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개요

이 빛은 경도가 가장 크고 열에 가장 강한 물질을 충분히 증발시킬 만큼 강하다. 레이저란 용어는 유도방출복사에 의한 빛의 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation)이라는 구절의 첫글자들을 딴 것이다.

기본원리

원자와 분자는 높거나 낮은 에너지 준위(準位)에 존재한다. 낮은 준위의 원자·분자들은 대개 열에 의해 높은 준위로 여기(勵起)되며 높은 준위에 닿은 후에는 다시 낮은 준위로 돌아오며 빛을 낸다. 보통의 광원에서는 여기된 원자·분자들이 독립적으로 여러 가지 다른 색깔(파장)의 빛을 낸다. 그런데 원자가 여기된 그 짧은 순간에 어떤 파장을 갖는 빛이 그 원자에 충돌하면 원자는 자신을 자극한 파동과 같은 위상을 갖는 복사선을 방출하도록 유도된다. 따라서 새 복사선은 지나는 빛을 감소시키거나 증폭시킨다. 이 현상이 충분히 반복되면 완전히 간섭성 빛(즉 모든 구성성분이 같은 위상을 가지는 단일주파수 또는 단색의 광)으로 이루어진 최종 광속은 놀라울 정도로 강한 세기를 갖는다(→ 여기, 유도방출, 간섭성).

아인슈타인은 1917년에 이미 유도복사의 존재를 인식했으나 1950년대가 되기까지 그것을 실제적으로 이용하는 장치가 없었다. 미국의 물리학자인 찰스 타운스와 아서 숄로는 가시광을 사용하여 그와 같은 장치를 만들 수 있음을 보였다. 또한 2명의 소련 물리학자들은 이와 관련있는 견해를 독립적으로 제안했다. 최초의 레이저는 1960년에 미국에서 시어도어 메이먼에 의해 만들어졌으며 루비 막대를 사용했다. 그후로 많은 종류의 레이저들이 만들어졌다.

종류

개요

다양한 방법으로 다양한 목적을 위해 만들어진 여러 레이저 중 다음의 레이저들이 가장 중요한 것들이다.

광펌핑 고체 레이저

레이저 작용이 일어나도록 원자들을 높은 에너지 준위로 여기시키는 방법 중 하나는 레이저가 발생시키는 빛보다 더 큰 진동수를 갖는 빛으로 레이저 물질을 조사(照射)하는 것이다.

이 과정을 광 펌핑이라고 하며, 대개 비효율적인 과정이기 때문에 광펌프는 큰 세기를 가져야 한다.

광펌핑 고체 레이저는 선택된 물질의 막대로 만드는데, 양 끝이 평평하고 평행하도록 다듬어지며 레이저 광을 반사하는 거울로 덮여 있다. 막대의 측변은 펌핑 등(燈)으로부터 빛을 받을 수 있도록 투명하며, 카메라의 전자 섬광(閃光) 전구처럼 점멸하는 펄스형 기체방전관이 펌핑 등으로 쓰일 수 있다.

펌핑 등은 레이저막대 주위에 길이 방향으로 감길 수도 있고 거울을 사용하여 막대에 집속될 수도 있다(그림 참조). 최초로 동작한 레이저는 인조보석인 사파이어(산화알루미늄) 결정으로 만든 분홍색의 루비 막대를 사용했다. 그이래로 많은 희토류 원소들이 사용되었으며 네오디뮴(Nd)이 가장 많이 쓰였다. 출력전력은 섬광의 형태로 수천W까지 얻을 수 있다.

액체 레이저

고체 레이저는 물질내부에서 발생하는 열과 펌핑 등에 의한 열 때문에 고출력에서는 때때로 파손되고 손상을 입는 단점이 있다.

액체 레이저는 그러한 손상을 입지 않으며, 산화네오디뮴 또는 염화네오디뮴을 염화산화셀렌에 녹인 용액으로 채워진 투명조(透明槽)가 결정체 또는 유리질막대를 대체한다. 투명조는 출력일률을 높이기 위해 원하는 만큼 크게 만들 수 있다. 그러나 레이저로서 동작하는 무기(無機) 액체의 종류는 아주 적다.

염료 레이저

어떤 유기염료는 다른 색깔의 재복사광을 내는 형광작용을 한다.

비록 구성원자들의 여기상태가 1초도 안 되게 지속되고 방출된 빛의 대역이 좁지는 않지만, 광범위한 주파수대역에 동조(同調)할 수 있는 장점을 가지고 있어서 레이저 작용을 나타내는 많은 염료들이 만들어졌다. 주황색을 띤 노란 빛을 발하는 로다민 6G와 같은 염료는 다른 레이저로 여기시켜 레이저 작용을 나타내게 한다. 로다민 6G는 펄스 발진이 아닌 연속발진이 처음으로 이루어진 염료이며 가변파장 레이저광의 연속빔을 생산 가능하게 했다.

