레이저 물리학
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1. 개요
레이저 물리학은 레이저와 메이저의 이론 및 개발을 다루는 물리학의 한 분야이다. 알베르트 아인슈타인은 1917년 유도 방출에 대한 이론적 기초를 제시했고, 1950년대에 메이저가 개발되었다. 최초의 레이저는 1960년 테오도르 메이먼에 의해 시연되었으며, 레이저 및 메이저 관련 연구로 여러 과학자들이 노벨 물리학상을 수상했다.
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활성 레이저 매질은 레이저 발진을 가능하게 하는 다양한 형태의 물질로, 에너지 준위 전이를 통해 광학적 이득을 얻기 위해 인구 반전이 필요하며 펌프 주파수를 이용하여 에너지를 공급하고 신호 주파수에서 빛을 증폭시키는 과정을 거쳐 효율이 결정된다.
| 레이저 물리학 |
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2. 역사
레이저 과학은 실제 레이저 장치가 만들어지기 이전에 이론적으로 먼저 연구되었다. 알베르트 아인슈타인은 1917년 발표한 논문에서 유도 방출의 개념을 포함하여 레이저와 메이저의 이론적 기초를 세웠다.[2] 이러한 이론적 배경 위에서 여러 과학자들의 노력이 이어졌다.
유도 방출 현상은 1928년 루돌프 W. 라덴부르크에 의해 실험적으로 그 존재가 확인되었고[3], 1939년 발렌틴 A. 파브리칸트는 유도 방출을 이용한 빛의 증폭 가능성을 처음으로 제안했다.[4] 이후 1947년 윌리스 E. 램과 R. C. 레더퍼드가 유도 방출 현상을 실험적으로 시연했으며[3], 1950년 알프레드 카스틀러는 광 펌핑 방법을 제안하여 레이저 개발에 중요한 기여를 했다.[5]
마이크로파를 증폭하는 장치인 메이저의 이론은 1952년 니콜라이 바소프와 알렉산드르 프로호로프에 의해 제시되었고, 이듬해인 1953년 찰스 타운스, 제임스 P. 고든, 허버트 J. 자이거가 최초의 메이저를 제작하는 데 성공했다. 이러한 유도 방출 연구의 공로로 타운스, 바소프, 프로호로프는 1964년 노벨 물리학상을 공동 수상했다.
마침내 1960년 5월 16일, 휴즈 연구소의 테오도르 메이먼이 최초로 작동하는 레이저인 펄스 형태의 루비 레이저를 시연하는 데 성공했다.[7] 이후 레이저 물리학 분야는 지속적으로 발전하여, 아서 애슈킨, 제라르 무루, 도나 스트리클런드는 레이저 물리학 분야의 획기적인 발명으로 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.[6]
2. 1. 이론적 기초
레이저 과학은 레이저 자체의 발명보다 먼저 이루어졌다. 알베르트 아인슈타인은 1917년 논문을 통해 레이저와 메이저의 기초를 세웠다. 이 논문에서 그는 전자기 방사의 흡수, 자발 방출, 유도 방출에 대한 확률 계수(아인슈타인 계수)를 기반으로 한 형식을 사용하여 막스 플랑크의 복사 법칙을 재유도했다.[2]유도 방출의 존재는 1928년 루돌프 W. 라덴부르크에 의해 실험적으로 확인되었다.[3] 1939년 발렌틴 A. 파브리칸트는 유도 방출을 이용하여 빛을 증폭하는 데 필요한 조건을 명시하며 최초로 레이저의 가능성을 제안했다.[4] 1947년에는 윌리스 E. 램과 R. C. 레더퍼드가 수소 스펙트럼에서 겉보기 유도 방출을 발견하고 유도 방출 현상을 처음으로 시연하는 데 성공했다.[3] 1950년, 알프레드 카스틀러(1966년 노벨 물리학상 수상자)는 광 펌핑 방법을 제안했으며, 이는 2년 후 브로셀, 카스틀러, 윈터에 의해 실험적으로 증명되었다.[5]
마이크로파 증폭기인 메이저의 작동 원리를 설명하는 이론은 1952년 5월 소련의 니콜라이 바소프와 알렉산드르 프로호로프가 전연방 무선 분광학 회의에서 처음 발표했다. 이후 찰스 타운스, 제임스 P. 고든, 허버트 J. 자이거가 1953년 최초의 메이저를 제작했다. 타운스, 바소프, 프로호로프는 유도 방출 분야 연구에 대한 공로로 1964년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 또한 아서 애슈킨, 제라르 무루, 도나 스트리클런드는 레이저 물리학 분야에서의 획기적인 발명으로 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.[6]
2. 2. 메이저의 개발
알베르트 아인슈타인은 1917년 발표한 논문에서 전자기 방사의 흡수, 자발 방출, 유도 방출 개념을 설명하며 메이저의 이론적 기초를 마련했다.[2] 유도 방출의 존재는 1928년 루돌프 W. 라덴부르크에 의해 실험적으로 확인되었다.[3] 이후 1947년, 윌리스 E. 램과 R. C. 레더퍼드는 수소 스펙트럼 연구 중 겉보기 유도 방출 현상을 발견하고, 이를 통해 유도 방출을 처음으로 시연하는 데 성공했다.[3]메이저 개발에 중요한 단계인 광 펌핑 방법은 1950년 알프레드 카스틀러에 의해 제안되었다. 이 방법은 2년 후 브로셀, 카스틀러, 윈터에 의해 실험적으로 증명되었으며[5], 카스틀러는 이 업적으로 1966년 노벨 물리학상을 수상했다.
