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1. 개요
레이저(LASER)는 복사 유도 방출에 의한 광증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 줄임말로, 본래 빛의 증폭이라는 물리적 현상을 이르는 말이다. 일상적으로는 이를 이용해 만들어진, 강하고 퍼지지 않으며 멀리 전달되는 단색광 레이저 빔(beam) 또는 레이저광(光)을 간단히 '레이저'라고 부른다. 레이저 빔은 단색성, 직진성, 가간섭성, 고출력, 편광성이 특징이다.본래 줄임말이라 대문자로 써야 하지만 시간이 흐르면서 일반명사화 되어 영어권에서도 두문자 'LASER'라고 표기하지 않고 'Laser'라고 단어처럼 사용하는 경우가 더 많다.
레이저 발진이 원천 기술 자체만으로 따진다면 아주 조건이 민감하기도 하고, 상당히 어렵고 까다로운 기술이다. 그렇기 때문에 자동차는 19세기에 이미 나왔지만, 레이저는 20세기 중반이 넘어서야 등장한 것. 대한민국도 실용적인 산업용 레이저를 조립하고 빔을 발진시키는 기술과 노하우는 상당히 있지만, 여전히 상당수의 고가의 광학 부품을 해외에서 수입하는 실정이다.
세계 최초의 레이저는 1960년에 찰스 H. 타운즈와 아서 레오나드 샤로우의 이론을 기반으로 미국의 휴스 리서치 래버토리즈의 Theodore Maiman 이 제작했다. 또한 레이저에 앞서서 마이크로파를 사용하는 메이저(maser)가 개발되었다.
2. 역사
1917년에 알베르트 아인슈타인이 전자기파의 자연방출과 자극방출에 대한 아인슈타인 계수를 가지고 플랑크 복사법칙을 재유도한 논문 '복사의 양자 이론에 관하여'(Zur Quantentheorie der Strahlung)을 발표하여 레이저와 메이저의 기본 이론이 등장했다. 출처1928년에는 루돌프 W. 라덴버그가 자극 방출 및 음의 흡수 현상이 존재함을 확인했고 1939년에 발렌틴 A. 파브리칸트는 자극 방출을 사용하여 "짧은" 파동을 증폭할 수 있다고 예측했다.
1947년에는 윌리스 E. 램 과 R. C. 레더퍼드가 수소 스펙트럼에서 겉보기 자극 방출을 발견하고 자극 방출을 처음으로 시연했다.1950년에는 Alfred Kastler[1]는 광 펌핑 방법을 제안했고 , 2년 후 Brossel, Kastler, Winter가 이를 실험적으로 입증했다.
레이저에 앞서서는 마이크로파를 사용하는 메이저(maser)가 개발되었다. 1951년에 조셉 베버는 자극 방출을 사용하여 마이크로파 증폭기를 만드는 방법에 대한 논문을 1952년 6월 오타와에서 열린 Institute of Radio Engineers Vacuum Tube Research Conference에 제출했다. 이 프레젠테이션 이후 RCA는 베버에게 이 아이디어에 대한 세미나를 해달라고 요청했고 찰스 타운스는 그에게 논문 사본을 요청했다.
1953년에는 Charles H. Townes와 대학원생 James P. Gordon , Herbert J. Zeiger는 최초의 마이크로파 증폭기를 제작했다. 이는 레이저와 비슷한 원리로 작동하지만 적외선이나 가시광선이 아닌 마이크로파 복사를 증폭하는 장치였다.Townes의 메이저(maser)는 연속 출력이 불가능했다.
동시기에 소련에서는 Nikolay Basov와 Aleksandr Prokhorov가 독립적으로 양자 발진기를 연구하고 두 개 이상의 에너지 준위를 사용하여 연속 출력 시스템의 문제를 해결했다. 이러한 이득 매질은 바닥 상태가 아닌 들뜬 상태와 더 낮은 들뜬 상태 사이에 자극 방출을 방출할 수 있어 밀도 반전을 유지하기가 용이했다. 1955년에 Prokhorov와 Basov는 레이저 펌핑의 주요 방법이 된 밀도 반전을 얻는 방법으로 다중 레벨 시스템의 광학 펌핑을 제안했다.
한편, 타운스는 닐스 보어, 존 본 뉴먼, 르웰린 토머스를 비롯한 여러 저명한 물리학자들이 메이저 기술이 하이젠베르크의 불확정성 원리를 위반하여 작동할 수 없다고 주장했다고 보고했다. Isidor Rabi 와 Polykarp Kusch와 같은 다른 사람들은 그것이 비실용적이고 노력할 가치가 없을 것이라고 예상하는 등 회의론도 있었다.
이후 1964년에는 타운스, 바조프, 포로코로프는 "메이저-레이저 원리를 기반으로 하는 발진기와 증폭기의 구축으로 이어진 양자 전자 분야 의 기초 연구"에 대한 공로로 노벨 물리학상을 공동 수상했다.
1957년 4월에 일본의 공학자 니시자와 준이치가 특허 출원에서 반도체 광학 메이저(semiconductor optical maser )라는 개념을 제안했다.
