레이저는 우리의 일상에서부터 현대 기술의 최전선까지 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 하지만 이 작은 빛들이 어떻게 다양한 형태로 나타나는지, 그리고 각각의 특성은 무엇인지 알고 계신가요? 오늘은 레이저의 다양한 종류를 소개하면서, 우리 주변에서 어떻게 활용되고 있는지 살펴보도록 하겠습니다.
레이저는 다양한 종류로 나뉘어지며, 각각의 종류는 특정한 원리와 응용 분야를 가지고 있습니다. 종류는 크게 다음의 네 가지로 분류할 수 있습니다.
- 고체 상태 레이저 (Solid State Laser)
- 반도체 레이저 (Semiconductor Laser)
- 가스 레이저 (Gas Laser)
- 이산 레이저 (Dye Laser)
1. 고체 상태 레이저 (Solid State Laser)
우선 처음으로 소개해 드릴 레이저는 솔리드 스테이트 레이저, 우리말로 고체 상태 레이저입니다. 흔히 아이오닉 크리스탈 레이저 라고도 합니다. 활성 매질이 액체가 아닌 결정체를 사용하는 것이 특징입니다. 고체 상태 레이저는 고체 물질을 사용하여 레이저를 생성하는 원리를 기반으로 합니다. 일반적으로 루비, 이트륨 알루미늄 감쇠체 (YAG), 그리고 세라믹 같은 고체 물질이 사용됩니다. 이들 물질은 일정한 에너지를 흡수하고, 그 에너지를 이용하여 레이저 빛을 발생시킵니다.
1) 루비 레이저 (Ruby Laser)
솔리드 스테이트 레이저 중에서도 첫 번째로 완성된 레이저이며, 세 단계의 준위를 가지는 레이저입니다.
루비 레이저는 이름처럼 루비 결정을 활성 매질로 사용합니다.
루비는 주로 Al2O3로 이루어져 있지만, 루비레이저 같은 경우에는 3가 알루미늄 격자 자리에 약 0.05% 정도의 3가 크롬이 분포되어 있는 것을 매질로 사용하게 됩니다.
이 미량의 크롬이 적색의 레이저를 방출하게 됩니다. 따라서 크롬 이온이 루비 레이저의 활성 물질로 이용됩니다.
초기 레이저의 경우 루비 활성 매질은 길이가 약 4cm, 지름이 약 0.5cm의 막대로 구성되어 있으며, 막대의 양 끝에 Mirror를 부착하고, 막대를 flash tube가 감싼 형태를 띠고 있습니다.
막대의 한쪽 끝에 있는 mirror 는 부분적으로 은이 주입되어 있는 반투과성 미러를 사용하였고, flash tube, 우리말로 섬광관은 낮은 압력의 제논을 사용합니다.
섬광관이 막대 주위를 코일 형태로 감싸 빛을 비추게 되면, 막대 내의 원자는 excitation되어 photon, 우리말로 광자를 방출하게 됩니다.
충분한 power가 막대를 감싸게 되면 photon 은 collimated되어 실버 mirror가 있는 부분으로 레이저를 방출할 수 있게 됩니다. 나온 레이저는 694 nm 대의 펄스화 빛살이라는 특징을 가지고 있습니다.
2) 네오디늄 야그 레이저 (Nd:YAG Laser)
현재 가장 널리 사용되고 있는 고체상태 레이저 중의 하나이며, 이트륨-알루미늄-가넷 을 의미하는 YAG(야그) 결정에 네오디뮴 이온이 포함되어 있는 것을 활성매질로 사용합니다.
루비레이저와는 달리 네 단계 준위 레이저의 장점을 가지고 있기 때문에 더 쉽게 분포상태 반전을 이룰 수 있게 됩니다.
Nd:YAG laser 또한 섬광원으로 제논 펄스 램프를 사용하거나 CW인 텅스텐, 크로뮴 램프를 사용하고, 1,064 nm 의 IR 파장 대 복사선을 방출합니다.
보통은 그대로 사용하기 보다 주파수를 증가시켜 UV-VIS 파장 대 복사선을 생성하는데, 가장 많이 이용하는 것은 주파수를 두 배 증가시켜 기존 파장의 반인 532nm 의 초록색 레이저를 방출하는 것입니다.
