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릴투릴 오디오 테이프 레코딩 기술
더 정교한 시스템, 특히 전문가용 시스템은 종종 여러 개의 분리되어 있지만 인접한 헤드를 갖추고 있다. 예를 들어 녹음용 헤드 하나, 재생용 헤드 하나, 테이프 지우기(자성 제거)용 헤드 하나를 사용하는 3헤드 시스템이 있다. 일부는 별도의 트랙이나 녹음 및 재생의 반대 방향을 위해 여러 개의 녹음 및 재생 헤드를 가질 수도 있다.
녹음 헤드를 가로질러 테이프를 구동하는 두 가지 기본 시스템인 스풀 드라이브와 캡스턴 드라이브가 개발되었다.
대부분의 테이프 레코더는 전동 캡스턴, 즉 회전하는 금속 샤프트 또는 스핀들과 더 큰 고무 아이들러 롤러(핀치 휠 또는 핀치 롤러라고 불림) 사이에 테이프를 집어넣고 당겨서 테이프를 움직인다. 이렇게 하면 테이프가 녹음 헤드를 가로지르는 동안 양쪽 릴에 감긴 테이프 양에 관계없이 테이프 속도가 일정하게 유지된다. 동시에, 모터는 테이크업 릴을 회전시켜 테이프가 녹음 헤드를 떠날 때 테이프를 감고 스풀에 감는다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 기술
테이프의 장력을 유지하고 곧게 펴며 기계에 엉키지 않도록 공급 릴에 아주 약간의 저항이 가해진다. 기계식 클러치, 제동기 또는 다른 모터가 이 저항을 제공하는 데 사용되었다. 대부분의 기계에서 재생 후 테이프를 공급 릴로 다시 감는 데 모터가 사용된다.
특히 전문가용으로 제작된 더 정교한 시스템은 여러 개의 모터, 예를 들어 각 릴에 별도의 모터를 사용하고 세 번째 모터는 캡스턴 구동에만 사용하는 3모터 시스템을 갖추고 있다. 이러한 시스템은 간접적인 연결로 인한 테이프 속도의 기계적 변동을 최소화하기 위해 모터 샤프트가 캡스턴에 직접 연결될 수 있으며, 이러한 시스템을 직접 구동(direct drive)이라고 한다.
아주 초창기 또는 저렴한 테이프 레코더는 테이프 감는 릴을 회전시키는 것만으로 테이프를 움직였다. 이 단순화된 디자인은 모터 하나만 필요로 한다. 이러한 배열은 가변적인 테이프 속도를 초래한다. 전동 감는 릴에 테이프가 쌓이면 테이프 뭉치의 지름이 점차 증가하여 녹음 헤드를 가로지르는 테이프를 점점 더 빠르게 당기게 된다. 특정 상황에서는 녹음 속도와 다른 속도로 재생될 수 있으며, 특히 테이프가 일반적인 고정 속도 테이프 레코더에서 재생될 경우 왜곡된 소리를 유발할 수 있다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
일반적으로 속도가 빠를수록 재생 품질이 향상된다. 높은 테이프 속도는 신호를 더 많은 테이프 영역에 종방향으로 분산시켜 매체에서 들릴 수 있는 드롭아웃 효과를 줄이고, 고주파 응답을 현저히 개선한다. 느린 테이프 속도는 테이프를 절약하며 음질이 중요하지 않은 응용 분야에 유용하다.
초당 인치 또는 in/s 단위는 IPS로도 약칭된다. 3+3⁄4 in/s와 7+1⁄2 in/s는 릴투릴 테이프의 상업용 녹음물 소비자 시장 출시에 사용된 속도이다(대부분). 3+3⁄4 in/s는 8트랙 카트리지에도 사용되는 속도이다. 1+7⁄8 in/s는 콤팩트 카세트에도 사용되는 속도이다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
1950년대 초 빙 크로스비 엔터프라이즈, RCA, 영국방송공사의 베라와 같은 회사에서 개발된 일부 초기 선형 비디오 테이프 레코딩 시스템 프로토타입에서는 많은 양의 이미지 정보를 적절하게 캡처하기 위해 테이프 속도가 200 in/s (510 cm/s) 이상으로 극히 높았다. 높은 선형 테이프 속도의 필요성은 1956년 Ampex가 전문가용 쿼드러플렉스 비디오테이프 시스템을 도입하면서 사라졌다. 이 시스템은 4개의 개별 비디오 헤드가 가장자리에 장착된 수직으로 회전하는 헤드휠(횡단 스캐닝이라는 기술)을 통해 테이프 폭을 가로질러 고속으로 여러 트랙을 기록(및 재생)하여 텔레비전 이미지의 필드를 분할함으로써 선형 테이프 속도를 훨씬 느리게 할 수 있었다. 결국, 횡단 스캐닝은 나중에(그리고 덜 비싼) 헬리컬 스캔 기술로 보완되었는데, 이는 수직이 아닌 거의 수평면에 회전하는 헤드에 의해 테이프 폭을 가로질러 훨씬 낮은 각도로 기록된 헬리컬 기록 트랙당 전체 비디오 필드를 기록할 수 있었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
테이프에 녹음된 것이 스튜디오 품질일지라도 테이프 속도는 디지털 녹음을 제한하는 비트레이트와 마찬가지로 제한 요소이다. 아날로그 오디오 테이프의 속도를 줄이면 주파수 응답의 선형성이 균일하게 감소하고, 배경 소음(히스)이 증가하며, 자기 테이프의 결함으로 인해 들릴 수 있는 드롭아웃이 더욱 두드러지고, (가우스) 배경 소음 스펙트럼이 저주파 쪽으로 이동한다.
자기 오디오 테이프에 녹음된 데이터는 순차적으로 접근된다. 한 지점에서 다른 지점으로 건너뛰어 편집하는 것은 시간이 많이 걸릴 뿐만 아니라, 편집은 파괴적이다. 원본의 75-90% 품질을 보존하기 위해 편집 전에 녹음물을 복사하지 않는 한, 일반적으로 복사하는 데 같은 시간이 소요된다.
편집은 면도날로 테이프를 물리적으로 잘라 금속 스플라이싱 블록에 이어 붙이는 방식(영화 필름 편집과 유사)이나, 전자적으로 세그먼트를 편집 테이프에 더빙하는 방식으로 이루어진다. 전자는 녹음의 완전한 품질을 보존하지만 원본은 손상시키고, 후자는 원본 테이프를 완전 복사할 때와 동일한 품질 손실이 발생하지만 원본은 보존된다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
테이프 속도는 녹음 품질에 영향을 미치는 유일한 요소가 아니다. 품질에 영향을 미치는 다른 요소로는 트랙 폭, 산화물 조성, 지지 재료 및 두께가 있다. 레코더의 설계 및 품질 또한 중요한 요소이다. 기계의 속도 안정성(와우앤플러터), 헤드 갭 크기, 헤드 품질, 전반적인 헤드 설계 및 기술, 그리고 기계의 기계적 정렬이 녹음 품질에 영향을 미친다. 테이프 장력 조절은 테이프와 헤드 사이의 접촉에 영향을 미치며 고주파수 녹음 및 재생에 상당한 영향을 미친다. 클리프 효과로 인해 이러한 모든 성능 요소는 디지털 녹음보다 아날로그 녹음에서 품질에 더 직접적으로 매핑된다.
