|
1. 레이저의 탄생 배경
1-1. 레이저란?
레이저(LASER)란 용어는 유도방출복사에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)이라는 영문 구절의 첫 글자들을 딴 것이다. 유도방출에 의해서 생성된 빛 즉 광자(photon)의 방향, 주파수, 위상은 유도방출을 일으킨 입사광자의 그것과 완전히 일치한다. 따라서 레이저는 방향성, 집광성, 간섭성이 우수하며 휘도(brightness)가 매우 높은 특징을 가지고 있다. 레이저는 인류가 개발한 대표적인 작품중의 하나이며 1960년 이후 현재 사용되고 있는 여러 종류의 레이저가 개발되어 기초과학을 비롯하여 공학 및 의학분야에서 유용하게 널리 사용되고 있다. 레이저의 현상을 개념적으로 이해 하기 위해서 음향시스템을 생각하면 쉽게 이해가 된다. 음향시스템은 마이크와 증폭기 그리고 스피커로 이루어져 있다. 마이크는 외부로부터 들어온 소리(sound)를 전기 신호로 변환 시켜 주는 역할을 하며 증폭기(amplifier)는 이 전기 신호를 증폭하여 스피커로 보내어 소리의 강도를 조절하게 된다. 그런데 마이크를 스피커 앞에다 놓으면 순식간에 스피커에서 큰 굉음을 들을 수 있게 된다. 이러한 현상은 다음과 같이 설명을 할 수 있다. 우리가 들을 수 없을 정도의 적은 양의 음향이 마이크로 입사되면 이 음향이 증폭이 되어 스피커로 나오고 이 증폭된 음향이 다시 마이크로 재 입사되어 정궤환(positive feedback)이 계속적으로 이루어지면서 결국에는 굉음을 얻게 된다. 이는 마치 산사태의 현상과 같은데 레이저도 이와 같은 방식으로 큰 출력을 얻을 수 있게 된다. 이에 대한 자세한 내용은 아래의 “레이저의 발생과정”에서 다루려고 한다.
1-2. 레이저의 역사
보어(Niels H. D. Bohr : 1885~1962) _ 덴마크의 물리학자로서 양자역학의 발전에 큰 역할을 하였다. 보어는 1913년 새로운 원자의 허용궤도와 광자의 방출에 대한 가설로 수소원자의 스펙트럼을 정확하게 설명할 수 있었고, 이로부터 물질의 양자화에 대한 새로운 이론이 비롯되었다. 이 업적으로 1922년 노벨물리학상을 받았다
아인슈타인(A. Einstein : 1879-1955) _아인슈타인은 20세기 가장 위대한 지성으로 인정받고 있는 물리학자이다. 그는 특수상대성이론, 광전효과, 브라운 운동, 일반상대성이론 등 혁명적인 이론을 제창했으며 1923년 노벨물리학상을 수상했다. 사진은 베른의 특허국 책상에 앉아 있는 1900년대 초반, 특수상대성 이론 등을 구상할 당시의 모습이다
1913년 덴마크의 물리학자 닐스 보어(Niels H. D. Bohr : 1885~1962)에 의해 제기된 원자 모형에서 원자나 분자가 가지고 있는 에너지 상태를 넘나들 때 빛이 방출(spontaneous emission)되거나 흡수(induced absorption)될 수 있다는 가설을 발표한 후 아인슈타인(A. Einstein : 1879-1955)이 보다 체계적으로 이 가설을 분석하였다. 보어의 진동수 가설에서는 원자가 높은 에너지 상태에서 빛을 방출하는 것은 외부의 빛의 존재와 관계없는 것이었다. 1917년 아인슈타인은 열적인 평형관계를 고려해서 빛을 방출할 수 있는 두번째 가능성이 있어야 한다는 것을 제안하였는데 이는 주변 빛의 영향을 받아서 빛이 방출될 수 있다는 유도방출(stimulated emission)의 개념을 도입한 것이었다. 이 시대에 이러한 독창적이고 위대한 생각은 감히 누구도 해보지 못했었다. 아인슈타인은 이 유도방출의 개념을 포함하여 원자에서의 빛의 흡수와 방출에 대한 종합적인 이론을 세울 수 있었고, 이것이 40 여년 후 레이저가 만들어지는 결정적인 계기가 되었다. 아인슈타인은 보어의 가설에서의 빛과 원자와의 상호작용(유도흡수, 자연방출)에 유도방출이라는 새로운 개념을 도입 함으로서 레이저의 중요한 기초원리를 알아냈다. 1917년 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어서 유도방출 과정이 있음을 이론적으로 보인 것이 레이저 동장원리의 시초이다. 