레이저

3. 원리

레이저는 'radiation의 유도 방출에 의한 빛 증폭'(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation^eng)의 약자이다.^[11][12][13] 이는 유도 방출이라는 물리 현상을 이용하여 빛을 증폭하는 장치 또는 그렇게 증폭된 빛 자체를 의미한다.

• 활성 레이저 매질 (이득 매질, Gain medium): 빛을 증폭시키는 물질이다. 외부 에너지를 받으면 유도 방출을 통해 빛 에너지를 방출할 수 있는 특성을 가진다. 매질의 종류(결정, 액체, 기체, 반도체 등^[149])에 따라 방출되는 레이저 빛의 파장이 달라진다. 수천 종류의 레이저 매질이 확인되었다.
• 펌핑 에너지원 (Pumping energy source): 활성 레이저 매질에 에너지를 공급하여 원자나 분자를 들뜬 상태로 만드는 역할을 한다. 제논 플래시 램프, 다른 레이저 빛, 전류 등이 사용된다. 펌핑을 통해 매질 내부에 반전 분포 상태를 만든다.
• 광 공진기 (Optical resonator): 일반적으로 활성 레이저 매질 양 끝에 배치된 한 쌍의 거울로 구성된다. 빛을 거울 사이에서 반복적으로 왕복시키면서 활성 레이저 매질을 통과하게 하여 빛을 증폭시킨다. 거울 중 하나는 출력 커플러(Output coupler)라고 불리는 부분 반사 거울로, 증폭된 빛의 일부를 외부로 내보내 레이저 빔을 형성한다.

• 단색성 (Monochromaticity): 거의 단일한 파장의 빛으로 구성되어 매우 선명한 색을 띤다. (물론 가시광선 영역 밖의 파장을 가진 레이저는 눈에 보이지 않는다.) 이는 레이저의 시간적 결맞음과 관련이 깊다.
• 결맞음성 (Coherence): 빛의 위상이 일정하여 파동의 봉우리와 골짜기가 잘 정렬되어 있다. 시간적 결맞음과 공간적 결맞음으로 나뉜다.^[26]
• 시간적 결맞음 (Temporal coherence): 긴 거리에 걸쳐 위상이 일정하게 유지되는 특성으로, 단색성을 나타낸다.
• 공간적 결맞음 (Spatial coherence): 빔의 단면에서 위상이 균일한 특성으로, 빔이 멀리 퍼지지 않고 좁게 유지되는 직진성과 관련 있다.
• 직진성 (Directionality): 빛이 거의 퍼지지 않고 일직선으로 멀리 나아간다. 이 때문에 레이저 빔을 매우 작은 점으로 집광하여 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있다.

4. 특징

• 공간적 결맞음: 빛의 파면이 얼마나 균일한지를 나타낸다. 공간적 결맞음이 높은 레이저 광은 거의 완벽한 평면파나 구면파를 만들 수 있어, 멀리까지 퍼지지 않고 직진하거나 매우 작은 점으로 집광하는 것이 가능하다. 이러한 특성은 레이저 포인터, 광디스크의 정보 판독, 정밀 가공, 광통신 등 다양한 분야에서 활용된다. 이론적으로는 일반 광원에 핀홀을 사용하여 공간적 결맞음을 만들 수도 있지만, 빛의 세기가 매우 약해 실용적이지 않다. 레이저는 실용적인 강도의 공간적 결맞는 빛을 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다.

• 시간적 결맞음: 빛의 위상이 얼마나 오랫동안 일정하게 유지되는지를 나타낸다. 시간적 결맞음이 높으면 빛의 경로 차이가 큰 경우에도 간섭 현상을 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 간섭이 일어나는 최대 경로 차이를 결맞음 길이, 시간 차이를 결맞음 시간이라고 한다. 시간적 결맞음은 빛의 단색성과 밀접한 관련이 있는데, 시간적 결맞음이 높을수록 단색성이 좋다. 잘 설계된 레이저는 나트륨 램프와 같은 기존의 단색 광원보다 훨씬 뛰어난 단색성을 보인다. 이러한 특성은 레이저 자이로나 레이저 냉각과 같이 간섭이나 단색성이 중요한 응용 분야에 필수적이다.^[26]

• 펄스 레이저: 간헐적으로 짧고 강한 빛 펄스를 방출한다. 모드 동기나 Q 스위칭 같은 기술을 사용하여 매우 높은 순간 출력을 얻을 수 있다.
• CW 레이저 (Continuous wave laser): 연속적으로 일정한 세기의 빛을 방출한다. 펄스 레이저보다 순간 출력은 낮지만, 시간적 결맞음이 높아 간섭 현상 관찰 등에 유리하다.

