탄산(CO2) 레이저는 레이저 발진이 이루어지는 탄산의 에너지 준위들이 전자 준위가 아니라 회전 및 진동에너지 준위들이다. 따라서 발진파장이 적외선 영역에서 나타나게 된다.
탄산 레이저에서 레이저 방출 (100)과 (020)상태에 속하는 회전 에너지 준위로의 전이로 인해 일어나는데 각각 10.6μm과 9.6μm에서 발진하게 된다.
이 두 전이과정은 결국 (020) 준위로 소멸이 일어나며 계속적으로 기저상태로 떨어지게 된다. 에너지 전이과정에 회전에너지 상태가 관여하므로 10.6μm과 9.6μm 사이에서 여러 파장이 얻어질 수 있다.
탄산 레이저는 그 복사선이 진동전이로부터 나오는 것으로 약간 다른 원리로 작동된다.
탄산 레이저는 분자 기체 레이저로 고출력과 고효율의 원적외선 레이저로서 탄산만으로 레이저 발진이 가능하지만 여과 효율 및 출력의 증대를 위하여 질소와 헬륨을 혼합해 사용하는 분자기체 고출력, 고효율의 원적외선 레이저이다.
탄산 레이저의 방전방식은 전기방전에 의한 여과 방식의 기체 레이저와 같이 레이저 축과 평행하게 방전 시키는 방법과 축과 수직으로 방전 시키는 횡단 여과 방법이다.
탄산 레이저의 주된 이용분야는 산업계이다.
고출력, 고효율을 이용하여 철판을 비롯한 각종 재료의 절단, 용접, 열처리 등에 널리 사용될 뿐만 아니라 핵융합에도 이용되고 있다.
아울러 미세한 부위에 빛에너지를 집중 할 수 있는 특징 때문에 외과 수술시 메스 대신에 100W 내지 200W급의 탄산(CO2) 레이저가 쓰인다.
레이저로 수술하면 세포조직의 물분자에 의해 10.6um의 빛이 잘 흡수되므로 쉽사리 응고되어 지혈에 훌륭한 효과가 있다.
또한 탄산 레이저는 10,600nm 파장의 레이저 빔이 나오는데 이 레이저 빔은 수분에 선택적으로 흡수돼 살아있는 모든 조직의 피부를 정교하게 파괴시킬 수 있는 특징을 갖는다. 이러한 성질을 이용해 점을 비롯하여 검버섯, 쥐젖, 한관종 같은 양성 종양, 사마귀 등의 치료에 쓰이는 등 의료용 레이저로서 중요한 역할을 한다.
최근에는 스캐너를 장착하거나 초단파(super-pulse)/극초단파(ultra-pulse) 모드 등을 이용해 주위조직으로의 손상을 더 적어지게 함으로써 레이저 박피술이 가능해져 주름제거, 여드름 흉터 및 기타 흉터 제거, 수두자국 제거 등에 사용하기도 한다.
▶ 일산화탄소(CO) 레이저
탄산 레이저와 비슷한 레이저로는 일산화탄소(CO) 레이저가 있으며 이 레이저의 발진 파장은 4.97~8.26μm이고 탄산 레이저와 마찬가지로 여러 파장이 적외선 영역에서 나오므로 시분해 적외선 분광학을 이용한 반응 동력학 연구에 널리 쓰이고 있다.
▶ 질소(N2) 레이저
질소 레이저는 대부분의 경우 질소를 작용기체로 사용하는데 전기 방전 과정에서 질소가 전자와 충돌하여 들뜬 진동 상태로 된다. 들뜬 진동 준위는 질소의 비대칭 신축방식 에너지준위의 간격과 일치하며 충돌에 의해서 질소가 에너지를 얻게 된다.
질소 레이저는 유도방출을 유도하는 자극전이 자외선 영역 337nm의 효율이 커서 복사선의 펄스를 한번만 통과시켜 줘도 레이저 복사선이 나올 수 있어 레이저 미러가 필요하지 않다. 이러한 레이저는 초복사 방식을 갖는다고 표현한다.
질소 레이저의 발진이 일어나는 높은 에너지 준위의 수명이 40ns이며 이것은 낮은 에너지 상태보다 훨씬 짧으므로 반전 분포가 유지될 수 없게 된다.
