레이저포인터/광학적 이해

< 레이저포인터

레이저포인터에 대한 광학적인 설명을 설명하는 문서.

1 개요

레이저포인터도 엄연히 빛을 이용하는 도구이므로 광학적인 특성을 지니는것은 지극히 당연한 일. 이 문서는 레이저포인터의 각종 광학적 특성만을 별도로 설명합니다.

레이저포인터의 레이저 빛 색상도 광학적 특성에 해당되나, 레이저포인터의 레이저 빛 색상이 한두가지만 존재하는게 아니므로 이 문서에서는 간단한 색상 소개만 하며, 상세한 내용은 레이저포인터/불빛 색상 문서에서 별도로 다루도록 합니다.

2 레이저포인터의 출력(세기)

레이저포인터에서는 출력의 단위로 미리 와트,mW 라는 단위를 이용한다. 반도체 레이저 특성상 투입 전류 대비 광 에너지 출력을 전기적인 mW로 표기한다.

주의할 것은 같은 소비전력이라면 기타 광원과 레이저 다이오드의 밝기를 비교하는건 사실상 의미가 없다는 것.
이유는 기타 광원들은 들어가는 전기적 에너지 대비 나오는 빛의 세기로 효율을 논하지만, 반도체 레이저 소자인 레이저 다이오드는 단순히 나오는 빛의 전기적 출력인 mW로만 가지고 출력 세기를 따지기 때문에 사실상 얼마나 많이쳐묵쳐묵 에너지를 소비할지는 미지수이다.

가령 LED는 10W의 전기에너지 소비에서 1200Lm의 빛 출력이 나온다고 친다면, 이 LED의 효율은 W 당 120Lm이 된다.
하지만 레이저다이오드는 대부분 출력되는 레이저의 세기를 기준으로 표기하므로 실제로 얼마만큼의 전기 에너지를 소비하는지는 알 길이 없다. [1]

3 레이저포인터의 레이저 불빛 색상

레이저포인터의 불빛 색상이 서로 다른 이유는, 빛의 파장이 서로 다르기 때문이다. 레이저포인터의 불빛 색상은 나노미터(nm) 단위로 표기하는데,이 나노미터단위의 빛의 파장이 어떻게 다른가에 따라서 레이저포인터의 레이저 불빛 색상이 달라지게 된다.

LED와 마찬가지로 레이저포인터 역시 빨강 초록 파랑의 빛의 3원색이 존재하며, 이 레이저 불빛을 같은 출력으로 혼합하게 되면 하얀색 레이저 빛이 나오게 된다.
(이 레이저포인터는 빔 스플릿터를 이용하여 레이저 불빛을 혼합하는 장치가 내장되어 있다고 한다. 그로인해서 레이저포인터 안에서 RGB 색상을 자유롭게 혼합할 수 있다고...)

레이저포인터 안에서 레이저 빔 색상을 혼합하기 위해서는 예상외로 대단히 내부 구조가 복잡해진다. 이는 레이저 빔은 직진성 빛이다보니 앞에있는 물체에 가려지면 빛이 주변으로 새나갈 방법이 없다보니 그런 것.[2]
그렇기에 레이저포인터 안에서 레이저 빔 색상을 혼합하여 내보내는 구조의 레이저포인터들은 복잡한 기계구조로인해 가격이 매우 비싸며,크기가 커지는것은 필연적일수밖에 없다.

그 외에도 금색,보라색,하늘색,녹차색 등의 수많은 색상의 레이저 불빛을 발생시키는 레이저포인터가 존재한다. 자세한건 레이저포인터/불빛 색상 문서를 참고.

4 레이저포인터의 레이저 빔

레이저 빔이 방사되어 나가는 빛의 줄기를 레이저 빔 이라고 하는데, 이때 이 레이저 빔이 눈에 보이는것을 보통 빔 라인 이라고 한다. 빔 라인은 대기중의 먼지에 의한 레이저 빛의 산란으로 형성되며, 당연히 우리 눈에 레이저 빔이 나가는것이 보이므로 카메라로 찍어도 빔 라인이 눈에 보이는것처럼 드러나게 된다. [3]

빔라인이 보이는 빨간색 레이저 . 사진을 자세히 보면 같은 빨간색이라도 색상 차이가 좀 나는것을 알 수 있는데, 하나는 장미색 빨강이고 나머지 하나는 핑크색 빨강색.

