LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radition) 즉, 유도방출 과정에 의한 빛의 증폭을 뜻함.

 

  • 원자에서 빛의 흡수와 방출에 대한 이론
    물리학자 이인슈타인은 레이저 발진에서 중요한 자극방출(유도방출)의 개념을 포함하여 원자에서 빛의 흡수와 방출에 대한 이론을 1917년 발표하여레이저의 가능성을 열었다. 
  • 메이저 (Maser)
    Maser는 Microwave amplication by the stimulated emission of radition (복사의 자븍방출에 의한 마이크로파의 증폭)의 머릿글자를 딴 것이다.
  • 레이저 (Laser)
    1960년에 세계최초의 레이저인 루비레이저를 Maiman이 발진, 1961년에 Javan, Bennett, Herriott에 의해 최초의 기체 레이저인 헬륨-네온 레이저가 발진 되었다.



[사진1] 렌즈를 통과하는 레이저광원

 

  • 단일 진동수를 갖는 단색광이다. 
  • 거의 퍼지지 않는 상태로 직진한다. 
  • 출력밀도가 높은 광선이다. 
  • 파동의 모양과 진동수가 일정하다.

 

  • 사용 매질에 따른 분류
    - 고체  레이저 : ND;YAG(1064nm), 루비(694nm), 유리, KCl, RbCl등
    - 기체  레이저 : He-Ne(362.8nm), Ar(488nm), CO2(10600nm), Kr, N2
    - 액체  레이저 : 색소레이저(가시광선)
    - 반도체레이저 : GaAs(850nm), Inp, InAs등
  • 출력되는 빛의 파장에 따른 분류
    - 자외선 레이저, 가시광선 레이저, 적외선 레이저
  • 외부에서 공급해 주는 에너지 종류에 따른 분류
    - 광 펌핑 레이저, 전기 펌핑 레이저, 화학 펌핑 레이저



[사진2] 레이저마킹한 부분을 확대 

 

  • 홀로그래피 (Holography) 
  • 광통신(Optical communication) 
  • 산업적 응용: Marking, Welding, Driling, Scribing
  • 의학적 응용: 엑시머(Eximer)레이저 ArF(193nm),
                      KrF(248nm) XeF(351nm)등
  • 기타응용분야: 거리측정기, 레이저 병기, 핵융합 ...

 

Bohr의 원자모형에서와 같이 모든 원자들은 원자핵을 중심으로 하여 일정한 궤도에 전자들이 선회하는데 외부의 특별한 충격이 없는 한 안정된 상태로 머물러 잇는 이러한 원자에 일정한 값을 갖는 에너지를 줌으로써 (Pumping)  반전분포상태를 만들어 빛의  방출을 유도하고 증폭시키는 원리.

  • 빛의 생성과 소멸
    - Bohr의 원자모형
     
    빛의 발생에 대한 이론이 확립된 것은 1913년 덴마크의 보어(N.Bohr)에 의해서였다. 보어는 전자가 핵 주위를 돌때 곳에서나 있을 수 있는 것이 아니고 특별히 안정된 궤도가 있어서 전자는 그 궤도에서만 존재  할 수 있으며, 어떤 궤도에서 핵에 더 가까운 궤도로 전자가 떨어지면 전자의  에너지가 줄어드는데 줄어든 에너지량 만큼  빛으로 방출 된다는 사실을 알아낸 것이다.

    - 빛의 생성 (빛의 방출)
      전자는 핵주위를 특별히 안정된 궤도 안에서 돌게되는데 어떤 궤도에서 핵의 더 가까운곳으로 전자가 떨어지면 전자의  에너지가 줄어들고 줄어든 에너지 만큼 빛으로 방출된다.

    - 빛의 소멸 (빛의 흡수)
      핵 가까운 궤도에 있던 전자가 입사하는 빛에너지를 받아 먼 궤도로 뛰어오르는데 이 과정을 흡수라 하고, 빛에너지를  전자에게 전달하게된다.
     
  • 유도방출과 빛의 증폭

    - 자연방출
      원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 내려가면 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출 한다.  전자는 아래 궤도에 전자가 적어 그 자리가 비어 있을 때만 떨어질 수 있고 이 과정에서 빛이 발생하는데 이것을 자발방출 이라 한다.

    - 유도방출
      원자가 높은 에너지 상태에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 방출하게 되는데이 빛은 입사하는 빛과 같은 방향과 같은  위상을 갖게된다.

    - 상태밀도반전
      결 맞은 빛을 방출(빛의증폭) 라기 위해서는 대부분의 빛을 자극에 의한 방출로 채워야 하고(유도방출) 그렇게 하기 위해서는  높은 에너지준위에 있는원자의 수를 많게 해야한다. 이를 밀도반전이라고 하는데 레이저 발진에 있어서 필수적인 요건에 해당  된다.

    - 펌핑
      일반적으로 열적평형상태에서는 낮은 궤도에 전자를 가진 원자수가 높은궤도의 원자수보다 항상 많다.  따라서 밀도반전이 일어나서 빛을 증폭하려면 우리가 인위적으로 밀도반전 조건을 만들어 주지 않으면 안된다.  이 조건중 위쪽의 궤도에 전자가 많도록 외부에서 에너지를 가하는 것을 펌핑 이라고 한다,

    - 준위계
      레이저 작용을 일으키기 위한 요구 조건중의 하나는 준 안정의 들뜬 상태가 있어야 한다. 이 준 안정의 들뜬 상태는 유도방출 에 참여할 수 있을 정도의 긴 수명을 가져야 한다.  즉 원자나 분자는 에너지를 흡수한 후 급속히 최고 준위의 여기샅애네 도달 했다가 오래 체류하지 못하고 그 아래의 여기상태(준 안정상태)로 이동한다, 광자의 방출은 이  준 안정상태 에서 기저상태로  이동시  발생하며 이렇게 3개의 레벨을 갖는 레이저를 3준위 레이저라 부른다.

 

   레이저 가공방법은 마킹소재에 따라 금속, 플라스틱, 실리콘, 나무, 종이,  가죽,  유리 등으로 나뉘어지며 소재를 절단하는가 혹은 표면을 마킹하는가에 따른 방법으로 크게 이분되고 표면을 마킹하는 방식에따라 양각, 음각의 형태를 띄며 가공 표면의 홈을 파서 각인이되게 하는방법과 소재의 표면을 변색시켜 마킹이 되게하는방법, 가공할 표면을 부풀려서 마킹효과를 얻어내는 방법 이렇게 크게 3가지로 나뉜다. 그외에 응용되는 분야로는 절단, 용접이 있다.

 


 
절단(cutting)       용접(welding)      각인(engraving)        변색(fading)       부풀림(foaming)
[그림1] 레이저가공의 여러형태

플라스틱절단종이절단나무절단

[그림2] CO2 LASER로 절단가공된 가공물의 이미지


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