트랙 폭은 SNR을 제어하는 두 가지 주요 기계적 요인 중 하나이며, 다른 하나는 테이프 속도이다. S/N비는 테이프 노이즈의 가우스 특성 때문에 트랙 폭에 직접적으로 비례한다. 트랙 폭을 두 배로 늘리면 SNR도 두 배가 된다. 좋은 전자 장비와 비교 가능한 헤드를 사용하면 8트랙 카트리지는 같은 속도(33⁄4 ips)에서 쿼터 트랙 1⁄4" 테이프의 신호 대 잡음비의 절반을 가져야 한다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
테이프 조성은 자기 신호, 특히 고주파수의 유지, 테이프의 주파수 선형성, SNR 및 최적 AC 바이어스 레벨에 영향을 미친다.
지지체 재료 유형 및 두께는 테이프의 인장 강도와 탄성에 영향을 미치며, 이는 와우앤플러터 및 테이프 늘어짐에 영향을 준다. 늘어난 테이프는 피치 오류가 있을 수 있으며, 이는 변동될 수도 있다. 지지체 재료는 오디오 품질과 관련 없는 품질 측면에도 영향을 준다. 일반적으로 저렴한 테이프에는 아세테이트가 사용되며, 더 비싼 테이프에는 마일라가 사용된다. 아세테이트는 마일라가 견딜 수 있는 조건에서도 늘어날 수 있지만 파손되는 경향이 있다. 산화물 바인더의 품질 또한 중요한데, 오래된 테이프에서는 산화물과 지지체가 분리되는 경우가 흔했기 때문이다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 테이프 속도
1980년대에 일부 제조업체는 폴리우레탄과 폴리에스터를 백킹 재료로 혼합한 특정 테이프 제형을 생산했는데, 이는 보관 중 수십 년 동안 습기를 흡수하여 부분적으로 열화되는 경향이 있었다. 이 문제는 보관된 테이프가 개봉되어 재생이 필요할 때, 아마도 10년 또는 그 이내의 기간이 지난 후에야 발견되었다. 이러한 열화는 백킹 재료를 부드럽고 끈적하게 만들어 재생기의 테이프 가이드와 헤드를 빠르게 막았다. 이 현상은 끈적거림 증후군으로 알려져 있으며, 테이프를 저온에서 몇 시간 동안 구워서 건조시키는 것으로 일시적으로 역전될 수 있다. 복원된 테이프는 며칠 또는 몇 주 동안 정상적으로 재생될 수 있지만, 결국 다시 열화된 상태로 돌아간다.
프린트스루, 즉 릴에 감긴 테이프의 인접한 층들이 서로로부터 약한 자기 신호 복사본을 받아들이는 현상. 아날로그 테이프의 프린트스루는 재생 시 의도치 않은 프리 에코와 포스트 에코를 유발하며, 일단 발생하면 일반적으로 제거할 수 없다. 전문적인 하프 트랙 사용에서는 포스트 에코가 프리 에코보다 덜 문제가 된다고 여겨지는데, 에코가 신호 자체에 의해 크게 가려지기 때문이며, 따라서 장기간 보관되는 테이프는 재생 전에 테이프를 공급 스풀로 먼저 되감을 필요가 있는 꼬리 바깥쪽으로 보관된다.
오디오 노이즈 감소 기술은 아날로그 사운드 녹음의 신호 대 잡음비와 동적 범위를 높이기 위해 개발되었다. 돌비 노이즈 감소는 전문가용 및 소비자용 녹음을 위한 일련의 표준(A, B, C, S 및 SR로 지정됨)을 포함한다. 돌비 시스템은 녹음 및 재생 시 주파수 의존적인 압축 및 확장(압신)을 각각 사용한다. 처음에는 돌비가 레코더와 앰프 사이에 설치되는 독립형 상자로 제공되었다. 나중에는 레코더에 돌비가 포함되는 경우가 많았다. DBX는 더 공격적인 압신 기술을 사용하여 동적 범위와 노이즈 레벨을 모두 개선하는 또 다른 노이즈 감소 시스템이다. 그러나 많은 돌비 시스템과 달리 DBX 녹음은 비 DBX 장비에서 재생할 때 만족스러운 소리를 내지 않는다.
1970년대 후반에는 독일 텔레풍켄(Telefunken)에서 만든 High Com NR 시스템도 있었는데, 이는 약 25dB의 다이내믹스 이득을 생성하고 돌비 B를 능가했지만 널리 채택되지는 않았다. High Com은 더 정교한 카세트 데크에 주로 다양한 돌비 시스템과 함께 포함되었다.
돌비 B는 결국 콤팩트 카세트 노이즈 감소를 위한 가장 인기 있는 시스템이 되었고 돌비 SR은 전문 아날로그 테이프 녹음에 널리 사용되었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 멀티트랙 레코더
스튜디오 오디오 제작 기술이 발전함에 따라 개별 악기와 사람의 목소리를 따로 녹음하여 나중에 하나, 둘 또는 그 이상의 스피커 채널로 믹싱하는 것이 바람직해졌다. 개별 트랙은 나중에 언제든지 다른 위치에서 녹음할 수 있다.
결국 8트랙, 16트랙, 24트랙, 심지어 32트랙 릴투릴 레코더가 제작되었으며, 여러 헤드가 동기화된 병렬 선형 트랙을 녹음했다. 이 기계 중 일부는 세탁기보다 컸고 2 인치 (51 mm) 너비의 테이프를 사용했다.
더 많은 트랙이 필요한 경우, 1970년대 중반부터는 고급 서보 제어 기계를 사용하여 두 대(또는 그 이상)의 레코더를 동기화하여 단일 대형 레코더처럼 작동하도록 할 수 있었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 디지털 릴투릴
전문 오디오가 아날로그 자기 테이프에서 디지털 미디어로 발전함에 따라 엔지니어들은 자기 테이프 기술을 디지털 녹음에 적용하여 디지털 릴투릴 자기 테이프 기계를 생산했다. 대용량 하드 디스크가 하드 디스크 레코더를 실행 가능하게 만들 만큼 경제적이 되기 전에는 스튜디오 디지털 녹음은 디지털 테이프에 녹음하는 것을 의미했다. 미쓰비시 그룹의 ProDigi와 소니그룹의 Digital Audio Stationary Head (DASH)는 1980년대 초부터 1990년대 중반까지 녹음 스튜디오에서 사용된 주요 디지털 릴투릴 형식이었다. Nagra는 영화 사운드 녹음에 사용하기 위해 디지털 릴투릴 테이프 레코더를 도입했다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 디지털 릴투릴
Mincom 사업부는 테이프 미디어 라인과 M 시리즈의 멀티트랙 및 2트랙 기기로 가장 잘 알려진 전문가용 아날로그 레코더를 보유하고 있었으며, BBC와의 2년간의 공동 연구를 포함하여 디지털 녹음 시스템 개발에 수년을 보냈다. 그 결과 3M 디지털 오디오 마스터링 시스템이 탄생했는데, 이는 1인치 테이프를 사용하는 32트랙 데크(16비트, 50kHz 오디오)와 1/2인치 마스터링 레코더 4트랙으로 구성되었다. 3M의 32트랙 레코더는 1978년에 115,000달러였다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 디지털 릴투릴
디지털 릴투릴 테이프는 배경 잡음(히스), 고주파 롤오프, 와우 앤 플러터, 피치 오류, 비선형성, 프린트 스루, 복사로 인한 품질 저하 등 아날로그 테이프의 모든 전통적인 품질 제한을 없앴지만, 테이프 미디어는 전문가용 아날로그 오픈 릴 테이프보다 훨씬 비쌌고, 테이프의 선형적 특성은 여전히 접근에 제한을 두었으며, 특정 지점을 찾기 위한 감기 시간은 여전히 상당한 단점이었다. 또한, 디지털 테이프의 품질은 테이프 사용에 따라 점진적으로 저하되지는 않았지만, 테이프가 헤드와 가이드를 물리적으로 미끄러지는 것은 테이프가 여전히 마모된다는 것을 의미했고, 결국 그 마모는 디지털 오류와 영구적인 품질 손실로 이어질 수 있었고, 이는 그 시점에 도달하기 전에 테이프를 복사하지 않으면 발생했다.
