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액체 레이저는 거의 염료 레이저를 말한다. 능동매질은 액체 용제(solvent)에 용해 된 형광성(fluorescent) 유기염료이다. 염료는 다중 링구조를 포함하는 큰 분자들로 이루 어져 있고 중요한 염료들은 모두 화학적으로 유사한 구조를 갖는다. 또한 용제 역시 중 요한 요소인데 메탄올과 디메틸(dimethyl) 황화물같은 유기 용제가 쓰인다.
고체 레이저와 마찬가지로 섬광등이나 외부 레이저에 의한 광펌핑이 유일한 여기 기술이다. 복잡한 분자들은 강한 빛에 의해 분해되는 경향을 보인다.
레이저 펌핑의 낮은 효율에도 불구하고 높은 질의 출력을 낼 수 있기 때문에 비교 적 많이 사용된다. 이 레이저의 가장 큰 강점은 튜닝가능한 출력 파장과 극초단 펄스나 매우좁은 선폭을 만들 수 있다는 것이다. 레이저 작동은 수증기 상태 혹은 고체 호스트 에 박힌(embeded) 염료에 의존한다.
최초의 액체레이저는 1963년에 만들어졌고 초기엔 613.1 nm의 파장을 내놓았다. 1966년 유도 라만방출(raman shifting)을 연구하는 과정에서 염화알루미늄 프톨로시아 닌 용해액에서 755.5 nm의 파장을 갖는 레이저빔이 발견되었다. 이후로 쿠마린 (coumarin)이나 로다민(rhodamine), 풀루오레세인(fluorescein)같은 형광성 염료 용해액 이 적외선에서 자외선까지의 파장을 내는 레이저를 만들기 위해 사용되었다. 염료들중 가장 유용한 것은 Rh6G(rhodamine 6G)로 가장 형광성이 좋다.
그림 18) 레이저 염료의 전형적인 에너지준위 구조. 선의 집합은 전자에너지 준위 이고 진동준위는 굵은 선, 회전준위는 가는 선으로 표현된다.
이것들은 보통 펄스모드에서 동작하며 가시광선 영역의 어떤 파장에도 맞는 레이저 가 레이저가 만들어질 수 있을 정도로 수많은 유기염료가 존재한다. 더욱이, 이러한 도 구는 어떤 파장범위에서 연속적으로 조정될 수 있다는 점에서 다른 레이저들과 구별된 다. 실제로 다른 레이저빔의 파장을 변화시키는 레이저도 있다. 즉, 들어간 빛의 파장과 나온 빛의 파장이 다르다. 하지만 그러한 파장의 변화는 내부적으로 조정되는데 염료셀 의 농도나 길이를 변화시킴으로써, 혹은 회절격자 반사기를 조정함으로써 가능하다. 몇 개의 다색 염료 레이저 시스템은 하나의 염료에서 다른 것으로 쉽게 교체될 수 있고 매 우 넓은 파장영역에서 동작할 수 있다.
외부광원에 의해 제공된 에너지에 의해 염료분자들이 여기된다. 레이저빔이 방출된 이후에는 비복사과정에 의해 바닥상태로 떨어진다. 염료는 넓은 범위의 파장을 흡수하 거나 방출할 수 있는데 전자준위(electronic level)뿐 아니라 진동, 회전 준위사이의 상호 작용에 의해 어떤 에너지 범위에 걸쳐 연속된 준위가 만들어지기 때문이다. 그림에서, 전자전이와 에너지는 가시광선 영역에 해당하며 진동전이는 각 준위의 굵은 선으로 표 시되었다. 가장 작은 에너지 전이는 회전전이에 의한 것으로 얇은 선으로 표시된다. 비 록 준위는 명쾌하게 나뉜 것처럼 보이지만 실제론 매우 가까워 거의 연속적으로 나타난 다.
처음에 여기된 전자준위는 준위밴드의 바닥으로 비복사 이완하며 거기서 밀도반전 이 축적된다. 상위 레이저 준위에는, state의 수명이 수 ns에 불과하므로 에너지는 많이 쌓이지 않는다. 상위준위에서 하위준위로 분자가 전이할 때 유도방출이 일어난다. 자발 적 방출은 밴드에서 넓은 영역에 걸친 파장을 만든다. 이때 중간 파장이 가장 높은 확 률을 갖는다. 그림에는 triplet state가 나타나 있으며 왼쪽은 singlet이다. 이것은 염료분 자의 전자들이 쌍으로 구속되어 있다는 사실 때문에 나타나는 현상이다. 바닥상태에서 두 전자는 다른 스핀값을 갖고 같은 에너지 레벨을 차지한다. 만일 전자들이 반대의 스 핀을 유지한채 전이한다면 그것들은 singlet에 머문다. 반면에 더 높은 에너지를 갖는 전자의 스핀이 낮은에너지를 갖는 전자의 스핀과 평행하게 된다면 이때는 triplet 상태 가 된다. 이때는 singlet보다 에너지가 낮기 때문에 분자들은 낮은 에너지 준위인 triplet 으로 떨어지며 이때 문제가 생긴다. 즉 이 준위에 있을때의 분자들은 바닥상태로 떨어 질 때 레이저 방출을 하지 못하고 오히려 흡수를 하여 더 높은 준위로 올라가버린다.
이 때문에 염료레이저는 펌핑을 오랫동안 할 수 없고 연속파 모드에서 작동하기 어 렵다. triplet을 막기 위해 빠르게 흐르는 염료를 사용하지만 한계가 있다.
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그림 6) 고체레이저의 일반적 형태
능동매질은 비전도(nonconductive) 고체, 결정질, 혹은 레이저를 방출하는 원자나 분자로 도핑된 유리등이다. 반도체 레이저는 기능적으로 다른 형태의 레이저로 분류된 다. 비록 같은 '고체'이지만 동작 방식에서의 근본적인 차이점 때문이다.
'호스트(host)'라고 불리는 유리나 결정질의 메트릭스 속에 끼워진 이온들이 보통 능동입자(active species)를 형성한다. 규산염(Silicate), 인산염(phosphate) 그리고 다른 형태의 유리등이 호스트로 쓰이며 유용한 결정질 호스트는 합성 석류석(garnet)과 루비 등이 포함된다. 능동입자는 기능적으로 최종물질의 1%정도를 차지하도록 호스트 속에 포함된 불순물(impurity)이다. 광펌핑이 유일한 펌핑방법인데, 이것은 레이저 입자의 흡 수파장에서 투명한 고체를 사용한다는 것을 의미한다. 광펌핑의 효율은 능동입자의 흡 수라인을 넓힘으로써 증가될 수 있지만 광펌핑 고체레이저의 최대효율은 여전히 낮다.
◎ 루비레이저: 최초의 광레이저
Schawlow와 Townes가 적외선과 가시광선 영역에서 레이저의 가능성에 관한 논문 을 발표한 이후로 곧 많은 연구자들이 그것을 연구하기 시작했다. 대부분의 전문가들은 그러한 레이저의 최초는 기체레이저가 될 것이라고 생각하고 있었다. 하지만 루비가 가 시광선 레이저빔을 쏘는 최초의 물질이 되었다. 처음엔 광역적 광펌핑이 비효율적이고 가스나 플라즈마처럼 매우 좁은 공명을 갖는 이온이 효율적일 수 있다고 믿어졌던 것이 다. 1960년, Maiman이 만든 최초의 루비레이저에 대해 알아보자.
