서 약 서

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1 Laser 의원리 레이저란무엇인가? 레이저광선은인간이만들어얻은유일한인공광선이다. 레이저는들뜬원자나분자를외부에서자극시켜장단 ( 결 ) 이잘맞아있는빛을방출하게함으 로서큰증폭률로증폭된빛을말한다. LASER " Light Amplification By Stimulated Emission Of Radiation " 이란영어의각단 어머리자를따서조합한합성어로서우리말로하면 " 유도방출과정에의한빛의증폭 / 복사 의자극방출에의한빛의증폭 " 이란뜻이된다. 1

2 레이저의특징 레이저는인간이만들어낸인공광선으로자연광과비교하면다음과같은특징이있다. 1. 직진성 [ 지향성 ( 指向性 )-Directivity] 레이저는직진성이강하다. 보통의빛은렌즈를써서아주가늘게만들수있기는하지만곧크게퍼져버린다. 그러나레이저는좁고긴관을수만번왕복한빛이기때문에멀리까지갈수있는상태로아주잘빚어져서거의퍼지지않고직진하게된다. 빛이퍼지지않고일정한방향으로직진하는 ( 지향성-Directivity) 성질을가지고있습니다빛이퍼지지않고일정한방향으로어느정도직진하는가를말한다. 예를들어회중전등빛과레이저빛을비교해보면회중전등빛은빛이진행함에따라서빛이점차넓어지지만레이저빛은거의넓어지지않은채진행한다 2. 단색성 [Monochromatic] 레이저는한가지색을가지고있는순수한빛이다. 보통의빛은여러가지파장, 즉여러가지색의빛이섞여있다. 비교적순수한빛이랄수있는네온사인등의방전에의한빛도원자의운동에의한도플러효과로약간의파장폭을가지고있으나레이저는양쪽거울속에잘뛰놀수있는공명상태의빛을방출하므로거의단일한파장을갖는순수한빛을방출하게된다. 일반적으로레이저라고부르는것은레이저빛을발생하는장치를말합니다. 태양광과는달리, 레이저는색상의변화가일어나지않으며,( 단색성-Monochromatic) 다른여러가지빛이혼합되어있지않고, 어느정도의순수한단일광으로만들어집니다. 이것은여러가지빛이혼합되어있지않고어느정도의순수한단일광인가를나타내는것이다. 단색성이란순수한단일주파수즉한개의주파수에의접근여부를말하는것이다. 2

3 3. 간섭성 [Coherence] 레이저는결이잘맞아있는강력한빛이다. 우리주위의보통의빛은마치수많은북을제멋대로의장단으로치는경우처럼서로연결되지않고짧은파동이수없이모여있다. 그러나레이저는많은북을일정한장단에맞추어서치는것처럼많은파동이서로정확하게잘겹쳐져서매우강력한밝기를가지고있다. 간섭은위상의차이에따라명암의무늬가나타나는현상으로, 레이저는위상이균일하기때문에약간의장애물에부딪히면곧간섭을일으킵니다. 그러나햇빛과같은일반적인빛은주파수도, 위상도가지각색이므로간섭이일어나기어렵다. 4. 에너지집중도및고휘도성 [Brightness] 태양빛을렌즈에집중시키면종이나나무를태울수있는정도이지만, 레이저빛의경우에는에너지밀도가높기때문에철판까지도절단할수있다. 태양빛을렌즈에집중하면종이나나무를태울수있는정도이지만, 레이저빛의경우에는에너지밀도가높기때문에철판까지도태울수있습니다. 3

4 레이저개발의역사 원자에서빛의흡수와방출에대한이론위대한물리학자인아인슈타인 * 은레이저발진에서의중요한자극방출 ( 유도방출 ) 의개념을포함하여원자에서의빛의흡수와방출에대한이론을 1917 년발표하여 40 여년후의레이저의가능성을열었다. * 1922 노벨상수상 메이저 ( Maser ) Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation ( 복사의자극방출에의한마이크로파의증폭 ) 전기장이걸려있는암모니아의에너지레벨은쌍극자모우먼트 (dipole moment) 의놓인방향에따라두개의에너지준위를갖는다. 그에너지차이는약 24GHz 의마이크로파에해당한다. 높은에너지준위에있는암모니아분자들을모아준후이를일시에자극방출시키면결맞아있는강한마이크로파가방출된다. Schawlow *, Townes (1958) : 이론적인제안 Maiman (1960) : 세계최초의레이저인루비레이저발진 Javan, Bennett, Herriott (1961) : 최초의기체레이저인헬륨 - 네온레이저발진 4

5 레이저의역사 1950 년 C.H.Townes - 메이저 (MASER) 개발 1958 년 C.H.Townes 와 A.L.Schawlow - 레이저의원리제시 1960 년 T.H.Maiman (Hughes Research Lab.) - 펄스형 Ruby 결정레이저 (694.3nm) 실현 1961 년 A.Javan, W.Bennett 와 D.Herriott (Bell Lab.)- He-Ne 레이저개발 1961 년 L.F.Johnson 과 K.Nassau (Bell Lab.) - Neodymium 레이저개발 1962 년 R.Hall (General Electric Research Lab.) - 반도체레이저개발 1963 년 C.K.N.Patel (Bell Lab.) - CO 2 레이저개발 1964 년 W.Bridges (Hughes Research Lab.) - Argon ion 레이저개발 1965 년 P.P.Sorokin 과 J.R.Lankard (IBM) - 색소레이저개발 1975 년 J.J.Ewing 과 C.Brau (Avco-Everett Research Lab.) - 엑시머레이저개발 1976 년 J.M.J.Madey et al.(stanford Univ.) - 자유전자레이저증폭기개발 (CO 2 레이저파장에서동작 ) 1985 년 D.Matthews et al. (LLNL) - 연 X- 선레이저 (Se 플라즈마이용 ) 동작 5

6 아인슈타인의빛의흡수와방출이론 자극방출이라는새로운형태의상호작용 아인슈타인은보어의가설에서의빛과원자와의상호작용두가지, 즉자극흡수, 자발적방출 에자극방출이라는새로운개념을도입함으로써레이저의중요한기초원리를알아냈다. 1. 자발적방출 (Spontaneous Emission) 보어의가설에서처음제안되었던것으로원자가높은에너지상태에있다가낮은에너지상태로내려가면서그차이에해당하는빛을스스로방출하는것을말한다. 이빛을방출하는가능성은확률적으로마구잡이로 / 무작위하게 (random) 일어난다. 자발방출높은에너지상태에있는원자가외부의아무런부추김없이스스로빛을방출하면서낮은에너지상태로 떨어진다. 2. 자극방출 (Stimulated Emission)= 유도방출원자가높은에너지상태 ( 들뜬상태 : 여기상태 ) 에있다가외부의빛에자극을받아서빛을방출한다. 이때자극을시킬수있는빛은방출될빛과파장이같아야한다. 이경우방출되는빛은자극시킨빛과결맞아있다. 이를유도방출 (induced emission) 이라고도한다. 이과정이빛의증폭을가능하게한다. 유도방출외부에서들어오는빛의부추김에의해서높은에너지의원자가낮은에너지상태로변하면서새로운빛 을낸다. 이때자극을시키는외부의빛은방출될빛과같은파장이어야하고. 방출되는빛은외부빛과결이잘 맞아있게된다 6

7 3. 자극흡수 (Stimulated Absorption)= 유도흡수유도흡수는자발방출과함께보어의가설에서처음제안되었던것으로낮은에너지상태의원자가빛을흡수하여높은에너지상태로전이하는것을말한다. 이경우그에너지차이와꼭같은빛이입사하여야한다. 이를유도흡수라고도한다. 유도흡수외부에서들어오는빛에의해낮은에너지상태의원자가그보다높은에너지상태로전이한다. 열적평형상태에서의물질정상온도에서는낮은에너지준위로많은원자들이있다. 많은원자가모여있는기체, 고체, 액체등의물질은그것을구성하는개개원자의일부분은높은에너지상태 ( 들뜬상태 : 여기상태 ) 에있지만거의대부분은여전히바닥상태에안주하고있다. 온도가올라가면들뜬상태의원자가점차많아지기는하지만여전히바닥상태로있는원자의개수는많다. 극단적으로무한대의온도가된다면비로소모든에너지준위에있을가능성이같아진다. 한편음수의온도가있을수있다면역전이가능하기는하지만열적인평형상태에서는이러한일이벌어질수없다. 원자들의열적평형상태원자들은여러에너지상태로있을수있지만그분포는온도에의해결정된다. 온도가높아지면높은에너지상태로갈가능성이커지지만물리적으로의미있는 + 의온도에서나낮은에너지상태에더많은원자들이있게된다. 자발적방출과자극방출되는빛의비율보통의광원이내는빛에서자발적방출과자극방출의정도를쉽게열적인평형조건에서계산해볼수있다. 형광등이나네온사인, 백열전등등보통의모든광원의경우자극방출의빛의비율은전체의 정도되어대부분이자발적방출이어서제멋대로의빛을내게될것이다. 7

