레이저

이 문서는 광학 장비인 Laser에 대하여 설명하고 있습니다. 다른 의미에 대해서는 레이저(동음이의어) 문서를 참조하십시오.

1 개요

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LASER. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 줄임말 또는 이를 이용해 만들어진 세기가 아주 강하고, 퍼지지 않고 멀리까지 전달되는 단색광.

죽여주는 레이저 캐논 프로토타입. 풍선학살 포함(...).

미 해군 레이저무기체계 (LaWS) PR Video

2 원리

결론부터 말하자면 빛을 한쪽 방향으로 진행시키는 기술이다. 알다시피 빛은 일반적으로 사방으로 퍼지는 성질을 가지고 있는데, 아주 가끔 빛이 자신과 동질의 빛과 부딪히면 둘이 죽이 잘 맞아 한쪽으로 날라간다. 즉, 레이저는 빛을 인위적으로 부딪히게 만들어 한쪽으로 날아가게 하는 기술이다.

원자들은 안정된 상태에 있다가 에너지를 받으면 전자들이 들뜨게 되어 에너지가 높아진다. 이 상태는 에너지가 높아 굉장히 불안정하기 때문에 이내 빛을 내면서 안정된다. 이를 자연 방출이라고 한다. 이 과정을 통해서 나온 빛은 위상과 파장이 각기 달라 잘 퍼지게 되고 멀리 가지 못한다. 이는 우리가 흔히 보는 빛이라고 생각하면 된다.

하지만 들떠있는 순간의 원자가 자신이 자연 방출하는 빛과 동일한 파장의 빛과 부딪히면 파장과 위상, 진행방향이 동일한 빛을 방출하는 성질이 있다. 이를 유도 방출이라고 하는데 레이저는 이 원리를 이용한다.

참고로 방출되는 파장의 길이에 따라 유도방출이 얼마나 잘 일어날 지를 계산해 볼 수 있다. 이는 양자역학이나 광학을 배우면 알 수 있으며, 자세한 내용은 페르미의 황금법칙(Fermi's Golden Rule)을 참고해보자.

매질을 사용하는 일반적인 레이저의 경우, 내부에 좌우로 거울이 설치되고 그 사이에 레이저 발진에 쓰이는 물질을 넣어 놓는다. 이때 한쪽 거울은 빛을 100%반사하지만 다른 한쪽은 일부분 투과시키는 반투명 거울을 사용한다. 그리고 사이의 물질을 자극시키면빛이 거울 사이를 몇백번을 왕복하면서 유도 방출로 인해 서서히 빛이 가지런히 정렬된다. 그리고는 이런 과정을 거쳐 일정한 에너지 이상이 되면서 레이저광으로 방출된다.

집고양이는 이것만 보면 잡으려 들지만 길고양이는 효과가 적은 편이다. Red dot

대형행사때는 상당수가 이 레이저로 쇼를 많이 하기도 한다.

덧붙여서 Laser, 즉 '레이서' 정도로 읽는게 맞는데 어째서인지 이 단어만은 예외로 '레이저'라고 읽는 게 보편화되어있다. 비단 우리나라뿐만 아니라 이 단어가 원래 만들어진 영미권에서부터 그렇게 읽는다. 오히려 진짜 레이저로 발음되는 Lazer는 정식 단어가 아니다(...). 종종 틀린 영단어 문법을 짚고 넘어가는 AVGN도 이 점을 지적했을 정도. S가 모음 사이에 왔을때 유성음화하는 것은 영어 옛 발음에선 드문 일이 아니다. 아무래도 영어 사용자들은 더 이상 준말이라고 생각지 않는 듯. 애초에 다들 LASER가 아니라 laser라고 쓰는 시점에서 이미 두문자어 취급을 못 받는 걸 알 수 있다.

2.1 구성요소

• 이득매질 : 레이저의 기본이 되는 물질
• 공진기 : 주로 한쌍의 거울을 사용
• 펌핑장치 : 이득매질이 바닥상태에서 들뜬상태로 만들어주는 장치

3 구분

레이저란 통상 이득매질의 형태에 따라 구분이 된다. 펌핑방법은 항목별로 설명.

3.1 고체 레이저

가장 먼저 개발된 레이저는 루비 레이저 이며, 루비 레이저는 3준위의 에너지 준위를 갖는 레이저로 발진 파장은 694nm의 가시 영역에 속한다.

대표적인 고체 레이저로는 의료용 및 산업용으로 널리 쓰이는 Nd:YAG 레이저를 들 수 있다. 기본 발진 파장은 1064nm 이며 4준위 레이저로 고출력이 가능.

대부분의 고체 레이저는 빛을 사용하는 광펌핑을 이용한다.
레이저 다이오드가 개발되기 전에는 대부분 플래시램프를 사용한 광펌핑을 하였으나, 최근에는 레이저 다이오드 개발에 따라 레이저 다이오드로 광펌핑한 고체 레이저(Diode Pumped Solid State Laser, DPSS)가 많이 개발되고 있다.