메틸럼벨리페론 염료는 염산을 첨가하여 자외선에서부터 노란색 빛까지의 파장에서 레이저 작용을 하도록 만들 수 있어서 이 영역 안의 거의 모든 진동수에서 레이저 광이 만들어진다.

기체방전 레이저

기체방전 내의 원자는 네온사인에서처럼 빛을 생성하고 복사하도록 여기된다.

때때로 아주 많은 수의 원자가 특정 에너지 준위에 모이게 되며, 방전관의 양끝에 거울을 두면 레이저 작용이 일어난다. 이 조건은 흔하지 않으며 또 기체방전이 발하는 여러 파장 중 몇 개에서만 일어나지만 대부분의 기체는 특정한 방전조건에서 어떤 파장의 레이저 광을 발생하도록 만들 수 있다. 기체방전 레이저는 보통 헬륨-네온의 혼합기체를 사용하는데, 적외선영역의 레이저 작용에는 일산화탄소나 시안화수소 같은 기체를 사용한다.

기체역학 레이저

가열된 기체가 급냉(急冷)되면 저에너지 상태에 있는 분자들의 수는 더욱 빨리 줄어들어 고에너지 상태에 있는 분자들보다 적어지며, 이는 레이저 작용을 일으킨다.

이 조건은 질소와 혼합된 일산화탄소를 연소시켜 제트노즐을 통해 팽창시킴으로써 얻어지며 3만W 이상의 고출력(高出力)을 얻을 수 있다.

화학 레이저

어떤 화학반응은 레이저 작용을 일으킬 만한 고에너지의 원자를 발생시킨다.

예를 들어 수소와 불소가 만나 불화수소를 만들 때 이산화탄소가 함께 있으면 레이저 작용이 일어난다. 적당한 분자들이 알맞은 양으로 반응할 때 많은 양의 에너지가 발생된다.

반도체 레이저

반도체 레이저는 p형과 n형의 서로 다른 불순물이 첨가된 두 반도체물질의 평평한 접합으로 이루어져 있다.

비소화갈륨(GaAs)과 비소화알루미늄갈륨(Al_xGal _1-xAs)의 쌍이 이런 종류의 레이저에 전형적으로 사용되며 인화인듐(InP)과 비소인화인듐갈륨(Al_xGal _1-xAs_yP_1-y) 같은 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물반도체의 쌍도 사용된다(→ 반도체 소자). 이 소자를 통해서 큰 전류가 흐를 때 레이저 광이 접합영역으로부터 발생한다. 이들 소자는 출력일률이 제한되어 있지만 낮은 비용, 작은 크기 그리고 비교적 높은 효율 때문에 광섬유통신 시스템과 디지털 오디오 디스크 플레이어의 광원으로 사용되기에 적합하다(반도체 소자).

자유전자 레이저

이 레이저는 고출력복사빔을 발생함에 있어서 다른 어떤 종류의 레이저보다도 효율적이다.

더욱이 이 장치는 파장이 가변적이어서 마이크로파에서 자외선까지의 파장에서 작동하도록 만들 수 있다(이론적 X선의 파장을 가진 레이저를 만들 가능성은 있지만 현재의 기술 수준으로는 그렇게 짧은 파장을 다룰 수는 없음). 입자가속기 또는 다른 원천에서 나온 자유전자들이 일직선으로 배열된 전자석으로 구성된 장치인 언듈레이터(undulator：보통 wiggler라 함)를 통과한다. 언듈레이터 안의 교류전기장에 의해 전자들이 역선 주위로 나선형의 경로를 따른다.

그에 따라 전자들이 빛의 속력에 접근할 정도로 가속되고 싱크로트론 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 복사의 세기와 파장은 자기장의 어떤 매개변수를 조정함으로써 조절할 수 있다. 넓은 범위에서 가변적인 파장과 높은 효율을 가진 레이저 광을 발생시키는 능력 때문에 연구자들은 자유전자 레이저가 더욱 개발되면 동위원소의 분리, 반도체 연구, 레이저빔 무기로서의 탄도 미사일 방위 등과 같은 응용에서 특히 유용할 것이라고 기대한다(전략방위구상).

짧고 강한 펄스를 발생시키는 레이저

증폭기와 레이저의 양끝에 있는 거울 사이에 놓인 셔터는 닫혀 있는 한 레이저 작용을 방해한다.