빔라인 외에도 여러가지 패턴 렌즈를 집광렌즈부에 삽입하게되면 여러가지 패턴을 표현할 수도 있다. 문방구에서 파는 레이저포인터 중에 나비,상자,꽃,별 등의 문양이 나오는 레이저포인터와 같은 원리. 문방구산 레이저포인터 중 앞부분 헤드파츠 교체만으로 이러한 패턴을 발생시키는 레이저포인터는 헤드파츠가 아예 패턴 렌즈로 구성된 레이저포인터이다. 이러한 패턴 렌즈를 잘 이용하면 아름다운 레이저 빔을 만들수도 있다.

공사현장,자전거의 폭 표시용으로 흔히 이용되는라인레이저 역시 마찬가지. 패턴렌즈를 이용한 것이다.

5 빔 라인의 형성 조건

레이저포인터의 빔 라인은 레이저 빛이 공기중의 먼지 입자들에 의해 산란되어 나타나는 것. [4] 즉 이말은 빔라인을 선명하게 보이게 하기 위해서는 연기를 피운다거나, 기상 여건이 잘 따라줄 때 레이저 빔을 쏘게되면 진하고 선명한 빔라인을 볼 수 있다는 의미이다. 바로 이렇게...

이외에도 빔 라인의 형성 조건에는 몇가지 변수가 존재하는데, 레이저포인터의 빔 색상, 레이저포인터의 출력, 레이저포인터의 광점 사이즈(레이저 빛이 모여서 Dot를 형성히는 크기),눈의 암적응(암순응) 여부 에 따른 영향을 모두 받게된다.

5.1 빔라인이 잘 보이는 색상

기본적으로 레이저 빔이 초록색일수록 잘 보이며(우리 눈이 초록색에 유난히 민감하게 반응하기 때문.) 초록색에서 멀어질수록(자외선,적외선 쪽) 우리 눈에는 빔라인이 잘 안보이게 된다.
심지어 자외선이나 적외선 계열은 빔라인의 채도 차이가 거의 수백대 1 수준까지 떨어져버리는 경우도 아주 많다.

[1] 레이저포인터 빔 색상에 따른 눈의 민감도. 그래프가 차지하는 면적이 넓으면 넓을수록 아주 작은 출력으로도 빔라인을 형성할 수 있다. 반대로 그래프가 차지하는 면적이 좁을수록 빔라인 형성에 필요한 출력은 기하급수적으로 증가하게 된다.오오 대서양만큼 넓고 아름다운 초록색 그래프의 면적

5.2 집광된 광점(Dot) 의 크기

광점 크기가 너무 넓다면 빛이 조사되는 면적이 너무 넓게 퍼져버리므로 어느정도 작게 집광되어 Dot를 형성한 레이저 빔이여야 빔라인을 보기가 수월하다. 보통 빔라인이 잘 보이는 광점의 사이즈는 직경 1mm~3mm가량 된다.
기성품 레이저포인터의 대부분은 1mm. 반면 자작 레이저포인터의 대부분은 2~3mm수준. 차이가 좀 나지만 빔라인을 보는것에는 큰 영향을 주지 않는다. 육안으로 같은 출력 대비 빔라인 채도를 비교해봐도 구분이 힘들정도. 사실상 차이가 없다고 봐도 무방.

5.3 충분한 출력

또한 빔 라인이 보이기 위해서는 레이저포인터의 출력이 충분히 높을 필요성이 있다. 빔라인이 보이기위한 최소한의 출력은 각 색상별로 다 다르며, 보통은 빨간색 계열은 80mw정도, 초록색은 5~10mw, 보라색은 200mw, 파랑색은 100mw, 노랑색은 30mw 정도의 최소 출력이 되어주어야 빔라인이 눈에 보이기 시작한다고 알려져 있다. [5]

빔 라인의 형성 조건 중에서 가장 필수적이며, 레이저포인터 취미생활에 있어서 이 과정이 없다면 이 취미는 의미가 없다고 봐도 될정도로 아주 중요한 것.(천문 관측과도 비슷하다.)