8 8 Spectrum 파장대

9 레이저의기본구성 우선레이저발진작용을발생시키려면, 그원인이되는물질이필요한데, 이물질을레이저매질 (Laser medium) 이라고합니다. 그리고외부에서여기하기위한여기매체 (Pumping source) 와공진기 (Resonator) 등도필요합니다. 각각에대하여구체적으로살펴보면다음과같습니다. 1. 레이저매질레이저매질은액체, 기체, 고체, 반도체, 4 종류로분류할수있습니다. ㆍ액체 -> 색소 (dye) ㆍ기체 -> He-Ne, Ar, Kr, N2, CO2, XeF, 금속증기등ㆍ고체 -> Nd:YAG, KCI, RbCl(F Center Laser), 루비, 유리ㆍ반도체 -> GaAs. InP, GaAs-P, InAs 2. 여기매체레이저매질에따라여러가지여기매체가있습니다. ㆍ방전 -> He-Ne Laser, Ar Laser, Kr Laser, He-Cd Laser 등ㆍ전류 -> 반도체 Laser ㆍ Flash Lamp -> Nd:YAG Laser, 루비 Laser, 유리 Laser, 색소 Laser ㆍ Laser -> 색소 Laser, F center Laser ㆍ화학반응 -> Chemical Laser(HF Laser, DF Laser 등 ) 3. 공진기일반적으로공진기는 2 개의반사형으로구성된 Fabry-Perot 간섭계를사용합니다. 이것은레이저매질을중심으로양끝에반사경을부착시킨것으로, 평면형과구면형이있으며, 보통구면형의거울은반사율이크기때문에고반사거울이라부르며, 출력측의거울은출력결합거울 (Output Coupler) 이라부릅니다. [ 레이저의기본구성 ] 9

10 [ 레이저의증폭작용 ] (A) 레이저매질의양끝에거울을부착시킨공진기로여기되기전의상태. (B) 여기매체에따라대부분의원자가여기상태로이동한다. (C) 몇개의원자는자연방출하며어떤원자는외부로빠져나간다. 굵은화살표방향으로이동하는광자가다음의원자에충돌하여 4 개의광자를방출시킨다. 이것이계속해서일어난다. (D) 반사표면까지도달한빛은반사되어거울면으로회절되며, 다시같은유도방출을몇번이고반복한다. (E) 반사할때의손실이레이저의이득보다적지않으면발진은성장하며, 여기매체에의해서주어지는에너지를완전히방출시키기까지힘은증대한다. 이때공진기내부의발진광의일부투과거울에의해누설되며, 방출된빛이레이저빛의출력이된다. (A) 부터 (E) 까지의과정은순식간에일어난다. 실제의레이저밀도반전이가능한매질이있어야한다. 비록레이저가원자나분자의에너지준위를이용하기는하지만그매질이역전을시킬수있는조건에합당한세개나네개의에너지준위를가지고있어야한다. 이를레이저매질이라하는데이러한매질로는기체원자의네온, 아르곤, 크립톤, 기체분자의이산화탄소, 불화수소, 질소등이있다. 한편고체의경우에는 CaWo 4, Y2O 4, SrMoO 4, LaF 3, YAG, 유리등의모체에있는일종의불순물인 Nd 3+, Ho 3+, Gd 3+, Tm 3+, Er 3+, Pr 3+, Eu3+ 등이레이저매질로서작용한다. 또한반도체, 액체도레이저매질의조건을충족하는것이많다. 효율적으로펌핑을할수있는방법이있어야한다. 레이저매질에서밀도반전을실제로실현할수있는효율적인펌핑의방법이있어야한다. 그러기위해서는레이저매질의온도나압력등을적당한조건에두어야한다든지, 아니면펌핑의매개역할을할수있는다른매질을같이섞어두어야하는경우도있다. 레이저발진을실현시킬적절한공진기를만들어야한다. 레이저매질에합당하고, 효율적으로발진을시킬수있는공진기가만들어져서그내부에그매질을가두어둘수있어야하고, 이렇게해서만들어진레이저의내부에너지감소율이적어서레이저가증폭될수있는조건에이르러야한다. 레이저의종류는증폭기상태에따라기체레이저, 액체레이저, 고체레이저, 반도체레이저네가지로분류하는데, 레이저조각기는 CO 2 를매질로발진하기때문에기체레이저에속하며, 금속가공용레이저는 YAG 라는고체물질을매질로하기때문에고체레이저에속합니다 10

11 레이저의종류 [1. 기체레이저 ] 기체레이저는균일한매질이므로손실이작기때문에공진기를크게하면이들이좋게되는장점이있다. 일반적으로기체레이저장치는규모가크며출력은작아도연속발진이가능하고발진파장의수가많아가간섭성등이우수하다는특징이있다. 여기방법은방전이일반적이며기타광여기, 열여기, 화학반응에의한여기, 전자빔에의한여기등이있다. a. 특징 매질이균일하여광학적으로깨끗한광속방출 기체매질의밀도및부피조절에의한레이저출력가변성 레이저동작시의발생열냉각용이 대부분전기적펌핑방법사용 b. 종류 중성원자레이저 (Neutral atom laser) /He-Ne 레이저 (632.8nm) / Cu-vapor 레이저 (510nm,578nm) Au-vapor 레이저 (312nm,628nm) / 이온레이저 (Ion laser) / Ar 레이저 (488nm,514.5nm) He-Cd 레이저 (325nm,416nm) / 분자가스레이저 (Molecular gas laser) /CO 2 레이저 (10.6um) CO 레이저 (5um) / N 2 레이저 (337nm) /KrF 엑시머레이저 (248nm) /ArF 엑시머레이저 (193nm) 1962 년러시아의 Basov 와 Oraevskii 는고속냉각 (cooling) 이분자시스템에서밀도반전을만들수있다고주장했다. 몇년후에다른사람들은이것이초음속노즐을통과하는뜨거운기체의팽창으로얻어질수있다고생각했고 1966 년에첫번째기체레이저가 Avco Everett 연구소에서성공적으로만들어졌다. 기체레이저는만들기쉽다는장점을갖고있다. 다른레이저에비해기체혼합물을시험하는것이용이하므로레이저매질을위한이상적인혼합물을쉽게발견할수있다. 그래서특정한형태의기체레이저를위한최적의기체혼합물에따라상당히많은종류의레이저가존재한다. 특히에너지전달방식에따라분류될수있는데전자, 이온, 포톤혹은혼합물입자의충돌, 화학작용, 기체역학과정등여러가지방식이있다. 이러한매카니즘은다음과같은여기매카니즘을위한기본이된다. - 방전여기 : 방전여기에는그림처럼두가지방법이있다. 방전은연속혹은펄스형태가될수있다. 11

12 - 무선주파수 (radiofrequency) 여기 : 도파관이산화탄소레이저가해당된다. - 전자빔과이온빔여기 : 많은양의에너지를빠르게전송하기위해사용된다. 전자가속기가 거대하고값이비싸기때문에대용량레이저나실험실에서주로이용된다. - 화학적여기 - 광학적여기 [ 전기방전여기. 레이저축에대해 (a) 수평방전 (b) 수직방전 ] 12

13 A. 헬륨-네온 (He-Ne) 레이저가장보편적으로쓰는레이저이다 년자반 (Ail Javan), 베넷 (W. R. Bennett, Jt.), 헤리엇 (D. R. Herriott) 세사람은헬륨 (He) 과네온 (Ne) 의혼합기체를이용하여기체레이저로는최초로 nm 의적외선의연속발진에성공하였다. 오늘날에는이레이저는수밀리와트의붉은색가시광선 (632.8 nm) 을내게하여간섭, 회절, 굴절등기초광학실험용, 홀로그래피의제작등에널리사용되며 0.5mW 출력의소형에서 100mW 출력의대형까지다양한제품이시판되고있다. 이레이저에서헬륨은네온을들뜨게하는매개물질로서작용하여실제의발진은네온에서이루어진다. 0.8 torr 의 He 과 0.1 torr 의 Ne 의혼합기체를가늘고긴관속에넣어두고방전시킨다. 헬륨-네온레이저의구조가는관내부에헬륨과네온의혼합기체를넣고고전압을방전시키면레이저거울사이에서레이저발진이일어난다. 가장자리의창은브루스터각의입사각을갖게하여상하방향으로의선편광빛을 100% 투과시킬수있도록하였다. 한방향으로의편광에대해서지만 100% 투과시키기위해브루스터창을설치하여빛의손실을줄인다. 헬륨의들뜸 아래그림은헬륨과네온이희박하게있는가운데고전압이걸리면헬륨이이온화되어전자가더빠른속력으로가속되어다른헬륨을만나서이를여기시키는과정을보여주고있다. 방전과전자충돌에의한들뜸고전압이걸리는속에희박한원자는쉽게전자를잃고 + 이온으로되어전기장 방향으로운동을한다. 한편떨어져나온전자는전기장의반대방향으로더빠른속력으로운동을하다가중성의 다른원자에부딪혀서그원자를들뜨게한다. 그림에서회색은중성의헬륨원자이고, 붉은색은 + 이온의헬륨 13

14 원자이다. 한편중성의헬륨이들뜨게되면분홍색으로색채를다르게나타내었다. 또푸른색의작은입자는 빠르게움직이는전자이다 한방향으로의편광에대해서지만 100% 투과시키기위해브루스터창을설치하여빛의손실을줄인다. 위그림에서전자에의해여기된헬륨은더희박하게있는네온을만나서충돌한다. 헬륨이충돌한네온은헬륨의열적에너지차이정도로낮아쉽게들뜨게된다. 아래그림에서보이는것처럼헬륨에의해들뜬네온은바로바닥상태로떨어지지못하고바로아래준위로뜸하게떨어진다. 그아래준위는빠르게바닥상태로떨어지기때문에위의두준위는밀도반전이일어나게된다. 밀도반전이일어나는두에너지준위는 3.39 μm, 633 nm, 1.15 μm 의레이저발진을하게된다. 헬륨-네온레이저의에너지준위헬륨-네온을구성하는헬륨과네온의에너지준위와레이저발진이일어나는과정을보여주고있다. 일차적으로고압의방전에의해헬륨원자가여기되어주변의네온원자에충돌하여여기에너지를잃어버리고네온을여기시킨다. 네온은 3 준위레이저의원리에의해세가지의주요한레이저빛을발생한다. 직류, 혹은교류의방전에의해여기된 He 은 Ne 과충돌 (collision) 하여에너지를잃어버린다. 한편충돌에의해여기된네온은바닥상태로바로떨어지는것은금지되어있어중간단계로몇가지파장의빛을내면서떨어지게된다. 이중간단계에서는빠르게바닥상태로떨어져서점유밀도가항상작게유지된다. 14

