1. 레이저와 결맞음은 뭘까?

 

 

아래의 위키디피아나 다른 문헌을 찾아보면 레이저의 특성쯤이야 금방 알수 있을것이다.

레이저에 대해 나는 최대한 광학적으로 접근하는 포스팅을 할 것이다. 이런 포스팅은 잘 없더라. (물론 있긴 있음)

 

레이저 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation : 원자나 분자에 의한 광의 유도방출을 이용한 증폭 광

(원자나 분자의 내부에 축적된 에너지를 집약적으로 뽑아내는 결맞는 광)

 

레이저의 특징

  (1) 단색성이 좋다.
이론적으로는 스펙트럼 폭이 수Hz로 극히 좁은 순수한 광이다.
덧붙여서 자연광에 포함된 스펙트럼 폭은 수천Hz이다.
  (2) 지향성이 좋다.
거의 퍼지지 않고 직진하는 평행광속이다.
  (3) 집광성이 좋다.
이론적으로는 레이저광의 파장 정도의 지름까지 집속이 가능하다.
  (4) 에너지밀도가 높다.
집광성이 좋기 때문에 작은 면적에 많은 에너지를 집중시킬 수 있다.
  (5) 간섭성이 좋다.
시‧공간적으로 결맞음이 좋다.
  (6) 광에너지를 단시간에 집속시킬 수 있다
펄스폭 정도의 짧은 시간에 에너지를 집속시킬 수 있다. 
등을 들 수 있는데, 이것들은 전부 자연광에서는 얻을 수 없는 특성들로, 레이저 응용을 고려할 때 어느 특성을 이용할까 또는 이용하고 있는가, 그리고 레이저 자체를 이해하는 데 중요한 점이 된다.

레이저의 종류

1. 고체 레이저

: 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, Nd:Glass 레이저, Ti:Sapphire 레이저 등

2. 기체 레이저

: He-Ne 레이저, CO2 레이저, Ar+ 레이저, 엑시머(KrF, ArF) 레이저 등

3. 액체 레이저

: 색소(Rhodamine, Counmarin, Stilbene) 레이저 등

4. 반도체 레이저

: GaAs, GaAlAs, InGaAsP, ZnSe 레이저 등

5. 자유전자 레이저

6. X-선 레이저

 

결맞음과 결안맞음(coherence and incoherence)

 

먼저 파의 간섭현상에 대해서 알아보자. 조용한 수면의 다른 두 곳에 돌멩이 두 개를 함께 던지면 돌멩이가 떨어진 곳을 중심으로 파가 퍼져 나가 파의 배와 배, 마디와 마디가 겹치는 곳에서는 파의 진폭이 한층 크게 되고, 이 때문에  본래의 파와는 다른 파가 생긴다. 이 같은 현상을 파의 간섭이라 한다.

 

광의 간섭에 대해서도 같은 형태로 생각할 수 있다. 광이 전자파의 일종이지만 태양이나 전등의 광은 그 광을 중첩시켜 간섭현상을 관찰하려 하여도 관찰할 수 없다. 이것은 자연광이 규칙적인 파가 아니고 파열의 집합체이기 때문이다. 10-8s 정도의 짧은 시간에 파가 겹쳐져 강하게 되든 약하게 되든 시‧공간적으로 평균화되므로 장시간에 걸친 간섭무늬는 관찰할 수 없다. 비누방울에서 특정한 파장에서만 간섭하여 멋있는 무지개 색을 볼 수 있는 것도 간섭의 일종으로, 특별히 방법과 조건만 성립되면 간섭현상이 나타난다. 그러나 이같이 간섭현상이 확인되어도 자연광을 결맞는 광이라고는 하지 않는다. 실제로 결맞는 광이 아닌 것을 결안맞는 광이라고 하는 극단적인 경우는 없으며 광에 따라 결맞음의 정도가 있다. 다음에는 결맞음 정도에 대하여 분류하여 보자.

 

시간적 결맞음

시간적 결맞음

 

어떤 광이 단색광으로 장시간 정현파를 만든다고 할 때 서로 다른 시각과 t1과 t2에서 광의 위상관계가 동위상이든 역위상이든 혹은 90도의 위상차를 갖든지 일정한 관계가 있다면 이 광속은 시간적으로 결맞는다고 하고, 서로 다른 시각에서도 상관관계가 있는 광을 시간적으로 결맞는 광이라 한다. 

 

공간적 결맞음

광속이 퍼지지 않고 직진하고, 그림 과 같이 광속의 파면을 렌즈로 집속할 경우도, 확산시킨 경우도 각 파면은 질서를 갖게 되는데, 이를 공간적 결맞음이 좋다고 한다. 이는 광속 파면의 위상이 광속 전체에 걸쳐 잘 정돈되어 있는 것으로 발광면이나 광속 안의 공간에서 다른 두 점이 위치적으로 위상관계가 있다고 한다. 다시 말해 공간에서 두 점의 위상에 어느 정도 관련이 있는가로 공간적 결맞음의 정도를 표시하게 된다.

 

공간적 결맞음에 대해 설명하고 그 정도를 관찰하는 데는 영의 실험이 잘 이용된다. 영의 실험은 파동설을 설명하기 위한 간섭실험으로 영이 처음 실시한 것이다. 그림에 표시한 것같이 파면을 따라 두 개의 슬릿 A와 B를 설치하고 조금 떨어진 곳에 막을 놓으면, 슬릿 A를 통해 들어가는 회절광과 슬릿 B를 통해 들어가는 회절광의 위상이 같을 때 막 위에는 선명한 간섭무늬가 나타난다. 이 현상에 의해 두 개의 다른 점 A와 B에 있어서 공간적인 위상의 상관관계를 설명할 수 있다.

 

Young의 실험은 아래의 링크를 참고하면 좋을듯하다.

Young's interference experiment - Wikipedia