레이저, 그 탄생과 변천

출처: 한국과총

http://online.kofst.or.kr/Board/?acts=BoardView&bbid=1121&page=1&nums=17316&sfl=&stx=

 

1917년 아인슈타인이 유도방출이란 개념을 처음 발표하면서 레이저에 관한 이론 기초를 닦았다.

유도방출이란 광자가 특정한 조건의 원자나 분자와 상호작용하여 동일한 파장, 동일한 위상, 동일한 편광,

그리고 동일한 방향의 광자를 하나 더 생성하는 과정이다.

이를 전문적인 용어로 표현하면 유도 방출에 의한 광 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)이라고 하며,

이의 머리글자를 따서 줄인 말로 ‘LASER(레이저)’라는 용어를 사용한다.

 

 

타운스 “유도 방출에 의한 전자기파 증폭 가능”

1954년 미국의 타운스와 고든 연구진과 러시아의 바소프와 프로호로프 연구진이 각각 독립적으로 레이저의 원조 격인

메이저(MASER)를 발명하였다.

이 메이저는 암모니아 기체를 사용하였는데, 1956년 하버드대에 재직중인 블룸베르헨에 의해 보다 유도 방출 효율이 좋은 방식을

제안하였고, 바로 그 해에 벨연구소에서 이득 매질이 OCS인 분자 기체 메이저 발진에 성공하였다.

 

마이크로파 영역에서 메이저의 성공 이후, 곧 바로 타운스와 그의 동료인 숄로는 보다 짧은 적외선 또는 가시광선 영역에서 메이저 발진을

생각하기 시작하였다.

1957년 타운스는 실제로 가시광 영역의 메이저, 즉 레이저를 만들기 위해 연구를 시작하였다.

그 다음해인 1958년에 그는 레이저 발명을 이끌어 낼 이론적 배경과 핵심 아이디어를 제공한 중대한 이론 논문 한편을

‘피지컬 리뷰 레터’지에 발표하고, 이 개념을 특허청에 출원하였다.

이 논문은 그 해에 많은 과학자들의 관심 아래 읽혀졌으며, 최초의 레이저 발진을 성공시키기 위해 수많은 과학자들의 노력이 있었다.

비록 타운스가 레이저에 관한 이론과 방법을 제시하였고, 자신도 역시 최초의 레이저를 만들기 위해서 실험을 시도하였지만,

 

1960년 5월 휴즈 연구소에 재직 중이었던 마이만이

제일 처음으로 루비 결정을 이용한 가시광 레이저 발진에 성공하였다.

이 성공이 발표된 이후 곧 바로 몇 주 내에 몇몇 연구그룹들이 루비 레이저 발진 성공을 뒤이어 발표하였다.

 

 

▷ 타운스(오른쪽)와 고든(왼쪽)이 발명한 메이저 옆에 있는 사진과 가시광 영역의 메이저 개발을 위한 타운스의 아이디어가 적혀있는 그의 연구 노트.

 

▷ 세계 최초로 레이저 발진에 성공한 루비 레이저와 이를 바라보고 있는 마이만.

 

 

 

 

 

마이만은 처음 레이저 발진에 성공한 후 3개월이 지나서 1960년 8월 6일자 네이처지에 ‘Stimulated Optical Radiation in Ruby’란 제목으로

관련 논문을 게재하였다.

그 이후부터 현재까지 미국에서만 레이저에 관련된 특허가 5만5천건 이상 등록되었다. 

오늘날의 레이저 기술과 레이저에 관련된 모든 응용기술들은 한 사람의 노력에 의해서가 아니라

수많은 과학자들과 공학자들의 공동 노력에 의해 이루어졌다. 하지만,

레이저에 관한 모든 결과들의 근원은 한 사람, 바로 타운스의 아이디어에서 출발하였다.

그의 아이디어는 유도 방출이 가능한 에너지 구조를 가진 분자를 이용하면

유도 방출에 의한 전자기파의 증폭이 가능하다는 것이다.

 

▷ 유도 방출이 가능한 3준위계 에너지 구조와 4준위계 에너지 구조.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

빛의 증폭 기본 원리는 3준위계나 4준위계로 설명된다.

