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레이저에대하여

[레이저란 무엇인가?]유도방출에 의해 증폭된 빛이다.레이저는 들뜬 원자나 분자를 외부에서 자극시켜 장단(결)이 잘 맞아있는 빛을 방출하게 함으로써 큰 증폭율로 증폭된 빛을 말한다. 이 레이저(Laser)는 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 머리글을 따서 만들었는데 이는 "복사의 자극방 출에 의한 빛의 증폭"을 뜻한다.레이저는 직진성이 강하다.보통의 빛은 렌즈를 써서 아주 가늘게 만들 수 있기는 하지만 곧 크게 퍼져 버린다. 그러 나 레이저는 좁고 긴 관을 수만 번 왕복한 빛이기 때문에 멀리까지 갈 수 있는 상태로 아 주 잘 빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다.레이저는 한가지 색을 가지고 있는 순수한 빛이다.보통의 빛은 여러 가지 파장, 즉 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 비교적 순수한 빛이랄 수 있는 네온사인 등의 방전에 의한 빛도 원자의 운동에 의한 도플러 효과로 약간의 파장 폭을 가지고 있으나 레이저는 양쪽 거울속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므 로 거의 단일한 파장을 갖는 순수한 빛을 방출하게 된다.레이저는 결이 잘 맞아 있는 강력한 빛이다.우리 주위의 보통의 빛은 마치 수많은 북을 제멋대로의 장단으로 치는 경우처럼 서로 연 결되지 않고 짧은 파동이 수없이 모여 있다. 그러나 레이저는 많은 북을 일정한 장단에 맞추어서 치는 것처럼 많은 파동이 서로 정확하게 잘 겹쳐져서 매우 강력한 밝기를 가지 고 있다.[레이저의 원리](1)아인슈타인의 빛의 흡수와 방출이론자극방출이라는 새로운 형태의 상호작용아인슈타인은 보어의 가설에서의 빛과 원자와의 상호작용 두 가지, 즉 자극흡수, 자발적 방출에 자극방출이라는 새로운 개념을 도입함으로서 레이저의 중요한 기초원리를 알아냈 다.자발적 방출(Spontaneous Emission)원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 내려가면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출한다. 이 빛을 방출하는 가능성은 전적으로 확률적으로 무상태( 들뜬상태 : 여기상태 )에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 빛을 방출한다. 이때 자극을 시킬 수 있는 빛은 방출될 빛과 파장이 같아야 한다. 이 경 우 방출되는 빛은 자극시킨 빛과 결맞아 있다. 이를 유도방출(induced emidion)이라고도 한다. 이 과정이 빛의 증폭을 가능하게 한다.자극 흡수(Stimulated Absorption)낮은 에너지 상태의 원자는 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이한다. 이 경우 그 에너지 차이와 꼭 같은 빛이 입사하여야 한다.(2)열적 평향상태에서의 물질낮은 에너지 준위로 많은 원자들이 있다.많은 원자가 모여 있는 기체, 고체, 액체 등의 물질은 그것을 구성하는 개개원자의 일부 분은 높은 에너지 상태(들뜬상태:여기상태)에 있지만 거의 대부분은 여전히 바닥상태에 안주하고 있다. 온도가 올라가면 들뜬상태의 원자가 점차 많아지기는 하지만 여전히 바 닥상태로 있는 원자의 갯수는 많다. 극단적으로 무한대의 온도가 된다면 비로소 모든 에 너지 준위에 있을 가능성이 같아진다. 한편 음수의 온도가 있을 수 있다면 역전이 가능 하기는 하지만 열적인 평형상태에서는 이러한 일이 벌어질 수 없다.