빛과 레이저

목차

1. 빛이란 무엇인가?
2. 레이져란 무엇인가?
3. 레이져의 원리
4. 레이져의 종류
5. 펄스 레이져
6. 레이져의 공진
7. 실생활의 응용

본문내용

e)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 최초로 1152.3nm의 적외선의 연속발진에 성공하였다. 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와트의 가시광선(632.8nm)을 내게하여 실험실에서 간섭을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작등에 널리 쓰고 있다. 이 레이저에서 헬륨은 네온을 들뜨게 하는 매개물질로서 작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어 진다
0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다.
한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.
직류, 혹은 교류의 방전에 의해 여기된 He은 Ne과 충돌(collision)하여 에너지를 잃어 버린다. 한편 충돌에 의해 여기된 네온은 바닥상태로 바로 떨어지는 것은 금지되어 있어 중간단계로 몇가지 파장의 빛을 내면서 떨어지게 된다. 이 중간단계에서는 빠르게 바닥상태로 떨어져서 점유밀도가 항상 작게 유지된다.
○ CO2 레이져
강력한 적외선을 발진한다.
이 레이저는 특이하게 CO2
CO2 분자의 세가지 진동 모드로 이의 고유진동수가 각각 달라서 이 진동에너지 준위는 서로 다는 간격을 하고 있다.
분자의 진동에너지 준위를 이용하므로 10.6㎛의 적외선을 발진하며 연속발진에서의 출력은 수백 kW에 이르러 금속의 가공 등 산업용으로 널리 쓰인다. 이 레이저는 효율을 높이기 위해 매개물질인 N2와 Ne을 첨가하여 거의 15% 의 높은 효율로 동작시킨다
헬륨-네온 레이저에서의 He의 역할처럼 N2는 단지 펌핑을 시키는 매개물질로서 작용한다. N2는 CO2 와 달리 단일 진동 모우드로 되어 있는데 이 첫 번째 들뜬 준위가 바로 CO2의 (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
○ 반도체 레이져
높은 효율, 빠른 변조율, 작은 크기 등의 특성이 있다
반도체 레이저는 광다이오드가 발견된 직후인 1962년 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 광통신, 광기록, 전기광학 소자 등 광공학에서 핵심적인 역할을 한다.
4. 펄스 레이져
○ 게인 스위치(Gain-Switching)
섬광으로 펌핑한다.
최초의 루비 레이저는 루비 막대를 감싸고 있는 플래시 램프를 짧고 강력한 섬광으로 발광시켜 루비의 크롬 원자를 들뜨게 하였다. 이에 의하여 순식간에 이루어진 점유자수의 역전의 상태는 짧은 펄스의 레이저 빛을 방출하고 원래로 돌아가 버린다. 플래시 램프에는 충전과 방전을 할 수 있는 축전기가 달려 있어 약간의 시간이 흐르면 방전에 의해 플래시 램프가 다시 터질 수 있는 정도의 전하가 축전기에 모이게 된다.
이는 펄스 형의 빛으로 펌핑을 하여 매우 짧은 시간에 강력한 빛을 내게 하는 이 루비 레이저는 펄스 레이저의 일종이다.
○ 큐 스위치(Q-Switching)
매우 짧고 강력한 펄스를 만든다.
레이저는 레이저 매질의 손실과 비기는 문지방 값인 일정 비율 이상이 점유자수 역전의 상태에 이르러야 비로소 레이저 발진이 시작된다. 한 발진 주기당의 부분적인 손실율의 역수를 그 공진기의 Q값이라 한다. 손실율이 작을수록 Q 값이 커지고 또 발진이 시작되는 문지방의 역전비율이 작아진다. 높은 일율의 펄스 레이저는 레이저 발진이 시작되자마자 곧 들뜬 상태를 소모해 버린다. 이 발진을 지연시켜 더 높은 밀도에 이르르게 될 때 비로소 발진을 진행시킬 수 있는 스위치를 광경로상에 설치하여 더 짧고 강력한 펄스를 만들 수 있다.
○ 모드 로킹
극히 짧고 강력한 펄스를 만든다.
여러 세로공진 모드의 위상을 고정시켜 앞의 두가지 형의 펄스 레이저보다 더 강력한 펄스이 레이저를 만들 수 있다.
6. 레이져의 공진
○ 공진기
빛의 공명상태를 만든다.
레이저 매질에서 초기에 자발적이나 유도방출된 빛의 대부분은 특별한 방향성이 없어 사방으로 퍼져나가 버린다. 이 빠져나간 빛을 매질속으로 되돌려서 아직 들뜬상태로 있는 원자나 분자를 자극시켜 유도방출을 계속 일으켜야 한다. 이를 위하여 양쪽에 거울을 배치하여 계속 되돌려 보낼 수 있도록 하는데 이를 레이저 공진기라고 한다. 이 공진기는 일종의 파브리-페로 에탈론이라 할 수 있는데 레이저 빛은 그 구조속에서 공명상태의 빛이 부분적으로 빛을 투과하는 한쪽 거울을 통하여 조금씩 빠져나오는 것이라 할 수 있다.
○ 세로 공진모드
양 거울사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 세로방향 진동 모드
공진기의 거울 사이의 거리를 d라고 하면 그 사이에서 뛰노는 정상파는 c/2d의 정수배의 진동수를 가질 수 있어 Δν= c/2d 의 등간격을 갖는 무수히 많은 모드가 존재할 수 있다. 그러나 공진기 내부의 레이저 매질의 원자 방출 스펙트럼의 진동수가 특정한 값을 가지고 있어서 좁은 대역의 빛만 증폭이 이루어진다.
1m의 기체 레이저의 경우 Δν= 150MHz이다. 한편 이득이 손실보다 큰 진동수 대역은 보통의 경우 이보다 수~십수배 정도 커서 레이저의 스펙트럼은 아주 날카로운 수~십수개의 선 스펙트럼을 가지게 된다.
○ 가로공진 모드
양 거울 사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 가로방향 진동 모드
한편 공진기의 관을 따라 가는 방향의 세로공진 모드도 있지만 그 축에 수직인 방향으로의 가로공진 모드도 있다. 이 모드는 레이저내부의 빛 전기장과 자기장이 가로방향이어서 TEMmn 모드라고 한다. 이 모드의 모양은 레이저 빛 줄기의 단면을 관측하여 알 수 있다. 흔히 보는 실험실의 레이저를 흰 종이에 비추어 보면 가운데가 가장 밝고 가장자리로 갈수록 어두워 진다. 이렇게 하나의 밝은 점을 가지고 있는 진동 모드는 TEM00 로서 이론적인 밝기 분포는 아래 그림과 같다.
아래에 TEM10 ,TEM22 등 여러 공진 모드를 보여주고 있다.
7. 실생활의 응용
○ 홀로그래피 응용
○ 홀로그래피
○ 광통신 케이블
○ 이외에도 레이져는 실생활에서도 널리 쓰여지고 있습니다.

키워드

빛,   레이져,   공진