디지털 테이프 형식에서 사용되는 극히 짧은 파장은 테이프 및 테이프 전송의 청결이 중요한 문제임을 의미했다. 먼지나 이물질은 신호 파장에 비해 충분히 커서 이러한 오염으로 인해 녹음물을 재생할 수 없게 될 수 있었다. 시스템이 작동 불가능했을 고도의 디지털 오류 수정 시스템은 제대로 관리되지 않은 테이프나 레코더에는 여전히 대처하지 못했으며, 이러한 이유로 디지털 릴투릴 레코더 초기에 만들어진 많은 테이프는 이제 쓸모없게 되었다.
수년에 걸쳐 DAT와 같은 카세트 기반 테이프 녹음 형식과 테이프 없는 녹음 기술이 발전하면서 디지털 릴투릴 오디오 녹음은 이제 구식이 되었지만, 많은 애호가들이 여전히 장비를 유지 관리하고 사용하고 있다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 악기로서
초기 릴투릴 사용자들은 테이프 조각을 이어 붙이고 재생 속도나 녹음 방향을 조절하여 테이프를 조작하는 방법을 배웠다. 현대 키보드가 샘플링 및 다른 속도로 재생을 허용하는 것처럼, 재능 있는 사용자에게 릴투릴 레코더는 유사한 작업을 수행할 수 있었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 악기로서
1940년대 후반, 레스 폴은 아내이자 보컬인 메리 포드를 반주하는 자신의 솔로 기타로 가상의 댄스 밴드나 재즈 앙상블을 만드는 실험을 시작했다. 이는 핑퐁 레코딩 또는 오버더빙을 사용하여 여러 번 다른 테이프 기계로 넘기면서 이전에 녹음된 트랙 위에 새로운 보컬 또는 악기 파트를 겹치는 방식이었다. 과거에 축음기 음반을 사용하여 이 작업이 이루어졌지만, 그 과정은 번거로웠고 한두 번 오버더빙한 후에는 오디오 품질이 저하되었다. 어떤 실수라도 있으면 음반을 폐기해야 했지만, 테이프는 재사용할 수 있었다. 자기 테이프 녹음을 통해 폴은 기타를 녹음하는 동안 테이프 속도를 조작하여 악기 소리를 더 높은 또는 더 낮은 옥타브로 이동시킬 수 있었다. 그는 분위기를 향상시키거나 특수 효과를 만들기 위해 테이프 에코를 사용했다. 폴과 메리 포드는 이러한 기술을 사용하여 다음 20년 동안 많은 인기 있는 녹음물을 제작했다. 그들의 가장 유명한 곡 중 하나는 "How High the Moon"이었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 악기로서
1958년, 로스 배그더세리언, 일명 데이비드 세비야는 자신의 목소리를 일반 속도의 절반으로 녹음하여 일반 속도로 재생할 때 음높이를 한 옥타브 높여 초기 로큰롤 노벨티 곡인 마녀 의사를 만들었다. 그는 나중에 동일한 기술과 자신의 목소리를 세 번 오버더빙하여 더 칩멍크스를 만들었다. 쉐브 울리, 사샤 벌랜드, 레이 스티븐스와 같은 많은 다른 노벨티, 코미디, 어린이 음반 제작자들도 이후 이 과정을 사용했다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 악기로서
비틀즈는 릴투릴 테이프를 창의적인 도구로 사용하여 많은 노래를 녹음했다. 예를 들어 "Being for the Benefit of Mr. Kite"와 "Yellow Submarine"은 스톡 녹음물을 잘라내어 무작위로 이어 붙이고 오버더빙하여 노래에 삽입했다("Mr. Kite"에서는 칼리오페 오르간 녹음, "Yellow Submarine"에서는 마칭 밴드 녹음).:168 "Mr. Kite"에는 조지 마틴과 존 레논이 연주한 두 대의 오르간이 등장하는데, 이는 의도된 것보다 한 옥타브 낮게, 절반 속도로 연주되어 나중에 테이프 기계에서 속도를 높여 소용돌이치는 오르간 소리를 만들 수 있도록 했다.:90 "Tomorrow Never Knows"가 만들어지기 전, 폴 매카트니는 테이프 기계에서 지우기 헤드를 제거하면 테이프가 매번 루프를 돌면서 계속해서 같은 테이프에 녹음되어 레이어드된 녹음이 만들어진다는 것을 발견했다. 그는 자신의 발견을 밴드와 공유했고, 그들 모두는 음반을 준비하기 위해 자신만의 루프를 녹음하기 시작했다.:80 "Tomorrow Never Knows"에서는 여러 대의 테이프 기계가 상호 연결되어 밴드가 준비한 테이프 루프를 재생했다. 루프는 거꾸로 재생되거나, 속도가 빨라지거나 느려졌다. 노래를 녹음하기 위해 서로 다른 방에 위치한 테이프 기계들은 기술자들에 의해 조작되었고, 즉석에서 녹음하기 위해 함께 재생되었다.:113 "Lovely Rita"에는 조지 마틴의 와우 효과가 등장하는데, 그는 테이프 레코더의 캡스턴에 아주 작은 편집 테이프 조각을 붙여서 이 효과를 만들었다. 이것은 테이프가 헤드를 지나갈 때 약간 늘어나게 하여 피치와 속도가 흔들리게 함으로써 원하는 오래된 테이프 소리를 만들었다.:96 "Strawberry Fields Forever"는 노래의 두 가지 다른 테이프 버전을 결합했다. 두 버전은 독립적으로 속도가 변경되어 놀랍게도 피치와 템포 모두에서 함께 맞춰졌다.:139 "I Am the Walrus"는 사운드 콘솔에 연결된 라디오 튜너를 사용하여 기존 테이프 트랙 위에 무작위 라이브 방송을 레이어링했다.:215 "Revolver" 앨범에도 테이프 편집 기술을 사용한 릴투릴 효과가 있었다. "A Day in the Life"에서는 제프 에머릭이 존의 보컬을 모노 테이프 기계를 통해 재생하고 피드백 양이 존이 원하는 수준이 될 때까지 계속해서 자기 자신에게 다시 보냈다.:53 Revolver 앨범에서 비틀즈는 존이 더블트래킹의 대안을 요구한 후 두 대의 테이프 레코더로 ADT를 처음으로 사용했다.:82
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 악기로서
영국 록 밴드 10cc는 16트랙 테이프 레코더에 자신들의 목소리를 수십 번 오버더빙하여 일종의 인간 하모늄을 만들었다. 각자 한 음표만 노래했다. 누적된 결과는 적절한 음계 음표의 1옥타브 반에 걸쳐 고르게 퍼진 총 630개의 목소리였으며, 각 뚜렷한 음표는 테이프의 개별 트랙에 할당되었다. 재생될 때, 피아노 건반처럼 배열된 믹싱 콘솔에서 어떤 트랙(또는 음표)도 수동으로 페이드 인/아웃될 수 있어 거대한 가상 합창단을 시뮬레이션할 수 있었다. 이 효과는 그들의 노래 "I'm Not in Love"의 분위기 있는 배경 악기 연주를 제공했다.