그림 7) 첫 번째 루비레이저
첫 레이저매질로 사용된 것은 핑크루비, 즉 Al2O3결정이었다. 이것은 Cr2O3를 무게 비율로 0.05%정도 함유한다. 루비막대의 끝은 편평하게 닦여있고 은도금되어 있다. 주 위에 나선형 가스방전 섬광등(flashlamp)관이 둘러싸여 있고 이 섬광등관은 광역적 광 펌핑을 제공한다. 루비는 표면이 매끄럽게 유지되면 광손상에 강하다. 열전도도는 유리나 YAG보다 높다. 하지만 루비는 3-준위 레이저이므로 4-준위 ND(neodymium)레이저 보다 온도가 높아질 때 레이저로서의 기능을 빠르게 잃는 단점이 있다.
루비속의 크롬원자는 파란색과 녹색 영역에서 흡수띠를 갖기 때문에 루비는 빨간색 으로 나타난다. 섬광등관은 수 밀리초동안 강한 빛의 파열을 만든다. 이러한 에너지의 많은 부분은 열로 잃어 버리지만 많은 크롬이온은 흡수띠로 들뜨게 된다. 그림을 보면, 들뜬 이온은 100 나노초만에 빠르게 이완하면서 결정격자에 에너지를 주고 비복사 (Nonradiative)전이를 한다. 그것들은 준안정상태(metastable state)에서 수밀리초동안 머문다. 대부분의 경우 이온들은 자발적 방출을 하고 바닥상태로 떨어진다.
펌핑비율을 높이면 밀도반전이 일어나고 처음 몇 개의 자발적으로 방출된 포톤이 연쇄반응을 일으 킨다. 이렇게 나온 포톤들은 매질의 앞뒤로 왕복하면서 계속해서 증가한다. 물론 이때 매질 양끝에서 에너지를 잃지 않을만큼의 에너지가 공급되어야 한다.
반사표면의 하나는 부분적으로 은도금되어 있으므로, 막대의 덜 도금된 끝면으로부 터 0.01 나노미터의 폭과 0.5 밀리초 길이의 강한 붉은색 펄스(694.3 nm)가 나온다. 넓 은 흡수띠 때문에 내부 들뜸이 쉽게 만들어지지만, 준안정상태의 긴수명 때문에 밀도반 전이 또한 쉽게 만들어진다.
오늘날 루비레이저는 일반적으로 플라즈마 진료학, 홀로그래피 등에서 광범위하게 사용된다. 그러한 장치는 0.1∼10 미터의 결맞음 길이로 동작한다. 진동기로써 루비레이 저는 50J에서 100J까지의 범위에서 수 밀리초 펄스를 만든다. 방전 섬광등에서 나온 빛 으로 펌핑되는 첫 번째 루비 레이저는 열손실과 높은 펌핑파워의 요구 때문에 펄스모드 에서 작동했다. Nelson과 Boyle은 1962년 섬광등을 아크등(arclamp)으로 바꿔 연속적인 빔을 내놓는 루비레이저를 만들었다. 이후 톨륨(Tm), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 이테르븀 (Yb), 우라늄등의 희토류(rare earth) 물질과 이온에 대한 연구가 활발히 진행되었고 YAG(Yttrium Aluminum Garnet), 유리, CaF2 같은 물질도 연구되었다.
그림 8) 루비 안의 크롬이온의 에너지준위. 이것은 3-준위 시스템이다.
◎ ND(Neodymium) 레이저
네오디뮴(이하 Nd)레이저에서, 결정이나 유리 호스트 물질에 약 1%비율로 포함된 원자들은 외부 소스에서 나오는 빛에 의해 광학적으로 여기된다. 이때 레이저 막대에 밀도반전을 일으킨다.
Nd 레이저 자체가 한 종류의 레이저를 지칭하는 것은 아니다. Nd는 다양한 호스트 물질과 합성결정이나 다른 성분의 유리등에 합쳐진다. 특정한 부속기구를 사용하여 원 적외선에서 가시광선 혹은 자외선 영역의 출력 파장을 얻을 수 있다. Nd 레이저는 100W이하의 연속빔 혹은 수 MW의 짧은 펄스를 만들어내므로 응용범위가 상당히 넓 다.
Nd 레이저의 능동매질은 3중으로(triply) 이온화된 네오디뮴이고 결정이나 유리 구 조속에 결합된다. Nd는 본질적으로 불순물인데 이티륨(yttrium) 혹은 다른 희토류 원소 와 같은 비슷한 이온크기의 물질을 대체한다. Nd 도핑은 무게비율로 1%이고 1020/cm2 의 밀도로 이루어진다. Nd가 불순물이 아닌 결정구조의 통합성분, 예를 들어 Nd5인산 염(NdP5O14)같은 결정질도 가능하지만 아직은 실제적인 어려움이 있다고 알려져 있다.
현재 가장 일반적인 호스트는 YAG(yttrium aluminum garnet, Y3Al5O12)이다. YAG는 단단하지만 깨지기 쉬운 물질이다. Nd-YAG 레이저를 사용하는 가장 중요한 이점은 열 적 특성으로 이것이 양질의 연속빔을 만든다.
여러 가지 다른 결정 호스트들이 Nd와 함께 시험되어왔지만 YAG만큼 많이 사용 되지는 않는다. 이중 2가지 대표적인 물질은 YLF(yttrium lithium fluoride)와 YALO(YAlO3)이다.
그림 9) Nd-YAG에서 에너지 준위
결정을 키우기가 어렵기 때문에 YAG 막대의 길이는 10cm정도로 제한되고 보통 반경은 6∼10 mm 정도이다. 유리를 사용하면 46cm정도까지 길이가 늘어날 수 있고 더 높은 출력에너지를 얻을 수 있다.
광펌핑을 위한 광원으로는 텅스텐 혹은 아크등을 사용한다. 몇가지 공동 배열이 가 능하다.
(1) 루비 레이저와 동일한 형태의 배열.
(2) 레이저 막대 옆에 선형 램프를 놓는 배열.
(3) 타원의 두 초점에 램프와 레이저 막대를 놓아 반사성 타원형 공동이 펌핑 빛을 램프에서 막대로 효과적으로 전달할 수 있도록 한 배열.
(4) 램프 두 개와 하나의 막대가 이중 타원형 공동속에 놓여 단면에서 보면 막대는 두 타원이 공유하는 초점에 놓이게 되는 배열.
램프는 넓은 스펙트럼의 빛을 내놓지만 Nd 이온은 이중 0.7에서 0.8 ㎛사이의 빛만 을 흡수한다. 이러한 영역에서 흡수된 포톤은 Nd 이온을 여기시키고 Nd 이온은 준안정 상태로 붕괴하여 4F3/2와 4I11/2 상태 사이에 밀도반전을 일으킨다. 4I11/2 준위는 비복사 전 이를 하고 바닥상태로 떨어진다. 그러므로 Nd 레이저는 4-준위 레이저 시스템이고 3- 준위 루비 레이저보다 훨씬 효율적이다.