자발적 방출과 자극 방출되는 빛의 비율보통의 광원이 내는 빛에서 자발적 방출과 자극 방출의 정도를 쉽게 열적인 평형조건에 서 계산해 볼 수 있다. 형광등이나 네온사인, 백열전등 등 보통의 모든 광원의 경우 자극 방출의 빛의 비율은 전체의 10-10정도 되어 대부분이 자발적방출이어서 제멋대로의 빛 을 내게 될 것이다.[레이저의 조건]점유자수 역전이 가능한 매질이 있어야 한다.비록 레이저가 원자나 분자의 에너지 준위를 이용하기는 하지만 그 매질(레이저 매질)이 역전을 시킬 수 있는 조건에 합당한 세 개나 네 개의 에너지 준위를 가지고 있어야 한 다. 이러한 매질로는 기체 원자의 네온, 아르곤, 크립톤, 기체 분자의 이산화탄소, 불화수 소, 질소 등이 있다. 한편 고체의 경우에는 CaWo4, Y2O4, SrMoO4, LaF3, YAG, 유리 등 Pr3+, Eu3+ 등이 레이저 매질로서 작용한다. 또한 반도체, 액체도 레이저 매질의 조건을 충족하는 것이 많다.효율적으로 펌핑을 할 수 있는 방법이 있어야 한다.레이저 매질에서 점유자수 역전을 실제로 실현할 수 있는 효율적인 펌핑의 방법이 있어 야 한다. 그러기 위해서는 레이저 매질의 온도나 압력 등을 적당한 조건에 두어야 한다 든지, 아니면 펌핑의 매개역할을 할 수 있는 다른 매질을 같이 섞어 두어야 하는 경우도 있다.레이저 발진을 실현시킬 적절한 공진기를 만들어야 한다.레이저 매질에 합당하고, 효율적으로 발진을 시킬 수 있는 공진기가 만들어져서 그 내부 에 그 매질을 가두어 둘 수 있어야 하고, 이렇게 해서 만들어진 레이저의 내부 에너지 감소율이 적어서 레이저가 증폭될 수 있는 조건에 이르러야 한다.[여러 가지 레이저]루비 레이저루비(루비는 Al2O3는 6각기둥 형태를 기본 구조로 하여 결정을 이루고 있고 이 Al 중 일 부분이 Cr으로 취한되어 있는 보석이다.)속의 크롬이 레이저 매질이다.1960년 Maiman이 최초로 발진에 성공한 이 레이저는 루비를 사용하였다. 최초의 이 레이 저에 사용한 루비는 0.05%의 Cr2O3를 불순물로서 가지고 있는 Al2O3의 결정체였다. 순수 한 Al2O3는 무색 투명하여 그저 유리처럼 미적 가치가 없지만 크롬이 적당한 농도로 Al 에 취환하여 들어가 밖히게 되면 이것이 색중심(color center)의 역할을 하여 맑고 투명한 붉은 색을 띄어 보석으로서 가치를 가지고 있어 이를 루비라고 부른다.루비막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전등을 둘 러싸서 방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 광펌핑을 시킨다.섬광에 의해 펌핑(pumping)된 Cr3+은 굵은 청색으로 표시한 흡수대로 들뜨게 되고 순간적 으로 이 들뜬 에너지는 준안정상태의 에너지 준위로 떨어지게 된다.루비 레이저는 694.3nm와 692.9nm의 붉은 빛을 낸다.이 루비레이저는 섬광에 의해 펌핑되어 순간적으로 레이저 발진이 일헬륨-네온 레이저가장 보편적으로 쓰는 레이저이다.1961년 Javan, Bennett, Herriott 세 사람은 헬륨(He)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 최초로 1152.3nm의 적외선의 연속발진에 성공하였다. 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와 트의 가시광선(632.8nm)을 내게하여 실험실에서 간섭을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작 등에 널리 쓰고 있다. 이 레이저에서 헬륨은 네온을 들뜨게 하는 매개물질로서 작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어 진다.0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다.