녹색 레이저의 작동 원리

October 28, 2024
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레이저는 매우 다양한 제품과 기술에서 사용되고 있습니다. 그 다양성은 놀랍습니다. CD 플레이어, 치과 드릴, 고속 금속 절단기, 측정 시스템까지모든 것이 그늘에 레이저를 가지고 있는 것 같습니다.하지만 레이저는 정확히 무엇이고 레이저선과 손전등선의 차이는 무엇일까요?

NASA 랭글리 연구 센터
광적 손상 임계 시험 장치는 세 레이저가 있습니다: 고 에너지 펄스 네오디?? 유트륨 알루미늄
그라넷 레이저, 티타늄-사피어 레이저 그리고 공명 헤네 레이저

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우주 전체에는 약 100개의 다른 원자가 있습니다. 우리가 보는 모든 것은 무수히 많은 방법으로 결합된 100개 이상의 원자로 이루어져 있습니다.이 원자들이 서로가 어떻게 배치되는지는 물체가 물 한 잔인지 여부를 결정합니다.금속 조각, 또는 소다 병의 폼!

원자들은 끊임없이 움직이고 있습니다. 그들은 끊임없이 진동하고 움직이고 회전합니다. 심지어 우리 의자를 구성하는 원자들도 끊임없이 움직이고 있습니다. 고체들은 실제로 움직이고 있습니다.원자는 여러 가지 다른 흥분 상태를 가지고 있습니다.다른 말로 하면, 서로 다른 에너지를 가지고 있습니다. 충분한 에너지를 원자에게 준다면, 원자가 기본 상태 에너지 수준에서 흥분 상태 에너지 수준으로 상승할 수 있습니다.흥분 상태의 에너지 수준은 열의 형태로 원자로 얼마나 많은 에너지가 주어지는지에 달려 있습니다., 빛, 전력 등

다음 도표는 원자의 구조를 잘 보여줍니다.

 

가장 간단한 원자 모델
원자핵과 그 주위를 공전하는 전자로 이루어져 있습니다.

원자핵과 그 주위를 공전하는 전자로 이루어져 있습니다.

간단한 원자는 핵 (프로톤과 중성자를 포함하고) 와 전자의 구름으로 구성됩니다.우리는 전자 구름의 전자를 원자핵 주위의 다양한 궤도로 이동하는 것으로 생각할 수 있습니다..

심지어 우리가 현대 기술을 통해 원자를 살펴보면, 우리는 전자의 분리 된 궤도를 볼 수 없습니다. 하지만 이 궤도를 원자의 다른 에너지 수준으로 생각하는 것이 도움이 됩니다.원자를 가열하면, 저에너지 궤도에서 일부 전자는 핵에서 더 멀리 높은 에너지 궤도로 뛰어들기 위해 흥분 될 수 있습니다.

 

에너지 흡수:
원자는 열, 빛, 전기 등의 형태로 에너지를 흡수할 수 있습니다. 전자는 저에너지 궤도에서 높은 에너지 궤도로 점프할 수 있습니다.

이 설명은 간단하지만 원자가 레이저를 만드는 핵심 원리를 밝혀줍니다.

전자가 더 높은 에너지 궤도로 전환한 후, 결국 기본 상태로 돌아갑니다. 이 과정에서 전자는 광자 (광 입자의 한 종류) 의 형태로 에너지를 방출합니다.여러분은 원자가 광자 형태로 에너지를 끊임없이 방출하는 것을 볼 수 있습니다.예를 들어, 오븐의 난방 원소는 밝은 빨간색으로 변합니다. 빨간색은 열에 의해 흥분된 원자에 의해 방출되는 빨간색 광선입니다.여러분이 볼 수 있는 것은 초고속 전자에 의해 흥분된 광소 원자로에서 방출되는 다양한 색의 빛입니다.형광등, 가스등, 진열등 등 모든 빛나는 물체는 전자의 궤도를 바꾸고 광자를 방출함으로써 빛을 방출합니다.

레이저 (laser) 는 흥분된 원자로부터 광자의 방출을 제어하는 장치이다..이 이름은 레이저가 어떻게 작동하는지 간략하게 설명합니다.