같은 해에 당시 Bell Labs 에 있던 Charles H. Townes와 Arthur Leonard Schawlow는 적외선 "광학 메이저"에 대한 진지한 연구를 시작했다. 아이디어가 발전함에 따라 그들은 적외선 복사를 포기하고 대신 가시광선 에 집중했다. 1958년에 Bell Labs는 제안된 광학 메이저에 대한 특허를 출원했고 Schawlow와 Townes는 1958년에 출판된 Physical Review 에 이론적 계산 원고를 제출했다.
동시에 컬럼비아 대학 대학원생 고든 굴드는 들뜬 탈륨의 에너지 준위에 대한 박사 학위 논문을 쓰고 있었다 . 굴드와 타운스가 만났을 때, 그들은 일반적인 주제로서 방사선 방출 에 대해 이야기했다. 그 후 1957년 11월에 굴드는 개방형 공진기 (나중에 필수적인 레이저 장치 구성 요소) 를 사용하는 것을 포함한 "레이저"에 대한 자신의 아이디어를 언급했다 . 게다가 1958년에 프로호로프는 개방형 공진기를 사용하는 것을 독립적으로 제안했고, 이 아이디어가 처음으로 출판되었다. 한편, 숄로우와 타운스는 개방형 공진기 레이저 설계를 결정했습니다. 프로호로프의 출판물과 굴드의 미공개 레이저 작업을 알지 못했던 듯하다.
1959년의 한 회의에서 Gordon Gould는 The LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation이라는 논문에서 처음으로 "LASER"라는 약어를 발표했다. 굴드의 의도는 스펙트럼의 다른 부분에 대해 다른 "-ASER" 약어를 사용해야 한다는 것이었다. 즉, X선은 "XASER", 자외선은 "UVASER" 등으로 사용해야 했다. 결국 "LASER"는 마이크로파가 아닌 장치를 나타내는 일반적인 용어가 되었지만, "RASER"는 잠시 동안 무선 주파수 방출 장치를 나타내는 데 널리 사용되었다.
Gould의 노트에는 분광법 , 간섭법 , 레이더 , 핵융합 과 같은 레이저의 가능한 응용 분야가 포함되었다 . 그는 아이디어를 계속 개발하여 1959년 4월에 특허 출원을 제출했다 . 미국 특허 및 상표청 (USPTO)은 그의 출원을 거부하고 1960년에 Bell Labs 에 특허를 수여했다.
이는 28년간의 소송을 불러일으켰으며, 과학적 명성과 돈을 걸고 진행되었다. Gould는 1977년에 첫 번째 소규모 특허를 획득했지만, 연방 판사가 USPTO에 광학 펌핑 및 가스 방전 레이저 장치 에 대한 특허를 Gould에게 발급하도록 명령했을 때인 1987년이 되어서야 그는 첫 번째 중요한 특허 소송에서 승소했다 . 레이저를 발명한 공로를 어떻게 할당할 것인가에 대한 문제는 역사가들에 의해 여전히 해결되지 않았다.
1960년 5월 16일에는 Theodore H. Maiman은 컬럼비아 대학의 Townes, Bell Labs 의 Arthur L. Schawlow 및 TRG(Technical Research Group) 회사의 굴드를 포함한 여러 연구팀보다 앞서 캘리포니아 말리부의 Hughes Research Laboratories에서 최초의 작동하는 레이저를 작동 시켰다. Maiman의 작동 레이저는 플래시램프 로 펌핑하는 합성 루비 결정을 사용하여 694나노미터 파장의 적색 레이저 광을 생성했다. 이 장치는 3단계 펌핑 설계 방식 때문에 펄스 작동만 가능했다. 그해 말, 이란의 물리학자 Ali Javan 과 William R. Bennett Jr. , Donald R. Herriott가 헬륨 과 네온을 사용하여 적외선에서 연속 작동이 가능한 최초의 가스 레이저를 제작했다[2]. 나중에, Javan은 1993년에 Albert Einstein World Award of Science를 수상했다.
1962년에 Robert N. Hall은 갈륨과 비소로 만들어지고 850nm의 스펙트럼의 근적외선 대역에서 방출되는 최초의 반도체 레이저를 시연했다. 그해 말에 Nick Holonyak Jr.는 가시광선을 방출하는 최초의 반도체 레이저를 시연했다. 이 최초의 반도체 레이저는 질소가 액화되는 온도에서의 펄스 빔 작동에서만 사용할 수 있었다. 1970년에 소련의 Zhores Alferov 와 Bell Labs의 Izuo Hayashi와 Morton Panish도 이종 접합 구조를 사용하여 상온 연속 작동 다이오드 레이저를 독립적으로 개발했다.
