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6.1 자연광과 레이저광

6.2 레이저 광의 특성

6.3 레이저의 원리

6.3.1 원자의 에너지 준위과 광의 방출

6.3.2 유도 방출과 유도 흡수

6.3.3 아인슈타인 관계식

6.3.4 이득계수

6.3.5 반전분포

6.3.6 레이저의 발진

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- LASER

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

레이저란?

유도방출에 의한 빛의 증폭이며 원자들이 들뜬 상태에서 안정화되면서 빛을 내는 것을 이용함

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레이저의 특징

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레이저의 구성 요소

• Pumping source : 외부 에너지 공급원, 광학적, 화학적, 전기적 에너지원으로 다양. • Laser medium : 레이저의 파장을 결정하는 물질 • Resonator(Cavity) : 이상적으로는 100% 반사경과 100%이하의 반사경으로 구성. 일반적으로 한쪽은 High reflection coating을 반대쪽은 Anti reflection coating을 실시하여 공진기 구조를 형성시킴

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레이저의 동작 원리

(a) 바닥 상태(E1)의 원자가 pumping source로부터 에너지를 공급받아 들뜬 상태(E3)가 된다 (b) 들뜬 상태(E3)의 원자는 준안정 상태(E2)로 전이한다 (c) 바닥 상태(E1)의 원자 수보다 준안정 상태(E2)의 원자 수가 커지는 밀도반전 상태가 된다 (d) 외부 자극에 의해 원자가 준안정 상태(E2)에서 바닥 상태(E1)으로 전이하면서 레이저가 발진된다

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이득매질에 따른 레이저의 종류

→ 이득매질이 고체 상태로 single crystal, glass, ceramic crystal로 분류됨 → 주로 광펌핑에 의해 여기됨 → 장점 : 고출력이 용이함, 종류가 다양함 → 단점 : 가격이 비싸고, 냉각이 힘듦

• Solid-state laser

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• Single crystal laser

→ 이득 매질이 단결정인 레이저를 의미함 → 높은 열전도성으로 냉각이 쉬우며, 좁은 flourescence linewidth 즉, 단색성이 높아지며, 일부 단결정은 매우 단단함 → Optical quality와 active ion의 도핑 균일성이 떨어지며, 흡수할 수 있는 pumping source의 파장 영역이 제한됨

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• Glass laser

→ Glass에 active ion을 도핑하여 만든 레이저

→ Glass이므로 크게 만들기 쉬우며, optical quality가 좋음

→ 열에 의한 영향을 많이 받는 특성이 있어 thermal birefringence현상

및 thermal lens현상 등이 발생하며 냉각이 어렵다

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• 주요 solid state laser

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Fiber 레이저

→ Active ion이 도핑된 광섬유로 이루어진 레이저

→ 높은 optical quality를 가지며, 소형, 경량화에 용이함

→ 효율이 우수하며 laser cutting , welding 등 가공에 사용하기 용이함

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Gas 레이저

→ 이득매질이 기체인 레이저로 chemical laser, excimer laser 등도

gas 레이저에 분류됨

→ 이득매질이 저렴하며, 이득매질이 잘 손상되지 않음

→ 열이 잘 누적되지 않음

→ 이득매질의 부피가 크다는 단점이 있음

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주요 gas laser 종류

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5.1. 자연광과 레이저광

자연광 : 어떤 에너지를 갖고 있는 원자나 분자가 자연적으로 내는 광

(ex.태양광)

레이저광 : 원자나 분자가 광을 내는 과정에 있어서 외부에서 제어하고

자연적으로는 존재하지 않았던 광

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자연광과 레이저광의 차이점

① 레이저광은 스펙트럼 폭이 ‘0’에 가까운 선스펙트럼을 갖는 단색광 다른 파장 성분을 전혀 포함하지 않는 순수한 광파로 프리즘을 통과 하여도 분산이 일어나지 않음.