Nd-YAG 레이저는 연속모드 혹은 펄스모드로 동작한다. 연속적으로 1 kW 이상의 출력을 내지만 펄스모드에서 직렬로 몇 개의 레이저를 작동시켜 엄청난 파워출력을 낼 수도 있다. 예를 들어 수 나노초(nm)동안 수 GW의 파워를 만들어 낼 수 있다. 1984년 에 노바의 로렌스 리버모어 연구소에 현존하는 가장 큰 레이저가 만들어졌는데 이 거대 한 Nd가 도핑된 유리 레이저는 녹색(530 nm)이나 파란색(350 nm) 파장과 함께 100 TW의 파워를 융합탄알(fusion pellet)위로 집중시킬 정도로 강력하다. 비록 시간은 10-9초에 불과하지만 이것은 대략 미국내에 있는 전기발전소를 합친 것보다도 500배나 강력한 것이었다.
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1962년 러시아의 Basov와 Oraevskii는 고속 냉각(cooling)이 분자 시스템에서 밀도 반전을 만들 수 있다고 주장했다. 몇 년후에 다른 사람들은 이것이 초음속 노즐을 통과 하는 뜨거운 기체의 팽창으로 얻어질 수 있다고 생각했고 1966년에 첫 번째 기체레이저 가 Avco Everett 연구소에서 성공적으로 만들어졌다.
기체레이저는 만들기 쉽다는 장점을 갖고 있다. 다른 레이저에 비해 기체 혼합물을 시험하는 것이 용이하므로 레이저 매질을 위한 이상적인 혼합물을 쉽게 발견할 수 있 다. 그래서 특정한 형태의 기체레이저를 위한 최적의 기체 혼합물에 따라 상당히 많은 종류의 레이저가 존재한다. 특히 에너지 전달 방식에 따라 분류될 수 있는데 전자, 이 온, 포톤 혹은 혼합물 입자의 충돌, 화학작용, 기체역학 과정 등 여러 가지 방식이 있다. 이러한 매카니즘은 다음과 같은 여기 매카니즘을 위한 기본이 된다.
- 방전여기：방전여기에는 그림처럼 두가지 방법이 있다. 방전은 연속 혹은 펄스형 태가 될 수 있다.
- 무선주파수(radiofrequency) 여기：도파관 이산화탄소 레이저가 해당된다.
- 전자빔과 이온빔 여기：많은 양의 에너지를 빠르게 전송하기 위해 사용된다. 전 자가속기가 거대하고 값이 비싸기 때문에 대용량 레이저나 실험실에서 주로 이용된다.
- 화학적 여기
- 광학적 여기
그림 10) 전기 방전 여기. 레이저 축에 대해 (a) 수평방전 (b) 수직방전
그림 11) 이산화탄소 레이저의 에너지준위 구조. 이산화탄소 분자의 진동모드를 보여주고 있다.
◎ 이산화탄소 레이저
이산화탄소 레이저는 가장 다용도로 쓰이는 레이저중 하나다. 900∼1100 nm의 적 외선 복사를 방출하며 수백 kW의 연속빔이 레이저 군사용 무기 연구에 사용되고 40kJ 의 나노초 길이 펄스를 이용해 핵융합연구에 사용되기도 하는등 여러 분야에 걸쳐 사용 된다. 같은 능동매질을 사용하면서도 내부구조의 차이로 인해 몇가지로 분류된다.
능동매질은 이산화탄소, 질소, 헬륨의 혼합체이고 각각의 기체는 독립적 역할을 한 다. 이산화탄소는 빛 방사체(emitter)이다. CO2분자가 들뜨게 되면 그것들은 세 개의 진 동모드중 비대칭 stretching 모드에서 진동한다. 분자들은 나머지 두 진동모드로 에너지 를 잃는다. 이러한 두 경로는 두가지 주요 레이저 전이이다. 각각 10.6 ㎛와 9.6 ㎛ 포톤 을 방출한다. 이후에는 계속해서 에너지 준위 사다리를 타고 내려온다. 질소 분자는 CO2를 상위준위로 들뜨는 것을 돕는다. 질소분자의 가장 낮은 진동상태는 단지 18 cm-1에 불과하다. 이것은 질소분자가 에너지를 흡수하고 그것을 CO2분자에 전달할 수 있도록 하는 이유이다.
CO2분자는 다른 방식으로 상위준위로 올라갈 수 있는데 고온, 고압의 기체를 매우 찬 진공속으로 빠르게 팽창시키는 것이다. 이것은 기체역학 CO2레이저의 기본원리이다. 이때에도 질소는 레이저 작동에서 중요한 역할을 한다.
헬륨은 이중적 역할을 한다. 하나는 열전달을 돕는 완충 기체의 역할이고 다른 하 나는 CO2분자를 저준위에서 바닥상태로 떨어지도록 돕는다. 이렇게 해서 밀도반전이 유 지될 수 있도록 한다. CO2레이저에서 최적의 구성과 기체의 압력은 레이저 형태에 따라 다르다. 이중 몇가지를 알아보자.
- 기체역학 레이저
그림 12) 기체역학(gas-dynamic) 레이저의 기본구조
고출력 레이저중 하나다. 들뜸 에너지는 초기에 수 atm의 압력속에 놓여있는 기체 에 가해진 열에서 나온다. 열과 레이저 기체의 몇 성분은 탄화수소(hydrocarbon) 연료 의 연소실에서 나올 수도 있다. 뜨거운 기체는 저압의 chamber속으로 노즐을 통과해 팽창된다. 빠른 움직임에 빠른 냉각을 주면 밀도반전이 일어난다.
1960년대 말에 기체역학 레이저는 최초로 100 kW 이상의 파워레벨에 도달한 최초 의 중요한 성과였다. 이 레이저는 특별한 용도에만 사용되는데 구멍을 뚫거나 절단, 용 접, 열처리, 합금을 만드는데 사용된다. 예를 들어 요리용 주전자에 손잡이를 붙일 때 두 종류의 열전도도가 다른 경우는 보통방법으로는 용접이 어렵다. 그러나 레이저의 강 한 열은 매우 짧은 시간에 용접을 가능하게 해주기 때문에 열전도도가 다르더라도 별 문제가 되지 않는 것이다.
- 도파관(waveguide) 레이저
그림 13) 도파관 CO2레이저의 기본 구조
CO2레이저 관의 내부 반경이 수 mm로 줄고 관이 유전체 도파관형태로 만들어지면 그림에서와 같은 도파관 레이저가 만들어진다. 도파관 디자인은 좁은관 레이저의 작동 을 방해하는 회절 손실을 막아준다. 관은 봉해지거나 기체가 흐를수 있도록 허용된다. 기체는 전기방전이나 유전체 도파관 물질을 관통할 수 있는 강력한 무선주파수 field로 들떠진다. 도파관 레이저는 양질의 연속파 빔을 제공하며 CO2스펙트럼의 많은 라인들로 쉽게 튜닝될 수 있다. 도파관 레이저의 가장 큰 장점은 작은 크기로 He-Ne 레이저와 비슷하다. 또 값이 싸다는 장점도 있다.
