*stripe-geometry：이중헤테로구조의 하위범주로 방출은 레이저길이를 따라 좁은 stripe 로 제한된다.
줄은 1 에서 10 ㎛ 폭을 갖는다. 초기 이중헤테로구조 레이저의 경우 엔 50 ㎛이상이었다. 추진전류가 좁은 영역에 제한되기 때문에 문턱전류가 낮아질 수 있다. 또한, 줄이 좁으면 좁을수록 레이저가 진동할수 있는 공간모드의 수를 줄일 수 있 고 이것은 빔의 질을 높이게 된다. 빔이 작은 점에 집중될 수 있으므로 정보를 다루는 분야, 즉 섬유광학에 유용하다.
활성영역 폭은 두 가지 기술로 제한될 수 있는데 하나는 이득가이드(gain guiding) 라고 하며 주입-전류밀도와 활성영역에서의 광학적 이득 변화에 의존한다. 또 하나는 굴절율 가이드(index
guiding)이라고 하며 활성영역의 평면에 굴절률 장벽(boundary)을 만드는 반도체 구성물의 변화에 의해 정의된다.
다이오드 레이저의 파장은 주로 구성물질의 밴드갭에 의존한다. GaAs 같은 두성분 으로 된 경우는 하나만이 가능하고 GaAlAs 처럼 세성분인 경우와 InGaAsP 처럼 네성분 인 경우는 그렇지 않다. 다양한 파장의 다이오드 레이저는 실제보다 제한된다. 첫째 이 유는 빛의 효율적 발생을 위해 필요한 direct-bandgap 에너지준위 구조가 없는 성분이 있고 이러한 indirect-direct-bandgap 물질은 레이저 다이오드로는 부적절하다.
각 혼합물의 파장은 다음과 같다.
*GaAs : 904 nm
*GaAlAs : 720∼900 nm
*InGaAs : 1060 nm
*InGaAsP : 1300∼1550 nm
[ 반도체 레이저의 에너지 준위 ] [ 반도체 레이저의 구조 ]
[ 반도체 레이저의 내부 구조 ]
[5. 자유전자 레이저 ( FEL )]
a. 원 리
∙ 공간 주기성을 갖는 자기장에 의해 사행운동을 하는 전자들로부터 증폭된 가간섭성 전자기파가 방출 b. 특 징
위글러(Wiggler or undulator)의 자기장 주기와 전자빔의 에너지 조절로 파장 가변 가능 (이론적으로 마이크로파에서 X-선 영역까지 발진가능)
높은 효율의 방사광 출력 ( 전자빔 에너지의 40% )
매질 손상이 없어서, 공진기만으로도 고출력 발진 가능 ( 1 GW )
[6. X 선 레이저 ( X-ray laser)]
a. 특 징
고해상도 (High-resolution)
Imaging and holography of living cells, Photolithography
고에너지 (High-energy)
Material research, Military application b. X 선 레이저 매질
H-like C, H-like F
Ne-like Se (20.63nm,20.96nm) Li-like Al, Li-like Cl
c. 파장 대역 4 - 30nm
[7. 원자 레이저 ]
97 년 1 월, MIT 의 물리학자들에 의해 광선이 아닌 원자의 빔을 쏘는 레이저가 만들 어졌다. 이들은 광학레이저빔의 중요한 속성인 "결맞음(coherence)"의 성질을 원자빔이 갖는다는 사실을 확증했다.
양자수준에서 이루어진 고도로 정밀한 측정의 놀라운 진보에 더해 원자레이저는 나 노테크놀러지 즉, 단일 원자 스케일로 구조나 기계를 만드는데 중요한 구실을 할 것으 로 기대되고 있다.
MIT 연구팀은 그들의 장치를 설명하면서 결맞음의 성질을 확인시켜주었는데 이는 그들이 진짜 원자레이저빔을 만들었다는 증거가 된다. 레이저빔의 가장 중요한 특성인 결맞음은 빛의
파면(wavefront)이 시간과 공간에서 예상대로 변한다는 의미를 갖는다. 따라서 보통광원, 예를 들어 백열전구에서 나오는 빛은 결맞는 빛이 아니어서 나중의 파면은 앞의 파면과 예상된 관계를 갖지 않는다.
1995 년 이후 과학자들은 원자레이저를 위한 중요한 배경이 되는 물질을 만들어왔다. 그것은 절대온도 10-9K 에서 원자기체의 집합인 보즈-아인슈타인 응축물(Bose- Einstein Condensate, BEC)이라는 특별한 상태의 물질이다.
