반도체 레이저는 적외선 영역에서 전송 손실이 현저하게 저하되지만 광섬유에 이용한 통신용 반도체 레이저의 실용화 연구가 진행되면서 개발이 촉진됐다.
통신용 반도체 레이저 이외에도 레이저 인쇄기나 DAD 및 비디오 광디스크 등의 광 정보 처리용으로 반도체 레이저가 대량으로 생산되고 있으며 각종 산업용 반도체 레이저의 응용범위가 급속도로 확장되고 있다.
반도체 레이저는 다른 종류의 레이저에 비하여 효율이 높고 간편하게 고속으로 변조할 수 있으며 초소형이기 때문에 매우 편리한 장점을 갖는다.
반도체의 특징은 원자가 밴드와 전도 밴드로 알려진 두 개의 에너지 밴드사이에 작은 에너지 차이가 존재한다는 것이다.
또한 반도체 레이저는 전자회로에 많이 있는 LED와 비슷한 원리로 작동한다.
반도체 레이저는 정해진 파장에서 발진하는 것과 파장을 변환하는 것이 가능한 두 가지 종류가 있다. 흔히 정해진 파장에서 발진하는 반도체 레이저는 GaAs, GaAlAs와 InGaAsP가 있다.
GaAs 레이저는 대체로 0.904μm 근처에서 발진하는데 화합물의 비율을 변화시키면 0.8~1.3μm 영역에서 발진시킬 수 있다.
반도체 레이저의 선폭은 10-3cm-1 이하로 매우 작으나 출력은 대체로 mW 정도가 되며 최근 들어 W수준까지도 개발됐다.
1970년에 GaAlAs 반도체 레이저가 실온에서 연속 발진이 된다는 보고 이후 반도체 레이저는 광섬유 통신과 광정보 처리의 발광원으로서 각광을 받기 시작했다. 규소 반도체는 전자가 선형운동량을 격자에 내줄 때만 이런 전이가 일어나며 에너지가 주로 열로써 방출되고 장치들이 가열된다. 그러나 비소화갈륨 GaAs와 같은 물질의 경우에는 이런 전이가 일어나는데 전자가 참여할 필요가 없으며 전자가 기저상태와 여과 상태에서 동일한 선형 운동량을 갖고 있기 때문에 에너지가 빛으로 방출된다.
이러한 종류의 발광 다이오드는 전자 표시장치에 널리 이용되고 있다.
GaAs 자체는 적외선을 내놓지만 인(P)을 섞어주면 밴드 간격이 넓어지며 조성이 대체적으로 GaAs0.6P0.4로 구성된 물질은 붉은색 빛을 내놓는다. 따라서 발광 다이오드는 유도방출을 일으키는 것이 아니기 때문에 레이저라고 볼 수 없다. 그러나 전자-구멍이 결합하는 현상으로 재 결합시의 광 방출을 쉽게 할 수 있으므로 원리상으로는 레이저 작용으로 인정할 수도 있다.
이러한 원리로 많이 사용되는 반도체 레이저는 선폭이 작으므로 고분해 능 적외선 분광학을 연구하는데 쓰이며 콤팩트디스크 등 음향기기에 널리 이용되고 있다.
반도체는 N형과 P형으로 분류하며 전도 밴드가 부분적으로 전자에 의해 점유된 것이 N형이고 원자가 밴드가 소량의 전자가 방출되어 구멍을 가지고 있는 것이 P형이다.
두 종류의 반도체의 경계면인 p-n접합면의 구조를 고찰해 보면 반도체 레이저의 발진 메커니즘에서 활성층과 그것을 사이에 둔 p형 및 n형 알루미늄, 갈륨, 비소의 3층 구조로 접합되어 있다.
원자 및 이온기체 레이저
원자 및 이온기체 레이저이 활성매질은 원자나 분자이며 발진선의 폭이 아주 작다. 기체는 일반적인 밀봉된 튜브(tube)에 채워지며 초기 상태의 여과는 전기장식에 의해 이루어진다.
일반적으로 레이저 튜브에는 두 종류의 기체를 사용하는데 하나는 여과시키는 데 사용하고 다른 하나는 레이저 발진을 일으키는데 쓰여 진다.
기체레이저는 일반적으로 활성매질이 열손상을 입지 않으므로 매우 안정하여 폭 넓게 쓰이고 있다.
▶ 헬륨(He)-네온(Ne) 레이저
He-Ne 레이저는 1962년에 시판된 가장 오래된 기체 레이저로 알려져 있다.
활성매질은 1mbar 정도의 헬륨 원자와 0.1mbar 정도의 네온 원자가 혼합되어 유리튜브에 채워진다.
전자충돌에 의해 헬륨 원자를 여과시킨다. 여과된 헬륨 원자는 충돌에너지 전달에 의하여 네온 원자에 에너지를 전달한다.
