산업 및 과학 응용 분야에서 HeNe 레이저를 사용하는 이유와 방법

레이저는 이제 산업용 시스템 설계자의 도구 키트에 필수적인 요소로서, 마이크로 레벨 측정 및 감지부터 대규모 산업용 기능까지 광범위한 응용 분야를 지원합니다. 헬륨 네온(HeNe) 가스 레이저는 고성능, 작은 크기, 안정성, 고품질 광학 출력 등 다양한 이유로 인해 산업 및 과학 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 레이저 중 하나입니다. 그러나 설계자는 효과적인 레이저 시작, 지속적인 작동, 긴 수명을 위해 레이저 튜브를 적절한 고전압 전원 공급 장치와 결합해야 합니다.

이 기사에서는 레이저와 레이저 옵션을 설명하고, HeNe 레이저란 무엇이고 널리 사용되는 이유에 대해 자세히 살펴봅니다. 그런 다음 Excelitas Technologies의 REO HeNe 레이저 제품군에 속하는 이 등급의 레이저 장치를 성공적인 응용하기 위해 고려할 요소와 적절한 전원 공급 장치를 살펴봅니다.

레이저란?

레이저는 "Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation(방사능의 유도 방출을 통한 빛의 증폭)"의 약어입니다. 레이저 빔 출력은 전자기 에너지와 출력파가 단색의 가간섭성이며 위상, 시간, 공간의 측면에서 상호 정렬된다는 고유한 속성이 있습니다. 이는 레이저 출력이 광학 스펙트럼의 보이는 부분에 속하는지 보이지 않는 부분에 속하는지 여부와 상관없습니다. 대부분이 레이저는 고정 출력 파장(λ)을 갖지만, 일부 레이저의 경우 여러 개별 파장 값 중 하나로 설정할 수 있습니다.

최초의 레이저는 1960년 5월에 캘리포니아주 말리부 소재 Hughes Research Laboratories의 물리학자인 Theodore H. Maiman에 의해 증명되었습니다. Theodore는 루비(CrAlO3)와 사진 플래시램프를 레이저의 "펌프" 소스로 사용하여 파장이 694nm인 적색 광선을 생성했습니다. 레이저 개념과 사용권에 대한 과학적 공로가 누구에게 있는지 여부는 세 물리학자 간에 30년 동안 이어져 온 특허 분쟁의 주제였습니다.

레이저의 작동 방법

레이저의 세 기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 레이저 방출 소재 - 고체, 액체, 기체 또는 반도체이며 모든 방향으로 빛을 방사할 수 있습니다.
• 펌프 소스 - 플래시 램프, 전자 충돌을 일으키는 전기 전류, 다른 레이저의 방사선 등과 같은 레이저 방출 소재에 에너지를 추가합니다.
• 광학 캐비티 - 빛의 증폭에 대한 포지티브 피드백 메커니즘을 제공하는 반사판(완전 반사 및 부분 반사)으로 구성됩니다.

레이저를 방출하려면 캐비티 내부에 있는 대부분의 전자를 더 높은 에너지 레벨로 자기화해야 합니다. 이를 밀도 반전이라고 합니다. 이 경우 전자가 불안정한 상태이므로, 이 상태를 짧게 유지한 후 다음과 같은 두 가지 방법으로 원래 에너지 상태로 감쇠됩니다.

• 첫째, 광자가 무작위 방향으로 방출되는 동안 전자가 기저 상태로 되돌아가는 자발적 감쇠가 있습니다.
• 둘째, 자발적으로 감소하는 전자에서 발생하는 광자가 다른 여기 전자와 충돌하여 기저 상태로 되돌아가는 유도 감쇠가 있습니다.

이 유도 감쇠는 에너지를 광자의 형태로 방출하여, 위상에서 입사 광자와 동일한 파장과 동일한 방향으로 이동합니다. 방출된 광자는 광학 캐비티에서 완전 반사 미러와 부분 반사 미러 사이의 레이저 방출 소재를 통해 앞뒤로 이동합니다. 이 빛 에너지는 부분 반사 미러를 통해 방출된 레이저를 전송하는 데 충분한 에너지가 누적될 때까지 증폭됩니다.

레이저의 네 가지 주요 유형

최초의 광학 레이저는 루비 수정을 기반으로 했지만, 지금은 반도체 다이오드, 기체, 액체, 고체의 네 가지 주요 레이저 유형과 소재가 사용되고 있습니다. 간단히 말해서 이러한 유형 및 소재는 다음과 같이 작동합니다.

