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레이저

물질 속을 전자기파가 통과하면, 그것을 구성하는 원자나 분자는 전자기파를 흡수하여 높은 에너지 상태가 되는 경우가 있다. 높은 에너지 상태에 있는 원자나 분자는 보다 낮은 에너지 상태가 되려고 그 에너지 차를 전자기파로 방출한다. 이 현상을 유도 방사에 의해 일으키게 하고, 전자기파를 증폭시키거나 발진시키는 장치를 고안해 내었다. 이 장치로 동작 주파수가 마이크로파 영역인 것을 메이저, 빛의 영역인 것을 레이저라 한다. 메이저는 1954년에 암모니아를 사용해서, 레이저는 1960년 루비를 이용해서 성공하였다.

전등빛과 레이저의 빛

전파나 빛은 모두 같은 전자기파이다. 다만, 빛과 전파가 다른 점은 빛의 진동수는 전파의 진동 수보다도 10만 배나 크다는 것이다. 또, 빛과 전파의 생성 과정도 외관상 매우 다르다. 빛을 만드는 일반적인 방법은 백열 전등, 방전관 등을 이용하는 것이지만 전파는 전자 장치와 안테나를 사용해서 만든다. 이같은 방법으로 만든 빛과 전파는 자세히 관찰하면 여러 가지 다른 점을 알게 된다. 전파 발생기에 의해 만들어지는 전파는 오래 지속되는 깨끗한 정현파이다. 이와 같은 파를 코히어런트(coherent)한 파라 한다. 이에 비해 백열 전등의 필라멘트에서 나오는 파는 불규칙하다. 필라멘트의 각점이 광원이 되어 있고, 또 거기에서 나오는 파는 파장과 위상이 각각 다르며, 더욱이 그 길이도 수십 cm 이하의 불연속파이다. 이와 같은 파를 인코히어런트한 파라 한다.

자연 방사

自然放射 백열 전등에서 나오는 빛은 어떻게 해서 이와 같이 불규칙할까? 먼저 방전관에서 나오는 빛을 고찰해보자. 방전관은 적은 양의 가스를 넣은 유리관에 전극을 부착시킨 것이다. 전극에 큰 전압을 걸면 가스 원자의 전리에 의해 소량 존재하고 있는 전자가 가속되어 가스 원자와 충돌한다. 어느 원자도 그 주위를 돌고 있는 전자는 처음에는 궤도 반지름이 작은, 즉 에너지가 낮은 상태 E0에 있다. 그것이 고속인 전자와 충돌하면 원자 내의 전자는 그 에너지를 얻어 궤도 반지름이 큰 에너지가 높은 E1의 상태로 바뀐다. 그러나 이 E1의 상태는 불안전한 것이어서 언젠가는 에너지가 낮은 원래의 상태 E0로 되돌아 간다. 이때 원자는 E1－ E0인 에너지를 빛의 에너지 형태로 방사한다. 이렇게 해서 일어나는 빛의 방사를 자연 방사라 한다. 즉, 높은 에너지 준위에 있는 전자가 외부의 영향을 받지 않고 자연스럽게 낮은 준위로 전이할 때 빛을 방사하는 것이 자연 방사인데, 이것은 우연히 일어난다. 방전관에서 나오는 빛은 수많은 가스 원자가 이와 같이 우연히 방출하는 자연 방사광의 집합이므로 무질서한 빛이 되는 것이다. 높은 온도로 가열된 텅스텐 필라멘트에서 나오는 빛도 마찬가지여서 필라멘트 내에 있는 다수의 전자가 복잡한 운동을 하는 과정에서의 자연 방사광의 집합이므로 역시 무질서한 빛이 된다.

유도 방사

誘導放射 원자가 빛을 방사할 때의 방사 방법으로는 자연 방사 외에 유도 방사가 있다. 전자가 높은 에너지 준위에 있을 때 그대로 방치해 두어도 시간이 지남에 따라 자연 방사로 빛이 방사되겠지만, 만약 이 빛과 같은 진동수의 빛이 외부에서 들어와 이 원자에 작용하면, 이 빛에 유도 촉진되어 전자는 에너지가 낮은 준위로 곧 전리되며, 그 결과 빛이 방사된다. 이것이 유도 방사이다. 들어오는 빛이 강할수록 이 유도 방사는 강하게 일어난다. 흔히 눈에 들어오는 빛은 특정의 진동수에 대해서는 약한 것이어서 유도 방사는 거의 일어나지 않고 빛은 모두 자연 방사에 의한 것이라고 생각해도 좋다. 이에 비해서 레이저나 메이저는 이 유도 방사에 의하여 여러 가지 빛이나 전파를 만드는 장치이다. 따라서, 유도 방사에 의한 것이므로 레이저는 보통 광원과는 달리 무질서하지 않은 깨끗한 광파를 방사하게 된다. 레이저 laser(light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 빛의 증폭을 뜻하고, 메이저 maser(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자)는 유도 방사에 의한 마이크로파의 증폭을 뜻한다.

