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‘LASER’ 뜻 풀이부터 해보자.
하지만 뜻 풀이 이전에 ‘Photo Conductivity’와 ‘Electro Luminescence’ 그리고 ‘Stimulated Emission’을 먼저 알아야 쉽게 이해할 수 있습니다 |
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빛은 이중성을 가지고 있습니다. ( Light has a dual nature!! ) 즉 Particle (입자)과 Wave (파동)이지요.
여기서 입자는 곧 Photon (광자?광팔이 동생?)이고 레이저 원리 학습에는 photon만 생각하시면 됩니다.
Photon의 에너지는 항상 정해진 것이 아니고 광원의 종류에 따라 (파장에 따라) 에너지가 다릅니다.
(Photon can have different energy!!! ) 이해하려고 하지 마세요. 간단해요! |
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어떤 물질이 전기적으로 통하는 정도를 전기적 전도성 (Electrical Conduction)이라고 하는데 이것을 기준으로 도체 (Conductor), 반도체 (Semiconductor), 부도체 (Insulator)로 나눕니다.
Conduction Band는 전자가 놀 수 있는 공간 즉 electrical charge로 행세할 수 있는 곳입니다.
Valence Band에서는 전자가 찍소리 못하고 기죽어 있는 공간 이고요.
부도체는 Valence Band에 전자가 꽉 차있고 Energy Band Gap (Conduction Band 와 Valence Band 간의 차이)이 커서 외부에서 에너지를 공급해서 아무리 전자를 떠밀어 올리려 해도 도대체 전자가 Conduction Band로 이동이 안 됩니다.
반면 도체는 Conduction Band와 Valence Band가 그의 붙어있어 자유로이 (freely) 전자들이 Conduction Band로 이동할 수 있으므로 애초에 전자들 중 일부가 Conduction Band내에 존재한다고 보아도 무방합니다.
한마디로 Valence Band가 곧 Conduction Band라고 해도 틀리지 않습니다.
반도체는 부도체처럼 Valence Band에 전자가 꽉 차있으나 Energy Band Gap이 작아서 외부에서 에너지를 공급해주면 쉽게 전자들이 Conduction Band로 이동합니다
우리가 반도체 소자를 이야기할 때 전자가 정공 (hole)과 결합해서 어쩌고 저쩌고 할 때
전자가 바로 conduction band에 있는 놈들입니다.
참고로 P-N 결합 (junction)이 어쩌고
저쩌고 할 때에도 N 형(type) 반도체의 주 전기 이동자 (majority carrier)가 전자고, P형
반도체의 주 전기 이동자 (majority carrier)가 정공이며 이때 순방향 bias (forward bias),
역방향 bias (reverse bias)가 또 어쩌고 저쩌고하는 것은 전자공학책자나 간단한 실습서를
보면 됩니다.
여기서 이제부터 우리가 외부에서 어떤 물질에 에너지를 주어서 전자들을 conduction band로
이동한 상태를 들뜬 상태 (excited state)로 하고 그냥 Valence Band에 전자가 차있는 상태를
안정한 상태 (stable state or ground state)라고 합시다.
참고로 원자(위에서 말한 물질)는 안정한 상태를 좋아합니다.. 들뜬 상태가 되면 무조건
안정한 상태로 돌아오려고 기를 씁니다.
일단 Valence band에 있는 전자를 Conduction band로 끌어 올리려면 (즉 전기적으로 통하게
하려면) 외부에서 에너지를 공급해 주어야 하는데 대표적으로 사용되는 형태의 에너지가
열 (thermal energy 즉 온도를 상승시킴)과 빛 (Photon 즉 광자)입니다.
이때 Photon을 외부 에너지로 이용한 경우를 Photo Conductivity라고 합니다.
그러면 어떤 것에 이 현상 (Photo Conductivity)이 이용 되었는가?
바로 Photo detector류입니다. 보통 광 센서라고 많이 불리우지요.
자동 문 개폐기라든가
리모컨 같은 거 보세요 빛을 주든가 혹은 빛을 차단하면 전기적 신호가 연결, 단절되어
회로 내에서 작동을 하고 어쩌고 저쩌구…..
다만 조건이 있습니다.
물질에 인가되는 Photon의 energy가 (Ep)가 Band Gap (Eg)보다
커야 합니다.
이것을 흡수 (Absorption)이라고 하는데 아직 모르셔도 됩니다. 뒤에 레이저 가공 부분에서
다시 나옵니다 |
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결론 : Photoconductivity는 결국 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 것
- Converts from energy of optical form to energy of electronic form!!!!- |
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이것은 Photoconductivity와 반대입니다.
즉 원자 (atom)가 들뜬 상태 (excited state)로 있으면 죽으라고 안정한 상태 (ground state)로 돌아오려고 기를 쓴다고 했지요.
이때 기를 팍팍 쓰면서 내 보내는 게 빛(photon)입니다 |
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Photoconductivity는 photon (빛)을 외부에서 인가하는 에너지원 (energy source)로 사용하여
원자를 안정한 상태에서 들뜬 상태로 천이 (transition) 시키는 것이지만,
Electroluminescence는 들뜬 상태에서 (어떤 형태의 외부에너지로 인하여 들뜬 상태가 되었든
간에) 자발적으로 안정한 상태로 돌아오는 현상이며 이때 빛을 내 보냅니다.
