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목 차 |
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1. 레이저란 무엇인가? ………………………… (1) 레이저의 성질과 발전 (2) 레이저의 구성 (3) 레이저의 역사 |
1~5 1~2 3~4 4~5 |
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2. 레이저의 개념 ………………………………… (1) 레이저의 특징 (2) 빛의 흡수와 방출 (3) 메이저 (4) 레이저 (5) 전자기파의 증폭 (6) 빛의 증폭 (7) 원자 모형 (8) 원자에서 빛의 방출 |
5~12 5~6 6 6~8 8~9 9 10~11 11 12 |
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3. 레이저의 원리 ………………………………… (1) 빛과 물질의 상호작용 (2) 열적 평형상태 (3) 자발방출과 유도방출 (4) 밀도반전 (5) 매질에서의 빛의 증폭 (6) 열운동에 의한 도플러 효과 |
13~28 13~14 15~17 18~19 20~25 25~26 26~28 |
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4. 레이저의 종류 ………………………………… (1) 실제 레이저 (2) 루비 레이저 (3) 헬륨-네온 레이저 (4) 이산화탄소 레이저 (5) 반도체 레이저 (6) 펄스 레이저 |
29~38 29 29~31 31~32 32~34 34 34~38 |
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5. 레이저의 응용 ………………………………… (1) 산업적 응용 (2) 의학분야의 응용 (3) 통신분야의 응용 (4) 홀로그래피 분야의 응용 |
39~76 39~53 53~69 69~71 72~76 |
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6. 학습효과 |
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7. 참고문헌 |
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1. 레이저[Laser]란 무엇인가?
(1) 레이저의 성질과 발전
최근에 이르러 우리는 레이저란 단어를 매스컴을 통해서나 주위로부터 자주 듣게 된다. 이것은 레이저의 응용 범위가 넓어지면서 우리의 일상생활과 점점 밀접한 관계를 갖게 되었기 때문이다. 레이저 프린터, 레이저수술, 레이저 조명, 레이저에 의한 용접 등 레이저란 말이 상당히 익숙해져 있으나 최신 첨단 기술의 하나로써 신비롭게 생각하고 있을 것이다. 그러면 레이저란 무엇인가?
[그림1] 레이저광의 단색성
백열전구에서 나오는 빛은 빨주노초파남보의 여러 가지 색깔의 빛이 섞여 있으나 레이저빛에서는 한 가지 색깔만이 존재한다. 만약 두 가지를 프리즘으로 분산시켜 보면 그 차이를 알 수 있다.
둘째, 백열전구에서 나오는 빛은 전구에서 멀어지면 빛의 세기가 급격히 줄어들지만 레이저 빛은 거리가 아무리 멀더라도 빛의 세기가 거의 줄어들지 않는다. 이를 레이저빛은 지향성(directional)이 있다고 말한다. 일상생활에서 빛의 지향성을 갖도록 한 장치를 포물경으로 빛을 평형하게 반사시키는 플래쉬가 있는데 어느 정도의 지향성을 가지지만 레이저에 비해서는 떨어진다. 우리가 만약 야간 경기를 벌이고 있는 야구장에서 조그만한 He-Ne 레이저 (5mW)를 달로 향하게 하고 달 표면에서
지구를 본다면 어떻게 될 것인가? 수백 KW를 쓰고 있는 야구장은 보이지 않고 단지 세기가 백만분의 일 정도인 레이저 빛만 보이게 된다.
[그림 2. 레이저광의 지향성]
[그림 3. 레이저광의 간접성]
세번째의 중요한 성질은 레이저광은 간섭성(coherent) 빛이라는 것이다. 이것 또한 백열등에서 볼 수 없는 성질로 백열등에서 나오는 빛을 선속 분할기로 나눈 다음 중첩시키면, 스크린 상에 간섭무늬가 생기지 않으나 레이저 광에서는 밝고 어두운 띠모양의 간섭무늬를 볼 수 있다. 이것은 백열등의 빛이 무질서한 반면 레이저 빛은 질서 정연하기 때문에 가능한 것이다. 이런 세가지 성질로 백열등에서 나오는 빛은 캠퍼스에서 학생들이 이리저리 움직이는 양상에 비유되는데 반하여, 레이저 빛은 ROTC학생들이 행진하는 것에 비유된다. 다시 말하면 백열등에서 나오는 빛은 원자가 제각기 독자적으로 빛을 발생하는 경우이고 레이저 빛은 이웃한 원자들이 서로 긴밀한 관계를 가지고 있어서 전체 원자가 일사분란하게 빛을 내놓는 것이라고 말할 수 있다. 이러한 레이저광은 지구상에 서는 자연 상태로 존재하는 것은 아직 발견된 바 없고 특별히 인야 레이저광을 얻을 수 있다.
[그림 4. 재래광원과 레이저의 비교]
(2) 레이저의 구성
1) 레이저를 이루는 세 가지 구성요소
레이저는 한 쌍의 거울이다. 두 거울이 정면으로 마주보고 있으면 그 중 하나는 100%에 가까운 반사율을 가진 거울로써 입사하는 광을 전부 반사시키는 전반사경이고 다른 하나는 입사광 중 일부는 통과시키고 나머지는 반사시키는 거울로써 부분 반사경이라 불린다. 이 두 거울을 공진기 (resonator)라 한다. 둘째, 마주한 두 거울 사이에 특별한 원자(또는 분자)로 채워진 물체가 있다. 이것은 두 거울 사이를 왕복하는 빛이 유도과정으로 증폭되어 센 빛이 되도록 하는 광 증폭기(optical amplifier)이고, 셋째로, 증폭기가 광의 증폭이 가능하도록 외부에서 에너지를 가하는 장치인 펌프(pump)가 있다. 이 세가지는 특별한 경우를 제외하고는 거의 대부분 레이저에 있어서 공통적인 요소이다.
2) 증폭의 상태에 따른 레이저의 종류
레이저의 종류는 증폭기의 상태에 따라 기체레이저, 액체레이저, 고체레이저, 반도체레이저의 네 가지로 분류하는데 기체레이저에 속하는 것으로는, He-Ne 레이저, CO2 레이저, Ar 레이저 등이 있고 액체레이저로는 염료(dye)를 알콜, 에칠렌그리콜 등과 같은 용매에 녹여서 증폭기로 쓰는 색소 레이저(dye laser)가 있으며, 루비(ruby)레이저, Nd:YAG레이저 등은 대표적인 고체레이저이다. 반도체레이저는 요즘 응용도가 많은 GaAlAs 등이 있다. 레이저광의 파장범위는 100nm (1 nm=10-9m)의 자외선에서부터 가시광, 적외선을 거쳐 마이크로파에 해당하는 100m에 이르기까지 광범위하게 분포되어있으며 레이저 발진이 가능한 매질 또한 무수히 많다. 레이저는 발진 방식에 따라 연속(CW)동작 방식과 펄스(pulse)동작 방식이 있으며 연속 발진은 레이저빛이 일정한 세기로 나오는 것을 말하고, 펄스동작 방식은 순간적으로만 레이저빛이 발생하는 것을 말하는데 Q-switching이나 mode-locking등과 같은 1ns 이하의 매우 짧은 펄스를 만드는 기술도 개발되었다. 레이저 장치에서 나오는 레이저빛의 세기는 1mW 정도의 약한 출력에서부터 10 KW이상의 센 빛을 내는 산업용 대형 레이저도 있다. 특히 레이저에 의한 핵융합 연구에 쓰이는 대형 레이저는 1012W의 순간출력을 낸다.
레이저의 역사를 간단히 살펴보자. 레이저의 동작원리는 1917년 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어서 유도방출 과정이 있음을 이론적으로 보인 것이 시초이다. 그러나 그 후 20여년이 지난 1950년대 초반 미국대학의 타운즈(C. Townes)가 암모니아에서 마이크로파의 유도방출이 실험적으로 가능함을 처음으로 보였다. 곧이어 가시광 영역에도 유도방출에 의한 빛의 증폭이 가능함이 타운즈와 샬로우(A. Schawlow)의 연구에서 밝혀졌고, 실제로 1960년 휴즈(Hughes)연구소의 마이먼 (Theodore H. Maiman)에 의해 가시광 영역인 694.3 nm의 붉은색인 루비레이저광이 최초로 발진되었다. 그는 보석의 하나인 루비(ruby)를 나선형 플래쉬 램프 가운데 삽입하고 그 플래쉬램프를 터뜨려 센 빛을 루비에 입사시킴으로써 레이저의 발진에 성공한 것이다. 그는 이 성공으로 1964년 노벨 물리학상을 수상하였다. 루비레이저의 발진 직후 레이저의 연구는 가히 폭발적이라 할만큼 활발하여 1960년대에는 현재 중요하게 응용되는 대부분의 레이저가 개발되기에 이르렀다. 70년대와 80년대에는 레이저 자체의 연구 외에도 레이저의 응용연구가 많은 비중을 차지하여 오늘날 다양한 방면에서 레이저가 필수적인 장치로 각광을 받게 되었다.
(2) 레이저의 역사
레이저의 시초는 1916년 알버트 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어서 유도방출 과정이 있음을 이론적으로 보인 것으로부터 시작된다. 일반적으로 전자는 외부에서의 자극이 없어도 빛의 흡수 또는 방출을 계속하는 것으로 알려져 있었다. 아인슈타인은 전자가 낮은 궤도에 떨어져 1개의 광자를 방출할 때, 이를 촉진하는 광자는 흡수되지 않고 계속 진행하여 같은 에너지의 광자가 2개로 된다는 원리를 발견했고, 이는 1928년 R. 라덴베르크에 의해 실험으로 증명되었다. 그러나 이 유도 방출은 극히 적어서 그 대부분이 자연 방출, 즉 자연광이었다. 그 원인은 원자의 들뜬 상태가 100만분의 1초 이하로 지극히 짧아 적당한 광자가 유도 방출을 일으키게 하는 시간에 맞출 가능성이 거의 없었기 때문이다. 아인슈타인의 원리에는 유도 방출이 있었지만 레이저를 완성시키기 위해서는 빛의 증폭이 필요했다.
유도 방출을 증폭은 구 소련의 V. A. 파브리칸트와 두 명의 제자가1951년 특허 출원했지만, 이는 1959년까지 발표되지 않았기 때문에 다른 연구자들에게 영향을 주지 못했다. 1953년 메릴랜드(Maryland) 대학의 조셉 웨버 역시 유도 방출의 증폭을 제안하였으며 1954년 유도 방출의 빛 증폭에 관한 논문이 구 소련의 니콜라이 G. 바소프(N. G. Basov), 알렉산더 M. 프로호로프(A. M. Prokhorov)에 의해 발표되었다. 즉, 유도 방출을 계속하여 특정 파장의 빛을 방출하는 실용적인 장치를 만들고자 연구된 것은 1950년대 초로서 그 후 10년 미만 사이에 인류는 역사상 최초의 문명광의 발진에 성공하게 된다. 미국의 찰스 H 타운즈(C. H. Townes)는 빛이 아닌 마이크로파를 사용하여 암모니아 가스의 분자를 들뜨게 함으로써 최초의 유도 방출인 메이저(MASER)를 만들었다. 아서 L. 샬로우(A. L. Schawlow)는 타운즈와 협력하여 레이저의 기본 원리에 관한 미국 최초의 특허를 췩득하였다. 또한 그는 후에 원자나 분자의 성질을 레이저광을 사용해 연구하여 1981년 노벨 물리학상을 수상하였다.
고든 굴드는 타운즈의 메이저 개발에서 힌트를 얻어 1957년, 광메이저 장치의 원형을 설계하여 이것을 레이저라고 명명하였다. 굴드는 레이저가 지금까지 달성할 수 없었던 에너지 밀도를 창출할 수 있어서 실온에서 작동한 빔을 집광하여 강판을 녹일 정도의 에너지 밀도가 얻을 수 있을 것을 예상했다. 또한 초점에 모은 레이저 빔은 핵융합의 트리거나 달과의 교신에도 이용할 수 있을 것이라고 생각했다. 실제로 1960년 휴즈(Hughes)연구소의 메이먼(T. Maiman)에 의해 가시광 영역인 694.3nm의 붉은색인 루비 레이저광이 최초로 발진되었다. 그는 보석의 하나인 루비(ruby)를 나선형 플래시 램프 가운데 삽입하고 그 플래시 램프를 터트려 센 빛을 루비에 입사시킴으로써 레이저의 발진에 성공한 것이다. 이를 1960년 8월 Nature라는 가장 저명한 학술지에 게재하였다. 그는 이 성공으로 1964년 노벨 물리학상을 수상하였다. 루비 레이저의 발진 직후 레이저의 연구는 가희 폭발적이라 할만큼 활발하여 1960년대에는 현재 중요하게 응용되는 대부분의 레이저가 개발되기에 이르렀다. 1960년 겨울에 벨 연구소(Bell lab)에서는 He-Ne 기체 레이저를 처음으로 제작하였다. 이 후 1962년 반도체 레이저도 만들어졌다. 1970년대와 1980년대에는 레이저 자체의 연구 외에도 레이저의 응용연구가 많은 비중을 차지하여 오늘날에는 CD 플레이어, CD-ROM, DVD같이 일상적인 용도부터 광파이버 통신, 레이저에 의한 정밀측정, 레이저의료, 레이저 가공등 종래에는 불가능하다고 한 미지의 영역, 다양한 방면에서 레이저가 필수적인 장치로 각광받게 되었다.
2. 레이저의 개념
(1) 레이저의 특징
Intense, Highly directional, Coherent, Monochromatic Beam of Light
1) 유도방출에 의해 증폭된 빛이다.
레이저는 들뜬 원자나 분자를 외부에서 자극시켜 장단(결)이 잘 맞아있는 빛을 방출하게 함으로서 큰 증폭율로 증폭된 빛을 말한다. 이 레이저(Laser)는 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation의 머리글을 따서 만들었는데 이는 "복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭"을 뜻한다.
2) 레이저는 직진성이 강하다.
보통의 빛은 렌즈를 써서 아주 가늘 게 만들 수 있기는 하지만 곧 크게 퍼져 버린다. 그러나 레이저는 좁고 긴 관을 수만번 왕복한 빛이기 때문에 멀리까지 갈 수 있는 상태로 아주 잘 빚어져서 거의 퍼지지 않고 직진하게 된다.
3) 레이저는 한 가지 색을 가지고 있는 순수한 빛이다.
보통의 빛은 여러 가지 파장, 즉 여러 가지 색의 빛이 섞여 있다. 비교적 순수한 빛이랄 수 있는 네온사인 등의 방전에 의한 빛도 원자의 운동에 의한 도플러 효과로 약간의 파장폭을 가지고 있으나 레이저는 양쪽 거울 속에 잘 뛰놀 수 있는 공명상태의 빛을 방출하므로 거의 단일한 파장을 갖는 순수한 빛을 방출하게 된다.
4) 레이저는 결이 잘 맞아 있는 강력한 빛이다.
우리 주위의 보통의 빛은 마치 수많은 북을 제멋대로의 장단으로 치는 경우처럼 서로 연결되지 않고 짧은 파동이 수없이 모여 있다. 그러나 레이저는 많은 북을 일정한 장단에 맞추어서 치는 것처럼 많은 파동이 서로 정확하게 잘 겹쳐져서 매우 강력한 밝기를 가지고 있다.
(2) 빛의 흡수와 방출
위대한 물리학자인 아인슈타인은 레이저 발진에서의 중요한 자극방출(유도방출)의 개념을 포함하여 원자에서의 빛의 흡수와 방출에 대한 이론을 1917년 발표하여 40여년 후의 레이저의 가능성을 열었다.
(3) 메이저
Maser (Microwave Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 복사의 자극방출에 의한 마이크로파의 증폭
Weber (1953)
Gordon, Zeiger, Townes* (1954, 1955)
Basov*, Prokhorov* (1954, 1955)
* 1964 노벨상 수상
전기장이 걸려있는 암모니아의 에너지 레벨은 쌍극자모멘트(dipole moment)의 놓인 방향에 따라 두 개의 에너지 준위를 갖는다. 그 에너지 차이는 약 24GHz의 마이크로파에 해당한다. 높은 에너지 준위에 있는 암모니아 분자들을 모아준 후 이를 일시에 자극방출 시키면 결맞아 있는 강한 마이크로파가 방출된다.
암모니아는 피라미드 구조를 하고 있는데, N원자가 자리한 꼭지점의 반대 방향으로 쌍극자모멘트가 생겨있는 극성분자이다. 전기장이 걸리면 쌍극자모멘트는 전기장과 나란한 방향으로 배열하려 하므로 이 쌍극자 모멘트가 전기장과 반대방향으로 놓여있을 때 위치에너지가 최대인 상태가 된다. 따라서 그 에너지 차이와 같은 에너지를 갖는 마이크로파를 받으면 쌍극자모멘트가 전기장과 반대방향으로 놓인 높은 에너지 상태가 되고, 이 상태에서 다시 마이크로파를 방출하면서 낮은 에너지 상태로 되돌아간다. 암모니아는 N원자가 H로 이루어진 삼각형을 통과하여 뒤집히는 진동을 할 수 있다.
아래 그림은 걸려있는 전기장에 대해 두 개의 다른 상태의 암모니아가 분리되어 높은 에너지 상태의 것이 메이저 공동 속으로 들어가서 메이저를 발진하는 구조를 보여주고 있다. 암모니아를 분리하는 전기장은 위쪽으로 갈수록 세기가 세어져서 에너지가 낮은 상태(up state)는 위쪽으로 힘을 받고, 반대로 에너지가 높은 상태(down state)는 아래쪽으로 힘을 받게 된다.
아래쪽으로 편향된 높은 에너지 상태의 암모니아는 전기장이 균일하게 걸려있는 메이저 공동(maser cavity) 속으로 들어가게 된다. 이 공동은 이 암모니아에서 방출할 수 있는 진동수의 마이크로파에 대해 공명을 일으킬 수 있도록 설계되어 있고 이에 따라 자극에 의해 방출되는 마이크로파는 급속도로 증폭된다.
왼쪽의 실틈을 통과한 두 상태의 암모니아는 균일하지 않는 전기장에 의해 각기 반대방향으로 힘을 받는다. 전기장은 모두 화면에서 솟아오르는 방향이며 왼쪽의 전기장 영역에서는 위쪽으로 갈수록 전기장이 세게 걸려 있다. 따라서 쌍극자 모멘트가 앞쪽으로 주어진 암모니아(up state)는 전기장이 더 세게 걸린 쪽, 즉 위쪽으로 힘을 받고 반대로 쌍극자 모멘트가 뒤쪽으로 주어진 암모니아(down state)는 아래로 힘을 받는다. down state의 암모니아는 메이저 공동(maser cavity) 속으로 들어가서 자극에 의한 마이크로파를 발생시킨다.
(4) 레이저
Laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) 복사의 자극방출에 의한 빛의 증폭
Schawlow*, Townes (1958) : 이론적인 제안
Maiman (1960) : 세계최초의 레이저인 루비 레이저 발진
Javan, Bennett, Herriott (1961) : 최초의 기체레이저인 헬륨-네온 레이저 발진
* 1981 노벨상 수상
(5) 전자기파의 증폭
전자회로로 발생시킬 수 있는 전파는 검파에 의해 선택적으로 증폭시킬 수 있다. 또한 진동자 회로에 의해 단일 파장의 전파를 쉽게 발생 시킬 수 있다.