그러나 그 시대에는 그것을 실험적으로 증명할 마땅한 방법이 없었기 때문에 그 후 40여년이 지난 1953년에 이르러서야 미국연구소(Bell Lab.)의 타운즈(C.Townes)와 샬로우(A.Schalow)에 의해 암모니아(NH3)가스에서 마이크로파(24GHz)의 유도방출이 실험적으로 가능함이 처음으로 보여지게 되었다. 곧이어 1958년에는 가시광선(visible light) 영역에서도 유도방출에 의한 빛의 증폭이 가능함이 타운즈와 샬로우의 연구에서 밝혀졌으며, 실제로 1960년 휴즈 연구소의 마이만(D.Maiman)에 의해 가시광선 영역인 694.3nm의 붉은색 루비 레이저가 최초로 발진되었다. 그는 알루미늄 산화물의 결정인 사파이어 보석에 크롬을 약간 섞은 인조 루비 보석을 나선형 플래쉬 램프 가운데 삽입하고 그 플래쉬 램프를 터뜨려 강력한 빛을 루비에 입사시킴으로써 레이저의 발진에 성공한 것이다. 그는 이 성공으로 1964년 러시아의 과학자인 바소프, 프로코로프 박사와 함께 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 루비 레이저의 발진 직후 1961년에는 최초의 기체레이저인 헬륨-네온레이저(He-Ne Laser) 가 Javan등에 의해 발진되었으며, 이후 레이저의 연구는 가히 폭발적이라 할 만큼 활발하여 1960년대에는 현재 중요하게 사용되는 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 특성 레이저광선은 일반 자연광이나 램프와는 아주 다른 3가지 특성(단색성, 간섭성, 직진성)을 가지고 있는데 이러한 특성들 때문에 의료용이나 산업용 등에 다양하게 사용 되어 지고 있다. 따라서 이들 각각의 특성을 정확하게 이해하여야만 레이저를 적절한 용도에 사용할 수 있게 된다. 레이저는 하나의 도구(tool)이기 때문에 이 도구의 특성을 모르면 일의 결과를 예측하기가 힘들게 된다. 다음은 레이저의 특성에 관한 설명이며 이는 일반 광원이 가질 수 없는 레이저만의 고유한 특성이다.
2-1. 단색성(Monochromatic)
레이저광선은 일반 광선에 비하여 단일파장이며 진행 시 퍼지지 않고 곧바로 진행하는 빛이다. 물체를 태울 때 나타나는 빛이나 형광등에서 나오는 빛은 고온으로 가열된 원자나 분자 하나하나에서 자유로이 발생하는 빛이며, 이러한 빛은 같은 종류의 원자나 분자에서 나오는 빛이라도 무수히 다른 파장의 빛을 포함하고 있다. 그리고 개개의 원자나 분자에서 나오는 빛은 서로 관련성이 없는 여러 가지 빛의 모임이다. 그러나 레이저광선은 하나의 파장만을 가진 단색 광(monochromatic)이며 위상(phase)이 고른 연속된 빛이다. 이 빛의 스펙트럼을 분광프리즘에 조사해 보면 아주 가는 1개의 선스펙트럼(line spectrum)이 스크린에 나타나게 된다. 즉, 레이저광선은 위상이 일치하는 단색광(monochromatic)이며 이런 빛을 코히어런트(coherent)광 또는 코히어런트가 좋은 빛이라고 한다. 레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 집광할 수 있다. 이러한 단색성을 이용하면 레이저광선을 물질에 선택적으로 흡수(absorption), 반사(reflection), 투과(transmission)를 시킬 수 있게 된다. 의료용 레이저, 특히 피부과용Q-switched Nd:YAG레이저를 예로 들면, 1064nm파장에서는 검은색과 진한 고동색에서는 흡수가 잘 되지만 그 이외의 색에서는 흡수가 되지 않고 투과가 되는 특성을 가지고 있다. 즉 다른 색소와는 반응을 하지 않는다는 의미이다. 따라서 1064nm의 파장을 이용하면 문신이나 기미 같은 색소성 질환을 치료 할 수 있게 된다. 또한 532nm의 파장은 노란색, 빨간색, 고동색, 파란색등에 흡수가 잘 일어나기 때문에 혈관병변, 오타씨모반, 베커모반등의 치료에 사용할 수 있게 된다. 따라서 색소성 병변을 치료하기 위해서는 치료하고자 하는 색소가 어떤 것이며 이에 흡수가 잘 되는 레이저를 선택하여야만 좋은 치료 효과를 얻을 수 있게 된다.