3. 원리
원자들은 안정된 상태에 있다가 에너지를 받으면 전자들이 들뜨게 되어 에너지가 높아진다. 이 상태는 에너지가 높아 굉장히 불안정하기 때문에 이내 빛을 내면서 안정된다. 이를 자연 방출이라고 한다. 이 과정을 통해서 나온 빛은 위상과 파장이 각기 달라 잘 퍼지게 되고 멀리 가지 못한다. 이는 우리가 흔히 보는 빛이라고 생각하면 된다. 하지만 들떠 있는 순간의 원자가 자신이 자연 방출하는 빛과 동일한 파장의 빛과 충돌하면 파장과 위상, 진행 방향이[3] 동일한 빛을 방출하는 성질이 있다. 이를 유도 방출이라고 하는데, 레이저는 이 원리를 이용한다.참고로 방출되는 파장의 길이에 따라 유도방출이 얼마나 잘 일어날지를 계산해 볼 수 있다. 이는 양자역학이나 광학을 배우면 알 수 있으며, 자세한 내용은 페르미의 황금법칙(Fermi's Golden Rule)을 참고해보자.
매질을 사용하는 일반적인 레이저의 경우, 내부에 좌우로 거울이 설치하여 광공진기를 구성하여 그 사이에 레이저 발진에 쓰이는 물질을 넣어 놓는다. 이때 한쪽은 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부분 투과시키는 반투명 거울을 사용한다.[4] 그리고 사이의 물질을 자극하면[5] 빛이 거울 사이를 몇 백 번을 왕복하면서 거울로 수직 반사되는 빛만이 남아 유도 방출로 인해 서서히 빛이 가지런히 정렬된다. 그리고는 이런 과정을 거쳐 일정한 에너지 이상이 되면서 레이저광으로 방출된다. 공진기의 거울 배열이 각도가 1도만 틀어져도 레이저 빔이 발진이 안되기 때문에 매우 예민한 부분.
또한 물질마다 들뜬 상태에서 바닥 상태로 전환될 때 방출하는 에너지의 크기가 다른데 이 때문에 물질마다 파장이 다르며 레이저의 매질로 사용되는 물질에 따라 레이저가 가지는 색깔과 에너지가 결정된다.[6] 네온에서는 빨간색, 헬륨에서는 노란색, 아르곤에서는 파란색, 이산화탄소일 경우 방출되는 빛의 파장이 가시광선의 범위를 벗어나 적외선임으로 무색이다.
3.1. 구성요소
- 이득매질: 레이저의 기본이 되는 물질
- 공진기: 주로 한쌍의 거울을 사용
- 펌핑장치: 이득매질을 바닥상태에서 들뜬상태로 만들어주는 장치
4. 구분
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2009년 기준, 상업적으로 이용 가능한 레이저들 (가로축: 진폭, 세로축: 로그스케일화 된 전력 및 에너지) 위쪽은 특정 파장에 고정된 레이저들이고, 아래쪽은 가변파장 레이저들이다. |
레이저란 통상 이득매질의 형태에 따라 구분이 된다. 펌핑방법은 항목별로 설명.
4.1. 고체 레이저
가장 먼저 개발된 레이저는 루비[7][8] 레이저이며, 이는 3준위의 에너지 준위를 갖는 레이저로, 발진 파장은 694nm의 가시 영역에 속한다. 3준위 레이저의 특징답게 에너지를 많이 잃어버려 효율이 떨어지지만, 발진 파장대가 색소에 다소 예민하게 반응하기 때문에 문신 같은 걸 제거하는 용도로는 여전히 응용되고 있다.대표적인 고체 레이저로는 의료용 및 산업용으로 널리 쓰이는 Nd:YAG 레이저[9][10]를 들 수 있다. 기본 발진 파장은 1064nm 이며 4준위 레이저로 고출력이 가능하다. Nd:YAG 레이저는 이산화탄소 레이저와 함께 가장 많이 사용되는 산업용 레이저다.
대부분의 고체 레이저는 빛을 사용하는 광펌핑을 이용한다. 레이저 다이오드가 개발되기 전에는 대부분 제논 방전관[11] 같은 방전식 램프를 사용한 광펌핑을 하였으나, 최근에는 레이저 다이오드 개발에 따라 레이저 다이오드로 광펌핑한 고체 레이저(Diode Pumped Solid State Laser, DPSS)가 많이 개발되고 있다.
4.2. 가스 레이저
헬륨-네온 레이저 구성도
이득매질이 기체로 이루어진 레이저. 헬륨-네온(He-Ne) 레이저, 이산화탄소(CO2) 레이저 등이다. 기체 레이저는 가스의 특성으로 인해 대부분 유리관 등의 용기를 사용하여 이득매질이 되는 가스를 가두어 쓰며, 펌핑 작용으로는 기체방전을 주로 이용한다.