전자회로로써 특정한 진동수의 전자기파를 증폭할 수 있으나 LC회로의 특성상 일정한 범위의 진동수 값에 걸쳐 증폭할 수밖에 없다. 그리고 전자회로의 응답특성상 가시광선의 빛의 진동수 ~1014Hz보다 훨씬 작은 GHz급까지의 전자기파까지만 증폭할 수 있다. 그림에서 증폭기는 입력된 여러 진동수의 교류 중 특정한 진동수의 교류만 증폭하여 전자기파를 발생할 수 있으나 그 진동수는 상당한 폭을 가지고 있다. 이 전자기파는 결맞은 상태로 잘 빚어진 형태로 만들 수 있지만 이러한 전자 회로에 의해 만들어지는 전자기파는 전자소자의 특성상 수 GHz만 가능하다.
(6) 빛의 증폭
강력한 빛을 내기 위해서는 아주 많은 전력을 소모하는 백열등을 쓸 수 있겠지만 그러나 이것이 내는 빛은 증폭 되었다기 보다 무수히 많은 빛의 줄기를 발생하는 것일 뿐이다. 증폭이라 함은 입력한 신호와 동일한 큰 신호로 재생산 되는 것을 말한다. 따라서 밝은 빛을 만든다는 것과 빛을 증폭한다는 것은 의미가 다르다. 전력을 많이 소모하는 백열등의 경우에는 그 온동 따라 다르지만 각각의 빛줄기의 파장이 넓은 범위에 걸쳐 있고, 신호로서 특별한 규칙성을 가지고 있지 못하다.
고온의 물체의 온도에 따라 상당히 넓은 영역의 빛이 방출된다. 파장에 대한 밝기, 즉 스펙트럼은 물체의 특성에 따라 다르지만 언제나 흑체복사보다 작은 값을 갖는다. 고온으로 가열된 백열등은 흑체복사의 법칙에 따라 그것의 온도, 발열체의 재질 등에 따라 서로 결이 맞아있지 못하면서 넓은 파장영역의 빛을 발생한다. 아래 그림은 4000도로 가열된 이상적인 흑체가 내는 빛의 파장분포로서 물질의 파장별 복사율에 따라 이 그래프의 값보다 약한 빛을 내게 된다.
광원이 빛을 내는 과정은 크게 두 가지로 대별할 수 있는데, 가열된 물체의 흑체복사와 보어의 이론에 의한 빛의 방출이 그것이다. 흑체복사의 빛은 태고적 불이 발견된 이래 밤의 어두움을 밝히는 광원으로 사용하여 온 촛불, 횃불, 기름불, 가스등, 백열등 등이 내는 빛이다. 한편 보어는 원자론을 발전시키면서 원자가 가지고 있는 띄엄띄엄한 에너지 준위들 사이로 원자의 상태가 전이하면서 빛을 내는 것을 알았고, 이 원리에 의한 광원으로는 네온사인, 수은 등, 나트륨 등, 텔레비젼의 브라운관이 내는 빛이 있다.
두 가지의 빛 중에서 앞에서 본 바와 같이 흑체 복사에 의해 발생되는 빛은 파장의 폭이 매우 넓다. 한편 보어의 이론으로 발생되는 빛은 거의 단색파장의 빛이 발생 된다. 그러나 이 빛도 선택적으로 증폭된 빛이 아니라 원자 하나하나의 서로 독립적인 거동에 의해 발생되는 빛이어서 네온사인에서 나오는 빛이 단색광이기는 하지만 나오는 빛줄기는 서로 정렬되어 있지 못한 제멋대로의 상태를 하고 있다. 빛의 증폭은 통상의 전자공학적인 방법이 아닌, 앞에서 설명한 원자의 전이에 의한 빛의 방출현상을 이용하여 실현할 수 있었다.
(7) 원자 모형
보어의 원자모형과 이를 발전시킨 양자역학에 의해 원자의 상태는 파동함수와 확률로 기술 되고 또한 띄엄띄엄한 에너지 상태를 가지고 있는 것이 확실해 졌다. 아래의 그림처럼 원자의 전자의 배치는 구름과 같은 확률분포를 이루고 있다. 전자의 에너지에 따라 그 분포는 달라진다.
확률분포의 마디와 골이 많아지고 변화가 커질수록 전자는 더 놓은 에너지상태로서, 더 작은 결합에너지에 의해 결합되어 있다.
원자는 핵과 전자로 이루어져 있는데 중심에 핵이 있고 그 주변에 전자의 확률분 포가 마치 구름처럼 배치되어 있다. 그림에서 전자의 분포에서 매듭이 많아지고 복잡복잡해질수록 에너지 준위도 높아진다.
위 그림에서 가운데의 붉은 색으로 표시한 것은 핵으로 +전하를 띄고 있다. 그리고 주변의 푸른색은 전자의 구름 분포로 확률밀도를 농담으로 나타내었다.
(8) 원자에서 빛의 방출
보어는 러더퍼드 원자모형의 문제점을 해결하였다.즉, 원자의 전자가 핵 주위로 원운동을 할 때 안정된 상태로 있을 수 있는 조건을 제시하였고, 또한 그들 상태를 넘나들 때 빛이 매개가 된다는 두 가설을 세웠다. 이로써 이전에 알려져 있던 수소 원자 스펙트럼에 대한 완벽한 해석을 할 수 있었다.
높은 에너지 준위에 있는 전자는 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 남는 에너지를 광자(photon)으로 방출하게 된다.
그림에서 E4의 상태에 있는 원자가 E3의 상태로 떨어지면서 그 차이에 해당하는 빛을 방출한다. 한편 이의 역의 과정도 가능하다. E3의 상태에서 빛을 흡수하여 E4상태가 된다. 이때는 역시 그 에너지 차이에 정확하게 일치하는 에너지의 빛이 비추어져야 한다. 이것이 물질과 빛의 상호작용의 기본적인 것이다.ㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁㅁ
3. 레이저의 원리
(1) 빛과 물질의 상호작용
1) 유도방출이라는 새로운 형태의 상호작용
아인슈타인은 보어의 가설에서의 빛과 원자와의 상호작용 두 가지, 즉 유도흡수, 자발방출에 유도방출이라는 새로운 개념을 도입함으로서 레이저의 중요한 기초원리를 알아냈다.
2) 자발방출 (Spontaneous Emission)
자발방출은 보어의 가설에서 처음 제안되었던 것으로 원자가 높은 에너지 상태에 있다가 낮은 에너지 상태로 내려가면서 그 차이에 해당하는 빛을 스스로 방출하는 것을 말한다. 이 빛을 방출하는 가능성은 확률적으로 마구잡이(random)로 일어난다.
높은 에너지 상태에 있는 원자가 외부의 아무런 부추김없이 스스로 빛을 방출하면서 낮은 에너지 상태로 떨어진다.
3) 유도방출(Stimulated Emission)
유도방출은 원자가 높은 에너지 상태(들뜬상태 : 여기상태)에 있다가 외부의 빛에 자극을 받아서 빛을 방출하는 것을 말한다. 이때 자극을 시킬 수 있는 빛은 방출될 빛과 파장이 같아야 한다. 이 경우 방출되는 빛은 자극시킨 빛과 결맞아 있다. 이를 자극방출이라고도 한다. 이 과정이 빛의 증폭을 가능하게 한다.
외부에서 들어오는 빛의 부추김에 의해서 높은 에너지의 원자가 낮은 에너지 상태로 변하면서 새로운 빛을 낸다. 이때 자극을 시키는 외부의 빛은 방출될 빛과 같은 파장이어야 하고. 방출되는 빛은 외부 빛과 결이 잘 맞아 있게 된다.
4) 유도흡수(Stimulated Absorption)
유도흡수는 자발방출과 함께 보어의 가설에서 처음 제안되었던 것으로 낮은 에너지 상태의 원자가 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이하는 것을 말한다. 이 경우 그 에너지 차이와 꼭 같은 빛이 입사하여야 한다.
외부에서 들어오는 빛에 의해 낮은 에너지 상태의 원자가 그보다 높은 에너지 상태로 전이한다.
(2) 열적 평형상태
1) 정상온도에서는 낮은 상태에 많은 원자들이 놀고 있다.
많은 원자가 모여 있는 기체, 고체, 액체 등의 물질은 그것을 구성하는 개개 원자의 일부분은 높은 에너지 상태(들뜬상태:여기상태)에 있지만 거의 대부분은 여전히 바닥상태에 안주하고 있다.
온도가 올라가면 들뜬상태의 원자가 점차 많아지기는 하지만 여전히 바닥상태로 있는 원자의 갯수는 많다. 극단적으로 무한대의 온도가 된다면 비로소 모든 에너지 준위에 있을 가능성이 같아진다. 한편 음수의 온도가 있을 수 있다면 역전이 가능하기는 하지만 열적인 평형상태에서는 이러한 일이 벌어질 수 없다.
원자들은 여러 에너지 상태로 있을 수 있지만 그 분포는 온도에 의해 결정된다. 온도가 높아지면 높은 에너지 상태로 갈 가능성이 커지지만 물리적으로 의미있는 +의 온도에서나 낮은 에너지 상태에 더 많은 원자들이 있게 된다.
유도흡수나 유도방출의 경우에는 빛의 자극에 의한 것이므로 이것에 따라 그 가능성이 비례하여 커진다.
어떤 온도T에서 공간에 충만된 광자와 그 속의 원자가 서로 에너지를 주고받으면서 열적 평형상태에 있다. 원자의 각 준위에 점유된 단위부피당 원자수 N0,N1,N2,⋅⋅⋅
위 그림에서 나타낸 것처럼 두 과정으로 광자를 방출하고 한 과정으로 광자를 흡수한다. 열적 평형상태에서 원자들로부터 방출되는 광자와 흡수되는 광자의 수는 일정하게 유지되어야 하므로
이를 분광에너지밀도 함수와 비교하면 다음과 같은 관계식들을 얻을 수 있다.
따라서, 열적평형상태에서의 유도흡수율과 유도방출율은 같고 ,자발방출에 대한 유도방출의 비는,
2) 정상적인 상태에서는 거의 전부가 자발방출을 한다.
위 관계식으로부터 보통의 광원이 내는 빛에서 자발방출과 유도방출의 정도를
쉽게 열적인 평형조건에서 계산해 볼 수 있었다. 형광등이나 네온사인, 백열전등
(3) 자발방출과 유도방출
1) 자발방출 - 결맞지 않은 빛으로 단순히 밝기가 합해진다.
보통의 광원이 내는 빛은 광원의 무수히 많은 원자가 제멋대로 빛을 방출한다면 서로 결이 맞아 있지 못하다. 따라서 아래 그림처럼 N개의 이러한 빛이 더해지면 밝기가 N배되어 단순히 N배의 밝은 빛이 된다.
빛을 내는 각 원자들이 마구잡이로 자발방출을 하게 되면 나오는 빛들의 결이 맞지 않아 가간섭성을 가지지 않는다.
2) 유도방출 - 결의 맞은 빛으로 진폭이 더해져서 제곱으로 밝아진다.
그림처럼 진폭이 N배가 되어서 밝기는 N2 에 비례하여 증가한다. 원자를 펌핑의 과정으로 여기시켜 높은 에너지 상태에 더 많은 전자를 올려놓으면 유도방출 되는 빛이 많아져서 결맞은 빛을 방출 할 것이다.
원자들에게 외부에서 빛이나 다른 자극을 주어 원자들을 여기시킨다.
한편, 유도방출이 우세할 조건에 이르게 되더라도 모든 원자가 일거에 방출되지는 못한다. 이는 한 원자가 유도방출이든 자발방출이든지 방출하는 빛이 다른 원자를 자극시킬 확률이 그렇게 크기 못하기 때문이다. 따라서 그러한 기회를 크게 가질 수 있게 아래 그림에서 보는 것처럼 레이저 매질이 들어있는 관의 양단에 거울을 평행으로 배치하여 그 거울 사이에 빛이 무수히 반사되면서 거의 모든 원자들을 유도방출에 가세시키게 한다. 관속을 뛰노는 빛은 그 거울 내부에서 공명상태로 존재할 수 있어 이를 레이저 공진기라고 한다.
관 양쪽에 있는 거울의 효과로 관이 앞뒤로 무수히 겹쳐져 있는 효과를 내게 된다. 거울의 효과로 관이 겹쳐 길어진 것 때문에 그 관을 따라 나란하게 진행하는 빛은 계속 가세하는 유도방출의 빛에 의해 점점 더 센 빛이 된다. 빛의 세기가 커지면 그곳에 있는 매질을 더 많이 자극시키기 때문에 여기된 매질이 충분히 공급되기만 한다면 빛이 성장하는 형태는 기하급수적이 될 것이다.
관 양쪽의 거울 때문에 매우 길어진 관을 지나가는 빛이 기하급수적으로 성장한다.
(4) 밀도반전
결맞은 빛을 방출하기 위해서는 대부분의 빛을 자극에 의한 방출로 채워야 하고 이러기 위해서는 높은 에너지 준위(energy level)에 있는 원자의 수를 많게 해야 한다. 이를 밀도반전(population inversion)이라고 한다.
물질이 이러한 밀도반전의 상태가 되면 수많은 높은 에너지 상태의 원자 중 한 개가 어쩌다가 자발적으로 빛을 내는 순간 여기서 방출된 빛이 주변의 다른 들뜬 원자 하나를 자극하여 빛을 내게 하여 결국 두 개의 광자가 된다. 또 이 두개는 다른 두 원자를 자극하여 네 개가 되고, 이러한 연쇄적인 과정에 의해 기하급수적으로 결맞는 빛의 갯수가 성장하게 된다. 이를 레이저 발진이라 한다. 이러한 일이 일어날 수 있도록 물질의 상태를 만드는 일은 바로 레이저를 가능하게 하는 관건이 된다.
그러나 통상적인 열적평형상태에 이렇게 밀도를 반전시키는 것은 불가능하다. 이용할 정도의 밝기의 빛을 내기위해서는 이에 관여하는 원자의 수가 아보가드로 수 정도로 매우 많아야 하고, 따라서 에너지 준위 E1,E2,E3 등의 상태에 있을 확률은 그 에너지 값과 온도에 의해 결정된다. 온도 T 로 열적 평형상태에 있는 원자에서 E의 에너지 준위에 있을 확률은
여기서 k 는 볼츠만 상수
따라서 온도가 올라가면 높은 에너지 준위에 더 많은 수의 원자가 있게 되고 온도도가 무한대가 되더라도 모든 에너지 준위의 원자 수는 그 에너지에 관계없이 같아지기까지만 하고 원하는 반전의 상황은 일어나지 않는다. 위 볼츠만의 관계식으로 반전이 되는 온도를 억지로 추정한다면 음의 온도상태이나 음의 온도는 있을 수 없다. 따라서 통상적인 원자의 에너지 준위사이에서는 반전이 결코 일어날 수 없고 특별히 어떤 원자에서 에너지 준위사이를 특이하게 전이가 선택적으로 일어나는 경우에는 가능해질 수 있다.
1) 2 준위만으로는 반전 불가
근본적으로 반전을 시키는 것은 불가능하다. 아래 그림에서 오직 두 개의 준위만 개입시켜 반전을 만드는 것을 생각해보자. 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 준위로 올려주기 위하여 외부에서 에너지를 공급하는 것을 광펌핑(optical pumping)이라 한다.
펌핑을 맹렬히 하게 되면 높은 상태로 빨리 올라가기는 하나 이 들뜨게 된 원자가 많아질수록 그 원자수에 비례하여 더 큰 확률로 자발적 방출로 낮은 에너지 상태로 내려 와 버리게 된다. 원자의 전이에서 펌핑으로 올려 보내는 것이 가능하면 역시 떨어지는 것도 가능하게 되어있고 실제로 이들 두 가능성, 즉 전이확률은 비례한다. 마치 밑이 빠진 독에 물을 퍼 담는 것과 같이 많이 퍼 담으면 또한 많은 물이 빠져 버려 결국 아무런 물도 고이지 않는 경우와 유사하다.
원자의 에너지 준위 두개 사이에서 다른 준위와 독립적으로 전이를 하는 상황에서 언제나 낮은 에너지 준위에 더 많은 원자가 있게 된다. 이는 열적 평형조건 때문으로 이러한 경우는 유도방출의 비율이 낮아 레이저 발진이 일어나지 않는다.
여러 원자가 놓여있는 에너지 상태를 그림으로 표현한 것으로 원자들이 상태를 넘나들고 있다. 여기서는 원자의 여러 에너지 준위 중 오직 두 준위만 관여하는 경우에 대한 것으로 여기된 원자는 바닥상태로 떨어져 버린다. 펌핑을 빨리시키면 빠르게 바닥상태로 되돌아와 버리기 때문에 낮은 준위에 더 많은 원자가 몰려 있게 되어 밀도반전이 근본적으로 불가능하다.
2) 3준위 - 반전가능
반전을 시키는 것이 가능하다. 단 이를 위하여 그 세 준위 사이에는 특이한 관계가 있어야 한다. 아래 그림에서 E2에서 E1 으로 전이하는 것이 거의 금지되어 있다고 하자. (양자역학으로 그 확률을 계산할 수 있고 금지된 경우 그 확률이 거의 0이다. 이렇게 양자역학으로 그 전이가 허용되는 경우의 규칙을 선택률(selection rule)이라 한다)
또한 그림에서 제일 높은 세 번째 에너지 준위에서는 빠르게 E2 준위로 전이한다고 하자. 광펌핑에 의해서 제일 높은 상태의 들뜬원자는 빠르게 E2 준위로 내려가게 되나, 거기서 바닥상태로의 전이가 금지되어 있기 때문에 많은 원자가 그 상태에 머물게 될 것이다. 이렇게 E2 와 E1 의 두 준위를 놓고 보면 밀도가 반전되게 된다.
여러 원자가 놓여있는 에너지 상태를 그림으로 표현한 것으로 원자들이 상태를 넘나들고 있다. 여기서는 금지된 전이가 있어 반전이 가능한 3준위 원자에서 바닥상태의 원자가 펌핑에 의해 맨 위 준위로 올라가서 빠르게 두 번째로 전이하게 된다.
두 번째 준위에 머물고 있는 원자들은 외부의 자극에 의해 일거에 유도방출을 하게 된다. 그림처럼 레이저 전이가 연속적이지 않고 일시에 일어나게 되면 레이저는 짧은 시간동안 지속되어 펄스 레이저가 된다. 한편 그림과는 달리 이러한 순환과정이 연속적으로 일어나게 되면 레이저가 지속적으로 나오는 연속발진 레이저가 된다.
3) 4준위 - 반전가능
; 반전을 시키는 것이 가능하다. 단 이때는 아래 그림처럼 네 준위가 적당히 선택되기도 하고 금지되기도 해야 한다.여러 원자가 놓여있는 에너지 상태를 그림으로 표현한 것으로 원자들이 상태를 넘나들고 있다. 여기서는 맨 위 준위로부터 그 아래 준위(N2로 표시한)로의 전이와 세번째의 준위(N1 로 표시한)로부터 바닥상태로의 전이는 빠르게 일어나고, 가운데 두 준위에서는 전이가 금지되어 있다.
따라서 언제나 N2 에는 많은 원자가, N1에는 적은 수의 원자가 있어 3준위에 비하여 밀도반전의 정도가 심해진다. N2의 원자들은 외부의 자극에 의해 일거에 유도방출을 하게 된다. 그림처럼 레이저 전이가 연속적이지 않고 일시에 일어나게 되면 레이저는 짧은 시간동안 지속되어 펄스 레이저가 된다. 한편 그림과는 달리 이러한 순환과정이 연속적으로 일어나게 되면 레이저가 지속적으로 나오는 연속발진 레이저가 된다.
(5) 매질에서의 빛의 증폭
분자(혹은 원자)가 두 에너지 준위의 차이에 해당하는 진동수의 빛을 방출하거나 흡수한다. 따라서 특정한 한 진동수가 관여되는 것이 원칙이다. 그러나 각 분자는 활발하게 열적인 운동을 하고 있으므로 움직이면서 빛을 방출하므로 도플러 효과에 따라 진동수가 다른 값으로 측정된다. 이는 빛을 흡수할 경우에도 마찬가지이다.