- TEA 레이저
방전 불안정 때문에 100 torr 이상의 기체압력에서는 TE(transversely excited) CO2레이저의 연속파 작동이 어렵다. 하지만 수십 나노초에서 마이크로초동안 지속되는 펄스를 만드는 것은 가능하다. 그러한 레이저들은 보통 대기압근처에서 작동하기 때문 에 TEA(transversly excited atmospheric) 레이저라고 불린다. 고압이나 저압에서 작동 하는 레이저에도 이 이름은 그대로 쓰인다. TEA 레이저의 중요한 이점은 짧고 강력한 펄스를 만들고 기체의 단위체적당 높은 파워를 뽑아낼 수 있다는 것이다.
고압작동은 또한 레이저방출라인을 넓히며 1 ns동안 지속되는 펄스를 만드는 모드잠금 기술을 사 용하는 것이 가능하도록 해준다.
◎ He-Ne 레이저
그림 14) He-Ne 레이저의 에너지 준 위. 주요 레이저 전이를 표시했다. 헬륨과 네온의 충돌로 헬륨에서 네온으로 에너지가 전달된다.
1961년 Ali Jaban은 연속파 He-Ne 기체 레이저의 성공적인 동작에 대한 논문을 발표했다. 이 레이저는 현재 632.8 nm의 가시광선파장을 내놓는 가장 대중적으로 사용 되는 레이저다. 만들기 쉽고 값싸고 상당히 안정적이며 대부분의 경우에 단일 스위치로 동작하므로 사용하기 간편하기 때문이다.
매질은 0.8토르의 헬륨과 0.1토르의 네온으로 이루어진 혼합기체이며, 펌핑은 보통 전기방전으로 이루어진다. 자유전자와 이온들은 전기장을 따라 가속되고 충돌하면서 더 많은 이온화와 기체매질의 여기를 일으킨다. 많은 헬륨 원자들은 몇 개의 높은 준위에 서 떨어지면서 수명이 긴 21S와 23S상태에 축적된다. 이것들은 준안정 상태이고 거기엔 허용된 복사전이가 없다. 들뜬 헬 륨원자들은 바닥상태의 네온 원자 들과 비탄성 충돌하면서 에너지를 전달한다. 이때 네온 원자들은 5s 와 4s 상태로 들뜨고 이 상태들은 레이저 준위의 위에 해당한다. 이 것과 4p와 3p상태 사이에 밀도반전이 발생한다.
자발적으로 방출되는 포톤은 유도방출을 일으키고 연쇄반응이 시작된다. 주로 적외 선 영역에서 1152.3 nm와 3391.2 nm 에 해당하는 전이가 일어난다. 이와 함께 632.8 nm의 전이도 함께 일어난다.
거울은 다중 유전체 필름으로 코팅되어 있는데 99%이상의 반사도를 갖는다. 레이 저 출력은 브루스터(Brewster) 창을 통과하면서 선형적으로 편광된다. 만일 브루스터창 이 기울어지지 않으면 반사손실이 커지게 되는데 그것을 편광각에 대해 기울임으로써 전기장성분이 입사평면에 평행한 빛이 100% 투과하도록 한다. 이러한 편광상태는 빠르 게 우세해진다. 구면 거울이 일반적으로 사용되는데 공명기 안정도(resonator stability) 가 더 좋기 때문이다.
◎ 이온 레이저
능동매질이 이온화된 희가스(rare gas)인 레이저를 지칭한다. 강한 블루-그린 라인 을 갖는 아르곤이 가장 많이 사용된다. 크립톤은 폭넓은 가시광선 영역을 얻는 장점이 있는 반면 출력이 약한 단점이 있다. 네온이나 제논(xenon)도 사용될 수 있지만 펄스형 제논 레이저 이외엔 상업적으로 사용되지 않는다.
그림 15) 아르곤 레이저 의 파장
아르곤과 크립톤 레이저의 주요 장점은 가시광선 영역에서는 수 mW에서 수십 W 까지, 자외선 영역에서는 수 W까지 연속파 출력을 낼 수 있는 능력에 있다.
능동매질은 희기체로 아르곤과 크립톤 레이저에서는 순수한 기체가 사용된다. 이중 아르곤을 중심으로 좀더 자세히 살펴보도록 하자.
그림 16) 단일 이온화 아르곤의 에너지 준위. 블루-그린 레이저 라인 만이 나타난다. 실제 에 너지준위 구조는 수많 은 가능한 방출 라인에 서 암시되듯 훨씬 복잡 하다.
아르곤레이저는 1964년에 William Bridge에 의해 만들어졌다. 그림을 보면 알 수 있듯이 여러 가지 스펙트럼 라인중에서 아르곤의 경우엔 두가지 파장만이 뚜렷하 다. 514.5 nm인 녹색이 가장 높고 다음은 488.0 nm이 청색이 나타나는데 이 두가지 파 장이 총빔의 67%를 차지한다. 프리즘이나 회절격자 혹은 다른 광학도구를 사용해 원하 는 단일파장을 얻어 낼 수 있고 물론 이때 총빔의 출력은 급격히 떨어진다.
이온레이저는 고전류 방전으로 여기되는데 높은 전류밀도는 기체를 이온화시키고 이온들을 고준위로 여기시킨다. Ar+의 경우가 그림에 나타나 있다. 실제로는 훨씬 복잡 하지만 기본적 개념을 파악할 수는 있을 것이다.
이 그림에서 알 수 있는 하나는 상위 레이저 준위가 36 eV로 매우 높다는 것이다. 곧 강력한 여기가 필요하다는 의미로 이온레이저를 만드는데 따르는 어려움을 알 수 있 다. 또다른 문제는 그림에는 나타나지 않지만, 하위 레이저 준위의 짧은 수명이다. 이러 한 짧은수명 때문에 상위준위가 채워지는 과정에서의 비효율에도 불구하고 밀도반전을 유지하기가 쉬워진다. 그러나, 2 eV의 포톤을 만드는대신 18 eV의 에너지를 잃어버려야 한다는 비효율은 피할 수가 없다. 더구나 이때 나오는 74-nm의 자외선이 많은 광학 물 질들에 손상을 입힐 수도 있다.
레이저의 내부구조는 He-Ne 레이저와 같고 레이저가 처음동작할때는 온도 안정을 위해 약간의 딜레이가 필요하다. 다음에 높은 전압의 펄스(직류 8kV)가 아르곤 기체를 이온화시키고 레이저관 사이에 직류전류(45A)와 600 V의 직류전압이 기체의 이온화에 충분한 방전을 유지한다. 전형적인 아르곤 레이저관은 텅스텐을 포함하는데 그것은 녹 는점이 높아 레이저의 수명을 늘리기 위한 것이다.
크립톤 레이저는 아르곤 레이저와 유사하지만 출력 파워가 낮아 주로 강력한 빨간 색이 필요할 때 사용된다.