2-2. 간섭성(coherence)
Coherence는 파동(wave)의 위상이 시간이나 공간적으로 정렬되어 있는 정도를 말한다. 이것은 빛의 간섭현상(interference)을 이용하는 응용에서는 가장 중요한 성질이다. 일반적으로 실생활에서 보는 빛, 즉 태양광이나 전구 등으로부터 나온 빛을 이용해서는 간섭무늬를 볼 수 없는데 이는 coherence가 아주 낮기 때문이다. Coherence는 크게 다음과 같이 공간적(spatial), 시간적(temporal) coherence로 나눌 수 있다. 1)Temporal coherence: 파동의 위상이 서로 다른 시간에서 정렬되어 있는 정도를 나타내며 이는 곧 광원이 얼마만큼 단파장에 가까운지를 나타내는 척도이다. 2)Spatial coherence:파동의 위상이 빛의 진행방향에 대해서 수직인 방향(transverse direction)에 대해서 정열되어 있는 정도이다.
레이저의 경우는 레이저 공진기의 구조에 따라 정도의 차이는 있으나 기본적으로는 coherent하다. 레이저의 출력이 단일모드(single mode)인 경우에는 공간적 coherence를 확보할 수 있으며, 시간적 coherence의 정도는 레이저 출력의 파장분포(wavelength bandwidth, △λ)에 의해서 결정되는데 이러한 시간적 coherence의 정도를 달리 coherence length(Lc= λ/△λ2)라고 표현하기도 한다. 이는 시간적 coherence가 주로 간섭 현상을 일으키는데 사용되는 특성이기 때문이며 이 coherence length보다 큰 광경로차(optical path difference)를 갖는 구조에서는 간섭현상을 관측할 수 없다. 이런 coherent한 특성을 이용하면 OCT(Optical Coherence Tomography)와 같은 측정 장비를 구현 할 수 있어서 피부의 조직을 정밀하게 측정 할 수 있게 된다.
2-3. 직진성(collimation)
레이저광선은 레이저 공진기의 양쪽 거울(전반사거울과 부분반사거울)에 의해서 결정되는 광축(optical axis)에 평행한 방향으로 진행하는 빛만이 증폭이 되기 때문에 모든 방향으로 진행하는 열복사 광원과는 달리 레이저 출력은 한쪽 방향으로 직진하는 직진성을 갖는다. 이 직진성에 의하여 레이저 광선은 그 무엇보다 정확한 align도구로 사용 될수 있으며 반사경을 이용하면 원하는 지점에 정확히 레이저 광선을 조사하는 것이 가능하다. 하지만 레이저 광선도 파동의 성질을 갖고 있기 때문에 회절의 영향을 받게 되어 어느 정도의 발산각(divergence angle)을 가지게 된다. 레이저는 공진기 구조에 따라 이 값들이 다르지만 Gas 레이저의 경우(CO2레이저, He-Ne 레이저등)에서는 발산각이 1 mrad(0.05o)를 넘지 않는 것이 보통이다. 직진성이 강한 특성을 갖고 있는 레이저광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이(빛의 파장을 단위로 하여 측정할 수 있을 정도)로 집광할 수 있어서 집광면(focal plane)에서 단위 면적당 에너지(Joule/ cm2) 또는 단위 면적당 power(Watt/ cm2)를 극대화 시킬 수 있게 된다. 이것에 비해 보통 빛은 렌즈로 집속해도 광원(光源)으로부터 나오는 빛의 진행방향이 여러 가지이므로 초점 근처에 광원의 상(image)이 나타나서 레이저광선과 같이 작은 넓이에 집광할 수 없다. 이 초점 근처에 나타나는 광원의 상을 아주 작게 하려면 광원을 렌즈로부터 무한히 먼 곳에 두거나 광원을 점으로 볼 수 있을 정도로 작게 해야 한다. 그러나 이렇게 하면 렌즈 초점에서의 광량(light intensity)은 아주 작아진다. 따라서 보통 빛에서는 아주 작은 점에 큰 광량을 모으는 것은 대단히 어렵다. 이러한 특성을 이용하면 수십 um직경내에 에너지를 집속 시킬 수가 있기 때문에 아주 정교하게 피부 및 뼈등을 절개 하는 곳에 응용이 되어지고 있다.
