레이저 (laser)

헬륨-네온(He-Ne) 레이저

과학기술

개념

정의

들뜬상태에 있는 물질은 복사의 유도방출을 할 수 있는 성질을 이용하여 빛(전자파)을 발생하는 광원장치. 물리용어.

내용

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자를 모아서 laser라 쓴다.

발진파장 범위는 0.1㎛∼1㎜에 이르는 것으로 알려져 있으나 실용 범위는 0.2㎛∼500㎛ 이다. 밀리파(milli波)보다 긴 파장은 메이저(maser)로 구분하는데 레이저의 이전에 발견되었고 동일한 기본원리를 갖는다.

레이저 기초이론이 되는 유도방출 현상의 연구는 1916년의 아인슈타인(Einstein, A.) 논문에서 비롯된다. 그는 물질로부터 빛의 방출은 자연방출과 유도방출로 이루어지고, 유도방출은 높은 에너지 상태의 원자들이 입사광의 자극을 받고 입사광과 동일한 파장의 빛을 방출하면서 낮은 에너지 상태로 천이하는 과정이라고 정의하였다. 이의 역과정으로서 유도흡수는 낮은 상태에서 입사광을 흡수하고 높은 상태로 천이하는 과정이라고 하였다.

그런데 열평형상태의 물질은 낮은 에너지 상태의 원자수가 높은 상태의 것보다 많은 관계로 입사광은 유도흡수에만 기여하고 유도방출은 실현되지 않는다.

만약 역의 상태에 있으면 높은 상태는 어느 것보다 많은 원자수 분포를 가지고 부의 흡수를 실현함으로 입사광은 유도방출에 기여할 수 있다는 주장을 1924년에 톨맨(Tolman, R. C.)은 발표하였다. 그 이후 이것을 실증하려는 실험을 1930∼40년대에 걸쳐 많은 과학자들이 시도하였으나 성공하지 못하였다.

1951년에 이르러 퍼셀(Purcell, E. M.)과 파운드(Pound, R.V.)는 전파분광의 원리를 기초로, 핵자기공명의 자장을 급속히 변화시켜서 과도적으로 높은 에너지 상태의 원자수를 낮은 상태의 것보다 많게 하는 반전분포를 달성하고 라디오파의 유도방출 펄스를 관측하였다. 이 때의 유도방출 펄스는 매우 적어서 정미의 증폭은 실현되지 못하였다.

그러나 반전분포를 달성할 수 있는 물질을 공동공진기(도파관)에 넣을 때 마이크로파를 증폭할 수 있다는 가능성이 제시되었다. 이것을 실증하려는 실험은 1951∼53년에 걸쳐 세 그룹이 집중적으로 진행하였다.

메릴랜드(Maryland) 대학의 웨버(Weber, J.)와 컬럼비아(Columbia) 대학의 타운스(Townes, C. H.), 레베데프(Lebedev) 연구소의 바조프(Basov, N. G.)와 파크호로프(Parkhorov, A. M.)는 각각 독자적인 구상으로 연구를 진행하였다.

최초로 실험에 성공한 것은 타운스 그룹이며, 1954년에 고전압의 불균일 전기장을 통과한 암모니아 분자 빔을 공동공진기에 넣음으로써 파장 1.25㎝의 마이크로파를 발진시켰다.

또한 동일한 장치를 사용하여 마이크로파의 증폭을 실현하고, 1955년 3월에 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머릿글자를 모아서 maser로 작명하였다. maser 작명의 이전까지는 분자발진기 또는 분자증폭기라고 불렀다.

maser는 밀리파보다 짧은 파장의 발진은 제한된다는 것이 알려지면서 1958년에 타운스와 샬로우(Schawlow, A.L.)는 기체원자 또는 상자성 결정을 페브리·페로트 공진기에 넣고 강력한 빛으로 펌핑할 때 적외 또는 가시광을 발진할 수 있다는 제안을 하였다. 이것은 레이저 실현의 가능성을 매우 구체적으로 서술한 결과가 되어 많은 연구자들이 흥미를 가졌다.

최초의 레이저 발전 실험에 성공한 것은 휴스(Hughes) 연구실험실의 메이맨(Maiman, T. H.)이다. 그는 1959년에 액체질소온도에서 잘 동작되는 루비 메이저 증폭기의 실험을 하였으며, 후에 타운스 등의 광펌핑 메이저 발진에 흥미를 가지고 이것을 루비결정에 적용하였다.