이 방정식의 해는
(6) 열운동에 의한 도플러 효과
아래 그림은 이상기체의 속도분포함수로서 특정한 한 방향으로의 성분에 대해서 나타낸 것이다. 0의 속도를 중심으로 한 가우스 함수 형태를 하고 있어 속도값이 커질수록 비율은 점점 줄어드는 것을 알 수 있다.
최대 증폭율의 1/2 인 증폭율의 범위를 FWHM(full width at half-maximun)이라 한다.
4. 레이저의 종류
(1) 실제 레이저
1) 밀도반전이 가능한 매질이 있어야 한다.
비록 레이저가 원자나 분자의 에너지 준위를 이용하기는 하지만 그 매질이 역전을 시킬 수 있는 조건에 합당한 세 개나 네 개의 에너지 준위를 가지고 있어야 한다. 이를 레이저 매질이라 하는데 이러한 매질로는 기체 원자의 네온, 아르곤, 크립톤, 기체 분자의 이산화탄소, 불화수소, 질소 등이 있다. 한편 고체의 경우에는 CaWo4, Y2O4, SrMoO4, LaF3, YAG, 유리 등의 모체에 있는 일종의 불순물인 Nd3+, Ho3+, Gd3+, Tm3+, Er3+, Pr3+, Eu3+ 등이 레이저 매질로서 작용한다. 또한 반도체, 액체도 레이저 매질의 조건을 충족하는 것이 많다.
2) 효율적으로 펌핑을 할 수 있는 방법이 있어야 한다.
레이저 매질에서 밀도반전을 실제로 실현할 수 있는 효율적인 펌핑의 방법이 있어야 한다. 그러기 위해서는 레이저 매질의 온도나 압력 등을 적당한 조건에 두어야 한다든지, 아니면 펌핑의 매개역할을 할 수 있는 다른 매질을 같이 섞어 두어야 하는 경우도 있다.
3) 레이저 발진을 실현시킬 적절한 공진기를 만들어야 한다.
레이저 매질에 합당하고, 효율적으로 발진을 시킬 수 있는 공진기가 만들어져서 그 내부에 그 매질을 가두어 둘 수 있어야 하고, 이렇게 해서 만들어진 레이저의
내부 에너지 감소율이 적어서 레이저가 증폭될 수 있는 조건에 이르러야 한다.
(2) 루비 레이저
<그림 27 최초의 레이저 메이먼이 만든 세계 최초의 레이저로 루비를 레이저 매질로 사용하였다.>
1960년 메이먼(Theodore H. Maiman)이 최초로 발진에 성공한 이 레이저는 루비를 사용하였다. 최초의 이 레이저에 사용한 루비는 0.05%의 Cr2O3를 불순물로서 가지고 있는 Al2O3의 결정체였다. 순수한 Al2O3는 무색 투명하여 그저 유리처럼 미적 가치가 없지만 크롬이 적당한 농도로 Al에 치환하여 들어가 박히게 되면 이것이 색중심(color center)의 역할을 하여 맑고 투명한 붉은 색을 띄어 보석으로서 가치를 가지고 있어 이를 루비라고 부른다.
<그림 28 루비 결정의 모형>
루비는 투명한 Al2O3의 Al 대신에 Cr이 미량 치환되어 만들어진 결정체이다. Al2O3은 위 그림처럼 결정의 기본 단위가 육각기둥의 모양을 하고 있고 각 육각형의 모서리에 교대로 Al 이, 그 중심에 O가 하나씩 배치되어 있다. 육각형의 한 변의 길이와 높이는 각각 47.58 nm, 129.1 nm로 되어 있다. 그림에서는 붉은 색의 Al의 자리에 녹색의 Cr 원자가 밖혀 있는 것을 볼 수 있다. 루비의 경우 Al을 치한한 Cr이
붉은 색의 영롱한 색채를 띄게하여 보석의 하나이다. 루비 막대의 양쪽을 평행하게 연마하여 공진기로 삼고, 주변에 나선형의 기체방전등을 둘러싸서 방전시키면 번쩍하고 섬광이 나와 광펌핑을 시킨다.
<그림 29 루비의 에너지 준위>
루비속의 크롬 +3가의 에너지 준위이다. 결정을 이루고 있으므로 펌핑이 일어나는 준위는 띄를 이루고 있고, 3준위 레이저의 작동원리로 694.3 nm와 692.9 nm의 레이저가 나온다.
루비 레이저는 694.3nm와 692.9nm의 붉은 빛을 낸다. 이는 플라즈마의 진단이나 홀로그래피의 제조에 쓰인다.
(3) 헬륨-네온 레이저
1961년 자반(Ail Javan), 베넷(W. R. Bennett, Jt.), 헤리엇(D. R. Herriott) 세 사람은 헬륨(He)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 기체 레이저로는 최초로 1152.3 nm의 적외선의 연속발진에 성공하였다. 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와트의 가시광선(632.8nm)을 내게 하여 실험실에서 간섭을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작 등에 널리 쓰고 있다. 이 레이저에서 헬륨은 네온을 들뜨게 하는 매개물질로서 작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어진다. 0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다.
가는 관 내부에 헬륨과 네온의 혼합기체를 넣고 고전압을 방전시키면 레이저 거울 사이에서 레이저 발진이 일어난다. 가장자리의 창은 브루스터 각의 입사각을 갖게 하여 상하 방향으로의 선편광 빛을 100% 투과시킬 수 있도록 하였다.
<그림 30 헬륨-네온 레이저의 구조>
한 방향으로의 편광에 대해서지만 100% 투과시키기 위해 브루스터 창을 설치하여 빛의 손실을 줄인다.
아래 그림에서 보이는 것처럼 헬륨에 의해 들뜬 네온은 바로 바닥상태로 떨어지지 못하고 바로 아래 준위로 뜸하게 떨어진다. 그 아래 준위는 빠르게 바닥상태로 떨어지기 때문에 위의 두 준위는 밀도반전이 일어나게 된다. 밀도반전이 일어나는 두 에너지 준위는 3.39 μm, 633 nm, 1.15 μm의 레이저 발진을 하게 된다.
헬륨-네온을 구성하는 헬륨과 네온의 에너지 준위와 레이저 발진이 일어나는 과정을 보여주고 있다. 일차적으로 고압의 방전에 의해 헬륨 원자가 여기되어 주변의 네온 원자에 충돌하여 여기 에너지를 잃어버리고 네온을 여기 시킨다. 네온은 3 준위 레이저의 원리에 의해 세 가지의 주요한 레이저 빛을 발생한다.
<그림 31 헬륨-네온 레이저의 에너지 준위>
<그림 32 헬륨-네온 레이저의 발진>
(4) 이산화탄소 레이저
이 레이저는 특이하게 CO2 분자의 진동에너지 준위를 이용하므로 10.6㎛의 적외선을 발진하며 연속발진에서의 출력은 수백 kW에 이르러 금속의 가공 등 산업용으로 널리 쓰인다. 이 레이저는 효율을 높이기 위해 매개물질인 N2와 Ne을 첨가하여 거의 15% 의 높은 효율로 동작시킨다.
<그림 33 이산화탄소의 여러 진동 모드>
이산화탄소(CO2)는 대칭의 구조를 하고 있어서 그림처럼 세 가지의 진동 모드가 있다. 고유진동수는 asymmetric stretch가 제일 큰 값을 갖고, symmetric stretch, bending 순으로 작은 값을 갖는다. 따라서 등간격인 에너지 준위의 간격도 고유진동수에 비례해서 점점 좁아진다.
<그림 34 질소의 진동 모드>
질소 분자(N2)는 두 개의 질소 원자가 서로 연결되어 있어 그림처럼 대칭으로 서 로 멀어지고 다가가는 진동만을 하게 된다. 이의 고유진동수는 거의 이산화탄소의 asymmetric stretch와 비슷한 값을 갖는다.
CO2 분자의 세 가지 진동 모드로 이의 고유진동수가 각각 달라서 이 진동에너지 준위는 서로 다른 간격을 하고 있다.
<그림 35 이산화탄소 레이저의 에너지 준위>
질소분자 N2는 단지 symmetric stretch의 진동상태만 존재하고, 이의 첫번째 들뜬 상태는 이산화탄소 CO2의 (001) 모드와 비슷한 에너지를 가지고 있다. 방전에 의해 들뜬 질소는 충돌에 의해 CO2를 들뜨게 하여 (001) → (100), (001) → (020)의 레이저 전이를 일어나게 한다.
헬륨-네온 레이저에서의 He의 역할처럼 N2는 단지 펌핑을 시키는 매개물질로서 작용한다. N2는 CO2 와 달리 단일 진동 모드로 되어 있는데 이 첫 번째 들뜬 준위가 바로 CO2의 (001)준위와 비슷하여 충돌로 에너지를 넘기기가 용이하다. 기본적으로 진동의 에너지 준위는 전자의 에너지 준위보다 훨씬 작아서 위 그림에서 보듯이 발진하는 빛의 파장은 10.6㎛, 9.6㎛ 등 적외선이다. 이산화탄소 레이저는 비교적 소출력의 연속발진 형태와 대출력의 펄스 발진형태로 나눠지는데 절삭, 용접 등의 공업용이나 레이저 메스로 의료용 등에 널리 쓰이고 있다.
(5) 반도체 레이저
반도체 레이저는 광다이오드가 발견된 직후인 1962년 발명되었다. 이 레이저는 거의 100%의 효율과 취급이 간편한점, 매우 작은 크기로 만들 수 있는 점, 빠르게 변조시킬 수 있어 정보를 실어보내기 용이한 점 등 많은 장점 때문에 현재의 광통신, 광기록, 전기광학 소자 등 광공학에서 핵심적인 역할을 한다.
(6) 펄스 레이저
1) 게인 스위치 (Gain-Switching)
최초의 루비 레이저는 루비 막대를 감싸고 있는 플래시 램프를 짧고 강력한 섬광으로 발광시켜 루비의 크롬 원자를 들뜨게 하였다. 이에 의하여 순식간에 이루어진 점유자수의 역전의 상태는 짧은 펄스의 레이저 빛을 방출하고 원래로 돌아가 버린다.
플래시 램프에는 충전과 방전을 할 수 있는 축전기가 달려 있어 약간의 시간이 흐르면 방전에 의해 플래시 램프가 다시 터질 수 있는 정도의 전하가 축전기에 모이게 된다. 이는 펄스 형의 빛으로 펌핑을 하여 매우 짧은 시간에 강력한 빛을 내게 하는 이 루비 레이저는 펄스 레이저의 일종이다.
2) 큐-스위칭 (Q-Switching)
레이저는 레이저 매질의 손실과 비기는 문지방 값인 일정 비율 이상이 점유자수 역전의 상태에 이르러야 비로소 레이저 발진이 시작된다. 한 발진 주기당의 부분적인 손실율의 역수를 그 공진기의 Q값이라 한다. 손실율이 작을수록 Q 값이 커지고 또 발진이 시작되는 문지방의 역전비율이 작아진다. 높은 일율의 펄스 레이저는 레이저 발진이 시작되자마자 곧 들뜬 상태를 소모해 버린다. 이 발진을 지연시켜 더 높은 밀도에 이르게 될 때 비로소 발진을 진행시킬 수 있는 스위치를 광경로상에 설치하여 더 짧고 강력한 펄스를 만들 수 있다.
3) 모드 로킹
이다. 이 함수는 명백히 시간에 대한 주기 함수이다.
만일에 각각의 공진 모드의 위상을 적절하게 유지시킬 수 있다면 T의 주기를 갖는 날카로운 펄스를 만들 수도 있을 것이다. 이렇게 위상을 서로 관련되게 하여 고정시키는 것을 모드 로킹(mode locking)이라고 한다. 모드 로킹으로 만드는 레이저는 앞에서 설명한 다른 두 가지의 펄스 레이저보다 훨씬 폭이 좁고 강력한 펄스 레이저를 만들 수 있다.
정리하면,
[표1] 레이저의 종류별 파장, 동작방식
|
레이저 물질 |
구성물질 |
발진파장 |
동작방식 |
|
Cr3+ |
Al2O3(ruby) |
694 nm |
pulsed, Q switched |
|
Nd3+ |
glass |
1.06 um |
pulsed, Q switched |
|
Nd3+ |
YAG |
. |
mode locked |
|
Ne |
He |
633nm;1.15, 3.39um |
cw |
|
CO2 |
- |
325nm, 4.22nm |
cw |
|
Ar+ |
- |
10.0um |
cw, Q switched,repetitively pulsed |
|
Kr+ |
- |
488 nm |
cw,pulsed, mode |
|
GaAs |
GaAs substrate |
515 nm |
locked |
|
GaAlAs |
GaAs |
647 nm |
cw, pulsed |
|
GaP |
GaAs |
840 nm |
pulsed, cw |
|
GaInAsP |
InP |
850 nm |
pulsed, cw |
|
Rhodamine 6G |
ethanol methanol water |
550-560nm,0.9-1.7um |
pulsed,cw,short pluse |
|
Sodium fluorescin |
ethanol,water |
570-610 nm |
cw,mode locked |
|
Water vapor |
- |
. |
short pulse, cw |
|
HCN |
- |
530-560nm |
pulsed, cw |
|
HF,DF |
- |
119um |
pulsed, cw |
|
N2 |
- |
337um, 2.6-4um |
pulsed |
|
Excimer (KrCl,KrF ,XeCl,XeF) |
- |
337nm, 1.05um |
pulsed |
|
Cu vapor |
- |
222,248,308,351nm |
pulsed |
5. 레이저의 응용
(1) 산업적 응용
고출력레이저의 산업적 응용은 용접, 절단, 구멍뚫기 등이다. 산업적 응용에는 주로 10.6um파장의 CO2 레이저가 사용되는데 수 kW의 출력이 필요하며 저마늄렌즈를 이용하여 물질에 집속한다. 10kW급의 CO2레이저로는 5mm 두께의 스테인레스강(SS304)을 1초 동안에 10cm 정도의 속도로 용접이 가능하다. 레이저 용접의 특징은 직접 접촉 없이 정밀하게 고속 용접이 가능하고 재료의 변현이 적고 상이한 재료의 용접도 가능하다. 렌즈에 의한 초점에서 날카로운 집속은 금속, 피륙 등 여러 가지 재질의 절단에도 유리하다. 복잡한 문양이라 할지라도 정밀 절단이 가능하고 고속절단이 가능한 것이 주요 이점이다.
금속은 적외선을 대부분 반사하기 때문에 산소를 고압으로 공급하면 효율이 높아진다. 영화 "007 골드핑거"에서 레이저로 두꺼운 철판을 절단하는 장면은 관객들에게 레이저에 대한 강렬한 인상을 심어줬다. 금속뿐만 아니고 옷감이나 가죽 등의 절단은 컴퓨터에 의한 복잡한 모양의 조감을 만들 수 있으므로 기성복 업계나 제화공업 등에도 널리 이용된다. 또한 IC 회로에 쓰이는 알루미나와 실리콘 기판의 조각내기에도 매우 유용하게 쓰인다. 재래식은 다이아몬드 바늘 또는 톱날을 이용하여 흠집을 내었으나 속도가 느리고 치밀하지 못해서 레이저로 대체하면 생산단가가 낮아져 경제성이 높다.
약한 출력의 레이저 응용은 우리나라에서도 최근에 비교적 널리 보편화된 바코드 (Bar code)는 이미 구미제국에서 널리 시행되고 있다. 상품마다 부착된 독특한 바코드는 He-Ne레이저에 비추면 반사된 빛이 전기 신호로 바뀌어져 품목명과 가격이 계산서에 찍혀지게 된다. 이것은 많은 상품의 구매시에 많은 시간과 인원의 절감효과를 가져올 뿐만 아니라 대형 수퍼나 백화점의 효율적인 재고관리가 가능하다.
최근에 CD 재생장치의 보급으로 음향기기의 질이 획기적으로 개선되었다. CD 재생장치는 광학계와 구동계로 구성되어 있으며 광학계는 GaAs기판에 AlGaAs층이 있는 반도체레이저로서 0.78um의 레이저 빛을 방출한다. 레이저 빛과는 편광프리즘에서 직각으로 반사함으로서 직선편광이 되고 1/4파장판으로 원편광이 된 다음 렌즈로 CD판에 집속된다. 초점에 집속된 레이저 빛은 약 1um 크기를 갖는다. CD판에 기록된 0 또는 1의 신호에 따라 반사되는 빛의 세기가 달라진다. 반사된 빛은 원통형 렌즈로 집광 다이오드에 입사되어 전기적 신호로 전환된다. 구동된 빛은 레이저 빛의 초점이 정확히 CD판에 일치하도록 수직이동과 수직 이동이 가능하도록 하는 장치이다. 재래식 전축에서와는 달리 직접 CD와의 접촉이 없으므로 마모나 손상이 없는 장점이 있다.
1) 산업에서의 레이저
① 다이아몬드 본에 구멍 뚫기
가느다란 철사를 생산하는 유력한 방법 중에 하나는 작은 구멍이 뚫린 다이아몬드 본을 통해 금속재료를 뽑아 내는 것이다. 다이아몬드는 가장 단단한 재료이므로 본으로서 매우 적합하다. 그것은 또한 열을 잘 통하므로 철사를 뽑아낼 때 마찰에 의해 발생하는 열을 쉽게 처리할 수 있다.그 단단함 때문에 구멍 뚫기가 엄청나게 어렵다는 문제점이 있다. 다른 재료로 된 것은 말할 것도 없이 다이아몬드 비트(bit)조차도 다이아몬드에 구멍을 뚫을 때 금방 무디어 진다. 그러나 레이저 빛은 무디어지지 않는다. 레이저 빛은 작은 점으로 모아서 다이아몬드에 비추면 탄소원자들을 가열함으로써 산소와 결합시키거나 증발시켜 제거할 수 있다. 따라서 충분한 에너지를 공급하면 구멍을 낼 수 있는 것이다. 이와 같이 레이저로 다이아몬드 본에 구멍을 뚫는 기술은 1960년대에 개발되었고, 그 이후로 레이저의 전형적인 응용사례로 꼽히고 있다. 이것은 많은 분량을 생산하는 경우는 아니지만 레이저 이 외의 다른 방법을 사용할 수 없는 예이다.
② 우유병 젖꼭지에 구멍 뚫기
우유병 젖꼭지에 구멍을 뚫는 데에는 다이아몬드 본에 구멍을 뚫을 때와는 전혀 다른 문제들이 있다. 젖꼭지에 사용되는 고무는 아주 부드럽고 유연하므로 구멍 뚫기가 어려운 것이다. 우유가 적당하게 나오기 위해서는 구멍이 작아야 한다. 기계적으로 그런 구멍을 뚫는 가장 좋은 방법은 가느다란 철사핀을 사용하는 것인데, 고무가 눌려질뿐더러 섬세한 핀을 망가뜨리기도 한다. 레이저 빛은 젖꼭지에 닿거나 힘을 가할 필요가 없으므로 아주 훌륭한 대안이다. 레이저 펄스는 작은 부분을 태워 없앰으로써 간단하게 구멍을 내는 것이다. 다이아몬드 본에 구멍 뚫기와 마찬가지로, 이 사례도 오랫동안 성공적으로 사용되었으나 많은 레이저를 필요로 한 것은 아니었다. 그럼에도 불구하고 가장 알맞은 해결 방법임에는 틀림없다.
