레이저(laser)

유도방출에 의해 빛을 증폭 또는 발진하는 장치. 메이저(maser)의 동작원리를 빛의 영역으로 확장한 것으로「유도방출에 의한 빛의 증폭」(light amplification by stimulated emission of radiation)의 머리글자를 딴 용어이다. 낮은 에너지상태(에너지준위)에 있는 분자(또는 원자·이온)의 수보다 높은 에너지 상태에 있는 분자의 수가 많은 비열평형분포(非熱平衡分布 ; 반전분포) 상태의 물질계에 공명(共鳴)하는 빛을 작용시켜 유도방출되는 과정에 의해 빛을 증폭시키는 장치이다.

〔원리〕 분자에서 전자기파가 방사되는 기구는 크게 자연방출과 유도방출로 나누어진다. 분자의 두 에너지준위E1, E2(E2>E1)에 대해 생각해 보면, 자연방출은 E2상태에 있는 분자가 외부로부터의 자극이 없이 E1상태로 전이될 때 전자기파가 방사되는 현상이고, 이에 대해 유도방출은 외부로부터 ν = (E2-E1)/h (h는 플랑크 상수)인 진동수의 전자기파가 입사되었을 때 E2상태에 있던 분자가 입사전자기파와 동일한 진동수 및 동일위상의 전자기파를 방사하면서 E1상태로 전이되는 현상으로서 레이저나 메이저는 이것을 이용한 것이다.

유도방출이 일어날 확률은 입사전자기파의 강도에 비례한다. 전자기파가 입사되었을 때는 E1상태에 있던 분자가 전자기파의 에너지를 흡수해 E2로 전이하는 유도흡수도 동시에 일어난다. 메이저나 레이저 작용을 일으키기 위해서는 높은 준위의 분자수가 낮은 준위의 분자수보다 많은 반전분포(反轉分布) 상태를 만드는 것과 전자기파의 모드를 선택하고 또한 그 모드의 전자기파의 강도를 유지하기 위한 공진기(共振器)를 만드는 것 등의 요건이 충족되어야 한다. 이 원리는 1953년 메이저에서 먼저 실험적으로 실현되었다.

58년 C. H. 타운즈와 A. L. 쇼로는 광영역에서 반전분포를 만들기 위해 빛과 기타 수단으로 들뜨게(펌핑)하여 낮은 준위에 있는 분자를 높은 준위로 급히 끌어올리는 방법을 제시했다. 60년에 T. H. 메이먼이 루비의 결정을 이용해 파장 694.3nm의 레이저 발진에 성공했고, 61년에는 A. 자반 등이 헬륨과 네온의 혼합기체를 이용해 632.8nm의 레이저 발진에 성공했다. 그 후 레이저의 연구개발은 눈부시게 발전, 종류도 기체·액체·고체·반도체 등의 다양한 스펙트럼선에 대한 발진이 가능해졌다.

〔레이저응용기술〕  20세기의 최대·최후의 발명이라고 볼 수 있는 레이저는 이제 광산업(光産業) 기술의 중심으로서 크게 기대되고 있다. 왜냐하면 레이저는 보통 빛과는 전연 다른 뛰어난 특징을 갖고 있기 때문이다. 레이저광은 간섭성의 전자기파로서의 성질을 갖추고 있고, 단색성이 좋으며, 전파로 되는 것은 모두 레이저로 처리할 수 있다. 전파에 비해 주파수가 1만 배나 높으므로 전자공학기술은 레이저의 출현으로 주파수영역을 더욱 넓게 확장할 수 있게 되었다. 레이저는 지향성(指向性)이 뛰어나며, 평행빔으로서 원거리의 전반(傳搬)이 가능하다. 대기 속에서는 산란 및 흡수되므로 오히려 광섬유로 전송하는 방식이 좋다. 그러나 대기권 밖에서는 그런 염려가 없다.