15 [ 또다른문헌 ] [ He-Ne Laser 내부구조 ] 1961 년 Ali Jaban 은연속파 He-Ne 기체레이저의성공적인동작에대한논문을발표했다. 이레이저는현재 nm 의가시광선파장을내놓는가장대중적으로사용되는레이저다. 만들기쉽고값싸고상당히안정적이며대부분의경우에단일스위치로동작하므로사용하기간편하기때문이다. 매질은 0.8 토르의헬륨과 0.1 토르의네온으로이루어진혼합기체이며, 펌핑은보통전기방전으로이루어진다. 자유전자와이온들은전기장을따라가속되고충돌하면서더많은이온화와기체매질의여기를일으킨다. 많은헬륨원자들은몇개의높은준위에서떨어지면서수명이긴 2 1 S 와 2 3 S 상태에축적된다. 이것들은준안정상태이고거기엔허용된복사전이가없다. 들뜬헬륨원자들은바닥상태의네온원자들과비탄성충돌하면서에너지를전달한다. 이때네온원자들은 5s 와 4s 상태로들뜨고이상태들은레이저준위의위에해당한다. 이것과 4p 와 3p 상태사이에밀도반전이 발생한다. [ He-Ne 레이저의에너지준위. 주요 레이저전이를표시했다. 헬륨과네온의충돌로헬륨에서네온으로에너지가전달 ] 15

16 자발적으로방출되는포톤은유도방출을일으키고연쇄반응이시작된다. 주로적외선영역에서 nm 와 nm 에해당하는전이가일어난다. 이와함께 nm 의전이도함께일어난다. 거울은다중유전체필름으로코팅되어있는데 99% 이상의반사도를갖는다. 레이저출력은브루스터 (Brewster) 창을통과하면서선형적으로편광된다. 만일브루스터창이기울어지지않으면반사손실이커지게되는데그것을편광각에대해기울임으로써전기장성분이입사평면에평행한빛이 100% 투과하도록한다. 이러한편광상태는빠르게우세해진다. 구면거울이일반적으로사용되는데공명기안정도 (resonator stability) 가더좋기때문이다. B. CO 2 레이저 강력한적외선을발진한다. CO 2 가스분자의진동이나회전운동상태의변화에의한에너지준위를이용하여파장 10.6 μm의적외선을발진한다. 레이저발진에직접적으로관여하는것은 CO 2 가스이지만 CO 2 가스만으로는큰출력을얻을수없으므로효율을높이기위하여매개물질인질소 (N 2 ) 와헬륨 (He) 을첨가하여약 15% 정도의높은효율로큰출력을얻을수있는발진을시킨다. 연속발진에서의출력은수백 KW 까지가능하며, 금속가공등산업용으로널리사용되고있다. 이산화탄소의여러진동모드이산화탄소 (CO 2 ) 는대칭의구조를하고있어서그림처럼세가지의진동모드가있다. 고유진동수는 asymmetric stretch 가제일큰값을갖고, symmetric stretch, bending 순으로작은값을갖는다. 따라서등간격인에너지준위의간격도고유진동수에비례해서점점좁아진다. 질소의진동모드질소분자 (N 2 ) 는두개의질소원자가서로연결되어있어그림처럼대칭으로서로멀어지고다가가는진동만을하게된다. 이의고유진동수는거의이산화탄소의 asymmetric stretch 와비슷한값을갖는다 CO 2 분자의세가지진동모드로이의고유진동수가각각달라서이진동에너지준위는서로다른간격을하고있다. 16

17 이산화탄소레이저의에너지준위질소분자 N 2 는단지 symmetric stretch 의진동상태만존재하고, 이의첫번째들뜬상태는이산화탄소 CO 2 의 (001) 모드와비슷한에너지를가지고있다. 방전에의해들뜬질소는충돌에의해 CO 2 를들뜨게하여 (001) (100), (001) (020) 의레이저전이를일어나게한다. 헬륨-네온레이저에서의 He 의역할처럼 N 2 는단지펌핑을시키는매개물질로서작용한다. N 2 는 CO 2 와달리단일진동모드로되어있는데이첫번째들뜬준위가바로 CO 2 의 (001) 준위와비슷하여충돌로에너지를넘기기가용이하다. 기본적으로진동의에너지준위는전자의에너지준위보다훨씬작아서위그림에서보듯이발진하는빛의파장은 10.6 μm, 9.6 μm등적외선이다. 이산화탄소레이저는비교적소출력의연속발진형태와대출력의펄스발진형태로나눠지는데절삭, 용접등의공업용이나레이저메스로의료용등에널리쓰이고있다. [ 전기방전여기 - (a) 수평방전,(b) 수직방전 ] 17

18 [ 또다른문헌 ] 이산화탄소레이저는가장다용도로쓰이는레이저중하나다 nm 의적외선복사를방출하며수백 kw 의연속빔이레이저군사용무기연구에사용되고 40kJ 의나노초길이펄스를이용해핵융합연구에사용되기도하는등여러분야에걸쳐사용된다. 같은능동매질을사용하면서도내부구조의차이로인해몇가지로분류된다. 능동매질은이산화탄소, 질소, 헬륨의혼합체이고각각의기체는독립적역할을한다. 이산화탄소는빛방사체 (emitter) 이다. CO 2 분자가들뜨게되면그것들은세개의진동모드중비대칭 stretching 모드에서진동한다. 분자들은나머지두진동모드로에너지를잃는다. 이러한두경로는두가지주요레이저전이이다. 각각 10.6 μm와 9.6 μm포톤을방출한다. 이후에는계속해서에너지준위사다리를타고내려온다. 질소분자는 CO 2 를상위준위로들뜨는것을돕는다. 질소분자의가장낮은진동상태는단지 18 cm -1 에불과하다. 이것은질소분자가에너지를흡수하고그것을 CO 2 분자에전달할수있도록하는이유이다. CO 2 분자는다른방식으로상위준위로올라갈수있는데고온, 고압의기체를매우찬진공속으로빠르게팽창시키는것이다. 이것은기체역학 CO 2 레이저의기본원리이다. 이때에도질소는레이저작동에서중요한역할을한다. [ 이산화탄소레이저의에너지준위구조. 이산화탄소분자의진동모드를보여주고있다.] 18

19 헬륨은이중적역할을한다. 하나는열전달을돕는완충기체의역할이고다른하나는 CO 2 분자를저준위에서바닥상태로떨어지도록돕는다. 이렇게해서밀도반전이유지될수있도록한다. CO 2 레이저에서최적의구성과기체의압력은레이저형태에따라다르다. 이중몇가지를알아보자. - 기체역학레이저 [ 기체역학 (gas-dynamic) 레이저의기본구조 ] 고출력레이저중하나다. 들뜸에너지는초기에수 atom 의압력속에놓여있는기체에가해진열에서나온다. 열과레이저기체의몇성분은탄화수소 (hydrocarbon) 연료의연소실에서나올수도있다. 뜨거운기체는저압의 chamber 속으로노즐을통과해팽창된다. 빠른움직임에빠른냉각을주면밀도반전이일어난다 년대말에기체역학레이저는최초로 100 kw 이상의파워레벨에도달한최초의중요한성과였다. 이레이저는특별한용도에만사용되는데구멍을뚫거나절단, 용접, 열처리, 합금을만드는데사용된다. 예를들어요리용주전자에손잡이를붙일때두종류의열전도도가다른경우는보통방법으로는용접이어렵다. 그러나레이저의강한열은매우짧은시간에용접을가능하게해주기때문에열전도도가다르더라도별문제가되지않는것이다. - 도파관 (waveguide) 레이저 19

20 [ 도파관 CO 2 레이저의기본구조 ] CO 2 레이저관의내부반경이수 mm 로줄고관이유전체도파관형태로만들어지면그림에서와같은도파관레이저가만들어진다. 도파관디자인은좁은관레이저의작동을방해하는회절손실을막아준다. 관은봉해지거나기체가흐를수있도록허용된다. 기체는전기방전이나유전체도파관물질을관통할수있는강력한무선주파수 field 로들떠진다. 도파관레이저는양질의연속파빔을제공하며 CO 2 스펙트럼의많은라인들로쉽게튜닝될수있다. 도파관레이저의가장큰장점은작은크기로 He-Ne 레이저와비슷하다. 또값이싸다는장점도있다. - TEA 레이저 방전불안정때문에 100 torr 이상의기체압력에서는 TE(transversely excited) CO 2 레이저의연속파작동이어렵다. 하지만수십나노초에서마이크로초동안지속되는펄스를만드는것은가능하다. 그러한레이저들은보통대기압근처에서작동하기때문에 TEA(transversely excited atmospheric) 레이저라고불린다. 고압이나저압에서작동하는레이저에도이이름은그대로쓰인다. TEA 레이저의중요한이점은짧고강력한펄스를만들고기체의단위체적당높은파워를뽑아낼수있다는것이다. 고압작동은또한레이저방출라인을넓히며 1 ns 동안지속되는펄스를만드는모드잠금기술을사용하는것이가능하도록해준다. 20