◎ 액시머 레이저
다른 전사상태 사이의 전이를 포함하는 분자레이저중에서 흥미있는 것이 액시머 레 이저이다. 분자 A2를 예로 들어보자. 이 경우 분자는 여기 상태에 존재하고 오직 A원자 만 바닥상태에 있을 수 있다. 이러한 분자를 액시머라고 부른다. 액시머(excimer)는 excited dimer, 즉 "들뜸 이합체"의 준말이다. 다시 말해 오직 여기상태에서만 존재할 수 있는 두가지 동일한 원자로 구성된 분자를 말한다. 원래는 동일한 원자로 구성되는 것이 액시머이지만 현재는 다른 원자로 구성된 분자, 어떤 경우엔 세가지 원자로 구성 된 분자도 액시머라고 부른다.
그림 17) 액시머 분자의 내부 에너지. 포 텐셜 우물이 여기상태를 안정하게 만들 지만 두 원자는 바닥상태에 있을땐 서로 밀치므로 불안정하다. 전이는 넓은 폭에 걸쳐 일어날 수 있다.
액시머 레이저에는 두가지 중요한 성질이 있다. 하나는 레이저 전이가 일어난 뒤에 분자가 바닥상태에 도달하면 즉시 분리된다는 것이다. 이것 때문에 레이저의 바닥상태 준위는 항상 비어있다. 다음은 잘 정의된 여기는 일어나지 않으며 전이는 넓은 대역폭 에서 이루어진다는 것이다.
액시머 레이저의 대표적인 경우는 희기체가 할로겐 원자(F, Cl등)와 결합하여 기체 할로겐 화합물 액시머를 형성하는 레이저이다. 이중 특별히 ArF(193 nm), KrF(248 nm), XeCl(308 nm), XeF(351 nm)를 들 수 있다. 이것들은 자연에는 존재하지 않고 적 절한 기체 혼합물을 통과하는 전기방전을 통해 만들어지는 것으로, 모두 자외선 영역을 빔을 내놓는다. 이러한 분자들은 매우 유사하여 동일한 기구에서 레이징을 위해 사용될 수 있다.
앞서도 말했지만 액시머 분자는 매우 특이하다. 전기적으로 들뜨게 되면, 두 성분의 원자는 서로 안정한 분자를 이루기 위해 서로 끌어당긴다. 그러나, 바닥상태에서 두 원 자는 서로 척력을 미친다. 액시머가 여기상태에서 바닥상태로 떨어질 때 두 원자사이의 힘은 인력에서 척력으로 바뀌며 분자는 깨어진다. 이러한 특이한 에너지-준위 구조는 액시머를 매우 좋은 레이저 물질로 만든다. 바닥상태는 본질적으로 존재하지 않기 때문 에 들뜬 상태에 있는 분자들이 존재하는 한 밀도반전이 유지된다. 그러므로 액시머가 존재한다면 레이징을 위한 좋은 조건이 된다. 참고로, 들뜬상태에서 희기체 할로겐 화합 물이 쉽게 형성되는 이유는, 들뜬 희기체는 화학적으로 할로겐 원자와 쉽게 반응하는 알칼리 원자와 비슷한 성질을 갖기 때문이다.
액시머 레이저는 5 atm아래의 총압력으로 유지되는 혼합기체를 포함하는데 88∼ 99%는 에너지 전달을 조절하는 완충기체(보통 헬륨이나 네온이 쓰인다)이다. 희기체는 0.5∼12%이고 할로겐 원자는 0.5%이하의 농도를 갖는다. 최적의 기체혼합은 레이저마 다 다르다.
기체의 원자와 분자사이는 물론 레이저관 벽, 여기에너지, 전극사이의 복잡한 상호 작용이 레이저의 작동에 영향을 끼친다. 흔히, 에너지는 전기적 방전에 의해 기체속으로 전달된다. 에너지 효율은 약 1∼5%정도이다. 전자빔은 기체속에 더많은 에너지를 투입 할 수 있고 더 높은 효율을 줄 수 있다. 하지만, 전자빔 생성기가 크고, 복잡하고, 비싸 며 비효율적일 뿐 아니라 반복비율도 매우 낮기 때문에 전자빔이 효율적이라고는 말하 기 어렵다. 에너지전달을 높이기 위해 자외선 전이온화(UV preionization)기술이 이용되 며 이때 레이저는 펄스모드이고 형태는 TEA 이산화탄소 레이저와 유사하다. 레이저 펄 스의 길이는 대략 수십 나노초정도이고 평균 출력 파워는 100W 정도, 펄스 반복비율은 1kHz, 전기효율은 1%이다.
액시머 레이저는 동위원소 분리와 같은 고도의 기술을 요구하는 광화학 (photochemical) 과정에서 응용될 수 있고 강하고 효율이 높은 자외선 광원을 필요로 하는 경우에 매우 유용하다.
이외에도 화학 레이저(chemical laser), 원적외선(far-infrared) 기체 레이저, 탄화 일 산화물(carbon monoxide) 레이저, 질소 레이저, 헬륨-카드뮴 레이저, 제논-헬륨 레이저, 요오드(iodine) 레이저등 많은 기체레이저들이 상업적으로 만들어져 사용되고 있다.
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접합레이저(Junction laser) 혹은 다이오드 레이저라고 불린다. 1962년에 발명되었으며 LED(light emitting diode)의 개발이후에 곧바로 나온 것이다. 반도체 레이저는 작 은 크기와 높은 스펙트럼 순도, 고효율(거의 10%), 튼튼함, 매우 빠른 비율로 변조되는 능력, 오랜 수명, 적절한 파워(약 200 mW)의 장점 때문에 광범위하게 사용된다.
여러 가지 종류가 있고 여전히 연구되고 있는 레이저로 현재 집중적으로 연구되는 분야는 블루-그린 파장의 빔을 내놓을 수 있는 레이저이다. 여기서 알아볼 레이저는 근 적외선(near-infrared)을 내놓는 다이오드 레이저이다.
최초의 조정가능한 레이저는 1964년에 개발되었으나 상업적으로 사용되기까지는 10 년 이상이 걸렸다. 그 이유는 레이징 문턱이 높아서 펄스모드와 극저온의(cryogenic) 온 도로 제한되었기 때문이다. 이후에 문턱을 낮추기 위한 연구가 이루어진 결과 연속모드 로 상온에서 작동하는 다이오드 레이저가 나오게 되었다.
그림 20) 다이오드 레이저의 작동원리. (a) 순방향 바이어스는 전류흐름과 재결합을 만든다. (b)활성층에서 일어나는 유도방출
◎ 근적외선 반도체 다이오드 레이저
주기율표의 3족과 5족의 원소들로 형성된 화합물로 만들어진다. 특히 갈륨-비화물 (gallium arsenide, GaAs)이 이에 해당되며 근적외선 혹은 적색을 방출한다. 다이오드 레이저는 LED와 같은 구조이며 결맞지 않은 LED의 기능을 한다. 레이저 다이오드 그 자체는 pn 접합을 포함하는 반도체 블록이다. 레이저 칩은 한쪽 길이가 1 mm이하이고 이중 10 ㎛ 폭에서 레이저빔이 만들어진다. 내부구조는 간단한 pn 접합 구조보다 훨씬 복잡하다.