1960년 6월에 694 ㎚의 적색광펄스를 발진시켰다. 이 실험의 결과 레이저광은 강력한 지향성과 높은 에너지 밀도를 가지는 것이 실증되었다. 루비레이저의 발견에 이어 1970년대 중반까지 기체, 고체 및 반도체, 액체를 사용하는 많은 종류의 레이저가 발견되었다.

이와 같은 레이저 발달의 배경에는 레이저의 새로운 이론과 기술개발, 그리고 이것을 토론하는 국제학술회의가 있었다. 1959년에 설립된 IQEC(International Quantum Electronics Conference)는 격년 또는 매년 개최하고 있고 주로 구미지역을 순회한다.

또한, 1967년에 설립된 CLEA(Conference on Laser Engineering and Application)는 IQEC보다 좀 더 응용분야를 포함하기 위하여 1981년에 CLEO (Conference on Lasers and Electro·Optics)로 개칭하고, 미국의 서부와 동부를 교차하여 매년 개최하고 있다.

그 외에 많은 국제학술회의가 설립되었고, 각각의 목적에 부합되는 활동으로 레이저 발전의 가교 역할을 다하고 있다.

레이저의 기본구조는 레이저매질, 펌핑, 광 공진기로 구성된다. 들뜬상태의 에너지 준위(準位)들 중에서 반전분포를 이루는 두 준위간의 차 에너지와 입사광을 공명시키면, 상준위 원자들은 하준위에 천이되고 차 에너지는 입사된 빛에 이승되어 유도방출을 한다.

이의 결과로 유도 방출되는 빛은 입사광의 주파수 및 위상과 동일하고 세기만 증폭된다. 광 공진기 안에서 증폭된 빛을 거듭 왕복시키면 빛은 자연발진을 하고 레이저광이 된다. 레이저매질은 증폭 가능한 주파수범위가 있어서 복수의 모드를 동시에 발진한다.

반전분포의 달성 방법으로 대표적인 것은 고체 및 액체 레이저에 사용하는 광 펌핑방법이 있다. 레이저매질을 강력한 램프 또는 레이저광으로 펌핑하면 기저준위 ①의 원자들은 입사광을 흡수하고 최상위의 준위 ③까지 들뜨고, 다음 짧은 시간 내 비복사 천이에 의해 그 아래 준위 ②로 떨어진다.

반전분포는 준위 ②와 기저준위 ①간에 달성되므로 이것을 3준위 레이저라 한다. 만약 기저준위 ①의 상위에 ①'가 추가되는 경우 반전분포는 준위 ②와 준위 ①'간에 달성되므로 이것을 4준위 레이저라 한다.

기체레이저의 경우 희석된 기체를 방전하에서 비열평형상태로 바꾸면 전리된 전자는 원자와 충돌하여 이것을 들뜨게 한다. 이 때 두 개의 들뜬 준위간에는 반전분포가 실현된다.

반도체레이저는 일반적으로 주입 전류로 들뜨게 하는 레이저를 사용한다. 이것은 pn 접합의 순방향에 전압을 가하면 접합 영역에 주입된 전자와 정공은 재결합에 의해 빛은 증폭한다. 주입방법 이외에 전자빔을 쪼이거나, 화학반응을 이용하는 방법 등이 있다.

파장영역으로 분류하면 자외, 가시, 적외 및 원적외의 레이저로, 매질로 구분하면 기체, 고체, 액체, 반도체의 레이저로 분류된다.

기체레이저의 레이저 매질은 중성원자, 이온원자 그리고 엑시머를 포함하는 분자를 사용한다. 원자 또는 분자의 에너지 준위를 반전분포 상태로 만들기 위하여 방전, 전자빔 또는 빛을 펌핑에너지로 사용한다. 상용 기체레이저의 파장범위는 0.152∼1.217㎛, 출력은 수 mw∼수백 watt이다. 넓은 파장범위, 매질의 균일성, 활성매질의 낮은 밀도, 가간섭성 등의 우수한 특징을 가지고 있다.