헬륨-네온 레이저의 경우 실제 빛을 내는 원소는 네온이며, 헬륨은 단지 네온을 효율적으로 들뜬 상태에 이르도록 하기 위하여 사용된다. 헬륨과 네온의 혼합비는 5:1 ~ 10:1 사이값을 가지며, 튜브에 수 torr[12]의 압력으로 혼합가스를 채워 밀봉한 유리관을 많이 쓴다. 대표적인 발진 파장은 3.39μm, 1.15μm, 0.633μm가 있다. 해외에서 납땜 조립용 헬륨-네온 레이저 키트를 온라인에서 판매하는데 국내에서 라디오 조립을 많이 하는것처럼 해외의 전자기기 매니아들 사이에서는 인기가 많다. 다만 가격은 40만원 수준으로 매우 높은편. 사실 돈 5만원 정도만 있으면 이보다 더 보기좋고 황홀한 무드를 즐길 수 있는 대형 플라즈마 구를 구매할 수 있는데, 굳이 8배 이상이나 높은 가격을 주고 딱히 크게 쓸모도 없는 레이저 키트를 구매하는게 좋은 생각일지는 개인 마음이다. 그냥 보기에 신기한 레이저를 원하자니 프레젠테이션에 사용도 가능한 레이저 포인터가 저렴한 가격으로 걸출하게 버티고 있다.
이산화탄소(CO2) 레이저는 대표적인 4준위 가스 레이저이고, 따라서 고출력을 가진다. 효율적인 펌핑을 위하여 이산화탄소 가스 이외에 질소가스를 혼합한 방전을 많이 사용하며, 기본 발진파장은 10.6μm 이다. 개발 초기에는 수W의 출력을 가졌으며, 최근에는 수백W 이상의 출력을 가진 레이저가 개발되어 산업현장에 응용되고 있다. 산업에서 금속이나 세라믹을 절삭하는 이산화탄소 레이저는 평균 출력이 보통 1kW 이상이며(보통 연속발진 모드로 많이 사용된다.) 세계적으로는 레이저 미사일 요격 시스템 연구용으로 100kW를 초과하는 출력도 목표로 연구가 되고있다. 당연히 가격과 크기는 출력에 비례해서 올라간다.
장점
- 이득매질이 가스이므로 이를 넣는 용기의 조절만으로 이득매질의 크기를 쉽게 크게 할 수 있다.
- 매질이 손상을 받지 않는다.
- 물질이 상대적으로 싸다(보통 Nd:YAG 단결정의 경우 크기에 따라 보통 수십만원에서 수백만원을 호가하지만 이산화탄소 레이저는 그냥 매질 자체가 저렴한 가스이며 가스를 흘려주는 유리 용기만 있으면 된다).
- 기체의 특성상 신속한 열교환이 이루어진다. 특히 일부 장비의 경우 유리관에 냉각수를 흘려보낼수 있는 구조로 만들어서 수랭이 가능하게 만들어놓은 경우도 있다.
- 공진기 방향으로 정렬된 가스관을 밀봉 할 때 브루스터 각도를 이루는 창으로 밀봉함으로써 발진되는 빛의 한 쪽 진동성분이 브루스터각에 의하여 제거되므로 선편광된 레이저를 쉽게 얻을 수 있다.
단점
- 기체를 담기 위한 용기(주로 유리재질)를 사용하므로 고체레이저 등에 비하면 내구성이 떨어진다.
- 가스의 누설 등으로 수명이 짧다.
4.3. 반도체 레이저
이름에서 볼 수 있듯이 이득매질로 반도체를 사용하는 레이저. 일반적인 레이저 다이오드의 p형과 n형의 반도체를 접합한 상태에서 전류를 흘려주는 펌핑 작용을 통해 전자와 정공이 만나 안정된 상태로 돌아가면서 발생하는 빛을 사용하는 과정을 거친다.최근엔 양자 폭포 레이저(Quantum Cascade Laser)가 활발히 연구 되고 있는데 주로 장파장의 발진 파장을 위해 연구 되고 또 상용화되고 있다. 일반적인 레이저 다이오드의 경우는 발진파장이 active region의 밴드갭에 비례하는데 반해, 일반적인 양자 폭포 레이저의 경우는 intraband cascade 의 원리를 이용하여 아주 세심한 증착방법과 (Molarcular beam epitaxy 혹은 MOCVD) 디자인을 통해 (주로 8 band k dot p가 사용된다.) 아주 얇은 증착층을 수십에서 수백층이상 쌓아 컨덕션 밴드 내의 높은에너지 레벨에서 낮은 에너지레벨을 차이를 engineering하여 전자만의 이용해 발진 파장을 조절한다.발진파장은 주로 4µm ~ 수십µm까지 입증되었다. 하지만 hole과 electron을 모두 이용하는 interband cascade laser또한 활발히 연구되고 있고 주로 2µm~4µm까지의 발진파장에 사용된다.
장점
- 높은 펌핑 효율
- 작은 크기
단점
- 큰 발산각[13]
Si, GaAs 등 다양한 반도체 물질을 사용하며, 미량의 불순물을 첨가하여 레이저의 발진 파장을 조절 할 수 있다.
Si은 직접천이형이 아니고 또 그위에 직접 천이형 물질증착이 매우! 어렵기 때문에 Monolithic integration이 목적이 아닌 이상 잘 쓰이지 않는다. 주로 희토류의 경우엔 미량의 불순물이지만 이방법은 반도체 레이저에서 잘 사용되지 않고 레이저 다이오드의 경우 발진파장은 주로 active region의 alloy형성으로 조절이 된다. 주로 GaAs의 기판의 경우 일반적인 Quantum well이나 Quantum dot active region으로 커버할수 있는 발진파장이 (700nm ~ 1.3µm)인데 반해 InP의 기판의 경우 (930nm ~2µm)까지 InGaAsP 혹은 AlGaInAs를 통해 조절이 가능하다.