5.4 암적응(암순응) 여부

암적응 전과 후의 빔라인 채도 차이는 수~수십배에 달할 정도이다.
암적응은 우리 눈이 밝은곳에 있다가 어두운곳에 가게되면 잠깐동안 안보이지만 약 30분가량 그곳에 적응히게되면 어두운 곳에서도 아주 미세한 빛마저 감지할 정도로 어둠에 적합하게 적응하는 생리적 현상.

별자리를 관측하는 천문에서는 암순응을 필수 요소로 보고있다.
레이저포인터 역시 마찬가지로, 암순응 전에는 수백mW급의 레이저 출력이 요구되지만, 암순응 후에는 겨우 수mw급으로도 선명한 빔라인이 보이는 경우가 자주 있다.

암적응 전의 밝은 집안과 같은 환경에서 빔라인을 보기위해서는 녹색 레이저 100mw급이 필요하지만, 암적응 상태라면 5mw급 녹색 레이저를 가지고도 아주 선명하고 진한 초록 불기둥을 볼 수 있다.

바로 이러한 이유로 인해서 버닝 레이저포인터로는 별자리 지시용으로 쓸 수 없다는 것. 밝은 레이저 빛 = 암순응된 눈의 암순응을 풀어버림 = 어두운 별은 보이지 않게 됨. 이 악순환 과정을 반복하게된다. (다시한번 강조하지만 별지시기랍시고 과도한 출력의 레이저포인터를 이용하는 전 우주급 클래스의 민폐를 저지르지 말자. 후폭풍 감당하고 엄청난 까임을 감당 가능하다면 몰라도...)

예외적으로 보라색,파랑색,갈색 계열의 레이저포인터는 빔라인이.이주 안보이기때문에 별지시용 레이저포인터로 이용하기 위해서는 수백mW~1000mW 급 출력이 요구된다. 이러한 경우에는 아주 예외적으로 버닝레이저와 별지시기 역할을 동시에 수행하는 레이저포인터가 될 수 있다.
[2] 본격 이정도 빔라인 밝기가 800mW 급 보라색. 보통 제작자들의 말을 들어보자면 초록색 레이저 5mW 급이 보라색 레이저 200~300mW 급에 해당하는 환산치라고 한다.
(아래의 버닝 항목에서 상세히 다루겠지만, 보통 80mW수준이면 버닝 성능이 형성된다. 그런데 800mW 급이면...)

6 버닝

레이저포인터에서 발생된 레이저 빛을 이용하여 물체를 태우거나 파괴하는 능력. 이러한 능력을 이용하여 모기나 파리,바퀴벌레 따위의 해충을 요격하는 방법으로 레이저포인터를 이용하는 방법도 존재한다.
레이저포인터 취미를 가진 사람들이 잠자리 머리맡에 레이저포인터를 두는 이유가 다 이때문이라고 카더라
그러다 자다 실수로 작동시켰는데 눈쪽에 겨냥되어 있었다면?

보통 레이저포인터가 80mW급 출력부터 버닝 성능이 발휘되기 시작하여 풍선 팝, 성냥태우기 정도가 가능하다. 하지만 버닝 성능은 레이저포인터의 출력에 의해 가장 크게 좌우되지만, 단순 출력 외에도 빔라인 항목처럼 여러가지 변수에 의해 크게 좌우되는것이 레이저포인터의 버닝 능력이다.(이처럼 우리가 생각하는것만큼 레이저포인터라는 물건이 간단한 물건이 아니다...)

레이저포인터라는 물건 특성을 정확히 이해하지 못한 레이저포인터 초급자들은 고출력 레이저포인터는 무조건 버닝 성능이 뛰어나다고 착각하기 쉬우나... 현실은 전혀 그렇지 않다...

