레이저: 두 판 사이의 차이

2016년 5월 5일 (목) 23:13 판

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 Yttrium Aluminium Garnet에 Neodymium이 불순물로 들어있는 것이다. 외과 수술에 주로 사용된다.

반도체 레이저

광섬유,CD, DVD, 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.

각주

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 유도방출된 빛들은 결이 맞다고 표현하는데, 진폭, 파장, 진동수(주기), 위상이 모두 같기 때문이다. 이로 인해 보강간섭을 최대한으로 중첩해 결과적으로 레이저는 강한 세기를 가지게 된다.
-==종류==
+==종류와 쓰임새==
+*[[고체]] 레이저
+:레이저로서 최초로 성공한 [[루비]] 레이저와 Nd:YAG 레이저가 유명한 레이저이다.
+:*루비는 알루미늄 산화물인 Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>의 결정에서 Al<sup>3+</sup> 이온 몇 개가 크로뮴 이온 Cr<sup>3+</sup>로 교체된 것으로 붉은색을 띤다. Cr<sup>3+</sup> 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 Cr<sup>3+</sup> 이온의 전자들의 광자 방출을 유도한다. 이로써 위상이 같은 센 에너지를 얻는 것이다.
+:*Nd:YAG 레이저는 유리질 고체인 Yttrium Aluminium Garnet에 Neodymium이 불순물로 들어있는 것이다. 외과 수술에 주로 사용된다.
+:*[[반도체]] 레이저
+:[[광섬유]],[[CD]], [[DVD]], [[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 다이오드]]와 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 [[헬륨|He]]-[[네온|Ne]] 레이저와 [[이산화탄소|CO<sub>2</sub>]] 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.
+:*CO<sub>2</sub> 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, [[플루오린]]과 [[수소]]가 결합하여 [[플루오린화 수소]]로 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.
 {{각주}}
 [[분류:광학]]