레이저물리학의 기초

목차

1. Laser의 이론과 원리
2. 고체 레이저(solid-state laser)
3. 기체레이저
4. 액체 레이저
5. 반도체 레이저
6. 원자레이저
7. 양자우물 레이저

본문내용

름으로 나뉜다.
(d) rf 복사의 펄스를 몇번 쪼여주면 연속적으로 떨어지는 원자레이저 펄스를 어느정도 만들 어낼 수가 있다. 이러한 구름들은 퍼지면서 중력에 의해 가속된다.
[그림: Figure courtesy of Massachusetts Institute of Technology]
- 원자레이저의 개선과제
원자레이저에 대한 연구는 이제 막 시작되었다. Ketterle그룹은 이미 그들이 만든 장치를 개선할 준비를 하고 있다. 예를 들어, 현재 원자레이저는 중력방향으로 떨어지는 빔만을 만들어낸다. 앞으로의 단계는 현재의 도구와 "원자거울"(atomic mirror)을 결합 시켜 원자빔이 다른 방향으로 진행할 수 있도록 만드는 것이다. 여기서 "원자거울"은 광학적 혹은 자기적 힘을 이용해 원자빔의 방향을 결정할 수 있도록 하는 장치를 말한 다. 또, 현재 원자빔은 트랩에서 나올 때 회절하거나 퍼진다. 앞으로의 디자인은 그러한 회절효과를 감소시킬 수 있도록 만들어져야 한다. 마지막으로, 현재 디자인은 오직 원자 의 "폭발"만을 만든다. (즉 펄스모드로만 동작한다.) 앞으로의 과제는 연속적인 빔을 만 드는 것이다.
그림 24) BEC는 마치 파동처럼 간섭을 일으킨다.
그림 25) 간섭실험은 BEC에서 유도된 두 원자레이저빔 사이에서도 이루어졌다. 원자레이저 빔 또한 결맞는 파동이라는 것을 증명하는 간섭무늬가 관찰되었다.
7. 양자우물 레이저
최근, 학문의 세계에 머물러있던 양자론을 전자산업에 적용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 원자,전자,광자 등과 같은 미세물질의 세계인 양자세계의 현상과 법칙 을 반도체, 레이저 기술 개발에 활용, 획기적인 진보를 달성하고자 하는 노력이 경주되 고 있는 것이다. 실제로 반도체의 경우, 원자나 전자의 움직임 하나하나가 중요한 의미 를 갖는 단계가 곧 다가올 것으로 과학자들은 보고 있다. 현재의 기술발전 속도에 비추 어 오는 2010년께면 반도체 회로선폭이 0.1 마이크론 수준에 도달할 전망이기 때문이다. 이 수준에 도달하면, 각각 극소수 전자의 움직임이 전기신호로 나타나게돼 전자 하나를 더하거나 빼는 데 따라 전기신호 자체가 달라질 수 있기 때문이다. 반도체 제조업체들 이 양자의 세계에 관심을 갖게 되는 것도 바로 이 때문이다. 이와 관련해 현재 깊이있 게 연구되고 있는 것은 이른바 "양자점(quantum dot)"구조이다.
양자점은 개개의 전자를 담을 수 있는 미세공간으로 20nm의 크기를 갖는다. 따라 서 하나의 핀머리에 수십억개의 양자점을 올려놓을 수 있다. 과학자들의 궁극적인 핵심 연구과제는 양자점을 이용해 단일전자의 흐름에 따라 온/오프의 전기신호를 내는 트랜 지스터를 제조하는 데 있다. 이 연구가 결실을 맺게되면 반도체 제조방법에도 상상할 수 없는 변화가 이루어질 것이 확실하다. 반도체 용량은 기본적으로 트랜지스터의 집적 도에 달려있다. 따라서 양자점을 이용한 초미세 트랜지스터의 개발은 반도체 용량의 폭 발적 증대로 이어지고 더 나아가 초미세 슈퍼컴퓨터의 개발을 가능케 할 것으로 기대되 기 때문이다. 이같은 기대는 학계나 과학계는 물론 상업성을 추구하는 기업들에게도 커 다란 영향을 미쳐 양자세계에 대한 연구를 촉진시키는 원동력이 되고 있다. 텍사스 인 스트루먼츠, 아이비엠, 휴렛펙커드, 모토롤라등 세계적으로 내노라하는 기업들이 대거 장기적인 안목을 갖고 이 분야연구에 나서고 있다.