5. 종류

• 고체 레이저: 결정이나 유리와 같은 고체 물질을 증폭 매질로 사용한다. 매질을 구성하는 원자의 일부를 다른 원소로 치환한 인공 결정이 주로 쓰인다. 대표적인 예로 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, 티타늄-사파이어 레이저 등이 있다.
• 기체 레이저: 기체를 증폭 매질로 사용한다. 작동 방식에 따라 중성 원자 레이저(헬륨-네온 레이저), 이온 레이저(아르곤 이온 레이저), 분자 레이저(이산화탄소 레이저), 엑시머 레이저 등으로 나뉜다.
• 액체 레이저: 액체를 증폭 매질로 사용한다. 유기 염료를 유기 용매에 녹인 용액을 사용하는 색소 레이저가 대표적이며, 넓은 파장 범위에서 조절이 가능하다는 장점이 있다.
• 반도체 레이저: 반도체 다이오드 구조를 이용하여 레이저 빛을 생성한다. 레이저 다이오드(LD)라고도 불리며, 크기가 작고 저렴하여 레이저 포인터나 광 디스크 등에 널리 사용된다. VCSEL, 양자 캐스케이드 레이저 등 다양한 종류가 있다.

• 파이버 레이저: 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 증폭 매질로 사용한다. 고출력, 고효율 구현이 용이하여 산업용 가공 및 광통신 분야에서 활용된다.
• 자유 전자 레이저: 가속기를 통해 생성된 고속의 자유 전자 빔을 증폭 매질로 사용하여 매우 넓은 파장 범위에서 강력한 빛을 생성한다.
• 화학 레이저: 화학 반응에서 발생하는 에너지를 이용하여 레이저 빛을 생성한다. 매우 높은 출력을 낼 수 있어 군사적 목적 등으로 연구된다.

• 적외선 레이저
• 가시광선 레이저
• 자외선 레이저
• X선 레이저

5. 1. 고체 레이저

5. 2. 기체 레이저

• 헬륨-네온 레이저 (HeNe): 여러 파장에서 작동 가능하지만, 주로 633nm의 붉은색 빛을 내도록 설계된다. 비교적 저렴하고 높은 결맞음을 가지므로 광학 연구 및 교육용으로 널리 사용된다.
• 이산화탄소(CO₂) 레이저: 단일 공간 모드에서 수백 와트(W)의 고출력을 낼 수 있으며, 10.6μm의 적외선 영역에서 작동한다. 에너지 변환 효율이 30% 이상으로 매우 높아^[62] 산업 현장에서 용접 및 절단 용도로 많이 쓰인다.
• 아르곤 이온 레이저: 351nm에서 528.7nm 사이의 여러 파장에서 작동한다. 설계에 따라 특정 파장 또는 여러 파장의 빛을 동시에 출력할 수 있으며, 주로 458nm(파란색), 488nm(청록색), 514.5nm(녹색) 파장이 사용된다.
• 질소 TEA 레이저: 대기압 횡방향 전기 방전(TEA) 방식을 사용하는 저렴한 기체 레이저로, 337.1nm의 자외선을 발생시킨다. 취미 활동가들이 직접 제작하기도 한다.^[63]
• 금속 증기 레이저: 금속 증기를 매질로 사용하며, 전자빔 등으로 여기시켜 레이저 빛을 발생시킨다. 심자외선 파장을 생성하는 것이 특징이다. 헬륨-은(HeAg, 224nm), 네온-구리(NeCu, 248nm), 헬륨-카드뮴 레이저(HeCd) 등이 있다. 다른 저압 기체 레이저처럼 발진 선폭이 3 GHz(0.5pm) 미만으로 매우 좁아^[64] 형광 신호가 강한 시료의 라만 분광법 분석 등에 활용될 수 있다.

5. 3. 액체 레이저

5. 4. 반도체 레이저

5. 5. 기타 레이저

• 감마선 레이저: 원자핵의 이성체 상태 간 전이를 이용한 고에너지 레이저로, 1970년대 초부터 연구되었으나 아직 실현되지 않았다.^{[79][80][81][82]} 초기 연구는 뫼스바우어 효과를 이용하거나^[83][84] 다단계 펌핑 방식^[85], 레이저로 구동되는 전자 구름을 이용하는 방법^{[86][87][88][89][90][91][92][93][94]} 등이 제안되었다. 2007년에는 양전자 소멸을 이용한 감마선 레이저 구동 가능성이 제기되었으며, 이를 핵융합 점화에 활용할 수 있다는 제안도 있었다.^[95]
• X선 레이저: 핵폭발로 펌핑되는 우주 기반 X선 레이저가 대미사일 무기로 제안된 바 있다. 이는 일회용 무기 형태이다.^[96][97]
• 생체 레이저: 살아있는 세포를 이용해 레이저 광을 생성하는 연구도 진행되었다.^[98][99] 녹색 형광 단백질을 생성하도록 유전적으로 조작된 세포를 이득 매질로 사용하고, 두 개의 거울 사이에 배치하여 레이저 공진기를 구성했다. 청색광을 비추면 세포는 강한 지향성을 가진 녹색 레이저 광을 방출했다.

