레이저의 동작원리는 1917년 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어 유도방출 과정이 있다는 것을 이론적으로 설명해낸 것이 시초로 볼 수 있다. 그 후 20여년이 지난 1950년대초 미국대학의 타운즈(C. Townes) 박사가 암모니아(NH3)에서 마이크로파의 유도방출로 인한 레이저의 실연이 실험적으로 가능하다는 것을 처음으로 선보이게 됐다.
곧이어 가시광 영역에도 유도방출에 의한 빛의 증폭이 가능하다는 것이 타운즈와 샬로우(A. Schawlow) 박사의 연구를 통해 밝혀졌고 실제로 1960년 휴즈(Hughes)연구소의 마이안(T. Maiman) 박사에 의해 가시광 영역인 694.3nm의 붉은색인 루비레이저광이 최초로 발진됐다.
그는 보석의 하나인 루비(ruby)를 나선형 플래시램프 가운데 삽입하고 그 플래시램프를 터뜨려 센 빛을 루비에 입사시킴으로써 레이저의 발진에 성공한 것이다.
루비레이저의 발진 직후 레이저의 연구는 가히 폭발적이라고 할 만큼 활발해져 1960년대에는 현재 중요하게 응용되는 대부분의 레이저가 개발되기에 이르렀다.
70년대와 80년대에는 레이저 자체의 연구 외에도 레이저의 응용연구가 많은 비중을 차지하면서 오늘날 다양한 방면에서 레이저가 필수적인 장치로 각광을 받게 됐다.
이번 호에서는 본지 103호에서 다뤘던 레이저의 용접용도 외에 산업용가스가 사용되는 레이저의 특성별 종류와 레이저의 응용분야에 대해 알아보고자 한다.
■ 레이저의 응용
레이저는 현대 과학의 비약적인 발전과 함께 연구와 개발이 거듭되면서 이제 과학, 기술, 의료분야 등에 있어 그 무엇과도 비교할 수 없을 정도로 중요한 존재로 부각되고 있다.
과거 연구소에서 실험을 위해서나 사용됐을 법한 다양한 레이저 발진 방식들이 실제 산업에 훌륭하게 적용되고 있으며 그 응용분야도 거의 모든 산업분야로 확산되고 있는 실정이다.
실제로 고출력 레이저의 산업적 응용을 살펴보면 용접, 절단, 구멍뚫기 등을 들 수 있다.
산업적 응용에는 주로 10.6um파장의 CO2 레이저가 사용되는데 수 kW의 출력이 필요하며 게르마늄 렌즈를 이용하여 물질에 집속한다.
10 kW급의 CO2 레이저로는 5 mm 두께의 스테인레스강(SS304)을 1초 동안에 10cm 정도의 속도로 용접이 가능하다.
레이저 용접의 특징은 직접적인 접촉이 없이도 정밀하게 고속 용접이 가능하고 재료의 변형이 적을 뿐 아니라 서로 상이한 재료간의 용접이 가능하다. 또한 렌즈에 의한 초점에서 날카로운 집속은 금속, 피륙 등 여러 가지 재질의 절단에도 유리하다. 이와 함께 복잡한 문양이라 할지라도 정밀 절단이 가능하고 고속절단이 가능한 것이 레이저 용접의 주요 이점이다.
금속은 적외선을 대부분 반사하기 때문에 산소를 고압으로 공급하면 효율이 높아진다.
간혹 SF영화 등에서 주인공이 두꺼운 철판을 절단하는 장면을 보면서 사람들은 이미 레이저가 강력한 절단용 도구임을 알고 있다.
레이저 가공은 금속뿐만 아니라 IC 회로에 쓰이는 알루미나와 실리콘 기판의 조각내기에도 매우 유용하게 사용되고 있다. 과거에는 다이아몬드 바늘 또는 톱날을 이용하여 흠집을 냈으나 속도가 느리고 치밀하지 못해 레이저로 대체하게 되면서 생산단가를 낮춰 경제성을 높일 수 있게 됐다.
약한 출력의 레이저 응용을 살펴보면 우리나라에서도 최근에 비교적 널리 보편화된 바코드 를 통해 이야기할 수 있다.
