6. 레이저 A. 레이저광의 특성​

6. 레이저

A. 레이저광의 특성

 레이저는 '신기한 빛'을 만들어 내는 양자역학적 장치로, 원자가 신비한 방식으로 전자기 복사와 상호작용하는 것을 이용한다. 이처럼 인공적으로 만든 빛인 레이저 광선은 그 특성이 태양광선이나 백열등에서 나오는 일반 광선과는 다르다. 레이저는 단일 파장의 빛을 증폭시키는 구조를 가지므로 레이저에서 나오는 빛은 단색성이며, 일정한 방향성 및 결집성을 가지는 특성이 있다. 또한, 일시적으로 강한 고광휘도를 보여 치료하고자 하는 병변에 그 힘을 집중시킬 수 있는 특성을 가지고 있다.

(1) 단색성(monochromaticity)

그림 3-6-A-1. 단색성

 우리가 잘 아는 바와 같이 태양광선을 프리즘에 통과시키면 프리즘을 지난 광선이 여러 가지 색깔로 구별되어 분산 스펙트럼이 생기는 것을 볼 수 있다. 태양광선 속에는 여러 가지 파장의 빛이 섞여 있으므로 그 파장의 장단에 따라 프리즘에서 굴절하는 정도가 다르게 되므로 굴절 후 광선의 진로는 파장, 즉 색깔에 따라 다르게 진행한다. 하지만 레이저 광선의 경우는 광선의 진로는 굽어지지만, 색깔에 따른 변화는 나타나지 않는다. 이러한 현상은 레이저 빛이 거의 단일 파장, 즉 단색성이 좋은 광선임을 의미하는 것이다.

 엄밀한 의미에서는 어떤 빛도 완전한 단색광이 될 수 없지만, 레이저 빛은 다른 광원에 비해 이상적인 한계에 더 접근해 있다. 왜냐하면, 레이저의 빛은 파장, 방향, 위상, 편광 등의 광학적 특성이 모두 동일한 유도방출된 광자들의 모임이기 때문이다. 이러한 성질로 인해 발색단에 선택적으로 작용하므로, 혈관 병변이나 색소 병변 등을 치료하는 데 선택하여 사용할 수 있다.

 

(2) 지향성(Directionality, collimation)

 

그림 3-6-A-2. 지향성

 레이저 광선의 또 다른 특성 중의 하나는 빛이 아주 곧게 뻗어 나가는 지향성(또는 콜리메이션)에 있다. 레이저광은 공진기 내에서 유도방출에 의해 발생한 광자선이 광축에 평행한 것만 출력되어 나오기 때문에 근본적으로 방향성이 일정한 광선인 것이다. 일반 광원에서 나온 빛은 모든 방향으로 고루 퍼지지만, 레이저의 빛은 모두가 일정한 방향성을 가지고 평행하게 직진한다.

 렌즈나 거울의 도움이 있든 없든, 다른 어떤 광원도 레이저처럼 정밀하고 확실하며 최소의 각 퍼짐을 가지는 그런 빔을 만들어 낼 수 없다. 이러한 레이저광이 곧게 뻗어 나가는 지향성은 레이저 공진기의 기하학적 구조와 유도방출이 동일한 광자들을 발생시킨다는 사실에서 기인한다. 또한, 이러한 특성 때문에 레이저광을 렌즈로 한 점에 모으면 강력한 에너지를 발휘할 수 있다.

(3) 결맞음성(Coherence)

 

그림 3-6-A-3. 결맞음성

 다른 광원과 비교하여 레이저가 지니는 가장 차별화된 광학적 특성은 결맞음성이다. 이 코히런트(coherent)라는 용어는 사전적으로는 복수의 광파가 일정한 위상 관계를 가지고 있어 간섭이 가능한 상태에 있는 일 또는 그런 성질을 의미하며, 광학에서는 흔히 가간섭성이라는 용어를 사용한다. 레이저 빔은 레이저 공진기에서 출력될 때 각각의 광선들의 위상과 진폭이 모두 맞아 있는 광선 즉, 결이 모두 맞아 있는 광선의 다발로 이루어졌기 때문에 레이저 광선은 간섭성이 매우 우수하게 되어 가간섭성이 좋다고 하는 것이다. 가간섭성은 파면 상의 위상이 공간적으로 얼마의 길이만큼 잘 맞아 있는가 하는 공간 가간섭성과 파동의 진행 방향과 같은 방향의 다른 두 지점에서 시간적으로 위상 관계가 어떠한지를 측정하는 시간 가간섭성으로 분류할 수 있다.

