LASER (레이저).

 

 

 

 

레이저의 동작원리는 1917년 아인슈타인이 빛과 물질의 상호작용에 있어서 유도방출 과정이 있음을 이론적으로 보인 것이 시초입니다. 그러나 그 후 20여년이 지난 1950년대 초반 미국대학의 타운즈(C. Townes)가 암모니아에서 마이크로파의 유도방출이 실험적으로 가능함을 보였으며(maser), 곧이어 가시광 영역에도 유도방출에 의한 빛의 증폭이 가능함이 타운즈와 샬로우(A.Schawlow)의 연구에서 밝혀졌고, 실제로 1960년 휴즈(Hughes) 연구소의 마이먼(Theodore H. Maiman)에 의해 가시광 영역인 694.3nm의 붉은색인 루비레이저광이 최초로 발진되었습니다. 그는 보석의 하나인 루비(ruby)를 나선형 플래쉬 램프 가운데 삽입하고 그 플래쉬 램프를 터뜨려 센 빛을 루비에 입사시킴으로서 레이저의 발진에 성공한 것입니다. 그는 이 성공으로 1964년 노벨 물리학상을 수상하였습니다. 루비 레이저 발진 직후 레이저의 연구는 가히 폭발적이라 할만큼 활발하여 1960년대에는 현재 중요하게 응용되는 대부분의 레이저가 개발되기에 이르렀고, 70년대와 80년대에는 레이저 자체의 연구 외에도 레이저의 응용연구가 많은 비중을 차지하여 오늘날 다양한 방면에서 레이저가 필수적인 장치로 각광을 받고 있습니다. 이런 과정을 통하여 우리는 단색성이 뛰어나고, 위상이 고르고 간섭을 받기 쉬우며, 퍼지지 않고 곧바로 나아가며 집광성이 좋고, 에너지 밀도가 큰 환상적인 레이저광을 의료분야에도 이용하게 되었습니다. 레이저 광은 전파나 X선과 같이 전자파입니다. 현재까지 파장이 수 mm 부터 수십 nm(나노미터)의 넓은 범위에서 레이저가 개발되어 있습니다. 파장 범위로 보자면 전파(파장이 약 30Km부터 1mm, 주파수로는 약 10kHz부터 30GHz까지)와 X선(파장이 10nm 이하) 사이의 영역입니다.

레이저의 발명에 초석이 된 중요한 연구로서 다음과 같은 연구들이 진행되었습니다. ◎ 광의 입자성 개념 : 1905년 - 광 에너지는 광의 주파수 ν에 플랑크 상수 h를 곱한 양입니다. 광의 파동성과 입자성을 관계지은 개념을 아인슈타인이 제안하였습니다. ◎ 유도 방출 이론 : 1917년 - 아인슈타인은 자연 방출 계수 A와 유도 방출 계수 B의 비가 광의 주파수 의 3제곱에 비례한다는 것을 이론적으로 구하였습니다. ◎ 여기상태 원자 밀도의 측정 : 1933년 - "유도 방출"을 이용한 전자파를 증폭한다는 개념은 1950년대초 미국의 웨버와 타운스, 구 소련의 바소프와 프로코프 등에 의하여 제안되었습니다. 메이저의 탄생 - 1964년 미국의 타운스, 소련의 바소프와 프로코프는 메이저의 원리를 발명한 것으로 노벨상을 수상하였습니다. 메이저란, Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자로 MASER가 된 합성어 입니다. 이는 "방사의 유도방출에 의한 마이크로파 증폭"을 의미 합니다. 앞에서 언급한 유도방출이 전자파의 증폭에 의해 등장한 것입니다. - 1954년에 최초로 만들어진 메이저는 암모니아 기체 분자의 낮은 에너지 준위를 이용하는 것으로서 상하 에너지 준위의 차는 주파수로 나타내면 23,870MHz, 파장으로는 약 1.25cm가 됩니다. - 타운즈는 에너지가 높은 상태의 분자를 낮은 상태의 분자로부터 분리하는 방법에 신경을 쓰고 있었습니다. 암모니아 분자를 빔(beam)의 형태로 진공중에 분출시키고 그 빔에 전계를 가하면 높은 에너지 상태의 분자는 고전계의 영역으로부터 저전계의 영역으로 이동하게 됩니다. 낮은 에너지 상태의 분자는 역방향으로 운동합니다. 그러므로 전계를 가한 영역을 통과한 분자 빔에서는 높은 에너지를 가진 여기분자만의 빔을 그렇지 않은 빔과 구별하는 것이 가능하게 됩니다. 이 분자 빔이 통과하는 곳에 23,870MHz의 전자파에 공명하는 금속상자를 놓으면 이 공명기 내에 자연방출의 빛을 전자파의 씨앗으로 이용하여 유도방출이 진행되면서 메이저는 발진기로서 작동하게 됩니다. 그러나 이러한 메이저는 출력이 매우 낮아 10억분의 1W 정도 밖에 되지 않지만 분자의 기본적인 성질을 전자파의 발생에 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있게 하였습니다.

