1. 레이저의 특성
원자 에너지의 밀도반전을 활용하여 방출되는 레이저는 크게 4가지 특성을 가지고 있다.
1) 직진성
레이저는 계속적으로 직전하려는 성질을 유지하게 되는데, 이는 레이저 매질 내에 설치된 두 개의 반사거울 사이를 수없이 왕복한 이후 공진기에서 방출되게 되어 가지는 성질이다. 이러한 특성은 일상생활에서 레이저 포인터나 레이저 쇼 등에서 확인할 수 있는데, 이런 특성을 활용하여 레이저 거리측정, 레이더, 원격계측 등에 적용하고 있다.
2) 단색성
레이저는 방출하는 빛의 주파수나 파장의 분포가 일정한 특성을 가지고 있는데, 이는 유도방출 원리에 의해 원자나 분자의 특정 에너지의 준위 차이를 통해 방출되기 때문이다. 태양광이나 백열등에서 방출되는 빛을 프리즘을 통해 분산시키면 다양한 파장을 가진 빛으로 분리되지만, 레이저는 프리즘을 통과시키더라도 분산없이 일정한 파장의 빛만 확인할 수 있다. 이러한 성질을 활용하여 동위원소 분리, 원격 미량원소 측정, 분광분석 등에 활용하고 있다.
3) 고휘도성
휘도라는 물리량은 단위입체각에서 방출되는 빛의 출력밀도로 정의할 수 있는데, 이는 광원의 지향성과 출력 밀도에 의해 정해진다. 빔의 직경이 1mm, 출력 1mW 의 헬륨 네온 레이저의 휘도량은 2x107 lumens/m2 으로 태양의 휘도 1.5 x 105 lumens/m2 의 100배 이상의 물리량을 가지고 있다. 또한 태양광의 출력은 가시광선 스펙트럼의 전체 영역에 고루 퍼져 있으나, 레이저의 단색성에 의해 2A 선폭의 레이저광의 휘도는 동일한 스펙의 태양광에 비해 10만배 이상의 물리량을 보인다. 이러한 특성을 활용하여 절단 / 용접 / 천공 / 표면처리 등의 다양한 형태의 가공과 레이저 무기, 핵융합 등에 레이저 빛이 사용된다.
4) 가간섭성
가간섭성(Coherence)은 높은 규칙성이나 시간적/공간적으로 예측할 수 있는 성질을 나타내는 용어이다. 특정 광원의 빛이 시간과 공간영역에서 Coherent 하게 되면, 임의의 두 위치에서의 전계의 변화는 높은 상관관계를 가지게 된다. 레이저는 파장, 위상, 편광 등이 균일하게 정리된 전자기파로 높은 가간섭성을 가지고 있고, 이러한 특성은 홀로그래피, 미소변위, 진동해석, 비파괴검사 등에 활용할 수 있다.
2. 레이저의 종류
1) 고체 레이저
고체 레이저는 고체상태의 물질을 매질로 사용하여 레이저 관을 형성하게 된다. 대부분의 광 펌핑 (Optical Pumping)이 이 방식에 해당한다. 광원으로는 제논 플래시램프나 제논 아크 등이 주로 사용되며, 최근에는 에너지 효율 개선과 증대를 위해 광 다이오드를 이용하고 있다. 고체 레이저는 간단하게 구성할 수 있으며, 소형이지만 강한 출력을 낼 수 있어 가공용 레이저로 많이 활용된다. 대표적인 레이저로는 네오디움 야그 / 네오디움 글래스 / 루비 레이저를 예로 들 수 있다.
2) 기체 레이저
기체 레이저는 기체상태의 물질을 매질로 사용하기 때문에 밀폐된 구조를 가지고 있다. 매질로는 한가지 기체만을 사용하지 않고 두 개 이상의 기체를 혼합하여 효율을 높여 사용하게 된다. 주로 전기적 방전방식을 여기방식으로 사용하게 된다. 대표적으로는 탄산가스 레이저가 있는데, 고출력이 가능하여 레이저 가공기의 광원으로 활용되고 있다. 그 외에도 엑시머레이저, 헬륨네온 레이저, 질소 레이저, 금속 증기 레이저 등이 있다.
3) 반도체 레이저
반도체 레이저는 반도체 매질 (GaAs, InP) 에 전류를 통과시켜 P-N 접합점에서 밀도 반전을 발생시켜 레이저를 발진시키는 원리인데, 타 레이저에 비해 고효율에 초소형이며 장시간 사용이 가능한 등의 여러가지 장점을 가지고 있다. 광통신용 광원, 레이저 프린터, 컴팩트 디스 크 등의 광정보 처리용으로 활용된다.
4) 자유전자 레이저
이득 매질로 진공상태에서 고속으로 움직이는 전자를 사용한다. 기존의 레이저들은 매질이 보유하고 있는 에너지 준위 차이를 이용하지만, 자유전자 레이저는 전자가 가속운동을 할 때 전자파를 방출하게 되는데, 이런 과정에서 자장 내에서 움직이는 전자로부터 유도복사를 얻는 원리이다.
3. 레이저의 응용분야
레이저는 출력형태에 따라 연속형으로 시작하여 펄스의 진폭이 수펨토초로 짧은 펄스형과, 수 나노와트에서 페타와트에 이르는 대출력의 레이저가 생산되고 있다. 레이저 광의 기본적인 특징을 기초로 하여 수많은 제어 분야 등에 활용되고 있다.
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