레이저광은 렌즈로 집광하면 파장 정도의 미소한 초점에 에너지를 집중시킬 수 있다. 집광점(集光點)의 전자기장은 극히 강해 100억V/m 정도가 쉽게 실현된다. 이와 같이 극도로 높은 전자기장을 이용하면 비선형(非線形) 광학효과가 발생해 고주파광의 생성이나 유도(誘導)라만, 유도 브릴류앙 산란 또는 빛의 자기집광(自己集光)현상 등을 일으킨다. 레이저의 이와 같은 특징은 원자·분자 내의 전자의 궤도 준위간의 전이(轉移)라는 양자효과(量子效果)를 이용함으로써 실현되는 것이다. 양자효과는 보통 미시세계에서만 나타나는 것이지만, 레이저의 경우는 광공진기에 의한 되먹임 작용 때문에 원자·분자와 빛의 공명을 일으켜 인간의 오감(五感)에 작용되는 거시세계에서도 그 현상이 나타난다. 이와 같은 특징을 가진 레이저의 응용기술은 그 특성에 따라 광파(光波)로서의 응용과 광에너지로서의 응용으로 크게 나눌 수 있다.

〔광파·광에너지로서의 응용〕 광파로서의 응용에 대해서는 먼저 레이저 계측이 개발되었다. 이것의 장점으로는 다음 4가지를 들 수 있다.

① 레이저광은 휘도가 높으므로 주위의 잡음광에 대해 검지신호의 비율, SN비가 크다.
② 광파로서의 성질인 간섭효과가 확실히 나타나므로 거리 및 속도측정을 정밀하게 할 수 있다.
③ 단색성이 뛰어나 특정 주파수로 에너지가 집중되어 있으므로 레이저 분광학은 눈부신 발전을 하고 있다.
④ 레이저는 대단히 짧은 펄스광을 발생하므로 시간분해 계측이 피코초(ps= 10-12 s)영역까지 확장되었다.

레이저를 광에너지로서 응용해 최초로 공업에서 성과를 얻게 된 것은 레이저가공이다. 레이저의 에너지를 집중시켜 구멍뚫기·절단·용접·표면처리하는 것 등을 들 수 있다. 이와 관련되어 의료용 레이저가 등장했고 무혈수술에 이용되고 있다. 레이저의 에너지와 그 단색성을 응용한 동위원소분리 기술도 중요하다. 레이저를 이용한 화학 반응의 기구개발도 화학기술에 큰 영향을 미치고 있다. 레이저에 의한 핵융합의 실현도 인류 궁극의 에너지로서 전 세계적으로 연구가 진행되고 있다. 레이저 가공의 특징으로는 다음 몇 가지를 들 수 있다.

① 레이저광은 미소한 점으로 집광되므로 가공부위의 힘의 강도는 종래의 가공법보다 훨씬 커서 1010 W/cm2 이상에 달하며, 다른 방법으로는 가공하기 어려운 세라믹스·보석·내열합금(耐熱合金) 등에 적용된다.
② 마이크로 가공이 가능하므로 컴퓨터 통제가 용이하다.
③ 비접촉가공이므로 대상물에서 떨어져 공작할 수 있다.
④ 투명체의 내부가공을 외부에서 할 수 있다. 안저(眼底)수술 등에 응용된다.
⑤ 가공 공간을 진공으로 할 필요가 없으며, 인체에 대한 장애도 없다.

반도체 공업분야에 대한 응용으로서는 레이저스크라이빙, 즉 IC칩의 분할작업이나 레이저트리밍이라고 하는 저항소자의 미세조정에도 이용된다. 레이저에 의한 표면처리는 금속의 담금질에서 반도체어닐링 등에 이르기까지 광범위하게 응용된다. 가공시술과 관련, 의학에 대한 응용도 있다.

의료용 레이저의 최초의 응용은 안저망막응고장치(眼底網膜凝固裝置)이다. 망막 박리(剝離)에서 레이저를 이용하면 동공(瞳孔)을 통해 안저수술이 가능하다. 외과용 레이저메스는 절개와 동시에 혈관응고에 의한 지혈(止血)로 접촉하지 않고 수술이 가능하다. 레이저 내시경은 체내를 관찰하면서 레이저를 쬐어 수술할 수 있으므로 특히 많이 이용되고 있다.

그 밖에 미국이나 소련에서는 레이저병기(兵器)가 연구되고 있으며, 레이저측거의(測距儀)나 레이저레이더는 실용화되고 있다. 최근 미국에서는 미사일요격용 레이저가 기술적으로 핵미사일을 무력화 또는 파괴하는 수단으로 간주되어 대대적인 연구가 이루어지고 있다.

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