레이저의 종류는 여러 가지가 있지만, 모두 몇 가지 기본적인 특징을 가지고 있다. 레이저에서는 레이저 매체는 흥분 상태의 원자를 만들기 위해 펌프되어야 한다. 일반적으로,고 강도 플래시 또는 방출이 매개체를 펌프 할 수 있습니다.레이저가 효과적으로 작동하기 위해서는흥분 상태에서 많은 수의 원자가 있어야 합니다.일반적으로, 원자는 기본 상태보다 2~3 에너지 수준까지 상승하기 위해 흥분되어야 합니다. 이것은 인구 반전 정도를 증가시킵니다.인구 반전은 흥분 상태의 원자와 기본 상태의 원자 사이의 숫자 비율입니다..

레이저 매체가 펌프 될 때, 그것은 흥분 된 전자를 가진 다수의 원자를 포함합니다. 흥분 된 전자의 에너지는 낮은 수준의 전자와는 더 높습니다.전자가 흥분 상태에 도달하기 위해 일정량의 에너지를 흡수할 수 있는 것처럼, 전자는 또한 그 에너지를 방출할 수 있습니다. 아래 그림에서 보듯이, 전자가 낮은 수준으로 뛰어올릴 때까지, 그것은 그 에너지의 일부를 방출할 것입니다.방출된 에너지는 광자 (광 에너지) 로 변환됩니다.방출된 광자는 방출 당시에 전자의 에너지 상태에 따라 특정 파장 (색) 을 가지고 있습니다.같은 전자 상태의 두 원자가 같은 파장의 광자를 방출합니다.

 


레이저 빛 은 일반 빛 과 매우 다르다. 다음 과 같은 특징 을 가지고 있다:

 

발산 된 레이저는 단색이다. 레이저는 특정 파장 (즉, 특정 색) 의 빛을 포함합니다.빛 의 파장 은 전자 가 낮은 에너지 궤도 로 돌아오는 동안 방출 되는 에너지 로 결정 된다.

발사되는 레이저는 좋은 연동성을 가지고 있습니다. 레이저의 구조는 더 좋으며, 각각의 광자는 다른 광자를 따라갑니다. 즉, 모든 광자의 파동 전선은 정확히 동일합니다.

레이저는 좋은 방향성을 가지고 있습니다. 레이저 빔은 컴팩트하고 집중적이며 매우 에너지 강합니다. 반대로 손전등에서 방출되는 빛은 여러 방향으로 흩어져 있습니다.그리고 빛 에너지는 약하고 농도는 낮습니다..

 

이 세 가지 특성 을 달성 하기 위해서는 자극 된 방출 이라고 불리는 과정 이 필요 합니다. 이 현상은 일반 손전등 에서 볼 수 없습니다. 그 원자 들 이 무작위로 광자를 방출 하기 때문 입니다.자극된 방출에서, 원자는 조직적으로 광자를 방출합니다.

원자가 방출하는 광자는 특정 파장을 가지고 있으며, 이는 흥분 상태와 기본 상태 사이의 에너지 차이에 달려 있습니다.만약 광자가 (특정 에너지와 단계) 같은 흥분 상태의 전자를 가진 다른 원자를 만지면, 자극된 방출이 발생할 수 있습니다. 첫 번째 광자는 광자를 방출하도록 원자를 흥분하거나 안내 할 수 있으며, 방출 된 광자는 (즉,두 번째 원자에서 방출되는 광자는) 들어오는 광자와 같은 주파수와 방향으로 진동합니다..

레이저의 또 다른 핵심 구성 요소는 레이저 매체의 각 끝에 위치한 쌍의 거울입니다.특정 파장과 단계의 광선은 양쪽 끝의 반사기를 통해 레이저 매개체 사이에 앞뒤로 이동합니다.그렇게 함으로써 더 많은 전자를 자극하여 높은 에너지 궤도에서 낮은 에너지 궤도로 뛰어들게 됩니다. 이는 같은 파장과 단계의 더 많은 광자를 방출하게 됩니다.그 다음에는 웅덩이 웅덩이를 만들어냅니다., 같은 파장과 단계의 많은 광자가 레이저에 빠르게 수집됩니다. 레이저 매체의 한쪽 끝에있는 거울은 반사 층, 즉,빛의 일부만 반사합니다.다른 빛은 통과할 수 있습니다. 통과하는 빛은 레이저입니다.

루비 레이저는 카메라 플래시와 유사한 플래시 튜브, 루비 막대, 그리고 두 개의 거울 (중 하나는 반사 거울) 으로 구성됩니다. 루비 막대 는 레이저 매개체입니다.플래시 튜브는 펌핑 소스입니다.