1920 년 아인슈타인과 인도 물리학자 보즈는 충분히 밀도가 높은 입자들이 극저온에 있을 때, 어떤 조건에서, 모든 입자들이 단일한 양자상태가 되어 하나의 결맞는 파동처럼 행동한다는 사실을 증명했다.
이러한 사실은 원자들이 레이저와 같은 빔이 되기 위한 가장 중요한 요구조건에 해당된다. 하지만 지금까지는 실험적으로 이것을 증명하지 못 해왔다.
1 월 27 일자 <Physical Review>에서 MIT 의 Wolfgang Ketterle 와 동료들은 중력방향으로 떨어지는 나트륨 원자들의 BEC 로부터 일정한 비율의 원자를 뽑아내도록 만드는 "아웃풋 커플러"(output coupler)를 만들었다고 발표했고 중간에 <Science>지 1 월 31 일자에서 그들은 원자빔이 레이저빔과 비슷한 결맞음 성질을 갖는다는 것을 보였다. 이것은 BEC 가 원자레이저처럼 행동하는 것을 보이기 위한 가장 중요한 단계였다.
- MIT 장치의 특성과 원자빔의 생성
MIT 에서 만든 장치는 단일한 양자상태를 형성하는 결맞는 원자들의 파열을 만든다. 기존의 원자빔에서는 접근된 적이 없는 성과인데 빔에 있는 원자들은 많은 양자상 태에 걸쳐 존재하기
때문이다. 또한 대부분의 원자빔은 단순한 입자의 집합일 뿐이지만 MIT 의 원자빔은 레이저의 광파(light wave)와 같이 조작되고 조절될 수 있는 단일한 물질파로 행동한다.
[ 자기장은 원자레이저의 원천으로 사용된 나트륨 원자들을 가두었다. rf 복사의 짧 은 펄스들이 원자의 조절 가능한 부분을 튀어나오도록 만든다. 이러한 원자들은 중력에 의해 잡아당겨지는 빔을 형성했다. 초당 5 천 번의 비율로 새로운 펄스가 만들어졌다. 그림은 연속 적인 펄스들을 보여주고 있다. 굽어진 모양의 펄스들은 중력과 원자들 사이의 힘 때문에 형성된다. ]
실제로 이러한 물질파들은 작은파동(wavelet)으로 나누어지고 원자에 대한 미세한 정보를 제공하는 간섭패턴을 보여주면서 합쳐진다. 광레이저와 같이 MIT 의 원자레이저 는 여러 가지의 양자상태를 갖는 원자빔에 비교해서 강력하고 방향성이 있는 원자의 흐름을 준다는 의미에서 "밝다."(bright)
Ketterle 와 동료들은 그들의 "output coupler"가 나트륨원자로 이루어진 BEC 로부터 일정한 비율로 원자들을 뽑아낼 수 있도록 한다고 설명한다. 그들은 트랩(trap)의 자기장 속에 갖혀 있는 BEC 에 무선주파수복사(radiofrequency radiation)을 적용하여 원자들을 뽑아낸다. 이 output coupler 의 디스크 모양의 코일들은 시가(cigar)모양의 구름(cloud) 속에 수백만개의 원자(그림에서 작은 구모양)을 가두는 자기장을 만든다. 10-9까지 식혀 지고 충분히 높은 밀도로 모여있기 때문에 원자들은 BEC 를 형성한다.
이때 원자들은 집단적으로 단일한 양자상태에 놓이게 된다. 그렇게 만들어진 원자들은 원자레이저의 이상적인 원천이 된다.
Ketterle 는 원자레이저와 보통레이저의 차이를 다음과 같이 말하고 있다.
"포톤은 만들어질 수 있지만 원자는 만들어질 수 없다. 원자레이저의 원자개수는 증가될 수 없고, 증가되는 것은 낮은 에너지의 양자상태에 있는 원자개수이다. 반면에 다른 상태에 있는 원자수는
- 결맞는 원자빔
Ketterle 그룹은 원자빔이 중요한 파동적 성질을 갖는다는 것을 보여주었다. 빔 속의 원자는 매우 차갑기 때문에 원자와 관련된 미세한 파장들은 그것들의 파동적 성질이 잠 재적으로 검출될 수 있는 지점에서 증가한다. 실제의 원자 레이저빔은 결맞는 빔이고 원자파는 하나의 강한 파동을 이루는 방식으로 결합한다.
하나의 원자파는 직접 관찰될 수 없는 양자역학적 파동이지만 서로 간섭을 일으키면 밝고 어두운 무늬 패턴을 만들게 된다. 두 개의 원자파가 간섭할 때 하나의 파동을 만드는 원자는 다른 파동의 원자와 상쇄될 수 있다. Ketterle 는 다음과 같이 말한다.
