Laser의 이해

[밝은무대]

자료출처 / 청광기획 홈피 레이저의 원리 LASER ( Light Amplification by Simulated Emisson of Radition) 즉 유도방출 과정에 의한 빛의 증폭을 뜻함. 최초의 레이저는 1960년에 휴우즈 항공사의 마이먼에 의해서 발명된 루비 레이저입니다. 이해를 돕기 위해서 빨간색의 빛을 내는 헬륨네온 레이저의 발생과정에 대하여 기술합니다. 헬륨네온 레이저 장치 : 가는 유리관 속에 헬륨과 네온기체를 6:1가량의 비율로서 봉입하고 있다. 유리관의 두끝면에는 정밀한 두장의 반사거울이 나란하게 서로 마주보도록 설치되어있다. 반사거울의 한쪽은 빛을 100% 반사 하지만 다른쪽은 그 빛을 몇%만 투과하도록 되어있다. 또 유리관의 두끝에는 전극이 설치되어있다. 이 전극에 전압을 걸면 음극에서 전자가 튀어나와 양극으로 간다. 그 도중에 전자는 비교적 수가 많은 헬륨 원자를 들뜨게 한다. 들뜬 헬륨원자는 관속을 자유로이 운동하고 있는 동안에 네온원자와 충돌한다. 이때 헬륨 원자는 여분의 에너지를 네온원자에게 주게되어 네온 원자는 들뜨게 된다. 들뜬 네온 원자가 차츰 늘어나서, 그수가 바닥상태에 있는 원자보다도 많아지면 반전 분포가 실현된다. 그리고 이때, 들뜬 네온 원자들 가운데 하나가 어떤 계기로 빛을 방출하고 바닥상태로 되돌아간다. 이때 방출된 빛에 의해 다른 들뜬 네온 원자도 차례차례로 유도방출이 일어난다. 빛은 관을 따라 진행하면서 증폭하여 관의 끝에 도달한다. 이빛은 거울에 반사되고 다시 관속을 지나면서 증폭되고 반대쪽의 반사 거울에 도달한다. 이렇게 하여 빛은 관속을 몇 번이고 왕복하면서 증폭되어 차츰 강해진다. 이 빛이 충분히 강해지면 몇%만의 빛을 투과하도록 만들어진 한쪽의 반사 거울에서 위상이 갖추어진 빛이 나오게 된다. 이렇게 하여 꺼내게 된 것이 레이저 광이다. 반전분포(反轉分布) : 높은 에너지 준위에 있는 원자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 전자의 수보다 많은 경우 레이저의 역사 원자에서 빛의 흡수와 방출에 대한 이론 :물리학자 이인슈타인은 레이저 발진에서 중요한 자극방출(유도방출)의 개념을 포함하여 원자에서 빛의 흡수와 방출에 대한 이론을 1917년 발표하여 레이저의 가능성을 열었다. 메이저 (Maser) : Maser는 Microwave amplication by the stimulated emission of radition (복사의 자븍방출에 의한 마이크로파의 증폭)의 머릿글자를 딴 것이다. 레이저 (Laser) : 1960년에 세계최초의 레이저인 루비레이저를 Maiman이 발진, 1961년에 Javan, Bennett, Herriott에 의해 최초의 기체 레이저인 헬륨-네온 레이저가 발진 되었다. 레이저의 용도 홀로그래피 (Holography) 광통신 (Optical communication) 산업적 응용 ( Marking, Welding, Driling, Scribing) 의학적 응용 엑시머(Eximer)레이저 ArF(193nm), KrF(248nm) XeF(351nm)등 기타 응용 (거리측정기, 레이저 병기, 핵융합 ...) 레이저의 발진원리 Bohr의 원자모형에서와 같이 모든 원자들은 원자핵을 중심으로 하여 일정한 궤도에 전자들이 선회하는데 외부의 특별한 충격이 없는 한 안정된 상태로 머물러 잇는 이러한 원자에 일정한 값을 갖는 에너지를 줌으로써 (Pumping) 반전분포상태를 만들어 빛의 방출을 유도하고 증폭시키는 원리. 빛의 생성과 소멸 - Bohr의 원자모형 : 빛의 발생에 대한 이론이 확립된 것은 1913년 덴마크의 보어(N.Bohr)에 의해서였다. 보어는 전자가 핵 주위를 돌때 곳에서나 있을 수 있는 것이 아니고 특별히 안정된 궤도가 있어서 전자는 그 궤도에서만 존재 할 수 있으며, 어떤 궤도에서 핵에 더 가까운 궤도로 전자가 떨어지면 전자의 에너지가 줄어드는데 줄어든 에너지량 만큼 빛으로 방출 된다는 사실을 알아낸 것이다. - 빛의 생성 (빛의 방출) : 전자는 핵주위를 특별히 안정된 궤도 안에서 돌게되는데 어떤 궤도에서 핵의 더 가까운곳으로 전자가 떨어지면 전자의 에너지가 줄어들고 줄어든 에너지 만큼 빛으로 방출된다. - 빛의 소멸 (빛의 흡수) : 핵 가까운 궤도에 있던 전자가 입사하는 빛에너지를 받아 먼 궤도로 뛰어오르는데 이 과정을 흡수라 하고, 빛에너지를 전자에게 전달하게된다. 유도방출과 빛의 증폭 - 자연방출 : 원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 네너지 상태로 내려가면 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출 한다. 