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레이저(Laser)란 "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"이란 영어의 각 단어 머리글자를 따서 조합한 합성어로서 직역하면 "유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭"이란 뜻입니다. 일반적으로 레이저란 말은 레이저 빛을 발생하는 장치를 지칭하기도 합니다. 레이저 빛(또는 레이저 광)은 유도방출에 의한 빛이기 때문에 백열전구나 형광등, 태양등 기존의 광선에서 나오는 빛과는 다른 독특한 성질을 갖고 있는데, 첫째는 단색성(monochromatic)으로서 레이저 빛은 한가지 파장으로 된 빛입니다.
가정에서 조명등으로 쓰이는 백열전구와 비교해 보면 다음과 같습니다.


[그림1] 레이저광의 단색성

백열전구에서 나오는 빛은 빨주노초파남보의 여러 가지 색깔의 빛이 섞여 있으나 레이저 빛에서는 한가지 색깔만이 존재하게 됩니다. 만약 두 가지를 프리즘으로 분산시켜 보면 그 차이를 알 수 있습니다.

둘째, 백열전구에서 나오는 빛은 전구에서 멀어지면 빛의 세기가 급격히 줄어들지만 레이저 빛은 거리가 아무리 멀더라도 빛의 세기가 거의 줄어들지 않는데, 이를 지향성(directional)이라고 합니다.
일상생활에서 빛의 지향성을 갖도록 한 장치를 포물경으로 빛을 평형하게 반사시키는 플래쉬가 있는데 어느 정도의 지향성을 가지나 레이저에 비해 떨어집니다. 우리가 만약 야간 경기를 벌이고 있는 야구장에서 조그만한 He-Ne 레이저(5mW)를 달로 향하게 하고 달 표면에서 지구를 본다는 어떻게 될 것인가? 수 백 kW를 쓰고있는 야구장은 보이지 않고 단지 세기가 백만불의 일 정도인 레이저 빛만 보이게 됩니다.







세번째의 중요한 성질은 레이저 광은 간섭성(Coherent) 빛이라는 것입니다. 이것 또한 백열등에서 볼 수 없는 성질로 백열등에서 나오는 빛을 선 속 분할기로 나눈 다음 중첩 시키면, 스크린 상에 간섭무늬가 생기지 않으나 레이저 광에서는 밝고 어두운 띠 모양의 간섭 무늬를 볼 수 있습니다.
이것은 백열등의 빛이 무질서한 반면 레이저 빛은 질서 정연하기 때문에 가능한 것입니다. 다시 말하면 백열등에서 나오는 빛은 원자가 제각기 독자적으로 빛을 발생하는 경우이고 레이저 빛은 이웃한 원자들이 서로 긴밀한 관계를 가지고 있어서 전체 원자가 일사 분란하게 빛을 내놓는 것이라고 말할 수 있습니다.[그림 3]


[그림3] 재래광원과 레이저의 비교

이러한 레이저 광은 지구상에서는 자연 상태에서 존재하는 것은 아직 발견된 바 없고 특별히 인위 적인 조작을 해야 레이저광을 얻을 수 있습니다.

모든 레이저는 세가지 구성 요소로 구성되어 있습니다. [그림 4]


[그림4] 레이저의 구성요소

첫째 한 쌍의 거울이 있습니다. 두 거울이 정면으로 마주보고 있으면서 그 중 하나는 100%에 가까운 반사율을 가진 거울로서 입사하는 광을 전부 반사 시키는 전반사경이고 다른 하나는 입사광 중 일부는 통과시키고 나머지는 반사 시키는 거울로서 부분 반사경이라 불리웁니다. 이 두 거울을 공진기(Resonator)라고 부릅니다.
둘째, 마주한 두 거울 사이에 특별한 원자(또는 분자)로 채워진 물체가 있습니다. 이것은 두 거울 사이를 왕복하는 빛이 유도과정으로 증폭되어 센 빛이 되도록 하는 광 증폭기(Optical Amplifier)입니다.
셋째, 증폭기가 광의 증폭이 가능하도록 외부에서 에너지를 가하는 장치인 펌프(Pump)가 있습니다. 이 세가지는 특별한 경우를 제외하고는 거의 대부분의 레이저에 있어서 공통적인 요소들입니다.