③ 절단
레이저를 이용한 절단 역시 구멍 뚫기와 유사하지만 약간 다른 점들이 있다. 레이저 빛이나 가공물이 계속 움직이고, 빛 자체도 펄스형이 아닌 연속형을 보통 사용한다. 레이저 절단을 칼로 자르는 것과 비슷하다고 생각하면 되는데, 이때 칼은 물론 레이저 빛이다. 레이저 절단은 금속, 세라믹, 플라스틱, 비닐, 고무, 복합재에 이르기까지 다양한 재료에 대해서 매우 효과적이다. 절단 속도는 매우 빠르며 절단 모양에도 거의 제한이 없다. 일반적으로 공기, 산소 또는 질소 압축가스의 도움을 받게 되는데, 비금속의 경우에는 가스가 조각들을 불어내고 절단의 질을 향상시킨다. 그러나 금속의 경우 산소가스의 역할은 다르다. 레이저 빛이 재료를 충분한 온도로 가열하게 되어 산소가스가 지나갈 때 태워지는 것이다. 이런 공정을 레이저 보조 절단이라 하는데, 대부분의 절단이 산소에 의해 이루어지기 때문이다. 대부분 이산화탄소 레이저가 사용되어 왔으나, 야그 레이저의 이용이 늘고 있으며 특히 자동차 산업에서 광섬유를 이용한 로봇 절단 시스템이 등장하고 있다.
④ 용접
용접 또한 절단과 비슷하게 여겨질지 모르나 이 두 개의 공정은 근본적으로 다르다. 절단은 하나의 물체를 두 개 또는 그 이상의 조각들로 나누는 것이고, 용접은 붙이는 것이다. 그림은 두 개의 금속 조각을 용접할 때 고려해야 할 몇 가지 사항을 보여준다. 우선 용접봉이 필요 없음을 주의하기 바란다. 먼저 조각 사이에 간격이 거의 없도록 잘 맞추어야 한다. 레이저 빛이 모아져서 조각의 가장자리들을 가열함으로써 녹아 붙도록 한다. 이때 이음새가 전체적으로 잘 맞지 않으면 결함이 생긴다. 또한 적절히 접합되기 위해서는 레이저 빛이 반대편 끝까지 깊이 들어가야 한다. 열이 조각 바닥까지 그리고 접합부분 양쪽으로 어느 정도 변형시킨다. 용접폭은 재료와 레이저 에너지 및 주사속도에 관계된다. 용접부위에서 어느 정도 떨어진 곳은 열의 영향을 거의 받지 않는다. 물론 용접한 조각들의 성분도 매우 중요하다. 같은 재료일 필요는 없지만 어떤 경우에는 무슨 방법을 사용하더라도 잘 접합되지 않는 것이다. 레이저 용접은 자동차 산업에서 가장 광범위하게 활용되고 있으며 빠르면서도 정확하고 신뢰성이 있는 것으로 입증되었다. 에어백, 에어컨, 캬부레터, 스파크플러그, 기어 등 다양한 부품의 용접에 이용되고 있다.
⑤ 처리
금속표면을 열처리하면 보다 단단해지고 잘 마모되지 않게 된다. 표면을 열처리할 때 녹지 않을 정도의 높은 온도로 가열하면 그 부분은 열처리하지 않은 부분과 다른 결정상태로 바뀌게 된다. 이와 같은 결정상태의 덩어리는 부서지기 쉬울 수 있으나, 다른 결정 상태의 표면에 형성되면 매우 강한 것이다. 자동차의 엔진 부품들 즉, 캠이나 실린더 등은 이 방법으로 효과적으로 열처리된다. 레이저 열처리에서 이산화탄소 레이저가 주로 사용되는 데, 그 빛이 금속 표면을 주사하는 방식으로 행해진다. 레이저 에너지가 보다 잘 흡수되도록 표면을 코팅하기도 한다. 물론 다른 방법으로도 금속표면을 열처리할 수 있지만, 레이저 빛은 다른 방법으로 접근하기 까다로운 곳까지 보낼 수 있고, 미세구조의 표면을 얻을 수 있을뿐더러, 짧은 순간 동안 좁은 면적에 높은 에너지를 집중시킴으로써 금속에서 흔히 나타나는 뒤틀림 없이 처리할 수 있다.
⑥ 전자산업에의 응용
저항 트리머(Resistor trimmer)는 하이브리드(hybrid)회로에 있는 박막형 저항을 변경시키는 데 사용된다. 이 경우에 저항이 그 표면적에 관계되므로 레이저 빛으로 어느 정도 제거함으로써 그 값을 변화 시킬 수 있다. 이 같은 방법으로 저항을 원하는 값으로 미세 조정할 수 있다. IC(집적회로)를 제작하는데 사용되는 마스크를 수리하는 데에도 레이저가 유용하다. 예를 들어 IC마스크를 검사했을 때 회로의 중요한 부분에 덩어리진 재료가 있음이 발견되었다면 레이저로 이를 증발시킬 수 있다. 또한 레이저는 어떤 종류의 IC내부에 있는 연결들을 잇거나 끊음으로써 그것이 원하는 기능을 갖도록 할 수 있다. 많은 경우에 여러 기능을 가지는 IC들을 따로 생산하는 것보다 경제적이다. 이런 IC는 그 내부 연결에 따라 다른 IC가 되는 것이다. 따라서 IC내부의 연결을 바꿈으로써 그 기능을 원하는 IC의 것으로 바꾸게 되는 것이다.
⑦ 마킹과 스크라이빙
레이저를 이용한 마킹(marking)과 스크라이빙(scribing)공정은 구멍 뚫기와 비슷하지만 완전히 구멍을 낼 필요는 없다. 마킹에 있어서는 부품에 지워지지 않는 메시지나 일련번호 또는 상표 등을 기록하므로, 표시가 날 정도로만 얕게 파내면 된다. 이렇게 제작된 문패나 장식물도 종종 볼 수 있으며, 음료수 생산라인에서 뚜껑에 유효기간을 표시하는데 있어서 매우 효율적이다. 스크라이빙은 주로 전자산업에서 세라믹이나 반도체웨이퍼(wafer)등에 섬세한 선을 그어 정확한 크기의 조각들로 부러뜨려 질 수 있도록 하는 것이다. 따라서 다소간 깊게 파낼 필요가 있다.6.2.1.8 레이저 파장과 에너지 흡수
가공용 레이저로는 이산화탄소, 루비, 야그, 글래스, 아르곤 이온레이저 등이 사용되는데, 가장 보편적으로 쓰이는 것은 이산화탄소와 야그 레이저이다. 최근에는 반도체 레이저나 엑시머 레이저도 특수한 용도에 쓰이고 있다. 이산화탄소 레이저는 수 kW급의 대형 레이저들이 1980년대에 들어와 산업적으로 보편화되었으며 최근에는 50kW에 이르는 것도 사용되기 시작하였다. 1.5kW 정도의 이산화탄소 레이저는 25mm 두께의 철판을 쉽게 절단한다.
야그 레이저는 출력이 이산화탄소 레이저보다 낮아서 산업적으로 많이 활용되지 못하였으니 1980년대 후반 이후 킬로와트 급이 상품화되면서 각광받고 있다. 야그 레이저가 각광받는 또 하나의 이유는 광섬유를 사용하면 적은 손실로 전송할 수 있고, 레이저 빛을 보내기 까다로운 곳에도 광섬유의 유연성을 이용하여 용이하게 전송할 수 있기 때문이다. 이런 장점을 원자력 모든 재료의 표면은 빛을 반사, 투과 및 흡수한다. 반사된 에너지는 가공물에 영향을 주지 못하므로 가공을 위해서는 에너지가 흡수되어야 한다. 그런데 에너지가 흡수 또는 반사되는 양은 같은 재료라 할지라도 비추는 빛의 파장에 따라 크게 달라진다. 가공할 때 발생하는 증발 현상은 레이저와 가공물 사이에 플라스마(plasma)또는 증기층을 형성한다. 이 플라즈마 층은 레이저 에너지를 흡수함으로써 가공물에 효과적으로 전달되지 못하도록 한다. 어떤 경우에는 가공물을 가열할 때 발생되는 난류가 플라스마를 제거하는데 도움을 주기도 하지만, 대부분의 경우 아르곤이나 산소 등의 압축가스로 불어낸다.
레이저 빛을 모으는 방법에 따라 가공에 영향을 끼친다. 그림에 보인 바와 같이 초점거리가 짧을 렌즈는 긴 렌즈에 비하여 초점심도가 짧다. 한편, 그림에서는 볼 수 없지만 빛의 회절현상에 의하여 짧은 초점거리의 렌즈는 더 작은 점으로 모아진다. 따라서 짧은 초점거리의 렌즈는 더 작은 점으로 모아진다. 따라서 짧은 초점거리의 렌즈는 섬세한 작업을 할 수 있으나 두꺼운 재료에는 적당하지 않다. 그와 반대로 긴 초점거리의 렌즈는 덜 섬세하더라도 구멍을 깊이 뚫거나 두꺼운 재료를 절단할 수 있는 것이다.
<그림 43 렌즈의 초점거리에 따른 초점심도>
⑧ 초미세기술
전자공학, 미소광학(micro-optics), 의료기기 등의 많은 분야에서 소형화에 대한 요구가 급증하고 있다. 무엇보다도 반도체 분야의 급격한 발전으로 인하여 리소그래피(lithography)분야와 박막기술 분야는 눈부시게 발전하였고 이런 추세가 지속되고 있다. 따라서 효율적이고 정밀하며 유연한 초미세기술(nanotechnology)이 등장하였고 앞에서 다룬 레이저 가공이 매우 정밀한 수준으로 확장되어 왔다. 중복되는 분야도 있지만 초미세기술에서의 레이저의 유용성은 리소그래피, 초미세가공, 박막증착 등에서 엑시머 레이저의 역할에 의한 것이다. 여러 가지 자외선을 내는 엑시머 레이저는 256Mbit DRAM 생산에 필수적인 레이저 리소그래피에 주역을 담당하고, 주로 용발(ablation)과정에 의해 마이크로미터 이하의 구조를 가공할 수 있으며 표면처리, 박막코팅 등에서도 매우 유용하다. 200W급이 상용화 되어있고 실험실 내에서는 1kW급까지 실현되어 있다.
⑨ 레이저 리소그래피
반도체 집적회로의 발전은 대단해서 이미 1μm이하의 회로 선폭을 갖는 VLSI 제조기술이 일반화 되어있다. 특히 컴퓨터 메모리 분야에서는 1960년대 후반에 1Kbit(킬로 비트)짜리 메모리를 생산하기 시작한 이래로 집적도가 매우 급속하게 높아지고 있다. 파장이 0.248μm인 KrF 엑시머 레이저를 이용하여 회로 선폭을 0.3μm까지 낮출 수 있는 기술이 개발되어 있다. 이런 엑시머 레이저 리소그래피는 종래의 자외선 등을 광원으로 한 경우와 비교하여 첫째, 노광시간이 수십 나노초(ns)로서 처리속고가 빠르고, 둘째, 높은 분해능을 가지며, 셋째, 엑시머 레이저는 여러 모드를 가져 공간적 가간섭성이 낮이 간섭무늬가 없는 높은 질의 리소그래피 무늬가 얻어지는 등의 장점이 있다. 엑시머 레이저 리소그래피에서는 노광용 렌즈의 수차에 의하여 마
<그림 44 사진 8. 1μm두께의 박막에 형성된 0.35μm굵기의 선들과
248nm용발에 의한 지름 120μm의 산화알루미늄 톱니바퀴>
스크무늬의 분해능이 제한된다. 그래서 엑시머 레이저의 스펙트럼 폭을 줄이는 것이 중요하다. 예를 들면 KrF 엑시머 레이저 내부에 에탈론을 삽입하여 그 스펙트럼 폭을 0.005nm로 함으로써 회로선 폭이 0.3마이크로미터인 무늬를 얻을 수 있다. 이와 같이 높은 분해능은 64Mbit DRAM까지는 어렵지 않게 제작할 수 있으며 0.25μm 선폭이 요구되는 256Mbit DRAM과 아마도 1Gbit까지는 가능할 것으로 기대되나 그 이상에 대해서는 아마도 차세대 X선 노광장비를 이용해야 할 것으로 전망 된다. 한편 이 분야에서 야그 레이저도 중요하다. 물론 파장 1.06μm인 적외선을 사용하는 것은 아니고 비선형 광학결정을 이용하여 파장을 1/4인 266nm로 한 것이 사용된다. 0.35μm의 선폭을 갖는 64Mbit 메모리와 같이 매우 집적도가 높은 IC생산에 사용되는 리소그래피용 마스크 제작에 사용된다. 마스크는 보통 4~6인치의 수정기판으로 되어 있으며 그 위에 100nm 두께의 크롬박막이 웨이퍼 스텝퍼(wafer stepper)에서 노출을 줄 때 빛을 흡수한다. 마스크 제작과정에서 결함이 생기게 마련이므로 그것을 보완할 수 있는 도구가 반드시 필요하다. 야그 레이저의 제 4고조파는 이런 결함을 수리하는데 사용되는 것이다. 장점으로는 펄스를 한번만 발생시킬 수도 있고 높은 반복율로 사용할 수도 있다는 것이다. 마스크에 크롬이 없어야 할 부분에 있는 것을 제거할 수 있는데 0.25μm 이하의 미세한 수리가 가능하다. 또한 있어야 할 부분이 비어있는 경우 뒤에서 설명할 레이저 CVD를 이용하여 증착할 수 있다.
⑩ 초미세가공
천공, 절단, 포면처리 등을 미세하고 정교하게 하기 위해서는 레이저 빛을 매우 작은 점으로 모아야 하므로 파장이 짧은 자외선을 내는 엑시머 레이저가 가장 많이 쓰인다. 이때 가공원리는 이산화탄소 레이저와 야그 레이저를 이용한 경우 주로 열에 의존했으나, 자외선의 경우 주로 용발(ablation)과정에 의하여 가공된다. 여러 가지 물질 즉, 금속, 유리, 폴리머, 세라믹, 다이아몬드 등이 엑시머 레이저의 자외선을 잘 흡수한다. 그러므로 짧을 펄스를 이용하면 주변에 미치는 열 효과를 완벽하게 피할 수 있다. 매우 작은 로봇을 만들어 몸 속에 집어 넣어 병균이나 암세포를 파괴한다는 공상과학적인 이야기를 들은 적이 있을 것이다. 최근에 엑시머 레이저로 가공된 매우 작은 바퀴 등의 기계부품들을 볼 때 이런 것들이 머지 않은 장래에 실현될 것으로 기대된다. 이와 같은 가공방법은 통신이나 의료분야에서 요구되는 미소광학 부품들과 같은 작고 복잡한 3차원 구조물들을 제작하는데 유용하다. 정밀 산업에 사용되는 매우 섬세한 전기줄의 피복을 정확하고 신속하게 벗기는데 엑시머 레이저에 의한 용발이 사용된다. 이러한 전기줄은 최첨단의 고속 하드디스크의 헤드를 연결하는데 사용된다. 기록밀도를 최대로 하고 액세스 시간을 최소로 하기 위해서는 헤드가 작고 가벼워야 한다. 이렇게 되면 헤드는 데이터를 빽빽히 기록할 수 있고 디스크 표면을 빠른 속도로 움직일 수 있는 것이다. 디스크헤드로부터 데이터를 전송 받거나 그리로 전송하는 전기줄을 보통 기구로 벗길 수 없으므로 전기방전장치를 이용하는데 자동화할 수가 없고 찌꺼기로 인하여 접합불량이 되는 단점이 있다. 또한 꼬아진 두 선에 쇼트(short)가 일어나기 않도록 정밀하게 벗기는 것이 어렵다는 것이 가장 큰 문제이다. 엑시머 레이저를 이용하여 완전히 자동화된 시스템을 구현하여 매우 효과적인 작업을 하게 되었다. 248nm에서 200Hz로 작동하는 엑시머 레이저가 전기줄의 피복만을 완벽하게 용발 시키는 것이다. 섬세한 마킹을 하는데 에는 역시 자외선 즉, 엑시머 레이저를 사용한다. 유리, 플라스틱, 금속, 세라믹 등이 높은 흡수율을 가지므로 신속한 마킹이 이루어진다. 그런데 재료에 따라 원리가 다소 다르다. 유리나 금속의 경우에는 열로 인한 기화에 의해서 마킹이 이루어진다. 엑시머 레이저의 높은 흡수율과 짧은 펄스로 인하여 주변물질에 열 효과를 주지 않는다. 한편 플라스틱의 경우에는 자외선에 의한 광화학적 색깔변화에 의해 주변물질에 영향을 주지 않고 지워지지 않는 마킹을 한다.
⑪ 광섬유 센서
광섬유는 정보통신에 핵심적인 역할을 하고 있으며, 온도, 압력, strain, 전류, 회전운동, 그리고 화학조성 등의 매우 다양한 물리현상을 측정하는 센서로도 대단히 유용하다. 오늘날 항공기나 첨단 건물들은 광섬유로 그물처럼 짜여져 있다고 할 정도로 수많은 광섬유 센서로 여러 가지 상태를 검사하고 있다. 기본적인 광섬유 센서는 광원가 감지소자 그리고 광검출기를 가지고 있는데, 감지소자가 물리현상에 의해 반응할 때 광검출기가 받는 신호에 변화가 오는 것이다. 감지작용은 광섬유 안에서 일어날 수도 있고 (intrinsic sensor) 그 밖에서 일어날 수도 있다(extrinsic sensor). 예를 들어 용액 속에 있는 화학성분의 농도를 측정하는 extrinsic sensor의 경우 광섬유 끝에
<그림 45 광섬유센서에 많이 사용되는 광섬유 형태>
<그림 46 광섬유 자이로스코프의 원리>
화학적으로 민감한 물질을 부착시킨다. 빛이 광섬유를 통과해 화학물질을 감지하는 물질이 부착된 끝까지 왔다가 반사되어 되돌아 간다. 반사된 빛의 세기는 용액의 조성에 따라 변하므로 그것을 축정하여 화학성분의 농도를 측정할 수 있다. 편광유지 광섬유에는 스트레스를 일으키는 두 개의 붕소유리 막대를 사용하거나 타원형 중심부를 채택하여 비대칭적인 굴절률 분포를 가지도록 한다.
Intrinsic sensor의 예로서는 미소굴곡(microbending)효과에 기반을 둔 센서이다. 거친 표면을 가진 두 판 사이에 광섬유를 넣는다. 판을 눌러주면 거친 표면에 의해서 야기된 변형 때문에 여러 부분에서 작은 곡률반경의 굴곡이 발생한다. 이때 전반사에 대한 조건이 변하므로 광섬유에서의 빛의 손실이 증가한다. 검출된 출력의 변화를 관찰하면 광섬유 센서의 변화를 알 수 있다. 광섬유 센서는 일반적으로 검출된 정보의 성질에 따라 세기 또는 위상 센서로 구분되는데, 위에서 설명한 두 예는 모두 세기 센서에 속한다. 세기센서의 경우 원하는 정보는 검출기가 받은 광출력의 변화에 들어있다. 위상센서는 광원에서 검출기 사이에 참조와 측정팔로 불리는 두 가지 경로를 사용한다. 측정팔은 측정될 대상에 노출되고 참조팔은 제어된 환경에서 유지된다. 예를 들어 액체의 온도를 측정할 때, 온도에 따른 굴절률과 크기의 변화 때문에 측정팔 내에 있는 광섬유의 광로가 변화한다. 따라서 측정팔과 참조팔에 온도 차이가 있으면 그들을 통과하는 빛의 위상이 다르다. 각 팔에서 오는 빔이 광검출기에서 합성될 때, 측정된 빛의 세기로부터 두 경로 사이의 위상의 상대적 변화를 결정할 수 있고, 이는 액체의 온도를 정확하게 결정하는데 사용된다.
