레이저 원리와 그 응용

레이저는 유도 복사 증폭과 필요한 피드백을 통해 평행하고 단색이며 간섭성이 있는 광선을 생성하는 과정 및 장치를 말합니다. 기본적으로 레이저 생성에는 "공진기", "이득 매질", 그리고 "펌핑 소스"라는 세 가지 요소가 필요합니다.

A. 원칙

원자의 운동 상태는 여러 에너지 준위로 나눌 수 있으며, 원자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때 해당 에너지의 광자(소위 자발 복사)를 방출합니다. 마찬가지로, 광자가 에너지 준위 체계에 입사하여 흡수되면 원자는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이합니다(소위 여기 흡수). 그러면 더 높은 에너지 준위로 전이하는 일부 원자는 더 낮은 에너지 준위로 전이하면서 광자(소위 자극 복사)를 방출합니다. 이러한 운동은 단독으로 발생하는 것이 아니라 종종 병렬적으로 발생합니다. 적절한 매질, 공진기, 충분한 외부 전기장 등의 조건을 만들면 자극 복사가 증폭되어 자극 흡수보다 더 많은 광자가 방출되고, 일반적으로 레이저 빛이 생성됩니다.

나. 분류

레이저는 생성 매질에 따라 액체 레이저, 기체 레이저, 고체 레이저로 나눌 수 있습니다. 현재 가장 널리 사용되는 반도체 레이저는 고체 레이저의 일종입니다.

C. 구성

대부분의 레이저는 여기 시스템, 레이저 재료, 그리고 광 공진기의 세 부분으로 구성됩니다. 여기 시스템은 빛, 전기 또는 화학 에너지를 생성하는 장치입니다. 현재 사용되는 주요 유도 수단은 빛, 전기 또는 화학 반응입니다. 레이저 재료는 루비, 베릴륨 유리, 네온 가스, 반도체, 유기 염료 등과 같이 레이저 광을 생성할 수 있는 물질을 말합니다. 광 공진 제어의 역할은 출력 레이저의 밝기를 향상시키고, 레이저의 파장과 방향을 조절하고 선택하는 것입니다.

D. 신청

레이저는 널리 사용되고 있으며, 주로 광섬유 통신, 레이저 거리 측정, 레이저 절단, 레이저 무기, 레이저 디스크 등에 사용됩니다.

마. 역사

1958년, 미국 과학자 샤오뤄와 타운스는 마법 같은 현상을 발견했습니다. 내부 전구에서 방출되는 빛을 희토류 결정에 비추면 결정 분자들이 밝고 항상 강한 빛을 방출하는 것입니다. 이 현상에 따라 그들은 "레이저 원리"를 제안했습니다. 즉, 물질이 분자의 고유 진동수와 같은 에너지로 여기되면 발산하지 않는 강한 빛, 즉 레이저를 생성한다는 것입니다. 그들은 이 원리에 대한 중요한 논문들을 발표했습니다.

시올로와 타운스의 연구 결과가 발표된 후, 여러 나라의 과학자들이 다양한 실험 계획을 제안했지만 성공하지 못했습니다. 1960년 5월 15일, 캘리포니아 휴즈 연구소의 과학자 메이먼은 파장이 0.6943마이크론인 레이저를 개발했다고 발표했습니다. 이는 인간이 최초로 얻은 레이저였으며, 이로써 메이먼은 레이저를 실용 분야에 도입한 세계 최초의 과학자가 되었습니다.

1960년 7월 7일, 메이먼은 세계 최초의 레이저 탄생을 발표했습니다. 메이먼의 계획은 고강도 플래시 튜브를 사용하여 루비 결정 내의 크롬 원자를 자극하여 매우 집중된 얇은 붉은색 빛 기둥을 생성하는 것이었습니다. 이것이 특정 지점에 도달하면 태양 표면보다 높은 온도에 도달할 수 있습니다.

소련 과학자 H.Γ 바소프는 1960년에 반도체 레이저를 발명했습니다. 반도체 레이저의 구조는 일반적으로 P층, N층, 그리고 이중 헤테로 접합을 형성하는 활성층으로 구성됩니다. 그 특징은 크기가 작고, 결합 효율이 높으며, 응답 속도가 빠르고, 파장과 크기가 광섬유 크기에 적합하며, 직접 변조가 가능하고, 결맞음이 좋다는 것입니다.

6. 레이저의 주요 응용 방향

F. 레이저 통신

빛을 이용한 정보 전송은 오늘날 매우 흔합니다. 예를 들어, 선박은 통신을 위해 빛을 사용하고, 신호등은 빨간색, 노란색, 초록색을 사용합니다. 하지만 일반 빛을 이용한 이러한 정보 전송 방식은 모두 단거리에만 국한될 수 있습니다. 빛을 통해 먼 곳에 직접 정보를 전송하려면 일반 빛을 사용할 수 없고, 레이저를 사용해야 합니다.

그렇다면 레이저는 어떻게 전달할까요? 전기는 구리선을 따라 전달될 수 있지만, 빛은 일반 금속선을 따라 전달될 수 없다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 이를 위해 과학자들은 빛을 전송할 수 있는 필라멘트, 즉 광섬유(optical fiber)를 개발했습니다. 광섬유는 특수 유리 소재로 만들어졌으며, 직경은 보통 50~150마이크론으로 머리카락보다 가늘고 매우 부드럽습니다.

실제로 광섬유의 내부 코어는 고굴절률 투명 광학 유리로 되어 있고, 외부 코팅은 저굴절률 유리 또는 플라스틱으로 되어 있습니다. 이러한 구조는 한편으로는 물이 수도관에서 앞으로 흐르고, 전선에서 전기가 앞으로 전달되는 것처럼 빛이 내부 코어를 따라 굴절되도록 할 수 있으며, 수천 번 꼬여도 아무런 영향을 미치지 않습니다. 다른 한편으로는 저굴절률 코팅은 수도관에서 물이 새지 않고 전선의 절연층이 전기를 전도하지 않는 것처럼 빛이 새어 나가는 것을 방지할 수 있습니다.

광섬유의 등장은 빛 전달 방식에 대한 해결책을 제시했지만, 그렇다고 해서 어떤 빛이든 아주 먼 곳까지 전송할 수 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 고휘도, 순수한 색상, 우수한 지향성을 가진 레이저만이 정보 전달에 가장 이상적인 광원이며, 광섬유의 한쪽 끝에서 입력되고 다른 쪽 끝에서 손실이 거의 없습니다. 따라서 광통신은 본질적으로 레이저 통신으로, 대용량, 고품질, 다양한 재료, 높은 기밀성, 내구성 등의 장점을 가지고 있으며, 과학자들은 이를 통신 분야의 혁명으로, 기술 혁명의 가장 눈부신 성과 중 하나로 칭송합니다.