바닥상태에 있는 원자 또는 분자가 광펌핑에 의해 에너지를 흡수하면 들뜬 상태가 된다.

들뜬 상태에 머무르는 시간은 매우 짧아 곧바로 준안정 상태로 떨어지게 되며,

이때는 다른 에너지 상태에서보다 상대적으로 오래 머무른다.

그래서 준안정 상태의 분자들이 바닥상태의 분자들보다 많게 되면

유도 방출에 의한 증폭이 일어날 수 있는 밀도 반전 상태가 된다.

밀도 반전 상태에서는 광자 하나가 지나가면

유도 방출이 발생해 빛의 증폭이 일어 날 수 있게 된다.

참고로 3준위계의 에너지 구조보다는 4준위계의 에너지 구조가 밀도 반전이 잘 일어나는

구조이기 때문에 효과적인 빛의 증폭을 위해서는 4준위계가 유리하다.

 

마이만, 루비 결정 이용한 가시광 레이저 발진 성공

마이만이 처음 레이저를 성공한 기본 원리 및 방법은 다음과 같다.

<그림5>는 3준위계 루비 레이저의 발진기의 원리 및 구조를 나타낸다.

루비 결정(②)에 플래시 램프(①)의 강한 빛을 넣어 주면,

루비 결정 구조 속에 있는 크롬원자들은 들뜬 상태가 된 후 잠시 준안정 상태에 머물게 된다.

이 상태에서 3준위계 에너지 구조와 같이 일부 원자는 자발적으로 바닥상태로 전이하면서 광자를 방출한다.

이를 자발 방출이라고 하는데, 이렇게 자발 방출에 의해 새로 생성된 광자가

아직 광자를 방출하지 않은 이웃한 준안정 상태의 크롬 원자와 충돌하게 되면

유도 방출 과정이 일어나 동일한 광자가 복제 증폭된다.

 

마이만은 이 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭을 효과적으로 일으키기 위해

나선형 모양의 플래시 램프를 감싼 루비 결정의 한 쪽 면에는

완전 반사경(③)을 두고 다른 한쪽 면에는 부분 반사경(③)을 두었다.

자발 방출된 광자가 이러한 구조에서 루비 결정을 계속 반복하며 왕복하게 하여,

루비 결정 속의 유도 방출을 극대화 하였다.

그리고 유도 방출된 광자들의 일부는 부분 반사경을 통해 밖으로 빠져 나오도록 하였다(④).

 

▷ 3준위계 루비 레이저 발진기의 원리 및 구조. ①플래시 램프 ②루비 결정 ③완전 반사경(왼쪽) 부분 반사경(오른쪽) ④루비 레이저

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이것이 세계 최초로 발생시킨 루비 레이저인 것이다.

이 루비 레이저 빛은 일반 빛 보다 결맞음성이 크고,

파장이 694.3㎚로서 단색성이 매우 우수하였고, 태양 빛보다 수백만 배 훨씬 밝고 강했다.

 

1964년 타운스 박사는 러시아의 프로호로프, 바소프 박사등과 함께

 ‘양자전기역학 분야의 개척과 메이저-레이저 원리에 기반한 발진기와 증폭기의 발명’이란 업적으로

노벨상을 공동 수상하였다.

타운스가 처음 1954년 메이저를 발표한 이후 노벨상이 수상되기 전까지 그 동안 이 분야에서 많은 진전이 있었다.

 

 

레이저로 새로운 응용분야 폭발적 확장

초기 아인슈타인의 유도 방출에 의한 빛의 증폭 이론이 정립되고,

마이만이 처음 루비 레이저 발진에 성공한 이후부터 오늘날까지

레이저 기술에 대한 중대한 발견 및 발명의 주요 내용들을 연대별로 요약 정리하면 다음과 같다.

 

참고로, 1970년대 후반부터는 레이저로 인한 새로운 과학 기술과 응용 분야들이 폭발적으로 확장되어서

이를 모두 기록하기에는 무리가 있기 때문에 간략하게 새로운 종류의 레이저와 기술 중에 역사적으로 중요하다고 여겨지는 것만 기록하였다.