광섬유 자이로스코프(gyroscope)는 사냑(sagnac)효과를 이용한 간섭계로서 회전을 감지하는 장치이다. 이는 자동차로부터 항공기 빛 정교한 첨단 무기에까지 응용되고 있어, 광섬유센서 중 가장 시장성이 크다고 하겠다. 광섬유 자이로스코프는 종래의 것들과는 달리 움직이는 부품을 사용하지 않는다. 또한 고리형 레이저를 사용하는 광학적 자이로스코프와 비슷한 정밀도를 가
<그림 47 광섬유 자이로스코프>
지지만 훨씬 간소하다 작동원리는 광섬유로 구성된 원형 고리에 레이저 빛이 나뉘어져 입사하여 서로 반대방향으로 진행할 때 전체 시스템이 회전하면 두 빛 사이에 위상차가 생긴다. 간섭계로부터 이 위상차를 측정함으로써 회전운동을 매우 정밀하게 측정하는 것이다. 광섬유 자이로스코프는 석유탐사를 할 때 드릴비트와 함께 내려가며 그 위치와 방향을 추적하는 데에도 사용된다.
⑫ 측량과 정렬
레이저 계측 분야에서 가장 단순한 것은 레이저 빔을 직선으로 이용하는 것이다. 직선을 긋는데 레이저빔을 사용한다면 하찮거나 심지어 세속적으로 들리지도 모르나 이것은 건설산업, 측량 및 농업에서 기본적이고 매우 중요한 것이다. 삼풍백화점 참사 이후 대두되고 있는 대형건물에 대한 안전검사에는 각종 첨단 비파괴 검사 장비가 사용된다. 이중에 레이저를 이용한 장비도 있는데, 예를 들면 레이저 측정기는 주차장 천장을 받치고 있는 H빔의 처진 정도를 레이저 빔과의 거리를 측정함으로써 알아낼 수 있다. 이 때 사용되는 레이저는 낮은 출력의 헬륨-네온 레이저로서 붉은 빛(632.8nm)이 이용된다. 이들은 측량작업을 단순화했고 건설현장이나 농업에도 도움을 주었다. 건설현장에서 매달린 천장이나 칸막이를 설치할 걸이(mount)를 정렬하는데 레이저평면 발생기는 매우 유용하다. 레이저를 삼각대에 설치한 다음 그 빔을 벽 가까이에 있는 프리즘으로 보내는 것을 반복하면 레이저 빔이 벽을 따라 한 바퀴 돌게 된다. 이것을 잘 조정하면 레이저 빔이 같은 높이로 벽을 따라 가게 된다. 따라서 이것을 기준으로 하여 걸이를 설치하면 방 전체에 고르게 할 수 있다. 이 레이저 평면 발생기를 90°만큼 회전시키면 칸막이를 설치할 위치를 정확하게 표시해 줄 것이다. 농업에서 레이저 빔은 물을 댈 경작지의 경사도를 설정하는데 사용된다. 이 경사도는 물이 고이는 곳이 없을 정도로 높아야 하지만 물이 너무 빨리 흐르지 않을 정도로 낮아야 한다. 삼각대에 레이저를 올려놓고 원하는 각도로, 예를 들어 수평과 1°를 이루도록 조정하면 빔은 그 각도로 나갈 것이다. 농부는 땅을 고르는 장비에 센서를 부착하여 경작지를 다닐 때 장비의 날을 적당한 높이로 자동적으로 조정할 수 있다. 위에서 설명한 대로 각종 건설현장에서 측량이나 정렬을 하는데 주로 레이저의 직진성을 이용한다. 레이저 빛의 발산각은 광선의 굵기에 역비례하므로, 예를 들어 헬륨-네온 레이저의 광선의 굵기를 5cm 정도로 하면 발산각은 0.02mrad 이하가 되어, 100m 진행했을 때 2mm 미만의 굵기의 증가가 있게 된다. 이러한 직진성과 4분할 광검출기를 사용하면 재래식 방법으로는 상상도 할 수 없는 정밀도를 얻을 수 있다. 멕시코의 해저광산에서 채굴된 액체유황을 수송하는 길이 15Km의 해저 파이프 라인 (pipe line)을 설치하는데 종래의 3각 측량방법 대신에 헬륨-네온 레이저로 손쉽게 작업을 한 바 있다. 또한 고층건물, 댐, 다리 등의 구조물의 진동, 변형 등을 정밀하게 측정할 수 있다. 예를 들면 지상의 몇 군데에 레이저를 설치하고 건물에 부착되어 있는 광검출기에 레이저 빛을 비춤으로서 건물의 움직임을 수십μm의 정밀도로 측정할 수 있다.
⑬ 길이 및 거리측정
길이 및 거리를 정확하게 측정할 수 있는 레이저 응용방법으로서는 간섭적 방법, 빔변조법, 반사 펄스법 등이 있다. 간섭적 방법은 10m정도의 거리측정에 사용되는데 비해, 빔 변조법과 반사 펄스법은 수백만 Km까지의 거리측정에 사용된다. 첫째로 간섭적 방법에서는 레이저의 가간섭성을 이용하여 수십m의 거리를 백만분의 일의 정밀도로 측정할 수 있다. 둘째, 빔 변조법에서는 변조된 레이저 빛을 표적물에 보내어 반사되어 돌아온 빛과의 위상차를 측정함으로써 거리를 측정하게 되는데 이 방법 역시 백만분의일 정도의 정밀도를 얻을 수 있다. 셋째, 반사 펄스법은 레이저 레이더라 불린다. 빛의 파장은 짧은 길이를 측정할 수 있는 매우 편리한 단위이다. 이 때는 빛의 간섭현상을 이용하는데, 이는 두 빛이 만날 때 그 세기가 각각의 세기의 합보다 강해지기도 하고 약해지기도 하는 것을 말한다. 간섭적 방법은 두 점 사이의 거리를 매우 정확하게 잴 수 있다. 기본적인 원리를 이해하기 위해서 간단한 예를 살펴 보자. 그림에서 레이저 빛이 광분할기에 의해 두 개의 빔으로 나눠진다. 그들은 각각 거울로 간 다음 반사되어 다시 광분할기로 돌아와 거기서 투과된 빛과 반사된 빛이 광검출기에서 간섭한다. 이들이 광검출
<그림 48 거리측정에 사용되는 마이켈슨 간섭계>
기 위에서 같은 위상을 가지면 밝은 점을 보일 것이다. 그 상태에서 하나의 거울을 1/4 파장만큼 레이저로부터 이동하면 그로부터 반사된 빛은 반파장 만큼 경로가 길어져서 두 빛은 180°의 위상차를 갖게 되어 소멸간섭을 하고 광검출기에는 어두운 점이 보인다. 거울을 더 움직이면 다시 밝은 점이 보이고 어두운 점이 보이는 것을 되풀이할 것이다. 그러므로 밝고 어두운 횟수를 기록하면 거울의 이동거리를 레이저 빛의 파장의 1/4정도로 정밀하게 측정할 수 있다. 예를 들어 헬륨-네온 레이저의 632.8mm 빛을 사용한다면 그 1/4인 158.2mm의 정밀도를 얻을 수 있다. 이런 방법을 이용할 때는 광검출기에서 나오는 신호를 전자회로에 연결하여 세기를 정밀하게 측정하면 더욱 정밀하고 효율적인 측정을 할 수 있다. 위에서 다룬 것을 마이켈슨 간섭계라 한다. 이와 비슷한 원리를 이용하면 직선적인 거리만이 아니라 물체의 표면의 높낮이도 매우 정밀하게 측정할 수 있다. 주로 피조 간섭계나 트와이만-그린 간섭계를 이용하여 기준면과 주어진 면 사이의 차이를 0.00003mm정도의 정밀도로 쉽게 측정할 수 있으며, 이는 높은 정밀도를 요하는 광학 부품의 시험 등에 사용된다. 이때 간섭무늬는 매우 평평하고 고른 면에서 반사된 빛과 물체 표면에서 반사된 빛에 의해 형성되어, 물결무늬 같은 밝고 어두운 무늬를 보인다. 밝은 부분과 이웃하는 어두운 부분은 1/4파장만큼의 높이 차이를 보이는 것이다. 간섭계의 원리를 이용하여 매우 작은 거리차이를
측정하고자 하는 노력은 아인슈타인에 의해서 예측된 중력파를 검출할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
미국의 대형 기초과학 프로젝트의 하나인 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)는 한쪽 팔이 4Km에 이르는 초대형 간섭계를 이용한 것으로 2000년에야 관측이 시작될 것이다. 중력파는 중성자별, 초신성, 블랙홀 등이 형성되면서 방출되는 것으로 예측되었지만 그 영향이
<그림 49 중력파 검출을 위한 LIGO 장치>
매우 약하여 아직까지검출되지 못한 것으로 생각되고 있다. 강력한 중력파가 LIGO에 도달하면 그 양쪽 팔에 매달린 육중한 거울을 흔들 것이다. 이때 두 팔의 길이 차가 간섭무늬에 영향을 줄 것 인데, 이 길이 차는 10-18m 정도 일 것으로 생각되어 엄청나게 정밀한 측정을 요구하는 것이다.
⑭ 속도 측정
레이저를 이용한 속도 측정 방법은 도플러(doppler)효과를 이용한 LDV, 즉 레이저도플러 속도 측정법(Laser Doppler velocimetry)과 레이저의 스펙클(speckle)을 이하는 방법을 들 수 있는데, LDV에서는 광원으로부터 상대적인 운동을 하고 있는 물체로부터 반사되어 오는 빛의 주파수가 물체의 속도에 비례하여 달라진다는 도플러 효과를 이용한다. LDV는 내연기관, 화염, 바람굴(wind tunnel), 혈액순환, 터빈의 날개와 프로펠러의 속도측정 등 대단히 넓은 응용성을 가지고 있는데, 측정 가능한 속도 범위도 1초에 수μm에서 수Km까지 아주 넓은 범위를 가진다. 또한 LDV는 다른 광학적 방법과 마찬가지로 비접촉적 이어서 측정대상에 영향을 주지 않고, 뜨거운 물체, 독성, 부식성이 높은 유체 등에 사용될 수 있다는 장점이 있다. LDV와 연관된 것으로서 각속도를 측정하는 데 사용되는 레이저 자이로스코프(laser gyroscope)가 있는데, 이는 서로 반대 방향으로 진행하는 빛이 각속도에 비례하는 주파수의 변화를 갖게 된다는 사실을 이용한 것이다. 뒤에서 다루게 되는 광섬유 자이로스코프는 여러 가지 장점을 가지고 있어서 실제 응용에 많이 사용된다. LDV는 고체의 속도 측정의 경우 표면이 매끄러운 경우에 적합하고, 표면이 거친 경우에는 스펙클을 이용하는 방법이 주로 사용된다. 스펙클이란 레이저처럼 간섭성이 큰 빛의 경우에 관찰되는 현상으로 거친면의 여러 부분에서 반사된 빛들이 무작위적인 위상차를 갖게 되어 서로 간섭했을 때 얼룩덜룩한 불규칙한 간섭무늬를 갖게 되는 것을 말한다. 이러한 스펙클 무늬의 속도를 측정함으로써 물체의 속도를 측정할 수 있는데 1초에 0.1m에서 10m 정도의 속도를 측정할 수 있다. 이러한 속도 측정방법은 알루미늄, 철, 구리선, 신문용지, 플라스틱, 모래 등과 같은 다양한 물질의 속도를 공장 같은 곳에서 연속적으로 측정하는데 사용되고 있다.
⑮ 레이저 레이더
레이저 빛을 멀리 있는 물체에 비추어, 반사된 빛을 검출함으로써 거리나 속도를 측정하거나 물체의 종류 또는 모양을 알아내는 방법을 레이저 레이더(Laser Rader) 또는 라이더(Lidar ; Light Detection and Ranging)라 한다. 이 방법은 여러 가지 모양으로 발전되어 많은 계측 분야에서 유용하게 사용되고 있다. 여기에서는 거리측정과 여러 가지 응용 예들, 교통감시와 관제, 지구적 규모의 대기 관측, 오염물질의 측정을 통한 환경계측 등을 다룬다.
<그림 50 레이저 레이더>
⑯ 거리측정
레이더를 이용하여 거리를 측정하는 것과 같은 원리로 물체에 짧은 레이저 펄스를 보낸다 반사된 빛이 돌아오는데 걸리는 시간을 축정하면 물체까지의 거리를 알 수 있는 것이다 정밀한 측정을 위해서는 레이저펄스가 짧을수록 좋다. 예를 들면 1969년 아폴로11호가 달 표면에 역반사경을 두고 옴에 따라 10ns의 Q-스위치 루비 레이저를 사용하여 지구와 달 사이의 거리를 1.5m의 놀라운 정밀도로 측정한 바 있다. 레이저 레이더는 인공위성의 거리측정 및 추적, 일반적인 거리측량, 전투에서, 목표물까지의 거리측정 등 매우 다양한 분야에서 사용되고 있다. 매우 정밀한 거리측정을 함으로써 지각변동과 대륙이동을 탐지할 뿐만 아니라 지진 예측도 가능할 것으로 기대되고 있다. 또한, 인공위성이나 항공기에 설치하여 지면까지의 거리를 정밀 측정함으로써 3차원적 지각변동의 관측, 입체적 측량, 접근이 어려운 장소에 대한 입체 지형도 작성 등에 사용될 수 있다. 수중에서 잘 투과되는 청록색 레이저를 항공기에 설치하여 해저지도를 작성하기도 한다. 즉 바다 표면과 바닥에서 반사된 빛의 시간차로부터 수심을 측정하게 된다.
⑰ 교통감시와 관제
넓은 범위의 교통감시에는 마이크로파에 의한 레이더를 주로 사용하지만, 좁은 영역에서는 레이저 레이더가 매우 유용하다. 예를 들면 항공기가 착륙할 때 거리측정 정밀도의 향상, 기체의 식별, 활주로의 안전 확인 등에 중요한 역할을 한다. 또 공항이나 항만에서 안개의 발생여부, 항공기의 이륙, 착륙 후에 발생하는 위험한 대기 요동의 관측 등에도 이용된다. 주사(scan)형 레이저 레이더는 촬상 장치로 쓰이는데, 이산화탄소 레이저와 헤테로다인(heterodyne) 수신방식을 사용하는 주사형 적외 촬상 장치가 개발되어 있다. 맑은 날에는 짧은 파장의 빛을 내는 야그 레이저나 GaAlas 레이저들이 유리하지만, 안개나 악천후의 경우에는 파장이 길어 투과율이 높은 도파형 이산화탄소 레이저나 TEA 펄스 이산화탄소 레이저 등이 효과적이다. 이와 같은 주사형 적외 레이저 레이더는 물체의 검지나 식별, 이동물체의 자동검지를 가능케 하므로 항만, 철도, 도로에 있어서 교통상태의 파악과 교통관제 저공비행시의 장애물의 검지와 안전운행 등의 폭넓은 응용분야에 유용할 것으로 기대된다.
⑲ 지구적 규모의 대기관측
우주선에 탑재된 레이저 레이더를 이용하여 성층권과 같은 고공에서의 기압, 온도, 습도, 에어러솔(aerosol) 등을 지구적 규모로 관측하는 연구가 미 항공우주국(NASA)에 의해 추진되어 왔다. 이와 같은 연구에는 DIAL(Differential Absorption LIDAR : 차동흡수형 레이저 레이더)을 인공위성, 스페이스셔틀, 우주정거장 등에 설치하여 이용한다. DIAL은 어떤 특정한 대기분자의 흡수선에 맞는 파장(λ1)의 레이저 펄스와 거기서 약간 벗어난 파장(λ2)을 갖는 레이저 펄스를 교대로 내보낸다. 이때 산란되어 돌아오는 두 파장의 빛의 세기로부터 습도, 기압, 온도 등을 측정할 수 있다. 예를 들면 물분자 H2O의 흡수선(724nm)에 적용하면 그 농도 즉, 습도를 측정할 수 있고, 760nm근처의 산소분자 O2의 흡수선을 이용하면 기압과 온도를 측정할 수 있다. 에어러솔의 관측은 지구온도의 예측에 관계되어 중요한데, 야그 레이저를 사용하는 미 산란(Mie scattering)형 레이저레이더를 이용한다. 한편 이산화탄소 레이저와 헤테로다인 방식 및 도플러 효과를 이용한 도플러 레이저레이더는 대류권에서의 바람속도를 측정하는데 적용된다. 대기관측에 사용되는 레이저로서는 알렉산드라이트레이저, Ti : Al203 레이저, Co : MgF2 레이저 등의 파장가변형고체 레이저가 유용하다.
⑳ 환경 계측
요즘 환경에 대한 관심이 날로 높아지는 가운데, 그 오염 상태를 측정 및 감시할 수 있는 방법이 매우 중요해지고 있다. 레이저를 이용하는 방법의 원리는 레이저 빛이 대기나 수중을 투과하며 발생하는 흡수와 산란을 측정 및 분석함으로써 오염분자의 종류, 농도, 분포 등을 알아내는 것이다. 대기 관측에서 사용되는 DIAL은 오염분자의 흡수선에 맞는 레이저를 사용함으로써 이 분야에서는 매우 중요한 역할을 한다. 예를 들면 화력 발전소에서 배출되는 아황산 가스, 이산화 질소, 오존 등의 오염 물질을 효과적으로 계측할 수 있다. 라만 산란(Raman scattering)형 레이저 레이더는 라만 산란 즉, 어떤 분자에 레이저 빛을 비추었을 때 분자 특유의 진동수만큼 어긋난 진동수로 빛이 산란되는 것을 이용함으로써 오염분자를 계측할 수 있다. 한편 앞에서 언급한 미 산란형 레이저 레이더는 미립자에 의한 산란을 측정함으로써 공장에서 배출되는 연기, 먼지 가루 등을 계측할 수 있을 뿐만 아니라, 공장지대나 시가지의 대기오염상태, 화산 폭발 후에 발생하는 성층권에서의 에어러솔의 변동 등에 대한 계측에도 사용된다. 야그 레이저의 제2고조파나 자외선을 내는 레이저를 사용하는 레이저 레이더는 바다, 호수, 강 등의 수중오염 물질에 대한 형광이나 라만 산란광 등을 분광분석하여 오염상태를 계측하는데 유용하다. 예를 들면 기름오염이나 식물플랑크톤의 발생 등을 파악하는 데 사용된다.
(2) 의학분야의 응용
미세한 부위에 빛에너지를 집중할 수 있는 특징 때문에 외과 수술시 칼 대신에 100W 내지 200W급의 CO2레이저가 쓰이고 있다. 레이저로 수술하면 세포조직의 물분자에 의해 10.6um의 빛이 잘 흡수되므로 쉽사리 응고되어 지혈에 훌륭한 효과가 있다. 아르곤레이저는 망막치료에도 사용되지만 성형외과에서 피부의 주근깨 등 점을 제거하는 피부미용에도 이용되고 있다. 또한 피부암의 치료에도 He-Ne레이저가 사용되고 있는데 이것은 He-Ne레이저의 632.8 nm 파장이 신체조직을 잘 투과하는 성질을 이용한 것이다. 피부암 환자에 HPD(hematoporphrine derivative)라는 약제를 투여하면 이 화합물은 암세포부위에만 침착되는데 이것은 632.8nm의 빛을 잘 흡수하는 물질이다. 이 상태에서 He-Ne레이저의 빛을 광섬유로 피부조직에 주사하면 건강한 조직에서는 레이저광이 잘 투과하므로 영향이 없으나 암세포 주위에 침전되어 있는 HPD가 빛을 흡수하고 흡수된 광에너지를 암세포에 전달 함으로서 암세포가 죽게 되는 것이다.
그 외의 중요한 응용 중의 하나는 거리측정이다. 지구와 달 까지의 정확한 거리 측정은 레이저에 의해서 비로소 가능해졌다. 달 표면에 설치된 코너튜브(coner tube)는 4면체로된 거울로서 빛이 입사하면 입사방향과 평행한 반사광을 얻을 수 있는 장치이다. 이 코너튜브에 10초의 짧은 펄스레이저를 보내면 송신지점으로 되돌아오므로 빛의 왕복시간을 알 수 있고 이로서 정확한 거리를 계산해 낼 수 있는 것이다. 따라서 지구에서 달까지 거리는 15cm오차 이내의 거리로 정확히 측정된다.
