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Laser 의 원리

레이저란 무엇인가?

레이저 광선은 인간이 만들어 얻은 유일한 인공 광선이다.

레이저는 들뜬 원자나 분자를 외부에서 자극시켜 장단(결)이 잘 맞아있는 빛을 방출하게 함으

로서 큰 증폭률로 증폭된 빛을 말한다.

LASER " Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation "이란 영어의 각 단

어 머리 자를 따서 조합한 합성어로서 우리말로 하면 "유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭/ 복사

의 자극방출에 의한 빛의 증폭 " 이란 뜻이 된다.

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레이저의 특징

레이저는 인간이 만들어 낸 인공광선으로 자연광과 비교하면 다음과 같은 특징이 있다.

1. 직진성[ 지향성 (指向性 )-Directivity]

레이저는 직진성이 강하다.

보통의 빛은 렌즈를 써서 아주 가늘 게 만들 수 있기는 하지만 곧 크게 퍼져 버린다. 그러나

레이저는 좁고 긴 관을 수만 번 왕복한 빛이기 때문에 멀리까지 갈 수 있는 상태로 아주 잘

빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다. 빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로

직진하는(지향성-Directivity)성질을 가지고 있습니다

빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 어느 정도 직진하는가를 말한다. 예를 들어 회중전등 빛과

레이저 빛을 비교해 보면 회중전등 빛은 빛이 진행함에 따라서 빛이 점차 넓어지지만 레이저

빛은 거의 넓어지지 않은 채 진행한다

2. 단색성 [Monochromatic]

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 파장 폭을

가지고 있으나 레이저는 양쪽 거울 속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므로 거의

단일한 파장을 갖는 순수한 빛을 방출하게 된다. 일반적으로 레이저라고 부르는 것은 레이저

빛을 발생하는 장치를 말합니다. 태양광과는 달리, 레이저는 색상의 변화가 일어나지

않으며,(단색성-Monochromatic) 다른 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고, 어느 정도의

순수한 단일광으로 만들어집니다. 이것은 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고 어느 정도의

순수한 단일광인가를 나타내는 것이다. 단색성이란 순수한 단일주파수 즉 한 개의 주파수에의

접근 여부를 말하는 것이다.

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3. 간섭성[Coherence]

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. 간섭은 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이

균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪히면 곧 간섭을 일으킵니다. 그러나 햇빛과 같은

일반적인 빛은 주파수도, 위상도 가지각색이므로 간섭이 일어나기 어렵다.

4. 에너지 집중도 및 고휘도성 [Brightness]

태양빛을 렌즈에 집중시키면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저

빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 절단할 수 있다.

태양빛을 렌즈에 집중하면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저 빛의

경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 태울 수 있습니다.

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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 1917 년 발표하여 40 여 년 후의

레이저의 가능성을 열었다.

* 1922 노벨상 수상

메이저 ( Maser )

Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

(복사의 자극방출에 의한 마이크로파의 증폭)

전기장이 걸려있는 암모니아의 에너지 레벨은 쌍극자모우먼트(dipole moment)의 놓인 방향에

따라 두 개의 에너지 준위를 갖는다. 그 에너지 차이는 약 24GHz 의 마이크로파에 해당한다.

높은 에너지 준위에 있는 암모니아 분자들을 모아준 후 이를 일시에 자극방출 시키면 결맞아

있는 강한 마이크로파가 방출된다.

Schawlow*, Townes (1958) : 이론적인 제안

Maiman (1960) : 세계최초의 레이저인 루비 레이저 발진

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

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레이저의 역사

• 1950 년 C.H.Townes - 메이저 (MASER) 개발

• 1958 년 C.H.Townes 와 A.L.Schawlow - 레이저의 원리 제시

• 1960 년 T.H.Maiman (Hughes Research Lab.) - 펄스형 Ruby 결정 레이저(694.3nm) 실현

• 1961 년 A.Javan, W.Bennett 와 D.Herriott (Bell Lab.)- He-Ne 레이저 개발

• 1961 년 L.F.Johnson 과 K.Nassau (Bell Lab.) - Neodymium 레이저 개발

• 1962 년 R.Hall (General Electric Research Lab.) - 반도체 레이저 개발

• 1963 년 C.K.N.Patel (Bell Lab.) - CO2 레이저 개발

• 1964 년 W.Bridges (Hughes Research Lab.) - Argon ion 레이저 개발

• 1965 년 P.P.Sorokin 과 J.R.Lankard (IBM) - 색소 레이저 개발

• 1975 년 J.J.Ewing 과 C.Brau (Avco-Everett Research Lab.) - 엑시머 레이저 개발

•1976 년 J.M.J.Madey et al.(Stanford Univ.) - 자유전자 레이저 증폭기 개발

(CO2 레이저 파장에서 동작)

• 1985 년 D.Matthews et al. (LLNL) - 연 X-선 레이저(Se 플라즈마 이용) 동작

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아인슈타인의 빛의 흡수와 방출이론

자극방출이라는 새로운 형태의 상호작용

아인슈타인은 보어의 가설에서의 빛과 원자와의 상호작용 두 가지, 즉 자극흡수, 자발적 방출

에 자극방출이라는 새로운 개념을 도입함으로써 레이저의 중요한 기초원리를 알아냈다.

1.자발적 방출(Spontaneous Emission)

보어의 가설에서 처음 제안되었던 것으로 원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지

상태로 내려가면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출하는 것을 말한다. 이 빛을 방출하는

가능성은 확률적으로 마구잡이로/무작위 하게(random) 일어난다.

자발방출 높은 에너지 상태에 있는 원자가 외부의 아무런 부추김 없이 스스로 빛을 방출하면서 낮은 에너지 상태로

떨어진다.

2.자극 방출(Stimulated Emission)=유도방출

원자가 높은 에너지 상태( 들뜬 상태 : 여기 상태 )에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 빛을

방출한다. 이때 자극을 시킬 수 있는 빛은 방출될 빛과 파장이 같아야 한다. 이 경우 방출되는

빛은 자극시킨 빛과 결맞아 있다. 이를 유도방출(induced emission)이라고도 한다. 이 과정이

빛의 증폭을 가능하게 한다.

유도방출 외부에서 들어오는 빛의 부추김에 의해서 높은 에너지의 원자가 낮은 에너지 상태로 변하면서 새로운 빛

을 낸다. 이때 자극을 시키는 외부의 빛은 방출될 빛과 같은 파장이어야 하고. 방출되는 빛은 외부 빛과 결이 잘

맞아 있게 된다

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3.자극 흡수(Stimulated Absorption)=유도 흡수

유도흡수 는 자발방출과 함께 보어의 가설에서 처음 제안되었던 것으로 낮은 에너지 상태의

원자가 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이하는 것을 말한다. 이 경우 그 에너지 차이와

꼭 같은 빛이 입사하여야 한다. 이를 유도흡수라고도 한다.

유도흡수 외부에서 들어오는 빛에 의해 낮은 에너지 상태의 원자가 그보다 높은 에너지 상태로 전이한다.

열적 평형상태에서의 물질

정상온도에서는 낮은 에너지 준위로 많은 원자들이 있다.

많은 원자가 모여 있는 기체, 고체, 액체 등의 물질은 그것을 구성하는 개개 원자의 일부분은

높은 에너지 상태(들뜬 상태:여기 상태)에 있지만 거의 대부분은 여전히 바닥상태에 안주하고

있다. 온도가 올라가면 들뜬 상태의 원자가 점차 많아지기는 하지만 여전히 바닥상태로 있는

원자의 개수는 많다. 극단적으로 무한대의 온도가 된다면 비로소 모든 에너지 준위에 있을

가능성이 같아진다. 한편 음수의 온도가 있을 수 있다면 역전이 가능하기는 하지만 열적인

평형상태에서는 이러한 일이 벌어질 수 없다.

원자들의 열적 평형상태 원자들은 여러 에너지 상태로 있을 수 있지만 그 분포는 온도에 의해 결정된다. 온도가 높

아지면 높은 에너지 상태로 갈 가능성이 커지지만 물리적으로 의미있는 +의 온도에서나 낮은 에너지 상태에 더 많

은 원자들이 있게 된다.

자발적 방출과 자극 방출되는 빛의 비율

보통의 광원이 내는 빛에서 자발적 방출과 자극 방출의 정도를 쉽게 열적인 평형조건에서 계

산해 볼 수 있다. 형광등이나 네온사인, 백열전등 등 보통의 모든 광원의 경우 자극방출의 빛

의 비율은 전체의 10-10 정도 되어 대부분이 자발적 방출이어서 제멋대로의 빛을 내게 될 것이

다.

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Spectrum 파장대

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레이저의 기본 구성

우선 레이저발진 작용을 발생시키려면, 그 원인이 되는 물질이 필요한데, 이 물질을 레이저 매

질(Laser medium)이라고 합니다. 그리고 외부에서 여기 하기 위한 여기 매체(Pumping source)

와 공진기(Resonator)등도 필요합니다. 각각에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같습니다.

1. 레이저 매질

레이저 매질은 액체, 기체, 고체, 반도체, 4 종류로 분류할 수 있습니다.

ㆍ액체 -> 색소(dye)

ㆍ기체 -> He-Ne, Ar, Kr, N2, CO2, XeF, 금속증기 등

ㆍ고체 -> Nd:YAG, KCI, RbCl(F Center Laser), 루비, 유리

ㆍ반도체 -> GaAs. InP, GaAs-P, InAs

2. 여기 매체

레이저 매질에 따라 여러가지 여기 매체가 있습니다.

ㆍ방전 -> He-Ne Laser, Ar Laser, Kr Laser, He-Cd Laser 등

ㆍ전류 -> 반도체 Laser

ㆍ Flash Lamp -> Nd:YAG Laser , 루비 Laser, 유리 Laser, 색소 Laser

ㆍ Laser -> 색소 Laser, F center Laser

ㆍ화학반응 -> Chemical Laser(HF Laser, DF Laser 등)

3. 공진기

일반적으로 공진기는 2 개의 반사형으로 구성된 Fabry-Perot 간섭계를 사용합니다. 이것은

레이저 매질을 중심으로 양끝에 반사경을 부착시킨 것으로, 평면형과 구면형이 있으며, 보통

구면형의 거울은 반사율이 크기 때문에 고 반사 거울이라 부르며, 출력 측의 거울은

출력결합거울(Output Coupler)이라 부릅니다.

[레이저의 기본구성]

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[레이저의 증폭작용]

(A) 레이저 매질의 양끝에 거울을 부착시킨 공진기로 여기 되기 전의 상태.

(B) 여기 매체에 따라 대부분의 원자가 여기 상태로 이동한다.

(C) 몇 개의 원자는 자연방출하며 어떤 원자는 외부로 빠져나간다. 굵은 화살표 방향으로

이동하는 광자가 다음의 원자에 충돌하여 4 개의 광자를 방출시킨다. 이것이 계속해서

일어난다.

(D) 반사표면까지 도달한 빛은 반사되어 거울 면으로 회절 되며, 다시 같은 유도방출을 몇

번이고 반복한다.

