레이저란?

레이저란?

L A S E R

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

빛 증폭 자극,활기 방출 복사

유도 방출에 의한 빛의 증폭, 일정한 주파수의 위상(位相)으로 빛을 내는 장치

레이저란?

양자발진(증폭)기 또는 분자발진기라고도 하며, 레이저의 원어는 유도방출에 의한 광증폭(光增幅)을 의미한다. 주로 마이크로파 영역의 전자기파를 발진·증폭하는 것을 메이저, 적외선 또는 가시광선 영역의 전자기파를 발진하는 것을 광메이저 또는 레이저라고 총칭한다. 1958년 C.H.타운스 등에 의하여 처음에 암모니아메이저가 발명되었다.

1. 레이저광선과 빛의 차이

레이저광선은 보통 빛에 비하여 매우 순수한 단색의 빛이다. 물체를 태울 때 나는 빛이나 형광등에서 나오는 빛은 고온으로 가열된 원자나 분자 하나하나에서 자유로이 발생하는 빛이며, 이러한 빛은 같은 종류의 원자나 분자에서 나오는 빛이라도 무수히 다른 파장의 빛을 포함하고 있다. 그리고 개개의 원자나 분자에서 나오는 빛은 서로 관련성이 없는 여러 가지 잡동사니빛의 모임이다.

그러나 레이저광선은 한 종류의 파장만을 가진 빛이며 위상(位相)이 고른 연속된 빛이다. 이 빛의 스펙트럼을 분광프리즘으로 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼이 된다. 즉, 레이저광선은 위상이 고른 단색광(單色光)이며 이런 빛을 코히어런트광 또는 코히어런트가 좋은 빛이라고 한다. 레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 집광할 수 있다.

이것에 비해 보통 빛은 렌즈로 집속해도 광원(光源)으로부터 나오는 빛의 진행방향이 여러 가지이므로 초점 근처에 광원의 상(像)이 나타나서 레이저광선과 같이 작은 넓이에 집광할 수 없다. 이 초점 근처에 나타나는 광원의 상을 아주 작게 하려면 광원을 렌즈로부터 무한히 먼 곳에 두거나 광원을 점으로 볼 수 있을 정도로 작게 해야 한다. 그러나 이렇게 하면 렌즈 초점에서의 광량(光量)은 아주 작아진다. 따라서 보통 빛에서는 아주 작은 점에 큰 광량을 모으는 것은 대단히 어렵다. 렌즈로 집광한 레이저광선의 초점면 상에서의 단위면적당 빛에너지는 대단히 크다.

예를 들면, 레이저광선의 순간출력이 10 kW인 루비레이저의 출력광을 렌즈로 집광하면 렌즈의 초점면에서의 빛에너지 밀도는 1011W/cm2 정도가 된다. 이것은 태양 표면의 에너지 밀도가 10 4W/cm2인 것과 비교하여 엄청나게 크다. 또 레이저광선은 나비가 좁은 선스펙트럼을 가지고 있고 사인파인 광파이므로 간섭현상이 일어나기 쉬운 성질을 가지고 있다.

간섭을 받기 쉬운 성질은 홀로그래피를 생각할 때 중요하다. 레이저광선의 특징은 ① 단색성이 뛰어나며, ② 위상이 고르고 간섭현상이 일어나기 쉬우며, ③ 퍼지지 않고 직진하며 집광성(集光性)이 좋고, ④ 에너지 밀도가 크다는 것이다.

