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레이저 치료기에서 쓰이는 레이저란 복사 유도 방출에 의한 광증폭의 줄임말로, 본래 빛의 증폭이라는 물리적 현상을 이르는 말이다. 일상적으로는 이를 이용해 만들어진, 강하고 퍼지지 않으며 멀리 전달되는 단색광 레이저 빔 또는 레이저광을 간단히 '레이저'라고 부른다.
본 글에서는 레이저의 역사, 원리, 특징 순으로 설명을 하겠다.
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- 레이저의 역사
- 레이저의 원리
- 레이저의 특징
레이저의 역사
1. 1900년 Max Planck의 양자론(quantum theory)은 흑제법칙에 대한 연구를 하면서 시작이 되었지만, 많은 다른 분야에도 적용되는 것으로 밝혀지면서 현대 물리학 연구의 가장 중요한 길잡이가 되었다.
2. Einstein 이 양자론에 관 한 논 문에 서 언 급 한 유 도 방 출 (Einstrahlung, stimulated emission)의 개념을 근거로 발전하게 되었다.
3. 1954년 비로소 Townes 등이 아인슈타인의 학설에 기포를 두고 레이저의 전 단계인 메이저(MASER, microwave amplification by stimulated emission of radiation)를 개발하고 Phycial Review지에 처음 기고하기에 이르렀다.
4. Basov과 Prokhorov 역시 메이저 개발에 핵심적인 연구를 수행하였으며, 이 세 사람은 1964년 maser-laser의 기반이 되는 발진기와 증폭기의 개 발이라는 양자전자공학의 중요한 연구에 대한 업적으로 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.
레이저의 원리
레이저의 경우는 유도방출이 일어난다.
1. 바닥상태에 있는 원자 또는 분자가 펌핑에 의해 에너지를 흡수하 면 들뜬상태가 된다.
2. 들뜬상태에서 머무는 시간은 매우 짧아 곧바로 준안정상태로 떨어진다.
3. 준안정상태에서는 상대적으로 머무는 시간이 길며, 여기에 많은 원자 또는 분자들이 모여 밀도반전 상태가 된다.
밀도 반전 : 자연상태에서는 낮은 에너지의 원자수가 높은 에너지의 원자수보다 항상 많다. 그러나, 레이저 빛을 방출하기 위해서는 높은 에너지 준위에 있는 원 자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 수보다 많아야 하는데 이를 밀도반전 (population inversion)이라고 한다.
4. 이 상태에 있는 원자 중 한 개가 자발적으로 빛을 내는 순간 여기서 방출된 빛이 주변의 다른 들뜬 원자 하나를 자극하여 E3 준안정상태에서 E2 준안정상태로 떨어지면서 빛을 방출하여 두 개의 광자가 된다.
5. 이 두 개의 광자는 다른 두 원자를 자극하여 4개가 된다. 이러 한 연쇄반응이 일어나 파장이 같은 증폭된 빛을 방출하게 되는데 이 과정을 유도방출이라고 한다.
레이저발진: 유도방출에서 나오는 빛을 더욱 강한 빛을 로 만드는 과정
1. 레이저봉 양쪽에 반사거울을 장치, 한쪽은 거의 100%를 반사하는 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부 분의 빛이 투과할 수 있는 부분반사 거울을 장치
2. 위상과 파장이 같은 레이저봉에서 나온 빛이 양쪽 거울에 반사되어 무수히 왕복. 이 과정에서 차례로 유도방출이 생겨 빛이 증폭되거나 광학 부품에 의 한 투과와 산란에 의해 손실되기도 함.
3. 레이 저의 증폭 이득이 공진기의 손실보다 크면 레이저의 강도는 점점 증폭되어 부분반사 거울을 통 과하여 빛이 나오게 된다
레이저의 특징
1. 단색성 : 레이저는 색상의 변화가 일어나지 않으며, 다른 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고, 어느 정도의 순수한 단일광으로 만들어진다.
2. 직진성 : 빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진하는 성질을 가지고 있다.
3. 간섭성 : 간섭은 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪히면 곧 간섭을 일으킨다.
4. 에너지 밀도와 밝기 : 출력이 작아도 밝기가 좋다.
5. 초당 광펄스 : 마이크로파 주파수대인 진폭 변조나 주파수 변조도 가능하다.
레이저치료기에 사용이 되는 레이저의 역사, 원리, 특징에 대해서 알아보았다. 레이저 원리에서 유도방출과 레이저 발진이라는 것이 중요하기 때문에 집중해서 보면 좋겠고 특징 중 단색성, 직진성, 간섭성 이렇게 3가지만 필히 알아두자.