아르헨티나 블루스 기타리스트 클라우디오 가비스는 일렉트릭 기타용 앰프가 필요하여, 1970년 데뷔 앨범 Manal을 위해 개조된 젤로소 레코더를 디스토션 장치로 사용했다. 이는 신호를 주입하고 "진공 상태에서 녹음"하도록(테이프 없이 무한히 녹음) 함으로써 이루어졌다. 이렇게 얻은 증폭된 신호는 볼륨을 상당히 높여 왜곡될 수 있었다. 또한 그룹의 첫 싱글 "Qué pena me das"는 테이프가 거꾸로 재생되는 급작스러운 엔딩을 가지고 있다.
또한, 여러 대의 릴투릴 기계를 함께 사용하여 에코 및 딜레이 효과를 만들 수도 있다. 브라이언 이노와 로버트 프립이 1970년대와 80년대 녹음에서 사용한 프리퍼트로닉스 구성은 이러한 가능성을 보여준다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 영향
릴투릴 테이프 기계는 소리를 포착하고 조작하는 방식을 근본적으로 변화시켰다. 예를 들어, 릴투릴 레코더의 손쉬운 가용성은 테이프 스플라이싱과 루핑에 기반을 둔 1940년대 프랑스 전자 음악 운동인 구체 음악의 토대를 마련하는 데 "가장 중요한 요소 중 하나"였다. 피에르 앙리와 피에르 셰페르와 같은 선구적인 작곡가들은 테이프 콜라주를 사용하여 새로운 사운드 질감을 만들었다. 이러한 기술은 카를하인츠 슈토크하우젠과 같은 전자 음악가들에게 계승되었는데, 그의 작품인 젊은이들의 노래 (1956)와 콘탁테 (1960)는 광범위한 테이프 조작에 기반을 두고 있다. 1960년대에 이르러서는 주류 록 밴드까지 이러한 아이디어를 활용했다: 비틀즈의 "Tomorrow Never Knows" (1966)는 "테이프 루프를 이용한 구체 음악 연습"으로 묘사되었다.
릴투릴 오디오 테이프 레코딩 영향
릴투릴 기계의 독특한 외관과 사운드는 현대 장비 디자이너들에게 수용되었다. 예를 들어, 스웨덴 디자인 회사 틴에이지 엔지니어링은 TP-7 필드 레코더를 가상 테이프 데크 스타일로 디자인했다. 이 기기의 커다란 전동 휠은 녹음물을 스크러빙하기 위해 회전하는 테이프 릴을 모방한다. 디지털 영역에서는 많은 플러그인이 유명한 테이프 기계를 모델링한다. 유니버설 오디오의 스튜더 A800 24트랙 에뮬레이션은 아날로그 테이프의 특징인 "풍부한 새츄레이션"과 부드러운 압축을 더하고, 웨이브스의 J37은 오래된 스튜더 기계를 에뮬레이션하여(새츄레이션, 와우, 플러터, 테이프 에코 제어 포함) 빈티지 테이프 녹음의 "끈끈한" 따뜻함을 재현한다. 이러한 하드웨어 및 소프트웨어 도구들은 현대 음악 제작에서 릴투릴 미학을 계속 이어나가고 있다.
테이프의 실제적인 한계와 음향적 특성은 창의적인 촉매가 되었다. 작곡가들은 결정에 충실하고 고정된 길이의 루프(loop)로 작품을 구성하는 법을 배웠다. (스티브 라이히는 예를 들어 뮤직 포 에어포트에 사용된 약 79피트 길이의 테이프 루프를 만들기 위해 두 대의 기계를 동시에 돌렸다.) 테이프의 내재된 불완전성, 즉 부드러운 압축, 고조파 왜곡, 피할 수 없는 히스 또는 플러터는 종종 바람직한 효과로 받아들여진다. 오디오파일들은 테이프의 "접착력"과 "매력"이 믹스를 더 응집력 있게 만든다고 느끼며, 심지어 테이프 히스조차도 수십 년 동안 녹음 엔지니어들이 혁신하도록 강요한 "창의적 긴장"으로 묘사되어 왔다.
주제네바 대한민국 대사
주제네바 대한민국 대사는 대한민국 외교부 산하 주제네바 대한민국 대표부의 수장(대사 겸 상주대표)이다. 공식 명칭은 주제네바유엔및국제기구 대한민국 특명전권대사이다.
이온 레이저
이온 레이저(Ion laser)는 이온화된 기체를 레이저 매질로 사용하는 기체 레이저이다.
다른 기체 레이저와 마찬가지로 이온 레이저는 레이저 매질과 파브리-페로 공진기를 형성하는 거울이 들어있는 밀봉된 캐비티를 특징으로 한다. 헬륨-네온 레이저와 달리 레이저 작용에 기여하는 에너지 준위 전이는 이온에서 발생한다. 이온 레이저에 사용되는 이온 전이를 여기시키는 데 필요한 에너지가 많기 때문에 필요한 전류도 훨씬 많으며, 그 결과 가장 작은 이온 레이저를 제외하고는 거의 모든 이온 레이저가 수랭식이다. 작은 공랭식 이온 레이저는 예를 들어 약 10 암페어의 튜브 전류와 105볼트의 전압으로 130 밀리와트의 출력 광을 생성할 수 있다. 1암페어 곱하기 1볼트가 1와트이므로, 이는 약 1킬로와트의 전력 입력이다. 전력 입력에서 (원하는) 130 mW의 광 출력을 빼면 거의 1킬로와트에 달하는 많은 폐열이 남는다. 이 열은 냉각 시스템으로 방출되어야 한다. 즉, 전력 효율이 매우 낮다.
이온 레이저 유형
크립톤 레이저는 비활성 기체인 크립톤의 이온을 활성 레이저 매질로 사용하는 이온 레이저이다. 레이저 펌핑은 방전에 의해 이루어진다. 크립톤 레이저는 과학 연구 및 상업적 용도로 널리 사용되며, 크립톤이 아르곤과 혼합되면 레이저쇼에 유용한 "백색광" 레이저를 생성한다. 크립톤 레이저는 의학 (예: 망막 응고), 보안 홀로그램 제조 및 기타 여러 목적으로도 사용된다.
크립톤 레이저는 일반적으로 406.7 nm, 413.1 nm, 415.4 nm, 468.0 nm, 476.2 nm, 482.5 nm, 520.8 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm와 같은 여러 다른 파장 근처에서 가시광선을 방출할 수 있다.
아르곤 이온 레이저는 1964년 휴즈 항공의 윌리엄 브릿지스에 의해 발명되었으며 비활성 기체를 활성 매질로 사용하는 이온 레이저 계열 중 하나이다.
이온 레이저 유형
아르곤 이온 레이저는 망막 광선 요법 (당뇨병 치료용), 석판 인쇄, 다른 레이저의 레이저 펌핑에 사용된다. 아르곤 이온 레이저는 351.1 nm, 363.8 nm, 454.6 nm, 457.9 nm, 465.8 nm, 476.5 nm, 488.0 nm, 496.5 nm, 501.7 nm, 514.5 nm, 528.7 nm 및 1092.3 nm를 포함하여 가시 및 자외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 13개의 파장에서 방출한다. 그러나 가장 일반적으로 사용되는 파장은 가시 스펙트럼의 청록색 영역에 있다. 이 파장은 해수가 이 파장 범위에서 상당히 투명하기 때문에 수중 통신에 사용될 가능성이 있다.