21 C. 아르곤 (Ar) 레이저강력한가시광영역의레이저로서수백 mw 의출력에서수십 W 의출력을내는대형아르곤레이저가있는데제작이어렵고, 고가이다. 아르곤레이저는파장 488.0nm 인청색과 nm 인녹색에서가장강력한 레이저빛이발생되며, 조명효과가뛰어나서특수조명에많이쓰이고있는데 레이저쇼, TV 쇼등무대조명에서도이용되고있으며연구실에서도색소레이저의여기용으로도쓰이고있다. [ 또다른문헌 ] 능동매질이이온화된희가스 [ 이온화되어서드물게발생하는가스 (rare gas)] 인레이저를지칭한다. 강한블루-그린라인을갖는아르곤이가장많이사용된다. 크립톤은폭넓은가시광선영역을얻는장점이있는반면출력이약한단점이있다. 네온이나제논 (xenon) 도사용될수있지만펄스형제논레이저이외엔상업적으로사용되지않는다. [ 아르곤레이저의파장 ] 아르곤과크립톤레이저의주요장점은가시광선영역에서는수 mw 에서수십 W 까지, 자외선영역에서는수 W 까지연속파출력을낼수있는능력에있다. 능동매질은희기체 [ 이온화되어서드물게발생하는가스 (rare gas)] 로아르곤과크립톤레이저에서는순수한기체가사용된다. 이중아르곤을중심으로좀더자세히살펴보도록하자. 21

22 [ 단일이온화 아르곤의에너지준위. 블루 - 그린레이저라인만이나타난다. 실제에너지준위구조는수많은 가능한방출라인에서암시되듯훨씬복잡하다. ] 아르곤레이저는 1964 년에 William Bridge 에의해만들어졌다. 그림을보면알수있듯이여러가지스펙트럼라인중에서아르곤의경우엔두가지파장만이뚜렷하다 nm 인녹색이가장높고다음은 nm 이청색이나타나는데이두가지파장이총빔의 67% 를차지한다. 프리즘이나회절격자혹은다른광학도구를사용해원하는단일파장을얻어낼수있고물론이때총빔의출력은급격히떨어진다. 이온레이저는고전류방전으로여기되는데높은전류밀도는기체를이온화시키고이온들을고준위로여기시킨다. Ar + 의경우가그림에나타나있다. 실제로는훨씬복잡하지만기본적개념을파악할수는있을것이다. 이그림에서알수있는하나는상위레이저준위가 36 ev 로매우높다는것이다. 곧강력한여기가필요하다는의미로이온레이저를만드는데따르는어려움을알수있다. 또다른문제는그림에는나타나지않지만, 하위레이저준위의짧은수명이다. 이러한짧은수명때문에상위준위가채워지는과정에서의비효율에도불구하고밀도반전을유지하기가쉬워진다. 그러나, 2 ev 의포톤을만드는대신 18 ev 의에너지를잃어버려야한다는비효율은피할수가없다. 더구나이때나오는 74-nm 의자외선이많은광학물질들에손상을입힐수도있다. 레이저의내부구조는 He-Ne 레이저와같고레이저가처음동작할때는온도안정을위해약간의딜레이가필요하다. 다음에높은전압의펄스 ( 직류 8kV) 가아르곤기체를이온화시키고레이저관사이에직류전류 (45A) 와 600 V 의직류전압이기체의이온화에충분한방전을유지한다. 전형적인아르곤레이저관은텅스텐을포함하는데그것은녹는점이높아레이저의수명을늘리기위한것이다. 22

23 크립톤레이저는아르곤레이저와유사하지만출력파워가낮아주로강력한빨간색이필요할때사용된다. d. 액시머 ( Excimer ) 레이저다른전사상태사이의전이를포함하는분자레이저중에서흥미있는것이액시머레이저이다. 분자 A 2 를예로들어보자. 이경우분자는여기상태에존재하고오직 A 원자만바닥상태에있을수있다. 이러한분자를액시머라고부른다. 액시머 (excimer) 는 excited dimer, 즉 " 들뜸이합체 " 의준말이다. 다시말해오직여기상태에서만존재할수있는두가지동일한원자로구성된분자를말한다. 원래는동일한원자로구성되는것이액시머이지만현재는다른원자로구성된분자, 어떤경우엔세가지원자로구성된분자도액시머라고부른다. [ 액시머분자의내부에너지. 포텐셜우물이여기상태를안정하게만들지만두원자는 바닥상태에있을땐서로밀치므로불안정하다. 전이는넓은폭에걸쳐일어날수있다. ] 액시머레이저에는두가지중요한성질이있다. 하나는레이저전이가일어난뒤에분자가바닥상태에도달하면즉시분리된다는것이다. 이것때문에레이저의바닥상태준위는항상비어있다. 다음은잘정의된여기는일어나지않으며전이는넓은대역폭에서이루어진다는것이다. 액시머레이저의대표적인경우는희기체가할로겐원자 (F, Cl 등 ) 와결합하여기체할로겐화합물액시머를형성하는레이저이다. 이중특별히 ArF(193 nm), KrF(248 nm), XeCl(308 nm), XeF(351 nm) 를들수있다. 이것들은자연에는존재하지않고적절한기체혼합물을통과하는전기방전을통해만들어지는것으로, 모두자외선영역을빔을내놓는다. 이러한분자들은매우유사하여동일한기구에서레이징을위해사용될수있다. 23

24 앞서도말했지만액시머분자는매우특이하다. 전기적으로들뜨게되면, 두성분의원자는서로안정한분자를이루기위해서로끌어당긴다. 그러나, 바닥상태에서두원자는서로척력을미친다. 액시머가여기상태에서바닥상태로떨어질때두원자사이의힘은인력에서척력으로바뀌며분자는깨어진다. 이러한특이한에너지-준위구조는액시머를매우좋은레이저물질로만든다. 바닥상태는본질적으로존재하지않기때문에들뜬상태에있는분자들이존재하는한밀도반전이유지된다. 그러므로액시머가존재한다면레이징을위한좋은조건이된다. 참고로, 들뜬상태에서희기체할로겐화합물이쉽게형성되는이유는, 들뜬희기체는화학적으로할로겐원자와쉽게반응하는알칼리원자와비슷한성질을갖기때문이다. 액시머레이저는 5 atom 아래의총압력으로유지되는혼합기체를포함하는데 88 99% 는에너지전달을조절하는완충기체 ( 보통헬륨이나네온이쓰인다 ) 이다. 희기체는 % 이고할로겐원자는 0.5% 이하의농도를갖는다. 최적의기체혼합은레이저마다다르다. 기체의원자와분자사이는물론레이저관벽, 여기에너지, 전극사이의복잡한상호작용이레이저의작동에영향을끼친다. 흔히, 에너지는전기적방전에의해기체속으로전달된다. 에너지효율은약 1 5% 정도이다. 전자빔은기체속에더많은에너지를투입할수있고더높은효율을줄수있다. 하지만, 전자빔생성기가크고, 복잡하고, 비싸며비효율적일뿐아니라반복비율도매우낮기때문에전자빔이효율적이라고는말하기어렵다. 에너지전달을높이기위해자외선전이온화 (UV preionization) 기술이이용되며이때레이저는펄스모드이고형태는 TEA 이산화탄소레이저와유사하다. 레이저펄스의길이는대략수십나노초정도이고평균출력파워는 100W 정도, 펄스반복비율은 1kHz, 전기효율은 1% 이다. 액시머레이저는동위원소분리와같은고도의기술을요구하는광화학 (photochemical) 과정에서응용될수있고강하고효율이높은자외선광원을필요로하는경우에매우유용하다. 이외에도화학레이저 (chemical laser), 원적외선 (far-infrared) 기체레이저, 탄화일산화물 (carbon monoxide) 레이저, 질소레이저, 헬륨-카드뮴레이저, 제논-헬륨레이저, 요오드 (iodine) 레이저등많은기체레이저들이상업적으로만들어져사용되고있다. 24

25 [2. 고체레이저 ] 고체레이저는소형장치로부터큰출력을얻을수있고 Mode Lock 에서는단시간에펄스빛을얻을수 있으며, Q-Switching 발진에서는 Peak Power 가큰출력을얻을수있다는특징이있다. 그리고 가시영역에서는근적외선영역으로그발진파장의영역이좁아지기때문에가간섭성이낮다는결점이 있다. a. 특징 가장실용성있는고체레이저로는다음과같은것이있다. 종류루비레이저 Nd:YAG 레이저 Nd:Glass 레이저 파장 694.3[nm]( 적 ) 1,064[μm]( 근적외 ) 1.06[μm]( 근적외 ) 선폭 0.53[nm] 0.67[nm] ~20[nm] 특징 특징 상온동작의고체레이저로유일한가시광 Q-Switch 발진에적합하다. 상온동작의고체레이저로유일한가시광 Q-Switch 발진에적합하다. 연속발진, 반복펄스발진에적합하다. 평균출력이크다. 연속발진, 반복펄스발진에적합하다. 평균출력이크다. 광학적으로균질해서큰형상을얻을수있다. 대출력펄스발진에적합하다. 광학적으로균질해서큰형상을얻을수있다. 대출력펄스발진에적합하다. 레이저매질로불순물이미량첨가된단결정또는비정질물질을사용 대부분광펌핑방법사용 b. 종류 루비레이저 (Ruby laser) : 694.3nm/ 희토류이온첨가레이저 /Nd:Glass 레이저 (1.06um) Nd:YAG 레이저 (1.064um) /Nd:YLF 레이저 (1.053um)Er:YLF 레이저 (0.85um) 파장가변레이저 Cr:BeAl 2 O 4 레이저 ( 파장 = 0.76um, 선폭 = 100nm) Co:MgF 2 레이저 ( 파장 = 1.9um, 선폭 = 800nm) /Ti:Al 2 O 3 레이저 ( 파장 = 0.82um, 선폭 = 326nm) A. 루비레이저루비속의크롬이레이저매질이다 1960 년메이먼 (Theodore H. Maiman) 이최초로발진에성공한이레이저는루비를사용하였다. 최초의이레이저에사용한루비는 0.05% 의 Cr 2 O 3 를불순물로서가지고있는 Al 2 O 3 의결정체였다. 순수한 Al 2 O 3 는무색투명하여그저유리처럼미적가치가없지만크롬이적당한농도로 Al 에치환하여들어가박히게되면이것이색중심 (color center) 의역할을하여맑고투명한붉은색을띄어보석으로서가치를가지고있어이를루비라고부른다. 25

