레이저(Laser)란 무엇인가?

레이저(Laser)는 복사 유도 방출에 의한 광증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 줄임말로, 빛의 증폭이라는 물리적 현상을 이르는 말인데, 보통은 이 현상을 이용하여 만들어진, 강하고 퍼지지 않으며 멀리 전달되는 단색광 레이저 빔(beam) 또는 레이저광(光)을 간단히 '레이저'라고 부른다. 레이저는 전자기파의 자극 방출에 의한 광증폭 과정을 통해 광을 방출되는데 광의 상대적 위상이 장거리에 걸쳐 상관된 편광파를 가진다. 레이저는 다른 광원과 다르게 공간적으로 일정한 파장과 공간적인 일정성을 가지는 광선을 방출하며, 시간적인 일정성도 높아 굉장히 좁은 스펙트럼으로 광을 방출할 수 있으며, 팸토 초(femtosecond)와 같이 극단적으로 짧은 시간의 광 펄스를 생성하기도 한다. 레이저는 광 디스크 드라이브, 레이저 프린터, 바코드 스캐너, DNA 시퀀싱 장비, 광섬유 및 공간 광통신, 반도체 칩 제조 (광리소그래피), 레이저 수술 및 피부 치료, 재료 절단 및 용접, 목표 표시 및 거리 및 속도 측정을 위한 군사 및 법 집행 기기, 엔터테인먼트용 레이저 조명 디스플레이 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

레이저(Laser)의 역사

레이저 기술은 1900년대 초에 알버트 아인슈타인과 함께 시작되었으며, 1960년에는 휴 연구 실험실에서 첫 번째 레이저가 구축되면서 발전하기 시작했다. 레이저의 발견은 1960년 5월 16일에 미국 캘리포니아의 휴즈 연구소 메이먼(T.H. Maiman)에 의해 이루어졌는데, 메이먼은 크로뮴이온이 소량 함유된 루비 막대를 사용하여 단일 파장의 강렬한 빛을 발생시켰다. 이것은 "복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭"으로 알려진 원리에 기반한 것이었고, 이후 이 빛을 "레이저"라는 용어로 불렀다. 메이먼의 발견 이후에도 레이저 기술은 발전해 왔다. 1960년 12월에는 벨 연구소의 자반과 베넷, 해리엇이 헬륨 네온 레이저를 개발했다.
레이저는 그 후로 계속 발전하여 다양한 분야에서 응용되어 산업용, 의료용, 군용, 과학실험용 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 또한, 고체 레이저, 가스 레이저, 반도체 레이저, 색소 레이저, 펄스 레이저, 광섬유 레이저, 화학 레이저 등 다양한 종류의 레이저도 개발되었다.

레이저(Laser)의 발생 원리

원자들은 안정된 상태에 있다가 에너지를 받으면 전자들이 들뜬 상태가 되어 에너지가 높아지는데 이 상태는 에너지가 높아 굉장히 불안정하기 때문에 이내 빛을 방출하면서 안정된다. 이를 자연 방출이라고 한다. 이 자연방출을 통해서 나온 빛은 위상과 파장이 각기 달라 퍼지게 되고 멀리 가지 못한다. 그러나 들떠 있는 순간의 원자가 자신이 자연 방출하는 빛과 동일한 파장의 빛과 충돌하면 파장과 위상, 진행 방향이 동일한 빛을 방출하는 성질이 있는데 이를 유도 방출이라고 하며, 레이저는 이 원리를 이용한다. 레이저는 일반적으로 단일 파장의 광선이고 광선의 진행 방향과 집중성, 강도 등이 일정하게 유지되는 특징이 있다.

레이저(Laser) 장치의 구조

레이저 발생 장치는 레이저 광을 생성하는 장치를 의미한다. 레이저 발생 장치의 구조는 다양할 수 있으며, 이는 사용되는 레이저의 종류와 응용 분야에 따라 달라질 수 있습니다. 일반적인 레이저의 경우, 내부에 좌우로 거울을 설치하여 광공진기를 구성하여 그 사이에 레이저 발진에 쓰이는 물질을 넣어 놓는다. 이때 한쪽은 전반사 거울을, 다른 한쪽은 일부분 투과시키는 반투명 거울을 사용한다. 그리고 사이의 물질을 자극하면 빛이 거울 사이를 몇 백 번을 왕복하면서 거울로 수직 반사되는 빛만이 남아 유도 방출로 인해 서서히 빛이 가지런히 정렬된다. 이런 과정을 거쳐 일정한 에너지 이상이 되면서 레이저광으로 방출된다. 

