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레이저 광선이 유도 방출 과정을 거쳐 위상과 파장이 일치하는 단색광을 증폭하여 엄청난 에너지를 미세한 한곳에 집중시킬 수 있는 광학적 원리는 무엇인가요?
레이저 광선이 유도 방출 과정을 거쳐 위상과 파장이 일치하는 단색광을 증폭하여 엄청난 에너지를 미세한 한곳에 집중시킬 수 있는 광학적 원리는 무엇인가요?
6개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
들뜬 상태의 원자에 꼭 맞는 에너지의 빛알 하나가 지나가면, 원자는 그 빛알과 파장, 위상, 진행 방향이 똑같은 빛알을 하나 더 내놓고 바닥 상태로 내려가요. 이게 유도 방출이에요. 빛알 하나가 둘, 둘이 넷이 되며 똑같은 빛이 불어나요. 그런데 보통은 바닥 상태 원자가 훨씬 많아서 빛이 증폭되기보다 흡수돼 버려요. 그래서 전류나 섬광등으로 에너지를 계속 넣어 들뜬 원자가 더 많은 밀도 반전 상태를 만들어 줘요.
레이저 매질 양 끝에는 거울이 마주 보고 있어요. 축을 따라 나란히 움직이는 빛만 거울 사이를 수없이 오가며 계속 불어나고, 비스듬히 나간 빛은 금방 빠져나가요. 한쪽 거울은 빛을 1% 정도 내보내도록 만들어져 있어 이 틈으로 레이저 광선이 나와요.
이렇게 나온 빛은 파장과 위상이 고르고 거의 평행하게 나아가요. 여러 방향으로 퍼지는 전등 빛은 렌즈로 모아도 넓게 맺히지만, 레이저는 파장 크기에 가까운 1마이크로미터 안팎의 점까지 모을 수 있어요. 에너지를 아주 짧은 펄스로 압축하면 순간 출력이 더 커져 강철을 자르거나 각막을 정밀하게 깎을 수 있어요 :)
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채택된 답변안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.
레이저는 밀도 반전 상태에서 유도 방출로 같은 빛을 증폭하고, 광공진기로 방향과 위상을 정렬해 평행한 단색광을 만든 뒤 렌즈로 미세한 한 점에 에너지를 집중시키는 원리랍니다.
안녕하세요.
레이저의 핵심 원리는 유도 방출과 광공진기에 의한 빛의 증폭이에요.
외부에서 에너지를 공급하면 들뜬 원자들이 만들어지고, 빛이 이 원자들을 자극해 같은 파장과 위상, 진행 방향을 가진 광자를 추가로 방출하게 돼요.
이렇게 증폭된 빛은 단색성과 결맞음, 높은 지향성을 가지고, 렌즈로 한곳에 모으게되면 작은 영역에 높은 에너지 밀도를 만들 수 있어요.
감사합니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
레이저가 엄청난 힘을 내는 것은 반전 분포와 유도 방출이라는 원리 때문이죠. 왜냐하면은 에너지를 품은 원자들이 빛을 만나면 똑같은 빛을 뱉어냅니다. 그래서 위상이랑 파장이 같은 빛이 순식간에 늘어나게 되는 거죠. 따라서 이렇게 복제된 단색 광이 엄청 크게 증폭되는 겁니다.
그리고 증폭된 빛은 거울 사이를 왕복하면서 더 강해집니다. 왜냐하면은 광공진기가 빛을 가두고 계속 키워주기 때문이죠. 그리고 이 빛을 렌즈로 모아 주면 한 곳에 힘이 집중되게 되는 겁니다. 따라서 그 좁은 부위를 바로 자를 수 있는 강력한 빛이 되는 거죠.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
레이저는 원자나 분자에 에너지를 주어 들뜬 상태로 만든 뒤, 빛을 이용해 같은 성질의 빛을 계속 만들어 내는 원리를 이용합니다. 이를 유도 방출이라고 하는데, 이때 새로 나오는 빛은 처음 빛과 파장과 위상, 진행 방향이 거의 같아 서로 가지런히 모이게 됩니다.
레이저 장치 내부의 거울 사이에서 이런 빛이 여러 번 왕복하면서 계속 증폭되고, 그중 일부가 밖으로 나오면서 강한 레이저 광선이 됩니다. 일반적인 전구 빛은 여러 파장과 방향으로 퍼지지만 레이저는 한 방향으로 곧게 나가고 파장도 비교적 일정한 것이 특징이라고 할 수 있습니다.
그래서 렌즈로 모으면 아주 작은 지점에 많은 에너지를 집중 시킬 수 있어 금속 절단이나 용접, 의료기기 등에 많이 활용되고 있습니다. 제 생각에는 여러 사람이 제각각 움직이는 일반 빛과는 달리, 레이저는 모두 같은 박자와 방향으로 움직이는 빛이라고 생각하시면 이해가 쉬울 것 같습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
레이저 광선이 유도 방출을 통해 엄청난 에너지를 한곳에 집중시킬 수 있는 근본적인 광학적 원리는 반전 유도 방출에 의한 빛의 증폭 그리고 광학 공진기를 통한 고지향성 코히어런트 광 형성에 있습니다 먼저 에너지를 공급해 높은 에너지 상태의 입자가 더 많아지는 반전 분포 상태를 만든 뒤 외부 현상으로 광량을 급격히 증폭합니다 이렇게 증폭된 빛은 양쪽 거울 사이의 공진기를 왕복하며 위상이 완벽하게 동기화된 단색광으로 거듭나고 퍼지지 않고 직진하는 뛰어난 지향을 갖추게 됩니다 마지막으로 이렇게 정렬된 고에너지 광산은 정밀한 렌즈와 광학계를 거쳐 극도로 미세한 한 점에 모아지며 회절 한계 내에서 공간적 에너지를 극대화하여 물질 가공 등이 가능한 막대한 에너지 밀도를 발휘하게 됩니다