1) 레이저 다이오드: 고체 소재로 된 광학 캐비티를 사용하여 반도체에 있는 에너지 밴드갭에서 방출되는 빛을 증폭하는 발광 다이오드(LED)입니다. 적용되는 전류, 온도 또는 자기장을 변경하여 레이저 다이오드를 다른 파장에 맞게 조정 가능하며, 출력은 지속파(CW) 또는 펄스입니다.

2) 기체 레이저: 캐비티에 대해 가스 충전 튜브를 사용합니다. 전압(외부 펌프 소스라고 함)을 튜브에 적용하여 기체 내 원자를 밀도 반전 상태로 자기화합니다. 그러면 전자가 한 에너지 상태에서 더 높은 에너지 상태로 이동하였다가 되돌아옵니다. 미러로 인해 캐비티의 양끝 사이에서 광자가 앞뒤로 반사되고, 발진 동작 중에 그 수가 누적됩니다. 이 유형의 레이저에서 방출되는 빛은 일반적으로 CW입니다.

3) 액체 또는 색소 레이저: 색소 셀의 액체 부유액에서 활성화된 소재를 레이저 방출 매체로 사용합니다. 이 레이저는 색소의 화학 조성을 변경하여 여러 파장 중 하나에 맞게 조정할 수 있으므로 널리 사용됩니다.

4) 고체 자유 전자 레이저: 구불구불한 외부 자기장에 잠긴 광학 캐비티를 따라 이동하는 전자 빔을 사용합니다. 자기장으로 인해 전자의 방향이 변경되면 광자가 방출됩니다. 이 레이저는 극초단파에서 X선 영역까지 파장을 생성할 수 있습니다.

물론 세부 작동에는 고급 양자 물리학, 소재 과학, 전자기 에너지 원리, 전원 공급 장치, 펌프 소스가 포함됩니다. 방출되는 특정 파장은 레이저 유형, 소재, 레이저가 자기화 또는 펌핑되는 방법에 따라 달라집니다(그림 1).

표 1: 다양한 레이저 유형 요약에서는 각 레이저 방출 소재에서 생성되는 빛의 특정 파장을 보여줍니다. (표 출처: 미국 과학자 연맹)

레이저 기반 시스템 설계자의 경우 기본 원칙은 관련 파라미터와 해당 영향 및 제한 사항을 이해하는 데 도움이 되는 한 중요합니다.

설계자에게 중요한 레이저 파라미터

모든 부품과 마찬가지로 많은 차상위 및 차차상위 파라미터와 함께 기본 선택과 성능을 정의하는 몇 가지 최상위 파라미터가 있습니다. 레이저의 경우 가장 먼저 고려되는 파라미터에는 출력 파장, 출력 전력, 빔 지름, 빔 확산(분산)이 있습니다. 출력 유형(펄스 또는 CW), 효율성, 출력 빔 단면 모양(프로파일), 수명, 제어 기능 및 사용 편의성도 중요합니다.

레이저 출력 전력은 파장과 레이저 유형에 따라 밀리와트(mW)부터 킬로와트(kW)까지 다양합니다. 소규모 테스트 및 측정과 같은 많은 레이저 응용 분야에는 몇 밀리와트만 필요하지만, 금속 절삭, 지향성 에너지 무기 등에는 킬로와트급 레이저가 사용됩니다.

모든 광 출력 측정과 마찬가지로 레이저 출력 전력을 정확히 정량화하는 것은 복잡하며, NIST(National Institute of Standards and Technology)의 기술이 상당한 공헌을 했습니다. 측정은 광학 에너지의 특성(파장, 전력 레벨, CW, 펄스 등)과 측정 대상 파라미터(평균 출력, 피크 출력, 스펙트럼, 확산 등)의 영향을 받습니다(표 2).

표 2: 레이저 광 출력을 측정하는 것은 매우 까다로우며, 파장과 출력 기간에 따라 다양한 센서와 기술이 필요합니다. (표 출처: Coherent Inc.)

레이저, 출력 전력 및 파장과 관련 있는 거의 모든 것에는 눈, 피부 및 소재의 훼손을 방지하기 위해 많은 안전 제한 사항이 적용됩니다. 이러한 복잡한 제한 사항과 관련 레이저 등급은 전 세계 다양한 국가 및 지역의 규제 기관에서 정의합니다. 이는 프로젝트에 적용 가능한 최소 레이저 전력을 사용하고 벤더가 출력 전력 레벨 간격이 있는 레이저를 제공하는 다른 이유이기도 합니다. 예를 들어 REO 제품군에는 출력이 0.8mW, 1.0mW, 1.5mW, 2.0mW, 3.0mW, 5.0mW, 10mW, 12mW, 15mW, 25mW이고 범위가 25:1 이상인 유사한 HeNe 레이저가 포함되어 있습니다.

