루비 레이저

루비 레이저는 휴즈연구소의 마이만(Theodore. H. Maiman)이 1960년 세계 최초로 개발한 가시광선 레이저이다.¹⁾ 인조 루비(ruby)로 만든 막대를 레이저 매질과 섬광 전구(flash tube)를 사용하는 루비 레이저는 주로 짙은 붉은색의 694.3nm의 파장에서 발진하는 펄스 레이저이다.

이 레이저는 1953년 미국의 컬럼비아 대학교의 타운스(C. H. Townes)와 당시 소련의 레베데프 연구소의 프로코로프(A. Prokhorow)와 바소프(N. G. Basov)가 독립적으로 개발한 마이크로파 영역의 메이저(maser)를 가시광선 영역으로 확장한 것이다. 이후 다양한 레이저가 개발되어 여러 분야에 적용되기 시작했다.

그림 1. 마이만(Theodore Maiman) (1964) ()

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메이저를 발명한 타운스는 숄로(Arthur L. Shawlow)와 함께 루비를 이용해서 적외선과 가시광선 영역의 광 메이저(optical maser)를 만들 수 있다고 예측했다.²⁾ 그러나 짧은 파장에서 작동하는 메이저를 만드는 일은 쉽지 않았다.

오래전부터 루비의 형광 현상을 연구하는 과정에서 크로뮴 이온(Cr³⁺)의 전자 구조에 대해 잘 알고 있었던 마이만이 마침내 루비 레이저의 개발에 성공했다.³⁾ 그는 알루미나 (Al₂O₃)에 0.05% 크로뮴 이온을 넣어서 만든 인조 루비 막대를 레이저 매질로 사용했다. 루비 레이저는 크로뮴 이온의 전자 상태들 사이에서 만들어지는 입자수 뒤바뀜과 자극 방출을 이용한다.

그림 2. 루비 레이저의 구조 ()

그림 2에 나와 있는 것처럼 루비 레이저는 크로뮴 이온을 포함한 인조 루비 막대를 나선형 모양의 섬광 전구로 둘러싼 구조로 되어 있다. 마이만은 섬광 전구로 매우 강한 가시광선을 내는 제논 방전등을 사용했다. 붉은색은 루비에 들어 있는 크로뮴 이온이 초록색과 푸른색을 흡수하기 때문에 나타난다.

루비 레이저는 삼 준위 레이저로, 그림 3은 그 에너지 도식을 보여준다. 크로뮴 이온은 섬광 전구에서 방출된 초록색과 파란색 가시광선을 흡수해 들뜬 전자 상태에 도달한 후에 이완 과정을 통해 빠르게 준 안정 전자 준위(metastable level)에 도달하여 입자수 뒤바뀜을 만든다. 이 준안정 전자 상태에서 바닥 상태로 자극 방출이 반복되는 과정에서 붉은색 단색광 레이저가 방출된다.

그림 3. 루비 레이저 에너지 준위 ()

그림 4. 루비 레이저의 부품 ()

그림 5. 공진기의 구조 ()

마이만은 루비 막대의 양쪽 끝을 서로 평행이 되도록 정밀하게 가공한 후에 표면에 은을 증착해서 공진기의 역할을 하도록 만들었고, 한쪽 면은 반투과성으로 만들어 강한 레이저 광이 외부로 방출된다.

현재 사용하는 레이저의 공진기에는 오목 거울을 사용한다.

루비 레이저는 의학 분야에서 문신이나 흉터를 제거하는 목적으로 사용하였다. 그러나 루비 레이저는 상대적으로 에너지 효율이 낮고, 세기가 약하고, 파장이 고정되어 있고, 냉각이 쉽지 않은 단점을 가지고 있다. 최근에는 효율적이고 사용이 편리한 색소 레이저와 네오디뮴 야그 레이저(Nd: YAG Laser), 아르곤 이온 레이저 등이 더 많이 사용되고 있다.

1. Maiman, T. H. 'Stimulated Optical Radiation in Ruby'. Nature, 187 4736, pp. 493-494 (1960).
2. Schawlow, A. L., and Townes, C. H., "Infrared and Optical Masers". Phys. Rev., 112, 1940-1949 (1958).
3. How the Laser Happened: Adventures of a Scientist by Charles H. Townes – Oxford University Press 1999 page 85–105.