1960 년 5 월, 캘리포니아 말리부 휴스 연구실의 물리학자인 시어도어 H 메이먼 (Theodore H. Maiman) 이 세계 최초의 레이저를 시연했습니다. 그는 루비 (CrAlO3) 와 사진 플래시를 레이저 펌프 소스로 사용하여 파장이 694nm 인 빨간색 빔을 만들었다. 레이저 개념을 누려야 할 과학적 발견권과 특허권을 둘러싸고 3 명의 물리학자가 30 년 동안 특허 분쟁을 벌였다.
레이저에는 세 가지 기본 구성 요소가 있습니다.
레이저 생성에 필요한 조건은 공진기에 있는 대부분의 전자를 더 높은 에너지 수준으로 자극하는 것입니다. 이를 입자 수 반전이라고 합니다. 이것은 전자의 불안정한 상태이다. 따라서 이 상태에서 잠시 머물면 두 가지 방법으로 원래 에너지 상태로 다시 쇠퇴합니다.
이 자극 전이는 입사 광자와 동일한 위상, 파장 및 전파 방향을 가진 광자의 형태로 에너지를 방출합니다. 발사된 광자는 광학 공진기에서 앞뒤로 전파되어 전체 반사경과 부분 반사경 사이의 레이저 재료를 통과하여 충분한 에너지가 축적될 때까지 빛 에너지를 계속 증가시킨다. 부분 반사경을 통해 레이저 빔을 방출한다.
모든 구성 요소 선택과 마찬가지로 단일 "최고의" 레이저는 없습니다. 애플리케이션마다 파장, 전력 수준 및 기타 사양이 다르기 때문입니다. 이는 상황에 따라 물리적 요인에 따라 달라지는 경우가 많습니다. He-Ne 레이저는 일반적으로 샘플과 직접 물리적으로 접촉하지 않는 무손실 광학 탐지 기술인 레이맨 스펙트럼과 같은 많은 산업 및 테스트 프로젝트에 적합합니다.
이 스펙트럼 분석은 고체, 분말, 액체 및 가스를 빠르고 정확하게 분석할 수 있으며 재료 분석, 현미경, 제약, 법의학 감정, 식품 사기 식별, 화학 공정 모니터링 및 다양한 국토 안전 기능에 적합합니다. 이러한 응용 프로그램의 경우 He-Ne 레이저는 안정적인 출력 파장 및 전력, λ = 632.8 nm (일반적으로 633 nm 으로 단순화됨) 의 초단색 적색 출력, 좁은 빔, 낮은 발산도, 거리와 시간에 따라 변하지 않는 우수한 출력 일관성과 안정성 등 많은 매력적인 특성을 가지고 있습니다.
He-Ne 레이저는 내부 반사기가 있는 빈 유리관으로 구성되어 있습니다. 튜브에는 헬륨의 85-90% 와 네온 (실제 레이저 매체) 의 10- 15% 가 충전되어 있으며 압력은 약 1 to (0.02 파운드/ 유리관 안에는 방전관의 양쪽 끝에 각각 두 개의 안쪽 반사경이 있는데, 하나는 고반사 평면 거울이고, 다른 하나는 오목한 출력 커플러, 통과율은 약 1% (그림 1) 입니다.
펌핑 중 고압 펄스 (약 1000 V ~ 1500 V DC, 10 ~ 20 mA) 가 방전을 위해 혼합 가스에 적용됩니다. 실제 레이저는 Ne 원자의 전자층 사이의 유류자 불 활성화 (예: 3s 에서 2p 로의 전이) 에서 나온다. 3s 에서 2p 로의 전이는 632.8 nm 의 주 출력을 생성합니다. 또한 543 nm, 594 nm, 6 12 nm 및 1523 nm 의 출력을 생성하는 다른 에너지 수준 점프가 발생하지만 632.8 nm 의 출력이 가장 유용합니다.
레이저 개발 초기에 레이저 장치와 전원 공급 장치는 종종 수작업으로 만들어졌다. 현재 레이저는 기성품으로 바로 구할 수 있는 부품이며, 특히 He-Ne 가스 레이저 등 널리 사용되는 제품이다. 또한 Excelitas Technologies 의 REO 시리즈 중 두 개의 레이저가 그 예입니다.