(E) 반사할 때의 손실이 레이저의 이득보다 적지 않으면 발진은 성장하며, 여기 매체에 의

해서 주어지는 에너지를 완전히 방출시키기까지 힘은 증대한다. 이때 공진기 내부의 발

진광의 일부 투과 거울에 의해 누설되며, 방출된 빛이 레이저 빛의 출력이 된다.

(A)부터 (E)까지의 과정은 순식간에 일어난다.

실제의 레이저 밀도반전이 가능한 매질이 있어야 한다.

비록 레이저가 원자나 분자의 에너지 준위를 이용하기는 하지만 그 매질이 역전을 시킬

수 있는 조건에 합당한 세 개나 네 개의 에너지 준위를 가지고 있어야 한다. 이를 레이저

매질 이라 하는데 이러한 매질로는 기체 원자의 네온, 아르곤, 크립톤, 기체 분자의 이산화

탄소, 불화수소, 질소 등이 있다. 한편 고체의 경우에는 CaWo4 , Y2O4 , SrMoO4 , LaF3 , YAG,

유리 등의 모체에 있는 일종의 불순물인 Nd3+ , Ho3+ , Gd3+ , Tm3+ , Er3+ , Pr3+ , Eu3+ 등이

레이저 매질로서 작용한다. 또한 반도체, 액체도 레이저 매질의 조건을 충족하는 것이 많

다. 효율적으로 펌핑을 할 수 있는 방법이 있어야 한다. 레이저 매질에서 밀도반전을 실제

로 실현할 수 있는 효율적인 펌핑의 방법이 있어야 한다. 그러기 위해서는 레이저 매질의

온도나 압력 등을 적당한 조건에 두어야 한다든지, 아니면 펌핑의 매개역할을 할 수 있는

다른 매질을 같이 섞어 두어야 하는 경우도 있다. 레이저 발진을 실현시킬 적절한 공진기

를 만들어야 한다. 레이저 매질에 합당하고, 효율적으로 발진을 시킬 수 있는 공진기 가

만들어져서 그 내부에 그 매질을 가두어 둘 수 있어야 하고, 이렇게 해서 만들어진 레이저

의 내부 에너지 감소율이 적어서 레이저가 증폭될 수 있는 조건에 이르러야 한다. 레이저

의 종류는 증폭기 상태에 따라 기체 레이저, 액체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저 네

가지로 분류하는데, 레이저 조각기는 CO2 를 매질로 발진하기 때문에 기체레이저에 속하며,

금속가공용 레이저는 YAG 라는 고체 물질을 매질로 하기 때문에 고체 레이저에 속합니다

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레이저의 종류

[1. 기체 레이저]

기체 레이저는 균일한 매질이므로 손실이 작기 때문에 공진기를 크게 하면 이들이 좋게 되는 장점이

있다. 일반적으로 기체레이저 장치는 규모가 크며 출력은 작아도 연속발진이 가능하고 발진파장의 수가

많아 가간섭성 등이 우수하다는 특징이 있다. 여기 방법은 방전이 일반적이며 기타 광여기, 열여기,

화학반응에 의한 여기, 전자 빔에 의한 여기 등이 있다.

a. 특 징

∙ 매질이 균일하여 광학적으로 깨끗한 광속 방출

∙ 기체 매질의 밀도 및 부피 조절에 의한 레이저 출력 가변성

∙ 레이저 동작시의 발생 열 냉각 용이

∙ 대부분 전기적 펌핑 방법 사용

b. 종 류

중성원자 레이저 (Neutral atom laser) /He-Ne 레이저(632.8nm) /

Cu-vapor 레이저(510nm,578nm) Au-vapor 레이저(312nm,628nm) /이온 레이저 (Ion laser) /

Ar 레이저(488nm,514.5nm) He-Cd 레이저(325nm,416nm) /

분자 가스 레이저 (Molecular gas laser) /CO2 레이저(10.6um) CO 레이저(5um) /

N2 레이저(337nm) /KrF 엑시머 레이저(248nm) /ArF 엑시머 레이저(193nm)

1962 년 러시아의 Basov 와 Oraevskii 는 고속 냉각(cooling)이 분자 시스템에서 밀도 반전을 만들 수

있다고 주장했다. 몇 년 후에 다른 사람들은 이것이 초음속 노즐을 통과 하는 뜨거운 기체의 팽창으로

얻어질 수 있다고 생각했고 1966 년에 첫 번째 기체레이저 가 Avco Everett 연구소에서 성공적으로

만들어졌다.

기체레이저는 만들기 쉽다는 장점을 갖고 있다. 다른 레이저에 비해 기체 혼합물을 시험하는 것이

용이하므로 레이저 매질을 위한 이상적인 혼합물을 쉽게 발견할 수 있다. 그래서 특정한 형태의

기체레이저를 위한 최적의 기체 혼합물에 따라 상당히 많은 종류의 레이저가 존재한다. 특히 에너지

전달 방식에 따라 분류될 수 있는데 전자, 이 온, 포톤 혹은 혼합물 입자의 충돌, 화학작용, 기체역학

과정 등 여러 가지 방식이 있다. 이러한 매카니즘은 다음과 같은 여기 매카니즘을 위한 기본이 된다.

- 방전 여기：방전 여기에는 그림처럼 두 가지 방법이 있다. 방전은 연속 혹은 펄스형 태가 될 수 있다.

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- 무선주파수(radiofrequency) 여기：도파관 이산화탄소 레이저가 해당된다.

- 전자 빔과 이온 빔 여기：많은 양의 에너지를 빠르게 전송하기 위해 사용된다. 전 자가속기가

거대하고 값이 비싸기 때문에 대용량 레이저나 실험실에서 주로 이용된다.

- 화학적 여기

- 광학적 여기

[ 전기 방전 여기. 레이저 축에 대해 (a) 수평방전 (b) 수직방전 ]

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A. 헬륨-네온 (He-Ne) 레이저

가장 보편적으로 쓰는 레이저이다.

1961 년 자반 (Ail Javan), 베넷 (W. R. Bennett, Jt.), 헤리엇 (D. R. Herriott) 세 사람은 헬륨(He)과

네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 기체 레이저로는 최초로 1152.3 nm 의 적외선의 연속발진에

성공하였다. 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와트의 붉은색 가시광선(632.8 nm)을 내게 하여 간섭,회절,

굴절 등 기초 광학 실험용, 홀로그래피의 제작 등에 널리 사용되며 0.5mW 출력의 소형에서 100mW

출력의 대형까지 다양한 제품이 시판되고 있다.이 레이저에서 헬륨은 네온을 들뜨게 하는 매개물질로서

작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어진다.

0.8 torr 의 He 과 0.1 torr 의 Ne 의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다.

헬륨-네온 레이저의 구조 가는 관 내부에 헬륨과 네온의 혼합기체를 넣고 고전압을 방전시키면 레이저 거울 사이에

서 레이저 발진이 일어난다. 가장자리의 창은 브루스터 각의 입사각을 갖게 하여 상하 방향으로의 선편광 빛을

100% 투과시킬 수 있도록 하였다.

한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.

헬륨의 들뜸

아래 그림은 헬륨과 네온이 희박하게 있는 가운데 고전압이 걸리면 헬륨이 이온화되어 전자가 더 빠른

속력으로 가속되어 다른 헬륨을 만나서 이를 여기 시키는 과정을 보여주고 있다.

방전과 전자충돌에 의한 들뜸 고전압이 걸리는 속에 희박한 원자는 쉽게 전자를 잃고 + 이온으로 되어 전기장

방향으로 운동을 한다. 한편 떨어져 나온 전자는 전기장의 반대 방향으로 더 빠른 속력으로 운동을 하다가 중성의

다른 원자에 부딪혀서 그 원자를 들뜨게 한다. 그림에서 회색은 중성의 헬륨 원자이고, 붉은 색은 + 이온의 헬륨

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원자이다. 한편 중성의 헬륨이 들뜨게 되면 분홍색으로 색채를 다르게 나타내었다. 또 푸른 색의 작은 입자는

빠르게 움직이는 전자이다

한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.

위 그림에서 전자에 의해 여기된 헬륨은 더 희박하게 있는 네온을 만나서 충돌한다. 헬륨이 충돌한

네온은 헬륨의 열적 에너지 차이 정도로 낮아 쉽게 들뜨게 된다.

아래 그림에서 보이는 것처럼 헬륨에 의해 들뜬 네온은 바로 바닥상태로 떨어지지 못하고 바로 아래

준위로 뜸하게 떨어진다. 그 아래 준위는 빠르게 바닥상태로 떨어지기 때문에 위의 두 준위는

밀도반전이 일어나게 된다. 밀도반전이 일어나는 두 에너지 준위는 3.39 μm, 633 nm, 1.15 μm 의 레이저

발진을 하게 된다.

헬륨-네온 레이저의 에너지 준위 헬륨-네온을 구성하는 헬륨과 네온의 에너지 준위와 레이저 발진이 일어나는 과정

을 보여주고 있다. 일차적으로 고압의 방전에 의해 헬륨 원자가 여기 되어 주변의 네온 원자에 충돌하여 여기 에너

지를 잃어버리고 네온을 여기 시킨다. 네온은 3 준위 레이저의 원리에 의해 세 가지의 주요한 레이저 빛을 발생한

다.

직류, 혹은 교류의 방전에 의해 여기된 He 은 Ne 과 충돌(collision)하여 에너지를 잃어 버린다. 한편 충

돌에 의해 여기된 네온은 바닥상태로 바로 떨어지는 것은 금지되어 있어 중간단계로 몇 가지 파장의 빛

을 내면서 떨어지게 된다. 이 중간단계에서는 빠르게 바닥상태로 떨어져서 점유밀도가 항상 작게 유지

된다.

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[ He-Ne Laser 내부구조 ]

[ 또 다른 문헌 ]

1961 년 Ali Jaban 은 연속파 He-Ne 기체 레이저의 성공적인 동작에 대한 논문을 발표했다. 이 레이저는

현재 632.8 nm 의 가시광선파장을 내놓는 가장 대중적으로 사용 되는 레이저다. 만들기 쉽고 값싸고

상당히 안정적이며 대부분의 경우에 단일 스위치로 동작하므로 사용하기 간편하기 때문이다.

매질은 0.8 토르의 헬륨과 0.1 토르의 네온으로

이루어진 혼합기체이며, 펌핑은 보통

전기방전으로 이루어진다. 자유전자와

이온들은 전기장을 따라 가속되고 충돌하면서

더 많은 이온화와 기체매질의 여기를 일으킨다.

많은 헬륨 원자들은 몇 개의 높은 준위에 서

떨어지면서 수명이 긴 21S 와 23S 상태에

축적된다. 이것들은 준안정 상태이고 거기엔

허용된 복사전이가 없다. 들뜬 헬륨 원자들은

바닥상태의 네온 원자 들과 비탄성 충돌하면서

에너지를 전달한다. 이때 네온 원자들은 5s 와

4s 상태로 들뜨고 이 상태들은 레이저 준위의

위에 해당한다.

이 것과 4p 와 3p 상태 사이에 밀도반전이

발생한다.