상품마다 부착된 독특한 바코드는 헬륨(He)+네온(Ne)레이저에 비추면 반사된 빛이 전기 신호로 바뀌어져 품목명과 가격이 계산서에 찍혀지게 되는 원리다.
이러한 레이저 활용은 시간과 인원의 절감효과를 가져왔을 뿐만 아니라 대형 슈퍼나 백화점의 효율 적인 재고관리를 가능케 했다.
이 밖에 레이저의 중요한 응용 중의 하나는 거리측정이다. 지구와 달까지의 정확한 거리 측정은 레이저에 의해서 비로소 가능해졌다. 달 표면에 설치된 코너튜브(coner tube)는 4면체로 된 거울로 빛이 입사하면 입사방향과 평행한 반사광을 얻을 수 있는 장치이다. 이 코너튜브에 10초의 짧은 펄스레이저를 보내면 송신지점으로 되돌아오는 원리로 빛의 왕복시간을 알 수 있고 이로서 정확한 거리를 계산해 낼 수 있다. 따라서 지구에서 달까지 거리는 15cm 오차 이내의 거리로 정확히 측정된다.
이밖에도 레이저는 21세기 핵심산업으로 떠오른 유전자 조작을 비롯 미래 에너지자원으로 연구가 진행중인 핵융합에너지 그리고 광컴퓨터, 형상인식 등과 같은 최첨단 산업에의 적용이 늘고 있다.
이같은 과학, 기술 분야 외에 탄산이나 아르곤, 헬륨 등과 같은 산업용가스가 사용되는 의료용 레이저 용도에 관해서는 레이저의 종류별 특성에서 다뤄보고자 한다.
■ 레이저의 종류
레이저를 크게 구별하면 기체, 액체, 고체 레이저로 구분된다.
고체레이저에는 루비(ruby)레이저, 사파이어(sapphire)레이저, 네오디뮴(neodymium)레이저, color-center(F-center)레이저 등이 있다.
이것은 형광 이온이 투명한 유전체에 doping된 것과 반도체의 밴드간 재결합을 이용한 것이다.
또한 고체레이저와 반도체레이저는 여과 방법과 각각의 특성이 모두 다르기 때문에 정보통신 등에 많이 사용하는 반도체 레이저를 따로 구분하여 취급한다.
기체 레이저는 중성원자 및 이온기체 레이저, 분자 레이저, 엑시머(excimer)레이저 등의 종류가 있다.
액체 레이저는 색소(dye)레이저 등이 있다.
고체 레이저
레이저광을 발생시키는 활성매질로 일반적인 고체상태의 물질을 사용하며 형광 수명이 긴 형광 이온을 포함하는 유전체 재료로 작은 양의 전이 금속이 doping된 투명한 결정이나 유리가 해당된다.
여기서 ‘doping된’의 뜻은 적은 양이 일정하게 결합되어 있음을 의미한다.
대부분 광펌핑에 의한 여과 방식을 사용하여 금속의 전이가 레이저 발진을 일으키게 된다.
▶ 루비레이저
루비레이저는 1960년에 최초로 만들어진 레이저로 가장 잘 알려진 고체 레이저이며 가시광선의 파장에서 1MW 이상 높은 출력을 내는 레이저이다. 이 레이저는 활성매질인 루비봉 이 코일 형태의 플래시램프와 평행하게 타원형의 반도체 안에 들어 있어서 chrominium 이온이 여과되면서 나타난다.
chrominium 이온들이 기저 상태로 떨어지면서 694.3nm 파장의 빛을 내는 레이저 방출이 일어나고 이때 얻어지는 레이저 펄스는 대략 0.3~3ms 정도의 펄스폭을 갖게 된다.
루비레이저에서 가장 큰 문제는 펄스를 생성할 때마다 생기는 열을 제거시키는 것이며 이를 위해 루비봉을 물로 식힌다.
이런 문제에도 불구하고 가시광선영역에서 약 200J까지의 에너지를 얻을 수 있으며 밴드 폭은 약 0.5nm 정도인 탓에 많이 사용된다.
