레이져(Laser) in PIV System

1. Laser(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

  레이져는 고에너지밀도를 갖는 단색광을 방출시키는 능력이 있기 때문에 PIV에서 자주 사용된다. 또한 레이져광은 파장이나 색체의 일탈이 없이 추적입자를 조사하거나 기록하기 위한 단면광을 쉽게 생성시킬 수 있다.

  일반적은 모든 레이져는 다음과 같은 세 개의 주 요소로 구성된다.

  (1) 레이져소재는 원자 혹은 분자가스, 반도체 혹은 고체소재로 구성된다.
  (2) 펌프소스는 전자기 혹은 화학에너지의 유도에 의하여 레이져소재를 여기시킨다.
  (3) 거울배열은 레이져소재 내로 발진을 허용한다.

  PIV용으로는 Ar-Ion 레이져와 Nd-YAG 레이져가 주로 사용되며 다음에 각각의 레이져의 특성을 나타낸다.

2. Argon-Ion Laser(Ar lasres λ=514nm, 488nm)

Ar-Ion레이져는 가스레이져로서 He-Ne레이져와 유사하다. 아르곤 레이져는 전리(ionization)와 여기(excitation)을 위하여 대단히 높은 전류가 인가되어야 한다. 이것은 기술적으로 매우 복잡하며 전형적으로 이러한 레이져의 효율은 1/10%의 오더이다. 이러한 레이져는 blue-green범위에서 100W이상, 적외선 근방 범위에서는 60W이상을 공급할 수 있다. 광대역(廣帶域) 레이져 미러를 사용하여 몇가지의 파장에서 방출이 생성된다. 개개의 파장은 레이져 공진기에 있는 Brewster 프리즘으로 선택할 수 있으며 프리즘을 돌려서 조절할 수 있다.

가장 중요한 파장은 514.5와 488.0nm이다.거의 모든 전통적인 불활성가스 이온 레이져는 TEM00을 공급한다. 높은 전류로 인한 튜브에의 고부하에도 불구하고 제품의 수명은 수천시간이 가능하다. 아르곤레이져는 LDV계측에 자주 사용되기 때문에 유체공학실험실에서 자주 볼 수 있다. PIV에 있어서는 작동유체가 물이고 비교적 저속의 실험에서 쉽게 사용할 수 있다.

3. Nd-YAG(Neodymium-Yttrium Aluminum Garnet) Laser(Nd:YAG Lasers λ=532nm)

  Nd-YAG레이져는 빔이 Nd³⁺ 이온에 의하여 생성되는 고체상태의 레이져이며, PIV에 있어서 가장 중요한 레이져이다. Nd³⁺ 이온은 다양한 주 소재(host materials)에 병합될 수 있다. 레이져 응용을 위해서는 보통 YAG 크리스탈(yttrium-aliminum-garnet)이 사용된다. Nd-YAG 레이져는 고증폭성을 가지고 있으며, 기계적인 성질과 온도속성이 훌륭하다. 여기는 넓은 에너지 밴드에 있어서 광학적인 펌핑과 상위 레이져 레벨로의 비방사전이(nonradiative transition)에 의하여 얻어진다.

  고체상태 레이져가 힌색광으로 펌핑될 수 있다는 사실은 격자를 형성하는 전자의 배열로부터 야기된다. 주기적인 배열은 단일원자의 상위 에너지 레벨에 의하여 형성된 에너지밴드로 유도한다. 따라서 시스템의 상위 에너지 레벨은 단일원자의 경우에서와 같이 이산적이 아니라 연속적이다.

  이미 언급하였듯이 Nd-YAG 레이져는 비교적 낮은 레이져 임계(low laser threshold)의 이점을 갖는 4-레벨 시스템이다. 일상적인 작동온도에서 Nd-YAG 레이져는 단지 가장 강한 파장, 1064nm를 방사한다. 완화모드에서 임계에 도달하자마자 레이져 캐비티의 설계에 의존하는 임계치에 따라 집단(폭발적인) 반전이 일어난다. 이러한 식으로 플래쉬 램프의 펌프 펄스 동안 수많은 연속적인 펄스를 얻을 수 있게 된다. 캐비티 안쪽에 양질의 스위치(Q-switch)를 포함시킴으로서 트리거모드에서 레이져를 작동시킬 수 있다. Q-스위치는 광학 캐비티의 공명특성을 바꾸는 효과를 가지고 있다. 플래쉬램프 사이클 동안 캐비티가 최대 에너지 포인트에서 공명하도록 허용하면서 Q-스위치가 작동되면 강력한 레이져펄스, 소위 자이언트 펄스를 얼들 수 있다. Q-스위치는 보통 편광자(偏光子)와 Pockels셀의 전압에 따라서 광학 공명기의 질을 변경시키는 Pockels셀로 구성된다. Q-스위치 모드가 일반적으로 보다 흥미로우며 PIV에서 자주 사용된다. Q-스위치가 하나의 공명기로부터 하나 이상의 자이언트펄스를 생성하기 위하여 사용될 수 있을 지라도 PIV용 레이져는 이중진동계(double-oscillator systems)로서 흔히 설계된다. 이것은 펄스강도에 상관없이 추적입자의 두 개의 조명 사이의 분리시간을 사용자가 조정하는 것이 가능하게 한다. Q-스위치 레이저빔은 선형적으로 편광된다. PIV와 다른 많은 응용을 위하여 1064nm의 기본적인 파장은 특수한 크리스탈을 사용하여 배가된 주파수(frequency-doubled)이다. 배가된 주파수 부분의 분리 후에 원래의 빛 에너지의 약 1/3을 532nm에서 이용가능하다. Nd-YAG 레이져는 대개 반복모드에서 구동된다. 레이져 공동의 광학적 성질은 온도변화에 따라서 바뀌기 때문에 품질이 좋으면서 균일한 빔의 성질은 단지 액면의(nominal)의 반복율과 플래쉬램프 전압에서 얻을 수 있을 것이다. 열 Lensing 때문에 빔의 질(다른 레이져 타입에 비하여 대단히 빈약하다) 은 예를 들면 단일 펄스를 사용할 때 심각하게 감소한다. 이것은 망원 공명기 배열에 대하여는 심각한 것은 아니고 현대의 중요한 공명기 시스템에 대하여 매우 중요하다. 펄스 Nd-YAG 레이져의 간섭길이는 보통 몇 cm의 오더이다. 홀로그래픽 기록을 위해서는 협소한 스펙트럼 밴드폭을 갖는 레이져가 사용되어야 한다. 대개 이것은 보다 작은 반도체 레이져로부터 부분 반사 거울에 의하여 캐비티로의 주사(injection)에 의하여 행해진다. 그래서 이 작은 협소한 밴드폭의 시딩펄스(seeding pulse)로부터 레이져 펄스가 만들어 진고, 결과적으로 1 혹은 2미터의 간섭길이로 된다. 그러나 이러한 목적을 위하여 주 냉각회로에 대한 상당히 정확한 레이져 타이밍과 온도조절이 필요하게 된다.