발진 파장은 mW정도의 출력으로 632.8nm이며 적외선 영역에서는 이보다 낮은 출력으로 1.152와 3.391μm에서 발진한다. 이 레이저는 낮은 출력에도 불구하고 값이 싸서 출력이 문제되지 않는 응용에는 널리 쓰이고 있다.
He-Ne 레이저와 비슷한 것으로 He-Cd 레이저가 있는데 카드뮴 원자가 전이과정으로 인하여 mW정도의 출력으로 442nm와 325nm에서 발진한다.
따라서 헬륨원자는 가볍고 활발하게 움직여 입자간의 충돌확률이 높아서 기저상태에 있는 카드뮴의 원자와 비탄성의 충돌을 한다.
He-Ne 레이저의 쓰임을 살펴보면 우선 피부 재생을 촉진시키는 작용을 해 화상, 피부 상처, 궤양 등에 이용하면 피부가 빨리 재생되고 곱게 아물어 흉터를 최소화시킬 수 있는 특징이 있어 주로 의료용 레이저로 쓰이고 있다.
피부암의 치료에도 He-Ne 레이저가 사용되고 있는데 이것은 He-Ne 레이저의 632.8 nm 파장이 신체조직을 잘 투과하는 성질을 이용한 것이다.
피부암 환자에 HPD(hematoporphrine derivative)라는 약제를 투여하면 이 화합물은 암세포 부위에만 침착되는데 HPD는 632.8nm의 빛을 잘 흡수하는 물질이다.
이 상태에서 He-Ne 레이저의 빛을 광섬유로 피부조직에 주사하면 건강한 조직에서는 레이저광이 잘 투과하므로 영향이 없으나 암세포 주위에 침전되어 있는 HPD가 빛을 흡수하고 흡수된 광에너지를 암세포에 전달함으로서 암세포가 죽게 되는 것이다.
▶ 구리 증기 레이저
구리 증기 레이저는 금속 증기 레이저에 속하고 전하를 띠지 않는 금속원자가 레이저를 발진하는데 사용한다.
레이저 발진은 510.5nm의 초록색과 578.2nm의 노란색에서 이루어진다.
구리 증기 레이저는 에너지 전이 및 여과 과정상 펄스로만 작동하는데 반복속도는 대체로 5KHz 정도이다. 펄스폭은 약 30ns 정도이며 에너지 mJ 정도이다.
구리 증기 레이저의 가장 큰 장점은 가시광선 영역에서 평균출력이 10~100W의 높은 출력을 갖는 것과 발진 효율이 높다는 점이다. 구리 증기 레이저는 동위원소 분리 등에 응용되며 색소 레이저를 여과시키는데 많이 쓰인다.
또 다른 금속 증기 레이저로는 금 증기 레이저가 있는데 이것은 628nm에서 수 W정도로 발진한다.
▶ 아르곤(Ar) 및 크립톤(Kr) 레이저
아르곤 레이저는 활성매질이 불활성 기체로 이루어진 이온 레이저 중 가장 널리 쓰이는 레이저로 0.5mbar 정도의 기체가 플라즈마 튜브에 채워져 있으며 전기 방전에 의해서 여과된다.
아르곤 원자들이 이온화되며 전자충돌에 의해서 여과된다. 이로 인하여 여러 가지 이온의 여과 상태에 반전분포를 유발시켜 레이저 발진이 일어나게 된다. 여러가지 상태들 사이에서 레이저 발진이 이루어지면서 350~530nm사이에서 다양한 발진 파장을 나타내는데 488.0nm와 514.5nm에서 강한 레이저광이 나오게 된다.
이 레이저에서는 여러 가지 발진 파장이 가능케 되므로 etalon이나 프리즘을 공진기 안에 넣어 단일파장을 골라내게 된다. 레이저 발진이 일어나게 하기 위해서는 많은 양이 에너지가 필요하며 효율이 낮기 때문에 냉각이 매우 중요하게 된다.
아르곤 레이저는 청색(488.0 nm)과 녹색(514.5 nm)에서 가장 강력한 레이저 빛이 발생돼 조명 효과가 뛰어나서 특수조명에 많이 쓰이고 있다. 놀이공원 레이저 쇼라든가, TV 쇼 등 무대조명도 아르곤 레이저가 이용되고 있으며 연구실에서도 아르곤 레이저는 색소레이저의 여과용으로도 많이 쓰이고 있다.
또한 아르곤 레이저는 망막 박리증, 당뇨병성 망막증, 망막 변성증 등의 안과 질환과 기관지 계통의 치료 등 의료용으로 이용되기도 한다.
이온 레이저 중 크립톤 레이저는 아르곤 레이저와 비슷하며 발진 파장은 350~800nm 범위이다. 크립톤 레이저는 효율이 낮기 때문에 5W 출력까지 현재 시판되고 있으며 가장 강한 발진 파장은 647.1nm이다.
이 레이저는 많은 점에서 아르곤 레이저와 비슷하므로 아르곤과 크립톤 기체를 혼합한 레이저를 만들어서 가시광선영역에서 여러 가지 파장을 얻을 수 있다.
