D. 레이저의 동작 형태

 

 레이저의 출력은 공진기 내에서 빛이 발진하면서 얻어지는데, 레이저의 발진 동작은 크게 연속파 발진 동작(continuous wave operation)과 펄스 발진 동작(pulsed operation)으로 나눌 수 있으며 각각을 연속파 레이저와 펄스 레이저로 부른다. 연속파 레이저는 일정한 출력을 연속적으로 발진하며, 펄스 레이저는 펄스 형태의 출력을 일정한 반복 주파수로 발진한다. 펄스를 만들기 위해서는 연속파 발진에 의한 직접 광변조, 펄스 펌핑(pulsed pumping), Q 스위칭 또는 모드동기(mode-locking) 방식을 사용할 수 있다. 

 (1) 연속파(Continuous wave, CW)

사진 3-6-D-1. 연속파 CO₂레이저

 연속파(CW) 레이저는 시간적으로 일정한 출력으로 계속 발진할 수 있는 레이저를 말하며, 대출력이 필요한 경우는 기체레이저가 쓰인다. 1960년 최초의 연속파 레이저인 헬륨네온레이저가 개발되었고, 이후에 발명된 CO₂레이저도 연속파 기체레이저로서 초기 연구가들은 파장 10,600nm의 이 레이저가 물에 특별히 잘 흡수되어 주로 대부분 물로 구성되어 있는 인체조직을 미미한 혈액손실만으로도 메스처럼 절개할 수 있음을 발견하였다. 

 하지만 초기에 종양 치료에 주로 사용된 연속파 CO₂레이저는 한순간의 단절도 없이 레이저 에너지가 계속 방출되므로 조사 부위 조직에 축적된 열기가 주위의 정상 조직에도 전도되어 심한 화상과 흉터를 야기하는 문제를 발생시켰으므로 이러한 레이저를 치료목적으로 사용하는 데 상당한 어려움이 있었다.

 이처럼 연속파 레이저는 출력에 거의 변동 없이 지속적으로 레이저빔이 방출되므로 표적조직에 대한 효과 외에 필연적으로 주위 조직에 열에너지가 지속적으로 전달되어 불필요한 열 손상을 가져온다. 불필요한 조직 손상을 줄이기 위해 목표로 하는 조직만 선택적으로 파괴하고 주변 조직에는 열 손상이 적게 일어나도록 레이저빔이 짧은 시간 조사되고 쉬는 시간을 갖는 것이 반복되는 펄스 레이저의 개발은 필연적인 것이다. 

 연속파는 최대출력을 높힐 수 없고 부수적으로 주변 조직의 열 손상을 가져올 수 있지만, 레이저빔을 표적 조직에 지극히 짧은 시간만 강력하게 조사하고 주위 열 손상이 오지 않도록 휴식시간을 주는 형태의 이러한 방식은 목표로 하는 조직만을 파괴하고 그 주위 조직에는 열 손상을 최소화하여 흉터가 생기지 않도록 하므로 효과적인 레이저 치료가 가능해진다. 

(2) 펄스(pulsed)

그림 3-6-D-2. 연속파와 펄스(펄스 레이저는 매우 짧은 순간에 연속파 레이저와 동량의 에너지를 방출함)

 펄스 레이저(pulsed laser)는 연속파 레이저에 대비되는 말로, 연속파 레이저로 분류되지 않으면서 펄스 형태로 반복 출력하는 모든 레이저를 말한다. 펄스를 얻기 위해서는 펌핑을 펄스 형태로 인가하거나, 연속파를 셔터로 개폐하는 방법, 그리고 Q 스위칭 또는 모드동기 방식을 사용할 수 있다. 엑시머레이저나 구리증기레이저와 같은 일부 레이저는 연속파 발진이 아예 불가능하다. 펄스 레이저의 명칭에는 대개 펄스, 숏펄스, 롱펄스, 큐스위치 등과 같은 수식어가 따라붙게 된다. 

 펄스 CO₂레이저는 연속파 레이저를 일정한 시간적인 간격을 두고 전자식 셔터로 개폐하여, 매우 짧은 시간 동안만 방출하기를 반복되게 하여 표적 조직만 공격하고 주위 조직 손상은 매우 적게 일어나도록 개발한 것이다. 펄스와 펄스 사이, 즉 레이저가 방출되지 않는 동안에 광학공진기에 레이저 에너지가 충분히 축적되게 했다가 다음 펄스 때 높은 출력밀도로 방출하도록 한 것이다. 이렇게 함으로써 단순히 연속파를 토막 내어 일정한 출력을 내는 차단 레이저(chopped laser)보다도 더 강력하고 훨씬 짧은 기간의 레이저빔이 반복 방출되는데, 펄스 레이저는 이러한 매우 짧은 시간 동안에 연속파 레이저와 동량의 에너지를 방출한다. 펄스 레이저를 조사하면 펄스와 펄스 사이에 조직이 식게 되므로 주위 조직으로의 열전도가 연속파 레이저보다는 적게 되지만, CO₂레이저의 경우 그래도 역시 기대에 미치지는 못한다.

