레이저는 어떻게 빛이 만들어져서 나가는건가요
문방구에서 파는 레이저포인트가 있는데요
건전지 넣고서 스위치를 누르면 빛이 나가는데 어떤원리로 레이저가 만들어져서 나가나요
안녕하세요. Niceday입니다.
레이저가 탄생한 지 50년
이 고마운 빛 레이저가 탄생한 지 50년이 되었다. 1960년 5월 16일, 미국 캘리포니아의 휴즈 연구소 메이먼(T.H. Maiman)은 크로뮴(크롬, chromium) 이온이 소량 함유된 산화알루미늄(Al2O3)으로 만든 루비 막대를 사용하여 빛을 만들어냈다.
이 빛은 단일 파장을 지녔기 때문에 일반 빛처럼 사방으로 퍼지지 않고 한 곳으로 모아져 매우 강렬했다. 새로운 빛이 탄생한 것이다. 이 빛을 ‘복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’이라 부르는데, 그 약자가 바로 레이저(LASER)다.
메이먼이 레이저를 발명한 이후 1960년 12월 벨 연구소의 자반과 베넷, 해리엇은 최초의 가스 레이저인 헬륨 네온 레이저 개발에 성공했다. 메이먼의 레이저가 연속 빛줄기를 만들지 못했던 것에 비해 이 가스 레이저는 연속 빛줄기를 만들어냈다.
반도체 레이저는 1962년 로버트 홀에 의해 개발되었으며 1970년 상온에서 연속 빛줄기를 만들어낸 이래 다양한 분야에 활용되고 있다. 1964년 파텔에 의해 개발된 이산화탄소 레이저는 산업응용 분야와 의료분야에 많이 사용되고 있다.
강렬한 빛 레이저는 어떻게 만들어지는가?
원자의 중심에는 원자핵이 있고 그 주위에 전자가 돌고 있다. 원자의 에너지 준위는 전자가 최소의 에너지 값을 가지는 정상 궤도를 돌고 있을 때를 바닥상태(ground state), 외부에서 에너지를 얻어 정상궤도 보다 높은 궤도에 있을 때를 들뜬상태(excited state)에 있다고 말한다. 에너지를 얻어 들뜬상태(E2)에 있는 원자는 불안정하여 시간이 지나면 바닥상태(E1)로 되돌아가는 데, 이 때 방출되는 광자의 에너지는 다음과 같은 식으로 표현된다.
이미지 1
여기에서 E1, E2(E2>E1)는 각 에너지 준위이며 hν(h: 플랑크 상수, ν: 빛의 진동수)는 광자 에너지이다. 원자 또는 분자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 떨어지면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출하는데, 이 때 방출하는 빛은 파장, 위상, 방향이 일정하지 않은 빛을 방출한다. 이러한 방출을 자연방출이라고 한다. 백열등, 형광등과 같은 일반 빛의 대부분은 자연방출에 의한 빛이다.
흡수, 자연방출, 유도방출 과정에서 에너지 준위와 빛의 상호작용.
한편 레이저의 경우는 자연방출이 아닌 유도방출이 일어나야 한다. 유도방출은 아인슈타인(Albert Einstein)이 1917년 발표한 논문 ‘복사의 양자 이론’에서 처음으로 제시하였다. 그는 높은 에너지 상태에 있는 원자가 외부의 광자를 만나면, 외부의 광자와 같은 위상과 파장을 가진 광자를 방출하면서 낮은 에너지 상태로 돌아가는 것으로 설명했다. 아래 그림을 보면서 유도방출 과정을 알아보자.
펌핑과 유도방출.
바닥상태(E1)에 있는 원자 또는 분자가 펌핑 1) (pumping)에 의해 에너지를 흡수하면 들뜬상태(E4)가 된다. E4에서 머무는 시간은 매우 짧아 곧바로 E3로 떨어진다. E3에서는 상대적으로 머무는 시간이 길어 준안정상태라고 하며, 여기에 많은 원자 또는 분자들이 모여 밀도반전 2) 상태가 된다.
이 상태에 있는 원자 중 한 개가 자발적으로 빛을 내는 순간 여기서 방출된 빛이 주변의 다른 들뜬 원자 하나를 자극하여 E3에서 E2로 떨어지면서 빛을 방출하여 두 개의 광자가 된다. 또한 이 두 개의 광자는 다른 두 원자를 자극하여 4개가 된다.
이러한 연쇄반응이 일어나 파장이 같은 증폭된 빛을 방출하게 되는데 이 과정을 유도방출이라고 한다. 이 과정에서 자극하는 빛과 방출하는 빛의 파장은 같다. 그리고, E3에서 E2로 떨어진 원자는 E2에 머무르는 시간이 매우 짧아 곧바로 바닥상태(E1)로 떨어진다.
유도방출에서 나오는 빛을 더욱 강한 빛으로 만드는 과정이 필요한데, 이 과정이 레이저발진 과정이다. 레이저발진을 하기 위하여 레이저봉 양쪽에 반사거울을 장치한다. 레이저봉 양쪽에 거울을 두는 것을 공진기라고 한다.
한쪽은 거의 100%를 반사하는 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부분의 빛이 투과할 수 있는 부분반사 거울을 장치한다. 위상과 파장이 같은 레이저봉에서 나온 빛이 양쪽 거울에 반사되어 무수히 왕복한다. 이 과정에서 차례로 유도방출이 생겨 빛이 증폭되거나 광학 부품에 의한 투과와 산란에 의해 손실되기도 한다.