[ He-Ne 레이저의 에너지 준 위. 주요

레이저 전이를 표시했다. 헬륨과 네온의 충돌로 헬륨에서 네온으로 에너지가 전달 ]

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자발적으로 방출되는 포톤은 유도방출을 일으키고 연쇄반응이 시작된다. 주로 적외선 영역에서 1152.3

nm 와 3391.2 nm 에 해당하는 전이가 일어난다. 이와 함께 632.8 nm 의 전이도 함께 일어난다.

거울은 다중 유전체 필름으로 코팅되어 있는데 99%이상의 반사도를 갖는다. 레이저 출력은

브루스터(Brewster) 창을 통과하면서 선형적으로 편광 된다. 만일 브루스터창 이 기울어지지 않으면

반사손실이 커지게 되는데 그것을 편광 각에 대해 기울임으로써 전기장성분이 입사평면에 평행한 빛이

100% 투과하도록 한다. 이러한 편광상태는 빠르게 우세해진다. 구면 거울이 일반적으로 사용되는데

공명기 안정도(resonator stability) 가 더 좋기 때문이다.

B. CO2 레이저

강력한 적외선을 발진한다.

CO2 가스 분자의 진동이나 회전 운동 상태의 변화에 의한 에너지 준위를 이용하여 파장 10.6 ㎛의

적외선을 발진한다.

레이저 발진에 직접적으로 관여하는 것은 CO2 가스이지만 CO2 가스만으로는 큰 출력을 얻을 수

없으므로 효율을 높이기 위하여 매개 물질인 질소(N2)와 헬륨(He)을 첨가하여 약 15% 정도의 높은

효율로 큰 출력을 얻을 수 있는 발진을 시킨다.

연속 발진에서의 출력은 수백 KW 까지 가능하며, 금속 가공 등 산업용으로 널리 사용되고 있다.

이산화탄소의 여러 진동 모드 이산화탄소(CO2 )는 대칭의 구조를 하고 있어서 그림처럼 세 가지의 진동 모드가 있

다. 고유진동수는 asymmetric stretch 가 제일 큰 값을 갖고, symmetric stretch, bending 순으로 작은 값을 갖는다. 따

라서 등 간격인 에너지 준위의 간격도 고유진동수에 비례해서 점점 좁아진다.

질소의 진동 모드 질소 분자(N2 )는 두 개의 질소 원자가 서로 연결되어 있어 그림처럼 대칭으로 서로 멀어지고 다

가가는 진동만을 하게 된다. 이의 고유진동수는 거의 이산화탄소의 asymmetric stretch 와 비슷한 값을 갖는다

CO2 분자의 세 가지 진동 모드로 이의 고유진동수가 각각 달라서 이 진동에너지 준위는 서로 다른

간격을 하고 있다.

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이산화탄소 레이저의 에너지 준위 질소분자 N2 는 단지 symmetric stretch 의 진동상태만 존재하고, 이의 첫 번째 들

뜬 상태는 이산화탄소 CO2 의 (001) 모드와 비슷한 에너지를 가지고 있다. 방전에 의해 들뜬 질소는 충돌에 의해

CO2 를 들뜨게 하여 (001) → (100), (001) → (020)의 레이저 전이를 일어나게 한다.

헬륨-네온 레이저에서의 He 의 역할처럼 N2 는 단지 펌핑을 시키는 매개물질로서 작용한다. N2 는 CO2 와

달리 단일 진동 모드로 되어 있는데 이 첫 번째 들뜬 준위가 바로 CO2 의 (001)준위와 비슷하여 충돌로

에너지를 넘기기가 용이하다. 기본적으로 진동의 에너지 준위는 전자의 에너지 준위보다 훨씬 작아서

위 그림에서 보듯이 발진하는 빛의 파장은 10.6 ㎛, 9.6 ㎛ 등 적외선이다.

이산화탄소 레이저는 비교적 소 출력의 연속발진 형태와 대 출력의 펄스 발진형태로 나눠지는데 절삭,

용접 등의 공업용이나 레이저 메스로 의료용 등에 널리 쓰이고 있다.

[ 전기 방전 여기- (a)수평방전,(b)수직방전 ]

18

[ 또 다른 문헌 ]

이산화탄소 레이저는 가장 다용도로 쓰이는 레이저 중 하나다. 900∼1100 nm 의 적 외선 복사를

방출하며 수백 kW 의 연속 빔이 레이저 군사용 무기 연구에 사용되고 40kJ 의 나노초 길이 펄스를

이용해 핵융합연구에 사용되기도 하는 등 여러 분야에 걸쳐 사용 된다. 같은 능동매질을 사용하면서도

내부구조의 차이로 인해 몇 가지로 분류된다.

능동매질은 이산화탄소, 질소, 헬륨의 혼합체이고 각각의 기체는 독립적 역할을 한 다. 이산화탄소는 빛

방사체(emitter)이다. CO2분자가 들뜨게 되면 그것들은 세 개의 진동모드 중 비대칭 stretching 모드에서

진동한다. 분자들은 나머지 두 진동모드로 에너지를 잃는다. 이러한 두 경로는 두 가지 주요 레이저

전이이다. 각각 10.6 ㎛와 9.6 ㎛ 포톤 을 방출한다. 이후에는 계속해서 에너지 준위 사다리를 타고

내려온다. 질소 분자는 CO2를 상위준위로 들뜨는 것을 돕는다. 질소분자의 가장 낮은 진동상태는 단지

18 cm-1에 불과하다. 이것은 질소분자가 에너지를 흡수하고 그것을 CO2분자에 전달할 수 있도록 하는

이유이다.

CO2분자는 다른 방식으로 상위준위로 올라갈 수 있는데 고온, 고압의 기체를 매우 찬 진공 속으로

빠르게 팽창시키는 것이다. 이것은 기체역학 CO2레이저의 기본원리이다. 이때에도 질소는 레이저

작동에서 중요한 역할을 한다.

[ 이산화탄소 레이저의 에너지준위 구조. 이산화탄소 분자의 진동모드를 보여주고 있다.]

19

헬륨은 이중적 역할을 한다. 하나는 열 전달을 돕는 완충 기체의 역할이고 다른 하 나는 CO2분자를 저

준위에서 바닥상태로 떨어지도록 돕는다. 이렇게 해서 밀도반전이 유지될 수 있도록 한다.

CO2레이저에서 최적의 구성과 기체의 압력은 레이저 형태에 따라 다르다. 이중 몇 가지를 알아보자.

- 기체역학 레이저

[ 기체역학(gas-dynamic) 레이저의 기본구조 ]

고출력 레이저 중 하나다. 들뜸 에너지는 초기에 수 atom 의 압력 속에 놓여있는 기체 에 가해진

열에서 나온다. 열과 레이저 기체의 몇 성분은 탄화수소(hydrocarbon) 연료 의 연소실에서 나올 수도

있다. 뜨거운 기체는 저압의 chamber 속으로 노즐을 통과해 팽창된다. 빠른 움직임에 빠른 냉각을 주면

밀도반전이 일어난다.

1960 년대 말에 기체역학 레이저는 최초로 100 kW 이상의 파워레벨에 도달한 최초 의 중요한 성과였다.

이 레이저는 특별한 용도에만 사용되는데 구멍을 뚫거나 절단, 용 접, 열처리, 합금을 만드는데

사용된다. 예를 들어 요리용 주전자에 손잡이를 붙일 때 두 종류의 열전도도가 다른 경우는

보통방법으로는 용접이 어렵다. 그러나 레이저의 강 한 열은 매우 짧은 시간에 용접을 가능하게 해주기

때문에 열전도도가 다르더라도 별 문제가 되지 않는 것이다.

- 도파관(waveguide) 레이저

20

[ 도파관 CO2레이저의 기본 구조 ]

CO2레이저 관의 내부 반경이 수 mm 로 줄고 관이 유전체 도파관형태로 만들어지면 그림에서와 같은

도파관 레이저가 만들어진다. 도파관 디자인은 좁은관 레이저의 작동을 방해하는 회절 손실을 막아준다.

관은 봉해지거나 기체가 흐를 수 있도록 허용된다. 기체는 전기방전이나 유전체 도파관 물질을 관통할

수 있는 강력한 무선주파수 field 로 들떠진다. 도파관 레이저는 양질의 연속파 빔을 제공하며

CO2스펙트럼의 많은 라인들로 쉽게 튜닝 될 수 있다. 도파관 레이저의 가장 큰 장점은 작은 크기로

He-Ne 레이저와 비슷하다. 또 값이 싸다는 장점도 있다.

- TEA 레이저

방전 불안정 때문에 100 torr 이상의 기체압력에서는 TE(transversely excited) CO2레이저의 연속파

작동이 어렵다. 하지만 수십 나노초에서 마이크로초 동안 지속되는 펄스를 만드는 것은 가능하다.

그러한 레이저들은 보통 대기압근처에서 작동하기 때문 에 TEA(transversely excited atmospheric)

레이저라고 불린다. 고압이나 저압에서 작동 하는 레이저에도 이 이름은 그대로 쓰인다. TEA 레이저의

중요한 이점은 짧고 강력한 펄스를 만들고 기체의 단위체적당 높은 파워를 뽑아낼 수 있다는 것이다.

고압작동은 또한 레이저방출라인을 넓히며 1 ns 동안 지속되는 펄스를 만드는 모드 잠금 기술을 사

용하는 것이 가능하도록 해준다.

21

C. 아르곤(Ar)레이저

강력한 가시광 영역의 레이저로서 수백 mW 의 출력에서 수십 W 의 출력을 내는 대형 아르곤 레이저가

있는데 제작이 어렵고, 고가이다.

아르곤 레이저는 파장 488.0nm 인 청색과 514.5 nm 인 녹색에서 가장 강력한

레이저 빛이 발생되며, 조명 효과가 뛰어나서 특수조명에 많이 쓰이고 있는데

레이저 쇼, TV 쇼 등 무대 조명에서도 이용되고 있으며 연구실에서도 색소레이저의 여기용으로도

쓰이고 있다.

[ 또 다른 문헌 ]

능동매질이 이온화된 희가스[이온화되어서 드물게 발생하는 가스(rare gas)]인 레이저를 지칭한다. 강한

블루-그린 라인을 갖는 아르곤이 가장 많이 사용된다. 크립톤은 폭넓은 가시광선 영역을 얻는 장점이

있는 반면 출력이 약한 단점이 있다. 네온이나 제논(xenon)도 사용될 수 있지만 펄스형 제논 레이저

이외엔 상업적으로

사용되지 않는다.

[ 아르곤 레이저 의 파장 ]

아르곤과 크립톤 레이저의 주요 장점은 가시광선 영역에서는 수 mW 에서 수십 W 까지, 자외선

영역에서는 수 W 까지 연속파 출력을 낼 수 있는 능력에 있다.

능동매질은 희기체[이온화되어서 드물게 발생하는 가스(rare gas)]로 아르곤과 크립톤 레이저에서는

순수한 기체가 사용된다. 이중 아르곤을 중심으로 좀더 자세히 살펴보도록 하자.