 

1950～60년대는

타운스가 최초로 유도 증폭에 의한 마이크로파 증폭 성공(1954),

타운스가 가시광선 영역에서의 유도 증폭에 관한 이론 논문 발표(1958),

마이어가 최초로 가시광선 영역에서 유도 증폭에 의한 루비 레이저 발진 성공(1960),

헬륨 네온 기체 레이저 출현(1960),

네오디뮴 유리를 이용한 4준위 고체 레이저 출현(1961),

최초로 수정 결정을 이용하여 이차 조화파 발생(1961), 

고에너지 펄스 발진이 가능한 Q 스위칭 레이저 기술 출현(1962),

소형화가 가능한 다이오드 반도체 레이저 출현(1962),

극초단 펄스 발생이 가능한 모드록킹 기술 출현(1963),

열적 특성이 우수한 Nd:YAG 레이저 출현(1964),

최초로 피코초 레이저 발진 성공(1965,)

다양한 파장 발진이 가능한 색소 레이저 출현(1966),

고출력 발진이 가능한 화학 레이저 출현(1969) 등이 있었다.

 

1970년대에는

자외선 영역에서 최초로 엑시머 레이저 출현(1970),

산업용 레이저로 많이 사용되고 있는 이산화탄소 레이저 출현(1970),

고효율의 양자벽 레이저 출현(1972),

최초로 연속 발진 반도체 레이저 상용화(1975),

파장 가변과 고출력이 가능한 자유전자 레이저 출현(1976),

VCSEL 출현(1979) 등이 있었으며,

 

1980년대에는

펨토초 레이저 시대를 연 티타늄 사파이어 레이저 출현(1982),

초고출력 레이저 시대를 연 CPA 기술 출현(1985),

광통신 시대를 연 어븀(Er) 도핑된 광섬유 증폭기 출현(1987),

고출력 광섬유 레이저를 가능케 한 더블 클래드 광섬유 레이저 출현(1988) 등이 있었다.

 

1990년대에는

양자 폭포 레이저 출현(1994),

청색 다이오드 레이저 출현(1996),

단일 원자 레이저 출현(1997) 등이 있었고,

 

2000년대에는

마이크로 칩 라만 레이저 출현(2005),

최초로 엑스선 레이저 발진 성공(2009) 등이 있었다.

▷ 레이저의 탄생과 변천 연대기

연대별로 주요 레이저 응용 기술에 대한 내용을 요약해보면 다음과 같다.

 

1960년대에는 새로운 종류의 레이저 발명이 주를 이루었다면,

1970년대부터는 이러한 새로운 종류의 레이저의 품질과 성능을 개선하는 레이저 기술의 발전이 주를 이루었다.

또한, 1970년대부터는 레이저를 이용한 새로운 과학 기술 분야가 탄생하기 시작하였으며,

1980년대부터는 다양한 종류의 레이저와 다양한 레이저 기술 간의 창조적인 조합으로 새로운 응용기술들이 나오기 시작하였다.

또한, 1990년대부터는 레이저가 여러 다양한 분야에 상용화되어 인간 생활 속에 깊숙이 들어오기 시작하였다.

 

이제까지의 연구 결과로 무려 13명의 노벨상 수상자가 탄생되었다.

그 외에도 레이저 과학 기술과 관련된 많은 과학자들이 노벨상을 수상하였으며,

앞으로도 레이저 과학 기술 분야에서 계속적으로 노벨상 수상자가 탄생될 것으로 예측된다.

 

 

 

이종민 광주과학기술원 석좌교수 leejm@gist.ac.kr

글쓴이는 고려대학교에서 박사학위를 받았다. 국방과학연구소 전자광학부 실장,

한국원자력연구소 기초연구부 부장, 기반연구그룹 본부장,

미래기술개발단장, 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 교수 겸 고등광기술연구소 소장 등을 지냈다.

현재 극초단 광양자시설 구축 및 운영사업 책임자로서 펨토과학기술 분야 연구를 수행하고 있다.