수술 레이저. Toft, Victor Lacombe, Patrick Lee, James Watson – Thieme Medical Publishers 2001 페이지 254.

외부 링크