1) 의료에서의 레이저
레이저는 초기에 군사용이나 공업용으로 사용되다가, 의료분야에서도 응용할 수 있게끔 연구 개발을 거듭한 결과 의료용으로도 이용할 수 있게 되었다. 그러나 그 과정에는 많은 어려움이 따랐다. 일반인에게 레이저는 금속 가공 절단 등의 공업용이나 공상 과학 영화의 전쟁에 나오는 신비의 빛 정도로 인식되어 왔다. 그러나 불과 몇 년 전부터 우리나라에서도 난치성 피부 질환에 적극적으로 이용되면서부터 레이저란 이름이 일반인 사이에도 친숙하게 되었다. 아주 짧은 시간에 많은 양의 에너지를 순간적으로 목표물에 집중 조사할 수 있어 파괴력이 크고 주변 조직에 손상을 적게 주는 장점이 있다. 1964년 할로겐 램프 광을 대신해 루비 레이저 관을 사용한 안과용 망막 광응고 장치가 개발되어 망막 박리의 임상적 치료에 적용되는 등 의학적인 응용은 일찍부터 시작되었지만, 1970년 전반까지는 주로 레이저 발진관에나 주변기기의 기술이 발전되지 못해 의료용 레이저는 실용화되지 못했다. 그러던 것이 1971년 탄산가스 레이저 기기가 탄생되면서 70년대 중반 이후 세계 각국에서 레이저 메스를 중심으로 한 각종 의료용 레이저 장비가 개발되었다. 피부과 영역에서 레이저 치료가 큰 위력을 발휘하게 된 것은 불과 얼마 전이다. 혈관종을 치료하기 위해 레이저 빛이 이용될 때만 해도 초보적인 단계였다. 그러나 문신 색소가 흉터 없이 제거되고 오타 모반과 혈관종이 치료되며, 이제는 주름살 제거와 여드름 흉터 제거, 모발 이식 및 모발 제거에까지 이용될 정도로 눈부신 발전을 했다. 레이저는 단순히 수분의 흡수에 의한 세포 파괴에서부터 색깔의 파장에 따라 혈액 및 멜라닌 색소에 선택
<그림 51 레이저 의료의 특징>
적으로 흡수되어 파괴시키는 높은 단계에까지 이르렀다. 따라서 한가지 레이저로서 모든 피부질환을 치료하는 것이 아니라 각각의 피부병에 적절한 레이저를 선택하여 병변의 위치, 크기, 색깔의 정도 등을 고려하여 치료할 때 보다 효과적인 치료가 가능한 것이다.
우리 나라에서는 1980년대 후반부터 의료용 레이저 기기가 본격적으로 보급되었으며, 1990년 이후 현재까지 그 수요가 급속히 증가하고 있다. 의료용 레이저 기기는 시술이 간편하고 환자의 회복 속도가 빠르다는 장점과 전에는 치료하지 못했던 질환들을 치료할 수 있다는 점 때문에 앞으로도 그 수요가 계속 증가할 것으로 예상된다.
레이저는 빛이다. 모든 빛은 직진이나 굴절, 회전, 간섭 등의 성질이 있고, 입자의 움직임인 파동의 성질을 가지고 있기 때문에 레이저 빛도 특유의 파장과 모양을 지니고 있다. 예를 들어 태양빛을 프리즘을 대면 일곱 가지 무지개색으로 나누어지는데, 이것은 파장이 다르기 때문에 나타나는 현상으로 파장이 다르면 굴절하는 방식도 달라진다. 또한 빛의 파장에 의해 색깔 및 진동수가 달라지게 된다. 기존에 사용 가능하던 광원들은 파장 대역이 넓어 특정 파장의 선택 효율이 낮아서 치료 효과가 크지 않았다. 그러나 레이저가 개발된 이후는 사정이 달라졌다. 이미 앞장에서 언급된 과 같이 레이저는 기존에 존재하던 광원인 램프종류나 자연광에 비해 단색된 빛을 발하며 파면의 질서도가 뛰어나 서 두 분리된 빔 사이의 간섭성이 좋고, 아주 작은 점으로 그 크기를 줄일 수 있으므로 높은 에너지 밀도의 빔으로 만들 수 있어, 레이저를 이용한 질병의 치료에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 레이저가 가진 이러한 특징은 먼저 빛이 일반적으로 가지는 특징인 비접촉 치료가 가능하다는 것이다. 다른 기구를 사용하는 치료에서는 환부와 기구를 통
한 바이러스의 흡입이나 전이의 위험이 높다. 그러나 레이저 치료는 비접촉이므로 통증이 적고 감염의 위험도 적다. 또한 레이저는 국부적 에너지가 높으므로 세포를 가열 기화시키며, 위험한 세포나 세균을 사멸시키는 능력도 높다.
두 번째, 레이저는 그 빔 크기를 수 십 마이크론 이하로 만들 수가 있어 수술을 위한 메스로 사용시 세포 파괴층이 0.1mm 정도 이하로 되므로 절개부 주변의 세포 회사층이 아주 좁아져 통증이 적은 수술이 가능하고 수술 후의 회복이 빠르고 또한 상흔이 깨끗하여 치유가 빠르다. 수술용으로 쓰이는 전기 메스는 세포 파괴층이 3mm 정도가 되므로 상대적으로 통증이 심하고 상흔의 크기가 크며 수술 후의 회복이 느리다. 또한 레이저 에너지의 일부가 수술 부위 주변으로 전파되어 절개부를 응고, 봉합시키므로 출혈이 거의 없어 수혈량을 종래에 비해 수분의 1로 줄일 수가 있다.
세 번째로 레이저는 열적 치료 외에도 단색광이기 때문에 인체 조직이나 조직의 특정 성분에 집중적으로 흡수되어 광화학적 반응을 일으킨다. 그러므로 주변 조직에 영향을 주지 않고 특정 조직만 선택적으로 치료하므로 무혈의 국소적 치료가 가능하다. 한 광파이버와 같은 광도파로를 이용해서 레이저광을 필요한 부위로 전달 가능하므로 체내의 치료는 물론 현미경과 함께 사용하여 뇌와 같은 미세한 부분의 정밀 수술도 할 수 있다. 레이저의 초창기인 1960년대에 있어서는 필요한 출력을 얻기 위한 레이저의 발진장치 크기가 너무 커서 설치와 취급이 곤란했고, 또한 사용 가능한 레이저의 수효가 적어 널리 보급되어 있지 못했으므로, 이 당시 의료 분야에 있어 레이저의 응용은 주로 루비레이저를 이용한 피부의 반점 제거나 암치료 가능성에 대한 기초적인 연구와 망막의 혈관을 응고시키는 광응고 기술이 연구되었고 1964년에 탄산가스 레이저가 개발된 이후부터는 이를 메스(Mess)로 이용하는 외과 수술연구가 행해졌다. 1970년대 중반 이후 저손실 광파이버의 실용화에 의해 이를 도광로로 이용한 레이저에 의해 신체 내부기관의 수술 방법이 새롭게 개발되기 시작했다. 최근에는 레이저 장치의 소형화와 종류의 다양화에 힘입어 외과, 안과, 피부과, 치과, 내과, 산부인과 등 광범위한 의료분야에 파급 사용되고 있는 분야이다. 현재 이용되고 있는 치료 및 수술용 레이저의 경우, 파장범위는 대략 0.2에서 10㎛ 사이이고 출력은 연속파인 경우 대략 1㎽에서 100W까지 사용되고 있고, 펄스인 경우는 첨두 출력이 수십㎼까지이다.
① 광역학 치료
광역학 치료는 광화학 작용을 이용한 암치료 방법으로 광증감제라 하여 특정 파장의 빛에 민감하게 작용하여 광화학 반응을 일으키는 색소를 사용하여 암세포를 고사시키는 것이다. 광역학 치료에서 광증감제로 암세포에 친화성을 가지고 있는 포토프린 또는 헤마토프로필린 유도체(HPD)가 사용된다. 광역학 치료의 원리는 먼저 광 증감제가 정맥 내에 주입되고 나서 이틀 정도가 지나면 광증감제의 암세포와 친화성에 의해 이증감제가 암세포에 모이게 되고 이때 광증감제가 잘 흡수하는 파장(600~800nm)을 종양 부위에 조사하면 광증감제 분자가 여기되고, 여기상태 사이의 천이에 의해 여기 수명이 긴 상태로 옮겨가며, 이 상태에서 여기 에너지가 조직 내에 있는 산소 분자를 여기시켜 활성산소로 만든다. 이 활성 산소는 과산화수소나 오존과 같은 강한 산화 작용을 수반하므로 암세포를 질식시켜 죽게 만든다. 광역학작용은 광에 의한 산화 메카니즘을 일컫는다. 광증감제에는 상기의 프로필린류 외에도, 암세포의 핵에 침투하여 DNA의 사슬 구조를 절단함에 의해 돌연변이를 일으키게 하는 아그리신류와 세포질에 침투하여 효소나 RNA의 분자 구조를 변화시키는 키산틴류가 있다. 그러나 이러한 광증감제는 암치료와 더불어 다른 암이나 병을 유발시킬 가능성이 있으므로 임상적 적용이 곤란하다. 헤마토 프로필린과 같은 프로필린류는 세포질 중에서도 미토콘드리아에 침투하여 세포의 대사를 방해함에 의해 암세포를 사멸시키므로 임상 응용에는 적절하나 프로필린의 양이 많은 경우는 피부에도 집적이 가능하므로 광 과민성 피부염을 일으킬 수 있어 치료 후 일정 기간 동안은 일광이 들지 않는 곳에 격리되어 있어야 한다. 광화학 치료는 초기 식도암, 기관지암, 방광암 등과 같이 암이 점막에만 치중되어 있는 경우의 치료에 적합하나, 다소 점막하에 침투되어 있는 경우도 그 범위가 좁고 얕으면 조직에로의 침투 깊이가 깊은 레이저를 사용하여 가능하다. 그러나 광증감 물질도 조직 깊숙이 분포될 수 있는 것이어야 한다. 광화학 치료의 대표적인 예는 폐암 치료이다. 내기관지 종양의 치료는 주로 니오디뮴:야그 레이저를 이용한 가열, 기화시키는 방법으로 치료를 할 수 있으나 기관지 벽에 있는 종양의 치료는 기관지 벽에 구멍을 낼 수 있어 완벽한 치료를 할 수가 없어 이 경우 일부 치료는 광화학 요법을 이용한다. 치료 효과는 거의 80%에 달한다고 한다. 현재 광 역학 치료는 상기에 열거한 암 외에도 자궁암, 위암, 직장암, 머리와 목에 생긴 암 등에도 효과를 보이고 있다. 광 역학 치료의 문제점은 광증감제의 보존 시간에 따른 성분의 변질과 시공간적 광증감제의 흡수 과정 그리고 광 과민성 따위의 후유증에 의한 발암의 가능성 따위가 문제이다.
② 레이저 온열 요법
암을 치료하는 방법 중의 하나는 고 에너지 레이저빔으로 직접 암세포를 기화시키는 방법이다. 그러나 이 방법은 암세포의 기화 과정에서 생기는 광음향효과에 의해 암의 전이 가능성이 있기 때문에 문제가 있다. 레이저 온열 요법은 암 세포의 정상 세포에 비한 온도 저항성이 낮음을 이용하여 암을 치료하는 방법이다. 포유류의 세포는 42℃에서 대략 300에서 400분간 견디며 44℃가 되면 6 내지 7분 만에 죽는다. 그러나 세포를 42℃에서 약 2시간 가온하고 나면 내열성이 생겨 44℃로 온도를 올려도 약 30분간 견딘다. 그러나 암세포의 경우는 분열 증식이 비정상적으로 일어나므로 영양을 보급하는 혈관의 구축이 임시변통적으로 되어 암조직의 중앙부는 혈액 보급이 부족하여 저산소, 저영양 및 저PH상태에 있으므로 정상 조직에 비해 온도 저항성이 낮다. 그러므로 레이저 에너지를 적당히 하여 조직의 온도를 44℃에 가깝게 유지할 수가 있으면, 정상 조직을 손상시키지 않고도 암과 같은 이상 조직을 파괴할 수가 있다. 온열 치료는 주로 2내지 3W 출력의 연속파 니오디뮴:야그 레이저를 이용하여 안면이나 목 부위 암 또는 자궁경부암등을 치료하는데 응용되고 있다.
③ 광자극치료
낮은 출력의 연속파나 고반복률 펄스 레이저를 이용한 치료의 겨우는 에너지가 미미하여 빔 조사 부위의 조직 온도가 상승되거나 하는 열 작용보다는 조직을 자극하여 활성화시키는 것 같다. 저 출력 레이저를 이용한 광자극 치료는 다른 광열치료와는 달리 조직에 상해를 입히지 않는 치료이다. 광자극치료는 레이저 에너지에 의한 단백질과 콜라겐 합성율 증가, 혈관의 생성, 세포 증식 및 성장의 활성화, 혈류의 개선 및 촉진, 생체 활성 물질의 생산 그리고 면역 능력 향상 등에 의해 통증의 제어 작용, 향염증작용, 창상 치유 촉진 작용, 신경 기능 회복 촉진 작용이 일어나는 것으로 알려져 있다. 현재 광자극 치료의 경우 상처치유, 두통, 근육통, 치과 관련병, 류머티즘, 골 관절염, 신경통, 삠, 편도염, 당뇨성 신경장애 등과 같은 창상이나 진통, 소염
<그림 52 반도체 레이저를 이용한 어깨 치료>
에서 임상적으로는 60~90% 사이의 치료 효과가 보고되고 있다. 광자극 치료시 레이저빔은 상처 부위에 직접 조사되기도 하고 경혈이나 좋은 반응을을 주는 점을 찾아 조사된다. 광자극 치료의 경우 빔 조사 조건이 병의 종류나 형태에 따라 달라지나 주로 평균 출력 200㎽ 이하의 He-Ne레이저나 근적외 영역의 반도체 레이저가 사용되고 있고 조사시간은 수 십초에서 십분 정도이고 치료 회수는 치료 효과에 따라 정한다. 광자극 치료기의 경우는 주로 인체 외부에서 쉽게 접근할 수 있는 부위에 사용하므로 모니터가 따로 필요 없다. 접촉부는 적용부위에 따라 빔을 여러 가지 형태로 확산시키기 위한 접촉부가 있다. 통증 제거를 위한 침으로 사용시 경혈에 수백 ㎽급의 니오디뮴:야그 레이저를 사용하는 경우도 있다.
④ 탄산가스 레이저
탄산가스(CO2)레이저는 1970년 초반부터 의료용으로 실용화되기 시작하여 현재 외국에서뿐만 아니라 우리 나라에서도 의료용으로 가장 많이 보급되어 있는 레이저다. 이 레이저는 치료 영역이 상당히 넓으며 안정도 또한 매우 높다. 탄산가스 레이저의 파장은 10600nm로 원적외선에 속하고 눈에 보이지 않기 때문에 치료의 정확도를 높이기 위해 보조적으로 헬륨-네온 레이저 빛을 가이드 빔으로 사용한다. 이 레이저는 물에 잘 흡수되는 성질을 지녔으며, 수분이 많은 조직을 증발시키기도 하고 탄화시키기도 하면서 피부 조직을 기화시키고 응고시키기도 한다. 또 피부의 조직을 증발시키면서 정교하게 절개할 수도 있고, 레이저 빛이 닿는 순간 피가 응고되어 수술할 때 수술칼 대신 레이저 메스로 사용된다. 탄산가스 레이저는 발진 방식에 따라 연속형, 펄스 형, 슈퍼 펄스 형, 울트라 펄스 형 등 여러 가지 형태로 나눌 수 있다. 요즘은 울트라 펄스 형의 빛이 많이 이용되는데, 이는 레이저 빛을 받은 피부 조직이 검게 탄화되지 않고 주변 조직에 손상을 아주 적게 주기 때문이다. 탄산가스 레이저는 점, 한관종, 사마귀, 티눈, 쥐젖, 검버섯 등의 치료에 이용된다. 특히 울트라 펄스 형의 탄산가스 레이저는 다른 형의 탄산가스 레이저보다 높은 출력을 이용해서 아주 짧은 시간에 많은 에너지를 조사할 수 있어 피부 조직에 열 손상을 최소화하기 때문에 위의 병변은 물론 주름살 제거, 눈 밑 지방 제거, 여드름 흉터나 수두 자국 등의 흉터 제거, 모발 이식 등에 이용된다.
⑤ 야그 레이저
야그는 이트륨(Y), 알류미늄(A), 가넷(G)의 앞 글자를 딴 이름으로 석류석 같이 생긴 보석을 사용한 레이저다. 고체 레이저로서는 효율이 높고 출력이 필요한 조직의 응고에 이용된다. 물에 잘 흡수되지 않기 때문에 깊은 부분까지의 응고와 방광 내에서의 치료 등에 사용하기 적합하다. 큐 스위치를 부착한 야그 레이저 광선은 전혀 다른 새로운 레이저가 된다.
⑥ 큐 스위치 엔디 야그 레이저
엔디 야그 레이저는 탄산가스 레이저와 함께 의료용으로 많이 사용되고 있는 것으로 치료 영역도 넓다. 이 레이저는 야그에 네오디늄(Nd)을 활성 물질로 첨가하여 레이저 매질로 이용하는데, 1064nm의 적외선 파장으로 눈에 보이지 않고 특정 색이나 물에 흡수되지 않는다. 야그 레이저는 탄산가스 레이저보다 훨씬 깊이 침투하는 것으로 피부 속으로 보통 4~6mm침투하지만 주변 조직으로 반사, 산란되어 주변 조직에 열 손상을 많이 주므로 조심해서 다루어야 한다. 그러나 여기에 큐 스위치를 부착한 큐 스위치 방식의 엔디 야그 레이저는 아주 짧은 시간에 높은 에너지가 순간적으로(약 1억분의 1초) 나오기 때문에 치료 후 흉터가 거의 남지 않는 전혀 다른 레이저가 된다. 큐 스위치 방식의 엔디 야그 레이저는 두 가지 파장이 나오는데, 1064nm의 파장은 검정색과 파란색의 병변에 선택적으로 반응하여 그 색을 주로 파괴시킨다. 이 파장은 피부 속으로 깊이 침투되어 피부 깊숙이 있는 병변인 문신과 오타 등을 흉터 없이 치료할 수 있고, 532nm의 파장은 침투 깊이가 얕아 주근깨, 기미, 검버섯, 잡티 등의 치료에 보편적으로 이용된다.
⑦ 어비움 야그 레이저
어비움 야그 레이저는 최근 들어 임상에 적용되기 시작하여 요즘 보급되기 시작한 것으로서 야그에 어비움을 첨가한 매질을 사용하고, 주로 치과에서 사용되고 있다. 이를 피부에도 유용하게끔 개발하여 최근 들어서는 피부과에서도 많이 쓰여지고 있다. 이 레이저는 파장이 2940nm로서 물에 대한 흡수력이 이산화탄소 레이저에 비해 약 10배 정도 높다. 발진 시간은 극히 짧고, 시술 후 열 손상이 매우 적다. 이러한 성질 때문에 치료 부위의 피부 깊이를 정교하게 조금씩 깎을 수 있는 장점이 있다. 치료 후에 흉터가 거의 생기지 않으므로 레이저 필링, 수두 자국이나 여드름 흉터 제거, 주름살 제거, 사마귀, 검버섯 치료에 주로 사용된다.