6.1 버닝이 잘 되기위한 조건들

버닝은 순수 레이저포인터의 광 에너지로 물체를 파괴하는 것이므로 출력과 함께 광점 사이즈가 아주 중요한 요소로 작용한다.
또한 빛의 에너지 세기는 파장이 낮을수록 더 증가되므로 405nm쪽의 자외선 레이저에 가까울수록 버닝 능력도 그만큼 증가된다.

즉,본격적으로 버닝 성능을 내고싶다면 초록색 레이저포인터보다는 파랑이나 보라색 레이저포인터를 구입하는것이 더 좋은 선택.

보통 공장에서 조립되는 레이저포인터는 광점이 1mm 가량 되지만, 공장제라고 해도 출력이 수천mW에 해당하는 본격적인 버닝 레이저들은 광점 사이즈가 2~3mm수준이다.
하지만 1mm광점의 경우 싱글모드 혹은 DPSS방식에서나 가능한 광점 사이즈인데, 출력이 높은 레이저를 레이저포인터로 제작시 이렇게 작은 광점 사이즈를 만들어내는것은 사실상 불가능하다. [6]

이말은 즉, 1mm광점에 비해 2~3mm 광점을 갖는 레이저포인터가 버닝 능력은 더 떨어진다는 의미이지만 걱정할 필요는 전혀 없다.
1mm광점으로 만들어낼수있는 한계는 최대 1000mW 가량 되는데, 이정도 출력의 1mm광점을 갖는 레이저포인터[7]는 백만원도 더 넘어가는 가격이므로[8]차라리 3000mW급의 파란색계통 레이저포인터를 사는게 더 이득일 뿐만 아니라, 사실상 파랑색이 2~3mm광점이라고 해도 1000mW만 되도 버닝 능력은 당신의 상상을 초월할 정도로 아주 잘 태운다.

또한 내가 태우고자 하는 대상물의 색상도 매우 중요한데, 광 에너지와 열 흡수가 빠른 검은색 물체일수록 태우기가 더 수월해진다.
당연하겠지만 레이저 빛의 에너지를 물체에 쏘게되면 물체의 온도가 올라가서 타는 것이므로... Burn 이라는게 어떤 의미인지 따져보자면 더 이해가 쉬울것이다.

그 반대로 흰색 물체라면 거꾸로 더 안탄다는 의미.

그 외에 인화성 물질이라던가,습기가 거의 없이 바짝 마른 물체일수록 바닝 성능은 극대화된다.

그러니깐 흰색 A4용지 지지면서 내 버닝레이저가 고장났어요 ㅜㅜ 이러기 전에 다른 물체를 먼저 태워보라. 충분히 잘 탈것이다.아 물론 고장이 안 났다면 말이지...