(1) 빛의 생성과 소멸


[그림5] 빛의 생성

이제 빛이 어떻게 발생하는가를 살펴보겠습니다. 빛의 발생에 대한 이론이 확립된 것은 1913년 덴마크의 보어(N. Bohr)에 의해서 입니다. 보어는 전자가 핵 주위를 돌 때 아무 곳에서나 있을 수 있는 것이 아니고 특별히 안정된 궤도가 있어서 전자는 그 궤도에서만 존재할 수 있으며 어떤 궤도에서 핵에 더 가까운 궤도로 전자가 떨어지면 전자의 에너지가 줄어드는데 줄어든 에너지 양만큼 빛으로 방출된다는 사실을 알아낸 것입니다 [그림 5]. 마치 낙차에서 물이 낮은 곳으로 떨어지면 물의 위치에너지가 감소하고 감소한 양만큼 에너지를 운동에너지고 변하는 것과 유사한 것입니다. 특정 궤도에서만 안정적으로 존재할 수 있는 전자는 음전기를 띠고 있으므로 양전기의 핵으로부터 항상 인력을 받고 있습니다. 인력을 받고 있다고 해서 가까운 궤도로 마음대로 떨어질 수 없는데 그 이유는 각 궤도마다 전자가 있을 수 있는 수가 제한되어 있기 때문입니다. 이것을 파울리(Pauli) 배타원리라고 하며 핵 가까운 궤도가 채워져 있을 때는 아래 궤도로 전자가 떨어 질 수 없고 제한된 수보다 전자가 적어 자리가 비워 졌을 때만 전자가 떨어질 수 있습니다. 떨어질 때는 앞서의 보어이론 대로 빛이 발생됨은 물론입니다. 이 때 빛의 에너지는 E=hv 입니다. 이 과정에서 빛이 발생하는 것을 자발방출(Spontaneous Emission)이라고 하고 레이저 빛이 아닌 모든 빛은 이 과정에 의한 것입니다. 자발 방출에서는 이웃한 원자(또는 분자)끼리 아무런 영향없이 독자적으로 빛을 방출함으로 이 때 발생하는 빛은 위상이 제각기 다르게 됩니다.


[그림6] 빛의 소멸

(2) 빛의 유도 방출과 증폭


[그림7] 빛의 유도 방출 과정

자발 방출 과정으로 생성되는 빛과는 반대로 레이저는 유도방출 과정으로 증폭된 독특한 성질을 가진 빛이라고 하였습니다. 그러면 유도 방출 과정이란 무엇인지 알아 보도록 하지요.
[그림 7]과 같이 전자가 높은 궤도에 있고 아래궤도 중에는 전자가 채워져 있지 않아서 떨어질 수 있는 상황에서, 아래 궤도와 위 궤도와의 에너지 차에 해당하는 빛이 입사하면 전자가 이 빛의 자극으로 아래 궤도에 떨어지는데 이 때 생성되는 빛이 하나가 입사 했는데 동일한 성질의 빛이 두개가 되므로 2배 증폭되었다고 말 할 수 있습니다. 이것이 바로 유도 방출입니다. 이 과정에서는 저절로 떨어지는 자발 방출과는 달리 반드시 빛이 입사해야만 가능하고 이 과정이 반복해서 일어나게 되면 점점 증폭되어 빛의 세기가 강해지게 됩니다.
만약 전자가 아래 궤도에 있다면 흡수 과정이 생기어 빛의 세기가 약화될 것 이므로 전체적으로 빛의 증폭이 일어나기 위해서는 아래 궤도에 있는 전자가 있는 원자 수 (또는 밀도) 보다 위 궤도에 있는 전자의 원자수(또는 밀도)가 많아야 합니다.[그림 8] 이것을 우리는 밀도반전 (population inversion)이라 하고 레이저 발진에 필수적인 요건이 됩니다. 그러면 보통의 상황에서 밀도 반전은 가능 한 것인가?


[그림8] 열적평형 상태에서의 밀도(a)와 밀도반전이 된 상태에서 (b)의 에너지와의 관계

일반적으로 열적평형(thermal equilibrium) 상태에서는 낮은 궤도에 전자를 가진 원자수(밀도)가 높은 궤도에 있는 원자수(밀도)보다 적을 수 없습니다. 즉 자연 상태에서는 낮은 에너지의 원자수가 높은 에너지의 원자수보다 항상 많은 것입니다. 따라서 밀도 반전이 일어나서 빛이 증폭되려면 우리가 인위적으로 밀도반전 조건을 만들어 주지 않으면 안됩니다. 이 조건중 위쪽의 궤도에 전자가 많도록 외부에서 에너지를 가하는 것을 펌핑(pumping)이라고 합니다. 펌핑하는 장치가 펌프이고 밀도 반전이 된 원자로 채워진 물체가 레이저의 중요 구성요소의 하나인 증폭기 입니다. 또는 활성 매질(active medium) 이라고도 합니다. 빛의 길이가 L인 어떤 매질 (증폭안된)을 진행할 때를 생각해 보자. [그림 9] 매질에 입사하는 광자 수를 Fi 라 하고 통과 후의 광자 수를 Fo 라 할 때 증폭 안된 매질에서는 흡수가 일어나서 Fo 는 Fi 보다 작은 값을 가지게 됩니다. 비어(Beer)의 법칙에 의하면 Fo 와 Fi 의 값은 아래식과 같은 관계를 가지고 있습니다.