또한 질소 레이저는 자동적으로 펄스 형태로 작동하여 펄스폭은 약 10ns 또는 그 이하이며 발진파장은 337.1nm이다. 펄스 반복율은 1~200Hz 정도이며 자외선에서 높은 출력을 내기 때문에 광화학 반응에 많이 쓰이며 색소 레이저를 여과시키는데 널리 쓰이고 있다.
▶ 화학 레이저
화학 레이저는 반전 분포가 발열 화학반응이나 다른 화학적 방법에 의하여 직접 생성된다. 화학 레이저는 현재 전략 방어 계획의 하나인 별들의 전쟁에서 강력한 세기의 복사선원으로 고려 대상이 되고 있다.
화학 레이저 중 하나는 HCl 레이저인데 이 레이저는 아래의 반응식과 같이 수소와 염소기체의 화학반응에 의해서 작동된다.
CCl2 + hvp → 2Cl + c
Cl + H2 → HCl + H
H + Cl2 → HCl + Cl
여기서 hvp 는 플래시 램프에 의해서 생기는 여과 자외광이다.
공진기의 길이는 1m까지 만들 수 있으며 레이저광의 크기는 2~3nm 직경 정도이다.
HF 레이저는 2.6~3.0μm 사이에 여러가지 파장을 내며 DF인 경우는 동위원소 효과 때문에 3.6~4.0μm 사이에서 발진한다. 연속 발진출력은 수 W에서 150W 정도이다.
화학 레이저의 다른 예는 일산화질소, 불소, 중수소와 탄산 기체를 이용하는 것이다.
NO + F2 → ONF + F
F + D2 → DF≠ + D
DF≠ + CO2 → DF + CO2≠
이 반응은 궁극적으로 탄산 분자에 충돌에 의한 진동 에너지의 전달이며 이로 인해 탄산 레이저와 마찬가지로 레이저 발진이 이루어진다.
▶ 요오드 레이저
요오드(I2) 레이저를 분류하면 iodohydrocarbon 이나 iodofluorocarbon 기체의 광분해에 의한 원자 요소 광분해 레이저라고 할 수 있다.
요오드 레이저가 발진되는 반응과정은 다음 식과 같다.
C3F7I + hvp → C3F7 +I*
I* → I + hvL
C3F7 + I + M → C3F7I + M
여기서 hvp 는 플래시 램프에 의한 여과광이며, hvL 은 레이저 발진을 나타낸다.
요오드 레이저의 가장 큰 장점은 활성매질이 저가이므로 많은 양을 쉽게 구할 수 있다. 요오드 레이저 ms 정도의 펄스폭과 수 J의 에너지를 갖는다. 그러나 Q-switching이나 mode-locking 방법을 이용하면 ns나 그 이하의 펄스를 생성할 수 있다.
엑시머 레이저의 가장 큰 특징은 전자적으로 들뜬 여과상태에서 위치에너지가 최소 상태인 결합상태에 있고 기저상태에서는 위치에너지가 최소가 아니거나 아주 낮은 에너지 상태이다.
엑시머 레이저는 조금 색다른 방법으로 레이저 작용에 필요한 알맹이 수반전을 일으킨다.
이 경우에는 낮은 상태가 실제로 존재하지 않으며 엑시머가 생성될 때 나타나게 된다.
엑시머는 두 원자가 결합된 것으로 들뜬 상태에서만 존재할 수 있고 들뜬 에너지를 잃으면 곧 분해된다. 엑시머 레이저의 한 가지는 제논, 염소 및 네온의 혼합물이다.
이 혼합물을 통해서 전기방전을 시키면 들뜬 염소 원자가 생기고 이것이 제논 원자에 부착되어 XeCl 엑시머를 만든다. 이 엑시머는 약 10ns 동안 존속하며 이 시간 동안에 레이저 작용을 일으켜서 자외선영역인 308nm의 빛을 내놓는다.
엑시머는 불활성 기체와 할로겐 이온들 사이의 화학반응에 의해서 생성되며 KrF 레이저에서는 엑시머가 아래와 같은 연쇄반응에 의해 생성된다.
Kr + e → Kr+ + 2e
F2 + e → F- + F
F- + Kr+ + He → KrF* + He
엑시머 레이저는 펄스폭이 10~20ns이며 펄스 반복율이 1~500Hz 범위에서 에너지가 강한 펄스를 생성한다. 펄스당 에너지는 1J로 첨두 출력이 mW 범위이고 평균출력은 20~100W 정도이다.
엑시머 레이저는 자외선에서 강한 빛을 내므로 광화학 반응을 연구하는데 매우 유용한 도구가 되고 있다.
