광양자와 레이저

광양자와 레이저

레이저의 특징

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 만들었는 데 이는 "복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭"을 뜻한다.

레이저는 직진성이 강하다.

보통의 빛은 렌즈를 써서 아주 가늘 게 만들 수 있기는 하지만 회절에 의해 곧 넓게 퍼져 버린다. 그러나 레이저는 좁고 긴 관을 수만번 왕복한 빛이기 때문에 멀리까지 갈 수 있는 상태로 아주 잘 빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다.

레이저는 한 가지 색을 가지고 있는 순수한 빛이다.

보통의 빛은 여러 가지 파장, 즉 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 비교적 순수하다고 할 수 있는 네온사인 처럼 방전에 의한 빛도 원자의 운동에 의한 도플러 효과로 약간의 파장폭을 가지고 있으나 레이저는 양쪽 거울 속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므로 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 연결되지 않고 짧은 파동이 수없이 모여 있다. 그러나 레이저는 많은 북을 일정한 장단에 맞추어서 치는 것처럼 많은 파동이 서로 정확하게 잘 겹쳐져서 매우 강력한 밝기를 가지고 있다.

_ 도플러 효과_ 자극방출_ 회절_ 거울_ 공명_ 파동

보어의 원자모형에서 원자나 분자가 가지고 있는 상태를 넘나들 때 빛이 방출되거나 흡수되는 이론을 아인슈타인이 보다 체계적으로 분석하였다. 보어의 진동수 가설에서는 원자가 높은 에너지 상태에서 빛을 방출하는 것은 외부의 빛의 존재와 관계없는 것이었다. 1917년 아인슈타인은 열적인 평형관계를 고려해서 빛이 방출하는 두 번째 가능성이 있어야 한다는 것을 제안하였는 데 이는 주변 빛의 부추김을 받아서 빛이 방출되는 것이다. 이 자극방출(유도방출)의 개념을 포함하여 원자에서의 빛의 흡수와 방출에 대한 종합적인 이론을 세울 수 있었고, 이것이 40 여년 후 레이저가 만들어지는 결정적인 계기가 되었다.

_ 보어의 원자모형_ 진동수 가설_ 아인슈타인_ 자극방출_ 유도방출

메이저

Maser (Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)

복사의 자극방출에 의한 마이크로파의 증폭

Weber (1953)

Gordon, Zeiger, Townes* (1954, 1955)

Basov*, Prokhorov* (1954, 1955)

* 1964 노벨상 수상

전기장이 걸려있는 암모니아의 에너지 준위는 쌍극자모우먼트(dipole moment)의 놓인 방향에 따라 두 개의 에너지 준위를 갖는다. 그 에너지 차이는 약 24GHz의 마이크로파에 해당한다. 높은 에너지 준위에 있는 암모니아 분자들을 모아준 후 이를 일시에 자극방출시키면 결맞아 있는 강한 마이크로파가 방출된다.

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암모니아로부터의 마이크로파 발생_ 암모니아는 피라미드 구조를 하고 있는 데, N원자가 자리한 꼭짓점의 반대 방향으로 쌍극자모멘트가 생겨있는 극성분자이다. 전기장이 걸리면 쌍극자모멘트는 전기장과 나란한 방향으로 배열하려 하므로 이 쌍극자 모멘트가 전기장과 반대방향으로 놓여있을 때 위치에너지가 최대인 상태가 된다. 따라서 그 에너지 차이와 같은 에너지를 갖는 마이크로파를 받으면 쌍극자모멘트가 전기장과 반대방향으로 놓인 높은 에너지 상태가 되고, 이 상태에서 다시 마이크로파를 방출하면서 낮은 에너지 상태로 되돌아 간다. 암모니아는 N원자가 H로 이루어진 삼각형을 통과하여 뒤집히는 진동을 할 수 있다.

아래 그림은 걸려있는 전기장에 대해 두 개의 다른 상태의 암모니아가 분리되어 높은 에너지 상태의 것이 메이저 공동 속으로 들어가서 메이저를 발진하는 구조를 보여주고 있다.

암모니아를 분리하는 전기장은 위쪽으로 갈수록 세기가 세어져서 에너지가 낮은 상태(up state)는 위쪽으로 힘을 받고, 반대로 에너지가 높은 상태(down state)는 아래쪽으로 힘을 받게 된다.

아래쪽으로 편향된 높은 에너지 상태의 암모니아는 전기장이 균일하게 걸려있는 메이저 공동(maser cavity) 속으로 들어가게 된다. 이 공동은 이 암모니아에서 방출할 수 있는 진동수의 마이크로파에 대해 공명을 일으킬 수 있도록 설계되어 있고 이에 따라 자극에 의해 방출되는 마이크로파는 급속도로 증폭된다.

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암모니아 메이저의 구조_ 왼쪽의 슬릿(실틈)을 통과한 두 상태의 암모니아는 균일하지 않는 전기장에 의해 각기 반대방향으로 힘을 받는다. 전기장은 모두 화면에서 솟아 오르는 방향이며 왼쪽의 전기장 영역에서는 위쪽으로 갈수록 전기장이 세게 걸려 있다. 따라서 쌍극자 모멘트가 앞쪽으로 주어진 암모니아(up state)는 전기장이 더 세게 걸린 쪽, 즉 위쪽으로 힘을 받고 반대로 쌍극자 모멘트가 뒤쪽으로 주어진 암모니아(down state)는 아래로 힘을 받는다. down state의 암모니아는 메이저 공동(maser cavity) 속으로 들어가서 자극에 의한 마이크로파를 발생시킨다.

_ 에너지 준위_ 자극방출_ 극성분자_ 진동수_ 전기장_ 슬릿_ 공명

레이저

Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)

복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭

Schawlow*, Townes (1958): 이론적인 제안

Maiman (1960): 세계최초의 레이저인 루비레이저 발진

Javan, Bennett, Herriott (1961): 최초의 기체레이저인 헬륨-네온 레이저 발진

* 1981 노벨상 수상

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레이저의 구조_ 대표적인 기체 레이저의 간단히 구조를 보여준다. 관 속에 희박한 기체를 넣고 전압을 걸고 방전시킨다. 여기된 기체가 내는 빛은 양쪽의 거울을 왕복하면서 거듭 빛의 세기가 증가하면서 강력한 빛이 만들어진다.

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타운즈(C. H. Townes, 1915-2015)_ 미국의 물리학자로 1953년 메이저를 발명했으며 1958년 비슷한 원리로 가시광선에 대한 메이저, 즉 레이저가 만들어질 수 있다는 논문을 발표하였다. 사진은 그의 업적을 기념하는 우표이다.

_ 헬륨-네온 레이저_ 레이저 발진_ 가시광선_ 루비_ 거울