레이저란 무엇인가? 레이저 발생 원리

레이저는 인류의 중요한 발명품 중 하나로, '가장 밝은 빛'으로 알려져 있습니다. 우리 일상생활에서 레이저 미용, 레이저 용접, 레이저 모기 퇴치기 등 다양한 레이저 응용 분야를 접할 수 있습니다. 오늘은 레이저의 본질과 그 생성 원리에 대해 자세히 알아보겠습니다.

레이저란 무엇인가요?

레이저는 레이저 에너지를 이용하여 특수한 광선을 생성하는 광원입니다. 레이저는 외부 광원 또는 전원으로부터 에너지를 물질에 전달하여 유도 복사 과정을 통해 레이저 발진광을 발생시킵니다.

레이저는 빛을 증폭시킬 수 있는 활성 매질(기체, 고체 또는 액체 등)과 광학 반사판으로 구성된 광학 장치입니다. 레이저의 활성 매질은 일반적으로 선택 및 가공된 재료이며, 그 특성에 따라 레이저의 출력 파장이 결정됩니다.

레이저에서 발생하는 빛은 몇 가지 독특한 특징을 가지고 있습니다.

첫째로, 레이저는 매우 엄격한 주파수와 파장을 가진 단색광으로, 특정 광학적 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

둘째로, 레이저는 결맞음광이며, 빛 파동의 위상이 매우 일정하여 장거리에서도 비교적 안정적인 광 강도를 유지할 수 있습니다.

셋째로, 레이저는 매우 좁은 빔과 뛰어난 집속성을 가진 고도로 지향성 있는 빛으로, 이를 이용하여 높은 공간 해상도를 구현할 수 있습니다.

레이저는 광원입니다.

레이저 발생 원리

레이저 발생은 유도 방사, 자발적 방출, 유도 흡수라는 세 가지 기본 물리적 과정을 포함합니다.

S유도 방사선

유도 복사는 레이저 발생의 핵심입니다. 높은 에너지 준위에 있는 전자가 다른 광자에 의해 여기되면, 동일한 에너지, 주파수, 위상, 편광 상태 및 진행 방향을 가진 광자를 방출합니다. 이 과정을 유도 복사라고 합니다. 즉, 광자는 유도 복사 과정을 통해 동일한 광자를 "복제"할 수 있으며, 이를 통해 빛을 증폭시킬 수 있습니다.

S자발적 방출

원자, 이온 또는 분자의 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이할 때, 특정 에너지의 광자를 방출하는데, 이를 자발 방출이라고 합니다. 이러한 광자의 방출은 무작위적이며, 방출된 광자들 사이에는 결맞음(coherence)이 없습니다. 즉, 광자들의 위상, 편광 상태 및 진행 방향이 모두 무작위적입니다.

S자극된 흡수

낮은 에너지 준위에 있는 전자가 자신과 에너지 준위 차이가 같은 광자를 흡수하면 높은 에너지 준위로 들뜬 상태가 될 수 있습니다. 이러한 과정을 유도 흡수라고 합니다.

레이저에서는 유도 복사 과정을 증폭시키기 위해 일반적으로 두 개의 평행한 거울로 구성된 공진 공동을 사용합니다. 한쪽 거울은 전반사 거울이고, 다른 쪽 거울은 레이저의 일부가 통과할 수 있도록 하는 반사 거울입니다.

레이저 매질 내의 광자는 두 거울 사이에서 앞뒤로 반사되며, 각 반사는 유도 복사 과정을 통해 더 많은 광자를 생성하여 빛을 증폭시킵니다. 빛의 강도가 일정 수준 이상 증가하면 반투명 거울을 통해 레이저가 발생합니다.