4.4. 색소 레이저
옷을 염색할 때 사용하는 염료를 에탄올 등에 혼합한 액체를 이득매질로 쓰며, 광학적인 펌핑을 주로 사용한다. 염료의 농도를 조절하면 발진하는 레이저 빛의 파장을 가변할 수 있는 장점이 있어서 분광학에 널리 쓰고 있다. 대표적인 레이저 발진용 염료로는 로다민 6G 가 있다. 그러나 이득매질로 사용되는 액체의 특성상 물리적 화학적인 외부요인에 의한 매질의 손상이 쉽고, 이로 인해 빔의 정밀제어가 어려운데다가, 유지 보수에 많은 애로 사항이 발생하여 실용적인 문제점이 많다.4.5. 펄스 레이저
Mode Locking 등의 특수한 기법을 통해 펄스의 폭이 극단적으로 짧은 레이저를 만든다. 펄스의 폭이 짧은 것은 수 펨토초 수준이며, 펄스의 폭이 펨토초 수준으로 짧아지면 매질로 열에너지가 전달되는 시간보다 접촉시간이 짧아져 열손상을 상당수 줄일 수 있는 등의 장점이 있으나, 이에 반비례하여 레이저의 스펙트럼이 넓어진다. 이는 시간-에너지 불확정성의 원리에서 시간이 짧아지면 에너지의 불확정성이 커지는 것에서 기인한다. 이것 외에도 다양한 특성을 가지고 있으므로, 연구, 가공 등 여러가지 분야에서 사용된다.4.6. 광섬유 레이저
광섬유 코어에 희토류 입자등을 도핑하여 펌프 레이저를 도파시키면 희토류 이온의 전자가 들뜨게되어 밀도 반전(population inversion)이 일어나게 되는데, 여기에 이보다 짧은 파장의 빛을 도파시키면 그 파장의 빛이 증폭된다. 가장 흔한 것은 976 혹은 1480 nm의 파장으로 펌핑하여 광섬유 통신에 쓰이는 1550 nm의 빛을 증폭시키는 어븀 도핑 광섬유. 장거리 통신에서 손실되는 빛을 벌충해 주는 목적으로 사용된다. 또한, 광섬유레이저는 직경이 좁으며 길이가 길다는 기하학적 특성에 기인하여, 열 관리가 용이하며 빔 품질을 좋게 할 수 있다는 이점이 있어서, kW 급 고출력 레이저 기술에도 응용된다. 이때, 주로 쓰는 광섬유는 976 nm의 파장에서 펌핑하여 1064 nm의 빛을 증폭시키는 이터븀 도핑 광섬유.4.7. 화학 레이저
말 그대로 화학 반응을 이용해서 밀도반전과 유도방출을 일으키는 레이저다. 대량의 화학약품을 반응시킬 수 있기 때문에 연속발진 형으로 MW급 고출력도 가능하며, 주로 ABL 등 미사일 요격 용도의 군용 레이저로 연구되었다. 하지만 사용되는 화학약품 자체가 워낙 독성도 강하고 폭발 등의 위험성에 있어 상당히 위험해 현재는 그 성능적 이점에도 미군은 화학 레이저에 대한 모든 개발 및 실험을 중단했고, 광섬유 레이저 등으로 대체하고 있다. (삼불화 질소, 불화수소, 불화중수소, 염소, 요오드 전부 다 독성물질이고, 수소는 고폭발성, 중수소도 고폭발성 물질이다.) 크게 다음 세 가지 화학레이저가 있다.-
불화수소 레이저
에틸렌과 삼불화질소를 반응시켜 불소 라디칼 생성물을 만든다음 불소 라디칼을 수소 혼합가스와 반응시켜 높은 에너지 준위를 가지는 불화수소를 생성하고, 불화수소가 유도방출이 이루어지면서 2.8µm 파장의 강력한 빔을 얻는다. 대기중에서 빔이 잘 감쇠되므로 주로 대기권 외부에서의 사용에 적합하다.
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불화중수소 레이저
불화수소 레이저와 비슷하지만 수소 혼합가스 대신에 중수소 혼합가스를 반응시킨다. 불화중수소의 유도방출로 레이저가 발진되는데 발생되는 빔의 파장은 3.8µm이며 대기중에서 빔이 잘 감쇠되지 않기 때문에 공기중에서 사용이 유효하다.
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화학 산소 요오드 레이저
수산화칼륨, 과산화 수소를 염소가스와 반응시켜 높은 에너지준위를 가지는 산소를 생성시킨 후, 산소를 요오드 가스와 반응시켜 에너지를 요오드 원자에 전달한 후 요오드가 유도방출을 하면서 1.315µm의 강력한 빔을 발진하는 원리다.
