제1장. 레이저의 역사 1. 레이저의 발명

제1장. 레이저의 역사

1. 레이저의 발명

사진 1-1. 레이저 시술

 

 1900년 Max Planck의 양자론(quantum theory)은 에너지의 방사 및 흡수는 양자(量子)라고 부르는 확정량(確定量)에서 일어나며, 양자는 E=hν(h는 Planck정수, ν는 방사의 진동수)로 결정되는 가변량(可變量)이라는 설로서, 흑체법칙에 대한 연구를 하면서 시작이 되었지만, 많은 다른 분야에도 적용되는 것으로 밝혀지면서 현대 물리학 연구의 가장 중요한 길잡이가 되었다. 특히 레이저는 1916년 Einstein이 양자론에 관한 논문에서 언급한 유도방출(Einstrahlung: stimulated emission)의 개념을 근거로 발전하게 되었다.

 1928년 Kopfermann과 Ladenburg는 유도방출에 대한 간접 증거를 보고하였으나, 당시의 물리학자들은 이를 별로 실용적 가치가 없는 것으로 평가하였다. 1940년 Fabrikant는 기체 방전 내 유도방출이 적절한 조건 아래에서 빛을 증폭시킬 수 있을 것으로 제안하였지만, 공진기를 특정하지 않았고 오랫동안 그의 제안에 대해 추적 검토되지 않았다.

 1950년 Lamb Jr.와 Retherford는 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)에 의한 밀도반전(population inversions)을 실현하였고, Purcell과 Pound는 50kHz radio waves의 유도방출을 관찰하기 위해 그 효과를 사용하였다. 1951년 Townes는 다음 단계로 마이크로파 진동수에서 유도방출이 공진 공동(resonant cavity) 내에서 진동하여 coherent output을 생성할 수 있다고 제안하였고, 1954년에 비로소 Townes 등이 Einstein의 학설에 기초를 두고 레이저의 전 단계인 메이저(MASER: microwave amplification by stimulated emission of radiation)를 개발하고 Physical Review지에 처음 기고하기에 이르렀고, 같은 시기에 독자적으로 소련의 Basov과 Prokhorov 역시 메이저 개발에 핵심적인 연구를 수행하였으며, 이 세 사람은 1964년 MASER-LASER 원리에 기초한 발진기와 증폭기의 개발이라는 양자전자공학의 중요한 연구에 대한 업적으로 노벨 물리학상을 공동 수상하게 된다.

 MASER는 그 이름이 말해주듯이 강력한 마이크로파를 생성하는 장치이다. 그것은 물질과 복사에너지의 양자역학적인 상호작용을 직접 적용하는 그 당시에는 다소 새로운 방식으로 등장하였다. 하지만 많은 사람들이 회의적으로 보았던 Townes의 메이저가 작동하기 시작하면서, 이후 몇 년간 Townes를 포함한 물리학자들은 마이크로파가 아니라 빛의 형태로 에너지를 방출할 수 있는 개량형 연구에 몰두했다. 마침내 1958년 Townes와 Schawlow는 메이저를 가시광선 영역으로 적용시킨 소위 'Optical Maser'에 대해 자세히 기고하였고, 이는 'coherent light source'를 만들고자 하는 많은 과학자들의 꿈의 레이스에 불을 당겼다.

 한편 1958년 Makov 등은 루비를 이용한 고체 메이저를 개발하였다. Townes의 메이저는 암모니아 분자를 사용하여 분자의 특성을 이용해 마이크로파를 증폭시켰는데 커다란 진공실이 필요하며 출력도 낮았으나, 고체 메이저는 고체 속의 이온이 가지는 고유진동수를 이용해 분자 메이저보다 훨씬 강력한 성능을 보였다. 하지만 고체 메이저를 작동시키려면 극저온으로 냉각시켜야 했고 강한 영구 자기장이 필요했다.

 'LASER(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)'라는 합성어가 1959년 Gould의 conference paper를 통해 처음 대중에게 소개되었으며, 수많은 연구자들을 제치고 드디어 1960년 5월 16일 Maiman은 플래시램프로부터의 강한 빛을 이용하여 루비크리스탈을 자극함으로써 693.7nm의 레이저 빔을 최초로 발사하는 역사적인 영예를 안게 되었다.

 1961년 Hellwarth과 McClung은 기가와트 에너지의 최대출력이 방출될 수 있도록 전자광학셔터를 사용하여 펄스길이를 나노초로 짧게 만드는 큐스위칭(Q-switching) 테크닉을 소개하였다. 한편 Maiman의 성공은 빠른 속도로 다른 여러 가지 레이저의 개발이 이루어지도록 하는 계기가 되었다. 두 번째 레이저로서 우라늄(Uranium in CaF2)레이저가 Sorokin과 Stevenson에 의해 제작되었으나 실용화되지 못하였고, 같은 해 후반에는 Javan 등이 연속발진 헬륨-네온 기체레이저의 동작에 성공하였으며, 1962년 Hall에 의해 첫 번째 반도체레이저가 제작되었다. 1964년 Patel이 CO₂레이저를 개발하였고, Geusic 등에 의해 엔디야그레이저가 만들어졌으며, Bridges에 의해 아르곤레이저가 개발되었다.

 새로운 레이저들의 개발과 함께 여러 회사들이 상업적으로 레이저 제품을 팔기도 하고 연구개발을 계약하기 위해 빠르게 레이저 마켓으로 몰려들었고, 초기의 레이저 회사들로는 Hughes Aircraft, American Optical, TRG, AT&T 그리고 Raytheon 등이 알려져 있다. 이후 엑시머레이저(Basov 등, 1970), 어븀야그레이저(Zharikov 등 1974), 알렉산드라이트레이저(Walling 등, 1980) 등을 비롯한 다양한 레이저들이 개발되었으며, 현재 의료 분야에서도 활발하게 사용되고 있다. 

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레이저의 구조와 원리