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레이저의 동작원리는 1917년 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어서 유도방출 과정이 있음을 이론적으로 보인 것이 시초입니다. 그러나 그 후 20여년이 지난 1950년대 초반 미국대학의 타운즈(C. Townes)가 암모니아에서 마이크로파의 유도방출이 실험적으로 가능함을 보였으며(maser), 곧이어 가시광 영역에도 유도방출에 의한 빛의 증폭이 가능함이 타운즈와 샬로우(A.Schawlow)의 연구에서 밝혀졌고, 실제로 1960년 휴즈(Hughes) 연구소의 마이먼(Theodore H. Maiman)에 의해 가시광 영역인 694.3nm의 붉은색인 루비레이저광이 최초로 발진되었습니다. 그는 보석의 하나인 루비(ruby)를 나선형 플래쉬 램프 가운데 삽입하고 그 플래쉬 램프를 터뜨려 센 빛을 루비에 입사시킴으로서 레이저의 발진에 성공한 것입니다. 그는 이 성공으로 1964년 노벨 물리학상을 수상하였습니다.
루비 레이저 발진 직후 레이저의 연구는 가히 폭발적이라 할만큼 활발하여 1960년대에는 현재 중요하게 응용되는 대부분의 레이저가 개발되기에 이르렀고, 70년대와 80년대에는 레이저 자체의 연구 외에도 레이저의 응용연구가 많은 비중을 차지하여 오늘날 다양한 방면에서 레이저가 필수적인 장치로 각광을 받고 있습니다.
이런 과정을 통하여 우리는 단색성이 뛰어나고, 위상이 고르고 간섭을 받기 쉬우며, 퍼지지 않고 곧바로 나아가며 집광성이 좋고, 에너지 밀도가 큰 환상적인 레이저광을 의료분야에도 이용하게 되었습니다.
레이저 광은 전파나 X선과 같이 전자파입니다. 현재까지 파장이 수 mm 부터 수십 nm(나노미터)의 넓은 범위에서 레이저가 개발되어 있습니다. 파장 범위로 보자면 전파(파장이 약 30Km부터 1mm, 주파수로는 약 10kHz부터 30GHz까지)와 X선(파장이 10nm 이하) 사이의 영역입니다.
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레이저의 발명에 초석이 된 중요한 연구로서 다음과 같은 연구들이 진행되었습니다.
◎ 광의 입자성 개념 : 1905년
- 광 에너지는 광의 주파수 ν에 플랑크 상수 h를 곱한 양입니다. 광의 파동성과 입자성을 관계지은 개념을 아인슈타인이 제안하였습니다.
◎ 유도 방출 이론 : 1917년
- 아인슈타인은 자연 방출 계수 A와 유도 방출 계수 B의 비가 광의 주파수 의 3제곱에 비례한다는 것을 이론적으로 구하였습니다.
◎ 여기상태 원자 밀도의 측정 : 1933년
- "유도 방출"을 이용한 전자파를 증폭한다는 개념은 1950년대초 미국의 웨버와 타운스, 구 소련의 바소프와 프로코프 등에 의하여 제안되었습니다.
메이저의 탄생
- 1964년 미국의 타운스, 소련의 바소프와 프로코프는 메이저의 원리를 발명한 것으로 노벨상을 수상하였습니다. 메이저란, Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자로 MASER가 된 합성어 입니다. 이는 "방사의 유도방출에 의한 마이크로파 증폭"을 의미 합니다. 앞에서 언급한 유도방출이 전자파의 증폭에 의해 등장한 것입니다.
- 1954년에 최초로 만들어진 메이저는 암모니아 기체 분자의 낮은 에너지 준위를 이용하는 것으로서 상하 에너지 준위의 차는 주파수로 나타내면 23,870MHz, 파장으로는 약 1.25cm가 됩니다.