⑧ 아르곤 레이저
아르곤 레이저는 순수한 아르곤 가스를 이용한 것으로 출력이 크고 청색과 녹색을 중심으로 몇 개의 파장이 동시에 나올 수 있다. 이는 적색 계통의 혈색소와 검은색 계통의 멜라닌 색소에 동시적으로 흡수되지만 적색에 훨씬 더 많이 흡수되기 때문에 주로 붉은색 계통의 혈관종이나 실핏줄 확장증의 치료에 이용된다. 의료용 아르곤 레이저는 루비 레이저와 더불어 임상적으로 오래된 레이저 중 하나로 피부 질환 중 혈관종, 모세혈관 확장증, 거미상 반점 등의 치료에 이용되고, 안과에서는 망막 출혈시 망막을 응고시키는 치료에 사용되고 있다. 이는 전도열에 의해 피부 조직에 열 손상이 많아 정상적인 세포도 손상시킬 수 있다. 치료 후 색소 장애, 비후성 반흔, 피부 위축 등 흉터의 발생 가능성이 있어 요즘은 많이 이용되지 않는다.
⑨ 구리 증기 레이저
구리 증기 레이저는 금속 증기 레이저 중 구리를 이용한 것으로 동판(구리 조각)을 섭씨 1,400~1,500도의 온도에서 기화시켜 레이저 발진을 하기 때문에 예열 시간이 상당히 필요하다. 조사되는 크기가 아주 작기 때문에 오토스캐너가 필요하다. 순수 녹색 파장은 표피에 국한된 기미, 잡티, 반점, 각화증 등의 검은색을 내는 색소 질환에, 순수 노란색의 파장은 혈관종, 화염상 모반, 모세혈관 확장증 등의 질환에, 특히 짙은 붉은색을 나타내는 혈관계 질환 치료에 이용된다.
⑩ 색소 레이저
색소 레이저는 보통 분말 형대의 색소를 유기 용매로 녹여 레이저 매질로 쓰는 액체 레이저로서 용매에 따라 발진 파장을 자외선에서 적외선까지 얻을 수 있다. 색소 레이저에는 검정색에 반응하여 멜라닌 색소를 파괴시키는 것과 붉은색에 반응하여 혈관을 파괴시키는 것이 있다. 색소 레이저는 다른 레이저 기기보다 색소를 주기적으로 교체래 주어야 하고 유지 보수하는 데 비용이 많이 든다. 선택적인 광열 분해 작용의 원리에 의해 혈관 속에 있는 적혈구, 그 중에서도 헤모글로빈을 파괴시키는 것으로 혈관성 질환의 치료에 흉터를 남기지 않고 탁월한 치료 효과를 보인다. 585nm 파장의 오렌지색 광선을 내는 색소 레이저는 붉은색 계통의 질환, 즉 혈관종, 모세혈관 확장증, 안면 홍조증, 기미, 주근깨 등 의 치료에 이용된다.
⑪ 헬륨 네온 레이저
헬륨 네온 레이저는 비교적 안정된 것으로 헬륨 90%, 네온 10%의 혼합 기체를 매질로 사용한다. 눈에 잘 띄는 붉은 빛을 발진시키는 레이저로, 레이저 장치의 구조에 따라 녹색등 다른 빛도 나타낼 수 있다. 이 레이저는 피부 재상을 촉진시키는 것으로 화상, 피부 상처, 궤양 등에 이용하면 피부가 빨리 재생되고 곱게 아물어 흉터를 최소화시킬 수 있다. 여기에 적외선 파장을 혼합시켜 여드름, 염증, 대상 포진, 관절염의 통증 완화, 단순 포진의 치료에 이용되고, 더 나아가 주름살이나 여드름 흉터 치료를 레이저로 치료하고 난 후 보조적인 치료로도 많이 이용된다.
⑫ 루비 레이저
레이저에는 전구처럼 빛이 계속해서 나오는 연속파 레이저와 순간적으로 강한 빛이 나오는 펄스파 레이저라 할 수 있다. 루비 레이저는 694nm의 파장으로 빛이 나오는 시간이 짧고, 순간적으로 유효한 열량을 이상 세포와 물질에 보내 파괴시키는 것으로 주로 검정색 계통의 피부 질환, 즉 기미, 주근깨, 잡티, 검버섯 등의 치료에 많이 이용된다. 여기에 큐 스위치를 부착하게 되면 전혀 다른 레이저가 된다. 요즘은 3mec까지 긴 시간을 조사하는 루비 레이저가 개발되어 몸에 있는 털을 제거하기도 한다.
⑬ 큐 스위치 루비 레이저
큐 스위치 루비 레이저는 루비 레이저에 레이저 광선의 발생을 중지시키는 셔터와 같은 장치로, 5천만분의 1초 정도의 속도로 작동하는 큐 스위치를 부착한 것이다. 루비 레이저에 큐 스위치를 붙이면 적은 열량으로도 순간적으로 높은 에너지가 나오기 때문에 흉터가 남지 않는다. 이레이저는 694nm의 파장이 나오는 것으로 검은색 계통의 피부질환, 즉 오타 모반, 청색 모반, 문신, 주근깨, 검버섯 등의 치료에 이용된다. 그러나 피부의 멜라닌 색소와 멜라닌 세포에 먼저 흡수 되기 때문에 레이저 빛이 피부에 침투되는 깊이는 그리 깊지 않다.
⑭ 반도체 레이저
반도체 레이저는 값이 저렴하고 가시 관선에서 적외선까지 파장 영역이 넓어 의료용뿐만 아니라 다른 분야에서도 많이 사용되고 있다. 레이저 광선은 갈륨, 알루미늄, 비소를 합성시킨 반도체를 사용하는 것으로 출력은 다양하다. 저출력 레이저에 속하며, 2V 정도의 낮은 전압에서도 발진되기 때문에 건전지 사용도 가능하다. 이 레이저는 물이나 혈색소에 흡수되지 않아 피부 조직의 깊은 곳까지 침투할 수 있으며, 세포 파괴를 일으키지 않고 생체 구성 물질의 활성화, 면역 계통 자극, 신진 대사를 촉진시키는 효과가 있기 때문에 기미, 주근깨, 잡티 등의 치료에 이용된다. 요즘은 40mec까지 긴 시간을 조사할 수 있는 반도체를 이용하여 털을 제거하는 데 이용하기도 한다.
⑮ 알렉산드라이트 레이저
알렉산드라이트 레이저는 756nm의 파장을 내는 것으로, 1000만분의 1초 정도로 작동하는 큐 스위치를 부착해서 아주 짧은 시간에 강한 빛을 발사하여 검정과 파란 색소인 문신 색소와 오타 모반의 점 세포를 파괴시켜 흉터 없이 치료할 수 있다. 요즘은 20mec의 긴 시간을 조사할 수 있는 알렉산드라이트 레이저가 개발되어 털뿌리인 모낭을 파괴시켜 제모에 이용되기도 한다.
⑯ 피부과에서의 응용
피부에 대한 레이저의 응용은 색소 과립 세포의 선택적 상해를 연구하기 위해 이미 1960년부터 시작이 되었다. 레이저는 '꿈의 치료술'로 각광받고 있을 정도로 탁월한 치료효과를 보인다. 그러나 아무리 레이저 치료가 훌륭하다고 해도 만능 마술 상자는 아니다. 여기에는 레이저에 대한 깊은 이해와 경험을 가진 의사의 전문성, 그리고 개인의 체질을 감안한 정확한 진단과 처방, 그리고 충분한 상담이 전제되어야 기대하는 치료 효과를 얻을 수 있다. 정상 상태에서 피부의 색깔은 피부의 멜라닌 양과 피하의 혈류 상태에 의해서 정해진다. 멜라닌 색소는 표피와 진피의 경계 면에 있는 멜라닌 세포에 의해 만들어져 표피에 침착되며 피부의 유해한 자외선으로부터 보호하는 역할을 한다. 멜라닌 색소가 적은 백인의 경우는 빛이 피부를 통해 피하의 혈액에 의해 반사되어 나타나므로 핑크색을 띄게 된다. 백색의 피부는 파장이 0.6~1.0 사이에서 거의 50% 이상의 입사광이 피부에서 반사되나 흑색의 피부는 45%미만이다.
<그림 53 광의 흰 피부와 검은 피부에서의 반사율>
지구에 도달하는 태양광의 파장은 대략 200에서 3000nm로 자외에서 근적외 사이에 분포되어 있어 우리가 장시간 햇빛을 피부에 쪼이게 되면 자외선에 의한 멜라닌<광의 흰 피부와 검은 피부에서의 반사율> 의 생산 촉진으로 피부가 갈색을 변화게 되고 적외선 영역의 빛에 의해 검게 타게 된다. 일광욕을 과다하게 하면 건조 피부의 효과와 함께 피부가 얇게 되어 피부 표면 가까이 있는 혈관이 팽창되고, 피부에 소행의 붉은 반점이 생기게 된다. 피부에 생기는 반점은 이것 외에도 혈관의 비정상적 성장 에 의해 생기는 혈관종, 시간이 지남에 따라 검게 되는 포트-와인스테인 모반, 거미혈관 등과 타박상에 의한 피하 출혈로 인하여 생기는 황색 반점(청색이 시간이 분해되어 황색으로 변함) 등이 있다. 문신은 인위적으로 피부의 조직을 착색시킨 것이다. 레이저에 의한 피부의 반점 치료는 광열효과에 의한 가열로 착색된 조직 세포를 가열하여 파괴시키는 것이다. 파괴된 세포는 식세포에 의해 처리된다. 피부반점의 색상에 따른 최대 흡수파장의 레이저는 반점의 색상과 틀리므로 반점의 색상에 따라 잘 흡수되는 파장의 레이저는 황색 반점의 경우는 대략 430nm, 적색반점의 경우는 대략 540mn, 청색반점의 경우는 대략 620nm가 된다. 효율적인 반점 치료를 위해서는 반점이 가지고 있는 색소에 의해 가장 잘 흡수되는 파장의 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 레이저로 쉽게 제거할 수 있는 피부 반점은 색소 침착이 표피에 국한되어 있는 노인 반점, 주근깨와 진피에 단순성 혈관종 정도이며, 진피 깊숙이 있는 색소 세포 모반, 청색 모반 또는 몽고반 따위는 레이저만 가지고는 단독 치료가 어려워 종래에 사용하던 아이소토프나 감마선 등의 도움이 필요하다. 현재 반점 치료에 사용되는 레이저는 루비, 아르곤, 동조 가능 색소 레이저, 탄산가스, 반도체, 니오디뮴:야그 등 여러 가지가 있다. 현재까지의 치료 효과는 아르곤 레이저를 이용한 혈관 이상 증식에 의한 붉은 반점 치료는성인의 경우 70 내지 80% 이고 어린이의 경우는 40%로 되어 있으나, 동조 가능 색소 레이저를 이용한 경우는 100% 치유가 가능한 것으로 발표되고 있다. 탄산가스 레이저는 피부 의료 분야에 가장 많이 사용되는 레이저로 상처흔적, 사마귀, 얼굴의 비정상 성장 세포, 피부암, 전암증상의 입술 장애, 안쪽으로 자란 발톱 제거 등에 큰 효과를 나타내고 있다. 레이저 치료는 무혈로 수술 후 고통과 붓는 증상이 없으므로 특히 얼굴 부위에 적용하기 좋으나 얼굴은 피부가 얇고 투명하므로 조심해야 한다. 피부에 퍼져 있는 반점은 크기와 모양이 각각이므로, 레이저빔을 그대로 확대하여 환부에 적용하는 경우는 빔의 강도가 가우시안 분포를 가지므로 치료가 균일하지 못하기 때문에 빔단면의 강도를 동일 분포로 만들어 조사하는 것이 필요하다.
<그림 54 청, 적, 황색의 흡수 스펙트럼>
⑰ 안과에서의 응용
사람의 눈은 길이가 대략 24mm이고 직경이 23mm정도인 구형에 가까운 형태를 가지며, 바깥쪽으로부터, 공막, 혈관조직, 맥락막의 3개의 층으로 덮여 있고 내부는 수양액이 차 있는 전방실, 눈의 수정체가 있는 후방실 그리고 유리액이 들어 있는 3개의 공동으로 분리된다. 눈의 가장 안쪽 벽에 망막이 위치해 있다. 눈은 우리 몸의 기관 중에서 가장 접근이 쉬운 곳이며, 가시광선에 투명하여 진단이나 치료를 위한 내부 구조 검사가 용이하고, 내부 조직에는 멜라닌과 같은 색소를 포함하고 있어 레이저 빔이 잘 흡수되며 또한 치료 후 치료의 효과를 쉽게 관찰 가능하여, 결과로 생기는 시각 기능의 변화를 쉽게 측정할 수 있다는 것이 현재 레이저가 안과 분야에 가장 많이 응용되고 있고 레이저의 개발 초기부터 사용된 이유이다. 이미 언급한 안저출혈이나 각막 절제 수술은 레이저가 가장 널리 이용되는 눈과 관련한 병이며, 녹내장도 레이저가 많이 이용되는 눈병이다.
<그림 55 안구 종합 검사 및 치료장치>
정상적인 눈의 안압은 보통 13±3mmHg 정도이나 수양액의 정상적인 흐름에 장애가 생기면 안압이 증가하여 녹내장이 발생한다. 녹내장은 홍채에다 구멍을 뚫어 안압을 줄인다. 홍채에다 구멍을 뚫기 위해서는 홍채에 포함된 멜라닌 색소에 잘 흡수되는 아르곤레이저의 청색 빔을 이용한 광열작용이나 니오디뮴:야그 레이저의 광충격 작용을 이용한다. 현재 레이저의 응용이 시도되고 있는 눈과 관련한 병은 광역학 치료에 의한 눈의 종양 치료, 조직 절제에 의한 각막의 굴절률 이상 치료, 각막 가열에 의한 콜라겐의 수축작용을 이용한 원시치료 등 여러 가지가 있고, 얼비움:야그, 수소플로라이드 레이저 등 파장이 2100에서3000nm인 종합검사 및 치료장치 사이에 있는 레이저의 광열작용을 이용한 치료의 연구가 진행되고 있다. 눈병의 치료나 수술 외에도 맹인을 위한 감각 보조 장치의 하나로 반도체 레이저를 이용한 레이저 지팡이가 있고, 시각 보조 장치도 개발되고 있다. 티타늄:사파이어 레이저, 여러 파장의 헬륨-네온 레이저를 이용한 눈의 종합 검진 및 치료장치의 개발도 또한 진행중이다. 현재 개발되고 있는 시각 보조 장치는 망막 세포의 이상에 의한 시각 상실자를 위한 것으로 미아크로 칩으로 된 광검지 회로를 망막에다 이식하고 안경에 전하결합소자 카메라와 레이저를 결합하여 카메라에 나타난 상을 레이저 빔으로 마이크로 칩에다 그려 주는 장치이다.
<그림 56 레이저와 CCD를 이용한 장님용 시각 장치>
⑱ 치과에서의 응용
레이저의 치과 분야 응용에 관한 연구는 1964년 레이저빔 조사에 의한 에나멜질의 내산성 증가 가능성이 발표되면서부터 시작되었고 레이저를 이용한 충치의 치료는 90년대에 와서야 치과에 도입되기 시작했다. 치과 분야에 레이저의 도입이 다른 분야에 비해 늦어진 원인은 구강 내의 조직이 치수, 잇몸, 치근막, 구강점막 등의 연조직과 치아, 치조골, 악골과 같은 경조직이 이웃해 있다는 것과, 구강은 한정된 좁은 공간이므로 정밀도가 높은 수술과 치료를 필요로 한다는 것이다. 현재 치과 분야에서 레이저는 주로 충치의 예방 및 치료와 잇몸의 수술, 통증 치료 그리고 보철의 용접 등을 위해 쓰이고 있다. 치아는 3부분으로 나뉘어 지는데 잇몸 위로 올라온 부분을 치관이라 하고 그 밑을 치두, 치두밑의 치아 뿌리를 치근이라 한다. 치관의 표면은 에
<그림 57 치아의 구조>
나멜질이라 하여 우리 인체에서 가장 경도가 높은 물질로 덮여 있고, 에나멜질 밑에는 상아질이 있고 그 안쪽으로 치수라 하는 치아에 영양분을 공급하는 혈관과 연조직으로 구성된 것이 있다. 잇몸에 둘러 쌓인 치아의 표면은 시멘트질로 되어 잇몸의 연조직과 접랍되어 있다. 충치는 에나멜질의 일부분이 음식물에 의해 착색되어 이 착색된 부분에 충치균이 번식해서 생긴 유산에 의해 부식되고 점차로 부식이 안으로 진행되어 생긴다.
레이저에 의한 충치의 치료는 부식된 부분의 에나멜질이나 상아질을 도려내고 도려 낸 부위에 아말감을 채우로 레이저로 가열하여 땜하면 된다. 건강한 에나멜질은 백색이므로 레이저 에너지가 잘 흡수되지 않으나 충치 부위는 갈색 또는 흑갈색으로 착색되어 있어 레이저 에너지를 잘 흡수한다. 충치 치료를 위한 레이저의 사용은 드릴을 사용한 치료의 고통을 없애기 위한 것이나 아직 완벽하지가 않다. 충치 예방을 위한 에나멜질의 내산성화는 레이저 에너지에 의한 에나멜질의 응용으로 음식물 찌꺼기가 침착하기 쉬운 표면이 매끄럽게 되어 음식물 침전이 되지 않거나, 에나멜질에 있는 유산의 침투로나 확산로가 차단되어 유산이 침범하지 못하게 하는 것이다. 또 다른 충치 예방법은 불소 화합물을 레이저로 가열하여 치아 표면에 덮어 씌우는 것이다. 불화물의 에나멜에 의한 침학에 의해 손상된 치아 표면의 거칠기가 줄어든다. 불소 화합물을 먼저 치아에 바르고 레이저빔을 조사하는 경우와 레이저빔 조사 후 불소 화합물을 바르는 경우 모두 다 효과가 있다. 그 외 레이저 조사에 의해 상아질이 새로 형성된다고도 한다. 에나멜질의 내산성을 증가시키기 위해서는 니오디뮴:야그 레이저를 이용 10J/㎠ 이상의 에너지가 필요한 것으로 알려져 있다. 내산 성화를 위한 레이저의 적용도 아직 많은 임상적인 연구가 필요하다. 레이저를 이용한 잇몸과 같은 연조직의 수술, 혈관접합 등은 일반적인 레이저 수술과 같다. 레이저에 의한 프라그 제어는 치아의 교합면, 치경부나 치주포켓 내의 세균을 파장이 248nm인 크립톤 플로라이드 레이저를 사용 살균하여 프라그가 생기지 않게 하고, 프라그 제거에는 고에너지 레이저빔을사용 증발시키는 방법을 사용한다. 광자극에 의한 구강의 치료는 상아직 지각 과민증, 풍치, 구강내 염증, 삼차 신경통 등의 통증 제어, 비 감염성 외상, 치근막염, 수술후 염증 등의 염증 증상 억제, 치아를 뽑아 낸 자리, 골절 등 창상 치유의 촉진 그리고 지각 마비, 안면 신경마비 등의 신경 기능의 회복 촉진이 있다. 그 외에도 침샘 기능 저하증 등의 치료에 쓰인다.