- 레이저는 앞서의 메이저가 전파의 영역에서 성공한 것에 비하여 상당히 높은 주파수의 전자파 즉 빛의 파장에서 작동합니다. 초기 레이저는 광메이저라고 불리우기도 했지만 현재는 레이저라고 부르고 있습니다. 어원은 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리글자를 합성한 것입니다. 메이저의 성공은 빛의 증폭이나 발진의 연구를 강하게 자극하여 많은 연구자가 열광적으로 이 분야의 연구에 뛰어 들게 만들었습니다. 1958년에 샬로우와 타운스가 광 발진기의 가능성에 관한 이론을 발표하였습니다. 레이저가 실현된 것은 그로부터 1년반 후로 1960년 중반 미국의 메이만이 그 영예를 갖게 되었습니다. 그는 루비 결정을 사용하여 파장 6,943Å의 적색광을 발생시키는 데 성공하였습니다. 이로부터 레이저의 역사가 열리게 되었습니다. 처음의 샬로우 등의 이론적인 제안은 기체를 사용하여 연속적으로 발진을 지속시킨다는 생각이었으나, 메이만의 방법은 다르게 투명 사파이어에 약간의 크롬이 용해되어 있는 루비 고체결정 막대의 주위에 방전관으로 순간적으로 빛을 비추는 방법을 이용하여 펄스로 레이저의 발진을 일으키는 데 성공하였습니다. 이 성공에 뒤이어 1960년말 자반이 헬륨네온의 혼합 가스를 이용하여 발진에 성공하여 연속적으로 출력이 유지되는 기체 레이저가 실현되었습니다. 이후 격렬한 레이저 발진 경쟁이 일어나 1962년에는 반도체 레이저가, 뒤이어 유기 액체 레이저, 색소 레이저가 발진하여 1970년경까지는 발진 스펙트럼의 폭을 확장시키는 탐색연구는 거의 마무리 되었습니다. - 레이저의 동작원리는 메이저와 같습니다. 그러나 많은 사람들이 열광한 것은 무엇인가 새로운 매력이 있기 때문이었는데 그것은 레이저가 자연계에는 존재하지 않은 새로운 빛을 제공한다고 하는 코히어런트(Coherent)한 빛을 낸다는 점이었습니다.

1958 레이저의 제안 A.L.Schawlow.C.H.Townes 1960 루비 T.H.Maiman 1960 헬륨=네온 A.Javan,W.R.Bennet,D.R.Herriott 1962 Nd:유리 E.Snitzer 1962 반도체 M.I.Nathan 1964 탄산가스 C.K.N. Patel 1964 Nd:YAG J.E.Geusic 1964 아르곤 이온 W.B.Bridges 1965 컬러센터 B.Fritz,E.Menke 1966 질소 L.E.S.Mathias,J.T.Parker 1966 색소 P.P.Sorokin 1967 화학 J.V.V.Kasper,G.C.Pimentel 1975 엑시머 S.K.Searles,G.A.Hart 1976 자유전자 L.R.Elias

 