22

[ 단일 이온화

아르곤의 에너지 준위. 블루-그린 레이저 라인 만이 나타난다. 실제 에너지준위 구조는 수많은

가능한 방출 라인에 서 암시되듯 훨씬 복잡 하다. ]

아르곤레이저는 1964 년에 William Bridge 에 의해 만들어졌다. 그림을 보면 알 수 있듯이 여러 가지

스펙트럼 라인 중에서 아르곤의 경우엔 두 가지 파장만이 뚜렷하다. 514.5 nm 인 녹색이 가장 높고

다음은 488.0 nm 이 청색이 나타나는데 이 두 가지 파 장이 총 빔의 67%를 차지한다. 프리즘이나

회절격자 혹은 다른 광학도구를 사용해 원하 는 단일파장을 얻어 낼 수 있고 물론 이때 총 빔의 출력은

급격히 떨어진다.

이온레이저는 고 전류 방전으로 여기 되는데 높은 전류밀도는 기체를 이온화시키고 이온들을 고준위로

여기 시킨다. Ar+의 경우가 그림에 나타나 있다. 실제로는 훨씬 복잡 하지만 기본적 개념을 파악할 수는

있을 것이다.

이 그림에서 알 수 있는 하나는 상위 레이저 준위가 36 eV 로 매우 높다는 것이다. 곧 강력한 여기가

필요하다는 의미로 이온레이저를 만드는데 따르는 어려움을 알 수 있다. 또 다른 문제는 그림에는

나타나지 않지만, 하위 레이저 준위의 짧은 수명이다. 이러 한 짧은 수명 때문에 상위준위가 채워지는

과정에서의 비효율에도 불구하고 밀도반전을 유지하기가 쉬워진다. 그러나, 2 eV 의 포톤을 만드는 대신

18 eV 의 에너지를 잃어버려야 한다는 비효율은 피할 수가 없다. 더구나 이때 나오는 74-nm 의 자외선이

많은 광학 물 질들에 손상을 입힐 수도 있다.

레이저의 내부구조는 He-Ne 레이저와 같고 레이저가 처음 동작할 때는 온도 안정을 위해 약간의

딜레이가 필요하다. 다음에 높은 전압의 펄스(직류 8kV)가 아르곤 기체를 이온화시키고 레이저 관

사이에 직류전류(45A)와 600 V 의 직류전압이 기체의 이온화에 충분한 방전을 유지한다. 전형적인

아르곤 레이저 관은 텅스텐을 포함하는데 그것은 녹는점이 높아 레이저의 수명을 늘리기 위한 것이다.

23

크립톤 레이저는 아르곤 레이저와 유사하지만 출력 파워가 낮아 주로 강력한 빨간 색이 필요할 때

사용된다.

d. 액시머 ( Excimer ) 레이저

다른 전사상태 사이의 전이를 포함하는 분자레이저 중에서 흥미 있는 것이 액시머 레이저이다. 분자

A2를 예로 들어보자. 이 경우 분자는 여기 상태에 존재하고 오직 A 원자 만 바닥상태에 있을 수 있다.

이러한 분자를 액시머라고 부른다. 액시머(excimer)는 excited dimer, 즉 "들뜸 이합체"의 준말이다. 다시

말해 오직 여기 상태에서만 존재할 수 있는 두 가지 동일한 원자로 구성된 분자를 말한다. 원래는

동일한 원자로 구성되는 것이 액시머이지만 현재는 다른 원자로 구성된 분자, 어떤 경우엔 세가지

원자로 구성 된 분자도 액시머라고 부른다.

[ 액시머 분자의 내부 에너지. 포텐셜 우물이 여기 상태를 안정하게 만들 지만 두 원자는

바닥상태에 있을 땐 서로 밀치므로 불안정하다. 전이는 넓은 폭에 걸쳐 일어날 수 있다. ]

액시머 레이저에는 두 가지 중요한 성질이 있다. 하나는 레이저 전이가 일어난 뒤에 분자가 바닥상태에

도달하면 즉시 분리된다는 것이다. 이것 때문에 레이저의 바닥상태 준위는 항상 비어있다. 다음은 잘

정의된 여기는 일어나지 않으며 전이는 넓은 대역폭 에서 이루어진다는 것이다.

액시머 레이저의 대표적인 경우는 희기체가 할로겐 원자(F, Cl 등)와 결합하여 기체 할로겐 화합물

액시머를 형성하는 레이저이다. 이중 특별히 ArF(193 nm), KrF(248 nm), XeCl(308 nm), XeF(351 nm)를 들

수 있다. 이것들은 자연에는 존재하지 않고 적 절한 기체 혼합물을 통과하는 전기방전을 통해

만들어지는 것으로, 모두 자외선 영역을 빔을 내놓는다. 이러한 분자들은 매우 유사하여 동일한

기구에서 레이징을 위해 사용될 수 있다.

24

앞서도 말했지만 액시머 분자는 매우 특이하다. 전기적으로 들뜨게 되면, 두 성분의 원자는 서로 안정한

분자를 이루기 위해 서로 끌어당긴다. 그러나, 바닥상태에서 두 원 자는 서로 척력을 미친다. 액시머가

여기 상태에서 바닥상태로 떨어질 때 두 원자 사이의 힘은 인력에서 척력으로 바뀌며 분자는 깨어진다.

이러한 특이한 에너지-준위 구조는 액시머를 매우 좋은 레이저 물질로 만든다. 바닥상태는 본질적으로

존재하지 않기 때문 에 들뜬 상태에 있는 분자들이 존재하는 한 밀도반전이 유지된다. 그러므로

액시머가 존재한다면 레이징을 위한 좋은 조건이 된다. 참고로, 들뜬 상태에서 희기체 할로겐 화합 물이

쉽게 형성되는 이유는, 들뜬 희기체는 화학적으로 할로겐 원자와 쉽게 반응하는 알칼리 원자와 비슷한

성질을 갖기 때문이다.

액시머 레이저는 5 atom 아래의 총 압력으로 유지되는 혼합기체를 포함하는데 88∼ 99%는 에너지

전달을 조절하는 완충기체(보통 헬륨이나 네온이 쓰인다)이다. 희기체는 0.5∼12%이고 할로겐 원자는

0.5%이하의 농도를 갖는다. 최적의 기체혼합은 레이저마다 다르다.

기체의 원자와 분자 사이는 물론 레이저관 벽, 여기 에너지, 전극 사이의 복잡한 상호 작용이 레이저의

작동에 영향을 끼친다. 흔히, 에너지는 전기적 방전에 의해 기체 속으로 전달된다. 에너지 효율은 약

1∼5%정도이다. 전자 빔은 기체 속에 더 많은 에너지를 투입 할 수 있고 더 높은 효율을 줄 수 있다.

하지만, 전자 빔 생성기가 크고, 복잡하고, 비싸며 비효율적일 뿐 아니라 반복비율도 매우 낮기 때문에

전자 빔이 효율적이라고는 말하기 어렵다. 에너지전달을 높이기 위해 자외선 전이온화(UV

preionization)기술이 이용되며 이때 레이저는 펄스모드이고 형태는 TEA 이산화탄소 레이저와 유사하다.

레이저 펄스의 길이는 대략 수십 나노초 정도이고 평균 출력 파워는 100W 정도, 펄스 반복비율은 1kHz,

전기효율은 1%이다.

액시머 레이저는 동위원소 분리와 같은 고도의 기술을 요구하는 광화학 (photochemical) 과정에서

응용될 수 있고 강하고 효율이 높은 자외선 광원을 필요로 하는 경우에 매우 유용하다.

이외에도 화학 레이저(chemical laser), 원적외선(far-infrared) 기체 레이저, 탄화 일 산화물(carbon

monoxide) 레이저, 질소 레이저, 헬륨-카드뮴 레이저, 제논-헬륨 레이저, 요오드(iodine) 레이저 등 많은

기체레이저들이 상업적으로 만들어져 사용되고 있다.

25

[2. 고체 레이저]

고체 레이저는 소형장치로부터 큰 출력을 얻을 수 있고 Mode Lock 에서는 단시간에 펄스 빛을 얻을 수

있으며, Q-Switching 발진에서는 Peak Power 가 큰 출력을 얻을 수 있다는 특징이 있다. 그리고

가시영역에서는 근적외선 영역으로 그 발진파장의 영역이 좁아지기 때문에 가 간섭성이 낮다는 결점이

있다.

가장 실용성 있는 고체 레이저로는 다음과 같은 것이 있다.

종류 루비레이저 Nd:YAG 레이저 Nd:Glass 레이저

파장 694.3[nm](적) 1,064[μm](근적외) 1.06[μm](근적외)

선폭 0.53[nm] 0.67[nm] ~20[nm]

특징

상온동작의 고체레이

저로 유일한 가시광

Q-Switch 발진에 적합

하다.

연속발진, 반복 펄스

발진에 적합하다. 평

균출력이 크다.

광학적으로 균질해서

큰 형상을 얻을 수 있

다. 대 출력 펄스발진

에 적합하다.

특징

상온동작의 고체레이

저로 유일한 가시광

Q-Switch 발진에 적합

하다.

연속발진, 반복 펄스

발진에 적합하다. 평

균출력이 크다.

광학적으로 균질해서

큰 형상을 얻을 수 있

다. 대 출력 펄스발진

에 적합하다.

a. 특 징

레이저 매질로 불순물이 미량 첨가된 단결정 또는 비정질 물질을 사용

대부분 광 펌핑 방법 사용

b. 종 류

루비 레이저 (Ruby laser) : 694.3nm/희토류 이온 첨가 레이저/Nd:Glass 레이저 (1.06um)

Nd:YAG 레이저 (1.064um) /Nd:YLF 레이저 (1.053um)Er:YLF 레이저 (0.85um)

파장 가변 레이저 Cr:BeAl2O4레이저 (파장= 0.76um, 선폭 = 100nm)

Co:MgF2 레이저 (파장= 1.9um, 선폭 = 800nm) /Ti:Al2O3 레이저 (파장 = 0.82um, 선폭 = 326nm)

A.루비레이저

루비 속의 크롬이 레이저 매질이다

1960 년 메이먼 (Theodore H. Maiman)이 최초로 발진에 성공한 이 레이저는 루비를 사용하였다. 최초의

이 레이저에 사용한 루비는 0.05%의 Cr2 O3 를 불순물로서 가지고 있는 Al2 O3 의 결정체였다. 순수한 Al2

O3 는 무색 투명하여 그저 유리처럼 미적 가치가 없지만 크롬이 적당한 농도로 Al 에 치환하여 들어가

박히게 되면 이것이 색중심 (color center)의 역할을 하여 맑고 투명한 붉은 색을 띄어 보석으로서 가치

를 가지고 있어 이를 루비라고 부른다.

26

루비 결정의 모양 루비는 투명한 Al2 O3 의 Al 대신에 Cr 이 미량 치환되어 만들어진 결정체이다. Al2 O3 은 위 그림처

럼 결정의 기본 단위가 육각기둥의 모양을 하고 있고 각 육각형의 모서리에 교대로 Al 이, 그 중심에 O 가 하나씩

배치되어 있다. 육각형의 한 변의 길이와 높이는 각각 47.58 nm, 129.1 nm 로 되어 있다. 그림에서는 붉은 색의 Al

의 자리에 녹색의 Cr 원자가 밖혀 있는 것을 볼 수 있다. 루비의 경우 Al 을 치한한 Cr 이 붉은 색의 영롱한 색채를

띄게하여 보석의 하나이다.