<그림 58 레이저를 이용하한 치아 치료>
⑲ 산부인과
안과 다음으로 레이저가 많이 사용되는 의료 분야이다. 여성의 생식기 시스템은 모두 점막으로 되어 있고, 표면은 점액으로 도포 되어 있으며, 점막의 밑은 가는 혈관망으로 되어 있어 수술 시 출혈의 위험이 크다. 그러므로 산부인과는 특히 레이저 수술이 필요한 의료분야이다. 또한 복강경 또는 자궁경에 의한 생식기 시스템 내부에의 접근이 용이하므로 수술이나 치료가 쉽다. 레이저로 치료 및 수술 가능한 생식기 관련 병은 인간의 유두종 바이러스와 관련한 자궁 경부 조직 이상 성장, 사마귀 등, 유섬유종, 자궁종양 등이다. 특히 레이저의 열 작용은 생식기 시스템에 기생하기 쉬운 박테리아, 균상류, 바이러스 등을 없애주기도 한다.산부인과에 많이 쓰이는 니오디뮴:야그 레이저의 경우는 일차 및 이차 고조파가 모두 사용된다.
⑳ 정형외과
뼈와 관련한 의료 분야로 최근 파장이 2100nm인 홀로미움:야그 레이저의 개발과 더불어 레이저의 활용이 활성화되고 있다. 현재 수술용으로 많이 쓰이는 레이저인 엑시머 레이저는 출력이 충분치 못하여 뼈를 깎아내거나 절단하는데 적용이 어렵고, 니오디뮴:야그의 경우는 너무 많이 깎아내어 문제가 있다. 레이저를 이용한 정형외과 수술은 등 부분에 잇는 디스크, 축농증, 관절부의 메니스커스, 관절 교체 등이다. 빛을 산란시키는 관절부의 질긴 조직 절제나 종양 치료는 앞으로 레이저가 적용될 가능성이 많은 부분이다.
<그림 59 레이저를 이용한 관절 수술(어깨와 무릎)>
㉑ 뇌외과
탄산가스나 니오디뮴:야그 레이저를 사용하여 뇌종양 및 혈관 이상을 치료하며, 심장 외과에서는 혈관 우회 수술, 그리고 이비인후과에서는 반도체, 탄산가스 레이저 등을 이용한 알르레기성 비염, 코골이비루공 폐쇠 등의 치료, 혀, 편도선 및 성대 등의 절제, 청음신경종을 의시한 종양제거 등이 있다.
<그림 60 혈관 우회수술 (혈전에 의해 막힌 혈관을 탄산가스 레이저로 제거하고
다리부분 혈관을 이용하여 우회시킴)>
㉒ 앞으로의 전망
생체 조직의 특성은 광학적으로 매우 불균일하여 현존하는 레이저만을 가지고는 모든 의료분야에서 가장 효율적인 치료를 할 수 있다고 말할 수는 없다. 그러므로 치료의 효율 증대를 위해서는 자유전자 레이저와 같은 초 광대역 동조 가능 레이저의 개발과 더불어 소형, 고출력인 파장이 다른 반도체 레이저들의 조합에 의한 광대역 동조 가능 레이저 의료기기의 개발도 수행될 것이다. 반도체 레이저의 사용은 현 레이저 의료기기를 소형화하여 사용이 간편하게 할 것이며 또한 다른 전자 의료기기와 마찬가지로 레이저 의료기기도 진단과 수술기능이 다채널 분석기와 결합한 스마트화가 추진되어, 환부의 상태를 실시간으로 계속 감시해 가면서 수술과 치료를 병행 가능케 할 것이다. 현재 개발되고 있는 금속 플로라이드, 중금속 할라이드 등의 새로운 광대역 광파이버의 등장은 보다 효율적인 레이저빔 에너지 전달 시스템의 개발을 가능케 하여 레이저 의료기기의 효용성을 높일 것이다. 검사 분야에 있어서는 여러 가지 병 관련 파라미터들을동시에 측정 판단할 수 있는 플로우 사이토메의 개발이 촉진될 것 같다. 앞으로 예측되는 레이저 의료 기술의 개발 방향은 초광대역 동조가능이며 출력의 형태를 다양하게 변화 시킬 수 있는 레이저의 개발에 의한 완전한 비침습의 무혈수술 실현과 세포내 대사해명, 각종 뇌질환, 혈관내 그리고 조직 내부의 수술이 가능한 초미세 외과 수술법의 개발, 암의 선택적 치료 및 분광에 의한 암 진단 기술개발, 극미약 광측정에 의한 인체구조의 정밀 촬영 그리고 의료화상의 삼차원화 및 광통신에 의한 의료정보 및 화상 전달이 있다. 레이저의 의학 및 의료 분야로의 응용은 현재 급속히 늘어나고 있고, 레이저를 이용한 새로운 치료 및 수술기술의 개발을 통해 앞으로도 그 추세가 이어질 것이다.
<그림 61 치료의 정도를 트리와 같은 복합 검사 시스템 분석해 가면서 치료하는 스마트 레이저 의료기기>
(3) 통신분야의 응용
현재 가장 많이 쓰이는 다중 통신기술은 진동수 분할 방식으로서 반송파(carrier wave)의 진동수를 일정하게 분할하여 신호를 얻는다. 분할된 진동수 영역 (흔히 채널이라 부른다)은 선폭이 넓을수록 많게 할 수 있으므로 많은 신호를 동시에 보낼 수 있는 것이다. 레이저빔의 지향성은 통신에 유용한 성질이다. 그러나 더욱 유용하게 응용되는 성질은 정보를 실을 수 있는 용량이 크다는 데 있다. 즉 전화용으로 선폭이 4kHz이고 흑백 TV용 전자기파 선폭이 4MHz라면 흑백 TV용 전자기파는 전화에 비해 1000배의 정보량을 1초 동안에 보낸다는 것을 뜻한다. 따라서 많은 정보량을 짧은 시간에 보내려면 큰 선폭이 바람직하고 선폭이 크기 위해서 반송파의 진동수가 높아야 하는데 반도체 레이저나 Nd:glass레이저 등은 발진파장이 0.8um와 1.06um의 근적외선이므로 마이크로파에 비해 진동수가 약 만 배 높고 선폭
이 수 십 GHz의 넓은 선폭을 가지고 있다. 따라서 채널당 20GHz의 선폭을 이용하는 컬러 TV 인 경우 수 천 채널을 동시에 방송이 가능한 것이다. 그러나 레이저는 이렇게 유리한 점만 있는 것이 아니고 여러 가지 결점이 있는데 비, 안개, 먼지 등과 대기의 난류 등에 영향을 많이 받으며 마이크로파에 비해 장애물을 통과하는 능력이나 반사하는 것이 약 한 결점도 있다. 이 결점을 제거한 방법이 대기 중을 진행시키는 대신 광섬유로 통과하게 하는 것이다. 수년 전만 하더라도 진행 중의 손실로 수 km마다 증폭기를 사용해야 하는 결점으로 인하여 주로 단거리 통신, 즉 도시 내 전화국간 통신에 이용되곤 했으나 저손실 광섬유의 개발로 국제적인 광통신에까지 이르게 되었다. 이것은 수십 가닥의 기존의 동축 케이블 용량을 1개의 광섬유로 대신 할 수 있게 되므로 광통신 기술의 발달은 컴퓨터의 기술 개발과 더불어 머지않아 소위 정보화 시대에의 진입이 예견되고 있다.
1) 광섬유란?
1870년 영국의 물리학자 J.Tyndall은 측면에 구명이 있는 수조에 물을 넣어
그 구멍으로 빠져 나오는 물에 수조 위에서부터 비친 광을 조사하여 "광은 이와 같이 구부러진 분출수의 가운데로 전파한다."고 영국 왕립협회의 석상에서 실연하였다. 실제로는 광경로가 구부러진 것이 아니고, 광이 물기둥의 내면을 여러 차례 전반사를 반복하면서 지그재그로 진행한 것이다. 물 대신에 매우 가는 섬유사의 소재를 이용한 것이 광섬유(Optical Fiber)이다.플라스틱 광섬유는 1963년 dupont사에 의해서 개발되었으며, 1980년대 말그 기술과 특허 등을 Mitsubish Rayon에 판매하여 현재에 이르고 있다.현재는 조명용 뿐만 아니라 통신용으로 사용하기 위한 플라스틱 광섬유가 개발되어 있는 추세이다. 광섬유는 굴절율이 서로 다른 두 가지의 물질(Core, Clad)사이의 굴절율 차이를이용하여 임계각을 만들어 주고 이로 인한 전반사를 이용한 것이다.
① 광섬유의 구조
광섬유는 코어(Core)와 클래딩(Cladding)으로 구성되어 있다.
코어는 광신호를 운송하며, 클래딩은 광신호를 코어에 가두는 역할을 한다.
② 광섬유의 제조과정
광섬유를 만드는 과정은 세 단계의 주요 과정을 거친다.
광섬유 제조의 1단계는 순도 높은 유리모재 (Glass Preform)를 제조하는 것이다.
모재가 만들어지면 그 모재로부터 광섬유를 인출하고 마지막으로 인출된 광섬유
에 대한 기하 구조 및 광학적 특성 검사를 하게 되면 광섬유가 완성된다.
③ 유리 모재 제조
코어 영역은 기본 성분인 산화규소에 굴절률을 달리하기 위해 산화게르마늄과
같은 화학물질을 여러 비율로 사용하여 모재를 제조한다. 일반적으로 단일모드
광섬유에는 소량의 산화게르마늄이, 다중모드 광섬유에는 높은 굴절률을 위해
다량의 산화게르마늄이 함유된다.
모재를 제조하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 만들어진 모재는 PRIP분석기로
설계규격 대비 내부의 굴절률 분포를 측정 비교한다. 이러한 과정을 거쳐 만들어
진 석영관은 모재의 클래딩 영역의 일부가 된다. 클래딩 영역은 2차 석영관을
덧씌움으로 모재 직경을 확장시켜 원하는 직경의 모재를 완성한다.
④ 광섬유 인출
만들어진 모재를 가열로에서 가열하여 온도가 1900℃에 달하면 모재의 꼭지가
연화되기 시작한다.
시간이 지남에 따라 중력에 의해 떨어지면서 광섬유는 가늘어 진다.
이렇게 직경 125㎛의 광섬유로 만든 후 피복을 입혀 직경 250㎛의 광섬유를 만든다. 인출된 광섬유는 필요한 길이로 작은 스폴에 감으면서 하중을 가한 휠을 통과시켜
인장 강도시험을 거친다.
(4) 홀로그래피 분야의 응용
1) 홀로그래피란?
① 파면의 정보를 기록 ; 1947년 영국의 과학자 데니스 게이버(Dennis Gaber)는 전자현미경에서 전자의 물질파 파면(wave front)에 대한 정보를 필름면에 기록하여 이를 전자보다 만 배 이상의 파장을 가지고 있는 가시광선으로 재생하여 전자현미경의 배율을 획기적으로 높일 수 있을 것이라는 원리를 제안하였다. 그 당시에는 레이저가 나오기 이전이었으므로 가시광원으로서 저압 수은등의 5461Å의 초록색 빛을 이용하였다. 그의 이론은 실현이 되었으나 재생파를 입사파로부터 완전히 분리하기에 불편한 점이 많아서 크게 주목받지는 못하였다. 그러나 게이버의 발상은 물체의 영상을 명암으로만 기록하는 통상적인 사진술과 전혀 다르게 물체에서 방출되는 빛의 파면에 대한 정보를 필름에 기록하는 혁신적인 것이다. 이렇게 기록된 필름을 게이버는 홀로그램(hologram)이라 불렀다. 홀로그램에서 다시 그 파면을 재생하면 완벽하게 그 물체로부터 퍼져나가는 것과 같은 빛을 만들어 낼 수 있어 물체가 실지 그대로의 상태로 있는 것처럼 관측케 한다. 이러한 기술을 홀로그래피라 한다.
1961년 He-Ne 레이저가 나온 후 미국의 레이스(E.Leith)에 의하여 이 특별하게 간성성이 좋은 빛을 이용한 오늘날의 홀로그래피가 재발견되었다. 그후 계속해서 새로운 형태의 홀로그래피가 속속 발표되었고 또한 이를 응용한 신기술들이 개발되어 1960년대의 과학계를 흥분시켰다.
② 입체의 모습을 볼 수 있는 것이 가능 ; 홀로그래피 기술로 파면의 정보를 기록한 사진인 홀로그램을 촬영한 조건으로 배치하고 물체를 없애면 홀로그램 너머로 상이 나타난다. 이 상은 마치 창문밖으로 경치를 볼 때 시야를 바꾸면 창문 밖에 펼처진 물체의 상대적 위치가 변하듯이 입체로 보이게 되어 가려졌던 부분이 보이기도 하고 보이던 부분이 가려지기도 한다.
2) 회절격자
회절격자는 일종의 홀로그램이다.
회절격자는 평면유리나 오목한 금속판에 다수의 평행선을 등간격으로 새긴 것으로 이것에다 빛을 비추면 투과 또는 반사된 빛이 파장 별로 나뉘어서 그 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이 회절격자(평면유리로 만들어진)에 평행으로 입사한 빛들은 금이 그어진 곳에서는 흡수가 되거나 산란하여 버리고 금이 그어지지 않은 좁은 틈으로 들어오는 빛은 통과한다. 그러나 통과한 빛은 그대로 직진하지 않고 호이겐스 원리에 의하여 회절되어 원기둥 형태로 퍼져 나간다. 이때 이웃하는 틈으로 통과한 빛과의 광로 차이가 파장의 정수배가 되는 조건이라면 서로 보강간섭이 일어나서 빛이 강해지나, 광로차이가 파장의 정수배가 아닐 때에는 소멸하여 버린다. 따라서 보강간섭이 일어나는 조건이 성립하는 어떤 특정한 방향으로만 빛이 밝게 비추어지고, 그 조건은 그 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에, 여러 파장의 빛이 섞여 있을 때에는 프리즘에서처럼 파장 별로 분리된다.
회절격자와 홀로그램 연속적으로 투과율을 변화시켜 회절격자를 만들경우 단속적인 경우보다 더 특성이 우수한 성능을 발휘시킬 수 있다. 홀로그램은 이렇게 원하는 형태의 파면을 생성하도록 그 투과율을 연속적으로 변화시키면서, 또한 격자간격이나 형태를 변경한 것을 말한다. 그림에서 보는 두개의 허광원이 이 경우에는 무수히 많이 조합되어 창을 넘어 또fut한 물체의 형상을 보게 된다.
3) 기초원리
그 원리를 간단히 레이저광이 지나가는 광로에 선속분할기(Beam splitter)로 불리는 유리를 놓으면 투과하는 레이저 빛과 반사하는 레이저 빛으로 나눌 수 있다. 거울로 반사된 후에 볼록렌즈를 지난 후 한쪽은 물체 또는 대상을 비춘다. 다른 한쪽은 그대로 진행하는데 물체에서 반사된 빛과 1mm에 2000선 정도 기록할 수
있는 고 분해능의 유체가 유리판에 발라진 특수 사진건판에서 중첩된다. 두 빛은 파면의 중첩으로 사진건판에는 간섭무늬가 생성된다. 일정시간 노출 후에(노출동안 일체의 진동이 있어서는 안 된다.) 현상을 한 필름이 바로 홀로그램이다.
<그림 64 홀로그래피의 원리>
홀로그램을 다시 렌즈로 확대된 레이저광을 비추면 앞서 촬영한 물체 또는 대상을 입체적으로 볼 수 있게 된다. 이 홀로그램은 파손되어 일부만 있더라도 상을 얻을 수 있는 특징이 있으며 매우 작은 면적에 많은 정보를 기록할 수 있다.
4) 응용
바로 신용카드나 인증서, 고액화폐 등에는 홀로그램을 붙여서 복사나 위조가 어렵도록 하고 있다. 신용카드에 붙어 있는 홀로그램은 반사형으로 자연광을 사용한다. 자연광의 홀로그램은 단색광 비추면 더욱 선명한 상을 볼 수 있다.
자연광(백색광)에서 투과형 홀로그래피는 투과해서 나타나는 물체의 상보다 다른 파장으로 인한 회절이 강하기 때문에 보기에 어려움이 있다. 그러나 반사형 이라면 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 이는 반사되는 빛은 선택적으로 파장을 결정할 수 있기 때문이다.
예로 반투명의 홀로그래피의 아래쪽에 푸른색 판이나 붉은색 판을 두면 반사되는 빛도 그에 따라 푸른색과 붉은색으로 되기 때문이다.
<그림 66. 홀로그래피의 반사>
<그림 67.프레스에 의한 홀로그래피의 복사>
홀로그래피는 매우 작은 면적에 많은 정보를 기록할 수 있으므로 광기록(Optical memories) 분야에 유용하고 그 외에도, 비파괴검사(Nondestructive testing) 등에 사용된다.
6. 학습효과
현대 물리학 수업을 듣기 전에 이미 전에 다녔던 학교에서 간단하게 나마 레이저의 구조나 원리에 대해서 이해하고 있었다. 평소에 레이저 하면 떠오르는 강의 할때 쓰는 빨간색 레이저 포인트 아니면 공연장에서 볼수 있는 레이저만 생각했었는데 이번 기회에 레이저에 대해서 조사를 하다 보니 레이저의 종류와 사용 용도가 무궁무진 하다는걸 이번에 배울 수 있었고 이번 보고서를 준비하면서 느낀 가장 큰 사실은 레이저란 것의 활용범위는 엄청나다는 것이었다. 지금이라도 당장 스스로의 지갑을 열어보면 레이저를 이용하는 홀로그래피활용 품인 카드들이 적어도 한 장은 있으니 말이다. 그 외에도 우리의 주변에서 레이저를 쉽게 찾아볼 수 있다는 것을 깨달았다. 레이저 프린터, 레이저 복사기, 레이저 가공기, 레이저 포인터 등 레이저를 이용하여 만든 제품들이 우리의 생활 속에 자리하고 있다. 레이저를 이용해서 환자를 치료하는 의료 분야가 과에 구별없이 모두다 사용되고 있고 방사선을 배우면서 레이져를 다시 이해하니 전보다 이해가 더 쉽게 됐다.
그 외에도 현재 국내뿐만 아니라 해외에서도 레이저를 응용하는 분야의 연구와 기술개발이 활발히 진행 중이라고 한다.
이러한 레이저산업과 기술의 발전은 현대 문명의 발전과 더불어 이루어지고 있다. 레이저 기술의 응용 분야가 다양화 될수록 레이저 기술의 사용이 용이 할수록 산업도 더 빠르게 발전하게 되며, 그에 따른 우리의 생활도 더 편리하게 변화한다. 현재의 사회는 유비쿼터스화 되어가고 있다. 이런 유비쿼터스화의 중심에 레이저 기술이 있다고 해도 과언이 아닐 것이다. 바코드를 이용한 상품의 판별이 간편해 졌으며, 물체를 감지하는 센서를 이용하여 자동문을 만들 수 있게 되었고, 광통신을 이용하여 인터넷 또한 빠르고 신속하게 이용할 수 있게 되었으며, 가전제품을 원거리에서 마음데로 조정 할 수 있는 것 또한 레이저의 힘이라 할 수 있겠다.
우리나라가 진정한 세계의 IT강국으로 거듭나기 위해서는 레이저의 기술개발 및 응용분야의 확대, 발전이 필요하다고 생각된다.
7. 참고 문헌
(1) 이종문, 2005, 신소재의 이해, 세종출판사
(2) 오철한, 2005, 레이저 과학, 두양사
(3) 신학철, 2002, 피부가 레이저를 만났을때, 명상
(4) 강성조, 2001, 그림으로 알 수 있는 레이저의 이야기, 세화
(5) 천병수, 2003, 자연과학개론, 청문각
(6) 송순달, 1999, 레이저의 기초원리와 응용, 청문각
(7) 레이저 알고 가기, http://web.edunet4u.net/~laser
(8) 수원공고 전자, 통신 교과교육연구회, http://swofs.kerihome.re.kr
(9) 네이버 백과사전, http://100.naver.com/100.nhn?docid=82462
(10) 광학의 세계, http://my.dreamwiz.com/doting
(11) 네이버 블로그, http://blog.naver.com/nshn01?Redirect=Log&logNo=90011452413
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