레이저 광원이란?
레이저 광원이란 레이저 광을 발산하는 광원을 말합니다.
레이저는 일반 빛에 비해 높은 단일 파장성, 지향성과 더불어 에너지 밀도가 우수합니다. 레이저 광원은 프로젝터의 광원에 적합한 반도체 레이저부터 물체 절단, 가공에 적합한 YAG 레이저, CO2 레이저, 엑시머 레이저, 아르곤 레이저 등 그 종류가 다양합니다.
레이저는 작동 물질의 형태에 따라 고체 레이저(YAG), 반도체 레이저, 기체 레이저(CO2 레이저, 아르곤 레이저, 엑시머 레이저, HeNe 레이저)로 나뉘며, HeNe 레이저는 632.8nm 파장의 적색 레이저로, 목적물에 조사하는 것 외에도 가시광선 파장 영역 외의 레이저의 가이드 광으로도 사용할 수 있습니다. 레이저는 단일 파장성이 높지만, 원리에 따라 다른 파장의 빛이 섞여 있는 경우도 있습니다. 예를 들어, HeNe 레이저의 경우 632.8nm 부근에 다른 파장의 약한 빛의 위성 구조가 있습니다.
레이저 빛의 순도를 높이기 위해 레이저 파장만을 통과시키는 광학 필터나 해당 파장의 빛만 반사하는 이색 거울과 같은 광학 소자를 사용할 수 있습니다. 시중에서 판매되는 광학 소자의 파장 설계는 대부분 위의 레이저에 맞춰져 있는 경우가 많습니다.
레이저 광원의 사용 용도
레이저 광원은 다양한 수단으로 활용되고 있습니다. 종류에 따라 사용 용도가 다릅니다.
1. 반도체 레이저
수명이 길고 휴대성이 좋아 프로젝터의 프로젝션용 광원으로 활용되고 있습니다.
2. YAG 레이저
일반적인 고체 레이저인 YAG 레이저는 금속 및 다양한 물질의 절단과 천공으로 대표되는 레이저 가공에 이용되고 있으며, YAG 레이저는 빛이라는 특성으로 인해 투명한 물질의 가공에는 적합하지 않습니다.
3. CO2 레이저
가장 긴 파장의 레이저 광을 투사할 수 있으며, YAG 레이저와 달리 투명 물질 가공에 적합하지만 금속 가공에는 적합하지 않습니다.
레이저 광원의 원리
레이저 광원은 레이저 매체의 분자에 에너지를 공급하여 여기된 빛을 광원으로 사용합니다. 레이저 광원에 강한 에너지를 주면 레이저 매체의 특정 수의 원자가 여기 상태가 됩니다.
펌핑
여기 상태의 원자가 증가하는 것입니다.
반전 분포 상태
펌핑에 의해 여기 상태의 원자 수가 다른 상태의 원자 수를 초과하는 상태입니다.
광증폭
역분포 상태에서 여기광과 동일한 파장의 빛을 원자에 조사하면, 빛을 받은 원자는 그 빛과 같은 방향으로 동일한 파장의 빛을 방출하여 다른 원자를 여기시키는 것을 말합니다.
레이저 광원은 광증폭을 일으키기 위한 광원이 설치된 측면에 거울을, 레이저 빛을 방출하는 측면에 부분 반사 거울을 설치한 구조로 되어 있습니다. 광증폭으로 여기된 빛은 부분 반사 거울에서 반사되어 레이저 광원 내부에서 여러 번 광증폭을 반복하면서 계속 반사되어 최종적으로 부분 반사 거울의 투과부를 고에너지의 레이저 광으로 통과하게 됩니다.
레이저 광원의 특징
레이저 광원은 지향성, 단색성, 에너지 밀도 외에 위상(빛의 파형)을 가지고 있기 때문에 물체에 부딪히면 간섭을 일으키기 쉬운 성질을 가지고 있습니다. 이 특성을 이용한 것이 레이저 간섭계 등 거리를 측정하는 기기입니다. 일반 빛은 여러 가지 빛이 섞여 있기 때문에 위상도 제각각이어서 기본적으로 간섭이 잘 일어나지 않습니다.
레이저 광원의 기타 정보
레이저 광원의 파장
레이저 광원에는 여러 가지가 있는데, 각각 파장에 따라 분류할 수 있습니다. 엑시머 레이저는 150~308nm, 아르곤 레이저는 488nm, 루비 레이저는 694.3nm, YAG 레이저는 1,064nm, CO2 레이저는 10,600nm로 각각 다른 파장을 가지고 있습니다. 파장의 차이는 대상물에 조사했을 때 흡수율의 차이가 된다. 흡수율이 다르면 온도가 달라집니다.
위의 레이저 기본파에 대해 비선형 광학 크리스탈을 사용하면 파장 변환이 가능합니다. 예를 들어, YAG 레이저의 기본 파장은 1,064nm인데, 비선형 광학 크리스탈을 통해 제2고조파 532nm, 제3고조파 355nm, 제4고조파 266nm의 파장의 빛을 얻을 수 있습니다. 또한 파장 가변 파라메트릭 발진기를 만들 수도 있습니다.