6. 응용 분야

• 통신: 광섬유 통신 외에도 자유 공간 광 통신, 우주 레이저 통신 등에 사용된다. (자세한 내용은 통신 섹션 참조)
• 의학: 레이저 수술, 치료, 진단 등 다양한 분야에서 활용된다. (자세한 내용은 의료 섹션 참조)
• 산업: 레이저 절단, 레이저 용접, 레이저 마킹, 3D 프린팅 등 정밀 가공 및 제조 공정에 필수적이다. (자세한 내용은 산업 섹션 참조)
• 군사: 표적 지시, 미사일 유도, 미사일 방어, 라이더, 레이저 조준경 등에 사용된다. (자세한 내용은 군사 섹션 참조)
• 법 집행: LIDAR를 이용한 과속 단속, 법의학 분야에서 지문 탐지 등에 활용된다.^[108][109]
• 연구: 분광학, 레이저 냉각, 라이더, 간섭계, 현미경 등 정밀 측정 및 실험에 중요한 도구이다. (자세한 내용은 과학 연구 섹션 참조)
• 상업 제품 및 오락: 레이저 프린터, 바코드 스캐너, 레이저 포인터, 광 디스크 플레이어, 홀로그램, 레이저 조명 디스플레이 등에 널리 쓰인다. (자세한 내용은 기타 섹션 참조)
• 정보 표시: 레이저 조명 디스플레이 기술을 이용해 경기장 바닥, 도로, 활주로 등에 정보를 투사할 수 있다.^{[110][111][112]}

6. 1. 산업

6. 2. 의료

• 레이저 수술: 특히 라식과 같은 시력 교정술에 널리 사용된다.
• 레이저 치료: 광생물조절(Photobiomodulation) 치료, 신장 결석 치료 등.
• 검사: 검안경 검사 등.
• 미용 피부 치료: 여드름 치료, 셀룰라이트 및 튼살 감소, 제모 등.

이처럼 레이저는 다양한 의료 분야에서 인류의 건강 증진에 기여하는 중요한 기술로 자리 잡고 있으며, 앞으로 더 많은 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

6. 3. 통신

6. 4. 군사

6. 4. 1. 레이저 무기 (대한민국의 관점)

6. 5. 과학 연구

• 입자 크기 분석 (입도 분석)
• 비파괴 검사
• 레이저를 이용한 송전 연구
• 우주선 추진 (레이저 추진)
• 동위원소 분리 (레이저 우라늄 농축 포함)
• 천문학 관측 보조 (레이저 가이드 별)
• 양자 컴퓨팅 연구 (예: 교류 조셉슨 접합 마이크로파 레이저)^[57][58]
• 초정밀 측정 (예: 극도로 좁은 선폭을 가진 레이저 개발)^[60][61]

6. 6. 기타

7. 안전 기준 및 등급 분류

최초의 레이저가 개발될 때부터 잠재적 위험성은 인지되었다. 시어도어 메이먼은 최초의 레이저가 하나의 질레트 면도기 면도날을 태울 수 있을 정도의 출력을 가졌다고 설명했다.^[130][131] 오늘날에는 수 밀리와트(mW) 정도의 낮은 출력을 가진 레이저라도 빔이 눈에 직접 들어오거나 반짝이는 표면에서 반사되어 눈에 들어올 경우 시력에 위험할 수 있다는 것이 일반적으로 받아들여진다. 각막과 수정체가 초점을 잘 맞출 수 있는 파장에서 레이저 광선의 간섭성과 낮은 발산성은 눈이 망막의 매우 작은 지점에 빛을 집중시킬 수 있다는 것을 의미하며, 이는 수 초 또는 그보다 짧은 시간 안에 국소적인 화상과 영구적인 손상을 유발할 수 있다.