다이오드 레이저의 전류는 전자와 홀로 만들어진다. 순방향 바이어스(forward- biasing) pn 접합은 내부 포텐셜벽을 낮추어서 접합의 한쪽에서 다른쪽으로 전자를 흐 르도록 만든다. 이 경우, 순방향 바이어스는 p-형 물질에서 n-형 물질로 전압이 걸린다 는 것을 의미한다. 과다 전자들이 낮은 에너지 상태, 즉 홀로 떨어질 때 평형이 회복된 다. 이 과정을 "전자-홀 재결합"이라고 부른다. 이러한 재결합을 하면서 전자가 전도띠 에서 원자가띠로 떨어질 때 밴드갭에 해당하는 포톤 형태의 에너지가 방출된다.
LED에서는 임의적으로 자발적 방출이 일어나지만 다이오드 레이저는 유도방출이 주로 일어날 수 있도록 고안된다. 들뜬 전하운반체의 재결합은 자발적 방출에 의해 낮 은 에너지 준위로 떨어지기 이전에 재결합 에너지의 포톤에 의해 자극받는다. 밀도반전 을 만들기 위해서는 높은 추진 전류가 필요하며 빛은 다이오드를 통과하면서 증폭될 수 있다. 다이오드의 양 끝면은 편평한 반사면으로 만들어지는데 이것이 공명 거울을 대신 하여 광피드백을 제공한다. LED에서는 이러한 반사면이 없고 추진전류가 낮기 때문에 자발적 방출이 우세한 것이다.
포톤 에너지는 밴드갭 에너지의 함수이고 그것은 결정 구조와 화학적 성분에 의존 한다. 그러므로 반도체 레이저에 의해 방출된 파장은 다이오드를 구성하는 물질에 따라 달라진다. 다양한 Ⅲ-Ⅴ 반도체 합성물이 사용될 수 있으며 가시광선의 가장 끝쪽 적색 에서 1800 nm의 근적외선까지의 파장을 만들 수 있다.
다이오드 레이저구조는 매우 광범위하다. 이중에서 중요한 형태 몇가지를 알아보도 록 하자. 가장 간단한 다이오드의 형태는 한쪽은 전자 도너로 도핑된 n-형, 다른 쪽은 전자 억셉터로 도핑된 p-형으로 이루어진다.
*호모구조(Homojunction) 다이오드 레이저: 하나의 반도체, 보통 갈륨비화물로 이 루어진다. 처음으로 만들어진 다이오드 레이저의 구조였으나 이후엔 쓰이지 않는다.
*단일-헤테로구조(Single heterojunction 혹은 heterostructure)：활성층이 밴드갭 이 다른 물질끼리 하나의 경계를 이룬 구조이다. 흔히 GaAs와 GaAlAs로 만들어진다. 활성층은 GaAs이고 레이저 방출 파장은 904 nm이다. 단일헤테로구조 레이저는 호모구 조보다 진보된 형태이고 고출력 파워의 펄스를 만들기 위해 폭넓게 사용된다. 하지만 상대적으로 비효율적이고 높은 문턱전류를 가지고 있다.
*이중-헤테로구조：활성층은 서로 다른 물질의 두 개 층으로 만들어지는데 예를 들 어 GaAs가 두 GaAlAs 사이에 끼인 구조이다. 연속빔을 내는데 가장 좋은 구조이고 섬 유광학에서 넓게 사용되어왔다. 고출력의 펄스를 만들수는 없지만 상온에서 수십 mW 의 파워를 연속적으로 낸다. 활성층이 단일헤테로구조보다 얇아서 문턱전류밀도를 충분 히 낮출 수가 있는 것이다.
*stripe-geometry：이중헤테로구조의 하위범주로 방출은 레이저길이를 따라 좁은 stripe로 제한된다. 줄은 1에서 10 ㎛ 폭을 갖는다. 초기 이중헤테로구조 레이저의 경우 엔 50 ㎛이상이었다. 추진전류가 좁은 영역에 제한되기 때문에 문턱전류가 낮아질 수 있다. 또한, 줄이 좁으면 좁을수록 레이저가 진동할수 있는 공간모드의 수를 줄일 수 있 고 이것은 빔의 질을 높이게 된다. 빔이 작은 점에 집중될 수 있으므로 정보를 다루는 분야, 즉 섬유광학에 유용하다.
활성영역 폭은 두가지 기술로 제한될 수 있는데 하나는 이득가이드(gain guiding) 라고 하며 주입-전류밀도와 활성영역에서의 광학적 이득 변화에 의존한다. 또 하나는 굴절율 가이드(index guiding)이라고 하며 활성영역의 평면에 굴절률 장벽(boundary)을 만드는 반도체 구성물의 변화에 의해 정의된다.
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97년 1월, MIT의 물리학자들에 의해 광선이 아닌 원자의 빔을 쏘는 레이저가 만들 어졌다. 이들은 광학레이저빔의 중요한 속성인 "결맞음(coherence)"의 성질을 원자빔이 갖는다는 사실을 확증했다.
양자수준에서 이루어진 고도로 정밀한 측정의 놀라운 진보에 더해 원자레이저는 나 노테크놀러지 즉, 단일 원자 스케일로 구조나 기계를 만드는데 중요한 구실을 할 것으 로 기대되고 있다.
MIT 연구팀은 그들의 장치를 설명하면서 결맞음의 성질을 확인시켜주었는데 이는 그들이 진짜 원자레이저빔을 만들었다는 증거가 된다. 레이저빔의 가장 중요한 특성인 결맞음은 빛의 파면(wavefront)이 시간과 공간에서 예상대로 변한다는 의미를 갖는다. 따라서 보통광원, 예를 들어 백열전구에서 나오는 빛은 결맞는 빛이 아니어서 나중의 파면은 앞의 파면과 예상된 관계를 갖지 않는다.
1995년 이후 과학자들은 원자레이저를 위한 중요한 배경이 되는 물질을 만들어왔 다. 그것은 절대온도 10-9K에서 원자기체의 집합인 보즈-아인슈타인 응축물(Bose- Einstein Condensate, BEC)이라는 특별한 상태의 물질이다.
1920년 아인슈타인과 인도 물리학자 보즈는 충분히 밀도가 높은 입자들이 극저온에 있을 때, 어떤 조건에서, 모든 입자들이 단일한 양자상태가 되어 하나의 결맞는 파동처 럼 행동한다는 사실을 증명했다. 이러한 사실은 원자들이 레이저와 같은 빔이 되기위한 가장 중요한 요구조건에 해당된다. 하지만 지금까지는 실험적으로 이것을 증명하지 못 해왔다.
1월 27일자 에서 MIT의 Wolfgang Ketterle와 동료들은 중력방 향으로 떨어지는 나트륨 원자들의 BEC로부터 일정한 비율의 원자를 뽑아내도록 만드 는 "아웃풋 커플러"(output coupler)를 만들었다고 발표했고 중간에 지 1월 31일자에서 그들은 원자빔이 레이저빔과 비슷한 결맞음 성질을 갖는다는 것을 보였다. 이것은 BEC가 원자레이저처럼 행동하는 것을 보이기 위한 가장 중요한 단계였다.
