얼마 전에 올라온 좋은 영상인데 이걸 베이스로 써 보려고 함.
children of a dead earth라는 우주 전투 게임에서는 레이저를 나름 현실적으로 만들어 볼 수 있음.
레이저는 light amplification by stimulated emission of radiation 의 약자인데 한국어로 번역하면 유도 방출에 의한 전자기 복사라는 뜻 정도 되겠음.
고등학교 물리나 화학 시간에 원자에는 대충 전자의 에너지 준위가 있어서 높은 데서 낮은 데로 떨어지면서 빛을 낸다라는 것을 배우는데, 레이저도 원리는 비슷함.
양자 역학을 고등학교 수준보단 더 깊게 배운다면 양자 동역학에 대해 배울 수 있는데, 대충 복잡한 수학을 해 보면 전자가 에너지를 흡수해서 더 높은 에너지 상태로 올라갔다가 내려갈 때 두 가지 형태가 있음.
1. 자발 방출: 전자가 들뜬 상태에서 붕괴함. 불꽃 반응, 발광 다이오드와 같은 원리임.
2. 유도 방출: 전자가 외부의 전자기장의 영향(빛이라던가)을 받고 붕괴함.
2번 유도 방출이 일어난다면 첫 번째 광자가 두 개의 광자를 만들고 두 개가 4개를 만들고... 해서 막대한 수의 광자를 만들어낼 수 있고 이게 유도 방출임.
대충 이 그림과 비슷하게 일어남. 자세한 건 위키피디아 참조.
유도 방출이 일어나면서 생기는 광자의 에너지는 한 개의 진동수만을 갖기 때문에(진동수 편차가 매우 작음. 자세한 건 페르미 황금률 참고) 빛을 집중하기 쉬움.
이 때 한 가지 문제가 있음. 흥분된 상태에 있는 전자가 많을수록 유도 방출이 잘 일어나고, 흡수가 덜 일어나는데, 이 때문에 에너지를 사용해서 더 높은 에너지를 가진 전자가 많을 때까지 계속 전자를 높은 에너지로 펌핑해줘야 함. 이걸 레이저에서는 population inversion이라고 함.
이 때 위 그림처럼 두 개의 상태만 있는 레이저를 생각해 보면 문제를 알 수 있음. 빛이 유도 방출되는 만큼 낮은 상태의 전자에 의해 흡수가 일어나서 외부에 아무런 빛을 내지 못할 것임. 열기관에 비유하자면 닫힌 계에서 뜨거운 쪽과 차가운 쪽이 열기관과 냉장고로 연결되어 있어서 뜨거운 쪽에 열을 가해줘도 열역학 법칙에 따라 외부에 어떤 일도 하지 못하는 상태가 되 버린 것임.(맞나?)
이렇게 2준위만을 사용하면 아무리 펌핑을 해도 흥분 상태 반, 바닥 상태 반을 유지하기 때문에, 레이저는 3준위나 4준위 레이저를 사용함.
3준위 레이저는 약간 더 높은 3번째 상태가 있는데, 세 번째 상태에서 2번째 상태로 전자가 붕괴하게 되면 2번째 상태의 수가 첫 번째 상태보다 많으므로 레이저를 얻을 수 있음.
이 방법은 잘 작동하지만, 높은 상태에 낮은 상태보다 좀 많은 원자가 있어야 하므로 약간 비효율적임. 대표적인 레이저로는 루비 레이저같은 게 있음.
4준위 레이저는 대부분의 원자를 낮은 상태로 유지할 수 있기 때문에 3준위 레이저보다 훨씬 효율적임.
대표적인 레이저로는 Nd-YAG 레이저가 있음.
이제 게임으로 레이저를 직접 설계해 보겠음.
일단 레이저를 펌핑할 아크 램프를 만들어줘야 함. 아크 램프 내부의 기체는 크립톤이나 아르곤, 제논 등을 사용한다는데 본인은 잘 몰라서 일단 크립톤을 씀.
다음으로 아크 램프의 재질
빛을 잘 통과시키고 고온에도 버티는 재료인 다이아몬드를 선택함.
거울 재질
거울은 방구석 거울이든 천체망원경 거울이든 대부분 은을 사용하므로 은을 선택해줌.
이제 광학 공진기를 설계해줘야 함.
광 공진기를 잘 설계해야 레이저의 M^2값이 잘 줄어들어서 더 좋은 품질의 레이저를 얻을 수 있음.
이 게임에서는 타원형 공진기를 사용하는데, 타원이 내부에 초점 2개를 가진다는 건 아마 다들 알고 있을 건데, 타원의 한 초점에는 아크 램프를, 다른 초점에는 레이저 이득 매질을 배치해서 아크 램프의 빛이 잘 전달되게 해야 됨.
복잡할 것 없이, 공진기를 거의 원형으로 매우 길게 만들어 줘야 되더라. 아마도 그게 가장 반사가 잘 일어나고, 아크 램프나 봉의 두께같은 요소도 고려해서 그런건가? 잘모르겠음.
레이저 이득 매질의 길이인 optical node는 적당히 10m 정도의 길이로 만들고 레이저 봉의 두께는 가장 얇게 만들면 됨.
output coupler는 투명한 fused quartz(석영유리인가) 로 해주고 냉각재는 아무거나(수소같은거) 해주면 됨.
대충 완성
frequency doubler는 이 자체만으로도 재미있어서 글 하나를 새로 파서 써야 될 정도이므로 자세히 설명은 안하겠지만, 고온에서 잘 버티고 효율도 좋은 silver galium selenide를 쓰면 된다고 함.
두 번째 frequency doubler 설치
이 비선형 광학 물질들은 방향에 매우 민감한 영향을 받기 때문에 적절한 방향으로 설치해줘야 높은 효율을 얻을 수 있고, 게임에서는 이걸 가로 세로 크기로 조절하는데, 이건 논문을 보고 있는 게 아니라면, 그냥 하나하나 검증해가면서 만드는 수 밖에 없음.
내부 온도를 최대한 올려서 라디에이터 효율을 높여주면 완성
근데 너무 약하다. 실제로는 이것보단 더 세야 하는데 데미지 모델링이 이상해서 수 기가와트 급 아니면 레이저가 더 약하더라
Little Junk Laser is a MEGAWATT Beast! - YouTube
Little Junk Laser is a MEGAWATT Beast!Episode 59#photonics #LaserIn this episode, a sub $30 dollar junk tattoo laser is torn right down, repaired and re-assembled into a bench-top instrument.Duri...www.youtube.com실제 레이저의 모습. 의료용 레이저라고 하는데 방금 전에 설계했던 게임 상의 레이저와 상당히 비슷함. 물론 게임 쪽이 훨씬 더 극단적이긴 하지만, 만들 수 있다는 게 어디겠음.
수정: 광 공진기가 길쭉할수록 좋은 이유: 표면적이 넓어서 열에 의한 공진기 왜곡이 분산되서 레이저 빔이 더 안정적임, 빔의 모드가 제한되어서 원하는 모드의 빔만을 얻을 수 있음.
CoaDE에서 레이저 어떻게 만져야할지 몰랐었는데 덕분에 잘 알고감여