26 루비결정의모양루비는투명한 Al 2 O 3 의 Al 대신에 Cr 이미량치환되어만들어진결정체이다. Al 2 O 3 은위그림처럼결정의기본단위가육각기둥의모양을하고있고각육각형의모서리에교대로 Al 이, 그중심에 O 가하나씩배치되어있다. 육각형의한변의길이와높이는각각 nm, nm 로되어있다. 그림에서는붉은색의 Al 의자리에녹색의 Cr 원자가밖혀있는것을볼수있다. 루비의경우 Al 을치한한 Cr 이붉은색의영롱한색채를띄게하여보석의하나이다. 루비는 Al 2 O 3 는 6 각기둥형태를기본구조로하여결정을이루고있고이 Al 중일부분이 Cr 으로취한되어있는보석이다. 루비막대의양쪽을평행하게연마하여공진기로삼고, 주변에나선형의기체방전등을둘러싸서방전시키면번쩍하고섬광이나와광펌핑을시킨다. 루비레이저의구조루비막대의주변에기체방전등을둘러싸서섬광을만들어주면루비가여기되어가로방향으로레이저빛이나오게된다. 루비막대의양쪽을평행하게연마하여공진기로삼고, 주변에나선형의기체방전등을둘러싸서방전시키면번쩍하고섬광이나와광펌핑을시킨다. 섬광에의해펌핑 (pumping) 된 Cr 3+ 은굵은청색으로표시한흡수대로들뜨게되고순간적으로이들뜬에너지는준안정상태의에너지준위로떨어지게된다. 26

27 루비의에너지준위루비속의크롬 +3 가의에너지준위이다. 결정을이루고있으므로펌핑이일어나는준위는띄를이루고있고, 3 준위레이저의작동원리로 nm 와 nm 의레이저가나온다섬광에의해펌핑 (pumping) 된 Cr3+ 은굵은청색으로표시한흡수대로들뜨게되고순간적으로이들뜬에너지는준안정상태의에너지준위로떨어지게된다. 루비레이저는 694.3nm 와 692.9nm 의붉은빛을낸다. 이루비레이저는섬광에의해펌핑되어순간적으로레이저발진이일어나는펄스형의레이저를낸다. 이는플라즈마의진단이나홀로그래피의제조에쓰인다. [ Ruby Laser 의내부구조 ] 27

28 [ 또다른문헌 ] Schawlow 와 Townes 가적외선과가시광선영역에서레이저의가능성에관한논문을발표한이후로곧많은연구자들이그것을연구하기시작했다. 대부분의전문가들은그러한레이저의최초는기체레이저가될것이라고생각하고있었다. 하지만루비가가시광선레이저빔을쏘는최초의물질이되었다. 처음엔광역적광펌핑이비효율적이고가스나플라즈마처럼매우좁은공명을갖는이온이효율적일수있다고믿어졌던것이다 년, Maiman 이만든최초의루비레이저에대해알아보자. [ 첫번째루비레이저 ] 첫레이저매질로사용된것은핑크루비, 즉 Al 2 O 3 결정이었다. 이것은 Cr 2 O 3 를무게비율로 0.05% 정도함유한다. 루비막대의끝은편평하게닦여있고은도금되어있다. 주위에나선형가스방전섬광등 (flashlamp) 관이둘러싸여있고이섬광등관은광역적광펌핑을제공한다. 루비는표면이매끄럽게유지되면광손상에강하다. 열전도도는유리나 YAG 보다높다. 하지만루비는 3-준위레이저이므로 4-준위 ND(neodymium) 레이저보다온도가높아질때레이저로서의기능을빠르게잃는단점이있다. 루비속의크롬원자는파란색과녹색영역에서흡수띠를갖기때문에루비는빨간색으로나타난다. 섬광등관은수밀리초동안강한빛의파열을만든다. 이러한에너지의많은부분은열로잃어버리지만많은크롬이온은흡수띠로들뜨게된다. 그림을보면, 들뜬이온은 100 나노초만에빠르게이완하면서결정격자에에너지를주고비복사 (Nonradiative) 전이를한다. 그것들은준안정상태 (metastable state) 에서수밀리초동안머문다. 대부분의경우이온들은자발적방출을하고바닥상태로떨어진다. 펌핑비율을높이면밀도반전이일어나고처음몇개의자발적으로방출된포톤이연쇄반응을일으킨다. 이렇게나온포톤들은매질의앞뒤로왕복하면서계속해서증가한다. 물론이때매질양끝에서에너지를잃지않을만큼의에너지가공급되어야한다. 28

29 반사표면의하나는부분적으로은도금되어있으므로, 막대의덜도금된끝면으로부터 0.01 나노미터의폭과 0.5 밀리초길이의강한붉은색펄스 (694.3 nm) 가나온다. 넓은흡수띠때문에내부들뜸이쉽게만들어지지만, 준안정상태의긴수명때문에밀도반전이또한쉽게만들어진다. 오늘날루비레이저는일반적으로플라즈마진료학, 홀로그래피등에서광범위하게사용된다. 그러한장치는 미터의결맞음길이로동작한다. 진동기로써루비레이저는 50J 에서 100J 까지의범위에서수밀리초펄스를만든다. 방전섬광등에서나온빛으로펌핑되는첫번째루비레이저는열손실과높은펌핑파워의요구때문에펄스모드에서작동했다. Nelson 과 Boyle 은 1962 년섬광등을아크등 (arclamp) 으로바꿔연속적인빔을내놓는루비레이저를만들었다. 이후톨륨 (Tm), 홀뮴 (Ho), 에르븀 (Er), 이테르븀 (Yb), 우라늄등의희토류 (rare earth) 물질과이온에대한연구가활발히진행되었고 YAG(Yttrium Aluminum Garnet), 유리, CaF 2 같은물질도연구되었다. [ 루비안의크롬이온의에너지준위. 이것은 3- 준위시스템 ] B. YAG 레이저루비레이저와더불어대표적인고체레이저로서발진기의모체를형성하는재료인 Yttrium, Aluminum, Garnet 의머리문자를따온것으로, 4 개의에너지준위를이용하여파장이 1.06 μm인빛의유도방출이일어난다. 펄스발진뿐만아니라연속발진도가능하며 CO2 레이저와더불어널리사용되고있는데특히마킹, 드릴링, 용접등에서많이쓰이고있다. 그러나 YAG 는결정체이므로대형발진기의제작이불가능한결점이있다 29

30 [ 또다른문헌 ] 네오디뮴 ( 이하 Nd) 레이저에서, 결정이나유리호스트물질에약 1% 비율로포함된원자들은외부소스에서나오는빛에의해광학적으로여기된다. 이때레이저막대에밀도반전을일으킨다. Nd 레이저자체가한종류의레이저를지칭하는것은아니다. Nd 는다양한호스트물질과합성결정이나다른성분의유리등에합쳐진다. 특정한부속기구를사용하여원적외선에서가시광선혹은자외선영역의출력파장을얻을수있다. Nd 레이저는 100W 이하의연속빔혹은수 MW 의짧은펄스를만들어내므로응용범위가상당히넓다. Nd 레이저의능동매질은 3 중으로 (triply) 이온화된네오디뮴이고결정이나유리구조속에결합된다. Nd 는본질적으로불순물인데이티륨 (yttrium) 혹은다른희토류원소와같은비슷한이온크기의물질을대체한다. Nd 도핑은무게비율로 1% 이고 /cm 2 의밀도로이루어진다. Nd 가불순물이아닌결정구조의통합성분, 예를들어 Nd5 인산염 (NdP 5 O 14 ) 같은결정질도가능하지만아직은실제적인어려움이있다고알려져있다. 현재가장일반적인호스트는 YAG(yttrium aluminum garnet, Y 3 Al 5 O 12 ) 이다. YAG 는단단하지만깨지기쉬운물질이다. Nd-YAG 레이저를사용하는가장중요한이점은열적특성으로이것이양질의연속빔을만든다. 여러가지다른결정호스트들이 Nd 와함께시험되어왔지만 YAG 만큼많이사용되지는않는다. 이중 2 가지대표적인물질은 YLF(yttrium lithium fluoride) 와 YALO(YAlO 3 ) 이다. [ Nd-YAG 에서에너지준위 ] 30

31 결정을키우기가어렵기때문에 YAG 막대의길이는 10cm 정도로제한되고보통반경은 6 10 mm 정도이다. 유리를사용하면 46cm 정도까지길이가늘어날수있고더높은출력에너지를얻을수있다. 광펌핑을위한광원으로는텅스텐혹은아크등을사용한다. 몇가지공동배열이가능하다. (1) 루비레이저와동일한형태의배열. (2) 레이저막대옆에선형램프를놓는배열. (3) 타원의두초점에램프와레이저막대를놓아반사성타원형공동이펌핑빛을램프에서막대로효과적으로전달할수있도록한배열. (4) 램프두개와하나의막대가이중타원형공동속에놓여단면에서보면막대는두타원이공유하는초점에놓이게되는배열. 램프는넓은스펙트럼의빛을내놓지만 Nd 이온은이중 0.7 에서 0.8 μm사이의빛만을흡수한다. 이러한영역에서흡수된포톤은 Nd 이온을여기시키고 Nd 이온은준안정상태로붕괴하여 4 F 3/2 와 4 I 11/2 상태사이에밀도반전을일으킨다. 4 I 11/2 준위는비복사전이를하고바닥상태로떨어진다. 그러므로 Nd 레이저는 4-준위레이저시스템이고 3- 준위루비레이저보다훨씬효율적이다. Nd-YAG 레이저는연속모드혹은펄스모드로동작한다. 연속적으로 1 kw 이상의출력을내지만펄스모드에서직렬로몇개의레이저를작동시켜엄청난파워출력을낼수도있다. 예를들어수나노초 (nm) 동안수 GW 의파워를만들어낼수있다 년에노바의로렌스리버모어연구소에현존하는가장큰레이저가만들어졌는데이거대한 Nd 가도핑된유리레이저는녹색 (530 nm) 이나파란색 (350 nm) 파장과함께 100 TW 의파워를융합탄알 (fusion pellet) 위로집중시킬정도로강력하다. 비록시간은 10-9 초에불과하지만이것은대략미국내에있는전기발전소를합친것보다도 500 배나강력한것이었다. 31