레이저(Laser)란 "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"이란 영어의 각 단어 머리글자를 따서 조합한 합성어로서 직역하면 "유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭"이란 뜻입니다. 일반적으로 레이저란 말은 레이저 빛을 발생하는 장치를 지칭하기도 합니다. 레이저 빛(또는 레이저 광)은 유도방출에 의한 빛이기 때문에 백열전구나 형광등, 태양등 기존의 광선에서 나오는 빛과는 다른 독특한 성질을 갖고 있는데, 첫째는 단색성(monochromatic)으로서 레이저 빛은 한가지 파장으로 된 빛입니다. 가정에서 조명등으로 쓰이는 백열전구와 비교해 보면 다음과 같습니다. [그림1] 레이저광의 단색성 백열전구에서 나오는 빛은 빨주노초파남보의 여러 가지 색깔의 빛이 섞여 있으나 레이저 빛에서는 한가지 색깔만이 존재하게 됩니다. 만약 두 가지를 프리즘으로 분산시켜 보면 그 차이를 알 수 있습니다. 둘째, 백열전구에서 나오는 빛은 전구에서 멀어지면 빛의 세기가 급격히 줄어들지만 레이저 빛은 거리가 아무리 멀더라도 빛의 세기가 거의 줄어들지 않는데, 이를 지향성(directional)이라고 합니다. 일상생활에서 빛의 지향성을 갖도록 한 장치를 포물경으로 빛을 평형하게 반사시키는 플래쉬가 있는데 어느 정도의 지향성을 가지나 레이저에 비해 떨어집니다. 우리가 만약 야간 경기를 벌이고 있는 야구장에서 조그만한 He-Ne 레이저(5mW)를 달로 향하게 하고 달 표면에서 지구를 본다는 어떻게 될 것인가? 수 백 kW를 쓰고있는 야구장은 보이지 않고 단지 세기가 백만불의 일 정도인 레이저 빛만 보이게 됩니다. 세번째의 중요한 성질은 레이저 광은 간섭성(Coherent) 빛이라는 것입니다. 이것 또한 백열등에서 볼 수 없는 성질로 백열등에서 나오는 빛을 선 속 분할기로 나눈 다음 중첩 시키면, 스크린 상에 간섭무늬가 생기지 않으나 레이저 광에서는 밝고 어두운 띠 모양의 간섭 무늬를 볼 수 있습니다. 이것은 백열등의 빛이 무질서한 반면 레이저 빛은 질서 정연하기 때문에 가능한 것입니다. 다시 말하면 백열등에서 나오는 빛은 원자가 제각기 독자적으로 빛을 발생하는 경우이고 레이저 빛은 이웃한 원자들이 서로 긴밀한 관계를 가지고 있어서 전체 원자가 일사 분란하게 빛을 내놓는 것이라고 말할 수 있습니다.[그림 3] [그림3] 재래광원과 레이저의 비교 이러한 레이저 광은 지구상에서는 자연 상태에서 존재하는 것은 아직 발견된 바 없고 특별히 인위 적인 조작을 해야 레이저광을 얻을 수 있습니다.

모든 레이저는 세가지 구성 요소로 구성되어 있습니다. [그림 4] [그림4] 레이저의 구성요소 첫째 한 쌍의 거울이 있습니다. 두 거울이 정면으로 마주보고 있으면서 그 중 하나는 100%에 가까운 반사율을 가진 거울로서 입사하는 광을 전부 반사 시키는 전반사경이고 다른 하나는 입사광 중 일부는 통과시키고 나머지는 반사 시키는 거울로서 부분 반사경이라 불리웁니다. 이 두 거울을 공진기(Resonator)라고 부릅니다. 둘째, 마주한 두 거울 사이에 특별한 원자(또는 분자)로 채워진 물체가 있습니다. 이것은 두 거울 사이를 왕복하는 빛이 유도과정으로 증폭되어 센 빛이 되도록 하는 광 증폭기(Optical Amplifier)입니다. 셋째, 증폭기가 광의 증폭이 가능하도록 외부에서 에너지를 가하는 장치인 펌프(Pump)가 있습니다. 이 세가지는 특별한 경우를 제외하고는 거의 대부분의 레이저에 있어서 공통적인 요소들입니다.