이온 레이저 유형
일반적인 아르곤 및 크립톤 레이저는 수 밀리와트에서 수십 와트의 연속파(CW) 출력을 방출할 수 있다. 튜브는 일반적으로 니켈 엔드 벨, 코바르 금속-세라믹 밀봉, 산화 베릴륨 세라믹 또는 세라믹 라이너의 구리 방열판에 장착된 텅스텐 디스크로 만들어진다. 초기 튜브는 단순한 석영이었고, 이어서 흑연 디스크가 있는 석영이 사용되었다. 단 몇 밀리암페어의 입력 전류만 필요한 헬륨-네온 레이저와 비교할 때, 아르곤 레이저를 펌핑하는 데 사용되는 전류는 가스가 이온화되어야 하므로 수 암페어에 달한다. 이온 레이저 튜브는 많은 폐열을 발생시키므로 이러한 레이저는 능동 냉각이 필요하다.
일반적인 비활성 기체 이온 레이저 플라즈마는 자기장 내의 비활성 기체에서 고전류 밀도 글로 방전으로 구성된다. 일반적인 연속파 플라즈마 조건은 100~2000 A/cm2의 전류 밀도, 1.0~10 mm의 튜브 직경, 0.1~1.0 토르(0.0019~0.019 psi)의 충전 압력, 약 1000 가우스의 축 방향 자기장이다.
최초의 기체 레이저(헬륨-네온 레이저)의 공동 발명가인 윌리엄 R. 베넷 주니어는 기체 레이저에서 스펙트럼 홀 번잉 효과를 처음으로 관찰했으며, 레이저 발진에서 "홀 번잉" 효과에 대한 이론을 만들었다. 그는 각 비활성 기체에서 전자 충격 여기를 사용하는 레이저, 네온-산소 레이저(최초의 화학 레이저)에서 해리 여기 전달, 여러 금속 증기 레이저에서 충돌 여기를 사용하는 레이저의 공동 발견자였다.
김해용
김해용(영어: Kim Hae‑yong)은 대한민국의 외교관이다. 제5대 한‑아세안센터 사무총장(2021년 4월–2024년 4월), 주 미얀마 대사(2011년–2013년), 제16대 주 뉴질랜드 대사(2014년–2017년)를 역임하였다.
김해용 생애
서울 출신으로 서울대학교 언어학과 학사와 서울대학교 행정대학원 석사를 마쳤으며, 미국 인디애나대학교에서 동아시아학 석사를 취득하였다. 1983년 제17회 외무고시에 합격해 외무부에 입부했다.
김해용 정책·외교 기조
그는 취임 직후 “영광이자 막중한 책임(both honored and humbled)”이라고 밝히고, “지속가능·상호호혜적 미래(sustainable, thriving, and mutually beneficial future)”라는 표현을 사용했다. 뉴질랜드 대사 재임 중에는 “내가 1라운드에서 한국 측을 이끌었다(I led the Korean team in the first round)”고 회고하며 FTA의 실무성과를 강조했다.
김해용 국제 활동
2022년 ‘ASEAN Connectivity’ 관련 고위급 논의에서 한‑아세안센터 사무총장 자격으로 발언에 참여했다.
김해용 보도 및 평가
2014년 12월 오클랜드 분관 공지에서 그를 “2009년 한-뉴질랜드 FTA 협상 수석대표(chief negotiator of the Korea-New Zealand FTA negotiations in 2009)”로 소개했다.  
2013년 11월 경향신문은 제주 국제관계대사 임명 기사에서 그를 “통상전문가(trade expert)”로 소개했다.  
2021년 4월 더 코리아헤럴드는 그가 “제5대 아세안-대한민국센터 사무총장(the fifth secretary-general of the ASEAN-Korea Centre)”에 취임했다고 보도하였다.  
2021년 5월 한-아세안센터 뉴스레터는 그의 취임 발언 중 “영광이자 막중한 책임(both honored and humbled)”과 “한-아세안 협력 강화(strengthening ASEAN-Korea partnership)”라는 표현을 인용해 소개했다.  
2015년 5월 웰링턴 공관의 FTA 로드쇼 연설록에는 “나는 첫 협상 라운드에서 한국 대표단을 이끌었다(I led the Korean team in the first round)”라는 연설이 수록되어 있다.
밀도 반전
물리학, 특히 통계역학에서 밀도 반전(population inversion) 또는 반전 분포는 원자나 분자의 집합과 같은 열역학계가 하위의 비여기 에너지 준위보다 상위의 들뜬 상태에 더 많은 구성원이 존재하는 상태에 있을 때 발생한다. 이는 열평형 상태에 있는 많은 익숙하고 흔히 접하는 물리계에서는 불가능하므로 "반전"이라고 불린다. 이 개념은 표준 레이저의 작동에 밀도 반전 생성이 필수적인 단계이기 때문에 레이저 물리학에서 근본적으로 중요하다.
밀도 반전 조건
밀도 반전의 개념을 이해하려면 일부 열역학과 빛이 물질과 상호 작용하는 방식을 이해해야 한다. 이를 위해 활성 레이저 매질을 형성하는 매우 간단한 원자 집합을 고려하는 것이 유용하다.
N개의 원자 그룹이 있다고 가정해 보자. 각 원자는 다음 두 가지 에너지 준위 중 하나에 있을 수 있다.
바닥 상태에 있는 원자의 수는 N1로 주어지고, 들뜬 상태에 있는 원자의 수는 N2로 주어진다. 총 N개의 원자가 있으므로,
두 상태 사이의 에너지 차이는 다음과 같이 주어진다.
이는 원자와 상호 작용하는 빛의 특성 진동수 를 결정한다. 이는 다음 관계에 의해 주어진다.
여기서 h는 플랑크 상수이다.
만약 원자 그룹이 열평형 상태에 있다면, 맥스웰-볼츠만 통계로부터 각 상태에 있는 원자 수의 비율이 두 볼츠만 분포의 비율, 즉 볼츠만 인자로 주어진다는 것을 알 수 있다.
여기서 T는 원자 그룹의 열역학 온도, k는 볼츠만 상수, g1과 g2는 각 상태의 축퇴 에너지 수준이다.
밀도 반전 조건
실온 (T ≈ 300 K)에서 가시광선 주파수 (ν ≈ 5×1014 Hz)에 해당하는 빛의 에너지 차이 ΔE에 대한 두 상태의 개체수 비율을 계산할 수 있다. 이 경우 ΔE = E2 − E1 ≈ 2.07 eV이고, kT ≈ 0.026 eV이다. E2 − E1 ≫ kT이므로, 위 방정식에서 지수의 인수는 큰 음수이며, 따라서 N2/N1은 매우 작아진다. 즉, 들뜬 상태에는 거의 원자가 없다. 열평형 상태에서는 낮은 에너지 상태가 높은 에너지 상태보다 더 많이 채워져 있으며, 이것이 시스템의 정상 상태이다. T가 증가함에 따라 고에너지 상태의 전자 수(N2)는 증가하지만, 열평형 상태의 시스템에서는 N2가 N1을 초과하지 않는다. 오히려 무한 온도에서는 N2와 N1의 개체수가 같아진다. 다시 말해, 열평형 상태의 시스템에서는 밀도 반전(N2/N1 > 1)이 결코 존재할 수 없다. 따라서 밀도 반전을 달성하려면 시스템을 비평형 상태로 밀어 넣어야 한다.
