1. 레이저
특수한 용도에서 사용하던 레이저는 이제 레이저 포인트나 프린트 등의 도구로 일상용품 중 하나로 자리매김하였다. 영어 Laser 는 "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" 의 약자로 국문으로 옮기면 "유도방출에 의한 빛의 증폭" 으로 번역할 수 있다. 최초의 레이저는 1960년 휴즈 항공사의 마이먼이 개발한 루비 레이저이다. 이후 급속한 발전을 보이며 다양한 형태의 레이저 개발이 이루어지면서 80년대 이후에는 X선 레이저, 펌토초 레이저, 자유전자레이저 등 새로운 개념의 레이저가 개발되었다.
2. 기본원리
레이저는 크게 세부분으로 이루어져있다. 광을 발생시키는 매질, 매질을 여기시키기 위한 에너지원 그리고 빛을 모으고 증폭시키기 위한 광공진기로 구성되어있다. 원자는 작은 태양계와 같이 중심부에 양전기를 가진 원자핵이 있고 주위에는 음전기를 가진 전자가 회전하고 있다. 원자의 에너지 준위는 전자의 상황에 따라 결정되게 되는데, 전자가 정상궤도를 회전하고 있을 때를 기저상태(Ground State)에 있다고 말하고, 외부에서 에너지를 더해 바깥쪽 궤도로 회전하면 여기상태(Ecited State)에 있다고 한다. 원자의 준위가 높은 에너지에서 낮은 에너지로 천이할 경우, 그 차이만큼의 에너지를 빛으로 방출하게 된다. 이 때의 관계는 E2 - E1 = hv 로 표현할 수 있다.
백열등을 예로 들어보면, 백열등은 다수의 원자들의 에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지면서 각기 다른 파장의 빛을 동시에 방출하기 때문에 백열등의 빛은 다수 파장을 가진 빛의 집합체라고 할 수 있고, 이를 자연방출 (Spontaneous Emission)이라고 한다.
레이저의 경우에는 많은 원자가 높은 에너지 준위 상태로 있다가 외부자극에 의해 강한 상호작용을 하면서 동시에 낮은 에너지 준위로 떨어지는 유도방출(Stimulated Emission)를 하게 된다. 에너지 준위가 높은 원자가 에너지 준위가 낮은 원자 수보다 많은 경우를 밀도반전(Population Inversion)이라고 부르며, 외부 에너지를 통해 밀도반전을 발생시키는 것을 펌핑(Pumping)이라 부른다. 일반적으로 높은 에너지 준위 원자는 자연방출을 하게 되므로 밀도반전 분포를 얻기 어렵다. 따라서 레이저는 펌핑된 원자가 에너지를 자연방출하면서 중간에너지 준위인 준안정상태에 모여 밀도반전을 이루었다가 적당한 자극에 의해 유도방출을 하게 된다. 밀도반전에 대해 조금 더 자세히 알아보면, 원자가 펌핑을 통해 에너지를 흡수하면 기저상태에서 여기상태로 천이하게되나, 여기상태에서의 시간이 매우 짧아 자연방출에 의해 준안정상태로 변하게 된다. 충분한 수의 원자가 준안정상태에 머무르면서 밀도반전을 이루게 되면 유도방출에 의해 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 기저상태로 변하게 된다. 기저상태의 원자수가 낮은 에너지 준위의 원자수보다 훨씬 많으므로 비교적 쉽게 밀도반전 분포 형성할 수 있다. 즉, 레이저 작용은 준안정 준위로부터 낮은 준위로 천히하면서 그 에너지 차이만큼의 빛이 방출되는 원리를 활용한 것으로 일정 파장의 빛만 방출되게 된다.
레이저 매질 양쪽으로 반사거울을 설치하여 발진을 일으키게 되는데, 이는 빛이 거울 사이를 왕복하면서 증폭되고, 증폭이 손실되는 양보다 크게되면 발진을 일으키게 되는 것이다. 이 때 한쪽 거울은 100% 반사거울을 설치하고, 반대 거울은 일부 빛만 반사되도록 하여 레이저 광을 얻을 수 있다. 레이저 매질 내부에서 초기 자연방출되는 빛은 사방으로 뻗어 나가게 되지만, 두 개의 반사거울 사이를 왕복하는 과정에서 축방향의 빛만 유도방출 과정을 거쳐 증폭되게 된다. 이처럼 레이저는 발생과정에서 축방향의 빛만 방출되게 되므로 다른 방향으로의 퍼짐 없이 한 방향으로 먼거리까지 뻗어 나갈 수 있다.
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