이 Nd:YAG laser는 색소 레이저를 펌핑하는 데 주로 사용됩니다.
2. 반도체 다이오드 레이저 (Semiconductor Diode Laser)
반도체 다이오드 레이저는 활성 레이어에 직접적으로 전압을 걸어주는 방식을 채택합니다.
반도체 레이저를 구성하는 재료들의 다양한 전기적 특성을 이용하여 원하는 파장 대의 레이저 빛을 방출할 수 있습니다.
예를 들어, 질화 갈륨을 활성 매질로 사용하게 된다면 다양한 재료를 추가하여 청색, 녹색 및 황색 영역을 생성하는 레이저를 만들 수 있습니다.
또한, 거대한 쿨링 시스템이 필요하지 않기 때문에, 다른 레이저보다 훨씬 작고 고효율의 레이저 제품을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
공진기의 구조는 앞의 그림과 같습니다.
두 개의 Cladding layer 사이에 active layer를 두어 빛을 가두고 내부 공진이 일어나서 분포상태 반전이 형성되면 유도 방출에 의한 레이저가 발생하게 됩니다.
대표로, 반도체 레이저의 매질은 direct band gap을 가진 갈륨 아세나이드 PN cladding layer 다이오드를 주로 사용합니다.
P형 쪽에서부터 정전압을 걸어주게 되면 depletion region 안에 electron이 많이 존재하게 되어 분포 반전 상태가 형성됩니다. 이 때 electron-hole recombination이 일어나게 되고,이로 인해 에너지 밴드갭 만큼의 레이저를 방출하게 됩니다.
이게 이제 기본적인 반도체다이오드 레이저의 원리입니다.
펌핑의 경우에는 가스 레이저 등을 이용하여 pumping 하는 경우도 종종 있지만, 대체적으로 이 같이 전류를 이용한 방법을 선택합니다.
1) Double Heterostructure Laser
DH Laser는 double heterostructure 의 약자입니다.
DH 레이저는 밴드갭이 넓은 두 개의 반도체 사이에 좁은 밴드갭을 가진 반도체를 끼워 넣은 것입니다.
좁은 공간에서의 분포 반전의 양을 늘려줌으로써 레이저의 세기를 높일 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
가장 대표적으로 사용되는 것은 Aluminium gallium arsenide p형과 n형 사이에 gallium arsenide p형을 끼우는 것입니다.
이렇게 만들게 되면, depletion region에서의 전자 분포 반전의 양을 적은 전류로도 증가시킬 수 있게 되며, 따라서 레이저의 세기를 증가시킬 수 있게 됩니다.
2) Quantum Well (QW) Laser
QW laser도 DH 레이저처럼 2개의 다른 Bandgap을 가지는 물질을 붙여서 만든 heterostructure 레이저입니다.
DH와 형태는 비슷하지만 DH 레이저의 active region 은 3차원인 반면, QW 레이저는 2차원입니다. 따라서, active region 에서 전자가 움직일 수 있는 방향은 2차원입니다.
이렇게 active region 의 차원을 한 단계 줄여서 만들어 진 것이 Quantum well 입니다.
DH laser의 valence band 와 conduction band 와는 약간 다른 모양을 가지고 있습니다.
Recombination 이 일어나는 곳이 우물처럼 파여 있기 때문에 band-gab 이 줄어들게 되지만 가장 낮은 양자화 에너지 준위는 conduction band 보다 위에 존재하게 됩니다.
결과적으로 실제 Eg 값보다 더 큰 값의 hv 에너지를 갖는 레이저가 방출하게 되며, 이는 곧 파장이 상대적으로 더 짧은 레이저를 방출한다는 것을 의미하게 됩니다.
QW 레이저가 가지는 장점은, 좁은 스펙트럼을 갖게 되어 원하는 파장 대에서 더욱 선명한 빛을 얻을 수 있다는 것인데요,
이 원리를 이용한 것이 바로 디스플레이 시장에서 각광받고 있는 QLED 의 소자, Quantum dot 입니다.
따라서, 반도체 레이저는 다양한 분야에서 활용이 가능합니다.