밀도 반전 빛과 물질의 상호 작용
원자 시스템과 빛 사이에는 세 가지 유형의 상호 작용이 있다.
만약 진동수 ν12의 빛 (광자)이 원자 그룹을 통과하면, 바닥 상태에 있는 전자에 의해 빛이 흡수되어 전자가 더 높은 에너지 상태로 들뜨게 될 가능성이 있다. 흡수율은 빛의 복사 밀도에 비례하며, 또한 현재 바닥 상태에 있는 원자의 수 N1에 비례한다.
원자가 들뜬 상태에 있다면, 들뜬 상태에 있는 원자의 수 N2에 비례하는 속도로 바닥 상태로의 자발적인 붕괴 현상이 일어날 것이다. 두 상태 사이의 에너지 차이 ΔE21는 위에서 설명한 진동수-에너지 관계에 따라 진동수 ν21의 광자로 원자에서 방출된다.
광자는 추계학적으로 방출되며, 들뜬 원자 그룹에서 방출되는 광자들 사이에는 고정된 위상 관계가 없다. 다시 말해, 자연 방출은 비결맞음이다. 다른 과정이 없을 때, 시간 t에서의 들뜬 상태 원자 수는 다음과 같이 주어진다.
여기서 N2(0)는 시간 t = 0에서의 들뜬 원자 수이며, τ21는 두 상태 사이의 전이의 평균 수명이다.
밀도 반전 빛과 물질의 상호 작용
원자가 이미 들뜬 상태에 있다면, 들뜬 상태에서 바닥 상태로의 전이 에너지 차이 ΔE에 해당하는 진동수 ν21를 가진 광자가 통과하면서 자극을 받을 수 있다. 이 경우, 들뜬 원자는 바닥 상태로 이완하고, 두 번째 진동수 ν21를 가진 광자를 생성한다. 원래 광자는 원자에 흡수되지 않으므로, 결과적으로 동일한 진동수를 가진 두 개의 광자가 발생한다. 이 과정을 유도 방출이라고 한다.
구체적으로, 들뜬 원자는 외부 전계에 의해 진동하는 작은 전기 쌍극자처럼 행동한다. 이 진동의 결과 중 하나는 전자가 가장 낮은 에너지 상태로 붕괴되도록 유도한다는 것이다. 광자의 전자기장 존재로 인해 이러한 일이 발생하면, "자극하는" 광자와 동일한 위상과 방향으로 광자가 방출되며, 이를 유도 방출이라고 한다.
밀도 반전 빛과 물질의 상호 작용
유도 방출이 발생하는 속도는 들뜬 상태에 있는 원자의 수 N2와 빛의 복사 밀도에 비례한다. 단일 들뜬 원자에서 광자가 유도 방출을 유발할 기본 확률은 알베르트 아인슈타인에 의해 바닥 상태에 있는 원자에 의해 광자가 흡수될 확률과 정확히 같다는 것이 밝혀졌다. 따라서 바닥 상태와 들뜬 상태의 원자 수가 같을 때, 유도 방출 속도는 주어진 복사 밀도에 대한 흡수 속도와 같다.
밀도 반전 빛과 물질의 상호 작용
유도 방출의 핵심적인 특징은 유도된 광자가 입사 광자와 동일한 진동수와 위상을 가진다는 것이다. 다시 말해, 두 광자는 결맞음이다. 광 증폭과 레이저 시스템의 생산을 가능하게 하는 것이 바로 이 속성이다. 레이저 작동 중에는 위에서 설명한 세 가지 빛-물질 상호 작용이 모두 발생한다. 처음에는 아래에서 설명할 펌핑이라는 과정을 통해 원자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 에너지를 받는다. 이 원자 중 일부는 자연 방출을 통해 붕괴하여 진동수 ν의 광자 형태의 비결맞음 빛을 방출한다. 이 광자들은 일반적으로 광공진기를 통해 레이저 매질로 다시 공급된다. 이 광자 중 일부는 바닥 상태의 원자에 흡수되어 레이저 과정에서 손실된다. 그러나 일부 광자는 들뜬 상태의 원자에서 유도 방출을 일으켜 또 다른 결맞음 광자를 방출한다. 사실상 이는 광 증폭을 초래한다.
단위 시간당 증폭되는 광자의 수가 흡수되는 광자의 수보다 많으면, 그 결과는 지속적으로 증가하는 광자 수가 생성되는 것이다. 이때 레이저 매질은 단위보다 큰 이득을 가진다고 말한다.
위에서 흡수와 유도 방출에 대한 설명에서, 이 두 과정의 속도가 각각 바닥 상태와 들뜬 상태의 원자 수 N1과 N2에 비례한다는 것을 상기하자. 만약 바닥 상태가 들뜬 상태보다 더 많은 개체수를 가지고 있다면 (N1 > N2), 흡수 과정이 지배적이어서 광자의 순 감쇠가 발생한다. 만약 두 상태의 개체수가 같다면 (N1 = N2), 빛의 흡수 속도가 방출 속도와 정확히 균형을 이룬다. 이때 매질은 광학적으로 투명하다고 말한다.
만약 높은 에너지 상태가 낮은 에너지 상태보다 더 많은 개체수를 가진다면 (N1 < N2), 방출 과정이 지배적이며 시스템 내의 빛은 순 강도 증가를 겪는다. 따라서 흡수보다 더 빠른 유도 방출 속도를 생성하려면 두 상태의 개체수 비율이 다음을 만족해야 한다는 것이 분명하다.
N2/N1 > 1; 다시 말해, 레이저 작동을 위해서는 밀도 반전이 필요하다.
밀도 반전 선택규칙
전자기 복사를 포함하는 많은 전이들은 양자 역학에 의해 엄격히 금지된다. 허용되는 전이들은 복사 전이가 허용되는 조건을 설명하는 소위 선택규칙에 의해 설명된다. 예를 들어, 전이들은 시스템의 총 스핀 각운동량인 ΔS = 0인 경우에만 허용된다. 실제 재료에서는 결정 격자와의 상호 작용과 같은 다른 효과들이 대체 메커니즘을 제공하여 형식적인 규칙을 우회한다. 이러한 시스템에서는 금지된 전이가 발생할 수 있지만, 일반적으로 허용된 전이보다 느린 속도로 발생한다. 고전적인 예로는 S = 0인 바닥 상태, S = 0인 들뜬 상태, S = 1인 중간 상태를 갖는 재료의 인광이 있다. 중간 상태에서 빛 방출에 의한 바닥 상태로의 전이는 선택 규칙 때문에 느리다. 따라서 외부 조명이 제거된 후에도 방출이 계속될 수 있다. 대조적으로 재료의 형광은 외부 조명이 제거되면 방출이 멈추는 특징이 있다.
밀도 반전 선택규칙
복사의 흡수 또는 방출을 포함하지 않는 전이들은 선택 규칙의 영향을 받지 않는다. 들뜬 S = 0 및 S = 1 상태와 같은 준위 간의 비복사 전이는 S = 0 개체수 중 일부가 자발적으로 바닥 상태로 돌아가기 전에 충분히 빠르게 진행될 수 있다.
재료에 중간 상태가 존재한다는 것은 레이저의 광학 펌핑 기술에 필수적이다 (아래 참조).