레이저의 기능(작용)

펌핑(pomping)과 유도 방사

pomping－誘導 放射레이저나 메이저는 방사되는 전자기파의 주파수가 다를 뿐, 원리는 같으므로 여기서는 레이저에 대해 설명하겠다. 중앙에 광방사를 하는 원자가 들어 있는 용기를 놓고, 그 양끝에 거울을 배치해 놓는다. 또, 근처에 방전관을 놓는다. 방전관이 점등되어 있지 않은 처음 상태에서는 각 원자는 에너지가 가장 낮은 상태(바닥 상태) E0에 있다. 다음으로 방전관을 점등하면, 방전관은 강력한 빛을 원자에 투사하게 됨으로써 원자는 이 빛을 흡수해서 에너지가 높은 상태가 된다. 방전관으로부터의 빛에 의해 바닥 상태에 있는 원자를 에너지가 높은 상태로 만드는 것을 펌핑이라 한다. 이 펌핑에 의해 높은 에너지 상태가 된 원자의 일부가 자연 방사에 의해 빛을 방사하면, 이 빛이 높은 에너지 상태에서 원자에 작용함으로써 유도 방사를 일으키게 하고, 이들이 또 다음 원자에 유도 방사를 일으킴으로써 빛은 차츰 강해져간다. 빛이 2장의 거울 사이를 몇 번 왕래하면서 원자에 유도 방사를 일으키게 하면, 연속되는 깨끗하고 강한 광파가 만들어지게 된다. 이것이 레이저 광이다. 거울면에 수직이 아닌 방향으로 나온 빛은 거울 사이를 2, 3번 왕복하거나, 또는 밖으로 나가 버리므로 유도 방사를 일으키지 않는다. 이 레이저 장치 속에 존재할 수 있는 광파는 하나의 방향이 있는 특정한, 파장을 가진 광파뿐이다. 그리고 이 광파는 강도가 큰 강력한 빛이다.

레이저 장치의 예

laser裝置－例 방전관에 점등하면 레이저 작용을 하는 원자는 그것을 흡수해서 들뜬 상태가 되어 반전 분포가 된다. 그러나 거울 A가 그림의 위치에 있기 때문에 그 곳에서 생긴 방사는 용기를 한 번 통과하는 정도이고, 몇 번 왕복할 수 없으므로 유도 방사는 잘 이루어지지 않고 레이저 광의 발생도 많지 않다. 또, 방전관에 의한 펌핑을 계속하면 반전은 계속 진행된다. 여기서 거울 A를 갑자기 회전시켜서 점선 위치로 가져가면, 빛은 몇 번이라도 왕복할 수 있게 되어 유도 방출에 의해 순간적으로 강한 레이저 광이 발생한다. 이것이 거대한 펄스 레이저이다.

레이저의 이용

레이저와 통신

laser－通信 라디오, 텔레비전, 무선 전화 등은 전자기파를 이용한 통신 방법이다. 전국 어디에서도 텔레비전을 시청할 수 있고, 다이얼로 전화를 걸 수 있고, 자동 판매기에서 즉석으로 표를 끊을 수 있는 등, 통신 기술은 최근에 이르러 눈부시게 발달되어 왔다. 그리고 앞으로는 현재와 같은 전파에 의한 통신 외에 레이저가 등장하게 되어 미래의 통신 수단이 될 것이다. 전자기파를 이용해서 어떤 정보를 발송하려고 한다면, 주파수 대역이 필요하다. 예를 들어, 전화로 사람의 목소리를 전달하려고 한다면, 음성의 주파수는 30-4000Hz 정도이므로, 음성을 전기 진동으로 변환하여 직접 전선으로 보낼 경우에는 0-4kHz의 주파수 대역이 필요하다. 만약 라디오와 같이 전자기파에 실어서 보낼 경우 500Hz의 중파를 사용한다면 500-504kHz,또 5MHz의 단파를 사용한다면, 5.000-5.004MHz의 주파수 대역이 필요해진다. 또. 다른 사람의 목소리를 5MHz의 단파로 처음 사람의 목소리와 구별되게 보내려면, 5.004-5.008MHz의 주파수 대역을 사용해야 한다. 보내야 할 정보가 텔레비전 영상이라면 더욱더 큰 주파수 대역이 필요해진다. 예를 들면, 텔레비전의 제1채널에서는 90-96MHz와 같이 6MHz의 폭이다. 이 제1채널을 이용하여 전화 회선을 만든다고 하면, GMHz/4kHz=1500이어서 1,500회선이나 만들 수 있다는 것이다. 이와 같이 전자기파의 주파수가 커질수록 많은 정보를 보낼 수 있음을 알 수 있다. 현재로는 원거리 도시 간의 전화나 텔레비전의 중계에는 1000MHz 이상의 마이크로파가 사용되고 있다. 앞으로 보내야 할 정보량이 증대되면 주파수가 높은 광파가 필요해질 것이다. 보통 광원에서 나오는 광파는 불연속한 인코히어런트(incoherent)한 파여서 통신에는 사용할 수 없는 것이다. 통신에 사용할 수 있는 광파는 레이저 광과 같은 코히어런트(coherent)한 광파여야 한다.

홀로 그래피

holography 카메라를 사용하여 물체의 사진을 찍으면 필름 위에 물체의 평면상을 얻을 수 있다. 이때 물체를 조명하고 있는 빛은 태양광, 전등광 등 보통의 빛이며, 이 빛이 물체에 의한 반사광을 렌즈로 필름 위에 결상시키고, 필름 위에 이 빛의 강도를 기록한 것이 보통 사진이다. 이에 비해서 레이저 광을 사용하여 렌즈를 사용하지 않고 물체의 상을 만드는 방법이 있다. 더욱이 이 상은 실물 그대로의 실물상이다. 이러한 방법을 홀로 그래피라 한다.