레이저는 유도 복사 증폭 및 필요한 피드백을 통해 평행하고 단색이며 결맞음 상태인 광선을 생성하는 과정 및 장치를 지칭합니다. 기본적으로 레이저 생성에는 "공진기", "이득 매질" 및 "펌핑 소스"의 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 광자를 방출합니다(자발 복사). 마찬가지로, 광자가 에너지 준위 시스템에 입사하여 흡수되면 원자는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 전이합니다(여기 흡수). 그런 다음, 높은 에너지 준위로 전이된 일부 원자는 다시 낮은 에너지 준위로 전이하면서 광자를 방출합니다(유도 복사). 이러한 운동은 독립적으로 발생하는 것이 아니라 종종 동시에 발생합니다. 적절한 매질, 공진기, 충분한 외부 전기장과 같은 조건을 만들면 유도 복사가 증폭되어 유도 흡수보다 더 많은 광자가 방출되어 레이저 광이 발생합니다.
B. 분류
레이저를 생성하는 매질에 따라 액체 레이저, 기체 레이저, 고체 레이저로 나눌 수 있다. 현재 가장 널리 사용되는 반도체 레이저는 고체 레이저의 일종이다.
C. 구성
대부분의 레이저는 여기 시스템, 레이저 재료 및 광학 공진기의 세 부분으로 구성됩니다. 여기 시스템은 빛, 전기 또는 화학 에너지를 생성하는 장치입니다. 현재 주로 사용되는 여기 수단은 빛, 전기 또는 화학 반응입니다. 레이저 재료는 루비, 베릴륨 유리, 네온 가스, 반도체, 유기 염료 등과 같이 레이저 광을 발생시킬 수 있는 물질입니다. 광학 공진 제어는 레이저 출력의 밝기를 향상시키고 레이저의 파장과 방향을 조정 및 선택하는 역할을 합니다.
D. 응용
레이저는 광섬유 통신, 레이저 거리 측정, 레이저 절단, 레이저 무기, 레이저 디스크 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.
E. 역사
1958년, 미국의 과학자 샤오루오와 타운스는 놀라운 현상을 발견했습니다. 전구에서 나오는 빛을 희토류 결정에 비추자, 결정 분자들이 밝고 강한 빛을 동시에 방출하는 것이었습니다. 그들은 이 현상을 바탕으로 "레이저 원리"를 제안했습니다. 즉, 물질이 분자의 고유 진동수와 같은 에너지로 여기되면, 발산하지 않는 강한 빛, 다시 말해 레이저가 발생한다는 것입니다. 그들은 이 분야에 대한 중요한 논문들을 발표했습니다.
시올로와 타운스의 연구 결과가 발표된 후, 여러 나라의 과학자들이 다양한 실험 계획을 제안했지만 성공하지 못했습니다. 그러던 중 1960년 5월 15일, 캘리포니아 휴즈 연구소의 과학자 메이먼이 0.6943 마이크론의 파장을 가진 레이저를 얻었다고 발표했습니다. 이는 인류 역사상 최초의 레이저였으며, 메이먼은 이로써 레이저를 실용 분야에 도입한 세계 최초의 과학자가 되었습니다.
1960년 7월 7일, 메이먼은 세계 최초의 레이저 탄생을 발표했습니다. 메이먼의 방식은 고강도 섬광관을 사용하여 루비 결정 속 크롬 원자를 자극함으로써 매우 집중된 얇은 붉은색 빛기둥을 생성하는 것이었습니다. 이 빛기둥이 특정 지점에서 발사될 때, 태양 표면보다 높은 온도에 도달할 수 있었습니다.
소련 과학자 H.Γ 바소프는 1960년에 반도체 레이저를 발명했습니다. 반도체 레이저의 구조는 일반적으로 P층, N층, 활성층으로 이루어진 이중 이종접합입니다. 반도체 레이저의 특징은 소형화, 높은 결합 효율, 빠른 응답 속도, 광섬유 크기에 적합한 파장 및 크기, 직접 변조 가능성, 우수한 결맞음성 등입니다.
여섯째, 레이저의 주요 응용 분야 몇 가지를 살펴보겠습니다.
F. 레이저 통신
오늘날 빛을 이용해 정보를 전달하는 것은 매우 흔한 일입니다. 예를 들어, 선박은 불빛을 이용해 통신하고, 신호등은 빨강, 노랑, 초록을 사용합니다. 하지만 이러한 일반적인 빛을 이용한 정보 전달 방식은 모두 단거리 전송에만 국한됩니다. 빛을 통해 먼 곳에 직접 정보를 전달하려면 일반적인 빛이 아닌 레이저를 사용해야 합니다.
그렇다면 레이저는 어떻게 전달될까요? 전기는 구리선을 통해 전달될 수 있지만, 빛은 일반 금속선을 통해 전달될 수 없다는 것을 우리는 알고 있습니다. 이러한 이유로 과학자들은 빛을 전달할 수 있는 필라멘트인 광섬유를 개발했습니다. 광섬유는 특수 유리 재질로 만들어지며, 직경은 사람 머리카락보다 가늘고(보통 50~150 마이크론) 매우 부드럽습니다.
실제로 광섬유의 내부 코어는 굴절률이 높은 투명 광학 유리로 되어 있고, 외부 코팅은 굴절률이 낮은 유리 또는 플라스틱으로 만들어집니다. 이러한 구조는 한편으로는 빛이 내부 코어를 따라 굴절되도록 하여 마치 수도관 속의 물이 앞으로 흐르듯, 전기가 전선에서 앞으로 나아가도록 합니다. 이렇게 하면 수천 번 꼬여도 전류의 흐름에 영향을 미치지 않습니다. 다른 한편으로는, 굴절률이 낮은 코팅이 빛의 누출을 막아주는데, 이는 수도관에서 물이 새지 않고 전선의 절연층이 전기를 전도하지 않는 것과 같습니다.
광섬유의 등장으로 빛을 전송하는 방식이 혁신적으로 바뀌었지만, 모든 빛을 광섬유를 이용해 먼 거리까지 전송할 수 있는 것은 아닙니다. 높은 밝기, 순수한 색상, 우수한 방향성을 지닌 레이저만이 정보 전송에 가장 이상적인 광원이며, 광섬유의 한쪽 끝에서 입력되어 거의 손실 없이 다른 쪽 끝으로 출력됩니다. 따라서 광통신은 본질적으로 레이저 통신이며, 대용량, 고품질, 풍부한 재료, 강력한 기밀성, 내구성 등의 장점을 지니고 있어 과학계에서 통신 분야의 혁명으로 평가받고 있으며, 기술 혁명의 가장 빛나는 성과 중 하나입니다.
게시 시간: 2023년 6월 29일