▶ 네오디뮴 레이저
네오디뮴 이온을 증폭매질로 사용하는 레이저는 활성매질의 종류에 따라 구분할 수 있다. 네오디뮴 레이저에는 Nd-YAG 레이저와 Nd-Glass레이저 두가지 형태가 있으며 모재가 YAG결정인 경우가 Nd-YAG 레이저이고 모재가 비결정 유리인 경우가 Nd-Glass 레이저이다.
여기서 네오디뮴 이온에서의 전이가 레이저 발진을 유발하지만 발광특성은 네오디뮴의 에너지 준위에 대한 모재 격자의 영향이 다르므로 서로 다르게 된다.
또한 유리는 YAG 결정보다 열전도도가 덜어지므로 연속파 작동보다는 펄스형태로 작동한다. 루비레이저처럼 네오디뮴 레이저는 플래시램프에 의해 여과된다.
네오디뮴레이저에서 주된 발진 파장은 1.064μm이며 모재격자에서 알루미늄이 리튬으로 치환된 Nd-YLF 레이저인 경우에는 1.064μm에서 발진하게 된다. 또한 1.319μm에서도 발진되는 레이저를 만들 수도 있다. 그리고 유리는 비결정의 구조를 가지므로 서로 다른 네오디뮴 이온들은 환경이 달라서 결정장 분리가 서로 다르게 된다.
대부분 Nd-YAG 레이저를 이용한 광화학은 1.064μm 파장을 이용한 것이 아니고 주파수 변환방법을 이용하여 생성되는 높은 축력의 가시광선이나 자외선 광을 이용한 것이다.
이러한 레이저는 반도체 다이오드 레이저에 의해서 Nd-YAG 결정을 직접 여과시키므로 아주 적게 만들 수 있으며 효율이나 안정성이 좋다.
Nd-Glass 레이저가 사용되는 분야는 매우 다양해 산업용으로 작은 물체의 절단, 글씨 새김 등에 사용되고 의료 분야에서는 환부의 절개, 소삭, 내시경을 이용하는 수술 등에 이용된다.
또한 Nd-Glass레이저는 열전도율이 낮아서 연속발진은 불가능하고 펄스 반복율도 Nd-YAG 레이저보다 낮지만 대형 고출력화가 가능하므로 높은 첨두 출력이 요구되는 핵융합 레이저에 이용되고 있다.
▶ F-center 레이저
F-center레이저는 주로 Nd-YAG나 아르곤 또는 크립톤 이온 레이저에 의해서 여과된다. F-center레이저는 회절격자에 의해서 파장변환이 가능하고 여러 가지 서로 다른 결정들을 회절격자에 사용하면 0.8~3.4μm의 파장범위가 가능하게 된다. 이러한 레이저의 결점은 결정을 아주 낮은 온도로 유지시켜야 하기 때문에 액체질소가 필요하다는 점이다.
이들 에너지 준위 사이의 광학적 흡수는 투명한 모재 물질이 색깔을 띠게 되며 여러 형태의 결정 결함 중에 가장 간단한 것이 F-center 레이저이다.
▶ Alexandrite 레이저
Alexandrite 레이저는 루비 레이저의 스펙트럼과 비슷하고 최초로 680nm 파자의 3준위계가 1972년에 개발됐다. 몇 년 후에 4준위계의 펌핑 특성에 의해 더 긴 파장에서 스펙트럼이 측정되며 활성매질인 chrominium 이온이 doping된 alexandrite 결정이다.
루비레이저와 alexandrite레이저의 차이는 chrominium 이온전자의 기저 상태가 alexandrite 레이저인 경우는 분리 되지 않고 격자 진동에 의한 짝지움 때문에 진동 에너지 준위들에 의한 넓은 연속적인 밴드를 이루게 된다. 따라서 일반적인 플래시 램프 여과에 의한 레이저 방출은 연속적인 기저 상태로 일어나기 때문에 파장이 700~815nm까지 변환이 가능한 출력이 발생된다. 이러한 이유로 alexandrite 레이저는 진동레이저로 불린다.