밀도 반전 생성
레이저 작동을 위해서는 밀도 반전이 필요하지만, 열평형 상태에 있는 위에서 설명한 이론적인 두 에너지 준위 원자 그룹에서는 달성할 수 없다. 사실, 원자를 바닥 상태에서 들뜬 상태로 직접적이고 지속적으로 여기시키는 어떤 방법 (예: 광학 흡수)이라도 결국 자발 및 유도 방출이라는 역여기 과정과 평형에 도달할 것이다. 최선으로 두 상태의 동일한 개체수, N1 = N2 = N/2를 달성할 수 있으며, 이는 광학 투명성을 초래하지만 순 광학 이득은 없다. 지속적인 비평형 조건을 달성하려면 들뜬 상태를 채우는 간접적인 방법을 사용해야 한다.
3준위 레이저는 밀도 반전을 달성할 수 있다. 이것은 N개의 원자 그룹으로 구성되며, 각 원자는 에너지 E1, E2, E3를 갖는 세 가지 에너지 상태, 즉 준위 1, 2, 3 중 하나에 존재할 수 있고, 각각 N1, N2, N3의 개체수를 갖는다. E1 < E2 < E3이다. 즉, 준위 2의 에너지는 준위 1과 준위 3의 에너지 사이에 있다. 준위 1은 또한 바닥 상태라고도 불린다.
밀도 반전 생성
초기에 원자 시스템은 열평형 상태에 있으며, 대부분의 원자는 바닥 상태에 있다. 즉, N1 ≈ N, N2 ≈ N3 ≈ 0이다. 원자는 준위 1에서 준위 3으로 여기될 수 있으며, 이 행위를 펌핑이라고 한다. 원자가 진동수 의 빛에 노출될 때 발생할 수 있으며, 광학 흡수 과정은 전자를 준위 1에서 준위 3으로 여기시킨다. 직접적으로 빛 흡수를 포함하지 않는 방법도 있다. 예를 들어 전기 방전이나 화학 반응이 있다. 준위 3은 때때로 펌프 준위 또는 펌프 띠라고 불리며, 에너지 전이 E1 → E3는 펌프 전이(오른쪽 그림에서 P로 표시된 전이)라고 불린다.
매체를 펌핑하면 상당수의 원자가 준위 3으로 전이하여 N3 > 0이 된다. 레이저 작동에 적합한 매체를 갖기 위해서는 이 들뜬 원자들이 빠르게 준위 2로 붕괴되어야 한다. 이 전이에서 방출되는 에너지는 광자(자연 방출)로 방출될 수 있다. 그러나 실제로는 3 → 2 전이는 일반적으로 비복사성(도표에서 R로 표시된 전이)이며, 광자 생성 없이 에너지가 원자를 둘러싼 호스트 물질의 진동 운동(열)으로 전달된다. 이 현상을 오제 효과라고 한다.
밀도 반전 생성
준위 2의 전자는 자연 방출을 통해 준위 1로 붕괴될 수 있으며, 진동수 ν12의 광자(주어진 E2 − E1 = hν12)를 방출하는데, 이를 레이저 전이(도표에서 L로 표시된 전이)라고 한다. 이 전이의 수명 τ21이 비복사성 3 → 2 전이 τ32의 수명보다 훨씬 길다면(만약 τ21 ≫ τ32, 즉 유리한 수명 비율로 알려진 경우), E3의 개체수는 본질적으로 0이 되고(N3 ≈ 0), 들뜬 상태 원자의 개체수가 준위 2에 축적될 것이다(N2 > 0). 만약 N개의 원자 중 절반 이상이 이 상태에 축적될 수 있다면, 이는 바닥 상태 N1의 개체수를 초과할 것이다. 따라서 준위 1과 2 사이에 밀도 반전(N2 > N1)이 달성되었으며, 진동수 ν21에서 광 증폭을 얻을 수 있다.
밀도 반전 생성
밀도 반전을 얻으려면 원자의 절반 이상을 바닥 상태에서 들뜬 상태로 여기시켜야 하므로 레이저 매질을 매우 강하게 펌핑해야 한다. 이 때문에 3준위 레이저는 발견된 최초의 레이저 유형임에도 불구하고 (1960년 시어도어 마이먼이 루비 레이저 매질을 기반으로 발견), 비효율적이다. 3준위 시스템은 또한 준위 3과 2 사이에 복사 전이가 있고 준위 2와 1 사이에 비복사 전이가 있을 수 있다. 이 경우 펌핑 요구 사항이 약해진다. 실제로 대부분의 레이저는 아래에서 설명하는 4준위 레이저이다.
4준위 레이저에는 에너지 E1, E2, E3, E4를 가지는 네 개의 에너지 준위(준위 1, 2, 3, 4)와 각각 N1, N2, N3, N4의 개체수가 존재한다. 각 준위의 에너지는 E1 < E2 < E3 < E4를 만족한다.
밀도 반전 생성
이 시스템에서 펌핑 전이 P는 원자를 준위 1에서 준위 4(펌프 준위)로 여기시킨다. 준위 4에서 원자는 빠른 비복사 전이 Ra를 통해 준위 3으로 붕괴한다. 레이저 전이 L의 수명이 Ra의 수명보다 길기 때문에(τ32 ≫ τ43), 준위 3(상위 레이저 준위)에 개체수가 축적되며, 이는 자발 방출 또는 유도 방출을 통해 준위 2(하위 레이저 준위)로 이완될 수 있다. 이 준위 또한 준위 1로 빠른 비복사 붕괴 Rb를 가진다.
3준위 레이저와 마찬가지로 빠른 비복사성 붕괴 전이의 존재로 인해 펌프 띠의 개체수가 빠르게 고갈된다(N4 ≈ 0). 4준위 시스템에서는 준위 2(하위 레이저 준위)에 있는 모든 원자도 빠르게 탈여기되어 해당 상태의 개체수가 무시할 만하게 된다(N2 ≈ 0). 이는 준위 3(상위 레이저 준위)에 상당한 개체수가 축적될 경우 준위 2에 대해 밀도 반전을 형성하기 때문에 중요하다. 즉, N3 > 0인 한, N3 > N2가 되므로 밀도 반전이 달성된다. 따라서 광학 증폭 및 레이저 작동은 주파수 ν32 (E3 − E2 = hν32)에서 발생할 수 있다.
밀도 반전 생성
상위 레이저 준위로 몇 개의 원자만 여기되어도 밀도 반전이 형성될 수 있으므로, 4준위 레이저는 3준위 레이저보다 훨씬 효율적이며, 대부분의 실용적인 레이저는 이 유형이다. 실제로는 레이저 과정에 4개보다 훨씬 많은 에너지 준위가 관여할 수 있으며, 이러한 준위들 사이에서 복잡한 여기 및 이완 과정이 발생한다. 특히, 펌프 띠는 여러 개의 별개의 에너지 준위 또는 연속적인 준위로 구성될 수 있으며, 이는 넓은 파장 범위에 걸쳐 매질의 광학 펌핑을 가능하게 한다.
3준위 및 4준위 레이저 모두에서 펌핑 전이의 에너지가 레이저 전이의 에너지보다 크다는 점에 유의한다. 이는 레이저가 광학적으로 펌핑되는 경우 펌핑 빛의 진동수가 결과적인 레이저 빛의 진동수보다 커야 함을 의미한다. 다시 말해, 펌프 파장은 레이저 파장보다 짧다. 일부 매질에서는 여러 낮은 에너지 전이 간의 다중 광자 흡수를 사용하여 펌프 준위에 도달하는 것이 가능하며, 이러한 레이저를 업컨버전 레이저라고 한다.
