Palma Technology기술연구소기술정보
레이져란

레이저의 기본 개념은 1917년 아인슈타인에 의해 처음 기술되었고, "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"의 머리 글자를 모아 만든 합성어이다.

보통 자연광원(예: 햇빛, 전등)에서 나오는 빛은 자연 방출(spontaneous emission) 에 의해 발생되지만, 레이저광은 유도방출(stimulated emission)에 의해 발생되므로 동일한 물리적 특성(위상, 파장, 편광, 방향)을 갖는다.

이러한 물리적 특성들 때문에 산업용, 의료용, 연구용 및 옥내외 광고용 등 다양한 종류의 레이저가 개발되어 사용되고 있다.

레이저의 작동 원리
빛의 복사이론

  레이저의 작동 이론을 논하기에 앞서서 우선 빛의 발생원리를 파악하는 것이 도움이 될 것이다.

  빛이 발생하는 원리는 크게 3가지로 요약 할 수 있다.

  첫째는 흑체 복사이론이고, 둘째는 Cerenkov 복사이론이며,

  마지막으로는 전하가 가속운동할 떄에 복사한다는 이론이다.

흑체 복사 이론

모든 물체는 온도가 올라 가면, 즉 절대 온도가 0 K가 아니면, 그 물체가 가지고 있는 열에너지가 전자기파의 복사형태로 방출된다는 것이다.

어떤 물체를 이루고 있는 원자나 분자가 열에너지에 의하여 진동운동을 하게 된다.

원자나 분자는 그 저ㅏ체는 전기적으로 중성이지만, 그것을 이루고 있는 전자와 원자 핵은 각각 음전하와 양전하로 구성 되어 있으며 일정한 거리를 유지하고 있다.

이를 전기 쌍극자(Electric Dipole)라고 하는데, 이 쌍극자가 진동을 하면 주의에 전기장의 요동을 일으키게 되어 결국 전자기파를 주위의 공간에 전파하게 된다.

이렇게 발생된 전자기파는 그 특성상 무한 공간으로 뻗어 나가게 된다.

비록 그 세기가 거리의 제곱에 반비례하여 감소히지만 말이다.

이러한 원자나 분자가 진동할 때에 그 진동수는 그 물체내부의 전자기파가 정상파를 이루는 경계조건을 만족하여야 한다.

이를 고유진동수라고 한다.

왜냐하며, 이 정상파의 조건에 맞지 않는 파들은 물체의 내부에서 간섭에 의하여 모두 소멸되어 버리기 떄문이다.

고유진동에 해당하는 파의 파장을 l라하고, 광속도를 c라고 하고 물체의 크기를 L이라면,l = c L ...................(1)을 만족한다.

하지만, 웬만한 크기를 가진 물체는 이 정상파 조건을 만족시키는 고유진동수의 갯수가 매우 많아진다.

그래서, 우리의 눈으로 보기에는 거의 연속적인 스펙트럼을 가진 빛이 나오게 보인다.

뿐만아니라, 빛을 발생시키는 원자나 분자가 진동운동을 함으로써 생기는 Doppler효과에 의한 파장의 편이도 더하여져서 실제로는 연속스펙트럼이 된다.

어떤 정해진 온도에서는, 그 열에너지에 의하여 물체 내부에 있는 원자나 분자가 가질 수 있는 에너지는 어떤 하나의 값을 가지는 것이 아니라, Maxwell-Boltzmann 분포를 하게 된다.

따라서, 개개의 원자가 진동하는 진동수가 다르게 되며, 어떤 진동수 가지는 원자나 분자의 갯수도 다르게 된다.

결과적으로 여기에서 방출되는 전자기파도 Maxwell-Boltzmann 분포를 가지게 된다.

이 전자기파의 복사방출되는 함수를 진동수의 함수로 표현하면, 아래와 같이 된다.

r(n) = 8pnn/ccc[(Exp(hn/kT) -1)]...................(2)

이를 그래프로 그려 보면, 아래와 같다.

| Graph
레이져의 종류
고체레이저

- Nd:YAG 레이저

파장 : 532nm(녹색)

분류 : 4준위 레이저

1064nm의 레이저 빛살을 투명 물질에 통과시키므로서 진동수가

             처음보다 두배로 믈어난 532nm의 복사선으로 바꾸어주는 진동수 배증법을 이용한다.

- Ruby 레이저

파장 : 694nm (붉은색)

분류 : 3준위 레이저

루비는 소량의 Cr3+이온이 포함된 Al2O3이다.

Al3+이온이 Cr3+이온으로 치환되므로서 국부적 결정장이 뒤틀리게 되어 Cr3+이온의 정상적인 녹색이 붉은색

             으로 변한다.

- Alexandrite 레이저

이온레이저

- Ar 레이저

파장 : 488nm(청색), 514nm(초록색)

약 1 Torr 정도의 Ar에다 전기 방전을 통과시켜서 만든다.

전기방전에의해 들뜬상태의 Ar+와 Ar3+이온이 낮은상태로 레이저 전이를 일으키고,

             이들 이온은 72nm의 자외선을 방출하면서 바닥상태로 내려가고, 레이저 공동속에서(전극에의해) 중화된다.

기체레이저

- He-Ne 레이저

파장 : 632.8nm

헬륨과 네온의 1:5 몰비율 혼합물을 활성 매질로 쓰인다.

- CO2 레이저

파장 : 10.6㎛

적외선 영역의 9.2㎛ ~ 10.8㎛의 복사선을 방출한다.

- N2 레이저

자극전이(자외선 영역의 337nm)의 효율이 대단히 커서 복사선의 펄스를 한번만 통과시켜주어도 레이저 복사

             선이 나올 수 있으며 그리하여 거울이 필요하지 않다.

이러한 레이저는 초복사방식을 갖는다고 말한다.

액체레이저

- Organic dye (색소레이저)

반도체레이저

- Ga-As - CdS - ZnS