[그림9] 매질 통과후 빛의 세기의 변화

여기서 a 는 흡수계수이다. 만약 펌프의 에너지 공급에 의해 매질이 밀도반전이 되어 있다면 흡수가 아니라 증폭될 것이므로 값이 음수가 되고 Fo 는 Fi 보다 큰 값을 가질 것이다. -a 를 a'라 한다면

로 주어질 것입니다.


(3) 레이저의 발진조건

레이저 공진기에는 두 가지의 손실이 있습니다. 첫째는 공진기 내의 출력 빛이 공진기를 빠져 나오는 유용한 손 실과, 둘째 아무런 쓸모가 없으나 피할 수 없는 내부손실이 있습니다. 먼저 유용한 손실에 관하여 자세히 살펴 보도록 하지요. 100개의 광자가 투과율이 T인 반사경에 입사하는 경우를 가정합니다. 만약 R이 0.9라면 10개의 광자는 투과할 것이고 90개는 반사될 것입니다. 즉, Fi개가 거울에 입사할 때 반사한 갯수 Fr을 수식으로 표시하면

가 됩니다. 두 번째 내부 손실은 한 쪽 반사경에서 다른 쪽 반사경으로 진행하는 동안 공기분자나 먼지 또는 이 물질에 의해 광자가 흡수되거나 산란 되어 광자 수가 줄어들어 일어나는 손실과 증폭기 또는 공진기, 즉 반사경의 크기가 유한하기 때문에 발생하게 되는 회절에 의한 손실이 있다. 이러한 내부손실은 비교적 적기 때문에 무시하고 생각해보지요. 이제 R1, R2 의 투과율의 공진기와 이득계수가 a'인 레이저 장치에 있어서 레이저가 발진할 수 있는 조건을 살펴 보겠습니다.


[그림10] 공진기 내에서의 빛의 왕복
 [그림10]과 같이 100개의 광자가 반사경 M1을 출발하여 증폭기를 지나고 M2에서 반사하여 다시 증폭기를 역 방향으로 진행하여 M1에서 반사되어 제자리에 되돌아오는 왕복과정에서 손실과 증폭의 여러 과정을 거치면서 최종적으로는 최초에 광자 수인 적어도 100개 이상의 광자가 있어야만 합니다.

이것을 발진조건 (Oscillation condition)이라 한다. 만약 100개 이하라면 반복해서 빛이 왕복할 때 결국 소멸하고 말 것이다. 발진조건을 수식으로 표현해 보자. F1 개의 광자가 M1을 출발하여 M2에 도달할 때의 광자 수는
F2 = F1ea'L

이다. M2에서 반사된 후의 광자 수는
F3 =F2 R2

가 되고 증폭기를 거쳐 M1에 도달할 때의 광자 수는
F4 =F3 ea'L

일 것이며 M1에서 반사 후에는 최종적으로
F5=R1 F4

이 F5가 F1보다 커야 하므로
F1 R1 R2 e2a'L > F1

즉
R2 R2 e2a'L > 1

이 만족되어야 레이저가 발진 됩니다.
이 식을 잘 살펴보면 레이저가 쉽게 발진 될 수 있는 방법을 알수 있는데 두 반사경의 반사율 R1과 R2가 결정되어 있을 때 발진 되기 위해서는 증폭기의 길이 L이 긴 것이 유리하나 현실적인 제한이 있으므로 마음대로 길게 할 수는 없을 것이고 a'를 크게 하는 것이 그 중에서 비교적 손쉽고 융통성이 많은 방법이다.
이제 레이저의 펌핑의 종류에 대해서 살펴보자. 펌핑에는
1. 광펌핑(Optical pumping)
2. 전기방전(Electrical discharge)
3. 전자-홀 생성(Electron-hole pair production)
4. 화학반응(Chemical reaction)
5. 개스급속 팽창(Rapid expansion of hot gas)