3. 레이저의 발생과정 및 구성요소
모든 빛은 원자나 분자에서 발생한다. 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 이루어진다. 전자가 도는 궤도는 원자의 종류에 따라 여러 가지 있는데 같은 종류의 원자에서는 전자수와 전자가 도는 궤도가 일정하다. 가장 바깥궤도를 도는 전자에 외부로부터 빛에너지를 주거나, 다른 전자나 원자를 충돌시켜 에너지를 주면 에너지를 받은 전자는 보다 바깥쪽 궤도로 이동한다. 이렇게 전자가 어떤 에너지를 받아서 보다 바깥쪽 궤도를 돌게 되는 상태를 ‘원자가 여기상태(excited state)’ 또는 ‘원자는 여기 준위(excited energy level)에 있다’고 한다. 기저상태에서 원자는 시간에 제한을 받지 않고 오랫동안 존재할 수 있지만 여기상태에 머물러 있을 수 있는 시간은 한정되어 있다. 따라서 여기상태에 있는 원자는 불안정하므로 한 번 받아들인 에너지를 빛에너지의 형태로 외부에 방출하고 다시 원래의 궤도로 돌아가서 안정한 상태를 유지하려고 한다. 원자가 안정한 상태에 있는 것을 ‘원자가 기저상태(ground state)에 있다’고 한다.
일반적으로 열평형(thermal equilibrium) 상태에 있는 자연 조건하에서는 기저상태의 원자의 개수가 여기상태의 원자의 개수보다 월등히 많기 때문에 유도 방출이 일어날 확률이 10-12정도로 아주 작다. 따라서 유도 방출이 일어날 확률을 높이기 위해서는 여기 상태에 있는 원자의 개수를 기저상태에 있는 원자의 개수보다 많게 해야 한다. 원자 중에는 빛에너지 등을 흡수하여 여기 상태로 될 때 그 에너지 준위에 머무는 시간(life time)이 자연방출에 의해 하위 에너지 준위로 전이되는 시간보다 긴 것이 있다. 알루미늄 산화물의 결정인 사파이어 보석에 크롬이온(Cr+3)을 약간 섞은 인조 루비 보석이 이런 성질을 가진 물질이다. 이러한 물질(gain medium)에 Xe램프나 Kr램프를 이용하여 강한 빛에너지를 조사하면 여기상태에 도달하게 되는데 이때에는 기저상태(또는 하위의 여기상태)에 머무르고 있는 원자수보다 상위의 여기상태에 머무르고 있는 원자수가 더 많아지게 된다. 이러한 상태를 밀도 반전(population inversion)이라고 한다. 이러한 밀도 반전 조건이 충족되면 레이저 매질을 지나는 동안 유도 방출이 마치 산사태 현상처럼 증폭되어 나타나게 된다. 하지만 아직 까지도 레이저를 발생시키기에는 유도 방출의 양이 충분치가 못하다. 이들 양을 충족 시키기 위해서는 레이저 공진기 가 필요하다. 이는 레이저 파장에 대해서 100%의 반사율을 갖는 반사경(total mirror)과 일부가 투과되는 출력경(output coupler)으로 이루어져 있다. 레이저 매질을 양 미러 가운데에 놓아서 레이저 매질내에서 유도방출된 빛이 반복적으로 반사되어 거울 사이를 왕복 운동하면서 빛이 증폭 되게 하고 이중 일부는 출력경을 통하여 방출되어 레이저빛으로 사용된다. 따라서 이러한 레이저를 발생 시키기 위해서는 다음과 같은 3가지 구성요소가 반드시 있어야 한다.