(1) 빛의 생성과 소멸 [그림5] 빛의 생성 이제 빛이 어떻게 발생하는가를 살펴보겠습니다. 빛의 발생에 대한 이론이 확립된 것은 1913년 덴마크의 보어(N. Bohr)에 의해서 입니다. 보어는 전자가 핵 주위를 돌 때 아무 곳에서나 있을 수 있는 것이 아니고 특별히 안정된 궤도가 있어서 전자는 그 궤도에서만 존재할 수 있으며 어떤 궤도에서 핵에 더 가까운 궤도로 전자가 떨어지면 전자의 에너지가 줄어드는데 줄어든 에너지 양만큼 빛으로 방출된다는 사실을 알아낸 것입니다 [그림 5]. 마치 낙차에서 물이 낮은 곳으로 떨어지면 물의 위치에너지가 감소하고 감소한 양만큼 에너지를 운동에너지고 변하는 것과 유사한 것입니다. 특정 궤도에서만 안정적으로 존재할 수 있는 전자는 음전기를 띠고 있으므로 양전기의 핵으로부터 항상 인력을 받고 있습니다. 인력을 받고 있다고 해서 가까운 궤도로 마음대로 떨어질 수 없는데 그 이유는 각 궤도마다 전자가 있을 수 있는 수가 제한되어 있기 때문입니다. 이것을 파울리(Pauli) 배타원리라고 하며 핵 가까운 궤도가 채워져 있을 때는 아래 궤도로 전자가 떨어 질 수 없고 제한된 수보다 전자가 적어 자리가 비워 졌을 때만 전자가 떨어질 수 있습니다. 떨어질 때는 앞서의 보어이론 대로 빛이 발생됨은 물론입니다. 이 때 빛의 에너지는 E=hv 입니다. 이 과정에서 빛이 발생하는 것을 자발방출(Spontaneous Emission)이라고 하고 레이저 빛이 아닌 모든 빛은 이 과정에 의한 것입니다. 자발 방출에서는 이웃한 원자(또는 분자)끼리 아무런 영향없이 독자적으로 빛을 방출함으로 이 때 발생하는 빛은 위상이 제각기 다르게 됩니다. [그림6] 빛의 소멸 (2) 빛의 유도 방출과 증폭 [그림7] 빛의 유도 방출 과정 자발 방출 과정으로 생성되는 빛과는 반대로 레이저는 유도방출 과정으로 증폭된 독특한 성질을 가진 빛이라고 하였습니다. 그러면 유도 방출 과정이란 무엇인지 알아 보도록 하지요. [그림 7]과 같이 전자가 높은 궤도에 있고 아래궤도 중에는 전자가 채워져 있지 않아서 떨어질 수 있는 상황에서, 아래 궤도와 위 궤도와의 에너지 차에 해당하는 빛이 입사하면 전자가 이 빛의 자극으로 아래 궤도에 떨어지는데 이 때 생성되는 빛이 하나가 입사 했는데 동일한 성질의 빛이 두개가 되므로 2배 증폭되었다고 말 할 수 있습니다. 이것이 바로 유도 방출입니다. 이 과정에서는 저절로 떨어지는 자발 방출과는 달리 반드시 빛이 입사해야만 가능하고 이 과정이 반복해서 일어나게 되면 점점 증폭되어 빛의 세기가 강해지게 됩니다. 만약 전자가 아래 궤도에 있다면 흡수 과정이 생기어 빛의 세기가 약화될 것 이므로 전체적으로 빛의 증폭이 일어나기 위해서는 아래 궤도에 있는 전자가 있는 원자 수 (또는 밀도) 보다 위 궤도에 있는 전자의 원자수(또는 밀도)가 많아야 합니다.[그림 8] 이것을 우리는 밀도반전 (population inversion)이라 하고 레이저 발진에 필수적인 요건이 됩니다. 그러면 보통의 상황에서 밀도 반전은 가능 한 것인가? [그림8] 열적평형 상태에서의 밀도(a)와 밀도반전이 된 상태에서 (b)의 에너지와의 관계 일반적으로 열적평형(thermal equilibrium) 상태에서는 낮은 궤도에 전자를 가진 원자수(밀도)가 높은 궤도에 있는 원자수(밀도)보다 적을 수 없습니다. 즉 자연 상태에서는 낮은 에너지의 원자수가 높은 에너지의 원자수보다 항상 많은 것입니다. 따라서 밀도 반전이 일어나서 빛이 증폭되려면 우리가 인위적으로 밀도반전 조건을 만들어 주지 않으면 안됩니다. 이 조건중 위쪽의 궤도에 전자가 많도록 외부에서 에너지를 가하는 것을 펌핑(pumping)이라고 합니다. 펌핑하는 장치가 펌프이고 밀도 반전이 된 원자로 채워진 물체가 레이저의 중요 구성요소의 하나인 증폭기 입니다. 