방법들이 있다.이 중에서 광 펑핑과 전기방전이 가장 흔하게 사용되는 방법으로서 광 펌핑은 센 빛을 증폭기에 입사 시켜 밀도반전을 일으키는 것으로서 플래쉬 펌프를 터트려 나오는 빛을 집속 시키는 것과 센 레이저 빛을 입사 시켜 밀도반전을 일으키는 것으로서 다른 레이저를 발생케하는 방법들이 있습니다. 집속된 빛은 흡수되어 원자의 전자가 높은 궤도로 들뜨게 됨 으로서 밀도반전이 된다. 이 방법은 루비레이저나 Nd:YAG 레이저 등에서 쓰이고 N2레이저 혹은 Ar레이저로 색소(dye)레이저 등의 여기에 쓰이고 있다. 두 번째 전기방전 방법은 주로 기체레이저에 해당되며 기체를 관 속에 일정량 주입하고 전기방전을 시키면 방전전자가 기체원자와 충돌하여 원자내의 원자를 높은 궤도로 올림으로서 밀도반전이 형성된다.
세번째 방법은 반도체 레이저에서 이용되는 방법으로서 반도체 다이오드에 순방향의 센 전류를 흘리면 n-type 반도체의 전자가 p-type 반도체의 홀(hole)과 p-n접합 부분에서 재결합(recombination)하면서 빛이 발생되는 과정으로 레이저가 발진한다. 이 때 전류가 약하여 밀도반전이 일어나지 않을 때에는 유도방출이 안되고 자발방출에 의한 빛만 발생하게 되는데 이 장치를 LED(light emitting diode)라 한다. 네 번째 방법은 불산(HF) 레이저 등에서 쓰이는 방법으로 화학반응을 통하여 HF분자의 진동회전 준위 사이에 밀도반전이 일어나게 하는 방법이다.
마지막으로 개스 급속 냉각 방법은 뜨거운 개스를 노즐(nozzle)을 통하여 분출 시키면 이 때 온도가 급격 히 떨어지는데 높은 에너지 준위는 그대로이나 낮은 에너지준위의 분자는 냉각되어 그 수가 감소됨 으로서 밀도반전이 일어나는 메카니즘으로서 주로 고출력 CO2레이저에서 사용된다. 이것을 (Gas dynamics) 방법이 라고도 한다.

(4)레이저 발진요약

일반적인 레이저발진은 반전분포를 필요로 한다. 단, 유도라만, 파라메트릭발진 등은 반전분포를 필요로 하지 않는다.
원자가 천이할 경우, 기저상태(E0)에서 여기상태(E1)로 천이할 때 그 에너지차 E = E1-E0의 에너지를 흡수하며, 기저상태로 천이할 때는 그 에너지를 방출한다. 보통 여기상태에 있는 원자의 수(또는 높은 에너지 준위에 있는 원자 수)는 여기 되지 않은 원자의 수보다 적다. 기저상태에서 원자는 제한을 받지 않고 오랫동안 존재할 수 있지만 여기상태로 정지되는 시간은 한정되어 있다. 외부적인 원인이 아닌 보다 낮은 에너지준위로 천이할 때의 원자의 자발적인 에너지 방출과정을 자연방출 또는 자발방출 (Spontaneous Emission)이라 부른다. 자연방출에서 방출된 빛은 여러 가지 빛이 혼합되어 있기 때문에 파장이나 위상도 일치하지 않는다. 그러므로 넓은 스펙트럼을 갖게 되는데 이것을 Incoherent 방사라 한다.
이와는 달리 외부양자의 작용에 의해 강요된 에너지를 방출하는 과정이 있다. 흡수할 경우 에너지는 원자가 높은 에너지준위로 천이함에 따라 없어지지만, 이 경우에는 새로운 에너지가 발생하게 된다. 이와 같은 방출을 강제방출 또는 유도 방출 (Stimulated Emission)이라 한다.
유도방출의 경우 입사된 에너지와 방출된 에너지의 파장이나 위상은 모두 동일하다. 따라서 이때의 방사는 Coherent이며 스펙트럼도 좁다. 유도방출에서는 한 개의 광자에 대해 두개의 광자가 나타난다. 만일 다시 여기상태에 있다면 이 두개의 광자는 다음의 유도방출로 되며 이것이 계속 반복되어 발생한다. 즉, 빛이 여기된 매질 내를 통과하면 그 빛은 증폭되지만 이 증폭은 매질이 여기상태에 있을 때에만 가능하다.
기저상태에서 여기된 원자가 여기상태에서 비교적 수명이 길므로 E0의 원자 수보다 E1의 원자수가 더 많게 된다. 이와 같은 상태를 반전분포 또는 부 온도상태라고 한다.
방출된 에너지 E = hv 로서 각 주파수 v의 전자파(빛 또는 광자)를 방사하며, 입사된 빛은 증폭된다.이것이 바로 레이저발진의 원리이다.