(1) 활성 매질: 레이저 광을 생성하기 위해 활성 매질(확성 진동체)이 사용됩니다. 활성 매질은 레이저 작동 원리에 따라 다양한 형태로 존재할 수 있습니다. 일반적으로 고체, 가스, 반도체 등이 활성 매질로 사용됩니다.
(2) 에너지 공급: 레이저 발생 장치는 활성 매질에 에너지를 공급하여 활성 매질 내의 원자나 분자를 자극하여 에너지를 방출하도록 유도한다. 에너지 공급은 레이저 발생 장치에 따라 다를 수 있으며, 레이저의 종류와 원리에 맞게 선택되는데 일반적으로는 전기, 광학, 화학 등의 에너지 공급 방식이 사용된다.
(3) 반사경 및 굴절경: 레이저 광을 집중하고 조절하기 위해 반사경과 굴절경이 사용된다. 반사경은 광선을 반사하여 광을 집중하거나 방출 방향을 조절하는 역할을 하고 굴절경은 광선을 굴절시켜 원하는 형태로 광을 조절합니다.
(4) 광학 렌즈: 레이저 광을 조절하거나 집중하기 위해 광학 렌즈가 사용될 수 있다. 광학 렌즈는 광선의 진행 방향이나 광의 집중 정도를 조절하여 원하는 형태의 레이저 광을 얻을 수 있도록 도움을 준다.

레이저는 자극 방출에 의해 광선을 증폭시킨다. 먼저, 확성 진동체에 에너지를 공급하여 원자나 분자의 에너지 상태를 높이고 자극 방출이 발생하여 높은 에너지 상태에 있는 원자나 분자가 에너지를 방출하면서 광자를 방출한다. 이러한 방출된 광자는 반사거울에 의해 여러 번 반사되면서 광선이 증폭되고 진행 방향으로 집중된다.

 

레이저의 발진 원리는 크게 세 가지 단계로 구성된다. 
(1) 반전 분포 (population inversion) 단계
이 단계에서는 원자나 분자의 상태를 기저 상태보다 높은 에너지 상태로 반전시킨다. 즉, 더 많은 원자가 상위 에너지 준위에 위치하게 되는데 이는 외부 에너지 공급 또는 다른 방법(흡수, 화학반응 등)을 통해 이루어진다.
(2) 자발 방출 (spontaneous emission) 단계
이 단계에서는 상위 에너지 준위에 있는 원자가 자발적으로 에너지를 방출하여 하위 에너지 준위로 내려갑니다. 이 과정에서 빛이 방출되지만, 방출되는 빛은 여러 파장과 위상을 가지며 스펙트럼이 넓다.
(3) 자극 방출 (stimulated emission) 단계 
이 단계에서는 하위 에너지 준위에 있는 원자에 외부에서 들어온 광자(빛의 입자)가 충돌하여 자극을 주면, 원자는 그 자극을 받아 상위 에너지 준위로 이동하면서 추가적인 광자를 방출한다. 이때 방출되는 광자는 자극된 광자와 동일한 파장과 위상을 가지며, 이것이 반복되면 일정한 파장과 위상을 갖는 레이저 광선이 형성된다.

또한 물질마다 들뜬 상태에서 바닥상태로 전환될 때 방출하는 에너지의 크기가 다른데 이 때문에 물질마다 파장이 다르며 레이저의 매질로 사용되는 물질에 따라 레이저가 가지는 색깔과 에너지가 결정된다. 네온에서는 빨간색, 헬륨에서는 노란색, 아르곤에서는 파란색, 이산화탄소일 경우 방출되는 빛의 파장이 가시광선의 범위를 벗어나 적외선임으로 무색이다.

 