고체레이저의 활성매질은 천이금속과 희토류의 이온을 균일성의 결정 또는 비결정(유리)에 도우핑한 유전체와 색중심을 포함하는 결정을 사용한다.

대표적인 것은 크로뮴 이온을 산화알루미늄 결정에 도우핑을 한 루비레이저, 네오디뮴 이온을 이트륨·아루미늄·가아넷 결정 또는 유리에 도우핑을 한 Nd·YAG 레이저 또는 Nd·glass 레이저 등이다.

중심파장은 루비레이저는 694㎚, Nd·YAG 레이저는 1.062㎛ 이다. 반전분포에 저장되는 에너지 밀도가 높고, 저축시간은 장시간인 관계로 Q 스위치 또는 모드 동기에 쉽게 적용되어 대출력, 고반복의 펄스동작에 적합한 특성이다.

액체레이저의 대표격인 색소레이저는 활성매질을 로다민 등의 색소분자를 유기용제에 녹여서 사용한다. 광펌핑을 하고 공진기 내에 파장선택소자를 넣어서 0.4∼0.9㎛중에서 임의의 파장을 연속적으로 선택할 수 있다.

고도의 파장제어기술로 가변파장을 실현하면 다양한 분광학분야, 또한 이득대역에 모드동기를 부가하여 sub ps 펄스열의 발생을 실현할 수 있다. 반도체 레이저의 재료는 Ⅲ·Ⅳ족 화합물과 Ⅳ·Ⅵ족 화합물의 반도체 결정을 사용한다.

파장범위는 전자의 경우 AlGaAs는 0.7∼0.9㎛, InGaAsP는 1.0∼1.7㎛, 후자의 경우 PbSnTe와 PbSnSe는 2.5∼3.2㎛ 이다. 가시∼근적 외의 넓은 영역과 상온에서 동작, 적은 용적 등의 특징 때문에 광통신용 및 광 정보처리용의 디바이스로서 매우 적합하다.

중요한 레이저 개발은 1960년대 초에서 1970년대 중반까지 이루어졌으나 응용은 매우 부진하여 1970년 초부터 일부 산업체가 실용화 가능성을 검토하기 시작하고, 1970년대 중반부터 부분적으로 재료가공과 거리측정 등의 생산공정에 응용하였다. 1980년대에서 1990년대 초반은 레이저 기술개발의 전성기를 이루어 각 산업분야에서 개발과 생산은 확대되었다.

특히 장거리 통신망의 광통신 방식 대체에 따른 반도체레이저와 광섬유의 개발, 가정용품의 레이저빔 응용에 따른 휴대용 광디스크, 레이저프린트, 바코드스캐너 등의 개발, 정부산하연구소로부터 산업체에 우라늄동위원소의 분리기술 이전 등은 전성기의 견인차 역할을 담당하였다.

1990년대 중반의 전 세계 레이저 판매액은 14억 미국 달러를 초과하는 규모이다. 이것은 레이저만의 판매액이고, 관련 부품의 판매액은 제외되어 있다. 현재 개발단계에 있는 것은 레이저핵융합의 실용화, 레이저의 환경 원격탐사, 디지털 컴퓨팅, X선레이저의 개발 등이다.

레이저의 활용은 기초과학 분야에서 매우 활발하였고 이 분야의 발전에 크게 기여하였다. 먼저 비선형광학의 탄생이다. 이것은 물질에 종전개념의 선형현상 이외에 새로이 비선형현상의 개념을 추가하였다.

따라서 물질의 새로운 특성, 기능의 개발과 각종 분광법이 개발되었다. 다음은 레이저를 사용하여 초고분해능 분광과 초고감도 분광을 가능하게 하였다. 즉 원자와 분자의 상태구조, 에너지 완화기구, 화학반응의 미크론적 기구의 조사 등이다.

레이저를 쪼여서 원자의 운동을 사실상 정지시키는 레이저 냉각은 정지원자에 의한 여러 가지 새로운 연구를 가능하게 한다. 초단시간 광펄스의 사용은 물리·화학·생물현상에서 초고속 시간변화를 파악하여 미시적 레벨에서 현상들이 해명된다.

초고분해능분광의 응용으로서 레이저 우라늄동위원소 분리와, 라만산란과 같은 레이저 광산란분광법이 보급되고 있다. 또한 레이저는 길이의 표준에, 중력가속도의 정밀측정, 상대론의 검증에 사용된다.