조건이 그밖의 다른 면에서 레이저 작용에 적당할 때 셔터가 갑자기 열리면 저장된 에너지가 강력한 펄스광으로 방출된다. 이 펄스광은 1초보다 짧은 시간 동안 지속되며, 최고일률용량이 105W 정도로 강하다. Q-스위치는 기계적 셔터일 수도 있지만, 보통 때는 불투명하다가 전기 펄스의 작용에 의해 투명하게 되는 액체·고체 광 셔터인 경우가 많다. 레이저 광에 노출되었을 때 투명하게 되는 불투명 염료로 된 셔터도 있다(펄스레이저).

보통 레이저는 여러 진동방식, 즉 여러 진동수에서 진동한다.

이들 진동방식을 동시에 작동시킴으로써 더 짧고 강력한 펄스가 얻어진다. 이 과정을 진동방식고정(mode-locking)이라 한다(모드 동기). 이러한 펄스는 과학연구 또는 주위의 물질이 영향을 받지 않도록 신속하게 구멍을 뚫는 작업 등에 유용하다.

응용

레이저에 의해 생성되는 빛은 일반적으로 다른 광원에서 나오는 빛보다 훨씬 더 단색광이고 방향성이 있으며 강력하고 간섭성이 크다.

그러나 각 종류의 레이저들은 파장·크기·효율성뿐만 아니라 이들 특성에 있어서도 많이 다르다. 모든 목적에 맞는 그런 레이저는 없지만 이 특성들을 조합하면 레이저가 개발되기 전에는 어려웠거나 불가능했던 일들을 할 수 있다.

헬륨-네온과 같은 기체를 사용하는 레이저에서 나오는 연속가시광은 모든 종류의 정렬(alignment) 작업에 필요한 거의 이상적인 일직선을 제공한다. 헬륨-네온 레이저에서 나오는 빔은 전형적으로 이론적 한계치에 가까운 1/1,000 이하로 발산한다. 대기의 요동이 장거리에서 빔의 선명성을 제한하기는 하지만 망원경을 통해서 거꾸로 빔을 통하게 함으로써 빔의 발산을 줄일 수 있다.

또한 레이저는 대규모공사에서 정렬 작업을 위해 널리 쓰이는데, 예를 들면 터널을 뚫는다거나 배관을 설치하는 데에서 장비를 인도하는 역할을 한다.

펄스 레이저는 LIDAR라고 종종 불리는 광레이더에 쓰이며 빔의 폭이 좁아서 목표물을 선명하게 나타낸다. 레이더와 마찬가지로 물체까지의 거리는 빛의 속도를 알기 때문에 빛이 물체에 닿아서 다시 돌아오기까지 걸린 시간을 측정함으로써 계산된다.

LIDAR의 반사파는 달로부터도 돌아왔는데, 이는 달을 처음으로 밟은 우주비행사에 의해서 설치된 다중 프리즘 반사경에 의해서 실행된 것이다. 지상의 관측소로부터 달의 반사경까지의 거리는 몇 cm의 정확도를 가지고 측정할 수 있다. 지상의 서로 다른 지점에 있는 두 관측소로부터 반사경까지의 거리와 방향을 동시에 측정하면 두 관측소 간의 거리를 정확하게 알 수 있다. 그와 같은 측정을 지속적으로 하면 대륙들이 상호간에 상대적으로 유동하는 속도를 알 수 있다.

비행기 안에 수직으로 세워진 레이저 레이더는 경기장에 있는 계단의 윤곽 또는 건물의 지붕 모양과 같은 미세한 부분을 나타낼 수 있으며 빠르고 높은 해상도를 가지는 장치이다.

펄스 레이저 레이더는 먼지입자로부터도 반사파를 얻을 수 있으며 심지어는 고공에 있는 공기분자로부터도 얻을 수 있다. 따라서 공기의 밀도를 측정하고 때때로 기류를 추적하기도 한다.

레이저 출력빔의 높은 간섭성은 빛의 간섭을 이용하는 측정이나 응용기구에 매우 유용하다. 빛을 서로 다른 경로를 지나는 두 빛으로 나누면, 그들이 다시 모였을 때 위상이 같아서 보강간섭을 일으키거나 위상이 달라서 소멸간섭을 일으킨다. 따라서 재결합된 광파는 경로차가 한 파장의 반만큼 변할 때 명(明)에서 암(暗)으로 변화하여 간섭무늬를 만든다.

