여러 가지 레이저

실제의 레이저

밀도반전이 가능한 매질이 있어야 한다.

비록 레이저가 원자나 분자의 에너지 준위를 이용하기는 하지만 그 매질이 역전을 시킬 수 있는 조건에 합당한 세 개나 네 개의 에너지 준위를 가지고 있어야 한다. 이를 레이저 매질이라 하는 데 이러한 매질로는 기체 원자의 네온, 아르곤, 크립톤, 기체 분자의 이산화탄소, 불화수소, 질소 등이 있다. 한편 고체의 경우에는 CaWo₄, Y2O₄, SrMoO₄, LaF₃, YAG, 유리 등의 모체에 있는 일종의 불순물인 Nd³⁺, Ho³⁺, Gd³⁺, Tm³⁺, Er³⁺, 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 밀도반전을 실제로 실현할 수 있는 효율적인 펌핑(pumping)의 방법이 있어야 한다. 그러기 위해서는 레이저 매질의 온도나 압력 등을 적당한 조건에 두어야 한다든지, 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 내부에 그 매질을 가두어 둘 수 있어야 하고, 이렇게 해서 만들어진 레이저의 내부 에너지 감소율이 적어서 레이저가 증폭될 수 있는 조건에 이르러야 한다.

_ 에너지 준위_ 밀도반전_ 반도체_ 레이저_ 고체_ 온도_ 액체

루비 레이저

루비 레이저는 세계 최초로 발진한 레이저이다.

photo 메이먼_메이먼은 1960년 최초로 레이저 발진에 성공하였다.

photo 최초의 레이저_메이먼이 만든 세계 최초의 레이저로 루비를 레이저 매질로 사용하였다.

1960년 메이먼(Theodore H. Maiman)이 최초로 발진에 성공한 이 레이저는 루비를 사용하였다. 최초의 이 레이저에 사용한 루비는 0.05%의 Cr₂O₃를 불순물로서 가지고 있는 산화알루미늄(aluminium oxide; Al₂O₃)의 결정체였다. 순수한 Al₂O₃는 무색 투명하여 그저 유리처럼 미적 가치가 없다. 그러나 투명한 결정이라도 미량의 불순물이 격자에 대치해서 들어가게 되면 이들이 특정한 파장의 빛을 발생시킬 수 있는 데 이를 색중심(color center)이라 한다. Al₂O₃의 경우 알루미늄 원자 대신 크롬이 적당한 농도로 치환하여 들어가 박히게 되면 이것이 색중심의 역할을 하여 맑고 투명한 붉은 색을 띤다. 이것은 보석으로서 가치를 가지고 있는 루비(ruby)이다. 오른쪽 그림은 루비의 사진이고 아래 그림은 이의 결정구조이다.

루비 막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전관으로 둘러싸서 방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 루비 속의 전자를 펌핑시킨다.

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루비레이저의 구조_루비 막대의 주변에 기체 방전등을 둘러싸서 섬광을 만들어주면 루비가 여기되어 가로방향으로 레이저 빛이 나오게 된다.

루비 레이저는 694.3nm와 692.9nm의 붉은 빛을 낸다.

섬광에 의해 펌핑(pumping)된 Cr³⁺은 아래 그림에 나타낸 것처럼 굵게 표시한 흡수대로 들뜨게 되고 이렇게 들뜬 상태는 순간적으로 오른쪽의 준안정상태로 떨어지게 된다. 준안정상태는 외부의 자극이 없으면 좀처럼 바닥상태로 떨어지지 않지만 빛의 자극이 있으면 일시에 레이저가 발진하게 된다. 이 레이저는 방전관의 섬광이 가해지면 순간적으로 공진기 내부로 왕복하는 빛에 의해 자극방출이 일어나서 펄스형 레이저로 발진하는 대표적인 레이저이다. 또한 아래 그림에서 보듯이 레이저로 발진에 관여하는 기본준위가 3개로 3준위 레이저이기도 하다.

_ 결정_ 에너지 준위_ 레이저 발진_ 색_ 자극방출_ 바닥상태_ 격자