한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.직류, 혹은 교류의 방전에 의해 여기된 He은 Ne과 충돌(collision)하여 에너지를 잃어 버 린다. 한편 충돌에 의해 여기된 네온은 바닥상태로 바로 떨어지는 것은 금지되어 있어 중 간단계로 몇가지 파장의 빛을 내면서 떨어지게 된다. 이 중간단계에서는 빠르게 바닥상태 로 떨어져서 점유밀도가 항상 작게 유지된다.CO2 레이저강력한 적외선을 발진한다.이 레이저는 특이하게 CO2분자의 진동에너지 준위를 이용하므로 10.6㎛의 적외선을 발진 하며 연속발진에서의 출력은 수백 kW에 이르러 금속의 가공 등 산업용으로 널리 쓰인다. 이 레이저는 효율을 높이기 위해 매개물질인 N2와 Ne을 첨가하여 거의 15% 의 높은 효 율로 동작시킨다.CO2 분자의 세가지 진동 모우드로 이의 고유진동수가 각각 달라서 이 진동에너지 준위는 서로 다는 간격을 하고 있다.헬륨-네온 레이저에서의 He의 역할처럼 N2는 단지 펌핑을 시키는 매개물질로서 작용한 다. N2는 CO2 와 달리 단일 진동 모우드로 되어 있는데 이 첫 번째 들뜬 준위가 바로 CO2 의 (001)준위와 비슷하여 충돌로 에너지를 넘기기가 용이하다. 기본적으로 진동의 에 너지 준위는 전자의 에너지 준위보다 훨씬 작아서 위 그림에서 보듯이 발진하는 빛의 파 장은 10.6성이 있다.반도체 레이저는 광다이오드가 발견된 직후인 1962년 발명되었다. 이 레이저는 거의 100%의 효율과 취급이 간편한점, 매우 작은 크기로 만들 수 있는 점, 빠르게 변조시킬 수 있어 정보를 실어보내기 용이한 점 등 많은 장점 때문에 현재의 광통신, 광기록, 전기광학 소자 등 광공학에서 핵심적인 역할을 한다.[레이저의 응용]레이저는 발명된 때부터 많은 분야에서의 응용이 예상되었다. 그러나 실용적인 면에서의 응용을 생각하면 반드시 곧 실용과 결부되는 것만이 아니다. 레이저의 발전은 레이저 그 자체의 개량이나 새로운 개발뿐만 아니라 여러 가지 다른 분야의 기술 진보를 기다려야 할 부분이 많다.홀로그래피:홀로그래피의 원리를 처음으로 고안해 낸 것은 1947년 영국의 D.가보이다. 가 보는 위상이 고른 빛이 있으면 빛의 간섭현상을 이용하여 상(像)을 만듦으로써 입체적인 상을 볼 수 있을 것이라고 생각하였지만, 당시에는 레이저광선과 같은 위상이 고른 빛이 없어서 실제로 입체상을 만들지 못하였다. 그 후 1960년 레이저가 발명되고 나서 홀로그 래피라고 하는 입체사진 기술이 실현되었다. 위상이 고른 빛끼리 같은 장소에서 겹치면 광파(光波)의 산과 산, 골짜기와 골짜기가 겹치는 곳에서는 강조되고, 산과 골짜기가 겹치 는 곳에서는 상쇄되어 약화된다. 그 결과 2개의 빛이 비친 곳에서는 빛이 강조된 곳과 약 화된 곳이 생겨서 간섭무늬가 생긴다.레이저발진기에서 나오는 레이저광을 반투명한 거울(하프미러)을 이용해 2개의 빔으로 나 누고, 피사체(被寫體)의 크기 정도로 렌즈를 벌려서 피사체를 조명한다. 보통 세밀하게 보 면 피사체의 표면은 요철이 있으므로 피사체에 비친 레이저광은 여러 가지 방향으로 반사 (확산)한다. 이 피사체 근처에 사진건판을 놓으면 여기에 피사체에서 확산된 빛이 들어온 다. 동시에 하프미러로 나눠진 또 하나의 레이저광(參照光이라고 한다)을 렌즈로 확산시켜 사진건판에 비치면, 피사체에서 확산된 레이저광[物體光]과 참조광이 사진건판상에서 겹쳐 서 간섭을 한다.

공학/기술| 2002.09.17| 5페이지| 1,000원| 조회(486)

레이저, 레이져

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