또는 활성 매질(active medium) 이라고도 합니다. 빛의 길이가 L인 어떤 매질 (증폭안된)을 진행할 때를 생각해 보자. [그림 9] 매질에 입사하는 광자 수를 Fi 라 하고 통과 후의 광자 수를 Fo 라 할 때 증폭 안된 매질에서는 흡수가 일어나서 Fo 는 Fi 보다 작은 값을 가지게 됩니다. 비어(Beer)의 법칙에 의하면 Fo 와 Fi 의 값은 아래식과 같은 관계를 가지고 있습니다. [그림9] 매질 통과후 빛의 세기의 변화 여기서 a 는 흡수계수이다. 만약 펌프의 에너지 공급에 의해 매질이 밀도반전이 되어 있다면 흡수가 아니라 증폭될 것이므로 값이 음수가 되고 Fo 는 Fi 보다 큰 값을 가질 것이다. -a 를 a'라 한다면 로 주어질 것입니다. (3) 레이저의 발진조건 레이저 공진기에는 두 가지의 손실이 있습니다. 첫째는 공진기 내의 출력 빛이 공진기를 빠져 나오는 유용한 손 실과, 둘째 아무런 쓸모가 없으나 피할 수 없는 내부손실이 있습니다. 먼저 유용한 손실에 관하여 자세히 살펴 보도록 하지요. 100개의 광자가 투과율이 T인 반사경에 입사하는 경우를 가정합니다. 만약 R이 0.9라면 10개의 광자는 투과할 것이고 90개는 반사될 것입니다. 즉, Fi개가 거울에 입사할 때 반사한 갯수 Fr을 수식으로 표시하면 가 됩니다. 두 번째 내부 손실은 한 쪽 반사경에서 다른 쪽 반사경으로 진행하는 동안 공기분자나 먼지 또는 이 물질에 의해 광자가 흡수되거나 산란 되어 광자 수가 줄어들어 일어나는 손실과 증폭기 또는 공진기, 즉 반사경의 크기가 유한하기 때문에 발생하게 되는 회절에 의한 손실이 있다. 이러한 내부손실은 비교적 적기 때문에 무시하고 생각해보지요. 이제 R1, R2 의 투과율의 공진기와 이득계수가 a'인 레이저 장치에 있어서 레이저가 발진할 수 있는 조건을 살펴 보겠습니다. [그림10] 공진기 내에서의 빛의 왕복 [그림10]과 같이 100개의 광자가 반사경 M1을 출발하여 증폭기를 지나고 M2에서 반사하여 다시 증폭기를 역 방향으로 진행하여 M1에서 반사되어 제자리에 되돌아오는 왕복과정에서 손실과 증폭의 여러 과정을 거치면서 최종적으로는 최초에 광자 수인 적어도 100개 이상의 광자가 있어야만 합니다. 이것을 발진조건 (Oscillation condition)이라 한다. 만약 100개 이하라면 반복해서 빛이 왕복할 때 결국 소멸하고 말 것이다. 발진조건을 수식으로 표현해 보자. F1 개의 광자가 M1을 출발하여 M2에 도달할 때의 광자 수는 F2 = F1ea'L 이다. M2에서 반사된 후의 광자 수는 F3 =F2 R2 가 되고 증폭기를 거쳐 M1에 도달할 때의 광자 수는 F4 =F3 ea'L 일 것이며 M1에서 반사 후에는 최종적으로 F5=R1 F4 이 F5가 F1보다 커야 하므로 F1 R1 R2 e2a'L > F1 즉 R2 R2 e2a'L > 1 이 만족되어야 레이저가 발진 됩니다. 이 식을 잘 살펴보면 레이저가 쉽게 발진 될 수 있는 방법을 알수 있는데 두 반사경의 반사율 R1과 R2가 결정되어 있을 때 발진 되기 위해서는 증폭기의 길이 L이 긴 것이 유리하나 현실적인 제한이 있으므로 마음대로 길게 할 수는 없을 것이고 a'를 크게 하는 것이 그 중에서 비교적 손쉽고 융통성이 많은 방법이다. 이제 레이저의 펌핑의 종류에 대해서 살펴보자. 펌핑에는 1. 광펌핑(Optical pumping) 2. 전기방전(Electrical discharge) 3. 전자-홀 생성(Electron-hole pair production) 4. 화학반응(Chemical reaction) 5. 개스급속 팽창(Rapid expansion of hot gas) 방법들이 있다.