- MIT 장치의 특성과 원자빔의 생성
MIT에서 만든 장치는 단일한 양자상태를 형성하는 결맞는 원자들의 파열을 만든 다. 기존의 원자빔에서는 접근된 적이 없는 성과인데 빔에 있는 원자들은 많은 양자상 태에 걸쳐 존재하기 때문이다. 또한 대부분의 원자빔은 단순한 입자의 집합일 뿐이지만 MIT의 원자빔은 레이저의 광파(light wave)와 같이 조작되고 조절될 수 있는 단일한 물질파로 행동한다.
그림 22) 자기장은 원자레이저의 원천으로 사용된 나트륨 원자들을 가두었다. rf 복사의 짧 은 펄스들이 원자의 조절가능한 부분을 튀어나오도록 만든다. 이러한 원자들은 중력에 의해 잡아당겨지는 빔을 형성했다. 초당 5천번의 비율로 새로운 펄스가 만들어졌다. 그림은 연속 적인 펄스들을 보여주고 있다. 굽어진 모양의 펄스들은 중력과 원자들 사이의 힘 때문에 형성된다.
실제로 이러한 물질파들은 작은파동(wavelet)으로 나누어지고 원자에 대한 미세한 정보를 제공하는 간섭패턴을 보여주면서 합쳐진다. 광레이저와같이 MIT의 원자레이저 는 여러 가지의 양자상태를 갖는 원자빔에 비교해서 강력하고 방향성이 있는 원자의 흐 름을 준다는 의미에서 "밝다."(bright)
Ketterle와 동료들은 그들의 "output coupler"가 나트륨원자로 이루어진 BEC로부터 일정한 비율로 원자들을 뽑아낼 수 있도록 한다고 설명한다. 그들은 트랩(trap)의 자기 장속에 갖혀있는 BEC에 무선주파수복사(radiofrequency radiation)을 적용하여 원자들을 뽑아낸다. 이 output coupler의 디스크 모양의 코일들은 시가(cigar)모양의 구름(cloud) 속에 수백만개의 원자(그림에서 작은 구모양)을 가두는 자기장을 만든다. 10-9까지 식혀 지고 충분히 높은 밀도로 모여있기 때문에 원자들은 BEC를 형성한다. 이때 원자들은 집단적으로 단일한 양자상태에 놓이게 된다. 그렇게 만들어진 원자들은 원자레이저의 이상적인 원천이 된다.
Ketterle는 원자레이저와 보통레이저의 차이를 다음과 같이 말하고 있다.
"포톤은 만들어질 수 있지만 원자는 만들어질 수 없다. 원자레이저의 원자개수는 증가될 수 없고, 증가되는 것은 낮은 에너지의 양자상태에 있는 원자개수이다. 반면에 다른 상태에 있는 원자수는 감소한다. 또한 원자들은 서로 상호작용한다. 이것은 원자레 이저 빔의 퍼짐(spreading)을 만든다. 빛과 달리 원자레이저 빔은 공기중에서 멀리까지 나아갈 수 없다. 더구나 포톤은 질량이 없지만 원자는 질량을 갖기 때문에 중력에 의해 가속된다."
- 결맞는 원자빔
Ketterle 그룹은 원자빔이 중요한 파동적 성질을 갖는다는 것을 보여주었다. 빔속의 원자는 매우 차갑기 때문에 원자와 관련된 미세한 파장들은 그것들의 파동적 성질이 잠 재적으로 검출될 수 있는 지점에서 증가한다. 실제의 원자레이저빔은 결맞는 빔이고 원자파는 하나의 강한 파동을 이루는 방식으로 결합한다.
하나의 원자파는 직접 관찰될 수 없는 양자역학적 파동이지만 서로 간섭을 일으키 면 밝고 어두운 무늬 패턴을 만들게 된다. 두 개의 원자파가 간섭할 때 하나의 파동을 만드는 원자는 다른 파동의 원자와 상쇄될 수 있다. Ketterle는 다음과 같이 말한다.
"물질파가 상쇄간섭을 할 때, 마치 하나의 원자 더하기 하나의 원 자는 0의 원자를 만드는 것처럼 보인다. 하지만 물질은 파괴되지 않고 어디에선가 다시 나타난다. 그럼에도 불구하고, 분리된 원천에서 나오 는 원자의 간섭은 극적 현상(dramatic phenomenon)이다."
- BEC의 결맞음
자기력과 광학적 힘을 사용하는 특별한 트랩으로부터 두 개의 독립적인 BEC를 만 듦으로써 결맞음이 관찰된다. 트랩이 열리면, BEC는 떨어지고 퍼지면서 결국 오버랩된 다. 그러한 오버랩된 영역에서 매우 선명한 간섭무늬가 전기카메라로 관측되었다. 이러 한 간섭무늬는 오직 BEC의 원자들이 단일한 결맞는 파동을 형성했을 때 가능한 것이 다. 즉, 한쪽 BEC의 전체적인 원자파가 다른 BEC의 원자파와 함께 밝고 어두운 무늬 를 만들게 된다. MIT그룹은 각 BEC에 관련된 원자파가 30 마이크론의 파장을 갖는다 는 것을 계산했는데, 이러한 파장은 상온에 놓여있을 때 원자가 갖는 파장보다 백만배 나 큰 것이다.
그림 23) BEC의 Rf output coupler
(a) 각각의 원자들은 트랩의 자기장속에서 마치 작은 자석처럼 행동한다. 원자는 스핀을 갖 기 때문에 자기장에 반응하므로 그림에서 원자들은 트랩의 중심방향으로 밀려가는 상태에 해당하는 모두 같은 스핀값을 갖는다.
(b) rf 복사의 짧은 펄스를 적용하면 조절가능한 각으로 스핀을 기울게 만든다.
(c) 양자역학적으로 스핀을 기울인다는 것은 원자들이 자신의 스핀을 뒤바꿀 확률을 가지고 있다는 의미이다. 원자들의 일부분은 스핀을 뒤바꾸고 그것들에 미치는 자기력을 반대방향 으로 향하도록 만든다. 결과적으로 원자들이 트랩을 벗어날 수 있고 BEC는 갖혀진 "구름"과 갖혀지지 않은 구름으로 나뉜다.
(d) rf 복사의 펄스를 몇번 쪼여주면 연속적으로 떨어지는 원자레이저 펄스를 어느정도 만들 어낼 수가 있다. 이러한 구름들은 퍼지면서 중력에 의해 가속된다.
[그림: Figure courtesy of Massachusetts Institute of Technology]
- 원자레이저의 개선과제
원자레이저에 대한 연구는 이제 막 시작되었다. Ketterle그룹은 이미 그들이 만든 장치를 개선할 준비를 하고 있다. 예를 들어, 현재 원자레이저는 중력방향으로 떨어지는 빔만을 만들어낸다. 앞으로의 단계는 현재의 도구와 "원자거울"(atomic mirror)을 결합 시켜 원자빔이 다른 방향으로 진행할 수 있도록 만드는 것이다. 여기서 "원자거울"은 광학적 혹은 자기적 힘을 이용해 원자빔의 방향을 결정할 수 있도록 하는 장치를 말한 다. 또, 현재 원자빔은 트랩에서 나올 때 회절하거나 퍼진다. 앞으로의 디자인은 그러한 회절효과를 감소시킬 수 있도록 만들어져야 한다. 마지막으로, 현재 디자인은 오직 원자 의 "폭발"만을 만든다. (즉 펄스모드로만 동작한다.) 앞으로의 과제는 연속적인 빔을 만 드는 것이다.