첫 번째 예는 모델 3 1007 로, 이 시리즈 전력 범위의 최하위에 속하며 0.8 mW 의 전력 (최소값), 빔 지름 0.57 mm, 빔 발산도는1.4/KLOC-입니다. 이 레이저 파이프는 1500 V/5.25 mA, 길이가 약 178 mm, 지름이 약 44.5 mm, 미국 CDRH)/CE 의 안전 등급이 IIIa/3R 인1500v/5.25ma 로 작동해야 합니다.
모델 30995 는 REO 시리즈의 전력 범위 내에 있는 하이엔드 제품입니다. 17 mW (일반) 및 25 mW (최대) 레이저로 3500 V/7 mA 가 필요합니다. 레이저 튜브의 길이는 약 660mm, 빔 폭은 0.92mm, 발산도는 0.82mlard 입니다. 이 레이저는 더 엄격한 IIB/3B CDRH/CE 보안 수준을 가지고 있습니다.
이 일을 완성할 수 있는 최저 전력 레이저를 선택할 수 있는 데에는 여러 가지 이유가 있다. 전력이 낮을수록 안전위험이 작아지고, 규정 요구 사항이 낮을수록 레이저 튜브 크기가 작아지고, 비용이 낮을수록 전력이 작아집니다.
전원 공급 장치는 레이저 성능에 매우 중요합니다. He-Ne 레이저의 경우 레이저 파이프는 먼저 약 10 kV DC (항복 전압) 를 적용하여 발생 프로세스를 시작해야 합니다. 또한 1 에서 3 kV DC 까지의 정상 상태 유지 전압과 10 mA 이하의 전류가 필요합니다. 전력 수준은 높지 않지만 (20 ~ 30 W 만 해당) 해당 전압에 적합한 전원 공급 장치를 설계하는 엔지니어는 거의 없습니다. 특히 안전 및 규정 요구 사항, 크롤링 거리 및 전기 틈새 등의 요소 인증 및 기본 전기 및 전자기 (EMI) 성능을 고려합니다.
시동 전압이 유지 전압보다 높은 이유는 무엇입니까? He-ne 레이저는 "음의 저항" 요소입니다. 전류가 증가함에 따라 레이저 튜브의 양끝에 있는 전압이 낮아질 것이다. 간단한 네온등 전구에도 같은 문제가 있다. 예를 들어 유명하지만 지금은 시대에 뒤떨어진 NE-2' 휘광관' 전구가 있다. 브레이크 다운 또는 "아크" 전압은 약 90 V (AC 또는 DC) 이고 작동 전압은 약 60 V 로 떨어집니다 ... 과거에는 더 높은 시동 전압을 제공하고 더 낮은 작동 전압을 제공하기 위해 디자이너는 약 220kω ω의 직렬 전류 저항을 사용했습니다 (그림 3).
그러나 이 간단한 솔루션은 상업용 어플리케이션의 He-Ne 레이저 튜브에는 적용되지 않습니다. 첫 번째는 안전 및 규제 요구 사항입니다. 둘째, 최적의 성능을 얻으려면 전원 공급 장치가 레이저 튜브와 정확히 일치해야 하며 시동 전압은 허용 한도 내에 있어야 합니다. 셋째, 전원 출력 전압과 전류의 안정성은 레이저의 안정성을 유지하는 데 매우 중요하다.
이러한 이유로 Excelitas Technologies 는 저전력 he-ne 레이저의 기술 및 규정 요구 사항을 충족하는 플러그 앤 플레이 전원 공급 장치를 제공합니다. 예를 들어 39783 전원 공급 장치는 100 에서 130 V AC 및 200-260 V AC (50-400 Hz) 로 공급되며1500 을 제공합니다 엄격한 전류 조절은 헬륨 레이저 튜브의 안정적인 성능에 매우 중요하므로 39783 은 0.05 mA 로 유지합니다. 이 전원 공급 장치의 밑면은 크지 않아 24 1 x 133 mm, 높이 54 mm, 물리적 키 잠금 장치가 있어 안전을 보장합니다.
더 큰 He-Ne 레이저 튜브의 경우 Excelitas 는 동일한 패키지 크기의 39786 전원 공급 장치를 출시했습니다. 전원 공급 장치는 12.5 kV 이상, DC 전류는 최대 7.0 mA 까지 3200 ~ 3800 V 의 높은 출력을 제공합니다.