레이저는 출력이 낮더라도 직접 눈으로 보면 실명의 위험이 있으므로 주의가 필요하다. 레이저는 일반적으로 위험성을 나타내는 안전 등급 번호로 분류된다. 국제 기구인 국제전기표준회의(IEC)의 60825-1 「레이저 기기 및 그 사용자를 위한 안전 지침」에 따라 레이저 기기의 출력, 레이저 광선의 파장 등에 의한 등급 분류가 이루어지며, 등급별로 작업 환경 안전 관리 체계를 갖추어야 한다.

대한민국에서는 주로 일본공업규격(JIS) C 6802 「레이저 제품의 안전 기준」을 기반으로 안전 기준을 적용하고 있다.

'''주요 국가별 안전 기준'''

• '''국제 기준'''
• * IEC 60825-1: 레이저 기기 및 그 사용자를 위한 안전 지침
• '''대한민국 (일본 기준 준용)'''
• * JIS C 6802: [https://www.jisc.go.jp/app/jis/general/GnrJISNumberNameSearchList?show&jisStdNo=C6802 레이저 제품의 안전 기준]
• '''미국 기준'''
• * ANSI Z 136.1: 레이저에 관한 안전한 사용
• * FDA 21CFR PART 1040.10 및 1040.11: 보호와 안전을 위한 방사선 규제법

• 1등급: 합리적으로 예상 가능한 작동 상황에서 안전한 레이저이다. 어떤 광학계(렌즈나 망원경)로 집광해도 눈에 안전한 수준이며, 1등급임을 나타내는 라벨 부착 외에는 특별한 조치가 필요하지 않다. 일반적으로 CD 플레이어와 같이 광원이 외함에 포함된 경우가 많다.
• 2등급: 가시광선(400~700nm)에만 규정되며, 눈의 보호는 눈깜빡임 반사와 같은 불쾌 반응에 의해 1등급과 같은 수준의 안전이 확보되는 레이저이다. 일반적으로 최대 1mW 출력의 레이저 포인터 등이 해당한다. 정상적인 사용 중에는 안전하지만, 의도적으로 빔을 응시해서는 안 된다. 일반인이 사용하는 레이저 포인터는 이 등급 이하의 제품 사용이 권장된다.
• 1M등급: 302.5nm ~ 4000nm 파장 범위의 빛을 방출하며, 합리적으로 예상 가능한 작동 상황에서 안전한 레이저이다. 그러나 망원경이나 돋보기 같은 광학계로 들여다보면 위험할 수 있다. 광학 기기 없이 맨눈으로 보는 것은 안전하다.
• 2M등급: 가시광선(400~700nm)에만 규정되며, 눈의 보호는 눈깜빡임 반사와 같은 불쾌 반응에 의해 안전이 확보되는 레이저이다. 그러나 망원경이나 돋보기 같은 광학계로 들여다보면 위험할 수 있다. 광학 기기 없이 맨눈으로 보는 것은 안전하다.
• 3R등급: 직접적인 빔 관찰은 잠재적으로 위험하지만, 그 위험성은 3B등급 레이저보다 낮은 레이저이다. 일반적으로 최대 5mW 출력이며, 눈깜빡임 반사 시간 내에 눈 손상 위험은 적지만, 수 초 동안 빔을 응시하면 망막 손상 가능성이 있다. 제조업체 및 사용자에 대한 규제 조치가 3B등급 레이저에 비해 완화되어 있으며, 키(key) 스위치나 인터록(interlock) 부착 의무가 없다. (이전 IIIa 등급에 해당)
• 3B등급: 직접 보는 것이 위험한 레이저이다. 연속 발진 레이저의 경우 5mW ~ 500mW 출력, 펄스 레이저의 경우 특정 에너지 밀도 이하인 것이 해당한다. 노출 시 즉각적인 눈 손상을 유발할 수 있다. 직접 보지 않으면 안전한 수준이지만, 확산된 반사광도 위험할 수 있다. 키 스위치나 인터록을 부착해야 하며, 사용 중 경고 표시등이 필요하다. 이 등급 이상의 레이저는 전문가의 관리 하에 사용해야 하며, 사용자는 특정 파장의 빛을 흡수하도록 설계된 안전 고글로 눈을 보호해야 한다.
• 4등급: 500mW 이상의 출력을 가지며, 직접광뿐만 아니라 산란된 빛을 보는 것도 위험한 레이저이다. 피부에 닿으면 화상을 입히거나, 물체에 닿으면 화재를 일으킬 우려가 있다. 방출되는 빔은 반드시 차단하는 등의 조치가 필요하며, 키 스위치, 인터록 부착 및 사용 중 경고 표시등이 필수적이다. 많은 산업용 및 과학용 레이저가 이 등급에 속한다.

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