- 타운즈는 에너지가 높은 상태의 분자를 낮은 상태의 분자로부터 분리하는 방법에 신경을 쓰고 있었습니다. 암모니아 분자를 빔(beam)의 형태로 진공중에 분출시키고 그 빔에 전계를 가하면 높은 에너지 상태의 분자는 고전계의 영역으로부터 저전계의 영역으로 이동하게 됩니다. 낮은 에너지 상태의 분자는 역방향으로 운동합니다. 그러므로 전계를 가한 영역을 통과한 분자 빔에서는 높은 에너지를 가진 여기분자만의 빔을 그렇지 않은 빔과 구별하는 것이 가능하게 됩니다. 이 분자 빔이 통과하는 곳에 23,870MHz의 전자파에 공명하는 금속상자를 놓으면 이 공명기 내에 자연방출의 빛을 전자파의 씨앗으로 이용하여 유도방출이 진행되면서 메이저는 발진기로서 작동하게 됩니다. 그러나 이러한 메이저는 출력이 매우 낮아 10억분의 1W 정도 밖에 되지 않지만 분자의 기본적인 성질을 전자파의 발생에 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있게 하였습니다.
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- 레이저는 앞서의 메이저가 전파의 영역에서 성공한 것에 비하여 상당히 높은 주파수의 전자파 즉 빛의 파장에서 작동합니다. 초기 레이저는 광메이저라고 불리우기도 했지만 현재는 레이저라고 부르고 있습니다. 어원은 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자를 합성한 것입니다. 메이저의 성공은 빛의 증폭이나 발진의 연구를 강하게 자극하여 많은 연구자가 열광적으로 이 분야의 연구에 뛰어 들게 만들었습니다. 1958년에 샬로우와 타운스가 광 발진기의 가능성에 관한 이론을 발표하였습니다. 레이저가 실현된 것은 그로부터 1년반 후로 1960년 중반 미국의 메이만이 그 영예를 갖게 되었습니다. 그는 루비 결정을 사용하여 파장 6,943Å의 적색광을 발생시키는 데 성공하였습니다. 이로부터 레이저의 역사가 열리게 되었습니다. 처음의 샬로우 등의 이론적인 제안은 기체를 사용하여 연속적으로 발진을 지속시킨다는 생각이었으나, 메이만의 방법은 다르게 투명 사파이어에 약간의 크롬이 용해되어 있는 루비 고체결정 막대의 주위에 방전관으로 순간적으로 빛을 비추는 방법을 이용하여 펄스로 레이저의 발진을 일으키는 데 성공하였습니다. 이 성공에 뒤이어 1960년말 자반이 헬륨네온의 혼합 가스를 이용하여 발진에 성공하여 연속적으로 출력이 유지되는 기체 레이저가 실현되었습니다. 이후 격렬한 레이저 발진 경쟁이 일어나 1962년에는 반도체 레이저가, 뒤이어 유기 액체 레이저, 색소 레이저가 발진하여 1970년경까지는 발진 스펙트럼의 폭을 확장시키는 탐색연구는 거의 마무리 되었습니다.
- 레이저의 동작원리는 메이저와 같습니다. 그러나 많은 사람들이 열광한 것은 무엇인가 새로운 매력이 있기 때문이었는데 그것은 레이저가 자연계에는 존재하지 않은 새로운 빛을 제공한다고 하는 코히어런트(Coherent)한 빛을 낸다는 점이었습니다.
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| 1958 |
레이저의 제안 |
A.L.Schawlow.C.H.Townes |
| 1960 |
루비 |
T.H.Maiman |
| 1960 |
헬륨=네온 |
A.Javan,W.R.Bennet,D.R.Herriott |
| 1962 |
Nd:유리 |
E.Snitzer |
| 1962 |
반도체 |
M.I.Nathan |
| 1964 |
탄산가스 |
C.K.N. Patel |
| 1964 |
Nd:YAG |
J.E.Geusic |
| 1964 |
아르곤 이온 |
W.B.Bridges |
| 1965 |
컬러센터 |
B.Fritz,E.Menke |
| 1966 |
질소 |
L.E.S.Mathias,J.T.Parker |
| 1966 |
색소 |
P.P.Sorokin |
| 1967 |
화학 |
J.V.V.Kasper,G.C.Pimentel |
| 1975 |
엑시머 |
S.K.Searles,G.A.Hart |
| 1976 |
자유전자 |
L.R.Elias |
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