여담으로 당신이 레이저포인터 취미인이면서 돈이 철철 넘쳐 흐르는 버닝레이저 덕후라면 레이저 어레이 바 라는것을 구입해서 DIY 라스캐논레이저포인터를 만들어보기 바란다. 수백와트의 레이저 출력으로 금속도 달구고, 벽돌에 구멍도 뚫고(벽돌이 열로 증발해버려서 그부분에 구멍이 뚫린다)ICBM도 격추하고, UFO도 떨어트리며 행성을 파괴시키는 본격 울트라파워 버닝레이저포인터를 제작 가능할 것이다. [9]
  1. ↑ 물론 데이터쉬트에는 이것이 표기되어 있다. 하지만 이 반도체 레이저 부품으로 조명(가령 손전등이라던가...) 을 만들 생각은 애시당초 접어두는게 좋다. LED에 비하면 효율이 똥망 아주아주 낮기 때문. 차라리 LED나 기타 광원을 이용하는것이 레이저다이오드를 이용하여 조명을 만드는것보다 백배 천배 만배는 더 밝고 전기를 적게 잡아먹는다.
  2. ↑ 빔 스플릿터라는 특수한 거울을 이용하여 색을 혼합한다.빔 스플릿터라는 거울은 스플릿터가 반사시키는 색상의 레이저와 스플릿터가 통과시키는 색상의 레이저가 있는데 이를 이용해 스플릿터를 비스듬히 배치,스플릿터의 뒤에 통과시키는 빔을,90도 직각면에서 반사시키는 레이저 빔을 각각 쏘게되면 뒤에있는 빔은 스플릿터를 통과, 90도로 입사된 빛은 90도로 꺾이게 되면서(입사각 반사각 동일의 원리.) 두 레이저 빔 색상이 섞이게 된다. 대표적으로 DVD Combo에 사용. CD를 읽기위한 적외선과,DVD를 읽기위한 빨간색을 빔 스플릿터를 이용해 좁은 구역에 효율적으로 배치가 가능. 위에서 소개한 하얀색 레이저 빛을 발생시키는 레이저포인터 역시 이러한 빔 스플릿터 장치를 아주 작은 레이저포인터 내부 구조 안에 우겨넣어 제작한 것.
  3. ↑ 일부 색상은 자외선,적외선으로 인식하여 카메라 기종별로 색상을 못잡아내는 경우가 있는데, 대표적으로 보라색과 파란색 계열의 레이저포인터. 이러한 레이저포인터의 빔 라인을 사진으로 찍게되면 카메라는 보라색이나 파란색이 아닌 하늘색,파란색,군청색 등의 이상한 색상으로 찍히는 경우가 있다. 뿐만아니라 눈에 보이는것보다 과장되거나 축소되어 촬영되는것도 다반사. 보통은 레이저 빔라인 밝기가 육안 밝기보다 어둡게 찍히는 경우가 많다.
  4. ↑ 그렇다보니 안개낀날 혹은 비온 뒤, 강이나 호수의 물안개 속에서의 빔라인이 훨씬 더 선명하게 보이는것은 당연한 것. 반대로 하늘이 맑고 투명한 겨울철에는 빔라인이 상대적으로 더 어둡고 잘 안보이게 된다.
  5. ↑ 인종별,개인별 차이가 있다. 이 문서에서는 최소출력을 조금 높게 표기하였는데 그 이유가 이러한 인종차,개인차로 인한 문제 때문.
  6. ↑ 물론 아예 불가능한건 아니다. 여러겹의 렌즈를 이용하여 광점을 타이트하게 조여서 집광시키면 되지만, 이렇게되면 버닝레이저로써 의미가 줄어들게 된다. 렌즈도 엄연히 빛에대한 저항 성분이므로 제아무리 최고급 코팅 렌즈를 이용해도 레이저 빛 투과율이 99.99%가 나온다는건 있을수 없는 일이다. 보통은 최고급 코팅렌즈가 80%가량의 투과율이라고 한다.
  7. ↑ DPSS방식의 대명사급인 녹색 레이저. DPSS방식이므로 빔의 광점을 아주 타이트하게 조이는것이 가능하다.
  8. ↑ 중국산 레이저포인터는 표기로는 수천,수만 mW라고 싸둔것들이 수두룩빡빡한데 실제 그정도가 나올것이라고 믿으면 본격 호갱님 어서오세요.
  9. ↑ 대신 휴대성은 포기해야한다. 이러한 레이저 어레이 바는 수십암페어의 아주무식한 높은 전력을 소비하며, 발열도 매우 심한데다가,일반적인 싸구려 렌즈를 통한 집광시 렌즈마저 녹아버리는(...) 경우가 발생한다. 상황이 이렇다보니 전기에너지 공급을 위해 별도의 파워 서플라이 장치와 거대한 방열판(아예 어레이 바에 커다란 나사구멍이 야러개 뚫려있는데, 그 용도가 방열판에 단단히 확실하게 고정하기 위한 용도...) 을 이용하여 하나의 스테이션처럼 레이저장비를 구성하거나 혹은 레이저포인터 자체를 핸드핼드형이나 핸드 케논 형태로(...) 제작하기도 한다. 집광역시 렌즈로는 불가능하기에 광섬유를 이용하여 빛을 작은 점으로 모아서 특수한 고투과 렌즈를 이용하여 집광하게 된다.