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레이저 광선은 사람이 만들어놓은 유일한 인공광선입니다.
“LASER”는 “Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation”이란 영어의 각 머리자를 따서 조합한 합성어로 우리말로 하면 “유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭”이란 뜻이 됩니다.
레이저 광선은 사람이 만들어 얻은 유일한 인공 광선입니다.
LASER 'Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation'이란 영어의 각 단어 머릿글자를 따서 조합한 합성어로서
우리말로 하면 '유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭' 이란 뜻이 됩니다.
일반적으로 레이저라고 부르는 것은 레이저 빛을 발생하는 장치를 말합니다.
단색성 (Monochromaticity)
태양광과는 달리, 레이저는 색상의 변화가 일어나지 않으며, 다른 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고, 어느 정도의
순수한 단일광으로 만들어집니다.
지향성(Directivity)
빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진하는 성질을 가지고 있습니다.
간섭성(Coherence)
간섭은 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에
부딪히면 곧 간섭을 일으킵니다.
에너지 집중도와 고 휘도성(Brightness)
태양 빛을 렌즈에 집중하면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저 빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문
에 철판까지도 녹일 수 있습니다.
레이저의 기본구성
우선 레이저발진 작용을 발생시키려면 그 원인이 되는 물질이 필요한데, 이 물질을 레이저 매질(Laser medium)이라고 합니다. 그리고 외부에서 여기하기 위한 여기매체(Pumping source)와 공진기(Resonator)등도 필요합니다.
각각에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같습니다.
레이저 매질
레이저 매질은 액체, 기체, 고체, 반도체 등 4종류로 분류할 수 있습니다.
액체 → 색소 고체 → Nd:YAG, KCI, RbCl(F Center Laser), 루비, 유리
기체 → He-Ne, Ar, Kr, N2, CO2, XeF, 금속증기 등 반도체 → GaAs. InP, GaAs-P, InAs
1. 여기매체
레이저 매질에 따라 여러가지 여기매체가 있습니다.
방전 → He-Ne Laser, Ar Laser, Kr Laser, He-Cd Laser 등
전류 → 반도체 Laser
Flash Lamp → Nd:YAG Lser , 루비 Laser, 유리 Laser, 색소 Laser
Laser → 색소 Laser, F center Laser
화학반응 → Chemical Laser(HF Laser, DF Laser 등)
2. 공진기
일반적으로 공진기는 2개의 반사형으로 구성된 Fabry-Perot 간섭계를 사용합니다.
이것은 레이저 매질을 중심으로 양끝에 반사경을 부착시킨 것으로, 평면형과 구면형이 있으며, 보통 구면형의 거울은 반사율이
크기 때문에 고 반사 거울이라 부르며, 출력측의 거울은 출력결합거울(Output Coupler)이라 부릅니다.
(A) 레이저 매질의 양끝에 거울을 부착시킨 공진기로 여기되기 전의 상태.
(B) 여기매체에 따라 대부분의 원자가 여기상태로 이동합니다.
(C) 몇 개의 원자는 자연방출하며 어떤 원자는 외부로 빠져나갑니다. 굵은 화살표 방향으로 이동하는 광자가 다음의 원
     자에 충돌하여 4개의 광자를 방출시킵니다. 이것이 계속해서 일어납니다.
(D) 반사표면까지 도달한 빛은 반사되어 거울면으로 회절되며, 다시 같은 유도방출을 몇 번이고 반복합니다.
(E) 반사할 때의 손실이 레이저의 이득보다 적지 않으면 발진은 성장하며, 여기매체에 의해서 주어지는 에너지를 완전
     히 방출시키기까지 힘은 증대합니다.
     이 때 공진기 내부의 발진광이 일부투과 거울에 의해 누설되며, 방출된 빛이 레이저 빛의 출력이 됩니다.
(A)부터 (E)까지의 과정은 순식간에 일어납니다.
레이저의 종류와 레이저의 매질 (Light Amplification By Stimulated Emission Of Radition)
레이저의 종류는 증폭기 상태에 따라 기체 레이저, 액체 레이저, 고체 레이저, 반도체 레이저 네 가지로 분류하는데, 레이저 조각기는 CO2를 매질로 발진하기 때문에 기체레이저에 속하며, 금속가공용 레이저는 YAG라는 고체 물질을 매질로 하기 때문에 고체 레이저에 속합니다.
1. 기체 레이저
기체 레이저는 균일한 매질이므로 손실이 작기 때문에 공진기를 크게 하면 이들이 좋게 되는 장점이 있습니다.
일반적으로 기체레이저 장치는 규모가 크며 출력은 작아도 연속발진이 가능하고 발진파장의 수가 많아 가간섭성 등이 우수하다는 특징이 있습니다. 여기 방법은 방전이 일반적이며 기타 광여기, 열여기, 화학반응에 의한 여기, 전자빔에 의한 여기 등이 있습니다.
2. 고체 레이저
고체 레이저는 소형장치로부터 큰 출력을 얻을 수 있고 Mode Lock 에서는 단시간에 펄스 빛을 얻을 수 있으며, Q-Switching 발진에서는 Peak Power가 큰 출력을 얻을 수 있다는 특징이 있습니다. 그리고 가시영역에서는 근적외선 영역으로 그 발진파장의 영역이 좁아지기 때문에 가 간섭성이 낮다는 결점이 있습니다.
가장 실용성 있는 고체 레이저로는 다음과 같은 것이 있습니다.
종류 루비레이저 Nd:YAG 레이저 Nd:Glass 레이저
파장 694.3 nm (적) 1,064 μm (근적외) 1.06 μm (근적외)
선폭 0.53 nm 0.67 nm ~20 nm
특징 상온동작의 고체레이저로
유일한 가시광 Q-Switch
발진에 적합하다.
연속발진, 반복 펄스발진에
적합하다. 평균출력이 크다.
광학적으로 균질해서
큰 형상을 얻을 수 있다.
대출력 펄스발진에 적합하다.
3. 액체 레이저
현재 액체 레이저라고 하는 것은 대개가 색소(Dye)레이저 입니다. 색소레이저의 특징은 파장이 거의 연속적으로 변하며 그 영역은 자외선 영역에서 근적외선 영역까지 이릅니다. 파장 영역은 색소를 녹이는 유기용매(에탈렌, 글리콜, 에틸, 메틸) 등에 따라 약간 다르지만 보통 320 nm ~ 1.2 μm 정도입니다.
(Ar Laser, Kr Laser 여기, YAG Laser 여기, N2 Laser 여기, Excimer Laser 여기, Flash Lamp 여기)
4. 반도체 레이저
반도체 레이저의 특징은 전류를 흘리는 것만으로도 레이저 발진을 얻을 수 있고 직접 트랜지스터 회로와 결합시켜 발진이나 변조를 시킬 수 있습니다. 또한 소형으로 신뢰성이 높으며 양산성 등이 우수합니다.
결점으로는 지향성에 결함이 있으며, 출력이 작다는 것 등을 들 수 있습니다. 여기 방법에는 전류여기 외에 광여기, 전자빔 여기 등이 있습니다.
반도체 레이저에는 가시, 근적외, 적외선 영역이 있습니다.