밀도 반전 생성
많은 레이저에서 레이저 과정은 위 모델에서 설명된 바와 같이 원자들 간의 서로 다른 전자 에너지 상태 전이를 포함하지만, 이것이 레이저 작동을 유발할 수 있는 유일한 메커니즘은 아니다. 예를 들어, 레이저 매질이 완전한 분자로 구성되고 에너지 상태가 분자의 진동 및 회전 모드에 해당하는 많은 일반적인 레이저(색소 레이저, 이산화탄소 레이저 등)가 있다. 이는 물 메이저, 자연에서 발생하는 경우와 같다.
일부 매질에서는 추가적인 광학 또는 마이크로파 장을 가함으로써 양자 결맞음 효과를 사용하여 바닥 상태에서 들뜬 상태로의 전이 가능성을 줄일 수 있다. 밀도 반전 없는 레이저로 알려진 이 기술은 두 상태 간에 밀도 반전을 생성하지 않고도 광 증폭을 가능하게 한다.
유도 방출은 전자기 스펙트럼의 마이크로파 영역에서 처음 관찰되었으며, 마이크로파 복사 유도 방출 증폭(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 약어로 MASER가 탄생했다. 마이크로파 영역에서는 에너지 상태 사이의 분자 볼츠만 분포가 실온에서 모든 상태가 거의 동일하게 채워진다.
이러한 조건에서 밀도 반전을 생성하려면 특성 차이에 따라 시스템에서 일부 원자나 분자를 선택적으로 제거해야 한다. 예를 들어, 수소 메이저에서는 외로운 전자가 핵 스핀과 평행한 스핀 상태에서 반평행한 스핀 상태로 뒤집히는 원자 수소의 잘 알려진 21cm 파동 전이를 사용하여 밀도 반전을 생성할 수 있다. 이는 평행 상태가 자기 모멘트를 가지고 있고 반평행 상태는 그렇지 않기 때문이다. 강한 불균일 자기장은 혼합 상태 원자 빔에서 고에너지 상태의 원자를 분리할 것이다. 분리된 개체수는 유도 방출을 나타낼 수 있는 밀도 반전을 나타낸다.
처프 펄스 증폭
처프 펄스 증폭(Chirped pulse amplification, CPA)은 초단 레이저 펄스를 페타와트 수준까지 증폭하는 기술로, 레이저 펄스가 시간적으로나 스펙트럼적으로 늘려진 다음 증폭되고 다시 압축된다. 늘림과 압축은 펄스의 다른 색상 구성 요소가 다른 거리를 이동하도록 하는 장치를 사용한다.
레이저용 CPA는 1980년대 중반 도나 스트리클런드와 제라르 무루가 로체스터 대학교에서 도입했으며, 이 연구로 그들은 2018년에 노벨 물리학상을 수상했다.
CPA는 전 세계 대부분의 고출력 레이저에 사용되는 기술이다.
처프 펄스 증폭 배경
1980년대 중반 CPA가 도입되기 전에는 레이저 펄스의 최대 출력이 제한되었는데, 이는 기가와트/제곱 센티미터의 복사조도를 가진 레이저 펄스가 자기 초점화와 같은 비선형 과정을 통해 활성 레이저 매질에 심각한 손상을 입히기 때문이었다. 예를 들어, 가장 강력하게 압축된 CPA 레이저 빔 중 일부는 초점이 맞춰지지 않은 큰 개구부(압축 회절격자를 나온 후)에서도 700 GW/cm2 이상의 강도를 초과할 수 있는데, 만약 공기나 레이저 이득 매질에서 전파되도록 허용되면 즉시 자기 초점화되어 플라스마를 형성하거나 필라멘트 전파를 일으켜 원래 빔의 바람직한 특성을 손상시키고 심지어 레이저 구성 요소를 손상시킬 수 있는 역반사를 유발할 수 있다. 레이저 펄스의 강도를 비선형 효과의 임계값 아래로 유지하려면 레이저 시스템은 크고 비싸야 했으며, 레이저 펄스의 최대 출력은 매우 큰 다중 빔 시설의 경우 기가와트 수준이나 테라와트 수준으로 제한되었다.
처프 펄스 증폭 배경
반면에 CPA에서는, 초단 레이저 펄스가 이득 매질에 도입되기 전에 시간적으로 늘려지는데, 이는 레이저 펄스의 저주파수 구성 요소가 고주파수 구성 요소보다 짧은 경로를 이동하도록 배열된 한 쌍의 회절격자를 사용하여 이루어진다. 회절격자 쌍을 통과한 후 레이저 펄스는 양의 처프를 띠게 되는데, 즉 고주파수 구성 요소가 저주파수 구성 요소보다 뒤처지며, 원래보다 1000배에서 100000배 더 긴 펄스 지속 시간을 갖게 된다.
그런 다음, 기가와트/제곱 센티미터의 강도 한계에 비해 강도가 충분히 낮은 늘려진 펄스는 이득 매질에 안전하게 도입되어 백만 배 이상 증폭된다. 마지막으로, 증폭된 레이저 펄스는 늘리는 과정을 역전시켜 원래의 펄스 폭으로 다시 압축되어, CPA 발명 이전에 레이저 시스템이 생성할 수 있었던 것보다 몇 배 더 높은 최대 출력을 달성한다.
더 높은 최대 출력 외에도 CPA는 레이저 시스템을 소형화할 수 있게 한다(압축기가 가장 큰 부분이다). CPA 기술을 기반으로 탁상형 테라와트 레이저(T3 레이저, 일반적으로 1 줄의 에너지를 1 피코초 내에 전달)라고 알려진 소형 고출력 레이저를 만들 수 있다.
처프 펄스 증폭 스트레처 및 압축기 설계
압축기와 스트레처를 구성하는 방법에는 여러 가지가 있다. 그러나 일반적인 Ti:사파이어 기반 처프 펄스 증폭기는 펄스가 수백 피코초까지 늘어나야 하며, 이는 다른 파장 구성 요소가 경로 길이에서 약 10 cm의 차이를 경험해야 한다는 것을 의미한다. 이를 달성하는 가장 실용적인 방법은 회절격자 기반 스트레처와 압축기를 사용하는 것이다. 스트레처와 압축기는 분산 특성으로 구분된다. 음의 분산에서는 주파수가 높은 빛(파장이 짧은 빛)이 주파수가 낮은 빛(파장이 긴 빛)보다 장치를 통과하는 데 시간이 덜 걸린다. 양의 분산에서는 그 반대이다. CPA에서 스트레처와 압축기의 분산은 상쇄되어야 한다. 실용적인 고려 사항 때문에 (고출력) 압축기는 일반적으로 음의 분산으로 설계되고, (저출력) 스트레처는 따라서 양의 분산으로 설계된다.
처프 펄스 증폭 스트레처 및 압축기 설계
원칙적으로 광학 장치의 분산은  함수인데, 여기서 는 주파수 성분 가 경험하는 시간 지연이다. (때로는  위상이 사용되는데, 여기서 c는 빛의 속도이고 는 파장이다.) 시드 레이저에서 압축기 출력까지 전체 체인의 각 구성 요소는 분산에 기여한다. 결과 펄스가 약 100 펨토초보다 짧도록 스트레처와 압축기의 분산을 조정하는 것은 어려운 것으로 밝혀졌다. 이를 위해서는 추가 분산 요소가 필요할 수 있다.