5. 레이저의 응용
빛을 내는 물건이기에 당연히 조명으로 이용할 수 있다. 일반적인 조명은 아니고 노래방 등에서 미러볼 대용으로 쓰는 특수조명 종류이다. 프로젝터의 광원으로도 사용한다.레이저 포인터는 레이저 빛이 거의 퍼지지 않는 특성을 이용하여 특정 물체를 지시하는데 사용된다.
5.1. 산업용
레이저를 이용한 CNC 커팅 사진 출처
산업현장에서 레이저는 절단, 천공, 용접 등의 용도로 폭 넓게 사용중이며, 이 외에 정밀계측 분야에서도 응용되고 있다.
레이저를 이용한 금속 또는 플라스틱의 가공은 레이저의 에너지를 열 에너지로 바꾸어 활용하는 것으로, 이를 이용한 공정이 깨끗하고 정확하며 경제적이다.
주로 사용되는 레이저는 Nd:YAG 레이저와 CO2 레이저가 있다. 레이저 가공 참조.
또한 CD, DVD 등의 정보 저장 및 재생의 기능에 응용되고 있으며, 광통신에도 사용되는 등 정보통신용 광소자로도 이용되며, 이 분야에는 대부분 반도체 레이저를 쓴다.
건설현장에서 수평 또는 수직의 기준선을 설정하고 두 위치 사이를 정밀하게 측정 하는 등의 용도로 많이 사용한다.
레이저는 특성상 파장이나 펄스를 조절할 수 있기 때문에 특정 재료만 녹이거나, 녹이는 형태의 조절이 가능해서 절단 이외에도 다양한 사용방법이 있다.
미세하게 깎는 출력으로 조절하거나 특정 물질에만 흡수되는 파장을 사용하여 녹이나 페인트, 먼지 등을 제거하거나 용접용으로 사용할 경우는 본체가 그럭저럭 크긴 하지만 손에 들고 사용할 수 있을만큼 소형화가 이루어져 기타 용접들보다 쉬운 용접이 가능하게 되었다. 현재는 아예 기기 하나로 용접, 절단, 녹 제거를 모두 하는 제품까지 나왔다. #
레이저 커팅기를 이용하여 금속재 및 부품을 가공하는 업체로는 Xometry (미국). Fifth Metal 바로발주 등이 있다.
CPU 등의 집적회로 등을 생산할 때에도 회로 모양의 가림판으로 가린 뒤 레이저로 회로를 실리콘 웨이퍼에 새긴다.
5.2. 의료용
가장 많이 사용되는 레이저는 자외선 대역의 엑시머[14] 레이저와 적외선 대역의 Nd:YAG 레이저이다.장점
- 기존의 절개치료를 대체할 수 있어 시술이 간단하고 회복이 빠르다. 심지어 봉합도 필요없다.
- 제거하고자 하는 세포 조직이 잘 흡수하는 파장을 선택하여 치료함으로써 주변의 건강한 세포에 영향을 주지 않으면서 해로운 세포를 제거할 수 있다.
기존 라식, 라섹등 각막의 두께를 조절하는 치료와 피부를 치료하는 범주를 넘어서 21세기 이후에는 혈관에 광섬유를 넣어 내부에 있는 세포까지 레이저가 도달하도록 하여 절개하지 않고 내부에 이상이 있는 부위를 치료하는 기법이 사용되고 있다.[예]
또 탄산가스 레이저는 피부과에서 많이 사용하는데 부작용이 적어 많이 사용된다. 탄산가스 레이저는 10600nm(나노미터)의 파장을 가진 것으로 조직의 수분에 흡수되는 성질을 이용하여 피부조직에 레이저 광선을 조사하면 피부 조직에 열에너지가 전달되어 조직의 수분이 기화됨으로써 피부가 깎아져 나가는 원리를 이용한 것이다. 또한 피부에는 영향이 적지만 잉크를 분해시키는 파장으로 문신한 피부 아래의 잉크와 함께 잉크를 머금은 대식세포를 분해시켜 잉크를 몸 밖으로 배출할수 있도록 하여 문신을 지우는 데에도 사용 가능하다.
탄산가스 레이저는 대부분 바르는 마취연고를 사용하여 시술이 가능하며 시술 후 2-3일 후부터 세안이나 화장이 가능할 정도로 간편하다. 탄산가스 레이저의 경우 치료 후 비교적 통증과 부종이 심하지 않고 레이저 자체가 살균력이 있으므로 치료 후 감염될 확률이 적은 장점이 있다.
레이저 시술의 부작용으로는 치료한 부위에 발생하는 색소 침착이 가장 흔하며, 이외에 색소 저하증, 홍반, 반흔등이 있을 수 있다. 이러한 부작용들은 시술 전 처치 혹은 후 처치를 통하여 최소화할 수 있다. 검버섯, 한관종, 점, 여드름 흉터, 비립종, 쥐젖, 황색종, 표피모반 등의 치료에 이용되고 있다. 탄산가스 레이저 출처
5.3. 군용
| 미 해군 레이저무기체계 (LaWS) PR Video |
레이저의 특성이 군사적으로 유용했기 때문에, 레이저는 발견 이래 군사무기에 절찬리에 활용되었다. 이 부분에서 가장 유명한 것이 레이저 거리 측정기와 회전각을 검출하는 링 레이저 자이로스코프이다. 이 외에 모의 전투훈련, 미사일 유도장치(Laser Designator) 등에 사용되고 있다.