광 통신부터 시작하여, 레이저 프린터, 바코드 리더기, 그리고 레이저 포인터까지 반도체 레이저는 우리 생활에서 매우 다양하게 사용되고 있습니다.
3. 가스 레이저 (Gas Laser)
가스 레이저는 가스를 매질로 사용하여 레이저 광선을 생성하는 레이저의 한 종류입니다. 가스 레이저는 강력한 광선을 발산할 수 있으며, 이러한 레이저는 특히 과학 연구, 의료, 산업, 군사 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
1) 헬륨-네온 레이저 (Helium-Neon Laser)
헬륨 네온 레이저는 가스 레이저 중에서 가장 많이 사용되고 있는 레이저입니다.
구입 가격과 유지비가 저렴하고 파장에 대해 신뢰성이 있으며 전력 소비가 적기 때문에 가장 많이 사용됩니다.
이 레이저에서 사용되는 헬륨 가스는 같이 존재하는 네온 가스를 여기 시키기 위해 사용되며, 따라서 네온 가스에서 레이저가 발진되는 원리를 이용합니다.
헬륨과 네온 가스를 채운 모세관에 수 천 볼트의 직류전압을 가하여 방전시키게 되면,
헬륨 원자가 전자와 충돌하게 되어 높은 에너지 상태로 들뜨게 됩니다.
이 들뜬 헬륨 원자는 네온 원자와 충돌하게 되고, 이때 헬륨의 들뜬 에너지는 네온 원자로 전달됩니다.
이후에 헬륨 원자는 낮은 에너지 상태로 다시 돌아가고, 네온 원자는 5s, 4s 오비탈 상태로 들뜨게 됩니다.
이 때, 5s와 4p 사이, 4s와 3p 사이, 그리고 5s와 3p 사이에서 분포 반전 또는 밀도 반전이 형성됩니다.
특히, 5s와 3p 사이에서는 632 nm 파장 대의 빛을 방출하기 때문에, 적절한 공진기를 선택하여 가시광선 영역의 붉은 빛 만을 선택한 것이 일반적인 He/Ne 레이저입니다.
He/Ne 레이저는 앞에 나온 솔리드 스테이트 레이저와는 달리 펄스방식보다 continuous wave 방식으로 작동됩니다.
2) 이온 레이저 (Ion Laser)
이온 레이저는 이온화된 가스를 레이저 매체로 사용하는 가스레이저 중 하나입니다.
다른 가스 레이저와 마찬가지로 밀폐된 공간과 공진기를 사용하는 것이 특징이며, 아르곤 이온, 크로뮴 이온 레이저가 대표적입니다.
중성 원자 레이저에 비해 발진 파장이 짧고 고출력인 것이 대부분입니다.
이온 레이저는 수십 와트 까지 이르는 고출력을 continuous wave로 방출할 수 있습니다.
그러나 기체를 이온화시켜야 하기 때문에 작은 전류만 필요한 헬륨네온 레이저보다 수 암페어에 달하는 훨씬 큰 전류를 필요로 합니다.
따라서, 아주 작은 이온 레이저를 제외하면 플라즈마 관에서 많은 열이 발생하기 때문에 쿨링 과정이 매우 중요합니다.
그 중에서도 중요한 이온 레이저는 아르곤 이온 레이저로, 514.5 nm의 녹색 파장대와 488 nm의 청색 파장대에서 센 선스펙트럼을 나타냅니다.
아르곤 이온 레이저는 아르곤 이온이 전기방전이나 라디오파 방전에 의해 생기는 네 단계 준위 장치입니다.
아르곤 원자가 먼저 이온화되어야 하고, 그 다음 주양자수가 3인 바닥상태로부터 여러가지 4p 상태로 전이하면서 들뜨기 때문에 높은 입력 에너지가 필요합니다.
레이저는 들뜬 이온이 4s 상태로 이완할 때 발생합니다.
앞에서 말씀드렸듯 이온 레이저는 방출선의 세기가 매우 세기 때문에 형광 및 라만 분광법에서 광원으로 주로 사용됩니다.
3) 질소 레이저 (Nitrogen Laser)
질소 레이저는 1-5ns의 순간 전류펄스를 기체에 공급하는 고압 스파크원에 의하여 펌핑하게 됩니다.