레이저의 증폭 이득이 공진기의 손실보다 크면 레이저의 강도는 점점 증폭되어 부분반사 거울을 통과하여 빛이 나오게 되는데, 이 빛이 레이저이다. 이와 같이 레이저 빛은 발생과정에서 위상과 파장, 방향이 같은 나란한 빛만 나오므로 거의 퍼지지 않고 멀리까지 갈 수 있다.
아래[램프로 펌핑되는 고체 레이저의 구조] 그림에서 큐-스위칭은 일반적으로 공진기 내부의 기계식 또는 전자식 셔터에 의해 빛을 차단하거나 통과시키는 스위치 역할을 하는데, 레이저 발진이 조금씩 일어나지 않고 모아서 짧은 시간 동안 한꺼번에 매우 강한 빛이 나오게 하는 역할을 한다.
램프로 펌핑되는 고체 레이저의 구조.
레이저의 특성으로는 멀리까지 나아갈 수 있는 직진성, 파장이 같은 단색성, 결맞음성 3) (Coherence), 밝기가 매우 높은 고휘도성 등을 들 수 있다. 레이저는 광증폭을 일으키는 활성매질에 따라 고체 레이저, 액체 레이저(색소 레이저), 기체 레이저로 나눌 수 있다. 반도체 레이저는 전류로 펌핑하고 작다는 특성 때문에 별도로 분류한다.
고체 레이저는 루비레이저(Ruby Laser), 네오디뮴-야그 레이저(Nd-YAG Laser), 네오디뮴-유리 레이저(Nd-Glass Laser), 홀뮴 레이저(Holmium Laser) 등이다. 액체 레이저(색소 레이저)에는 폴리페닐, 스틸벤, 쿠마린 이외에도 많은 색소 레이저가 있다.
그리고 기체 레이저에는 헬륨-네온 레이저(He-Ne Laser), 아르곤 레이저(Ar Laser), 크립톤 레이저(Kr Laser), 헬륨-카드뮴 레이저(He-Cd Laser), 이산화탄소 레이저(CO2 Laser), 엑시머 레이저(Excimer Laser), 금속 증기 레이저 등이 있다.
레이저의 이용과 미래의 레이저
레이저는 많은 분야에서 이용되고 있다. 먼 거리까지 정보손실 없이 정보를 주고받을 수 있는 인터넷 통신(광통신), 레이저프린터, 위조를 방지하기 위해 지폐나 수표에 들어가는 홀로그램, 정밀한 거리 측정, 백화점이나 마트에서 바코드를 읽어 상품의 정보를 판독하는 것도 레이저를 활용한다.
또한, 레이저는 눈이 나쁜 사람들을 안경에서 해방시켜 주는 라식수술, 흉터, 사마귀, 종양 등의 제거 수술, 치과에서 사용하는 무통 치료, 문신 제거, 금속을 매끈하게 절단하거나 용접 및 구멍을 뚫는 것, 과일에 레이저로 그림과 글자를 새겨 상품의 가치를 높이는 것, 명화의 얼룩 제거, 젖병의 구멍 뚫기, 군사용 등 많은 분야에서 사용되고 있다.
현재 레이저를 연구하는 과학자들은 가장 센, 가장 빠른, 가장 작은 레이저를 만들기 위해 노력하고 있다. 즉, 출력이 높은 레이저, 매우 빠른 속도로 빛을 뿜어내는 레이저, 머리카락보다 작은 레이저를 만들기 위해 많은 분야에서 연구 하고 있다.
1초에 1줄(J)의 에너지를 내는 레이저는 출력이 1와트(W)다. 초기 레이저의 출력은 킬로와트(1,000W) 수준이었으나 지금은 테라(1조)∼페타(1,000조)와트에 이른다. 고출력 레이저는 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 물질 내부의 보이지 않는 미세한 구조를 파악하거나 인체 내부에 있는 암 덩어리를 파괴하는 데 활용할 수 있다.
또한, 이 레이저로 원자가 전자, 중성자, 양성자 등으로 분리되는 현상을 만들어 초기 우주의 모습을 유추해 낼 수도 있다. 현재 가장 짧은 레이저 펄스 폭은 3.5 펨토초(3.5×10-15초)이나 앞으로 100아토초(100×10-18초) 까지도 가능할 것으로 예상된다. 최근 과학자들은 펨토초 레이저를 사용하여 분자가 움직이는 찰나의 모습을 촬영해 사진이나 동영상으로 만들기도 했다
. 앞으로 이 보다 더 짧은 펄스 폭이 개발되면 원자의 핵과 전자의 운동, 광합성이 일어나는 과정도 사진을 찍을 수 있다. 또한, 극초단 펄스 레이저는 초고정밀도의 미세구조 가공을 할 수 있고 외과 수술(안과, 피부과, 치과)에 사용하면 주위 조직의 손상 없이 깨끗한 수술이 가능하다.
레이저의 발진 장치를 머리카락 굵기보다 훨씬 작게 만들어 전자회로가 아닌 광자를 쓰는 광컴퓨터의 중요 광원으로 활용할 수 있다. 또한, 고출력 레이저로 중수소 등 핵융합 연료를 이용하여 핵융합 반응을 일으켜 무한대의 에너지를 생산하려고 노력하고 있다. 미래의 레이저는 인간의 상상을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 발달 할 것으로 기대된다.