교육교재자료실

레이저의 기초

물질에는 특정 에너지 준위가 있는데, 기저상태(가장 낮은 바닥 상태 ground state 혹은 ground level)에 있는 물질에 빛 에너지를 가하면 여기상태 (들뜬 상태 excited state 혹은 excited level)로 변환된다. 들뜬 상태의 분자나 원자는 에너지를 방출하고 바닥 상태로 돌아가는 특성이 있어, 아래 그림처럼 자발적 방출(spontaneous emission)을 통해 들뜬 상태 E₂에 있는 분자나 원자가 낮은 에너지 상태 E₁으로 전이하면서 에너지의 차이에 해당하는 진동수를 가진 빛을 방출하게 되는데 이 빛이 레이저 빛이다.

자극 방출(stimulated emission)은 해당 진동수를 가진 광자가 매질을 통과하면서 위상과 진동수가 같은 빛의 방출이 유도하는 과정을 가리킨다. 이 빛에는 자발적 방출에서 나타나는 빛과 다른 특성들이 있다. 레이저 매질의 들뜬 상태에 바닥 상태보다 많은 입자가 존재하는 입자수 뒤바뀜(population inversion)을 만들면 강한 자극 방출, 즉 광증폭이 가능하다. 입자수 뒤바뀜을 만드는 과정을 레이저 펌핑(pmping)이라고 한다. 레이저 펌핑 방법에는 전기 방전, 전류, 섬광 램프, 또 다른 레이저, 화학 반응 등이 있다.

입자수 변환은 레이저 발진의 필수 조건인데, 열역학적 평형 상태에서는 바닥 상태의 개체수가 들뜬 상태보다 항상 많기 때문에 에너지 간격이 큰 경우 입자수 뒤바뀜을 만들기는 매우 어렵다. 이를 효율적으로 이루기 위해서 3-준위 혹은 4-준위의 레이저 시스템을 구성한다. 아래 그림에는 4-준위 레이저인 네오디뮴 레이저의 에너지 준위가 나와 있다. 이 경우 입자수 뒤바뀜을 두 개 들뜬 상태 사이에서 만들기 때문에 보다 효율적이다. 3-준위 레이저는 4-준위 레이저의 들뜬 상태 중 하나가 없는 경우이다.

레이저 특징

레이저는 일상적인 빛과는 다른 특성들을 가지고 있다.

단색성

레이저는 여러 파장이 아닌 하나의 파장에서 작동한다. 예를 들어 네오디뮴 야그 레이저(Nd: YAG 레이저)에서 방출되는 빛은 그 파장이 1064nm이고, 선폭이 0.5nm보다 좁다. 이를 이용하여 분자의 에너지 준위들 사이에서 특정한 전이를 유도하거나 확인할 수 있고, 잘 분해된 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다. 레이저의 단색성(monochromacity)은 장점인 동시에 단점이다. 일부 레이저들은 간단한 조작으로 출력 파장을 이동시킬 수 있다.

결맞음

레이저는 시간 및 공간에서 파동의 위상이 잘 맞추어져 있다. 결맞음(coherence) 정도가 높은 이유는 유도 방출이 개별 분자들의 전자기파 복사를 동기화(synchronization)시키기 때문이다. 이 성질을 이용하면 일상적인 빛으로 얻기 어려운 간섭 현상을 일으킬 수 있다. 대표적인 것이 홀로그래피이다.

직진성

레이저는 일반 광원보다 직진성이 높고, 지향성이 좋다. 이 덕분에 달 표면에 놓아둔 거울에 레이저를 쏘고 반사된 빛을 지구에서 관찰할 수 있다. 이때 레이저 빛의 왕복 시간을 측정하면 지구와 달 사이 거리나 지구의 대륙이 이동한 거리를 1cm 정밀도로 측정할 수 있다.

높은 에너지 밀도

레이저는 에너지 밀도가 높기 때문에 이를 집적하면 아주 높은 에너지를 좁은 면적에 모을 수 있다. 레이저 세기는 시간당 에너지 - 출력으로 표시하기도 하는데, 테라와트(TW, Tera = 1012) 급 레이저 펄스를 만들 수 있다. 강한 레이저는 금속을 자르고 용접하거나 핵융합을 일으키는 데 사용된다. 안과에서는 떨어진 망막을 다시 망막 지지대에 붙이거나 시력교정을 위해서 각막을 정교하게 깎을 때 레이저를 사용한다.

레이저 종류

레이저는 수백에서 수천 종류로 분류할 수 있으며, 가시광선 외에도 적외선, 자외선, X-선에 걸친 다양한 파장 영역에서 개발되어 있다. 다음과 같이 레이저 매질의 종류에 따라 분류할 수 있다.

기체 레이저기체 레이저에는 헬륨-네온 레이저, 아르곤 이온 레이저, 크립톤 레이저, 이산화 탄소 레이저(CO2 레이저), 질소 레이저, 엑시머 레이저, 헬륨-카드뮴 레이저 등이 있다.

고체 레이저

고체 레이저에는 루비 레이저, 네오디뮴 야그 레이저(Nd: YAG Laser), Nd: 유리 레이저, 타이타늄 사파이어 레이저(Ti: sapphire) 등이 있다.

액체 레이저

색소 용액을 매질로 사용하는 색소 레이저는 색소와 용매에 따라 다양한 파장에서 발진한다. 일반적으로 색소 레이저는 다른 레이저를 이용하여 광 펌프질한다.

반도체 레이저

반도체에 전류를 흘려 밴드 갭에 해당하는 파장에서 레이저 발진을 얻을 수 있다. 이를 반도체 레이저라고 한다. 작고 대량생산이 가능한 것이 장점이지만, 출력이 작고 레이저 빔의 직진성이 떨어지는 것이 단점이다.

기타 레이저

이 외에도 비선형광학 현상이나 유도 라만 현상 등을 이용하면 레이저 파장을 변환시킬 수 있다. 대표적인 것으로 광 파라 메트릭 발진기(optical para-metric oscillator), 유도 라만 발진기(stimulated Raman oscillator) 등이 있다.