LASER의 특징과 원리에 대하여

1. 특징

- 직진성 : 레이저는 좁고 긴 관을 수 만 번 왕복한 빛이기 때문에 멀리가지 갈 수 있는 상태로 아주 잘 빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다.

- 단색성 : 양쪽 거울 속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므로 거의 단일한 파장을 갖는 순수한 빛을 방출하게 된다.

- 간섭성 : 많은 북을 일정한 장단에 맞추어서 치는 것처럼 많은 파동이 서로 정확하게 잘 겹쳐져서 매우 강력한 밝기를 가지고 있다.

 

2. 레이저의 기본원리

레이저는 기본적으로 세부분으로 이루어져 있다. 광을 발생시키는 매질, 이 매질을 여기시키기 위한 에너지원(펌핑소스) 그리고 레이저 빛을 모으고 증폭하기 위한 광공진기로 이루어져 있다. 그러면 레이저 빛의 발생을 위한 기본 원리를 살펴보기로 한다.

 

원자는 작은 태양계와 같이 중심부에 양전기를 가진 원자핵이 있고 주위에는 음전기를 가진 전자가 돌고 있다. 원자의 에너지 준위는 이들 전자의 상황에 다라 결정되는데, 전자가 정상괘도를 돌고 있을 때 기저상태(ground state)에 있다고 하고, 외부에서 에너지를 얻어 더 바깥쪽 괘도에서 돌면 여기상태(excited state)에 있다고 한다.

 

원자가 높은 에너지 준위(E2)에서 낮은 에너지 준위(E1)로 천이(遷移)할 때 그 차이에 해당하는 에너지를 빛으로 방출하게 된다.

 

백열등의 경우에는 여러 원자들이 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 상호작용이 없이 자연스럽게 떨어지므로 각기 다른 파장의 빛을 동시에 방출한다. 따라서 백열등의 빛은 여러 가지 파장을 가진 빛의 집합체이다. 이러한 방출을 자연방출(spontaneous emission)이라한다.

 

한편 레이저의 경우에는 높은 에너지 준위에 많은 원자가 머물러 있다가 외부자극에 의하여 강력한 상호작용을 하면서 동시에 낮은 에너지 준위로 떨어지는, 소위 유도방출(stimulated emission)을 하게 된다.

높은 에너지 준위에 있는 원자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 수보다 많은 경우를 밀도반전(population inversion)이라 하고, 외부에서 에너지를 공급하여 밀도반전을 일으키는 것을 펌핑(Pumping)이라 한다.

 

일반적으로 높은 에너지 준위의 원자는 자연방출을 하므로 밀도반전 분포를 얻기 어렵다. 따라서 레이저에서는 펌핑된 원자가 약간의 에너지를 자연방출하면서 중간에너지 준위인 준안정상태(metastable state)에 모여 밀도반전을 이루었다가 적당한 자극에 의해 유도방출을 하게 된다.

 

3. 유도방출의 원리

펌핑에 의해 에너지를 흡수하면 원자는 기저상태 (E1)에서 여기상태(E4)로 천이한다. E4에서 머무는 시간은 매우 짧으므로 자연방출에 의해 준안정상태 E3로 떨어진다. 충분한 수의 원자가 준안정상태 E3에 머물러 밀도반전을 이루면 유도방출에 의해 낮은 에너지 준위 E2로 떨어지고 곧이어 기저상태로 돌아간다.

 

에너지 준위 E2의 원자수가 기저상태 E1의 원자수보다 훨씬 적으므로 E3와 E2사이에서 밀도반전 분포를 형성하기에 용이하다. 레이저 작용은 준안정 준위로부터 낮은 준위로 천이할 때 그 에너지 차이에 해당하는 빛이 방출되는 원리를 이용하는 것으로 일정한 파장의 빛만 나오게 된다.

 

발진을 일으키기 위하여 레이저 매질의 양단에 반사거울을 설치한다. 빛이 이 사이를 무수히 왕복하면서 증폭되는데, 증폭이 손실보다 크면 발진을 일으키게 된다. 이때, 한쪽 거울은 100% 반사(전반사)하도록 만들고 반대쪽 거울에서는 일부분의 빛이 투과하도록 만들면 발진된 빛의 일부가 밖으로 나오게 되므로 레이저광을 얻을 수 있다.

 

레이저 매질내에서 초기에 자연방출되는 빛은 사방으로 나가지만, 레이저 축과 수직인 두 개의 반사거울 사이를 여러번 왕복하는 과정에서 축방향의 빛만 유도방출 과정을 거쳐서 증폭된다. 이와 같이 레이저 빛은 발생과정에서 축방향의 빛만 나오므로 퍼지지 않고 한 방향으로 멀리까지 갈 수 있다.