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Intro ......

 

고출력(high power),그러나 빛의 진동수나 위상이 같으면서 같은 방향으로 진행하는 빛을 합성시키면 중첩의 원리(superposition principle)에 의해서 세기가 큰 빛을 얻을 수 있는데, 태양 열이 태양과 지구 사이의 빈 공간을 통해서 전달되는 것처럼, 즉 궤도를 따라서만 움직일 수 있다. 일반적으로 복사 에너지는 전자기파의 형태로 존재한다. 이러한 비간섭성의 빛은 합성을 해도 빛의 세기가 커질 수가 없다. 똑같은 빛다발을 만들기 때문에 잘 흩어지지 않고 강력한 빛이 나오는데 이것이 레이저인 것이다. ※ 참고문헌 빛이 열어가는 새로운 세상 정보화 사회와 광 기술, 또는, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 물리적 의미를 각 단어에서 살펴보면, 높은 상태인 들뜬 상태에서는 오래 머물 수 없다. 이러한 높은 에너지 상태에 있는 전자에 외부에서 자극을 주면 전자는 낮은 에너지 상태로 떨어지게 된다. 빛의 세기가 커지면 그곳에 있는 매질을 더 많이 자극시키기 때문에 여기된 매질이 충분히  ......

 

 

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[공학][분광학] laser[레이져]에 관해.hwp 파일자료.zip

 

 

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[공학][분광학] laser[레이져]에 관해

 

레이저(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 물리적 의미를 각 단어에서 살펴보면, `Radiation`이란 단어는 우리말로 ‘복사 또는 방사’를 의미한다. 복사란, 태양 열이 태양과 지구 사이의 빈 공간을 통해서 전달되는 것처럼, 열이 중간에 아무런 도움없이 직접 이동하는 현상을 말한다. 그리고 열을 포함하여 복사에너지를 복사 에너지라 부른다. 일반적으로 복사 에너지는 전자기파의 형태로 존재한다.

다음으로 ‘Stimulated Emission`이란 유도방출을 의미한다. 유도방출이란 자발 방출과 대응되는 말로, 저절로 방출되는 것이 아니라 자극을 주어 방출시킨다는 뜻이다. 보어(Bohr)의 원자 모형에 의하면 원자 속에 있는 전자는 제멋대로 운동하는 것이 아니라 원자핵 주위의 정해진 길, 즉 궤도를 따라서만 움직일 수 있다. 원자핵에서 멀리 떨어진 궤도에 있는 전자일수록 가지고 있는 에너지가 크므로 높은 에너지 상태에 있다고 한다. 이러한 높은 에너지 상태에 있는 전자에 외부에서 자극을 주면 전자는 낮은 에너지 상태로 떨어지게 된다. 여기서 높은 에너지 상태에 있는 전자는 들뜬 상태(또는 여기 상태, excited state)를 말하며 낮은 에너지 상태는 전자가 원자핵에 가장 가까운 궤도를 도는 상태로 기저 상태(또는 바닥상태,

ground state)라고 한다. 바닥상태에서는 전자가 오래 존재할 수 있지만, 높은 상태인 들뜬 상태에서는 오래 머물 수 없다. 높은 에너지 상태에 있던 전자가 낮은 에너지 상태로 내려올 때에는 두 궤도의 에너지 차이만큼의 에너지를 밖으로 방출한다. 이 때 방출된 에너지가 바로 빛 에너지의 형태로 우리 눈에 들어오게 되는 것이다. 이런 유도 방출의 원리를 알아낸 과학자가 바로 아인슈타인(Einstein)이다.