이 펌핑 작용은 들뜬 상태로의 반전을 일으키지만 낮은 에너지 상태들에 비하여 매우 짧은 수명을 가지므로 자발 방출 의하여 빠르게 감쇠합니다.
수 나노초의 짧고 강한 337.1 nm의 복사선을 방출합니다.
이 출력은 여러 가지 분자에서 형광을 얻기 위해 들뜨게 하는 것과 색소 레이저를 펌핑하는 것에 주로 사용되고 있습니다.
4) 엑시머 레이저 (Excimer Laser)
엑시톤과 비슷한 이름의 엑시머는 여기 된 분자 복합체라는 뜻으로,
아르곤, 크립톤, 제논 등의 비활성 가스원자와, 플루오린, 염소 등의 할로젠 가스 원자 이 두 개의 기체 원자로 구성된 분자를 말합니다.
이 엑시머를 사용하는 엑시머 레이저는 추가로 헬륨이나 네온 등의 완충 가스를 사용하여 엑시머에 효과적으로 에너지를 전달하여 효율을 높입니다.
엑시머 레이저는 방출광이 UV 영역이고 펄스 동작만으로 발진하는 기체 레이저입니다. 고효율, 고출력 등의 우수한 장점을 가지고 있습니다.
엑시머의 비활성 기체는 전류에 의하여 들뜬 전자상태가 된 후 할로젠 가스 원자와 반응하게 되어 들뜬 화학종들을 형성합니다.
이 들뜬 화학종들은 들뜬 상태에서만 안정하기 때문에 엑시머라고 명칭하게 되는 것입니다.
엑시머의 바닥상태는 불안정하기 때문에 이들은 광자를 방출하면서 이완을 할 때 화합물의 빠른 해리가 일어나게 됩니다.
따라서, 펌핑이 계속되는 한 분포상태 반전은 유지된다는 장점을 지닙니다.
엑시머 레이저는 주로 생물조직 절단에 사용됩니다. 우리가 잘 알고 있는 라섹에서 사용되는 레이저가 바로 이 엑시머 레이저입니다.
4. 색소 레이저 (Dye Laser)
다이레이저는 1966년 peter Sorokin 과 Lankard 연구진들이 라만 shifting을 연구하는 과정에서, 염화알루미늄 프탈로시아닌 용액에서 755 nm의 근적외선 파장을 갖는 레이저 빔을 처음 발견하게 되는데, 이를 다이 레이저라고 칭하게 됩니다.
다이 레이저는 알코올, 물 등의 용매에 유기 색소를 혼합하여 만든 액체를 활성 매질로 사용합니다. 따라서, 파장의 영역을 바꾸려고 하면 색소와 용매를 교체해야 하는 번거로움과, 색소의 수명이 짧다는 단점이 있습니다.
그러나 다른 레이저와 비교할 때 다이 레이저는 일반적으로 50-100 나노 미터 이상에 이르는 넓은 범위의 파장을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
펌핑 광원으로는 주로 플래시 램프나 레이저를 사용합니다.
다이레이저의 원리에 대해 분광학적인 측면에서 설명드리도록 하겠습니다.
일반적인 형광 방출 과정은 다음의 그림과 같습니다.
광원에 의해 유기 염료 원자가 펌핑하게 되면, 가장 낮은 ground state에 있던 염료 분자는 첫 번째 여기 상태인 s1 state의 가장 높은 vibrational level로 올라가게 됩니다.
들뜬 분자는 s1의 가장 낮은 level로 non-radiative recombination, 우리말로 비방사 전이를 하게 되는데요, 이 때 비방사 전이는 열을 방출하는 시스템으로, 빛을 내는 구간이 아닙니다.
S1의 가장 낮은 레벨에서 s0 state의 특정 level로 전이하게 될 때 비로소 레이저 빛이 발생하게 됩니다.
이렇게 레이저 활동을 마친 염료 분자는 다시 ground state로 붕괴됩니다.
지금까지 본 것이 레이저 빛을 내는 활동을 수행할 때 들뜬 상태 변화입니다.
Ground state, excited state 모두 수많은 vibrational level, rotational level이 존재하기 때문에 다이레이저는 방출 시 다양한 파장이 합쳐진 넓은 영역의 합성 빛을 방출합니다.