"물질파가 상쇄간섭을 할 때, 마치 하나의 원자 더하기 하나의 원자는 0 의 원자를 만드는 것처럼 보인다. 하지만 물질은 파괴되지 않고 어디에선가 다시 나타난다. 그럼에도 불구하고, 분리된 원천에서 나오 는 원자의 간섭은 극적 현상(dramatic phenomenon)이다."
- BEC 의 결맞음
자기력과 광학적 힘을 사용하는 특별한 트랩으로부터 두 개의 독립적인 BEC 를 만듦으로써 결맞음이 관찰된다. 트랩이 열리면, BEC 는 떨어지고 퍼지면서 결국 오버랩된다. 그러한 오버랩된 영역에서 매우 선명한 간섭무늬가 전기카메라로 관측되었다. 이러 한 간섭무늬는 오직 BEC 의 원자들이 단일한 결맞는 파동을 형성했을 때 가능한 것이 다. 즉, 한쪽 BEC 의 전체적인 원자파가 다른 BEC 의 원자파와 함께 밝고 어두운 무늬 를 만들게 된다. MIT 그룹은 각 BEC 에 관련된 원자파가 30 마이크론의 파장을 갖는다 는 것을 계산했는데, 이러한 파장은 상온에 놓여있을 때 원자가 갖는 파장보다 백만배 나 큰 것이다.
[ BEC 의 RF output coupler ]
(a) 각각의 원자들은 트랩의 자기장 속에서 마치 작은 자석처럼 행동한다. 원자는 스핀을 갖기 때문에 자기장에 반응하므로 그림에서 원자들은 트랩의 중심방향으로 밀려가는 상태에 해당하는 모두 같은 스핀값을 갖는다.
(b) RF 복사의 짧은 펄스를 적용하면 조절 가능한 각으로 스핀을 기울게 만든다.
(c) 양자역학적으로 스핀을 기울인다는 것은 원자들이 자신의 스핀을 뒤바꿀 확률을 가지고 있다는 의미이다. 원자들의 일부분은 스핀을 뒤바꾸고 그것들에 미치는 자기력을 반대방향으로 향하도록 만든다. 결과적으로 원자들이 트랩을 벗어날 수 있고 BEC 는 갖혀진 "구름"과 갖혀지지 않은 구름으로 나뉜다.
(d) RF 복사의 펄스를 몇번 쪼여주면 연속적으로 떨어지는 원자레이저 펄스를 어느 정도 만들어낼 수가 있다. 이러한 구름들은 퍼지면서 중력에 의해 가속된다.
[그림: Figure courtesy of Massachusetts Institute of Technology]
- 원자레이저의 개선과제
원자레이저에 대한 연구는 이제 막 시작되었다. Ketterle 그룹은 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.
[ 간섭실험은 BEC 에서 유도된 두 원자레이저빔 사이에서도 이루어졌다. 원자레이저 빔 또한 결맞는 파동이라는 것을 증명하는 간섭무늬가 관찰되었다. ]
[8. 양자 우물(quantum well
)레이저 ]
최근, 학문의 세계에 머물러있던 양자론을 전자산업에 적용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 원자, 전자, 광자 등과 같은 미세물질의 세계인 양자세계의 현상과 법칙을 반도체, 레이저 기술 개발에 활용, 획기적인 진보를 달성하고자 하는 노력이 경주되고 있는 것이다. 실제로 반도체의 경우, 원자나 전자의 움직임 하나하나가 중요한 의미를 갖는 단계가 곧 다가올 것으로 과학자들은 보고 있다. 현재의 기술발전 속도에 비추어 오는 2010 년께면 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 깊이있게 연구되고 있는 것은 이른바 "양자점(quantum dot)"구조이다.
양자점은 개개의 전자를 담을 수 있는 미세공간으로 20nm 의 크기를 갖는다. 따라서 하나의 핀머리에 수십억개의 양자점을 올려놓을 수 있다. 과학자들의 궁극적인 핵심 연구과제는 양자점을 이용해
단일전자의 흐름에 따라 온/오프의 전기신호를 내는 트랜지스터를 제조하는 데 있다. 이 연구가 결실을 맺게 되면 반도체 제조방법에도 상상할 수 없는 변화가 이루어질 것이 확실하다. 반도체 용량은
기본적으로 트랜지스터의 집적도에 달려있다. 따라서 양자점을 이용한 초미세 트랜지스터의 개발은