색소 레이저
색소 레이저는 활성 매질이 색소 용액이며 가시광선에서 갈한 흡수와 형광을 이용하여 레이저를 발진시키는 것으로 색소의 종류는 200가지 이상의 쓰이고 있다.
색소레이저에서 계간 전환은 들뜬 전자의 스핀이 반대방향으로 되고 분자의 다중도가 변환 되는 과정을 뜻한다. 내부 전환은 분자가 복사선을 방출하지 않고 보다 낮은 에너지의 전자상태로 되돌아가는 분자 내부에서 일어나는 과정으로 계간 전환과 같다. 이러한 전이들이 일어날 확률은 두 개의 진동 준위상태가 겹칠 때 높아진다. 단일-삼중항 상태의 전이가 좋은 보기이며 이 경우 가장 낮은 단일 진동상태가 보다 높은 삼중 진동상태와 겹치고 스핀 상태의 변화가 일어날 확률이 더 켜지며 무거운 원소를 포함하는 분자에서 일반적으로 잘 나타난다.
색소레이저의 특성은 형광이 넓은 파장영역에서 나오므로 단색성을 만들기 위해 etalon 또는 복굴절 필터 등을 사용하는데 이러한 광학계를 조절하여 다른 파장에서도 작동시킬 수 있으므로 파장을 연속적으로 바꾸는 레이저를 구성케 된다.
색소 레이저의 효율은 대개 5%정도이며 출력은 여과시키는 광원의 출력에 비례하게 된다.
연속파 색소 레이저는 여과광원을 아르곤이나 크립톤 레이저를 사용하며 펄스로 작동할 경우에는 질소, 엑시머, 구리증기, 펄스형 고체레이저 등을 사용한다.
연속파 색소 레이저인 경우 선폭 10~20GHz이나 적절한 광학계를 사용하면 GHz 미만으로 줄일 수 있다. 따라서 단색화 장치에서 나온 단색성은 열적 노이즈를 줄이기 위해 수냉식과 직류 전원 공급장치를 이용하여 영하의 온도를 유지시켜 고분해능의 형광 스펙트럼을 얻을 수 있기 때문에 색소 레이저는 레이저 분광학을 연구하는데 널리 사용되며 우라늄 등 동위원소의 분리에도 이용되고 있다.
색소 레이저의 단점은 기체 레이저에 비해서 출력이 불안정하다는 점이다. 선폭을 더욱 줄이기 위해서는 공진기의 구성을 고리처럼 만든 고리형 색소 레이저를 사용하는데 이 경우 선폭을 4×10-6cm-1정도까지 줄일 수 있다.
넓은 스펙트럼 특성을 갖는 색소 레이저를 이용하면 이러한 동조문제를 극복할 수 있으며 통상적으로 사용되는 색소는 Rhodamine 6G의 에탄올 용액이다.
이득이 대단히 높기 때문에 색소를 통과하는 광학적 경로의 길이가 짧아도 된다.
※ 피부의 치료에 레이저를 이용하는 이유
피부 치료에 빛을 이용하는 이유는 무엇일까?
레이저 즉 빛을 물질이 흡수하면 열이 생기게 된다. 아주 강한 빛을 쏘이면 열도 더 많이 올라가 그 물질을 파괴시킬 수 있다.
하지만 문제는 물질의 빛에 따라 흡수하는 빛의 성질이 달라진다는 데에 있다. 피부의 색조에 문제를 일으키는 것들은 피부 안쪽에 얼룩덜룩하게 만드는 색소가 표피의 아랫쪽에 붉게 늘어나는 혈관보다 아래쪽인 진피쪽에 있다.
일반적인 화장품이나 피부관리에 사용되는 제품들은 모두 피부의 바깥쪽에 영향을 주면서 피부의 표면을 부드럽게 만드는 데는 효과가 있지만 그 안의 색소나 혈관, 진피 등에 영향을 줄 수는 없다.
피부의 안쪽에 있는 혈관이 밖에 비쳐 보이는 것에서 알 수 있듯이 피부 자체는 반투명이어서 빛이 안쪽에도 들어갈 수 있다.
결국 색이 달라 보이는 피부질환들은 이들 병변의 색에 잘 흡수되는 성질의 레이저 빛을 이용하면 선택적으로 원하는 조직을 파괴할 수 있기 때문에 여러 피부질환의 치료에 레이저 빛이 이용되는 것이다.