2. 발생원리

모든 빛은 원자나 분자에서 발생한다. 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어진다. 전자가 도는 궤도는 원자의 종류에 따라 여러 가지 있는데 같은 종류의 원자에서는 전자수와 전자가 도는 궤도가 일정하다. 가장바깥궤도를 도는 전자(최외각전자)에 외부로부터 빛에너지를 주거나, 다른 전자나 원자를 충돌시켜 에너지를 주면 에너지를 받은 전자는 보다 바깥쪽 궤도로 이동한다. 이렇게 전자가 어떤 에너지를 받아서 보다 바깥쪽 궤도를 돌게 되는 상태를 ‘원자가 들뜬상태[勵起狀態=여기상태]’ 또는 ‘원자는 들뜬준위에 있다’고 한다. 들뜬상태에 있는 원자는 불안정하므로 한 번 받아들인 에너지를 빛에너지로 외부에 방출하고 다시 원래의 궤도로 돌아가서 안정한 상태를 유지하려고 한다. 원자가 안정한 상태에 있는 것을 ‘원자가 바닥상태[基底狀態]에 있다’고 한다.

즉, 빛은 원자나 분자가 들뜬상태로부터 바닥상태로 되돌아갈 때나 에너지가 보다 큰 들뜬상태로부터 작은 들뜬상태로 될 때에 방출한다고 할 수 있다. 실제로 물질을 구성하는 원자는 무수하게 있다. 그 때문에 발생하는 빛은 낱낱의 원자가 제각기 에너지를 받아들여 빛을 방출하므로 위상이나 파장이 서로 다른 빛의 모임으로 외부로 방출된다. 이것을 빛의 자연방출이라고 한다. 전구나 형광등, 네온사인 등이 발하는 빛은 모두 이 자연방출이다. 원자 중에는 빛에너지 등을 받아들여 들뜬준위로 될 때 이 준위에 머무는 시간이 긴 것이 있다. 크롬이온이 들어 있는 인공(人工)루비도 이런 성질을 가진 물질이며, 이 성질은 레이저광선을 만드는 데 중요한 성질이다. 이러한 물질에 빛에너지를 조사(照射)하여 들뜨게 하면 바닥준위(또는 하위의 들뜬준위)에 있는 원자수보다도 상위의 들뜬준위에 있는 원자수가 더 많아진다. 이 상태를 반전분포(反轉分布)라고 한다.

물질(예를 들면, 인공루비 등)이 들떠서 반전분포 상태에 있을 때, 1개의 원자가 어떤 계기로 빛을 내면서 상위의 들뜬준위로부터 하위의 들뜬준위로 옮겨지면 다른 들뜬원자도 자극되어 위상이 고른 같은 파장을 가진 빛을 차례차례 발생한다. 들뜬물질의 양쪽에 깨끗이 닦은 거울 2개를 평행하게 놓으면 빛은 2개의 거울 사이를 반사하면서 몇 번씩 왕복한다. 그 동안 차례로 유도방출(誘導放出)이 생겨 빛은 자꾸만 증폭(增幅)된다. 2개의 평행한 거울은 유도방출을 일으킬 뿐만 아니라 거울 사이에 빛의 정상파(定常波)를 만들고, 이 조건에 맞는 빛만을 증폭한다. 그 때문에 발생하는 빛의 파장은 선택되어서 하나로 된다. 이 때 2개의 거울 중 1개의 거울을 대부분의 빛은 반사하지만 일부(몇 %)만을 투과하도록 만들어 두면 거울 사이에서 증폭된 빛의 일부를 외부로 꺼낼 수 있다. 레이저광선은 이렇게 하여 만들어진 빛이다.

레이저에는 들뜨게 하는 물질의 종류에 따라 고체레이저 ·기체레이저 ·액체레이저 ·반도체레이저 등이 있다.