레이저(Laser)의 종류

(1) 고체 레이저 : 고체 레이저는 고체 매질에서 발생하는 레이저로, 일반적으로 고체레이저의 활성 매질은 유리나 결정 "호스트" 물질에 네오디움, 크로뮴, 어븀, 툴륨, 이터븀과 같은 "도판트"가 첨가된 형태이다. 도판트 중에는 일반적으로 희토류 원소인 경우가 많다. 희토류 이온의 자극 상태는 결정격자의 열 진동(포논)과 강하게 결합되지 않기 때문에 레이저 펌핑 강도가 비교적 낮은 수준에서 운전 임계값에 도달할 수 있다. 고체레이저의 매체로는 네오디움 도판트 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG), 루비 크리스털 등이 있다. 루비 레이저는 여전히 일부 응용 분야에서 사용되지만, 저 출력 효율성 때문에 일반적으로 흔하지 않고 실온에서는 짧은 광펄스만 방출하지만, 저온에서는 연속적인 펄스열을 방출할 수 있다. 각각의 고체 레이저는 특정 파장의 광선을 방출하며, 다양한 응용 분야에서 사용된다.
(2) 가스 레이저 : 가스 레이저는 가스 매질에서 발생하는 레이저로, 전류를 가스를 통해 방출하여 일관된 빛을 생성한다. 헬륨-네온(He-Ne), 아르곤(Ar), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 질소, TEA레이저 등이 있다. 각각의 가스 레이저는 특정 파장의 광선을 방출하며, 의료, 과학 연구, 산업 등에서 사용된다.
(3) 반도체 레이저 : 반도체 레이저는 반도체 소자에서 발생하는 레이저로, 다이오드 레이저라고도 불린다. 반도체에 과잉 운반자를 대량으로 주입했을 때 전자와 양공(陽孔)이 에너지 갭을 넘어 재결합할 때 발광하는 효과를 이용한 레이저이다. 전자와 양공의 쌍을 만드는 방법에는 p-n접합에 순전압을 걸어 운반체를 주입하는 주입형 레이저가 일반적으로 이용된다. 반도체 레이저는 작고 효율적이며 경제적인 레이저로, 통신, 의료, 광섬유 통신 등 다양한 분야에서 사용된다.
(4) 색소 레이저 : 색소 레이저는 색소 매질에서 발생하는 레이저로, 로듐(Rhodamine), 쿠페릭 산(Coumarin), 이노딘(Iodine) 등이 포함된다. 색소 레이저는 다양한 색상의 광선을 방출하며, 연구 및 과학 실험, 광학 장치 등에서 사용된다.
(5) 펄스 레이저 : 펄스 레이저는 매우 짧은 시간 동안 매우 강력한 광파를 방출하는 레이저이다. 펄스 레이저는 정교한 재료 가공, 의학적 응용, 과학 연구 등 다양한 분야에서 사용된다.
(6) 광섬유 레이저 : 광섬유 레이저는 광섬유를 이용하여 광선을 전달하는 레이저이다. 광통신, 광섬유 센서, 의료 기기 등 다양한 분야에서 사용된다.
(7) 화학 레이저 : 화학 레이저는 화학반응을 통해 에너지를 방출하는 레이저이다. 주로 연구 및 과학 실험에서 사용된다.

레이저(Laser)의 이용 분야

(1) 의료 : 레이저는 수술, 치과, 피부 치료 등 다양한 의료 분야에서 사용된다. 레이저를 이용한 수술은 침습적이지 않고 정교한 조작이 가능하여 수술의 정확성과 안전성을 향상시킨다. 또한, 피부 치료에 사용되는 레이저는 여드름, 주근깨, 타투 제거 등의 피부 문제 해결에 효과적이다.
(2) 산업 : 레이저는 산업 분야에서도 광범위하게 활용된다. 예를 들어, 레이저 가공은 자동차 제조, 금속 가공, 전자 제조 등에서 사용되며, 정밀하고 빠른 가공이 가능하다. 또한, 레이저 용접은 높은 용접 속도와 낮은 열 입력으로 인해 많은 산업 분야에서 사용되고 있다.
(3) 통신 : 광통신은 레이저를 사용하여 데이터를 광섬유를 통해 전송하는 방식이다. 레이저는 고속의 데이터 전송과 큰 용량의 정보 전달이 가능하며, 인터넷과 전화 통신에서 주로 사용된다.
(4) 연구 및 과학 : 레이저는 과학 연구의 많은 분야에서 사용된다. 높은 집중력과 정확도를 가지고 있어 분광학, 분석학, 원자 물리학, 양자 역학 등 다양한 실험 및 연구에 활용된다. 또한, 레이저를 이용한 조사 기법은 태양 에너지 연구, 대기 과학, 우주 탐사 등에도 사용된다.
(5) 엔터테인먼트 : 레이저는 콘서트, 클럽, 라이브 이벤트 등에서 조명 효과로 사용되어 시각적인 장관을 선사한다. 다양한 색상과 패턴으로 빛을 조절하여 다채로운 레이저 쇼를 구성할 수 있다.

적색[635 nm], 녹색[520 nm], 청색[445 nm]