32 [3. 액체레이저 ] 현재액체레이저라고하는것은대개가색소 (Dye) 레이저이다. 색소레이저의특징은파장이거의연속적으로변하며그영역은자외선영역에서근적외선영역까지이른다. 파장영역은색소를녹이는유기용매 ( 에탈렌, 글리콜, 에틸, 메틸 ) 등에따라약간다르지만보통 320 nm ~ 1.2 μm 정도이다. Ar Laser, Kr Laser 여기, YAG Laser 여기, N2 Laser 여기, Excimer Laser 여기, Flash Lamp 여기 a. 특징 연속적인파장선택가능 b. 종류 Polymethine 색소레이저 ( um) / Rhodamine-6G 색소레이저 ( um) Coumarine 색소레이저 ( nm) / Scintillator 색소레이저 ( < 400nm,UV) 액체레이저는거의염료레이저를말한다. 능동매질은액체용제 (solvent) 에용해된형광성 (fluorescent) 유기염료이다. 염료는다중링구조를포함하는큰분자들로이루어져있고중요한염료들은모두화학적으로유사한구조를갖는다. 또한용제역시중요한요소인데메탄올과디메틸 (dimethyl) 황화물같은유기용제가쓰인다. 고체레이저와마찬가지로섬광등이나외부레이저에의한광펌핑이유일한여기기술이다. 복잡한분자들은강한빛에의해분해되는경향을보인다. 레이저펌핑의낮은효율에도불구하고높은질의출력을낼수있기때문에비교적많이사용된다. 이레이저의가장큰강점은튜닝가능한출력파장과극초단펄스나매우좁은선폭을만들수있다는것이다. 레이저작동은수증기상태혹은고체호스트에박힌 (embeded) 염료에의존한다. 최초의액체레이저는 1963 년에만들어졌고초기엔 nm 의파장을내놓았다 년유도라만방출 (raman shifting) 을연구하는과정에서염화알루미늄프톨로시아닌용해액에서 nm 의파장을갖는레이저빔이발견되었다. 이후로쿠마린 (coumarin) 이나로다민 (rhodamine), 풀루오레세인 (fluorescein) 같은형광성염료용해액이적외선에서자외선까지의파장을내는레이저를만들기위해사용되었다. 염료들중가장유용한것은 Rh6G(rhodamine 6G) 로가장형광성이좋다. 32

33 [ 레이저염료의전형적인에너지준위구조. 선의집합은전자에너지준위이고진동준위는굵은선, 회전준위는가는선으로표현된다. ] 이것들은보통펄스모드에서동작하며가시광선영역의어떤파장에도맞는레이저가레이저가만들어질수있을정도로수많은유기염료가존재한다. 더욱이, 이러한도구는어떤파장범위에서연속적으로조정될수있다는점에서다른레이저들과구별된다. 실제로다른레이저빔의파장을변화시키는레이저도있다. 즉, 들어간빛의파장과나온빛의파장이다르다. 하지만그러한파장의변화는내부적으로조정되는데염료셀의농도나길이를변화시킴으로써, 혹은회절격자반사기를조정함으로써가능하다. 몇개의다색염료레이저시스템은하나의염료에서다른것으로쉽게교체될수있고매우넓은파장영역에서동작할수있다. 외부광원에의해제공된에너지에의해염료분자들이여기된다. 레이저빔이방출된이후에는비복사과정에의해바닥상태로떨어진다. 염료는넓은범위의파장을흡수하거나방출할수있는데전자준위 (electronic level) 뿐아니라진동, 회전준위사이의상호작용에의해어떤에너지범위에걸쳐연속된준위가만들어지기때문이다. 그림에서, 전자전이와에너지는가시광선영역에해당하며진동전이는각준위의굵은선으로표시되었다. 가장작은에너지전이는회전전이에의한것으로얇은선으로표시된다. 비록준위는명쾌하게나뉜것처럼보이지만실제론매우가까워거의연속적으로나타난다. 처음에여기된전자준위는준위밴드의바닥으로비복사이완하며거기서밀도반전이축적된다. 상위레이저준위에는, state 의수명이수 ns 에불과하므로에너지는많이쌓이지않는다. 상위준위에서하위준위로분자가전이할때유도방출이일어난다. 자발적방출은밴드에서넓은영역에걸친파장을만든다. 이때중간파장이가장높은확률을갖는다. 그림에는 triplet state 가나타나있으며왼쪽은 singlet 이다. 이것은염료분자의전자들이쌍으로구속되어있다는사실때문에나타나는현상이다. 33

34 바닥상태에서두전자는다른스핀값을갖고같은에너지레벨을차지한다. 만일전자들이반대의스핀을유지한채전이한다면그것들은 singlet 에머문다. 반면에더높은에너지를갖는전자의스핀이낮은에너지를갖는전자의스핀과평행하게된다면이때는 triplet 상태가된다. 이때는 singlet 보다에너지가낮기때문에분자들은낮은에너지준위인 triplet 으로떨어지며이때문제가생긴다. 즉이준위에있을때의분자들은바닥상태로떨어질때레이저방출을하지못하고오히려흡수를하여더높은준위로올라가버린다. 이때문에염료레이저는펌핑을오랫동안할수없고연속파모드에서작동하기어렵다. triplet 을막기위해빠르게흐르는염료를사용하지만한계가있다. A. 색소 (dye) 레이저 다른레이저는단일파장만발생시키는데비해색소레이저는일정한범위내의 모든파장의레이저발진가능하다는독특한성질을지니고있다.. 이것을가변파장레이저 (tunable laser) 라고한다. 여러가지염료가레이저 물질로사용되고있지만그중에서도 Rhodamine-6G 라는붉은염료가효율이높고파장영역이 분광학적실제실험에적합하므로가장많이사용된다. Rhodamine-6G 는알콜또는에칠렌그리콜같은용매에약 10-3 mole/l 의농도로녹인용액이증폭기의 활성매질이된다. 34

35 [4. 반도체레이저 ] a. 특징 전자의에너지밴드간전이에의한레이저발진 초소형으로고집적가능 고주파출력변조가능 광통신광원으로적합 b. 종류 GaAs/AlGaAs 반도체레이저 ( um) / GaInAsP 반도체레이저 ( um) 높은효율, 빠른변조율, 작은크기등의특성이있다. 반도체레이저는광다이오드가발견된직후인 1962 년발명되었다. 이레이저는거의 100% 의효율과취급이간편한점, 매우작은크기로만들수있는점, 빠르게변조시킬수있어정보를실어보내기용이한점등많은장점때문에현재의 CD 재생장치, 광통신, 광기록, 전기광학소자등광공학에서핵심적인역할을한다. 지향성이다른레이저에비해좋지않은결점이있으며보통빔의확산각도가다른레이저의경우보다훨씬큰 5-10 도이다. 반도체레이저의특징은전류를흘리는것만으로도레이저발진을얻을수있고직접트랜지스터회로와결합시켜발진이나변조를시킬수있다. 또한소형으로신뢰성이높으며양산성등이우수하다. 결점으로는지향성에결함이있으며, 출력이작다는것등을들수있다. 여기방법에는전류여기외에광여기, 전자빔여기등이있다. 반도체레이저에는가시, 근적외, 적외선영역이있다. 접합레이저 (Junction laser) 혹은다이오드레이저라고불린다 년에발명되었으며 LED(light emitting diode) 의개발이후에곧바로나온것이다. 반도체레이저는작은크기와높은스펙트럼순도, 고효율 ( 거의 10%), 튼튼함, 매우빠른비율로변조되는능력, 오랜수명, 적절한파워 ( 약 200 mw) 의장점때문에광범위하게사용된다. 35

36 여러가지종류가있고여전히연구되고있는레이저로현재집중적으로연구되는분야는블루-그린파장의빔을내놓을수있는레이저이다. 여기서알아볼레이저는근적외선 (near-infrared) 을내놓는다이오드레이저이다. 최초의조정가능한레이저는 1964 년에개발되었으나상업적으로사용되기까지는 10 년이상이걸렸다. 그이유는레이징문턱이높아서펄스모드와극저온의 (cryogenic) 온도로제한되었기때문이다. 이후에문턱을낮추기위한연구가이루어진결과연속모드로상온에서작동하는다이오드레이저가나오게되었다. [ 다이오드레이저의작동원리. (a) 순방향바이어스는전류흐름과재결합을만든다. (b) 활성층에서일어나는유도방출 ] 36