루비는 Al2O3 는 6 각기둥 형태를 기본 구조로 하여 결정을 이루고 있고 이 Al 중 일부분이 Cr 으로 취한

되어 있는 보석이다.

루비 막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전등을 둘러싸서

방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 광펌핑을 시킨다.

루비레이저의 구조 루비 막대의 주변에 기체 방전등을 둘러싸서 섬광을 만들어주면 루비가 여기되어 가로방향으로

레이저 빛이 나오게 된다.

루비막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전등을 둘러싸서

방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 광펌핑을 시킨다.

섬광에 의해 펌핑(pumping)된 Cr3+ 은 굵은 청색으로 표시한 흡수대로 들뜨게 되고 순 간적으로 이

들뜬 에너지는 준안정상태의 에너지 준위로 떨어지게 된다.

27

루비의 에너지 준위 루비속의 크롬 +3 가의 에너지 준위이다. 결정을 이루고 있으므로 펌핑이 일어나는 준위는 띄

를 이루고 있고, 3 준위 레이저의 작동원리로 694.3 nm 와 692.9 nm 의 레이저가 나온다

섬광에 의해 펌핑(pumping)된 Cr3+은 굵은 청색으로 표시한 흡수대로 들뜨게 되고 순간적으로 이 들뜬

에너지는 준안정상태의 에너지 준위로 떨어지게 된다.

루비 레이저는 694.3nm 와 692.9nm 의 붉은 빛을 낸다.

이 루비레이저는 섬광에 의해 펌핑되어 순간적으로 레이저 발진이 일어나는 펄스형의 레이저를 낸다.

이는 플라즈마의 진단이나 홀로그래피의 제조에 쓰인다.

[ Ruby Laser 의 내부 구조 ]

28

[또 다른 문헌]

Schawlow 와 Townes 가 적외선과 가시광선 영역에서 레이저의 가능성에 관한 논문 을 발표한 이후로

곧 많은 연구자들이 그것을 연구하기 시작했다. 대부분의 전문가들은 그러한 레이저의 최초는

기체레이저가 될 것이라고 생각하고 있었다. 하지만 루비가 가시광선 레이저빔을 쏘는 최초의 물질이

되었다. 처음엔 광역적 광펌핑이 비효율적이고 가스나 플라즈마처럼 매우 좁은 공명을 갖는 이온이

효율적일 수 있다고 믿어졌던 것이 다. 1960 년, Maiman 이 만든 최초의 루비레이저에 대해 알아보자.

[ 첫 번째 루비레이저 ]

첫 레이저매질로 사용된 것은 핑크루비, 즉 Al2O3결정이었다. 이것은 Cr2O3를 무게 비율로 0.05%정도

함유한다. 루비막대의 끝은 편평하게 닦여있고 은도금되어 있다. 주 위에 나선형 가스방전

섬광등(flashlamp)관이 둘러싸여 있고 이 섬광등관은 광역적 광 펌핑을 제공한다. 루비는 표면이

매끄럽게 유지되면 광손상에 강하다. 열전도도는 유리나 YAG 보다 높다. 하지만 루비는 3-준위

레이저이므로 4-준위 ND(neodymium)레이저 보다 온도가 높아질 때 레이저로서의 기능을 빠르게 잃는

단점이 있다.

루비속의 크롬원자는 파란색과 녹색 영역에서 흡수띠를 갖기 때문에 루비는 빨간색 으로 나타난다.

섬광등관은 수 밀리초동안 강한 빛의 파열을 만든다. 이러한 에너지의 많은 부분은 열로 잃어 버리지만

많은 크롬이온은 흡수띠로 들뜨게 된다. 그림을 보면, 들뜬 이온은 100 나노초만에 빠르게 이완하면서

결정격자에 에너지를 주고 비복사 (Nonradiative)전이를 한다. 그것들은 준안정상태(metastable

state)에서 수밀리초동안 머문다. 대부분의 경우 이온들은 자발적 방출을 하고 바닥상태로 떨어진다.

펌핑비율을 높이면 밀도반전이 일어나고 처음 몇 개의 자발적으로 방출된 포톤이 연쇄반응을 일으 킨다.

이렇게 나온 포톤들은 매질의 앞뒤로 왕복하면서 계속해서 증가한다. 물론 이때 매질 양끝에서

에너지를 잃지 않을만큼의 에너지가 공급되어야 한다.

29

반사표면의 하나는 부분적으로 은도금되어 있으므로, 막대의 덜 도금된 끝면으로부 터 0.01 나노미터의

폭과 0.5 밀리초 길이의 강한 붉은색 펄스(694.3 nm)가 나온다. 넓 은 흡수띠 때문에 내부 들뜸이 쉽게

만들어지지만, 준안정상태의 긴수명 때문에 밀도반 전이 또한 쉽게 만들어진다.

오늘날 루비레이저는 일반적으로 플라즈마 진료학, 홀로그래피 등에서 광범위하게 사용된다. 그러한

장치는 0.1∼10 미터의 결맞음 길이로 동작한다. 진동기로써 루비레이 저는 50J 에서 100J 까지의

범위에서 수 밀리초 펄스를 만든다. 방전 섬광등에서 나온 빛 으로 펌핑되는 첫 번째 루비 레이저는

열손실과 높은 펌핑파워의 요구 때문에 펄스모드 에서 작동했다. Nelson 과 Boyle 은 1962 년 섬광등을

아크등(arclamp)으로 바꿔 연속적인 빔을 내놓는 루비레이저를 만들었다. 이후 톨륨(Tm), 홀뮴(Ho),

에르븀(Er), 이테르븀 (Yb), 우라늄등의 희토류(rare earth) 물질과 이온에 대한 연구가 활발히

진행되었고 YAG(Yttrium Aluminum Garnet), 유리, CaF2 같은 물질도 연구되었다.

[ 루비 안의 크롬이온의 에너지준위. 이것은 3-준위 시스템 ]

B. YAG 레이저

루비레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저로서 발진기의 모체를 형성하는 재료인 Yttrium, Aluminum,

Garnet 의 머리 문자를 따온 것으로, 4 개의 에너지 준위를 이용하여 파장이 1.06 ㎛인 빛의 유도 방출이

일어난다.

펄스발진뿐만 아니라 연속발진도 가능하며 CO2 레이저와 더불어 널리 사용되고 있는데 특히 마킹,

드릴링, 용접 등에서 많이 쓰이고 있다.

그러나 YAG 는 결정체이므로 대형 발진기의 제작이 불가능 한 결점이 있다

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[또 다른 문헌]

네오디뮴(이하 Nd)레이저에서, 결정이나 유리 호스트 물질에 약 1%비율로 포함된 원자들은 외부

소스에서 나오는 빛에 의해 광학적으로 여기된다. 이때 레이저 막대에 밀도반전을 일으킨다.

Nd 레이저 자체가 한 종류의 레이저를 지칭하는 것은 아니다. Nd 는 다양한 호스트 물질과

합성결정이나 다른 성분의 유리등에 합쳐진다. 특정한 부속기구를 사용하여 원 적외선에서 가시광선

혹은 자외선 영역의 출력 파장을 얻을 수 있다. Nd 레이저는 100W 이하의 연속빔 혹은 수 MW 의 짧은

펄스를 만들어내므로 응용범위가 상당히 넓 다.

Nd 레이저의 능동매질은 3 중으로(triply) 이온화된 네오디뮴이고 결정이나 유리 구 조속에 결합된다.

Nd 는 본질적으로 불순물인데 이티륨(yttrium) 혹은 다른 희토류 원소 와 같은 비슷한 이온크기의

물질을 대체한다. Nd 도핑은 무게비율로 1%이고 1020/cm2 의 밀도로 이루어진다. Nd 가 불순물이 아닌

결정구조의 통합성분, 예를 들어 Nd5 인산 염(NdP5O14)같은 결정질도 가능하지만 아직은 실제적인

어려움이 있다고 알려져 있다.

현재 가장 일반적인 호스트는 YAG(yttrium aluminum garnet, Y3Al5O12)이다. YAG 는 단단하지만 깨지기

쉬운 물질이다. Nd-YAG 레이저를 사용하는 가장 중요한 이점은 열 적 특성으로 이것이 양질의 연속빔을

만든다.

여러 가지 다른 결정 호스트들이 Nd 와 함께 시험되어왔지만 YAG 만큼 많이 사용 되지는 않는다. 이중

2 가지 대표적인 물질은 YLF(yttrium lithium fluoride)와 YALO(YAlO3)이다.

[ Nd-YAG 에서 에너지 준위 ]

31

결정을 키우기가 어렵기 때문에 YAG 막대의 길이는 10cm 정도로 제한되고 보통 반경은 6∼10 mm

정도이다. 유리를 사용하면 46cm 정도까지 길이가 늘어날 수 있고 더 높은 출력에너지를 얻을 수 있다.

광펌핑을 위한 광원으로는 텅스텐 혹은 아크등을 사용한다. 몇 가지 공동 배열이 가 능하다.

(1) 루비 레이저와 동일한 형태의 배열.

(2) 레이저 막대 옆에 선형 램프를 놓는 배열.

(3) 타원의 두 초점에 램프와 레이저 막대를 놓아 반사성 타원형 공동이 펌핑 빛을 램프에서 막대로

효과적으로 전달할 수 있도록 한 배열.

(4) 램프 두 개와 하나의 막대가 이중 타원형 공동속에 놓여 단면에서 보면 막대는 두 타원이 공유하는

초점에 놓이게 되는 배열.

램프는 넓은 스펙트럼의 빛을 내놓지만 Nd 이온은 이중 0.7 에서 0.8 ㎛사이의 빛만 을 흡수한다.

이러한 영역에서 흡수된 포톤은 Nd 이온을 여기시키고 Nd 이온은 준안정 상태로 붕괴하여 4F3/2와 4I11/2

상태 사이에 밀도반전을 일으킨다. 4I11/2 준위는 비복사 전 이를 하고 바닥상태로 떨어진다. 그러므로 Nd

레이저는 4-준위 레이저 시스템이고 3- 준위 루비 레이저보다 훨씬 효율적이다.

Nd-YAG 레이저는 연속모드 혹은 펄스모드로 동작한다. 연속적으로 1 kW 이상의 출력을 내지만

펄스모드에서 직렬로 몇 개의 레이저를 작동시켜 엄청난 파워출력을 낼 수도 있다. 예를 들어 수

나노초(nm)동안 수 GW 의 파워를 만들어 낼 수 있다. 1984 년 에 노바의 로렌스 리버모어 연구소에

현존하는 가장 큰 레이저가 만들어졌는데 이 거대 한 Nd 가 도핑된 유리 레이저는 녹색(530 nm)이나

파란색(350 nm) 파장과 함께 100 TW 의 파워를 융합탄알(fusion pellet)위로 집중시킬 정도로 강력하다.

비록 시간은 10-9초에 불과하지만 이것은 대략 미국내에 있는 전기발전소를 합친 것보다도 500 배나

강력한 것이었다.