① 고체레이저:크롬이온을 혼입시킨 인공루비나 유리 ·YAG(이트륨-알루미늄 가닛) 등의 결정을 레이저광선 발생재료로 한 것이다. 특히 루비레이저는 최초로 탄생한 대표적 레이저이다. 루비레이저에서는 들뜨게 하는 광원으로서 크세논램프를 사용하며 들뜨는 효율을 좋게 하기 위하여 루비막대와 크세논램프 주위에 반사경(反射鏡)을 설치한다. 또한 루비막대 양쪽에는 2개의 거울이 평행하도록 배치되어 있다. 크세논램프는 카메라의 스트로보스코프와 같이 순간적인 방전을 하는 발광을 내며, 레이저의 발진출력은 크세논램프를 발광시킨 순간에만 얻는다. 레이저 출력광의 에너지는 수 J(줄)인데 출력이 나오는 시간이 매우 짧으므로 단위시간당 에너지의 최대값(첨두출력)은 수백 MW에 이르는 것도 있다. 발진출력광의 파장은 0.69 μm로 분홍색이다.

② 기체레이저:헬륨과 네온의 혼합기체나 아르곤, 크립톤, 이산화탄소, 헬륨과 질소와의 혼합기체 등이 사용된다. 이 기체들을 가는 유리관에 봉입하여 네온관과 같이 고전압을 가하여 방전시키고 그 때의 전자와 원자의 충돌에 의하여 들뜨게 하는 것이다. 대표적인 헬륨-네온레이저는 헬륨과 네온을 1 mmHg 정도의 압력으로 봉입한 반지름 수 mm 정도의 가늘고 긴 유리관, 전극, 방전하기 위한 전원, 평행한 거울 등으로 구성되어 있다. 이 레이저는 루비레이저와 같이 펄스적(的)인 발진이 아니고 연속적으로 출력을 꺼낼 수 있는 연속발진이며 출력은 큰 것이 수십 mW, 발진출력광은 파장이 0.63 μm인 적색광이다. 다른 기체레이저도 구성은 헬륨-네온레이저와 같지만 이산화탄소 레이저와 같이 출력이 10 kW인 것도 있으며 파장도 적외선부터 자외선 영역까지이며 기체레이저의 종류는 많다.

③ 반도체레이저:갈륨과 비소 등의 고체 재료를 사용하는데 레이저의 발생메커니즘이 조금 다르기 때문에 고체레이저와 구별한다. 반도체레이저는 갈륨과 비소의 p형 반도체와 n형 반도체를 접합한 반도체 p-n접합다이오드에 전류를 흘려서 들뜨게 하여 레이저를 발진시키는 것이다. 갈륨과 비소의 p-n접합다이오드에 p형으로부터 n형 방향으로, 즉 순방향(順方向)으로 전류를 흐르게 하면 p형 쪽에는 양의 전하를 가진 구멍[陽孔]이 증가하고 n형 쪽에는 음전하를 가진 전자가 증가한다.

이 때가 반도체레이저가 들뜬상태이다. 이 상태로부터 전자가 구멍과 재결합할 때 빛에너지를 외부에 방출한다. p-n접합다이오드에 흐르는 전류를 크게 하면 구멍과 전자가 계속 증가하여 반전분포가 형성된다. 그 때문에 왕성하게 유도방출이 일어나 p형과 n형의 접합면으로부터 레이저광선이 발생한다. 반도체레이저의 특징은 대단히 소형으로 발광부의 크기가 수 mm 정도이며, 램프 등이 필요한, 간접적으로 들뜨게 하는 방식이 아니고, 직접 전류를 흘려서 들뜨게 하므로 발진 효율이 좋다.

참고로 엘이디(LED)란 무엇인지도 알아야 한다.

엘이디란?

L E D

Light Emitting Diode

빛 방사 2극진공관

발광 소자 《전광판, 컴퓨터, 전자시계 등에 씀》

# 위를 참조하면 LED는 정확하게 레이저가 아님을 알 수가 있는데 국내에서 일부 양심없는 장사꾼들이 LED, 또는 LP 같은 제품을 레이저라고 소비자를 현혹하고 있으니 세심한 주의가 필요합니다. 레이저는 광입자가 보이며(무수히많은 보석같은 광입자 들이 아른거림) LED, LP는 유리를 통해 방사되는 빛으로 입자가 안보입니다.