레이저는 산업과 민생 분야에서 응용은 매우 다양하다. 레이저광의 단색성과 지향성의 특성을 이용하여 거리·위치·변위·속도 등의 정밀측정에 이용된다.

측거에는 좁은 시간폭의 펄스광을 발사하고 되돌아오기까지의 시간을 측정하는 레이저 라이다(lidar)를 사용한다. 지구와 달 간의 정확한 거리, 인공위성을 이용한 지구형상의 정밀결정, 대륙간 거리의 정밀측정 등이 있다.

빛의 간섭특성을 이용하여 기계시스템의 미소변위, 미크론 이하의 입자지름, 지각변동 등의 측정에 이용한다. 조준용으로 터널의 굴착기준, 건물의 수직기준 등이 있다.

최근에는 레이저광을 대기중에 발사하고 각종 부유분자로부터 반사되는 후방산란광을 해석하여 이의 종류, 농도분포, 형상분포 등을 조사하는 라이다(레이저 라이다)가 보급되고 있다.

대출력레이저의 집광으로 에너지밀도를 증가, 초고온을 얻으면 이것을 가공, 절단, 용접, 첨공, 초LSI 미세가공, IC 마아킹 등에 이용한다. 표면처리로써 금속의 소둔과 기판 위의 증착 물질을 결정화하는 신물질창조 등이 있다. 의용(醫用)으로서 안과수술, 외과용 레이저메스, 혈액의 응고 등이 있다.

파동의 응용으로서 광통신은 빛의 넓은 전송주파수 대역으로 대용량 정보전송이 가능하다. 빛의 코헤런트 특성을 이용하는 홀로그래피는 대량 정보기록 방법이고 광범위하게 응용된다.

종전 사진기술은 빛의 세기만 기록하지만 홀로그래피는 물체파의 위상정보를 함께 기록하는 간섭무늬의 기록이다. 그 외 정보 기록장치로서 광디스크, 고속 레이저프린터, 인쇄기, 바코드스캐너 등을 열거할 수 있다.

우리나라에 레이저 연구환경이 구축되기 시작한 것은 1960년 초이며, 이것은 재외과학자의 귀국과 한국원자력연구소의 설립에서 비롯된다. 1960년대∼70년대에는 여러 연구기관 설립과 대학 연구시설의 확충, 정부 기초과학 진흥정책에 따라 연구소와 대학에는 레이저 관련의 연구그룹들이 형성되었다.

1970년 후반부터 이들은 많은 레이저 및 관련기술의 개발을 이룩하였다. 최초의 레이저 개발은 1967년 한국원자력연구소의 He·Ne 레이저이다. 1970년대∼80년대에 대학 및 연구소는 {{#311}} 레이저, 옥소레이저, 엑시머레이저, Nd:YAG 레이저, 그리고 광섬유의 제조 등, 산업계는 광섬유 제조, {{#311}} 레이저가공기 등을 개발하였다.

1990년대에는 광통신용의 다이오드레이저 및 광 디바이스, 반도체용 광리소그래피, 산업용 레이저가공기 등이 개발되었다. 대표적인 레이저 관련기술 수준을 선진국과 비교하면 {{#311}} 레이저의 저출력(1∼50W)은 선진국 수준, 레이저가공기는 레이저 발진기의 미개발로 수준 미달, 광통신 시스템은 2.5Gbps 시스템의 실용화로 85%수준, 반도체레이저 등 광소자는 2.5Gbps급 LD의 실용화로 75%수준, 광리소그래피는 256M DRAM을 개발하였으나 엑시머레이저의 미개발로 수준미달, 그 외에 박막기술, Active 및 Adaptive 광학기술, 광학결정기술 등은 개발의 초기단계에 있다.

참고문헌

『국내광기술동향 및 전문가분포현황조사』(과학기술정책관리연구소, 1998)

『시도』(레이저 핸드북, 조창서점, 1989)

The Laser Guidebook(Jeff Hecht, McGraw·Hill Co., 1992)

Masers and Lasers(M. Bertolotti, Adam Helger Ltd, 1983)

관련 미디어

• 
  헬륨-네온(He-Ne) 레이저

집필자

이주희