 태양 등의 자연광은 파장과 위상이 시간적, 공간적으로 제각각이다. 하지만 레이저의 빛은 파장의 위상이 공간적으로나 시간적으로 정확히 똑같아서 서로 결이 맞아 있는 빛이므로 멀리까지 비추어도 아주 조금밖에 분산되지 않는다. 즉, 광자들이 잘 정돈되어 먼 거리를 가는 동안에도 상호 간에 동시성을 유지한다. 레이저는 이처럼 결맞음성과 지향성을 가지고 있어서 멀리 비추어도 강도가 감소하지 않는 것이다. 다만 레이저광이라 할지라도 그 범위는 2~3km 정도이고, 이 이상 길어지면 서서히 그 가간섭성이 상실된다.

(4) 고강도성(High intensity)

 

그림 3-6-A-4. 일반 광선과 레이저 광선의 차이

 레이저 광선은 레이저 매질 내에서 펌핑에 의한 밀도반전 현상이 충족되었을 때 일시에 방출되는 광자밀도가 높은 광선 다발이므로 에너지가 매우 강하다. 또한, 지향성에 의해 나타나는 특성으로서 매우 높은 고에너지를 한 곳에 집중시킬 수 있으며, 레이저 광선은 매우 밝은 강력한 빛이다. 그러므로 ‘빛’이라기 보다는 '빛 화살'이라 부르는 것이 더 타당할 정도라고 표현되기도 한다. 우리는 다들 렌즈를 이용하여 태양광선을 한 곳에 집중시켜 종이가 타는 것을 실험해 본 적이 있다. 이러한 특성을 이용하여 철판의 절단이나 가공을 하며, 핵융합실험을 위한 조건형성에도 활용하고 있다.

 하지만 레이저의 이와 같은 특성들도 때때로 매질이나 공진기의 크기 또는 구조를 변형시키면 쉽게 달라질 수 있다. 또한, 모든 레이저 광선이 다 평행하거나 강력한 것은 아니다. 예컨대, 기체레이저의 경우에는 대개 평행하지만, 다이오드 레이저의 경우에는 콜리메이션 장치가 없으면 일반적으로 30~90° 정도로 빛이 분산되는데, 이는 주로 반도체 결정에서 빛이 공명거울에서 방출될 때 생기는 회절 때문이다. 이때 콜리메이션 렌즈가 다이오드 앞에 설치되면 레이저빔의 평행성이 증가하여 빛의 분산을 크게 줄일 수 있다. 이렇게 콜리메이션된 광선은 아주 평행하고 비교적 먼 거리에서도 상당히 높은 출력밀도를 얻을 수 있는 것이다.

 그러나 레이저빔이 평행하게 방출되더라도 전달장치를 통과하면서 평행성이 소실될 수 있다. 또한, 콜리메이션은 초점거리 밖에서 레이저가 조사되어도 광선이 퍼지지 않게 유지시켜서 조사할 수 있는 정도의 장점이 있을 뿐 레이저 치료에 있어서 큰 의미는 없다. 광선이 콜리메이션이 되었건 안되었건 상관없이 광선이 조직에 닿게 되면 즉시 반구 형태로 분산되어 퍼져나가므로 핸드피스 팁을 직접 조직에 대고 치료를 하는 경우에는 광선의 평행성은 그다지 중요하지 않다.

참고문헌

1. 강진성. 성형외과학. Third Edition. Volume 4. 얼굴(3). 군자출판사 2004; 2022-3.
2. 다니코시 긴지. 레이저의 기초와 응용. 일진사 2014: 42-4.
3. 송순달. 레이저의 의료응용. 다성출판사 2001: 48-71.
4. 이치원. 이해하기 쉬운 광학과 레이저 그 원리와 이용. 공주대학교출판부 2011: 215-20.
5. 최지호. 피부과 영역에서의 레이저. 대한피부과학회지 1994; 32 (2): 205-16.
 
*1. Bogdan Allemann I, Kaufman J. Laser Principles. In: Bogdan Allemann I, Goldberg DJ, Eds. Basics in Dermatological Laser Applications. Curr Probl Dermatol. Basel, Karger 2011; 42: 7-23.
*2. Bourdon R, Belin JP, Dana M. [The laser. Principle. Dermatologic applications]. Bull Soc Fr Dermatol Syphiligr. 1967; 74 (4): 419-21.
*3. Hecht E. Optics. 4th Edition. Pearson Education 2002: 92-3.
*4. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2007: 10-1.
*5. Tunér J, Hode L. Laser Therapy Clinical Practice & Scientific Background. Prima Books 2002: 4-5, 378-9.

 

-57~62-

레이저의 구조와 원리