전자는 아래 궤도에 전자가 적어 그 자리가 비어 있을 때만 떨어질 수 있고 이 과정에서 빛이 발생하는데 이것을 자발방출 이라 한다. - 유도방출 : 원자가 높은 에너지 상태에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 방출하게 되는데이 빛은 입사하는 빛과 같은 방향과 같은 위상을 갖게된다. - 상태밀도반전 : 결 맞은 빛을 방출(빛의증폭) 하기 위해서는 대부분의 빛을 자극에 의한 방출로 채워야 하고(유도방출) 그렇게 하기 위해서는 높은 에너지준위에 있는원자의 수를 많게 해야한다. 이를 밀도반전이라고 하는데 레이저 발진에 있어서 필수적인 요건에 해당 된다. - 펌핑 : 일반적으로 열적평형상태에서는 낮은 궤도에 전자를 가진 원자수가 높은궤도의 원자수보다 항상 많다. 따라서 밀도반전이 일어나서 빛을 증폭하려면 우리가 인위적으로 밀도반전 조건을 만들어 주지 않으면 안된다. 이 조건중 위쪽의 궤도에 전자가 많도록 외부에서 에너지를 가하는 것을 펌핑 이라고 한다, - 준위계 : 레이저 작용을 일으키기 위한 요구 조건중의 하나는 준 안정의 들뜬 상태가 있어야 한다. 이 준 안정의 들뜬 상태는 유도방출 에 참여할 수 있을 정도의 긴 수명을 가져야 한다. 즉 원자나 분자는 에너지를 흡수한 후 급속히 최고 준위의 여기샅애네 도달 했다가 오래 체류하지 못하고 그 아래의 여기상태(준 안정상태)로 이동한다, 광자의 방출은 이 준 안정상태 에서 기저상태로 이동시 발생하며 이렇게 3개의 레벨을 갖는 레이저를 3준위 레이저라 부른다. 레이저 광의 특징 (1) 지향성(指向性 , Directivity) ; 빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 어느 정도 직진하는가를 말한다. 예를들어 회중전등빛과 레이저빛을 비교해 보면 회중전등빛은 빛이 진행함에 따라서 빛이 점차 넓어지지만 레이저빛은 거의 넓어지지 않은 채 진행한다. (2) 단색성(Monochromaticity) ; 이것은 여러가지 빛이 혼합되어 있지 않고 어느 정도의 순수한 단일 광인가를 나타내는 것이다. 단색성이란 순수한 단일 주파수 즉 한개의 주파수에의 접근 여부를 말하는 것이다. (3) 간섭성(Coherence) ; 간섭이란 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪히면 곧 간섭을 일으킨다. 그러나 햇빛과 같은 일반적인 빛은 주파수도, 위상도 가지각색이므로 간섭이 일어나기 어렵다. (4) 에너지 집중도 및 고휘도성(Brightness) ; 태양빛을 렌즈에 집중시키면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 태운다. 레이저 종류 사용 매질에 따른 분류 - 고체 레이저 ND;YAG(1064nm), 루비(694nm), 유리, KCl, RbCl등 - 기체 레이저 He-Ne(362.8nm), Ar(488nm), CO2(10600nm), Kr, N2 등 - 액체 레이저 색소레이저(가시광선) - 반도체 레이저 GaAs(850nm), Inp, InAs등 출력되는 빛의 파장에 따른 분류 - 자외선 레이저, 가시광선 레이저, 적외선 레이저 외부에서 공급해 주는 에너지 종류에 따른 분류 - 광 펌핑 레이저, 전기 펌핑 레이저, 화학 펌핑 레이저 레이저 조명 여러 빛깔의 레이저 광선을 고도의 Scanning기술을 이용하여 무대 공간에 임의의 모양을 연출한다. 레이저 조명으로 그래픽,도형,문자,직선빔(반사거울이용)이용하여 이벤트에 알맞는 조명을 하게 되는데 여기에는 거울 반사조명,스크린조명,공간조명등이 있습니다. 거울반사조명 : 무대의 벽면에 반사거울을 조화있게 설치하고, 레이저빔을 무대전체를 고속으로 투사하면 그물 모양의 무대 전체를 덮는 천정효과를 감상할수 있다. 스크린조명 : 스크린등 벽면에 화상을 투영한 2차원적인 영상표현을 말하며 지향적이고 다채로운 레이저 빔을 고속 스캐닝하여 여러가지 문자, 그래픽 형상을 포함할수 있다. 아울러 고속 스캐너와 컴퓨터가 조화하여 추상적인 패턴 변화와 기하학적인 효과를 이용하여 레이저 조명 특유의 다각적인 기법으로 연출효과를 한층더 돋보이게 할것이다. 공간조명 : 무대의 임의의 공간에 레이저 광선을 3차원적으로 공간에 조명을 한다. 작업과정 1) PLANNING - 이벤트 행사 진행에 관해서 현장의 상황을 고려해 연출 방향은 연출자및 스텝간에 협의한다. 2) CONTINUITY - SCREEN DISPLAY가 포함된 경우 어떤 메시지, 그래픽을 표현 할것인가? 순서와 시간 간격에 대하여 구체적으로 검토하여 CONTI를 작성한다. 3) ANIMATION - CONTI를 기준으로 원화(문자,로고)등을 그리고 애니메이션인 경우 다수의 원화를 자연스럽게 합성한다. 4) PROGRAM - 완성된 원화를 디지타이저를 사용하여 컴퓨터에 입력하고 DATA를 순차적으로 연결하여 프로그램을 실행한다. 5) SETUP - 구성된 계획을 토대로 시스템을 셋업, 최대의 효과를 위하여 시스템을 조정하여 완벽한 준비를 한다. 6) OPERATION - 행사 리허설시 객 스텝들과 합의 사항을 토대로 시스템 운용한다.