(1) 에너지원(Energy source)

표 3-6-C-1. 펌핑방식에 따른 레이저의 종류 

 유도방출 과정에 의해 증폭된 빛인 레이저를 방출하려면 높은 에너지 준위에 있는 원자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 수보다 더 많게 되는 밀도반전(population inversion)이 이루어져야 한다. 일반적으로 열적 평형상태에서는 낮은 에너지 준위에 있는 원자 수가 높은 에너지 준위에 있는 원자 수보다 적을 수 없으므로, 자연상태에서는 낮은 에너지 준위의 원자 수가 높은 에너지 준위의 원자 수보다 항상 많다. 따라서 밀도반전이 일어나서 빛이 증폭되려면 인위적으로 밀도반전의 조건을 만들어 주어야 하며, 이는 레이저 매질에 에너지를 펌핑(pumping)시킴으로써 가능하다. 이처럼 레이저 매질 속에서 밀도반전을 발생시킬 수 있는 외부 에너지원을 펌프 혹은 펌핑시스템이라고 한다.

 밀도반전의 상태에서는 에너지를 방출하는 들뜬 원자의 밀도가 안정된 원자의 밀도보다 커지게 되며, 이때 충분한 에너지를 가진 광자가 외부에서 날아와 원자와 충돌하게 되면 충돌한 광자와 동일한 에너지를 가진 광자가 튀어나오게 된다. 이 광자들이 다른 원자들과 연달아 충돌하면서 다시 광자들이 튀어나와 광자의 수가 눈덩이처럼 커지게 되고, 매질의 양끝에 존재하는 공진기 거울에 반사되어 증폭되면서 마침내 광자들의 눈사태가 일어나듯 공진기 밖으로 튀어나오게 된다.

 펌핑방식(여기방법)에 있어서, 레이저 매질에 작용하여 그 원자들을 들뜨게 하고 필요한 만큼 밀도반전을 이룰 정도의 에너지 공급이 가능하다면 광학적, 전기적, 화학적 또는 열적 방법이 모두 가능하다. 1960년 Maiman에 의해 개발된 최초의 루비레이저는 루비 막대에 있는 불순물인 크롬 원자를 들뜨게 하기 위해 나선형의 플래시램프(섬광램프, flash lamp)를 이용한 광학적 펌핑을 시도하여 성공한 것이다. 헬륨네온레이저, CO₂레이저와 같은 기체 레이저의 경우에 가장 흔하게 사용되는 펌핑 방식은 전기적 방전이다. 하지만 고출력 CO₂레이저는 때로는 전자빔(electron beam)이나 기체동력학적(gas dynamic process) 펌핑을 하기도 한다. 액체 매질의 펄스색소레이저(PDL)나 흔히 사용되는 고체 매질의 레이저들의 경우는 주로 플래시램프나 다른 펌핑용 레이저를 사용한다. 다이오드레이저는 근본적으로 다른 매질을 가지지만, 광출력은 다이오드를 펌핑하기 위한 주입 전류의 변화를 통해 손쉽게 변조될 수 있다.

 

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레이저의 구조와 원리