HeNe 레이저 응용 분야, 특징 및 작동

모든 부품 선택과 마찬가지로 하나의 "만능" 레이저 장치는 없습니다. 필요한 파장, 전력 레벨 및 기타 사양은 일반적으로 상황 물리학으로 정의하며 응용 분야마다 다릅니다. HeNe 레이저는 주로 샘플과의 직접적인 물리적 접촉이 필요하지 않은 비파괴적 광학 검사 기술인 라만 분광학과 같은 많은 산업 및 테스트 프로젝트에 적합합니다.

이 분광학은 소재 분석, 현미경, 제약, 법의학, 식품 사기 식별, 화학적 공정 모니터링 및 다양한 국토 보안 기능에서 고체, 분말, 액제 및 기체에 대한 빠르고 정확한 화학적 분석에 사용됩니다. 이러한 응용 분야에 매력적인 HeNe 레이저의 특성에는 안정적인 출력 파장과 전력, λ = 632.8nm(일반적으로 633nm로 간소화됨)에서 극단적인 빨간색 단색 출력, 좁은 빔, 낮은 확산, 거리와 시간에 대한 우수한 출력 가간섭성 및 안정성 등이 있습니다.

HeNe 레이저는 안쪽 방향 미러가 부착되고 85-90% 헬륨 가스와 10-15% 네온 가스(실제 레이저 방출 매체)가 약 1Torr(0.02lb/in²) 압력으로 채워진 속이 빈 유리관을 기반으로 구축됩니다. 또한 튜브에는 안쪽 방향 미러가 2개 있습니다. 하나는 평평한 고반사 미러로서 한쪽 끝에 있고 다른 하나는 약 1% 전도성을 가진 오목한 출력 커플러 미러로서 반대쪽에 있습니다(그림 1).

그림 1: HeNe 레이저의 중심에는 대부분의 헬륨과 약간의 네온이 채워진 유리관이 있고, 유리관의 뒤쪽에는 완전 반사 내부 미러가 있고 빔 출력쪽에는 출력 커플링을 위한 1% 전도 미러가 있습니다. (이미지 출처: Wikipedia)

펌핑 공정 중에 고전압 펄스(10mA ~ 20mA에서 약 1000V DC ~ 1500V DC)에 의해 가스 혼합물을 통해 전기 방전이 시작됩니다. 실제 레이저는 네온 원자의 전극 궤도 에너지 레벨(예: 3s에서 2p로 전환) 사이의 캐리어 탈여기 상태에서 방출됩니다. 이 3s에서 2p로 전환하는 과정에서 기본 632.8nm 출력이 생성됩니다. 543nm, 594nm, 612nm 및 1523nm에서 출력을 생성하는 다른 에너지 레벨 전환도 발생하지만 632.8nm 출력이 가장 유용합니다.

HeNe 레이저의 카탈로그 항목

레이저 초기에는 전원 공급 장치가 그랬던 것처럼 장치가 주로 수공으로 제작되었습니다. 이제 레이저, 특히 HeNe 가스 레이저처럼 널리 사용되는 레이저는 Excelitas Technologies의 REO 제품군에 속하는 두 레이저처럼 폭넓은 범위의 전력 등급을 가진 즉시 사용 가능한 "기성" 부품으로 제공됩니다.

예를 들어 전력 스케일의 로우엔드에 위치한 모델 31007은 0.57mm 빔 지름과 1.41mrad 빔 확산에서 0.8mW(최소)를 제공할 수 있습니다(그림 2). 길이가 약 178mm이고 지름이 44.5mm인 레이저 튜브에서 작동 중에 5.25mA에서 1500V가 필요하며, CDRH(Center for Devices and Radiological Health)/CE 안정 등급이 IIIa/3R입니다.

그림 2: 모델 31007 저전력 HeNe 레이저는 0.57mm 빔 지름과 1.41mrad 빔 확산에서 최소 0.8mW를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Excelitas Technologies)

REO 출력 범위의 하이엔드에 있는 30995는 17mW(일반), 25mW(최대) 레이저로서 7mA에서 3500V가 필요합니다. 튜브 길이는 약 660mm이고, 빔 폭은 0.92mm이고, 빔 확산은 0.82mrad입니다. IIIb/3B CDRH/CE 안전 등급은 더 제한적입니다.