② 레이저광은 평행광선 무한 거리에 있는 점광원에서 방사한 광에 해당되며, 기하광학적으로는 레이저광을 렌즈로 집광시키면 한 점에 모인다는 의미

그림 6.1 (a) 레이저광, (b) 자연광

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③ 레이저광은 거의 퍼지지 않는 상태로 직진 : 순수한 단색의 평행광선이기 때문

④ 레이저광은 순수하게 정현파적으로 진동하는 광파. : 위상과 주파수를 가진 연속적인 파동

그림 6.2 (a) 레이저광 파형, (b) 자연광 파형

레이저광 : 가간섭(coherence)광 자연광 : 비가간섭광

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5.2. 레이저광의 특성

1) 단색성 : 단일 스펙트럼 선, 단일 파장

2) 지향성 : 일직선으로 진행.

)직경 레이저광의(

)파장()발산각(

Dd

λθ ≅

)103.6()101(

)100.6328( 4

3

-6

radmD

md

−−

×=×=

×= θλ(예)

빔의 직경이 클수록 높은 평행도를 얻을 수 있음.

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3) 에너지 밀도와 밝기

레이저의 효율 : 수% ~ 40% He-Ne 레이저의 경우 출력 : ~75mW 정도 대형 Nd：YAG 레이저의 경우 : 2.4kW 정도 초대형 CO2 레이저의 경우 : 45kW 정도

광의 에너지 밀도 : 레이저광은 지향성이 좋기 때문에 초점거리가 짧은 렌즈를 사용하면 파장의 수 배 이내의 직경으로 집속 가능 -> 에너지 밀도(=단위 면적당 출력) 증가

광의 밝기 : 단색성이므로 출력이 작아도 밝기가 좋음.

4) 초단 광펄스

레이저광은 진폭과 위상이 거의 일정하도록 발진시킬 수 있고, 고속으로 변화시킬수도 있음, 마이크로파 주파수대인 진폭 변조나 주파수 변조도 가능

펄스 레이저 : 1ns 이하의 좁은 펄스 폭 또는 수 ps의 극초단 광펄스로 단시간 측정도 가능

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6.3. 레이저의 원리

레이저(LASER) : 유도 방출에 의해 광을 발진 또는 증폭시키는 장치

6.3.1 원자의 에너지준위와 광의 방출

- 모든 물질은 원자에 의해 구성 - 각 원자는 보어(Bohr)의 원자모형(원자핵과 그 주위를 도는 전자군)

으로 구성되어 각자의 에너지를 갖음.

- 원자핵 주위를 도는 전자는 일정한 반경을 갖는 특정한 궤도만이 허용

플랑크상수):h 양의정수,:n

궤도길이,:2πr 속도,:v 전자의질량,:m(

2 nhrmv =π

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펌핑(pumping) : 전자나 원자에 에너지를 주는 것 원자의 첫 번째 궤도를 도는 전자에 외부에서 다른 전자를 충돌시키는 등 에너지를 가하면, 전자는 보다 바깥쪽의 궤도로 이동. 전자가 에너지를 얻어 여기된 준위에 오르게 되어 원자의 에너지상태가

높아질 경우 전자는 여기된 상태(여기된 원자) 여기된 원자는 여기된 상태에 있던 전자가 그 에너지를 외부로 방출하며,

더 낮은 여기된준위로 떨어질 때 그 에너지가 감소

그림 6.4 전자 여기

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에너지준위 E1, E2를 갖는 원자에 외부에서 진동수 ν인 전자파(빛)를 입사시키면, 원자는 그 광의 에너지를 흡수하여 에너지준위 E1에서 E2로 들뜨게 됨.

여기된 에너지준위 E2에 있는 원자는 일반적으로 불안정, 짧은 시간에 안정한 상태인 E1준위로 천이.

에너지 차에 해당하는 에너지를 갖는 광자가 외부에 방출.

자연방출(spontaneous emission) : 무수한 원자로부터 무질서하게 방출되어 위상도 파장도 고르지 못한 비가간섭광.

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6.3.2 유도방출과 유도흡수

유도흡수(stimulated absorption)

- E1준위에 있는 원자에 진동수 ν인 빛을 입사하면, 원자는 광자를 흡수하여

상위 에너지준위 E2로 전이할 확률이 높아짐.

- 이때 입사광의 에너지는 유도흡수가 일어날 수 있을 만큼 충분히 커야 함.