원칙적으로 양자화학에서는 selection rule에 따라 스핀 양자수가 전환되는 전이는 허용되지 않습니다.
그러나 확률은 작지만 이런 forbidden 전이가 일어날 수 있습니다.
똑같이 s0 에서 s1으로 펌핑되었을 때, 여기된 염료 분자들이 레이저활동을 하는 대신 T1으로 intersystem crossing이 일어나게 됩니다.
Intersystem crossing 또한 non-radiative한 전이이기 때문에 빛은 방출하지 않습니다.
T1으로 전이된 염료 분자들은 s0에서 s1으로 펌핑시키는 에너지를 대신 사용하여 t2로 전이됩니다.
이로 인해 레이저 효율은 급격하게 떨어지고, 레이저 수명까지 단축시킵니다.
또한 이 intersystem crossing 은 1마이크로s 사이에 일어나기 때문에, 다이 레이저는 펄스 지속시간이 1 마이크로세컨보다 작은 펄스 레이저만을 얻을 수 이 있습니다.
이 삼중항 사이의 전이를 방지하기 위해 여러 방법을 사용하는데요,
예를 들어, 상온에서 삼중항 상태로 존재하는 산소를 유기 염료에 섞게 되면, 산소가 t1 에 있는 염료 분자를 빠르게 s0로 전이시켜 forbidden transition을 가능하게 합니다.
이렇게 산소를 사용하여 염료 용액을 순환시키면, T1에 있는 염료 분자 수를 크게 줄일 수 있게 됩니다.
또한 이렇게 순환을 사용하게 되면, 나온 열을 효과적으로 방출시키는 쿨링 역할도 할 수 있다는 장점이 있습니다.
다이 레이저는 20-50 nm 범위에 걸쳐 연속적으로 파장을 바꿀 수 있기 때문에 분광학에서 매우 중요한 복사선 광원으로 사용됩니다.
앞에 보시는 그림과 같이 사용하는 색소를 다르게 함으로써 다이 레이저의 파장 영역을 300에서 1000 nm 이상까지 아주 넓게 배열할 수 있습니다.
예를 들어, 가장 많이 사용되는 다이 레이저의 유기 염료 중 하나인 Rhodamin 6G는 약 546 에서 640 nm까지 다양하게 파장을 변화하여 초록색에서 붉은색까지 다양한 색상의 레이저를 얻을 수 있습니다.
이 때, 파장을 변화시키는 데에는 광원을 어떤 것을 사용하느냐에 따라 달렸는데요,
만약에 광원을 아까 설명드린 질소 레이저를 펌핑 소스로 사용하게 된다면, 약 568에서 605 나노미터 파장 영역의 노란 빛깔 레이저를 얻을 수 있게 됩니다.
이처럼, 색소 레이저는 유기 염료와 펌핑 소스를 잘 선택하여 근 자외선부터 가시광선, 근적외선 영역까지 폭넓은 파장 선택이 가능해집니다.
1) Solid Dye Laser
솔리드 다이 레이저는 유기 염료를 액체에 녹이는 대신에, 플라스틱이나 고분자 유기화합물 등에 주입시켜 고체 상태로 만들어 사용하는 다이 레이저입니다.
액체 상태의 활성 매질의 단점인 낮은 수명 등의 단점을 보완하기 위해 고안되었습니다.
특히, 액체 상태 매질을 위한 펌프, 필터 등의 순환장치로 인하여 다이 레이저는 항상 대형 사이즈만 제작이 될 수 밖에 없었는데, 고체 레이저는 이 순환장치의 필요성을 제거하여 소형 다이레이저 시스템을 만들 수 있게 되었습니다.
또한 저렴한 비용으로 제작이 가능하고, 기존 액체 활성매질이 가지고 있는 넓은 파장가변영역의 장점을 그대로 가지고 있으며,
수명 또한 반영구적이고 고출력이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다.
레이저는 빛의 정교한 예술이자 현대 기술의 힘찬 동반자입니다. 그 화려한 빛의 세계는 우리의 일상과 혁신을 뒷받침하며, 새로운 시대의 도래를 레이저의 창조적인 빛 아래 기대해볼 수 있습니다.
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