1) 밀도반전이 가능한 에너지 준위를 가지고 있는 레이저 매질(laser gain medium) 2) 밀도반전을 시키기 위해 필요한 외부 에너지 원(pumping source) 3) 유도방출된 빛을 증폭시키기 위한 레이저 거울(optical resonator)
4.레이저의 종류 레이저의 종류를 계통적으로 분류하면 고체레이저 ?기체레이저 ?액체레이저 ?반도체레이저 등이 있으며 레이저의 매질에 따라 레이저의 파장이 결정된다. 다음은 레이저를 계통적으로 분류하여 설명한 것이다.
4-1. 고체 레이저 고체 레이저는 유리(비정질)나 결정 등의 모재에 활성 원자(분자)를 균일하게 분산한 것을 레이저 매질로 사용한것이다. 마이만에 의해서 인류 최초로 발진된 레이저광도 인조 루비에 의한 고체 레이저의 하나였다. 고체 레이저의 여기에는 일반적으로 광 펌핑법이 이용되고 그 펌핑 광원으로는 플래시 램프나 아크 램프, 레이저 다이오드 등이 사용된다. 고체 레이저에도 여러 종류가 있다. 주요한 것으로는 루비 레이저(파장 694 nm), Nd:glass레이저 (파장 1.05 ㎛), Nd:YAG 레이저(파장 1.06 ㎛), 파장 가변형 고체 레이저이다. 또 자이안트 펄스를 획득하는 방법으로서 Q 스위치 레이저 발진법 등이 있다. 1964년에 발진된 Nd:YAG 레이저는 ① 기저 준위, ② 레이저 전이의 하준위, ③ 레이저 전이의 상준위가 되는 준안정 들뜬 상태의 준위, ④ 흡수대가 되는 준위 등으로 구성되어 있는 4준위 레이저이다. YAG(야그)란, 이트리움(Yttrium), 알루미늄(aluminium), 가넷(garnet)의 머리글자로 이루어진 합성어이고, 여기에 약간의 Nd(네오듐)이 첨가되어 있다. 그리고 YAG는 네오듐의 기본 물질이며, 네오듐 원자가 1.06 ㎛(근적외선)의 강력한 레이저 빔을 방사하고 YAG의 결정도 플래시 램프 등의 강력한 빛에 의해서 여기 된다. 현재 의료용으로 사용되고 있는 고체레이저로는 루비레이저, 알렉산드라이트 레이저, Nd:YAG 레이저, Nd:Glass 레이저, Er:Glass fiber 레이저, Ho:YAG레이저, Er:YAG레이저 등이 있다.