이것을 좀 유식한 말로 자발방출(Spontaneous Emission)이라고 하며, 문제는 이때 방출하는
빛은 방향성이 없으며 (제 각각의 방향으로 / random direction) 방향성이 없다는 것을 또
유식한 척하면 incoherent라고 합니다.
Electroluminescence를 이용한 소자로 대표적인 게 LED입니다. 즉 light emitting device
(diode) 이지요. 전기를 주면 빛이 나오잖아요?.
역시 전자공학 기본서에 보면 conduction band에 있는 전자가 valance band에 있는
정공 (hole)과
재결합 (recombination)하면서 빛을 방출하며 이렇게 하기 위해서는
역 바이어스 (reverse bias) 또 어쩌고 저쩌고……….
결론 : Electroluminescence는 결국 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 것
- Converts from energy of electronic form to energy of optical form!!!! - |
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c. Stimulated Emission (유도방출) |
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이것은 위의 photoconductivity와 electroluminescence를 반반씩 적용하여 원하는 빛을
얻고 동시에 증폭하는 효과를
볼 수 있는 현상입니다.
들뜬 상태로 있는 원자 (물질)가 있어 가만 놔두면 자발방출 (spontaneous emission)을
하겠지요.
하지만 이 들뜬 상태로 있는 놈에다가 외부에서 하나의 photon으로 때리면 (빛을 쪼여주면)
희한하게도 외부에서 넣어준 photon과 똑 같은 photon이 두 개가 나옵니다 (빛이 나온다).
이때 똑같다는 말은 방향(direction)도 같고 (특히 한 방향, one direction), 위상 (phase)도
같고, energy도 같습니다
(이것은 곧 파장도 같다는 말인데 나중에 설명할껍니다.).
즉 영어로
identical혹은 exactly the same (이그재~~액트리 더 새임)이라고 해야 하나요?
여하간 일란성 광자 쌍둥이의 탄생입니다.
Stimulated emission을 통하여 한 방향 (one direction)의 빛을 내는데 이런 형태를
coherent라고 합니다.
또 이 현상을 이용하면 증폭 (Amplification)도 되잖아요?
한 개의 광자가 두 개의 광자가 되니깐…… |
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반도체 소자로 이 현상을 이용해서 만든 것이 LD (Laser Diode)이고 총칭해서 coherent light emitting device라고 해야
할 것입니다.
참고로 소자를 만드는 사람은 laser diode라고 하고 laser를 다루는 사람은 diode laser라고 합니다.
자 그럼 laser는 무슨 말인지 봅시다. |
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| Light |
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빛은 빛인데 |
| Amplification by |
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증폭 되었다 (무엇에 의해서?) (빛의 증폭이라고 해도 되요.) |
| Stimulated |
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유도 |
| Emission of |
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방출에 의해서 |
| Radiation |
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복사 (레이저 공진기 내에서 복사 되는) |
아마도 Radiation이란 용어를 제외하곤 쉽게 이해 되었을 것입니다. |
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10가지 100가지도 아닌 3가지로 이루어집니다.
- Lasing material : Gas, Semiconductor, … etc. (레이저 빛을 생산하는 물질)
- Energy pumping source (레이저가 발생하기 위해서 주어지는 에너지 원)
- Two mirrors ( 2개의 반사거울) |
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어떤 물질이 고체든, 액체든, 기체든 앞서 말씀 드린 현상이 수용되면 레이저 빔 (beam)을 출사할 수 있습니다.
다만 그것이 개발측면이나, 경제성, 효용성 등등 여러 측면에서 나름대로 장점을 가지면 Lasing material로서 선택이
되겠지요.
혹은 그러한 물질을 만들 수도 있을 것이고요.
보통 이러한 물질의 상태에 따라 레이저를 분류합니다.
고체레이저, 색소레이저 (액체상태임),기체레이저, 반도체레이저 (레이저 다이오드임) 등으로 말입니다. |
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Lasing Material (레이저 매질)을 들뜬 상태로 만들어 주기 위하여 외부에서 공급하는
에너지 원(source)입니다.
외부에서 에너지를 인가하는 행위를 레이저분야에서는 pumping이라는 용어를 사용합니다. |
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하나는 완전반사 거울 (full reflection mirror)이고 또 하나는 부분반사 거울 (partial reflection
mirror)입니다.
두 거울의 내부를 레이저 공진기 (Resonator or Cavity)라고합니다.
중요한 것은 이 부분반사 거울이 약간의 (small percentage) photon (빛)을 투과 시키죠
바꿔 말하면 약간의 photon들이 부분반사 거울을 통하여 레이저 공진기 탈출합니다
(빔의 출사). Photon의 leak라고 하면 될라나요….???
이때 탈출한 빛 (photon들)은 앞서 말한 바와 같이 똑 같은 위상, 방향, 에너지 (파장)을
가지며 그래서 레이저 빛이지요.
레이저beam의 특징은 Directionality (직진성), Coherent (간섭성), Monochromaticity (단색성)등
인데 이것들은
곧 나오는 제2단원 Laser 특성에서 설명합니다. |
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