37 c. 근적외선반도체다이오드레이저 주기율표의 3 족과 5 족의원소들로형성된화합물로만들어진다. 특히갈륨-비화물 (gallium arsenide, GaAs) 이이에해당되며근적외선혹은적색을방출한다. 다이오드레이저는 LED 와같은구조이며결맞지않은 LED 의기능을한다. 레이저다이오드그자체는 pn 접합을포함하는반도체블록이다. 레이저칩은한쪽길이가 1 mm 이하이고이중 10 μm폭에서레이저빔이만들어진다. 내부구조는간단한 pn 접합구조보다훨씬복잡하다. 다이오드레이저의전류는전자와홀로만들어진다. 순방향바이어스 (forward- biasing) pn 접합은내부포텐셜벽을낮추어서접합의한쪽에서다른쪽으로전자를흐르도록만든다. 이경우, 순방향바이어스는 p-형물질에서 n-형물질로전압이걸린다는것을의미한다. 과다전자들이낮은에너지상태, 즉홀로떨어질때평형이회복된다. 이과정을 " 전자-홀재결합 " 이라고부른다. 이러한재결합을하면서전자가전도띠에서원자가띠로떨어질때밴드갭에해당하는포톤형태의에너지가방출된다. LED 에서는임의적으로자발적방출이일어나지만다이오드레이저는유도방출이주로일어날수있도록고안된다. 들뜬전하운반체의재결합은자발적방출에의해낮은에너지준위로떨어지기이전에재결합에너지의포톤에의해자극받는다. 밀도반전을만들기위해서는높은추진전류가필요하며빛은다이오드를통과하면서증폭될수있다. 다이오드의양끝면은편평한반사면으로만들어지는데이것이공명거울을대신하여광피드백을제공한다. LED 에서는이러한반사면이없고추진전류가낮기때문에자발적방출이우세한것이다. 포톤에너지는밴드갭에너지의함수이고그것은결정구조와화학적성분에의존한다. 그러므로반도체레이저에의해방출된파장은다이오드를구성하는물질에따라달라진다. 다양한 Ⅲ-Ⅴ 반도체합성물이사용될수있으며가시광선의가장끝쪽적색에서 1800 nm 의근적외선까지의파장을만들수있다. 다이오드레이저구조는매우광범위하다. 이중에서중요한형태몇가지를알아보도록하자. 가장간단한다이오드의형태는한쪽은전자도너로도핑된 n-형, 다른쪽은전자억셉터로도핑된 p-형으로이루어진다. * 호모구조 (Homojunction) 다이오드레이저 : 하나의반도체, 보통갈륨비화물로이루어진다. 처음으로만들어진다이오드레이저의구조였으나이후엔쓰이지않는다. * 단일-헤테로구조 (Single heterojunction 혹은 heterostructure): 활성층이밴드갭이다른물질끼리하나의경계를이룬구조이다. 흔히 GaAs 와 GaAlAs 로만들어진다. 활성층은 GaAs 이고레이저방출파장은 904 nm 이다. 단일헤테로구조레이저는호모구조보다진보된형태이고고출력파워의펄스를만들기위해폭넓게사용된다. 하지만상대적으로비효율적이고높은문턱전류를가지고있다. * 이중-헤테로구조 : 활성층은서로다른물질의두개층으로만들어지는데예를들어 GaAs 가두 GaAlAs 사이에끼인구조이다. 연속빔을내는데가장좋은구조이고섬유광학에서넓게사용되어왔다. 고출력의펄스를만들수는없지만상온에서수십 mw 의파워를연속적으로낸다. 활성층이단일헤테로구조보다얇아서문턱전류밀도를충분히낮출수가있는것이다. 37

38 *stripe-geometry: 이중헤테로구조의하위범주로방출은레이저길이를따라좁은 stripe 로제한된다. 줄은 1 에서 10 μm폭을갖는다. 초기이중헤테로구조레이저의경우엔 50 μm이상이었다. 추진전류가좁은영역에제한되기때문에문턱전류가낮아질수있다. 또한, 줄이좁으면좁을수록레이저가진동할수있는공간모드의수를줄일수있고이것은빔의질을높이게된다. 빔이작은점에집중될수있으므로정보를다루는분야, 즉섬유광학에유용하다. 활성영역폭은두가지기술로제한될수있는데하나는이득가이드 (gain guiding) 라고하며주입- 전류밀도와활성영역에서의광학적이득변화에의존한다. 또하나는굴절율가이드 (index guiding) 이라고하며활성영역의평면에굴절률장벽 (boundary) 을만드는반도체구성물의변화에의해정의된다. [ 다이오드레이저구조의예 ] 38

39 다이오드레이저의파장은주로구성물질의밴드갭에의존한다. GaAs 같은두성분으로된경우는하나만이가능하고 GaAlAs 처럼세성분인경우와 InGaAsP 처럼네성분인경우는그렇지않다. 다양한파장의다이오드레이저는실제보다제한된다. 첫째이유는빛의효율적발생을위해필요한 directbandgap 에너지준위구조가없는성분이있고이러한 indirect-bandgap 물질은레이저다이오드로는부적절하다. 각혼합물의파장은다음과같다. *GaAs : 904 nm *GaAlAs : nm *InGaAs : 1060 nm *InGaAsP : nm [ 반도체레이저의에너지준위 ] [ 반도체레이저의구조 ] [ 반도체레이저의내부구조 ] 39

40 [5. 자유전자레이저 ( FEL )] a. 원리 공간주기성을갖는자기장에의해사행운동을하는전자들로부터증폭된가간섭성전자기파가방출 b. 특징 위글러 (Wiggler or undulator) 의자기장주기와전자빔의에너지조절로파장가변가능 ( 이론적으로 마이크로파에서 X- 선영역까지발진가능 ) 높은효율의방사광출력 ( 전자빔에너지의 40% ) 매질손상이없어서, 공진기만으로도고출력발진가능 ( 1 GW ) [6. X 선레이저 ( X-ray laser)] a. 특징 고해상도 (High-resolution) Imaging and holography of living cells, Photolithography 고에너지 (High-energy) Material research, Military application b. X 선레이저매질 H-like C, H-like F Ne-like Se (20.63nm,20.96nm) Li-like Al, Li-like Cl c. 파장대역 4-30nm 40

41 [7. 원자레이저 ] 97 년 1 월, MIT 의물리학자들에의해광선이아닌원자의빔을쏘는레이저가만들어졌다. 이들은광학레이저빔의중요한속성인 " 결맞음 (coherence)" 의성질을원자빔이갖는다는사실을확증했다. 양자수준에서이루어진고도로정밀한측정의놀라운진보에더해원자레이저는나노테크놀러지즉, 단일원자스케일로구조나기계를만드는데중요한구실을할것으로기대되고있다. MIT 연구팀은그들의장치를설명하면서결맞음의성질을확인시켜주었는데이는그들이진짜원자레이저빔을만들었다는증거가된다. 레이저빔의가장중요한특성인결맞음은빛의파면 (wavefront) 이시간과공간에서예상대로변한다는의미를갖는다. 따라서보통광원, 예를들어백열전구에서나오는빛은결맞는빛이아니어서나중의파면은앞의파면과예상된관계를갖지않는다 년이후과학자들은원자레이저를위한중요한배경이되는물질을만들어왔다. 그것은절대온도 10-9 K 에서원자기체의집합인보즈-아인슈타인응축물 (Bose- Einstein Condensate, BEC) 이라는특별한상태의물질이다 년아인슈타인과인도물리학자보즈는충분히밀도가높은입자들이극저온에있을때, 어떤조건에서, 모든입자들이단일한양자상태가되어하나의결맞는파동처럼행동한다는사실을증명했다. 이러한사실은원자들이레이저와같은빔이되기위한가장중요한요구조건에해당된다. 하지만지금까지는실험적으로이것을증명하지못해왔다. 1 월 27 일자 <Physical Review> 에서 MIT 의 Wolfgang Ketterle 와동료들은중력방향으로떨어지는나트륨원자들의 BEC 로부터일정한비율의원자를뽑아내도록만드는 " 아웃풋커플러 "(output coupler) 를만들었다고발표했고중간에 <Science> 지 1 월 31 일자에서그들은원자빔이레이저빔과비슷한결맞음성질을갖는다는것을보였다. 이것은 BEC 가원자레이저처럼행동하는것을보이기위한가장중요한단계였다. - MIT 장치의특성과원자빔의생성 MIT 에서만든장치는단일한양자상태를형성하는결맞는원자들의파열을만든다. 기존의원자빔에서는접근된적이없는성과인데빔에있는원자들은많은양자상태에걸쳐존재하기때문이다. 또한대부분의원자빔은단순한입자의집합일뿐이지만 MIT 의원자빔은레이저의광파 (light wave) 와같이조작되고조절될수있는단일한물질파로행동한다. 41

42 [ 자기장은원자레이저의원천으로사용된나트륨원자들을가두었다. rf 복사의짧은펄스들이원자의조절가능한부분을튀어나오도록만든다. 이러한원자들은중력에의해잡아당겨지는빔을형성했다. 초당 5 천번의비율로새로운펄스가만들어졌다. 그림은연속적인펄스들을보여주고있다. 굽어진모양의펄스들은중력과원자들사이의힘때문에형성된다. ] 실제로이러한물질파들은작은파동 (wavelet) 으로나누어지고원자에대한미세한정보를제공하는간섭패턴을보여주면서합쳐진다. 광레이저와같이 MIT 의원자레이저는여러가지의양자상태를갖는원자빔에비교해서강력하고방향성이있는원자의흐름을준다는의미에서 " 밝다."(bright) Ketterle 와동료들은그들의 "output coupler" 가나트륨원자로이루어진 BEC 로부터일정한비율로원자들을뽑아낼수있도록한다고설명한다. 그들은트랩 (trap) 의자기장속에갖혀있는 BEC 에무선주파수복사 (radiofrequency radiation) 을적용하여원자들을뽑아낸다. 이 output coupler 의디스크모양의코일들은시가 (cigar) 모양의구름 (cloud) 속에수백만개의원자 ( 그림에서작은구모양 ) 을가두는자기장을만든다 까지식혀지고충분히높은밀도로모여있기때문에원자들은 BEC 를형성한다. 이때원자들은집단적으로단일한양자상태에놓이게된다. 그렇게만들어진원자들은원자레이저의이상적인원천이된다. Ketterle 는원자레이저와보통레이저의차이를다음과같이말하고있다. " 포톤은만들어질수있지만원자는만들어질수없다. 원자레이저의원자개수는증가될수없고, 증가되는것은낮은에너지의양자상태에있는원자개수이다. 반면에다른상태에있는원자수는감소한다. 또한원자들은서로상호작용한다. 이것은원자레이저빔의퍼짐 (spreading) 을만든다. 빛과달리원자레이저빔은공기중에서멀리까지나아갈수없다. 더구나포톤은질량이없지만원자는질량을갖기때문에중력에의해가속된다." 42

