레이저란?

레이저란 무엇인가?

 

유도방출에 의해 증폭된 빛이다.

레이저는 들뜬 원자나 분자를 외부에서 자극시켜 장단(결)이 잘 맞아있는 빛을 방출하게 함으로서 큰 증폭율로 증폭된 빛을 말한다. 이 레이저(Laser)는 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 머리글을 따서 만들었는데 이는 "복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭"을 뜻한다.

 

 

레이저는 직진성이 강하다.

보통의 빛은 렌즈를 써서 아주 가늘 게 만들 수 있기는 하지만 곧 크게 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 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 파장폭을 가지고 있으나 레이저는 양쪽 거울속에 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.  

 

 

 

레이저 개발의 역사

 

원자에서 빛의 흡수와 방출에 대한 이론

위대한 물리학자인 아인슈타인*은 레이저 발진에서의 중요한 자극방출(유도방출)의 개념을 포함하여 원자에서의 빛의 흡수와 방출에 대한 이론을 1917년 발표하여 40여년 후의 레이저의 가능성을 열었다.

 * 1922 노벨상 수상

 

 

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 레벨은 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 자극방출 시키면 결맞아 있는 강한 마이크로파가  방출된다.

 

 

 

 

레이저(Laser)

Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation(복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭)

 

 

Schawlow*, Townes (1958)  : 이론적인 제안

Maiman (1960)  : 세계최초의 레이저인 루비 레이저 발진

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

* 1981 노벨상 수상

 

 

 

 

 

빛의 증폭?

 

전자기파의 증폭

전자회로로 발생시킬 수 있는 전파는 검파에 의해 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 또한 진동자 회로에 의해 단일 파장의 전파를 쉽게 발생 시킬 수 있다.

 

 

 

 

그림에서 증폭기는 입력된 여러 진동수의 교류중 특정한 진동수의 교류만 증폭하여 전자기 파를 발생할 수 있으나 그 진동수는 상당한 폭을 가지고 있다. 이 전자기파는 결맞은 상태로 잘 빚어진 형태로 만들 수 있지만 이러한 전자 회로에 의해 만들어지는 전자기파는 전자소자의 특성상 수 GHz 만 가능하다.

 

 

빛의 증폭?

강력한 빛을 내기 위해서는 아주 강력한 큰 전력을 소모하는 백열전등을 쓸 수 있겠지만 그러나 이것이 내는 빛은 증폭되었다기 보다 무수히 많은 빛의 줄기를 발생하는 것일 뿐이고 또한 그 파장의 폭도 매우 넓다.

주어진 빛을 점점 성장시키는 증폭의 방법은 없을까?

이는 통상의 전자공학적인 방법이 아닌, 전혀 새로운 방법에 의해 실현되었다. 즉 원자를 빛을 증폭하는 증폭기로 쓰는 것이다.

 

 

                

 

그림에서 흑체 복사에 의해 발생되는 빛은 파장의 폭이 매우 넓다. 한편 보어의 이론으로 빛이 원자의 전이에 의해서도 발생된다는 것이 발견되었는데 이 경우에는 거의 단색파장의 빛이 발생 되기는 하지만 레이저가 발명되기 이전에는 빛을 선택적으로 증폭하는 방법이 없었다

 

원자의 양자상태와 빛의 방출

 

원자모형

보어의 원자모형과 이를 발전시킨 양자역학에 의해 원자의 상태는 파동함수와 확률로 기술 되고 또한 띄엄띄엄한 에너지 상태를 가지고 있는 것이 확실해 졌다. 왼편의 그림처럼 원자의 전자의 배치는 구름과 같은 확률분포를 이루고 있다. 전자의 에너지에따라 그 분포는 달라진다.

확률분포의 마디와 골이 많아지고 변화가 커질수록 전자는 더 놓은 에너지상태로서, 더 작은 결합에너지에 의해 결합되어 있다.

 

         

 

     

 

 

 

그림에서 가운데의 붉은 색으로 표시한 것은 핵으로 +전하를 띄고 있다. 그리고 주변의 푸른 색은 전자의 구름 분포로 확률밀도를 농담으로 나타내었다.

 

 

원자에서 빛의 방출

보어는 라더포드 원자모형의 문제점을 해결하였다.

즉, 원자의 전자가 핵 주위로 원운동을 할 때 안정된 상태로 있을 수 있는 조건을 제시하였고, 또한 그들 상태를 넘나들 때 빛이 매개가 된다는 두 가설을 세웠다. 이로써 이전에 알려져 있던 수소 원자 스펙트럼에 대한 완벽한 해석을 할 수 있었다. 

 

 

 

 

그림에서 E4의 상태에 있는 원자가 E3의 상태로 떨어지면서 그 차이에 해당하는 빛을 방출한다. 한편 이의 역의 과정도 가능하다. E3의 상태에서 빛을 흡수하여 E4상태가 된다. 이때는 역시 그 에너지 차이에 정확하게 일치하는 에너지의 빛이 비추어져야 한다. 이것이 물질과 빛의 상호작용의 기본적인 것이다.