이 중에서 광 펑핑과 전기방전이 가장 흔하게 사용되는 방법으로서 광 펌핑은 센 빛을 증폭기에 입사 시켜 밀도반전을 일으키는 것으로서 플래쉬 펌프를 터트려 나오는 빛을 집속 시키는 것과 센 레이저 빛을 입사 시켜 밀도반전을 일으키는 것으로서 다른 레이저를 발생케하는 방법들이 있습니다. 집속된 빛은 흡수되어 원자의 전자가 높은 궤도로 들뜨게 됨 으로서 밀도반전이 된다. 이 방법은 루비레이저나 Nd:YAG 레이저 등에서 쓰이고 N2레이저 혹은 Ar레이저로 색소(dye)레이저 등의 여기에 쓰이고 있다. 두 번째 전기방전 방법은 주로 기체레이저에 해당되며 기체를 관 속에 일정량 주입하고 전기방전을 시키면 방전전자가 기체원자와 충돌하여 원자내의 원자를 높은 궤도로 올림으로서 밀도반전이 형성된다. 세번째 방법은 반도체 레이저에서 이용되는 방법으로서 반도체 다이오드에 순방향의 센 전류를 흘리면 n-type 반도체의 전자가 p-type 반도체의 홀(hole)과 p-n접합 부분에서 재결합(recombination)하면서 빛이 발생되는 과정으로 레이저가 발진한다. 이 때 전류가 약하여 밀도반전이 일어나지 않을 때에는 유도방출이 안되고 자발방출에 의한 빛만 발생하게 되는데 이 장치를 LED(light emitting diode)라 한다. 네 번째 방법은 불산(HF) 레이저 등에서 쓰이는 방법으로 화학반응을 통하여 HF분자의 진동회전 준위 사이에 밀도반전이 일어나게 하는 방법이다. 마지막으로 개스 급속 냉각 방법은 뜨거운 개스를 노즐(nozzle)을 통하여 분출 시키면 이 때 온도가 급격 히 떨어지는데 높은 에너지 준위는 그대로이나 낮은 에너지준위의 분자는 냉각되어 그 수가 감소됨 으로서 밀도반전이 일어나는 메카니즘으로서 주로 고출력 CO2레이저에서 사용된다. 이것을 (Gas dynamics) 방법이 라고도 한다. (4)레이저 발진요약 일반적인 레이저발진은 반전분포를 필요로 한다. 단, 유도라만, 파라메트릭발진 등은 반전분포를 필요로 하지 않는다. 원자가 천이할 경우, 기저상태(E0)에서 여기상태(E1)로 천이할 때 그 에너지차 E = E1-E0의 에너지를 흡수하며, 기저상태로 천이할 때는 그 에너지를 방출한다. 보통 여기상태에 있는 원자의 수(또는 높은 에너지 준위에 있는 원자 수)는 여기 되지 않은 원자의 수보다 적다. 기저상태에서 원자는 제한을 받지 않고 오랫동안 존재할 수 있지만 여기상태로 정지되는 시간은 한정되어 있다. 외부적인 원인이 아닌 보다 낮은 에너지준위로 천이할 때의 원자의 자발적인 에너지 방출과정을 자연방출 또는 자발방출 (Spontaneous Emission)이라 부른다. 자연방출에서 방출된 빛은 여러 가지 빛이 혼합되어 있기 때문에 파장이나 위상도 일치하지 않는다. 그러므로 넓은 스펙트럼을 갖게 되는데 이것을 Incoherent 방사라 한다. 이와는 달리 외부양자의 작용에 의해 강요된 에너지를 방출하는 과정이 있다. 흡수할 경우 에너지는 원자가 높은 에너지준위로 천이함에 따라 없어지지만, 이 경우에는 새로운 에너지가 발생하게 된다. 이와 같은 방출을 강제방출 또는 유도 방출 (Stimulated Emission)이라 한다. 유도방출의 경우 입사된 에너지와 방출된 에너지의 파장이나 위상은 모두 동일하다. 따라서 이때의 방사는 Coherent이며 스펙트럼도 좁다. 유도방출에서는 한 개의 광자에 대해 두개의 광자가 나타난다. 만일 다시 여기상태에 있다면 이 두개의 광자는 다음의 유도방출로 되며 이것이 계속 반복되어 발생한다. 즉, 빛이 여기된 매질 내를 통과하면 그 빛은 증폭되지만 이 증폭은 매질이 여기상태에 있을 때에만 가능하다. 기저상태에서 여기된 원자가 여기상태에서 비교적 수명이 길므로 E0의 원자 수보다 E1의 원자수가 더 많게 된다. 이와 같은 상태를 반전분포 또는 부 온도상태라고 한다. 방출된 에너지 E = hv 로서 각 주파수 v의 전자파(빛 또는 광자)를 방사하며, 입사된 빛은 증폭된다.이것이 바로 레이저발진의 원리이다.