43 - 결맞는원자빔 Ketterle 그룹은원자빔이중요한파동적성질을갖는다는것을보여주었다. 빔속의원자는매우차갑기때문에원자와관련된미세한파장들은그것들의파동적성질이잠재적으로검출될수있는지점에서증가한다. 실제의원자레이저빔은결맞는빔이고원자파는하나의강한파동을이루는방식으로결합한다. 하나의원자파는직접관찰될수없는양자역학적파동이지만서로간섭을일으키면밝고어두운무늬패턴을만들게된다. 두개의원자파가간섭할때하나의파동을만드는원자는다른파동의원자와상쇄될수있다. Ketterle 는다음과같이말한다. " 물질파가상쇄간섭을할때, 마치하나의원자더하기하나의원자는 0 의원자를만드는것처럼보인다. 하지만물질은파괴되지않고어디에선가다시나타난다. 그럼에도불구하고, 분리된원천에서나오는원자의간섭은극적현상 (dramatic phenomenon) 이다." - BEC 의결맞음 자기력과광학적힘을사용하는특별한트랩으로부터두개의독립적인 BEC 를만듦으로써결맞음이관찰된다. 트랩이열리면, BEC 는떨어지고퍼지면서결국오버랩된다. 그러한오버랩된영역에서매우선명한간섭무늬가전기카메라로관측되었다. 이러한간섭무늬는오직 BEC 의원자들이단일한결맞는파동을형성했을때가능한것이다. 즉, 한쪽 BEC 의전체적인원자파가다른 BEC 의원자파와함께밝고어두운무늬를만들게된다. MIT 그룹은각 BEC 에관련된원자파가 30 마이크론의파장을갖는다는것을계산했는데, 이러한파장은상온에놓여있을때원자가갖는파장보다백만배나큰것이다. [ BEC 의 RF output coupler ] (a) 각각의원자들은트랩의자기장속에서마치작은자석처럼행동한다. 원자는스핀을갖기때문에자기장에반응하므로그림에서원자들은트랩의중심방향으로밀려가는상태에해당하는모두같은스핀값을갖는다. (b) RF 복사의짧은펄스를적용하면조절가능한각으로스핀을기울게만든다. 43

44 (c) 양자역학적으로스핀을기울인다는것은원자들이자신의스핀을뒤바꿀확률을가지고있다는의미이다. 원자들의일부분은스핀을뒤바꾸고그것들에미치는자기력을반대방향으로향하도록만든다. 결과적으로원자들이트랩을벗어날수있고 BEC 는갖혀진 " 구름 " 과갖혀지지않은구름으로나뉜다. (d) RF 복사의펄스를몇번쪼여주면연속적으로떨어지는원자레이저펄스를어느정도만들어낼수가있다. 이러한구름들은퍼지면서중력에의해가속된다. [ 그림 : Figure courtesy of Massachusetts Institute of Technology] - 원자레이저의개선과제 원자레이저에대한연구는이제막시작되었다. Ketterle 그룹은이미그들이만든장치를개선할준비를하고있다. 예를들어, 현재원자레이저는중력방향으로떨어지는빔만을만들어낸다. 앞으로의단계는현재의도구와 " 원자거울 "(atomic mirror) 을결합시켜원자빔이다른방향으로진행할수있도록만드는것이다. 여기서 " 원자거울 " 은광학적혹은자기적힘을이용해원자빔의방향을결정할수있도록하는장치를말한다. 또, 현재원자빔은트랩에서나올때회절하거나퍼진다. 앞으로의디자인은그러한회절효과를감소시킬수있도록만들어져야한다. 마지막으로, 현재디자인은오직원자의 " 폭발 " 만을만든다. ( 즉펄스모드로만동작한다.) 앞으로의과제는연속적인빔을만드는것이다. [ BEC 는마치파동처럼간섭을일으킨다. ] 44

45 [ 간섭실험은 BEC 에서유도된두원자레이저빔사이에서도이루어졌다. 원자레이저빔또한 결맞는파동이라는것을증명하는간섭무늬가관찰되었다. ] [8. 양자우물 (quantum well) 레이저 ] 최근, 학문의세계에머물러있던양자론을전자산업에적용하려는시도가활발히이루어지고있다. 원자, 전자, 광자등과같은미세물질의세계인양자세계의현상과법칙을반도체, 레이저기술개발에활용, 획기적인진보를달성하고자하는노력이경주되고있는것이다. 실제로반도체의경우, 원자나전자의움직임하나하나가중요한의미를갖는단계가곧다가올것으로과학자들은보고있다. 현재의기술발전속도에비추어오는 2010 년께면반도체회로선폭이 0.1 마이크론수준에도달할전망이기때문이다. 이수준에도달하면, 각각극소수전자의움직임이전기신호로나타나게돼전자하나를더하거나빼는데따라전기신호자체가달라질수있기때문이다. 반도체제조업체들이양자의세계에관심을갖게되는것도바로이때문이다. 이와관련해현재깊이있게연구되고있는것은이른바 " 양자점 (quantum dot)" 구조이다. 양자점은개개의전자를담을수있는미세공간으로 20nm 의크기를갖는다. 따라서하나의핀머리에수십억개의양자점을올려놓을수있다. 과학자들의궁극적인핵심연구과제는양자점을이용해단일전자의흐름에따라온 / 오프의전기신호를내는트랜지스터를제조하는데있다. 이연구가결실을맺게되면반도체제조방법에도상상할수없는변화가이루어질것이확실하다. 반도체용량은기본적으로트랜지스터의집적도에달려있다. 따라서양자점을이용한초미세트랜지스터의개발은 45

46 반도체용량의폭발적증대로이어지고더나아가초미세슈퍼컴퓨터의개발을가능케할것으로기대되기때문이다. 이같은기대는학계나과학계는물론상업성을추구하는기업들에게도커다란영향을미쳐양자세계에대한연구를촉진시키는원동력이되고있다. 텍사스인스트루먼츠, 아이비엠, 휴렛펙커드, 모토롤라등세계적으로내노라하는기업들이대거장기적인안목을갖고이분야연구에나서고있다. 이들역시연구의초점은양자효과에부합하도록미세한전자의움직임을제어하는기술개발인데, 양자점구조가그것을가능하게할것으로예상하고있다. 일정한성질을갖춘원자로부터양자점구조를형성하게되면이구조내에전기전도기능을하는자유전자를가둘수있고, 또이자유전자는외부에서에너지의충격을가하지않는한구조내에서벗어날수없다. 이원리를활용해현재개발되고있는것중의하나가양자우물 (quantum well) 레이저이다. 양자우물레이저는서로다른물질층사이에얇은반도체물질층을형성하는방법으로만들어진다. 양자우물에갇힌전자는양방향으로만움직이는특성을갖게되며, 그결과적은동력을소모하고도기존의레이저에비해더많은빛의생성을가능하게한다. 벨연구소의경우여기서한걸을더나아가전자의양방향이동을단방향화해빛의생성량을더욱증가시킨양자선 (quantum wire) 레이저를연구하고있다. 양자선레이저가개발되면통신분야에획기적인기술발전을가져올것으로전망되는데, 현재통신선로상에서레이저펄스를재생하기위해일정한간격으로배치하고있는값비싼중계기수를훨씬줄일수있기때문이다. 과학자들은궁극적인목표인양자점구조형성이가능해지면이같은양자선보다도더많은기술상의진보가이루어질것으로기대하고있다. 전자제어가면 ( 양자우물 ) 에서선 ( 양자선 ), 점 ( 양자점 ) 의단계에서이루어질수록그효과가크기때문이다. 그러나기술상의어려움때문에아직까지양자점레이저는개발이이뤄지지않고있는상태다. 현재시도되고있는양자점구조형성방법은반도체에기둥을새기는것과상단부에양자점클러스터를증착시키는것등크게두가지로볼수있다. 뉴욕주립대연구진은이같은방법으로양자점구조의메모리칩샘플을만드는데성공했다. 이메모리칩은이론적으로는 1 테라비트의데이터까지저장하는것이가능하다. 양자기술을기반으로하는기기들은초저온상태에서작동하면서미세한열변화에도제기능을못한다는것이그동안의과제였다. 그러나이문제도최근들어스텐퍼드대학의전자기술연구소가상온에서작동하는단일전자트랜지스터의제작에성공, 해결의실마리를잡았다. 그러나여전히많은문제가남아있다. 속도변경이느리고표류전자에의해단일전자가계획된경로에서이탈하는것등의문제가해결되지않고있는것이다. 현재이에대한해결방안이다각도로모색되고있으나활용가능한방안을찾기까진상당한시일이걸릴것같다. 그러나양자점구조의반도체개발로핀크기의슈퍼컴제작등전자산업의새로운전환기가도래할수있을것으로기대된다. 46