이런 장치를 레이저 간섭계라고 하는데, 아주 작은 변위도 감지할 수 있으며 비교적 긴 거리도 정확하게 측정할 수 있고, 극히 긴 거리에 대해서도 레이저를 이용해서 측정할 수 있다. 레이저 간섭계는 지질학적 단층을 통한 지각의 미세한 변위를 감시하는 데 쓰인다. 생산 라인에서 이 장치는 세선(細線)을 측정하고 자동화된 기계도구에 의한 생산품을 감시하며 광학부품을 검사하는 데 이용된다.

레이저는 우수한 단색광이기 때문에 빛의 진동수가 조금만 변해도 알아낼 수 있다.

레이저 쪽으로 움직여오는 물체에서 반사된 빛은 물체의 속도에 관계하여 진동수가 증가한다(도플러 효과). 멀어지는 물체에 대해서는 진동수가 감소한다. 어느 경우든지 원래의 빛과 진동수변이가 일어난 빛이 광검출기에서 재결합하면 차이값의 진동수(원래의 빛과 변이된 빛의 진동수 차이)를 가지는 신호가 관측되며 아주 작은 속도도 측정이 가능하다.

레이저 광의 밝기와 간섭성은 3차원 깊이를 모사(模寫)하는 시각효과와 사진술(예를 들어 홀로그래피)에 특히 적합하다.

많은 레이저로부터 오는 빛은 비교적 강도가 세며, 일반적인 렌즈시스템에 의해서 작은 지점에 접속될 수 있다. 따라서 비교적 작은 펄스 레이저로도 임의의 미량물질을 증발시킬 수 있고 가장 경도가 큰 물질에도 작은 구멍을 뚫을 수 있다. 예를 들어 루비 레이저는 선을 뽑는 틀로 사용하기 위한 다이아몬드와 시계 베어링을 위한 사파이어에 구멍을 뚫는 데 사용된다. 생물학연구에서 미세하게 집속된 레이저는 단세포의 일부분을 증발시켜서 염색체의 현미경수술을 가능하게 한다(외과학).

최근에는 레이저가 의학에서도 다음과 같이 응용되고 있다.

첫째는 진단에서의 응용이다. 신체조직에 레이저 광선을 쏘였을 때 신체조직이 지니고 있는 특유의 스펙트럼이 형광되는 성질을 이용하여 신체조직의 영상을 입체적으로 보여주거나, 투여된 약물을 측정하거나, 암과 종양을 찾아내는 목적 등에 사용할 수 있다. 둘째, 치료에서의 응용이다. 강한 레이저를 자유롭게 굽힐 수 있는 광섬유를 통해서 암이나 종양 등에 선택적으로 쏘임으로써 태우거나 파괴시킬 수 있다. 치과에서 썩은 이를 제거하는 데 사용하기도 한다.

또한 기계적인 접근이 불가능한 장소에 레이저 광선을 사용해서 강한 열을 발생시킬 수 있는데, 이 원리를 적용한 것 중 하나가 눈의 망막수술이다. 셋째, 영상처리에의 응용이다. 의학영상(X선 필름 등)을 컴퓨터를 이용해서 처리하기 위해 디지털 정보로 저장시켜야 할 경우 입력장치에서 사용되기도 한다.

레이저는 소규모의 절단이나 용접에도 쓰인다.

또 저항기에서 일부 물질을 제거함으로써 정확한 저항값을 얻을 수 있고 미세회로 소자의 직접배열에서 연결회로를 변경시킬 수 있다. 레이저에서 나오는 광펄스는 적당한 장치에 의한 분석을 위해 시료물질을 증발시킬 수 있다. 이 방법으로 극히 작은 시료를 오염시키지 않고 분석할 수 있다. 레이저 광의 높은 밝기, 순수한 색상, 그리고 방향성은 빛의 산란실험에 이상적이다. 파장이나 방향이 바뀌어서 산란되는 미량의 빛도 쉽게 확인할 수 있다.

특히 라만 효과라고 알려진 산란은 분자의 종류를 확인할 수 있는 특성파장변이를 일으킨다. 레이저 생성원과 고감도의 분광사진술로 투명한 액체·기체·고체로 된 작은 시료를 분석할 수 있다. 레이저빔의 라만 산란에 의해서 먼 거리에 있는 대기의 오염물질을 측정하는 것도 가능하다.

레이저빔은 통신에 이용될 수 있다.

빛의 진동수는 무척 높아서(가시광의 경우 약 5×1014㎐) 매우 복잡한 신호를 부호화할 만큼 신속하게 강도를 변화시킬 수 있다. 원리상으로는 하나의 레이저 광으로 기존의 모든 무선 채널만큼의 많은 정보를 실을 수 있다. 그런데 레이저 광은 비·안개·눈에 의해 차단되므로 지상에서의 신뢰성있는 통신을 위해서는 레이저 광이 보호매질 안에 있을 필요가 있다.