 

레이저를 이용한 절단, 용접, 천공, 마킹등의 가공시 레이저 빔은 대부분의 매질에서 매우 높은 에너지 강도를 가지며 입사하게 됩니다. 이때 매질 표면에 레이저 빔은 매질의 반사율에 따라 일부가 반사되고 나머지 에너지는 표면에서부터 빛의 세기가 지수적으로 감소하면서 매질에 흡수됩니다. 이때 흡수된 레이저 빔은 열 에너지로 변환되면서 매질의 온도를 증가시키고 이 현상을 통해서 레이저 스팟(spot) 가까운 영역에서 급속한 온도 상승과 함께 매질의 증발이 일어나 절단, 용접등의 레이저 가공이 가능하게 됩니다.

- 매질 표면의 반사율은 입사되는 레이저 에너지 가운데 실제로 가공에 이용되는 레이저 에너지의 비율을 결정하므로 매우 중요한 측정값입니다. - 반사율은 레이저 빛의 파장, 재료의 종류, 표면상태등에 따라 각각 다릅니다. - 일반적으로 금속의 반사율이 세라믹, 플라스틱, 나무등의 재료에 비해 높습니다.

- 흡수 계수는 레이저 에너지가 재료속을 통과할 때 얼마나 빨리 감소되는 지를 결정함 (흡수계수) 1 / 파장 ■ 위 식을 통해서 자외선 빛은 흡수율이 높고, 적외선 빛은 흡수율이 상대적으로 낮음을 알 수 있다. ■ 흡수 계수가 큰 재료는 표면의 온도가 급속히 상승하게 됩니다. - 위 식을 통해서 우리는 침투 깊이를 다음과 같이 정의할 수 있습니다. 침투깊이 ≡ 1 / 흡수계수 ■ 레이저 빛이 재료 내부에 투과하는 깊이 ■ 레이저 가공은 위 침투 깊이 이내에서만 이루어짐

- 레이저 빔에 노출된 재료에 발생하는 현상을 총칭하여 레이저 어블레이션(ablation)이라고 합니다. 매우 복잡한 열적, 광화학적 현상의 발생으로 이론적 해석은 여전히 불완전 합니다.

◎ 재료 ■ 가열, 용융, 증발 ■ 순간 온도 : 수백 - 수천도 ■ 순간 압력 : 수 - 수십 기압 ■ 산화 및 탄화 ■ 보일링 및 입자 발생 , 천공 및 크레이터 발생 ◎ 증발현상 ■ 순간적인 고압 증기의 팽창 ■ 주변 공기에 충격파 발생 ■ 플라즈마(이온화된 가스)의 생성

1. 레이저 크레이터 2. 충격파 (shock wave) 및 증기유동 충격파는 주로 펄스레이저와 같이 순간 강도가 매우 높은 큰 레이저 가공에서 주로 발생하는 현상입니다. 수 나노초나 혹은 수십 나노초 사이의 짧은 시간 동안에 온도가 증발점 이상으로 가열된 재료 표면에서 발생된 증기는 압력이 수기압에서 수십기압까지 상승하며 주변의 대기중으로 팽창해 나가면서 충격파를 형성하게 됩니다. ▷ 폴리싱한 알루미늄 샘플을 파장 266nm 펄스길이 3 나노초의 Nd:YAG 레이저로 어블레이션 했을 때의 충격파 발생 3. 레이저 가공 플라즈마의 생성 레이저 플라즈마는 가공중에 증기나 입자 형태로 제거되는 재료가 입사되는 레이저 에너지를 흡수해서 이온화 되면서 생성됩니다. 이때 플라즈마가 에너지를 흡수 및 재 분배 함으로써 가공중의 현상을 더욱 복잡하게 만들며, 높은 에너지 강도에서는 거의 발생하는 현상입니다.

 

레이저 가공의 장점 ● 세라믹, 유리, 타일, 대리석 등의 고경도 및 취성 재료의 가공이 용이합니다. ● 비접촉 가공이므로 가공중 소재에 반발력이 없고, 플라스틱, 천, 고무, 종이등의 재질이나 극히 얇은   판등을 변형없이 고정밀도로 가공이 가능합니다. ● 컴퓨터 혹은 NC 제어로 자유곡선 등의 복잡한 형상을 쉽게 가공할 수 있습니다. ● 공구의 마모가 없습니다. ● 빔 집속을 통해 가공부를 최소화 하므로 열 영향부를 줄임 ● 빛의 전송을 통해 가공 영역의 확대 혹은 광섬유를 사용한 로봇과의 결합가능 레이저 가공의 단점 ● 광학 부품의 오염을 방지할 수 있도록 주의해야 합니다. ● 장비가 고가입니다. ● 반사율이 큰 재료의 가공이 곤란하며 표면에 흡수제 처리등이 필요합니다. ● 가공전 재료가 오염등을 통해 레이저 에너지 흡수 조건에 변화가 없도록 주의해야 합니다.