레이저 거리 측정기는 초기에 루비 레이저를 사용하였으나, 적의 눈에 인지되는 단점과 사람의 눈에 손상을 줄 수 있다는 단점 때문에,[16] 최근에는 눈에 영향을 주지 않는 1.6μm 대역의 라만 레이저, OPD 레이저 등을 고반복률로 만들어 사용하는 추세에 있다.
냉전기 이후 기술의 발달로 레이저 발생장치가 소형화되어, 보병들의 조준 보조 및 보정용으로도 사용된다. 영화나 게임 등에서 자주 나오는 저격수의 빨간 레이저 빔을 생각하면 편하다.[17] AN/PEQ-2 ITPIAL이나 AN/PEQ-15 ATPIAL 등이 대표적 사례. 현대 보병전이 사실상 근접전이 되어감에 따라 근거리에서 목표를 빠르게 조준, 사격하여 상대방을 제압 내지 사살하는 방향으로 흘러가다보니 상대방에 대한 조준 시간을 단축하는 것이 현대 보병의 주요 발전 방향이 되고, 이에 따라 여러 방법 가운데 하나로 위의 물건들이 나오게 된 셈. 다만 홀로그램 도트 사이트가 조준경 안에서 레이저를 여러번 반사시켜서 조준점에 상을 투영하는 방식이다.
여기에서 한 발 더 나가 레이저에 암호를 걸어 아군의 공격을 정확하게 유도하기도 한다. 페이브웨이 등의 레이저 유도폭탄부터 헬파이어 미사일 등의 각종 유도무기가 등장하였으며 이를 별도로 유도하기 위한 단독 장비 또한 생겨났다. AN/PEQ-1 SOFLAM이 대표적 사례로, 이 녀석은 이 기능이 없었다면 그냥 프로젝터 닮은 네모박스 모양의 망원 단안경 그 이상도 이하도 아니다. 사실 이 녀석 자체가 '암호화된 레이저를 쏘는 레이저 포인터' 정도의 물건이 필요했던 미군 특수부대들을 위해 만들어진 측면이 크다. 당연히 이녀석이 발사하는 레이저는 일반 레이저와는 차원이 다른 레벨의 물건이다.
레이저와 연동되는 무기체계를 방어하기 위해 레이저 수신 경보기(LWR, Laser Warning Receiver 또는 LWS)가 개발되었다. 최근의 전차용 LWR은 포탑 구동장치와 연동하여 거리측정 레이저를 감지하면 바로 해당 방향으로 자동으로 포탑을 돌려 두꺼운 포탑 전면 장갑을 들이대는 기능을 갖추고 있으며, 레이저 감지시 자동으로 연막을 뿌리기도 하거나[18], 능동 방호 체계와 연동하기도 한다.
5.3.1. 광학 병기
5.4. 과학실험용
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| 원형 | 사이클로트론 · LHC · 테바트론 | ||
| 검출 | ATLAS · CMS · ALICE · LHCb | ||
| 기타 | 물리화학 | ||
각종 실험실에서 중소규모의 레이저를 많이 사용한다.
최근엔 산업용이나 군사용 레이저 보다 비교할 수 없을 정도로 출력이 높은 레이저를 사용하고 있으며, 이를 위해 시설 전체가 레이저 생성기와 전원 부분으로 가득찬 거대한 시설들이 많다. 이 레이저를 이용해서 핵융합, 재료공학, 물리실험,
각국에 대표적인 레이져 시설은 아래와 같다.
- NIF(National Ignition Facility) - 미국의 500테라와트급 대규모 레이저 시설 - NNSA 산하 연구소인 로렌스 리버모어 국립 연구소에 위치해 있는데, 이 비싼 걸로 뭘 할까?
- ELI(Extreme Light Infrastructure) - 유럽연합의 대규모 레이저 시설
- LIL(Laser Integration Line) - 프랑스의 거대 규모 레이저 시설
- XCELS(Exawatt Center for Extreme Light Studies) - 러시아의 엑사와트급 대규모 레이저 시설
- LFEX(Laser for Fast Ignition Experiment) - 일본의 페타와트급 거대 규모 레이저 시설
- SULF(Superintense Ultrafast Laser Facility) - 중국의 거대 규모 레이저 시설
달 표면에는 레이저 반사용 거울이 설치되어있으며, 이를 통해 달에 레이저를 쏴 지구와 달 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있다.