4-2. 기체 레이저 기체 레이저(가스 레이저)란, 기체의 활성 원자(분자) 또는 이것을 포함하는 혼합 기체(가스)를 레이저 매질로 하는 것이다. 여기법으로는 방전(플라즈마)에 의한 여기방법과 전자빔에 의한 여기방법이 있다. 주요 종류로는 He-Ne 레이저(파장 633 nm), 탄산가스 레이저(파장 10.6 ㎛), Ar 이온 레이저(파장 488 nm, 514 nm) 등이 있다. 또 약간 특이한 것으로는 동증기(Cu) 레이저, 엑시머 레이저 등도 있다. He-Ne 레이저는 1962년 발진된 것인데 기체 레이저의 효시였다. 출력 파워는 미약하지만 장시간 안정적으로 연속파를 이끌어낼 수 있으므로 오늘날까지도 계측분야에서 많이 사용되고 있다. 탄산가스 레이저는 1964년에 발진된 것으로 연속 발진 출력이 수십 kW나 되는 큰 파워 레이저이다. 에너지 효율도 15-20%로 높아 레이저 가공분야에서 많이 사용된다. 아르곤 레이저는 1964년에 발진된 것으로 1W 정도의 연속 출력이 가능하다. 그리고 수냉식이 일반적이지만 공랭식도 다소 있다. 특징은 녹색(514.5 nm)과 청색(488 nm) 사이에서 몇 개 발진선을 갖는 점인데, 가시광 레이저의 범위를 크게 넓힐 수 있다. 엑시머 레이저는 고출력의 자외선 레이저인데 화학반응 프로세스나 의료분야에 사용되고 있다. ArF(파장 193 nm), KrF(파장 248 nm), XeCl(파장 308 nm) 등이 있으며 펄스광으로 평균 50-200 W 정도의 파워를 출력한다. 그러나 일반적으로 에너지효율이 나쁘며, 0.5%-1% 정도이다. 엑시머 레이저에서는 플루오린과 크리프톤이 기저상태에서는 결합하지 않는 두 원자가 여기됨으로써 엑시머 분자로서 결합한다. 이 분자는 불안정하므로 바로 기저 상태로 돌아갈려고 하고, 이때 자외선을 방출하게 된다. 이것이 엑시머의 원리이다. 그리고 엑시머(Eximer)란 영어로 excited-dimer의 약자인테, 이것은 여기상태에서만 존재하는 분자를 지칭한다. 현재 의료용으로 사용되고 있는 기체레이저로는 엑시머 레이저, 구리증기레이저, He-Ne레이저, 탄산가스 레이저 등이 있다.
4-3. 액체 레이저(색소레이저) 액체 레이저란 알콜 등의 액체에 색소 등의 활성분자를 분산시킨 것을 레이저매질로 사용한 것이다. 액체레이저에는 유기와 무기 레이저와 색소레이저가 있다. 최근에 액체 레이저라고 하면 바로 색소레이저를 이르기도 한다. 여기법으로는 일반적으로 빛이 사용된다. 파장 조정이 쉽고 파장(370-720 nm) 피크 출력도 수십 kW에 이른다. 또 이온 레이저와 여기 레이저 에너지 효율은 10-20%이다. 현재 의료용으로 사용되고 있는 액체레이저로는 파장 600nm대의 Dye 레이저가 있다.
4-4 반도체 레이저 반도체 레이저는 1962년에 발진되었지만 실온 연속 발진에 성공한 것은 1970년이었다. 그 후에 개량이 거듭되어 더블 헤테로 접합형 레이저, 스트라이프형 구조의 레이저 등이 개발되어 광파이버 통신, CD 플레이어, 레이저 프린터, 레이저 스캐너, 레이저 포인터 등으로 폭 넓게 사용되고 있으며 현재 생산량이 가장 많은 레이저 발진 소자(디바이스)이다. 기본 구조는 반도체의 P-N접합이지만 레이저 다이오드는 발광층(활성층)을 양쪽 클래드층 사이에 끼운 더블 헤테로 구조로 되어 있다. 그리고 레이저 다이오드의 경우 그 벽개면을 반사경(공진기)으로 이용하고 있다. 사용소재는 GaAs, GaAlAs, InGaAsP 등이다. 레이저 다이오드의 장점은 고효율, 소형 경량에다 가격이 저렴한데 있고, 특히 다중 양자 우물형의 효율은 20-40%, P-N형도 수 %-25% 이므로 에너지 효율이 높은 것이 가장 큰 특징이다. 또 연속 출력으로 적외선에서 가시광 범위까지의 발진 파장을 커버할 뿐만 아니라 광펄스 출력 50 W (펄스폭 100 ns)급도 탄생하여 레이저 레이더와 여기 광원으로 사용하기에 매우 편리한 레이저 발진기라 할 수 있다. 현재 의료용으로 사용되고 있는 반도체레이저로는 파장 405nm, 650nm, 810nm, 930,980nm대의 반도체 레이저가 있다.
|
출처: 정 병원 (CHUNG CLINIC) 원문보기 글쓴이: kelly J.H Turner
첫댓글 등업자료 입니다~