레이저는 단색성, 지향성, 강도 및 가간섭성등 여러 가지 특성을 지니는 새로운 광원이라 할 수 있습니다. 레이저가 발견된 직후부터 레이저가 갖고 있는 특유한 여러 특성들을 산업기술 분야에 응용하고저 하는 노력이 계속되어 많은 기술 분야에서 실용화가 이루어 지고 있습니다. 레이저의 기술 분야중 중요한 부분들을 분류하면 다음 표와 같습니다. 응용분야 금속 및 비반도체 재료 가공 전자 부품 및 반도체 가공 의료, 계측등의 기타분야 관련기술 - 절단 - 용접 - 표면처리 - 천공 - 마킹 - 절단, 트리밍 - 천공 - 표면 texturing - 포토리소그라피 - 클리닝 - 마킹 - UV 큐어링 - 스텐츠 가공 - 근시 수술 - 레이저 메스 - 치과 레이저 종류 -CO₂레이저 - YAG 레이저 - 반도체 레이저 - CO₂레이저 - YAG 레이저 - 반도체 레이저 - 엑시머 레이저 -CO₂레이저 - YAG 레이저 - 엑시머 레이저 소재의 종류 - 금속 - 아크릴 - 목재 - 박막 - 플라스틱, PCB - 폴리머, 실리콘 - 금속 - 유기체 - 플라스틱

레이저에 의한 용접은 접합시키려는 금속들을 융용점 이상으로 가열시켜야 하므로 큰 에너지가 요구되며, 계속 용융상태가 유지되어야 하므로 CW가 적합합니다. 레이저에서 용접은 일반 용접과 심층침투 용접으로 나눌 수 있습니다. 일반 용접은 용접 깊이가 크지 않은 부품과 박판등의 경우에 사용되고, 반면에 심층침투 용접은 레이저에 의한 key hole 형성을 수반하면서 용접시키는 것이므로 두꺼운 재료에 적용된다. 레이저에 의한 절단은 주로 증발에 의함으로 용접보다 더욱 큰 에너지를 필요로 한다. 이 절단 방법은 금속은 물론 기계적으로 힘든 비금속 재료의 복잡한 형상도 쉽게 수행된다. 레이저에 의한 절단은 재료가 얇을수록 용이하며, 절단폭은 두께에 따라 보통 0.5~2.5mm 정도이나, 두께가 1.0mm이하인 경우에는 절단폭을 0.1mm이하로 할 수 있어 재료의 손실을 방지할 수 있다.

레이저의 천공은 전적으로 재료의 증발에 의함으로서 위의 방법들에 비하여 더욱 큰 에너지를 필요로한다. 그러나 절단과 달리 한 장소에 계속하여 레이저를 조사시킴으로서 레이저의 에너지 밀도가 너무크면 증발된 입자가 이온화하여 프라즈마를 형성하고, 이 프라즈마의 농도가 증가되면 인입되는 레이저빔을 반사 및 흡수하여 천공될 재료내에 레이저의 인입을 차단시킨다. 따라서 재료의 천공에서는 지속파 보다는 펄스 형태 또는 반복 속도가 큰 Q-switched 레이저 빔을 이용하는 것이 바람직하다.

 

레이저 기술의 초창기에 레이저는 매우 섬세한 기계였으므로 특정의 가공에서 레이저의 타당성은 인정되었으나, 생산 공정에서의 직접적인 도입은 힘들었다. 그러나 레이저의 설계와 기술의 급속한 발전으로 공장 분위기에서 충분히 견딜 수 있고 정비하는데 비교적 간단하며, 가격이 저하된 레이저 가공기가 많이 보급되고 있다. 따라서 위에 기술된 바와 같이 레이저에 의한 가공 방법이 신뢰성이 있고, 융통성이 있는 효율적인 장비로 증명되었으며, 그 응용은 매년 급속도로 증가하고 있다. 특히 기존의 기술과 비교 및 경쟁되는 경우에는 대체로 다음의 세가지 범주중 하나에 속해야 한다. ■ 특정재료 또는 가공에서 레이저 만이 가능한 도구이어야 한다. ■ 기존의 가공방법에 비하여 제품의 품질이 개선되고, 가격면에서 경제적이어야 한다. ■ 레이저가 가공과정의 일부를 제거또는 생산공정의 개선으로 생산량의 증대를 초래하여 전체적인 생산비가 저렴하여야 한다. 따라서 레이저 가공 기술의 장점을 충분히 발휘하기 위해서는 레이저 가공기 설계 및 제작진과 이를 이용하는 현장 관계 기술진 사이의 긴밀한 협조가 필요하다. 이로 인하여 더욱 신뢰성이 크고 저렴한 레이저 가공기가 보급되어 새로운 가공법에의 도입이 이루어지면 특히 대량 생산성과 높은 품질을 요구하는 공정에 크게 기여하게 될 것이다. 그리고 더욱 자동화를 위한 방법으로서 레이저-로보트-컴퓨터의 연계된 이용이 이루어지고 있으며, 그 이용영역을 더욱 확대하고 있다.