레이저

레이저(laser; Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 전자기파 유도 방출에 의한 빛의 증폭의 약자이다.

원리

원자에는 전자가 있는데, 그 전자들은 다 자신의 에너지를 갖고 있다. 하지만 전자들은 불연속적인 에너지 수치를 가지며, 불연속적인 에너지 수치를 '에너지 준위'라고 한다. 에너지 준위는 전자와 원자핵 사이의 거리, 즉 주양자수에 따라 바뀐다. 이때 에너지 준위 사이를 이동하려면 전자가 에너지를 흡수하거나 방출해야 하는데, 이 에너지는 광자, 즉 전자기파의 형태로 표현된다. 안정된, 가장 낮은 에너지를 가진 바닥 상태의 전자가 에너지를 흡수하면 주양자수는 증가한다. 즉 원자핵에서 멀어지는 것이다. 하지만 그 '들뜬 상태'의 전자는 오래 가지 못하고 바로 에너지를 내놓으며 추락한다. 일련의 과정을 자발방출이라고 한다. 레이저 중에서 가장 간단한 3-준위 레이저는 바닥 상태와 들뜬 상태의 사이에 '준안정상태'가 있어 전자가 들뜬 상태보다 오래 머물 수 있는 에너지 준위가 있다. 그렇게 에너지를 흡수해서 들뜬 상태로 진입하고 순간적으로 에너지를 들뜬 상태와 준안정상태 사이의 에너지 차이만큼 방출해 준안정상태로 진입한다. 이 때 준안정상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이만큼을 외부에서 가하면 준안정상태에 있는 전자들이 막 에너지를 방출하며 바닥 상태로 떨어진다. 이 과정을 유도방출이라고 한다.

유도방출된 빛들은 결이 맞다고 표현하는데, 진폭, 파장, 진동수(주기), 위상이 모두 같기 때문이다. 이로 인해 보강간섭을 최대한으로 중첩해 결과적으로 레이저는 강한 세기를 가지게 된다.

종류와 쓰임새

• 고체 레이저

레이저로서 최초로 성공한 루비 레이저와 Nd:YAG 레이저가 유명한 레이저이다.

• 루비는 알루미늄 산화물인 Al₂O₃의 결정에서 Al³⁺ 이온 몇 개가 크로뮴 이온 Cr³⁺로 교체된 것으로 붉은색을 띤다. Cr³⁺ 이온은 수명이 약 0.003초의 준안정상태를 가진다. 제논 섬광 램프로 전자를 들뜬 상태에 올려보내고 전자는 곧 에너지를 잃으면서 준안정상태로 떨어진다. 준안정상태에서 떨어진 전자들은 광자를 내뿜고, 그 광자들이 양 옆에 있는 거울을 왔다갔다 하면서 다른 Cr³⁺ 이온의 전자들의 광자 방출을 유도한다. 이로써 위상이 같은 센 에너지를 얻는 것이다.
• Nd:YAG 레이저는 유리질 고체인 '이트륨 알루미늄 가넷'(Yttrium Aluminium Garnet, YAG)에 네오디뮴(Nd)이 불순물로 들어있는 것이다. 외과 수술에 주로 사용된다.
• 반도체 레이저

광섬유, 컴팩트 디스크(CD), DVD, 블루레이 디스크(BD) 등에 쓰이며, 반도체의 p-n 접합 사이의 유도방출로 인해 레이저가 발진한다. 전류가 낮을 때에는 p-n 접합 사이의 에너지에 해당하는 빛이 자발적으로 나와 발광 다이오드와 같지만, 전류가 높아지면 전자 또는 양공이 많아져 자발 방출이 유도 방출을 불러 일으켜 레이저가 된다.

• 기체 레이저

고체 레이저에 비해 연속적인 출력을 얻을 수 있다. 대표적으로 He-Ne 레이저와 CO₂ 레이저가 있다.

• He-Ne 레이저는 4-준위 레이저로, 헬륨에서 준안정상태로 올라간 전자들이 네온 원자와 충돌하면서 네온 원자의 전자에게 에너지를 주고, 그 에너지로 네온 원자의 준안정상태에서 살짝 내려오며 광자를 방출하고, 그 다음 자발적으로 더 내려온 다음 마지막으로 방출 없이 바닥 상태로 떨어진다. 연속적인 출력을 낼 수 있어 마트에서 보이는 바코드 리더에 사용된다.
• CO₂ 이산화탄소, 질소, 헬륨을 사용하는데, 전류에 의해 질소가 진동하면 진동에 의한 에너지를 전자의 전이로 내뿜기 곤란하므로 헬륨에 에너지를 전달한 후 헬륨은 이산화탄소에 에너지를 전달해 이산화탄소에서 방출이 일어나게 된다. 헬륨은 두 가지로 활동한다. 하나는 에너지를 전달하는 역할, 나머지 하나는 이산화탄소에서 전자를 바닥 상태로 전이시키게 하는 역할이다. 이 레이저는 강력하기 때문에 공장 등에서 대부분의 물질을 절단하는 데에 사용된다.

• 화학 레이저

준안정상태에서 분자의 화학반응으로 인한 생성물에 기반을 두는 레이저로, 플루오린과 수소가 결합하여 플루오린화 수소로 반응이 일어나는 레이저는 2MW 이상의 빔을 만들어 낸다.

• 색소 레이저

에너지 간격이 매우 좁은 색소 분자를 이용하므로 레이저 빔의 파장을 원하는 대로 쉽게 바꿀 수 있다.