그림 24) BEC는 마치 파동처럼 간섭을 일으킨다.
그림 25) 간섭실험은 BEC에서 유도된 두 원자레이저빔 사이에서도 이루어졌다. 원자레이저 빔 또한 결맞는 파동이라는 것을 증명하는 간섭무늬가 관찰되었다
그림 21) 다이오드 레이저 구조의 예.
다이오드 레이저의 파장은 주로 구성물질의 밴드갭에 의존한다. GaAs같은 두성분 으로 된 경우는 하나만이 가능하고 GaAlAs처럼 세성분인 경우와 InGaAsP처럼 네성분 인 경우는 그렇지 않다. 다양한 파장의 다이오드 레이저는 실제보다 제한된다. 첫째 이 유는 빛의 효율적 발생을 위해 필요한 direct-bandgap 에너지준위 구조가 없는 성분이 있고 이러한 indirect-bandgap 물질은 레이저 다이오드로는 부적절하다.
각 혼합물의 파장은 다음과 같다.
*GaAs : 904 nm
*GaAlAs : 720∼900 nm
*InGaAs : 1060 nm
*InGaAsP : 1300∼1550 nm
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최근, 학문의 세계에 머물러있던 양자론을 전자산업에 적용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 원자,전자,광자 등과 같은 미세물질의 세계인 양자세계의 현상과 법칙 을 반도체, 레이저 기술 개발에 활용, 획기적인 진보를 달성하고자 하는 노력이 경주되 고 있는 것이다. 실제로 반도체의 경우, 원자나 전자의 움직임 하나하나가 중요한 의미 를 갖는 단계가 곧 다가올 것으로 과학자들은 보고 있다. 현재의 기술발전 속도에 비추 어 오는 2010년께면 반도체 회로선폭이 0.1 마이크론 수준에 도달할 전망이기 때문이다. 이 수준에 도달하면, 각각 극소수 전자의 움직임이 전기신호로 나타나게돼 전자 하나를 더하거나 빼는 데 따라 전기신호 자체가 달라질 수 있기 때문이다. 반도체 제조업체들 이 양자의 세계에 관심을 갖게 되는 것도 바로 이 때문이다. 이와 관련해 현재 깊이있 게 연구되고 있는 것은 이른바 "양자점(quantum dot)"구조이다.
양자점은 개개의 전자를 담을 수 있는 미세공간으로 20nm의 크기를 갖는다. 따라 서 하나의 핀머리에 수십억개의 양자점을 올려놓을 수 있다. 과학자들의 궁극적인 핵심 연구과제는 양자점을 이용해 단일전자의 흐름에 따라 온/오프의 전기신호를 내는 트랜 지스터를 제조하는 데 있다. 이 연구가 결실을 맺게되면 반도체 제조방법에도 상상할 수 없는 변화가 이루어질 것이 확실하다. 반도체 용량은 기본적으로 트랜지스터의 집적 도에 달려있다. 따라서 양자점을 이용한 초미세 트랜지스터의 개발은 반도체 용량의 폭 발적 증대로 이어지고 더 나아가 초미세 슈퍼컴퓨터의 개발을 가능케 할 것으로 기대되 기 때문이다. 이같은 기대는 학계나 과학계는 물론 상업성을 추구하는 기업들에게도 커 다란 영향을 미쳐 양자세계에 대한 연구를 촉진시키는 원동력이 되고 있다. 텍사스 인 스트루먼츠, 아이비엠, 휴렛펙커드, 모토롤라등 세계적으로 내노라하는 기업들이 대거 장기적인 안목을 갖고 이 분야연구에 나서고 있다.
이들 역시 연구의 초점은 양자효과에 부합하도록 미세한 전자의 움직임을 제어하는 기술개발인데, 양자점 구조가 그것을 가능하게 할 것으로 예상하고 있다. 일정한 성질을 갖춘 원자로부터 양자점 구조를 형성하게 되면 이 구조내에 전기전도 기능을 하는 자유 전자를 가둘 수 있고, 또 이 자유전자는 외부에서 에너지의 충격을 가하지 않는 한 구 조 내에서 벗어날 수 없다. 이 원리를 활용해 현재 개발되고 있는 것 중의 하나가 양자 우물(quantum well)레이저이다.
양자우물 레이저는 서로 다른 물질층 사이에 얇은 반도체 물질층을 형성하는 방법 으로 만들어진다. 양자우물에 갇힌 전자는 양방향으로만 움직이는 특성을 갖게되며, 그 결과 적은 동력을 소모하고도 기존의 레이저에 비해 더 많은 빛의 생성을 가능하게 한 다. 벨연구소의 경우 여기서 한걸을 더 나아가 전자의 양방향 이동을 단방향화해 빛의 생성량을 더욱 증가시킨 양자선(quantum wire) 레이저를 연구하고 있다. 양자선 레이저 가 개발되면 통신분야에 획기적인 기술발전을 가져올 것으로 전망되는데, 현재 통신선 로상에서 레이저 펄스를 재생하기 위해 일정한 간격으로 배치하고 있는 값비싼 중계기 수를 훨씬 줄일 수 있기 때문이다.
과학자들은 궁극적인 목표인 양자점 구조형성이 가능해지면 이같은 양자선보다도 더 많은 기술상의 진보가 이루어질 것으로 기대하고 있다. 전자제어가 면(양자우물)에서 선(양자선), 점(양자점)의 단계에서 이루어질수록 그 효과가 크기 때문이다. 그러나 기 술상의 어려움 때문에 아직까지 양자점 레이저는 개발이 이뤄지지 않고 있는 상태다. 현재 시도되고 있는 양자점 구조형성 방법은 반도체에 기둥을 새기는 것과 상단부에 양 자점 클러스터를 증착시키는 것등 크게 두가지로 볼 수 있다. 뉴욕주립대 연구진은 이 같은 방법으로 양자점 구조의 메모리칩 샘플을 만드는데 성공했다. 이 메모리칩은 이론 적으로는 1 테라비트의 데이터까지 저장하는 것이 가능하다. 양자기술을 기반으로 하는 기기들은 초저온 상태에서 작동하면서 미세한 열변화에도 제기능을 못한다는 것이 그동 안의 과제였다. 그러나 이 문제도 최근들어 스텐퍼드 대학의 전자기술연구소가 상온에 서 작동하는 단일전자 트랜지스터의 제작에 성공, 해결의 실마리를 잡았다. 그러나 여전 히 많은 문제가 남아있다. 속도변경이 느리고 표류전자에 의해 단일전자가 계획된 경로 에서 이탈하는 것 등의 문제가 해결되지 않고 있는 것이다. 현재 이에 대한 해결방안이 다각도로 모색되고 있으나 활용 가능한 방안을 찾기까진 상당한 시일이 걸릴 것 같다. 그러나 양자점 구조의 반도체 개발로 핀크기의 슈퍼컴 제작등 전자산업의 새로운 전환 기가 도래할 수 있을 것으로 기대된다.
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