3.2 가스 레이저

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헬륨-네온 레이저 구성도

이득매질이 기체로 이루어진 레이저.
헬륨-네온(He-Ne) 레이저, 이산화탄소(CO₂) 레이저 등이 해당하는 레이저이다.

기체 레이저는 가스의 특성으로 인해 대부분 유리관 등의 용기를 사용하여 이득매질이 되는 가스를 가두어 사용.
펌핑 작용으로는 기체방전을 주로 이용.

헬륨-네온 레이저의 경우 실제 빛을 내는 원소는 네온이며, 헬륨은 단지 네온을 효율적으로 들뜬 상태에 이르도록 하기 위하여 사용된다.
헬륨과 네온의 혼합비는 5:1 ~ 10:1 사이값을 가지며, 튜브에 수 torr의 압력으로 혼합가스를 채워 밀봉한 유리관을 많이 사용.
대표적인 발진 파장은 3.39μm, 1.15μm, 0.633μm가 있다.

이산화탄소(CO₂) 레이저는 대표적인 4준위 가스 레이저이고, 따라서 고출력을 가진다.
효율적인 펌핑을 위하여 이산화탄소 가스 이외에 질소가스를 혼합한 방전을 많이 사용하며, 기본 발진파장은 10.6μm 이다.
개발 초기에는 수W의 출력을 가졌으며, 최근에는 수백W의 출력을 가진 레이저가 개발되어 산업현장에 응용되고 있다. W와 비례하게 올라가는 가격과 덩치

장점으로는...

• 이득매질이 가스이므로 이를 넣는 용기의 조절만으로 이득매질의 크기를 쉽게 크게 할 수 있다.
• 매질이 손상을 받지 않는다.
• 물질이 상대적으로 싸다.
• 기체의 특성상 신속한 열교환이 이루어진다.
• 공진기 방향으로 정렬된 가스관을 밀봉 할 때 브루스터 각도를 이루는 창으로 밀봉함으로써 발진되는 빛의 한 쪽 진동성분이

브루스터각에 의하여 제거됨으로 선편광된 레이저를 쉽게 얻을 수 있다.

단점으로는...

• 기체를 담기 위한 용기를 사용함으로 고체레이저 등에 비하면 내구성이 떨어진다.
• 가스의 누설 등으로 수명이 짧다.

3.3 반도체 레이저

이름에서 볼 수 있듯이 이득매질로 반도체를 사용하는 레이저.
p형과 n형의 반도체를 접합한 상태에서 전류를 흘려주는 펌핑 작용을 통해 전자와 정공이 만나 안정된 상태로 돌아가면서 발생하는 빛을 사용하는 과정을 거친다.

장점으로는

• 높은 펌핑 효율

단점으로는

• 발산각이 크다.

사용되는 물질로는 Si, GaAs 등 다양한 종류의 반도체 물질이 사용되며, 미량의 불순물을 첨가하여 레이저의 발진 파장을 조절 할 수 있다.

3.4 색소 레이저

옷을 염색할 때 사용하는 염료를 에탄올 등에 혼합한 액체를 이득매질로 사용.
광학적인 펌핑을 주로 사용한다.

염료의 농도를 조절하면 발진하는 레이저 빛의 파장을 가변할 수 있는 장점이 있어서 분광학에 넓게 사용됨,

대표적인 레이저 발진용 염료로는 로다민 6G 가 있다.

그러나 이득매질로 사용되는 액체의 특성상 물리적 화학적인 외부요인에 의한 매질의 손상이 쉽고 이로인해 빔의 정밀제어가 어려운데다가 유지 보수에 많은 애로 사항이 발생하여 실용적인 문제점이 많다.

3.5 펄스 레이저

펄스 레이저는 강한 출력의 레이저의 파동(펄스)간 간격, 즉 주파수를 줄여서 매우 짧은 시간 안에 강력한 레이저를 발사하는 것이다. 펄스 레이저는 무려 테라와트까지 출력이 올라가지만, 이 광선의 지속 시간은 정말 0.1초도 안된다.

4 레이저의 응용

4.1 산업용 레이저

레이저를 이용한 CNC 커팅 사진 출처
외관으로나 하는것으로나 만화나 영화에서 보던 그 레이저에 가장 가까운 형태가 아닌가 생각된다

산업현장에서 레이저는 절단, 천공, 용접 등의 용도로 폭 넓게 사용중이며, 이 외에 정밀계측 분야에서도 응용되고 있다.
레이저를 이용한 금속 또는 플라스틱의 가공은 레이저 에너지를 열 에너지로 변환하여 응용하는 것으로 이를 이용한 공정이 깨끗하고 정확하며 경제적이다.
주로 사용되는 레이저는 Nd:YAG 레이저와 CO₂ 레이저가 있다. 레이저 가공참조
또한 CD, DVD 등의 정보 저장 및 재생의 기능에 응용되고 있으며, 광통신에도 사용되는 등 정보통신용 광소자로도 이용되며
이 분야에 이용되는 광소자는 대부분 반도체 레이저가 사용된다.