32

[3. 액체 레이저]

현재 액체 레이저라고 하는 것은 대개가 색소(Dye)레이저 이다. 색소레이저의 특징은 파장이 거의 연속

적으로 변하며 그 영역은 자외선 영역에서 근적외선 영역까지 이른다. 파장 영역은 색소를 녹이는 유기

용매(에탈렌, 글리콜, 에틸, 메틸) 등에 따라 약간 다르지만 보통 320 nm ~ 1.2 μm 정도이다. Ar Laser,

Kr Laser 여기, YAG Laser 여기, N2 Laser 여기, Excimer Laser 여기, Flash Lamp 여기

a. 특 징

연속적인 파장 선택 가능

b. 종 류

• Polymethine 색소 레이저 (0.7-1.5um) /∙ Rhodamine-6G 색소 레이저 (560-650um)

∙ • Coumarine 색소 레이저 (400-500nm) /∙ Scintillator 색소 레이저 ( < 400nm,UV)

액체 레이저는 거의 염료 레이저를 말한다. 능동매질은 액체 용제(solvent)에 용해 된

형광성(fluorescent) 유기염료이다. 염료는 다중 링구조를 포함하는 큰 분자들로 이루 어져 있고 중요한

염료들은 모두 화학적으로 유사한 구조를 갖는다. 또한 용제 역시 중 요한 요소인데 메탄올과

디메틸(dimethyl) 황화물같은 유기 용제가 쓰인다.

고체 레이저와 마찬가지로 섬광등이나 외부 레이저에 의한 광펌핑이 유일한 여기 기술이다. 복잡한

분자들은 강한 빛에 의해 분해되는 경향을 보인다.

레이저 펌핑의 낮은 효율에도 불구하고 높은 질의 출력을 낼 수 있기 때문에 비교 적 많이 사용된다.

이 레이저의 가장 큰 강점은 튜닝가능한 출력 파장과 극초단 펄스나 매우좁은 선폭을 만들 수 있다는

것이다. 레이저 작동은 수증기 상태 혹은 고체 호스트 에 박힌(embeded) 염료에 의존한다.

최초의 액체레이저는 1963 년에 만들어졌고 초기엔 613.1 nm 의 파장을 내놓았다. 1966 년 유도

라만방출(raman shifting)을 연구하는 과정에서 염화알루미늄 프톨로시아 닌 용해액에서 755.5 nm 의

파장을 갖는 레이저빔이 발견되었다. 이후로 쿠마린 (coumarin)이나 로다민(rhodamine),

풀루오레세인(fluorescein)같은 형광성 염료 용해액 이 적외선에서 자외선까지의 파장을 내는 레이저를

만들기 위해 사용되었다. 염료들중 가장 유용한 것은 Rh6G(rhodamine 6G)로 가장 형광성이 좋다.

33

[ 레이저

염료의 전형적인 에너지준위 구조. 선의 집합은 전자에너지 준위 이고 진동준위는 굵은 선,

회전준위는 가는 선으로 표현된다. ]

이것들은 보통 펄스모드에서 동작하며 가시광선 영역의 어떤 파장에도 맞는 레이저 가 레이저가

만들어질 수 있을 정도로 수많은 유기염료가 존재한다. 더욱이, 이러한 도 구는 어떤 파장범위에서

연속적으로 조정될 수 있다는 점에서 다른 레이저들과 구별된 다. 실제로 다른 레이저빔의 파장을

변화시키는 레이저도 있다. 즉, 들어간 빛의 파장과 나온 빛의 파장이 다르다. 하지만 그러한 파장의

변화는 내부적으로 조정되는데 염료셀 의 농도나 길이를 변화시킴으로써, 혹은 회절격자 반사기를

조정함으로써 가능하다. 몇 개의 다색 염료 레이저 시스템은 하나의 염료에서 다른 것으로 쉽게 교체될

수 있고 매 우 넓은 파장영역에서 동작할 수 있다.

외부광원에 의해 제공된 에너지에 의해 염료분자들이 여기된다. 레이저빔이 방출된 이후에는

비복사과정에 의해 바닥상태로 떨어진다. 염료는 넓은 범위의 파장을 흡수하 거나 방출할 수 있는데

전자준위(electronic level)뿐 아니라 진동, 회전 준위사이의 상호 작용에 의해 어떤 에너지 범위에 걸쳐

연속된 준위가 만들어지기 때문이다. 그림에서, 전자전이와 에너지는 가시광선 영역에 해당하며

진동전이는 각 준위의 굵은 선으로 표 시되었다. 가장 작은 에너지 전이는 회전전이에 의한 것으로

얇은 선으로 표시된다. 비 록 준위는 명쾌하게 나뉜 것처럼 보이지만 실제론 매우 가까워 거의

연속적으로 나타난 다.

처음에 여기된 전자준위는 준위밴드의 바닥으로 비복사 이완하며 거기서 밀도반전 이 축적된다. 상위

레이저 준위에는, state 의 수명이 수 ns 에 불과하므로 에너지는 많이 쌓이지 않는다. 상위준위에서

하위준위로 분자가 전이할 때 유도방출이 일어난다. 자발 적 방출은 밴드에서 넓은 영역에 걸친 파장을

만든다. 이때 중간 파장이 가장 높은 확 률을 갖는다. 그림에는 triplet state 가 나타나 있으며 왼쪽은

singlet 이다. 이것은 염료분 자의 전자들이 쌍으로 구속되어 있다는 사실 때문에 나타나는 현상이다.

34

바닥상태에서 두 전자는 다른 스핀값을 갖고 같은 에너지 레벨을 차지한다. 만일 전자들이 반대의 스

핀을 유지한채 전이한다면 그것들은 singlet 에 머문다. 반면에 더 높은 에너지를 갖는 전자의 스핀이

낮은에너지를 갖는 전자의 스핀과 평행하게 된다면 이때는 triplet 상태 가 된다. 이때는 singlet 보다

에너지가 낮기 때문에 분자들은 낮은 에너지 준위인 triplet 으로 떨어지며 이때 문제가 생긴다. 즉 이

준위에 있을때의 분자들은 바닥상태로 떨어 질 때 레이저 방출을 하지 못하고 오히려 흡수를 하여 더

높은 준위로 올라가버린다.

이 때문에 염료레이저는 펌핑을 오랫동안 할 수 없고 연속파 모드에서 작동하기 어 렵다. triplet 을 막기

위해 빠르게 흐르는 염료를 사용하지만 한계가 있다.

A. 색소(dye)레이저

다른 레이저는 단일 파장만 발생시키는데 비해 색소 레이저는 일정한 범위내의

모든 파장의 레이저 발진 가능하다는 독특한 성질을 지니고 있다..

이것을 가변 파장 레이저(tunable laser)라고 한다. 여러 가지 염료가 레이저

물질로 사용되고 있지만 그 중에서도 Rhodamine-6G 라는 붉은 염료가 효율이 높고 파장 영역이

분광학적 실제 실험에 적합하므로 가장 많이 사용된다.

Rhodamine-6G 는 알콜 또는 에칠렌그리콜 같은 용매에 약 10-3 mole/l 의 농도로 녹인 용액이 증폭기의

활성 매질이 된다.

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[4. 반도체 레이저]

a. 특 징

∙ 전자의 에너지 밴드간 전이에 의한 레이저 발진

∙ 초소형으로 고집적 가능

∙ 고주파 출력변조 가능

∙ 광통신 광원으로 적합

b. 종 류

∙ GaAs/AlGaAs 반도체 레이저 (0.75-0.88um) /∙ GaInAsP 반도체 레이저 (1.0-1.6um)

높은 효율, 빠른 변조율, 작은 크기 등의 특성이 있다.

반도체 레이저 는 광다이오드가 발견된 직후인 1962 년 발명되었다. 이 레이저는 거의 100%의 효율과

취급이 간편한점, 매우 작은 크기로 만들 수 있는 점, 빠르게 변조시킬 수 있어 정보를 실어보내기

용이한 점 등 많은 장점 때문에 현재의 CD 재생장치, 광통신, 광기록, 전기광학 소자 등 광공학에서

핵심적인 역할을 한다. 지향성이 다른 레이저에 비해 좋지 않은 결점이 있으며 보통 빔의 확산 각도가

다른 레이저의 경우보다 훨씬 큰 5-10 도이다.

반도체 레이저의 특징은 전류를 흘리는 것만으로도 레이저 발진을 얻을 수 있고 직접 트랜지스터

회로와 결합시켜 발진이나 변조를 시킬 수 있다. 또한 소형으로 신뢰성이 높으며 양산성 등이 우수하다.

결점으로는 지향성에 결함이 있으며, 출력이 작다는 것 등을 들 수 있다. 여기방법에는 전류여기 외에

광여기, 전자빔 여기 등이 있다.

반도체 레이저에는 가시, 근적외, 적외선 영역이 있다.

접합레이저(Junction laser) 혹은 다이오드 레이저라고 불린다. 1962 년에 발명되었으 며 LED(light

emitting diode)의 개발이후에 곧바로 나온 것이다. 반도체 레이저는 작 은 크기와 높은 스펙트럼 순도,

고효율(거의 10%), 튼튼함, 매우 빠른 비율로 변조되는 능력, 오랜 수명, 적절한 파워(약 200 mW)의

장점 때문에 광범위하게 사용된다.

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여러 가지 종류가 있고 여전히 연구되고 있는 레이저로 현재 집중적으로 연구되는 분야는 블루-그린

파장의 빔을 내놓을 수 있는 레이저이다. 여기서 알아볼 레이저는 근 적외선(near-infrared)을 내놓는

다이오드 레이저이다.

최초의 조정가능한 레이저는 1964 년에 개발되었으나 상업적으로 사용되기까지는 10 년 이상이 걸렸다.

그 이유는 레이징 문턱이 높아서 펄스모드와 극저온의(cryogenic) 온 도로 제한되었기 때문이다. 이후에

문턱을 낮추기 위한 연구가 이루어진 결과 연속모드 로 상온에서 작동하는 다이오드 레이저가 나오게

되었다.

[ 다이오드 레이저의 작동원리. (a) 순방향 바이어스는 전류흐름과 재결합을 만든다.

(b)활성층에서 일어나는 유도방출 ]

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c. 근적외선 반도체 다이오드 레이저

주기율표의 3 족과 5 족의 원소들로 형성된 화합물로 만들어진다. 특히 갈륨-비화물 (gallium arsenide,

GaAs)이 이에 해당되며 근적외선 혹은 적색을 방출한다. 다이오드 레이저는 LED 와 같은 구조이며

결맞지 않은 LED 의 기능을 한다. 레이저 다이오드 그 자체는 pn 접합을 포함하는 반도체 블록이다.

레이저 칩은 한쪽 길이가 1 mm 이하이고 이중 10 ㎛ 폭에서 레이저빔이 만들어진다. 내부구조는 간단한

pn 접합 구조보다 훨씬 복잡하다.

다이오드 레이저의 전류는 전자와 홀로 만들어진다. 순방향 바이어스(forward- biasing) pn 접합은 내부

포텐셜벽을 낮추어서 접합의 한쪽에서 다른쪽으로 전자를 흐 르도록 만든다. 이 경우, 순방향

바이어스는 p-형 물질에서 n-형 물질로 전압이 걸린다 는 것을 의미한다. 과다 전자들이 낮은 에너지

상태, 즉 홀로 떨어질 때 평형이 회복된 다. 이 과정을 "전자-홀 재결합"이라고 부른다. 이러한 재결합을

하면서 전자가 전도띠 에서 원자가띠로 떨어질 때 밴드갭에 해당하는 포톤 형태의 에너지가 방출된다.