마이크로파 증폭 장치인 메이저의 구체적인 작동 원리는 1952년 5월, 소련의 물리학자 니콜라이 바소프와 알렉산드르 프로호로프가 '전연방 무선 분광학 회의'에서 처음으로 발표했다. 이 이론을 바탕으로 이듬해인 1953년, 미국의 찰스 타운스, 제임스 P. 고든, 허버트 J. 자이거가 세계 최초의 메이저를 제작하는 데 성공했다. 유도 방출 연구와 메이저 개발에 기여한 공로를 인정받아 타운스, 바소프, 프로호로프는 1964년 노벨 물리학상을 공동으로 수상했다.
2. 3. 레이저의 발명
레이저 과학은 실제 레이저 장치가 발명되기 이전부터 이론적으로 연구되어 왔다. 알베르트 아인슈타인은 1917년 발표한 논문에서 전자기 방사의 흡수, 자발 방출, 그리고 유도 방출이라는 세 가지 과정에 대한 확률 계수(아인슈타인 계수)를 도입하여 막스 플랑크의 복사 법칙을 새롭게 유도했는데, 이는 레이저와 메이저 작동 원리의 기초가 되었다.[2] 이후 1928년, 루돌프 W. 라덴부르크는 실험을 통해 유도 방출 현상이 실제로 존재함을 확인했다.[3]1939년에는 발렌틴 A. 파브리칸트가 유도 방출을 이용하여 빛을 증폭시키는 데 필요한 조건을 구체적으로 명시하며 최초로 레이저의 개념을 제안했다.[4] 1947년에는 윌리스 E. 램과 R. C. 레더퍼드가 수소 스펙트럼을 연구하던 중 유도 방출 현상을 관측하고 이를 처음으로 실험적으로 시연하는 데 성공했다.[3] 1950년에는 알프레드 카스틀러가 광 펌핑이라는 방법을 제안했고, 이 방법은 2년 뒤 브로셀, 카스틀러, 윈터에 의해 실험적으로 검증되었다. 카스틀러는 이 연구 업적으로 1966년 노벨 물리학상을 수상했다.[5]
레이저의 전신이라고 할 수 있는 마이크로파 증폭 장치, 즉 메이저의 작동 원리는 1952년 5월, 소련의 니콜라이 바소프와 알렉산드르 프로호로프가 처음으로 상세히 설명했다. 이 이론을 바탕으로 1953년 미국의 찰스 타운스, 제임스 P. 고든, 허버트 J. 자이거가 최초의 메이저 장치를 제작했다. 유도 방출 분야 연구에 기여한 공로로 타운스, 바소프, 프로호로프는 1964년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 이후에도 레이저 물리학 분야에서는 중요한 발전이 이어져, 아서 애슈킨, 제라르 무루, 도나 스트리클런드는 획기적인 레이저 기술 발명으로 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.[6]
마침내 최초로 작동하는 레이저는 1960년 5월 16일, 미국 캘리포니아주에 위치한 휴즈 연구소에서 테오도르 메이먼에 의해 성공적으로 시연되었다. 그가 만든 레이저는 펄스 형태로 작동하는 루비 레이저였다.[7]
2. 4. 노벨상 수상
찰스 타운스, 니콜라이 바소프, 알렉산드르 프로호로프는 유도 방출 분야의 연구로 1964년 노벨 물리학상을 수상했다. 아서 애슈킨, 제라르 무루, 도나 스트리클런드는 레이저 물리학 분야의 획기적인 발명으로 2018년 노벨 물리학상을 수상했다.[6]참조
[1]
서적
Introduction to laser science and engineering
CRC Press, Taylor & Francis Group
2020
[2]
논문
Zur Quantentheorie der Strahlung
[3]
간행물
Laser Materials Processing
W. M. Steen
1998
[4]
웹사이트
Il rischio da laser: cosa è e come affrontarlo; analisi di un problema non così lontano da noi
http://wwwold.unimib[...]
2007-01-01
[5]
웹사이트
The Nobel Prize in Physics 1966
http://nobelprize.or[...]
2010-10-17
[6]
웹사이트
The Nobel Prize in Physics 2018
https://www.nobelpri[...]
Nobel Foundation
2018-10-02
[7]
웹사이트
The first laser
http://www.press.uch[...]
University of Chicago
2010-10-17
[8]
서적
Introduction to Laser Science and Engineering
https://www.taylorfr[...]
CRC Press
2021-01-25
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