작업을 수행할 수 있는 최소 전력 레이저를 선택해야 하는 많은 이유가 있습니다. 전력이 적을수록 안전 문제와 규제 사항이 적고 튜브 크기, 비용 및 전원 공급 장치가 작습니다.

전원 공급 장치: HeNe 레이저에서 중요한 것

레이저 부품 성능에서 중요한 것이 전원 공급 장치입니다. HeNe 레이저의 경우 튜브에서 여기 공정을 시작하려면 약 10kV DC(항복 전압)가 필요합니다. 또한 1kV ~ 3kV DC 범위의 안정 상태 유지 전압과 10mA 이하의 전류가 필요합니다. 전력 레벨은 20W ~ 30W로 보통이지만, 특히 연면거리 및 공간거리와 같은 요소에 대한 안전/규정 요구 사항 및 인증과 기본 전기 및 전자기(EMI) 성능을 고려할 때 이 전압에 적합한 공급 장치를 설계할 시간이 있거나 장비를 갖추거나 교육받은 엔지니어는 많지 않습니다.

유지 전압에 비해 더 높은 개시 전압이 필요한 이유 HeNe 레이저는 "음저항" 장치이므로 튜브를 통과하면 전압이 감소되고 전류는 증가합니다. 전형적이지만 지금은 거의 사용되지 않는 NE-2 "글로 램프" 전구와 같은 간단한 네온 전구에서도 동일한 문제가 발생합니다. 약 90V(AC 또는 DC)의 항목 또는 "점호" 전압 다음에 작동 전압이 약 60V로 강하됩니다. 설계자가 높은 개시 전압 이후에 낮은 작동 전압을 제공하는 한 가지 방법은 약 220kΩ의 계열 밸러스트 저항기를 사용하는 것입니다(그림 3).

그림 3: HeNe 레이저 튜브 및 네온 램프(예: 이 그림의 NE-2)와 같은 음저항 장치에서 고전압/저전류 개시 단계 후 저전압/고전류 유지 단계를 수용하려면 밸러스트 저항기 기능이 필요합니다. (이미지 출처: Lewis Loflin/Bristol Watch)

하지만 이 솔루션은 간단하지만 상용 응용 분야의 HeNe 레이저 튜브에는 적합하지 않습니다. 첫째, 안전 및 규제 사항이 있습니다. 둘째, 최적의 성능을 얻기 위해 공급 장치와 튜브가 올바르게 결합되고 개시 전압이 허용 오차 범위 내에서 유지되어야 합니다. 셋째, 공급 출력 전압 및 전류 소싱의 안정성이 레이저의 안정성을 유지하는 데 중요합니다.

이러한 이유로 인해 Excelitas Technologies는 저전력 HeNe 레이저에 대한 기술 및 규제 요구 사항을 충족하는 플러그인 공급 장치를 제공합니다. 예를 들어 39783 전원 공급 장치는 100V ~ 130V AC 및 200V ~ 260V AC(50Hz ~ 400Hz)에서 작동하고 10kV DC 이상의 시작 전압에서 1500V ~ 2400V 전압과 5.25mA 작동 전류를 제공합니다(그림 4). 안정적인 HeNe 튜브 성능을 위해 엄격한 전류 규정이 중요하므로 39783은 ±0.05mA로 규제됩니다. 전원 공급 장치의 실장 면적은 241mm x 133mm로 보통이고 높이는 54mm입니다. 또한 보안 및 안전을 위한 물리적 키록이 함께 제공됩니다.

그림 4: HeNe 레이저용 39783 전원 공급 장치는 HeNe 튜브의 시작 단계와 지속적 작동 단계 모두에 안정적이고 제어된 전압 및 전류를 제공하고 킬로볼트급 공급 장치를 위한 엄격한 규정 요구 사항을 충족합니다. (이미지 출처: Excelitas Technologies)

대형 HeNe 튜브의 경우 Excelitas에 동일한 패키지 크기의 39786 공급 장치가 있습니다. 이 장치는 출력이 3200V ~ 3800V로 더 높고 시작 전압은 12.5kV 이상이며, 최대 7.0mA의 DC 전류를 공급합니다.

결론

레이저는 많은 응용 분야에서 다양한 형태로 제공됩니다. 합리적인 전력 레벨의 안정적인 단색 출력을 원하는 산업용 시스템 설계자에게 HeNe 가스 레이저는 매력적인 옵션입니다. 하지만 위에서 살펴본 바와 같이 레이저는 성능, 규정, 안전 및 보안 요구 사항을 충족하는 올바른 전원 공급 장치와 결합해야 합니다.