LED 에서는 임의적으로 자발적 방출이 일어나지만 다이오드 레이저는 유도방출이 주로 일어날 수

있도록 고안된다. 들뜬 전하운반체의 재결합은 자발적 방출에 의해 낮 은 에너지 준위로 떨어지기

이전에 재결합 에너지의 포톤에 의해 자극받는다. 밀도반전 을 만들기 위해서는 높은 추진 전류가

필요하며 빛은 다이오드를 통과하면서 증폭될 수 있다. 다이오드의 양 끝면은 편평한 반사면으로

만들어지는데 이것이 공명 거울을 대신 하여 광피드백을 제공한다. LED 에서는 이러한 반사면이 없고

추진전류가 낮기 때문에 자발적 방출이 우세한 것이다.

포톤 에너지는 밴드갭 에너지의 함수이고 그것은 결정 구조와 화학적 성분에 의존 한다. 그러므로

반도체 레이저에 의해 방출된 파장은 다이오드를 구성하는 물질에 따라 달라진다. 다양한 Ⅲ-Ⅴ 반도체

합성물이 사용될 수 있으며 가시광선의 가장 끝쪽 적색 에서 1800 nm 의 근적외선까지의 파장을 만들

수 있다.

다이오드 레이저구조는 매우 광범위하다. 이중에서 중요한 형태 몇가지를 알아보도 록 하자. 가장

간단한 다이오드의 형태는 한쪽은 전자 도너로 도핑된 n-형, 다른 쪽은 전자 억셉터로 도핑된 p-형으로

이루어진다.

*호모구조(Homojunction) 다이오드 레이저: 하나의 반도체, 보통 갈륨비화물로 이 루어진다. 처음으로

만들어진 다이오드 레이저의 구조였으나 이후엔 쓰이지 않는다.

*단일-헤테로구조(Single heterojunction 혹은 heterostructure)：활성층이 밴드갭 이 다른 물질끼리

하나의 경계를 이룬 구조이다. 흔히 GaAs 와 GaAlAs 로 만들어진다. 활성층은 GaAs 이고 레이저 방출

파장은 904 nm 이다. 단일헤테로구조 레이저는 호모구 조보다 진보된 형태이고 고출력 파워의 펄스를

만들기 위해 폭넓게 사용된다. 하지만 상대적으로 비효율적이고 높은 문턱전류를 가지고 있다.

*이중-헤테로구조：활성층은 서로 다른 물질의 두 개 층으로 만들어지는데 예를 들 어 GaAs 가 두

GaAlAs 사이에 끼인 구조이다. 연속빔을 내는데 가장 좋은 구조이고 섬 유광학에서 넓게 사용되어왔다.

고출력의 펄스를 만들수는 없지만 상온에서 수십 mW 의 파워를 연속적으로 낸다. 활성층이

단일헤테로구조보다 얇아서 문턱전류밀도를 충분 히 낮출 수가 있는 것이다.

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*stripe-geometry：이중헤테로구조의 하위범주로 방출은 레이저길이를 따라 좁은 stripe 로 제한된다.

줄은 1 에서 10 ㎛ 폭을 갖는다. 초기 이중헤테로구조 레이저의 경우 엔 50 ㎛이상이었다. 추진전류가

좁은 영역에 제한되기 때문에 문턱전류가 낮아질 수 있다. 또한, 줄이 좁으면 좁을수록 레이저가

진동할수 있는 공간모드의 수를 줄일 수 있 고 이것은 빔의 질을 높이게 된다. 빔이 작은 점에 집중될

수 있으므로 정보를 다루는 분야, 즉 섬유광학에 유용하다.

활성영역 폭은 두 가지 기술로 제한될 수 있는데 하나는 이득가이드(gain guiding) 라고 하며 주입-

전류밀도와 활성영역에서의 광학적 이득 변화에 의존한다. 또 하나는 굴절율 가이드(index

guiding)이라고 하며 활성영역의 평면에 굴절률 장벽(boundary)을 만드는 반도체 구성물의 변화에 의해

정의된다.

[ 다이오드 레이저 구조의 예 ]

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다이오드 레이저의 파장은 주로 구성물질의 밴드갭에 의존한다. GaAs 같은 두성분 으로 된 경우는

하나만이 가능하고 GaAlAs 처럼 세성분인 경우와 InGaAsP 처럼 네성분 인 경우는 그렇지 않다. 다양한

파장의 다이오드 레이저는 실제보다 제한된다. 첫째 이 유는 빛의 효율적 발생을 위해 필요한 direct-

bandgap 에너지준위 구조가 없는 성분이 있고 이러한 indirect-bandgap 물질은 레이저 다이오드로는

부적절하다.

각 혼합물의 파장은 다음과 같다.

*GaAs : 904 nm

*GaAlAs : 720∼900 nm

*InGaAs : 1060 nm

*InGaAsP : 1300∼1550 nm

[ 반도체 레이저의 에너지 준위 ] [ 반도체 레이저의 구조 ]

[ 반도체 레이저의 내부 구조 ]

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[5. 자유전자 레이저 ( FEL )]

a. 원 리

∙ 공간 주기성을 갖는 자기장에 의해 사행운동을 하는 전자들로부터 증폭된 가간섭성 전자기파가 방출

b. 특 징

위글러(Wiggler or undulator)의 자기장 주기와 전자빔의 에너지 조절로 파장 가변 가능 (이론적으로

마이크로파에서 X-선 영역까지 발진가능)

높은 효율의 방사광 출력 ( 전자빔 에너지의 40% )

매질 손상이 없어서, 공진기만으로도 고출력 발진 가능 ( 1 GW )

[6. X 선 레이저 ( X-ray laser)]

a. 특 징

고해상도 (High-resolution)

Imaging and holography of living cells,

Photolithography

고에너지 (High-energy)

Material research, Military application

b. X 선 레이저 매질

H-like C, H-like F

Ne-like Se (20.63nm,20.96nm)

Li-like Al, Li-like Cl

c. 파장 대역

4 - 30nm

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[7. 원자 레이저 ]

97 년 1 월, MIT 의 물리학자들에 의해 광선이 아닌 원자의 빔을 쏘는 레이저가 만들 어졌다. 이들은

광학레이저빔의 중요한 속성인 "결맞음(coherence)"의 성질을 원자빔이 갖는다는 사실을 확증했다.

양자수준에서 이루어진 고도로 정밀한 측정의 놀라운 진보에 더해 원자레이저는 나 노테크놀러지 즉,

단일 원자 스케일로 구조나 기계를 만드는데 중요한 구실을 할 것으 로 기대되고 있다.

MIT 연구팀은 그들의 장치를 설명하면서 결맞음의 성질을 확인시켜주었는데 이는 그들이 진짜

원자레이저빔을 만들었다는 증거가 된다. 레이저빔의 가장 중요한 특성인 결맞음은 빛의

파면(wavefront)이 시간과 공간에서 예상대로 변한다는 의미를 갖는다. 따라서 보통광원, 예를 들어

백열전구에서 나오는 빛은 결맞는 빛이 아니어서 나중의 파면은 앞의 파면과 예상된 관계를 갖지

않는다.

1995 년 이후 과학자들은 원자레이저를 위한 중요한 배경이 되는 물질을 만들어왔다. 그것은 절대온도

10-9K 에서 원자기체의 집합인 보즈-아인슈타인 응축물(Bose- Einstein Condensate, BEC)이라는 특별한

상태의 물질이다.

1920 년 아인슈타인과 인도 물리학자 보즈는 충분히 밀도가 높은 입자들이 극저온에 있을 때, 어떤

조건에서, 모든 입자들이 단일한 양자상태가 되어 하나의 결맞는 파동처럼 행동한다는 사실을 증명했다.

이러한 사실은 원자들이 레이저와 같은 빔이 되기 위한 가장 중요한 요구조건에 해당된다. 하지만

지금까지는 실험적으로 이것을 증명하지 못 해왔다.

1 월 27 일자 <Physical Review>에서 MIT 의 Wolfgang Ketterle 와 동료들은 중력방향으로 떨어지는

나트륨 원자들의 BEC 로부터 일정한 비율의 원자를 뽑아내도록 만드는 "아웃풋 커플러"(output

coupler)를 만들었다고 발표했고 중간에 <Science>지 1 월 31 일자에서 그들은 원자빔이 레이저빔과

비슷한 결맞음 성질을 갖는다는 것을 보였다. 이것은 BEC 가 원자레이저처럼 행동하는 것을 보이기

위한 가장 중요한 단계였다.

- MIT 장치의 특성과 원자빔의 생성

MIT 에서 만든 장치는 단일한 양자상태를 형성하는 결맞는 원자들의 파열을 만든다. 기존의

원자빔에서는 접근된 적이 없는 성과인데 빔에 있는 원자들은 많은 양자상 태에 걸쳐 존재하기

때문이다. 또한 대부분의 원자빔은 단순한 입자의 집합일 뿐이지만 MIT 의 원자빔은 레이저의 광파(light

wave)와 같이 조작되고 조절될 수 있는 단일한 물질파로 행동한다.

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[ 자기장은 원자레이저의 원천으로 사용된 나트륨 원자들을 가두었다. rf 복사의 짧 은

펄스들이 원자의 조절 가능한 부분을 튀어나오도록 만든다. 이러한 원자들은 중력에 의해

잡아당겨지는 빔을 형성했다. 초당 5 천 번의 비율로 새로운 펄스가 만들어졌다. 그림은 연속

적인 펄스들을 보여주고 있다. 굽어진 모양의 펄스들은 중력과 원자들 사이의 힘 때문에

형성된다. ]

실제로 이러한 물질파들은 작은파동(wavelet)으로 나누어지고 원자에 대한 미세한 정보를 제공하는

간섭패턴을 보여주면서 합쳐진다. 광레이저와 같이 MIT 의 원자레이저 는 여러 가지의 양자상태를 갖는

원자빔에 비교해서 강력하고 방향성이 있는 원자의 흐름을 준다는 의미에서 "밝다."(bright)

Ketterle 와 동료들은 그들의 "output coupler"가 나트륨원자로 이루어진 BEC 로부터 일정한 비율로

원자들을 뽑아낼 수 있도록 한다고 설명한다. 그들은 트랩(trap)의 자기장 속에 갖혀 있는 BEC 에

무선주파수복사(radiofrequency radiation)을 적용하여 원자들을 뽑아낸다. 이 output coupler 의 디스크

모양의 코일들은 시가(cigar)모양의 구름(cloud) 속에 수백만개의 원자(그림에서 작은 구모양)을 가두는

자기장을 만든다. 10-9까지 식혀 지고 충분히 높은 밀도로 모여있기 때문에 원자들은 BEC 를 형성한다.

이때 원자들은 집단적으로 단일한 양자상태에 놓이게 된다. 그렇게 만들어진 원자들은 원자레이저의

이상적인 원천이 된다.

Ketterle 는 원자레이저와 보통레이저의 차이를 다음과 같이 말하고 있다.