이들 역시 연구의 초점은 양자효과에 부합하도록 미세한 전자의 움직임을 제어하는 기술개발인데, 양자점 구조가 그것을 가능하게 할 것으로 예상하고 있다. 일정한 성질을 갖춘 원자로부터 양자점 구조를 형성하게 되면 이 구조내에 전기전도 기능을 하는 자유 전자를 가둘 수 있고, 또 이 자유전자는 외부에서 에너지의 충격을 가하지 않는 한 구 조 내에서 벗어날 수 없다. 이 원리를 활용해 현재 개발되고 있는 것 중의 하나가 양자 우물(quantum well)레이저이다.
양자우물 레이저는 서로 다른 물질층 사이에 얇은 반도체 물질층을 형성하는 방법 으로 만들어진다. 양자우물에 갇힌 전자는 양방향으로만 움직이는 특성을 갖게되며, 그 결과 적은 동력을 소모하고도 기존의 레이저에 비해 더 많은 빛의 생성을 가능하게 한 다. 벨연구소의 경우 여기서 한걸을 더 나아가 전자의 양방향 이동을 단방향화해 빛의 생성량을 더욱 증가시킨 양자선(quantum wire) 레이저를 연구하고 있다. 양자선 레이저 가 개발되면 통신분야에 획기적인 기술발전을 가져올 것으로 전망되는데, 현재 통신선 로상에서 레이저 펄스를 재생하기 위해 일정한 간격으로 배치하고 있는 값비싼 중계기 수를 훨씬 줄일 수 있기 때문이다.
과학자들은 궁극적인 목표인 양자점 구조형성이 가능해지면 이같은 양자선보다도 더 많은 기술상의 진보가 이루어질 것으로 기대하고 있다. 전자제어가 면(양자우물)에서 선(양자선), 점(양자점)의 단계에서 이루어질수록 그 효과가 크기 때문이다. 그러나 기 술상의 어려움 때문에 아직까지 양자점 레이저는 개발이 이뤄지지 않고 있는 상태다. 현재 시도되고 있는 양자점 구조형성 방법은 반도체에 기둥을 새기는 것과 상단부에 양 자점 클러스터를 증착시키는 것등 크게 두가지로 볼 수 있다. 뉴욕주립대 연구진은 이 같은 방법으로 양자점 구조의 메모리칩 샘플을 만드는데 성공했다. 이 메모리칩은 이론 적으로는 1 테라비트의 데이터까지 저장하는 것이 가능하다. 양자기술을 기반으로 하는 기기들은 초저온 상태에서 작동하면서 미세한 열변화에도 제기능을 못한다는 것이 그동 안의 과제였다. 그러나 이 문제도 최근들어 스텐퍼드 대학의 전자기술연구소가 상온에 서 작동하는 단일전자 트랜지스터의 제작에 성공, 해결의 실마리를 잡았다. 그러나 여전 히 많은 문제가 남아있다. 속도변경이 느리고 표류전자에 의해 단일전자가 계획된 경로 에서 이탈하는 것 등의 문제가 해결되지 않고 있는 것이다. 현재 이에 대한 해결방안이 다각도로 모색되고 있으나 활용 가능한 방안을 찾기까진 상당한 시일이 걸릴 것 같다. 그러나 양자점 구조의 반도체 개발로 핀크기의 슈퍼컴 제작등 전자산업의 새로운 전환 기가 도래할 수 있을 것으로 기대된다.

키워드

레이저물리학,   Laser이론,   전자준위,   진동준위,   회전준위