끝으로 ‘Light Amplification`은 빛을 증폭시킨다는 뜻이다. 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 전자가 떨어질 때 밖으로 방출되는 에너지는 굉장히 작다. 그래서 강력한 빛을 얻기 위해서는 이 빛을 증폭시켜야 하는데 여기에서는 파동의 간섭을 이용한다. 보통의 전등에서 방출되는 빛은 비간섭성으로서, 방출되는 빛들 사이에 진동수(또는 파장)나 위상(phase)이 서로 일치하지 않는다. 이러한 비간섭성의 빛은 합성을 해도 빛의 세기가 커질 수가 없다. 그러나 빛의 진동수나 위상이 같으면서 같은 방향으로 진행하는 빛을 합성시키면 중첩의 원리(superposition principle)에 의해서 세기가 큰 빛을 얻을 수 있는데, 이런 빛을 간섭성의 빛(coherence, coherent light)이라 한다. 따라서 레이저는 간섭성의 빛을 만들어 내는 기구라고도 할 수 있다.

 

coherence(파장과 위상이 일치한 상태)

전자를 하나만 건드려도 한꺼번에 빛이 쏟아지기 때문에 광증폭의 원리가 된다. 똑같은 빛다발을 만들기 때문에 잘 흩어지지 않고 강력한 빛이 나오는데 이것이 레이저인 것이다.

펌핑(pumping, 외부에서 여러 가지 형태의 에너지를 인가하는 과정)에 의해 흡수(absorption) 과정을 거쳐 높은 에너지 상태로 올라간 원자나 전자는, 물리적으로 불안정한 상태이므로 자발적으로 낮은 에너지 상태로 내려 오면서 그 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출(자발 방출, spontaneous emission)하거나, 또는, 외부에서 주입되거나 자체적으로 생겨난 광자(photon)의 도움을 받아 낮은 에너지 상태로 내려오면서, 이미 존재하였던 광자와 동일한 파장과 위상을 갖는 또 다른 광자를 방출(stimulated emission)하게 된다. 이러한 유도 방출이 지속적으로 반복되면 빛의 증폭이 강하게 일어나 단색(monochromaticity), 고출력(high power), 직진성

(directionality), 결 맞음(coherence)의 특성을 갖는 레이저 광이 만들어진다.

 

평형 상태와 밀도 반전

이 때, 유도 방출이 지속적으로 일어나기 위해서는 외부에서 강한 에너지를 인가하는 펌핑에 의해 레이저 매질을 밀도 반전(population inversion)의 상태(낮은 에너지 상태보다 높은 에너지 상태에 원자나 전자가 더 많이 존재하는 상태)로 만들어 주어야 한다.

한편 유도방출이 우세할 조건에 이르게 되더라도 모든 원자가 일거에 방출되지는 못한다. 이는 한 원자가 유도 방출이든 자발 방출이든지 방출하는 빛이 다른 원자를 자극시킬 확률이 그렇게 크기 못하기 때문이다. 따라서 그러한 기회를 크게 가질 수 있게 레이저 매질이 들어있는 관의 양단에 거울을 평행으로 배치하여 그 거울 사이에 빛이 무수히 반사되면서 거의 모든 원자들을 유도방출에 가세시키게 한다. 관속을 뛰노는 빛은 그 거울 내부에서 공명상태로 존재할 수 있어 이를 레이저 공진기라고 한다.

양쪽 끝의 거울에 의해 무수히 반사되면서 점점 자극방출의 빛이 가세하여 빛은 강해진다. 거울의 효과로 관이 겹쳐 길어진 것 때문에 그 관을 따라 나란하게 진행하는 빛은 계속 가세하는 유도방출의 빛에 의해 점점 더 센 빛이 된다. 빛의 세기가 커지면 그곳에 있는 매질을 더 많이 자극시키기 때문에 여기된 매질이 충분히 공급되기만 한다면 빛이 성장하는 형태는 기하급수적이 될 것이다.

관 내부에서의 레이저 빛의 성장 관 양쪽의 거울 때문에 매우 길어진 관을 지나가는 빛이 기하급수적으로 성장한다. 매질 속에서 기하급수적으로 파가 성장한다.

 

※ 참고문헌

빛이 열어가는 새로운 세상 정보화 사회와 광 기술, 김종렬 저

비선형 레이저 분광학, MARC D.LEVENSON 저

두산 백과사전(사진 참조)

 

 

 

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