이 외에 건설현장에서 수평 또는 수직의 기준선을 설정하고 두 위치 사이를 정밀하게 측정 하는 등의 용도로 많이 사용.

4.2 의료용 레이저

가장 많이 사용되는 레이저는 자외선 대역의 엑시머 레이저와 적외선 대역의 Nd:YAG 레이저를 사용한다.

장점으로는...

• 기존의 절개치료를 대체할 수 있어 시술이 간단하고 회복이 빠르다.
• 제거하고자 하는 세포 조직이 잘 흡수하는 파장을 선택하여 치료함으로써 주변의 건강한 세표에 영향을 주지 않고 해로운 세포의 제거 가능

기존 라식, 라색등 각막의 두께를 조절하는 치료와 피부를 치료하는 범주를 넘어서
최근에는 혈관에 광섬유를 넣어 내부에 있는 세포까지 레이저 빛이 도달하도록 하여 절개하지 않고 내부에 이상이 있는 부위를 치료하는 기법이 사용되고 있다.

4.3 군용 레이저

레이저 개발 직후 군사용으로 응용된 부분이 레이저 거리 측정기와 링 레이저 자이로스코프이다.

레이저 거리 측정기는 초기에 루비레이저를 사용하였으나 적의 눈에 인지되는 단점과 사람의 눈에 손상을 줄 수 있는 문제점으로
최근에는 눈에 영향을 주지 않는 1.6μm 대역의 라만 레이저, OPD 레이저 등을 고반복률로 만들어 사용하는 추세에 있다.

이 외에 모의 전투훈련, 미사일 유도장치(Laser Designator) 등에 사용되고 있다.

최근에는 미사일 방어체계와 연관하여 날아오는 미사일을 공중에서 격추하기 위한 4μm 또는 10μm대역의 고출력 레이저가 개발되고 있으며,
이를 장거리로 전송하는 장치와 함께 체계를 구성하여 현장에 적용하는 추세이다.

레이저의 출력이 무기화에 충분할 정도로 높아져서 해군함정에 레이저 무기를 장치하는 추세이다. 미해군은 소형 UAV나 소형보트 등의 위협을 파괴할 수 있는 30 kW급의 레이저를 배치하고 있고 더 고출력 (50kW) 또는 이를 여러개 묶어서 60-100kW급을, 미래에는 300kW급의 레이저를 함정에 설치할 계획이다. 이 정도면 충분히 대공 미사일을 대체할 수 있는 단계가 되어 미 해군은 미사일 대신 레이져를 차세대 함정의 대공방어무기의 주력으로 할 계획이다.

5 안전 기준

레이저 종류	파장 (μm)	등급 분류
		1등급	2등급	3등급	4등급
He-Ne(연속)	0.6328	6.98μW	1mW	0.5W	>0.5W
Ar-ion(연속)	0.515	0.4μW	1mW	0.5W	>0.5W
CO2(연속)	10.6	0.8mW	-	0.5W	>0.5W
CO2(100ns, 펄스)	10.6	80μJ	-	10J/cm2	>10J/cm2
Nd:YAG(연속)	1.06	0.2mW	-	0.5W	>0.5W
Nd:YAG(20ns, 펄스)	1.06	2μJ	-	0.16J/cm2	>0.16J/cm2

미국표준협회(ANSI)는 레이저에 대하여 4단계로 안전등급을 분류하고 있다.

• 1등급: 사람 눈에 노출되었을 때 손상이 거의 발생하지 않는 수준
• 2등급: 혐오 반응이 눈의 손상을 방해할 수 있는 상대적으로 낮은 출력의 가시광. 1000초 이하의 노출에는 위험하지 않으나 그 이상의 노출에는 위험
• 3등급: 직접 노출이 해로울 수 있는 수준에서 방출할 수 있는 중간출력의 레이저. 분산 반사된 빛은 눈에 위험을 주지 않는 수준.
• 4등급: 분산 반사로부터의 손상효과가 일어날 수 있는 수준에서 방출되는 고출력 레이저.

6 레이저포인터

최근 들어 덕질 분야(...)로 각광받는 종목. 해당 문서 참조.

7 관련 문서

• 스파르탄 레이저
• 손전등라스건
• 레이저 키보드
• 레이저 프로젝터
• 레이저 프린터
• 터보레이저 - 어디까지나 SF의 물건인 만큼 실제 레이저와는 백만 광년쯤 차이가 있다.
• C-Claw
• YAL-1
• ABL
• 블루 마리 : 오른손 레이저!
• 엑스칼리버(에이스 컴뱃)
• 전조등 - 현재 아우디나 BMW 등에서 레이저 전조등이 개발되었다. 이건 미친 짓이야 난 여기서 나가겠어
• ADFX-01
• 라이다
• 모기