- 상위 에너지준위로 여기된 원자는 매우 짧은 시간(수 ns) 내에 흡수한

광자에너지 hν21=E2-E1을 방출하고 다시 E1준위로 전이

유도방출(stimulated emission)

- 유도방출에 의해 나타나는 광자는 유도한 광자와 똑같은 에너지를 갖음.

- 두 개의 광자에 관계된 파동은 같은 위상(in Phase)과 편광상태를 가짐.

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6.3.3 아인슈타인 관계식

E1과 E2의 순간적인 전자의 분포 : N1, N2

E2

E1 N1

N2

열평형상태 : N1과 N2의 분포를 일정하게 유지 즉 위로의 전이 비율(E1→E2)=아래로의 전이비율(E2→E1)

B21, A21, B12 : 비례상수(아인슈타인 계수)

N2 : E2에서의 전자 수

N1 : E1에서의 전자 수

ρ(hν) : 광에너지 밀도

212212121

자연방출율유도방출율흡수율

ANBNBN +=+=

νν ρρ

−

=

=

−

=−

1

/

1

)(

212

121

2121

212

212

121212

212212121

BN

BN

BA

ANBN

BNBN

ANBNBN

ν

ν

ν

ρ

ρ

ρ

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]/)exp[( 12

2

1 kTEEN

N−=

볼쯔만 분포에 따르면

−

=1)/exp(

/

21

12

2121

kThB

B

BA

νρν

이 계는 평형상태이므로 원자들의 집합 내에서의 방사는 흑체복사(blackbody radiation)와 동일

−

=1)/exp(

183

3

kThc

h

ννπρν

아인슈타인 관계식 3

3

21212112

8 ,

c

hBABB

νπ==

1exp8

유도방출율

자연방출율3

3

212

212 −

====

kT

h

c

h

BN

ANR

νρ

νπρ νν

-> 열평형 상태에서의 자연방출은 유도방출에 비해 비교할 수 없을 정도로 크며, 인가한 광선의 주파수가 증가할수록 더욱 뚜렷해진다.

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6.3.4 이득계수

흡수 계수(absorption coefficient) : α

그림 6.7 흡수매질을 지나는 단색광

-> 열평형 상태에서는 N1≫N2이며, 빛의 조사량은 매질을 통과함에 따라

지수함수적으로 감소

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N2 ≫ N1 : α는 음수가 되고 따라서 빛은 지수함수적으로 증가

k: 이득계수(=-α)

이득계수

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6.3.5 반전분포

에너지 준위 E2, E1(E2＞E1)에 존재하는 입자밀도 N2, N1은 열평형 상태에서는 Boltzman 분포에 따라

]/)(exp[ 12

1

2 kTEEN

N−−=

(a) 열평형상태 (b) 밀도반전 후

그림 6.8 에너지준위계의 밀도

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인위적인 방법으로 N2＞N1인 상태를 실현(반전분포).

-> 입사광과 진동수 및 위상이 동일하고 같은 방향을 향하는 유도방출

펌핑(pumping)

: 외부로부터 에너지(광, 열, 전기)를 공급하여 반전상태로 들뜨게 하는 것

3-에너지 준위계에서 에너지 준위 밀도

(a) 펌핑 전 분포 (b) 펌핑 후 전이

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4-에너지 준위계에서 에너지 준위 밀도

(a) 펌핑 전 분포 (b) 펌핑 후 전이

펑핌에 의해 원자들은 바닥준위 E0에서 E3로 들뜨게 되고 빠른 시간 내에 준안정준위 E2로 전이. 따라서 E2와 E1 사이에는 반전분포가 성립하게 됨.

E1으로부터 E0로의 전이시간이 매우 짧다면 반전분포는 쉽게 유지.

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6.3.6 레이저의 발진

레이저의 구성

- 유도방출을 실현하기 위한 일반적으로 증폭을 행하는 활성매질. - 이로부터 나온 빛을 활성매질에 귀환시키기 위한 공진기로서 구성

- 원자가 들떠서 반전분포상태가 지속되고 있는 매질의 양끝에 두 장의

평행한 반사경을 배치

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그림 6.11 유도방출에 의한 발진