5.5. 통신용
레이저를 통해 디지털 신호를 송신할 수 있으며, 광섬유를 통한 데이터 통신이 가장 대중적인 광통신이다. 광섬유를 통하지 않더라도 강한 직진성을 이용해 수신부를 향해 레이저를 비추는 지향성 초고속 데이터 통신이 가능하다. 다만 지향성 레이저 통신은 수신부의 위치를 정확히 알고 있어야 하며, 군용 통신으로 사용할 경우 레이저가 탐지되면 송수신부의 위치가 쉽게 역탐지될 수 있다.5.6. 기타
5.6.1. 레이저 포인터
해당 문서 참조.6. 안전 기준
| 레이저 종류 |
파장 (μm) |
등급 분류 | |||
| 1등급 | 2등급 | 3등급 | 4등급 | ||
| He-Ne(연속) | 0.6328 | 6.98μW | 1mW | 0.5W | >0.5W |
| Ar-ion(연속) | 0.515 | 0.4μW | 1mW | 0.5W | >0.5W |
| CO2(연속) | 10.6 | 0.8mW | - | 0.5W | >0.5W |
| CO2(100ns, 펄스) | 10.6 | 80μJ | - | 10J/cm2 | >10J/cm2 |
| Nd:YAG(연속) | 1.06 | 0.2mW | - | 0.5W | >0.5W |
| Nd:YAG(20ns, 펄스) | 1.06 | 2μJ | - | 0.16J/cm2 | >0.16J/cm2 |
미국표준협회(ANSI)는 레이저에 대하여 4단계로 안전등급[19]을 분류하고 있다.
- 1등급: 사람 눈에 노출되었을 때 손상이 거의 발생하지 않는 수준. “eye-safe”라는 용어를 사용할 수 있는 유일한 등급.
- 2등급: 순간적인 노출(눈 깜빡임이 이루어지는 0.25 초의 시간)에는 안전하지만 의도적으로 광선을 응시하는 경우에는 위험할 수 있는 수준. 특히 2M등급의 경우엔 망원경이나 쌍안경 등의 광학장치를 이용하여 볼 경우 눈에 상해를 입을 수 있으므로 주의가 필요함.
- 3등급: 순간적인 노출에도 해로울 수 있는 수준. 보통은 시각에 손상을 일으키지만, 3B등급의 경우 단순히 시각의 손상이 아니라 아주 작은 피부 손상을 일으킬 수 있으며 부상을 입히거나 인화성 물질을 발화시킬 위험이 있음.
- 4등급: 직접 노출은 물론이고 분산 반사에 의한 노출에도 손상효과가 일어날 수 있는 수준의 고출력 레이저.
7. 창작물
SF 작품들에 자주 등장하는 소재 중 하나다. 그 중에서도 주로 레이저를 무기화한 광학 병기의 비중이 크다.8. 관련 문서
[1]
1966년 노벨 물리학상 수상자
[2]
미국 특허 3,149,290
[3]
빛은 입자, 파동의 이중성을 지닌다. 파장은 마루(봉우리)와 마루 골짜기와 골짜기사이의 길이의 말하는 것이며, 위상은 물결의 어긋남을 뜻한다. 동위상은 물결이 어긋나 있지 않고 겹쳐져 있는 것이다. 따라서 이경우의 빛은 잔잔한 수면 위의 정련된 깨끗한 물결과 같다고 할 수 있다.
[4]
둘 다 반사 100%인 거울을 사용한다면, 충분한 에너지가 공급된다는 가정하에 진짜로 폭발하게 된다.
[5]
전기를 집어넣거나, 아님 강한 빛, 화학반응, 혹은
핵분열등이 사용된다.
[6]
매질뿐만이 아니라 다른 구성 요소의 영향도 받는다.
[7]
산화알루미늄(Al2O3)에 미량의 크롬(Cr)이 첨가된 세라믹 소재다.
[8]
다만 천연루비는 불순물이 많아서 인공루비를 사용한다.
[9]
네오디뮴-야그, 엔디-야그 등으로도 불린다
[10]
YAG(Y3Al5O12) 세라믹에 희토류 금속인
네오디뮴(Nd)이 미량 첨가된 고체.
[11]
흔히 카메라
플래쉬에 사용되는 램프이다.
[12]
1기압의 1/760이다. 대락 1 mmHg
[13]
다만 큰 발산각 또한 여러가지 photonic crystal과 external lense를 사용해서 충분히 극복 가능하다.
[14]
ArF 또는 KrF 등이 불안정하게 들뜬 상태.
[예]
결석, 궤양,출혈차단, 망막응고 등. 응용범위는 계속 증가 중.
[16]
특정 재래식 무기 금지 협약에 의해 사람을 목표로 하여 영구적인 시력 손상을 주는 광학 병기는 사용이 금지되어있으며, 레이저를 비추다가 아군에게도 피해를 주기 쉽기 때문이다.
[17]
다만 실제로는 은밀성 문제 때문에 저격수는 레이저 조준기를 사용하지 않는다. 그보다는 반대로 실내전투에 더 많이 쓰이는 편이다.
[18]
최근의
연막탄들은 무기체계에 사용되는 파장대역을 대부분 차단하는 연막을 친다.
[19]
이전에는 Class I, II, IIa, IIIa, IIIb, IV로 분류되었으나 최근 Class 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4로 분류. 자세한건
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