"포톤은 만들어질 수 있지만 원자는 만들어질 수 없다. 원자레이저의 원자개수는 증가될 수 없고,

증가되는 것은 낮은 에너지의 양자상태에 있는 원자개수이다. 반면에 다른 상태에 있는 원자수는

감소한다. 또한 원자들은 서로 상호작용한다. 이것은 원자레이저 빔의 퍼짐(spreading)을 만든다. 빛과

달리 원자레이저 빔은 공기 중에서 멀리까지 나아갈 수 없다. 더구나 포톤은 질량이 없지만 원자는

질량을 갖기 때문에 중력에 의해 가속된다."

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- 결맞는 원자빔

Ketterle 그룹은 원자빔이 중요한 파동적 성질을 갖는다는 것을 보여주었다. 빔 속의 원자는 매우

차갑기 때문에 원자와 관련된 미세한 파장들은 그것들의 파동적 성질이 잠 재적으로 검출될 수 있는

지점에서 증가한다. 실제의 원자 레이저빔은 결맞는 빔이고 원자파는 하나의 강한 파동을 이루는

방식으로 결합한다.

하나의 원자파는 직접 관찰될 수 없는 양자역학적 파동이지만 서로 간섭을 일으키면 밝고 어두운 무늬

패턴을 만들게 된다. 두 개의 원자파가 간섭할 때 하나의 파동을 만드는 원자는 다른 파동의 원자와

상쇄될 수 있다. Ketterle 는 다음과 같이 말한다.

"물질파가 상쇄간섭을 할 때, 마치 하나의 원자 더하기 하나의 원자는 0 의 원자를 만드는 것처럼

보인다. 하지만 물질은 파괴되지 않고 어디에선가 다시 나타난다. 그럼에도 불구하고, 분리된 원천에서

나오 는 원자의 간섭은 극적 현상(dramatic phenomenon)이다."

- BEC 의 결맞음

자기력과 광학적 힘을 사용하는 특별한 트랩으로부터 두 개의 독립적인 BEC 를 만듦으로써 결맞음이

관찰된다. 트랩이 열리면, BEC 는 떨어지고 퍼지면서 결국 오버랩된다. 그러한 오버랩된 영역에서 매우

선명한 간섭무늬가 전기카메라로 관측되었다. 이러 한 간섭무늬는 오직 BEC 의 원자들이 단일한 결맞는

파동을 형성했을 때 가능한 것이 다. 즉, 한쪽 BEC 의 전체적인 원자파가 다른 BEC 의 원자파와 함께

밝고 어두운 무늬 를 만들게 된다. MIT 그룹은 각 BEC 에 관련된 원자파가 30 마이크론의 파장을 갖는다

는 것을 계산했는데, 이러한 파장은 상온에 놓여있을 때 원자가 갖는 파장보다 백만배 나 큰 것이다.

[ BEC 의 RF output coupler ]

(a) 각각의 원자들은 트랩의 자기장 속에서 마치 작은 자석처럼 행동한다. 원자는 스핀을 갖기 때문에

자기장에 반응하므로 그림에서 원자들은 트랩의 중심방향으로 밀려가는 상태에 해당하는 모두 같은

스핀값을 갖는다.

(b) RF 복사의 짧은 펄스를 적용하면 조절 가능한 각으로 스핀을 기울게 만든다.

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(c) 양자역학적으로 스핀을 기울인다는 것은 원자들이 자신의 스핀을 뒤바꿀 확률을 가지고 있다는

의미이다. 원자들의 일부분은 스핀을 뒤바꾸고 그것들에 미치는 자기력을 반대방향으로 향하도록

만든다. 결과적으로 원자들이 트랩을 벗어날 수 있고 BEC 는 갖혀진 "구름"과 갖혀지지 않은 구름으로

나뉜다.

(d) RF 복사의 펄스를 몇번 쪼여주면 연속적으로 떨어지는 원자레이저 펄스를 어느 정도 만들어낼 수가

있다. 이러한 구름들은 퍼지면서 중력에 의해 가속된다.

[그림: Figure courtesy of Massachusetts Institute of Technology]

- 원자레이저의 개선과제

원자레이저에 대한 연구는 이제 막 시작되었다. Ketterle 그룹은 이미 그들이 만든 장치를 개선할 준비를

하고 있다. 예를 들어, 현재 원자레이저는 중력방향으로 떨어지는 빔만을 만들어낸다. 앞으로의 단계는

현재의 도구와 "원자거울"(atomic mirror)을 결합 시켜 원자빔이 다른 방향으로 진행할 수 있도록 만드는

것이다. 여기서 "원자거울"은 광학적 혹은 자기적 힘을 이용해 원자빔의 방향을 결정할 수 있도록 하는

장치를 말한 다. 또, 현재 원자빔은 트랩에서 나올 때 회절하거나 퍼진다. 앞으로의 디자인은 그러한

회절효과를 감소시킬 수 있도록 만들어져야 한다. 마지막으로, 현재 디자인은 오직 원자 의 "폭발"만을

만든다. (즉 펄스모드로만 동작한다.) 앞으로의 과제는 연속적인 빔을 만 드는 것이다.

[ BEC 는 마치 파동처럼 간섭을 일으킨다. ]

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[ 간섭실험은 BEC 에서 유도된 두 원자레이저빔 사이에서도 이루어졌다. 원자레이저 빔 또한

결맞는 파동이라는 것을 증명하는 간섭무늬가 관찰되었다. ]

[8. 양자 우물(quantum well) 레이저 ]

최근, 학문의 세계에 머물러있던 양자론을 전자산업에 적용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 원자,

전자, 광자 등과 같은 미세물질의 세계인 양자세계의 현상과 법칙을 반도체, 레이저 기술 개발에 활용,

획기적인 진보를 달성하고자 하는 노력이 경주되고 있는 것이다. 실제로 반도체의 경우, 원자나 전자의

움직임 하나하나가 중요한 의미를 갖는 단계가 곧 다가올 것으로 과학자들은 보고 있다. 현재의

기술발전 속도에 비추어 오는 2010 년께면 반도체 회로선폭이 0.1 마이크론 수준에 도달할 전망이기

때문이다. 이 수준에 도달하면, 각각 극소수 전자의 움직임이 전기신호로 나타나게돼 전자 하나를

더하거나 빼는 데 따라 전기신호 자체가 달라질 수 있기 때문이다. 반도체 제조업체들 이 양자의

세계에 관심을 갖게 되는 것도 바로 이 때문이다. 이와 관련해 현재 깊이있게 연구되고 있는 것은

이른바 "양자점(quantum dot)"구조이다.

양자점은 개개의 전자를 담을 수 있는 미세공간으로 20nm 의 크기를 갖는다. 따라서 하나의 핀머리에

수십억개의 양자점을 올려놓을 수 있다. 과학자들의 궁극적인 핵심 연구과제는 양자점을 이용해

단일전자의 흐름에 따라 온/오프의 전기신호를 내는 트랜지스터를 제조하는 데 있다. 이 연구가 결실을

맺게 되면 반도체 제조방법에도 상상할 수 없는 변화가 이루어질 것이 확실하다. 반도체 용량은

기본적으로 트랜지스터의 집적도에 달려있다. 따라서 양자점을 이용한 초미세 트랜지스터의 개발은

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반도체 용량의 폭발적 증대로 이어지고 더 나아가 초미세 슈퍼컴퓨터의 개발을 가능케 할 것으로

기대되 기 때문이다. 이 같은 기대는 학계나 과학계는 물론 상업성을 추구하는 기업들에게도 커다란

영향을 미쳐 양자세계에 대한 연구를 촉진시키는 원동력이 되고 있다. 텍사스 인 스트루먼츠, 아이비엠,

휴렛펙커드, 모토롤라등 세계적으로 내노라하는 기업들이 대거 장기적인 안목을 갖고 이 분야연구에

나서고 있다.

이들 역시 연구의 초점은 양자효과에 부합하도록 미세한 전자의 움직임을 제어하는 기술개발인데,

양자점 구조가 그것을 가능하게 할 것으로 예상하고 있다. 일정한 성질을 갖춘 원자로부터 양자점

구조를 형성하게 되면 이 구조내에 전기전도 기능을 하는 자유 전자를 가둘 수 있고, 또 이 자유전자는

외부에서 에너지의 충격을 가하지 않는 한 구 조 내에서 벗어날 수 없다. 이 원리를 활용해 현재

개발되고 있는 것 중의 하나가 양자 우물(quantum well)레이저이다.

양자우물 레이저는 서로 다른 물질층 사이에 얇은 반도체 물질층을 형성하는 방법 으로 만들어진다.

양자우물에 갇힌 전자는 양방향으로만 움직이는 특성을 갖게되며, 그 결과 적은 동력을 소모하고도

기존의 레이저에 비해 더 많은 빛의 생성을 가능하게 한 다. 벨연구소의 경우 여기서 한걸을 더 나아가

전자의 양방향 이동을 단방향화해 빛의 생성량을 더욱 증가시킨 양자선(quantum wire) 레이저를

연구하고 있다. 양자선 레이저 가 개발되면 통신분야에 획기적인 기술발전을 가져올 것으로 전망되는데,

현재 통신선 로상에서 레이저 펄스를 재생하기 위해 일정한 간격으로 배치하고 있는 값비싼 중계기

수를 훨씬 줄일 수 있기 때문이다.

과학자들은 궁극적인 목표인 양자점 구조형성이 가능해지면 이같은 양자선보다도 더 많은 기술상의

진보가 이루어질 것으로 기대하고 있다. 전자제어가 면(양자우물)에서 선(양자선), 점(양자점)의

단계에서 이루어질수록 그 효과가 크기 때문이다. 그러나 기 술상의 어려움 때문에 아직까지 양자점

레이저는 개발이 이뤄지지 않고 있는 상태다. 현재 시도되고 있는 양자점 구조형성 방법은 반도체에

기둥을 새기는 것과 상단부에 양 자점 클러스터를 증착시키는 것등 크게 두가지로 볼 수 있다.

뉴욕주립대 연구진은 이 같은 방법으로 양자점 구조의 메모리칩 샘플을 만드는데 성공했다. 이

메모리칩은 이론 적으로는 1 테라비트의 데이터까지 저장하는 것이 가능하다. 양자기술을 기반으로

하는 기기들은 초저온 상태에서 작동하면서 미세한 열변화에도 제기능을 못한다는 것이 그동 안의

과제였다. 그러나 이 문제도 최근들어 스텐퍼드 대학의 전자기술연구소가 상온에 서 작동하는 단일전자

트랜지스터의 제작에 성공, 해결의 실마리를 잡았다. 그러나 여전 히 많은 문제가 남아있다. 속도변경이

느리고 표류전자에 의해 단일전자가 계획된 경로 에서 이탈하는 것 등의 문제가 해결되지 않고 있는

것이다. 현재 이에 대한 해결방안이 다각도로 모색되고 있으나 활용 가능한 방안을 찾기까진 상당한

시일이 걸릴 것 같다. 그러나 양자점 구조의 반도체 개발로 핀크기의 슈퍼컴 제작등 전자산업의 새로운

전환 기가 도래할 수 있을 것으로 기대된다.