 수퍼펄스(superpulse) 레이저는 선택광선열융해(selective photothermolysis)의 목적을 달성하기 위해 개발된 특별한 CO₂레이저로서, 펄스 레이저보다도 휠씬 더 짧은 기간에 더 높은 에너지의 레이저빔을 방출할 수 있다. 즉, 강력한 최고출력(peak energy)을 사용하여 조직의 기화는 최대화하고, 펄스기간을 지극히 짧게 하여 열 손상은 최소화하는 것이다. 수퍼펄스 CO₂레이저는 전통적인 연속파 CO₂레이저보다는 최고출력이 2~10배 더 세다. 그렇지만 대부분의 수퍼펄스 CO₂레이저의 하나하나 펄스는 순간적으로 표적조직을 기화 또는 절개해버리기에 충분한 에너지밀도를 방출할 수 없으므로, 펄스와 펄스 사이에 조직의 열기가 식을 시간적 여유가 없을 만큼 빠른 속도로 펄스를 반복해서 방출해야 한다. 그러므로 수퍼펄스 CO₂레이저를 이용하면 펄스 CO₂레이저를 이용한 것보다는 주위 조직에 열 손상을 덜 가져다주기는 하지만, 임상적으로 양자 간에 큰 차이가 없어 조심스러운 시술이 이루어져야 한다. 

 울트라펄스(ultrapulse) CO₂레이저는 수퍼펄스 CO₂레이저보다 더욱 진보된 개념으로 개발되었는데, 단일 펄스가 피부의 열이완시간(695~950μsec)보다 짧은 기간(314μsec) 동안에 표적조직을 깨끗이 기화시키기에 필요한 것보다 더 높은 에너지밀도인 수퍼펄스 레이저의 5~7배를 방출한다. 그러므로 표적조직의 열기가 미처 주위 조직에 전도되지 않고, 펄스 시 조사 부위에 남아있을 수 있는 미량의 열기마저도 식어버리기에 충분한 시간적 여유를 주므로 주위 조직에 대한 열 손상이 최소화되어 좋은 효과를 보인다. 흉터 없이 레이저 박피를 효과적으로 수행할 수 있는 조건이 되며, 최근 병의원에서 사용되고 있는 대부분의 CO₂레이저는 울트라펄스 형태의 CO₂레이저이다.

그림 3-6-D-3. 연속파, 수퍼펄스, 울트라펄스의 비교

 (3) 큐스위칭(Q-switching)

 레이저로부터 펄스 에너지 출력을 만들어 내는 가장 간단한 방법은 펌핑을 펄스 형태로 인가하는 것이다. 다시 말해서 외부 에너지원을 켰다 껐다 하는 것이다. 이러한 펄스 펌핑(pulsed pump) 또는 이득스위칭 시스템(gain-switched system)을 이용하면 유용한 펄스들을 만들 수 있으나, 일반적으로 이러한 시스템에서는 복잡한 에너지의 교환으로 펄스의 특성을 제어하기 어려워진다. 그러므로 레이저광 펄스의 특성을 제어하기 위해 사용되는 두 가지 중요한 방법으로 큐스위칭(Q-switching)과 모드동기(mode-locking)가 있다. 

 Q스위치 엔디야그레이저, Q스위치 루비레이저 또는 Q스위치 알렉산드라이트레이저에 붙어다니는 'Q'의 의미는 무엇인가? 이것은 물리학과 전자공학에서 사용되는 용어인 품질 인자(quality factor) Q에서 유래되었다. Q는 공진기나 발진기에 저장된 에너지(stored energy)와 에너지 손실(energy loss)과의 비율을 말한다. 즉, Q가 높다는 것은 발진기에 저장된 에너지에 대한 에너지 손실의 비율이 적다는 것을 의미한다. 예컨대, 질 좋은 베어링에 매달린 진자가 공기 중에서 진동할 때는 높은 Q를 가지지만, 기름 속에서 진동할 때는 낮은 Q인 것이다. 

사진 3-6-D-4~5. quality factor(Q)

 Q스위칭은 레이저 공진기의 품질 인자 Q를 발진의 문턱치 이하에서 갑자기 문턱치 이상으로 증가시켜 피크 출력이 큰 펄스형의 레이저광을 얻는 방법을 말한다. 공진기에서의 손실률의 척도로서 품질 인자 Q를 도입하면, 손실률이 더 높은 공진기는 더 낮은 Q를 가진다. Q스위칭은 레이저의 출력을 펄스로 만들기 위하여 공진기의 손실률에 주기적으로 변화를 주는 기술이다. 낮은 Q를 갖는 공진기에서의 높은 손실률은 이득 매질에 큰 에너지가 저장될 수 있게 해주며, 다시 공진기가 낮은 손실, 높은 Q 상태로 스위칭되면 빛 에너지로 빠르게 방출된다. Q스위칭 방법에는 음향광학스위치, 전기광학스위치, 포화흡수체, 회전반사체(회전프리즘 또는 회전거울), 기계적 chopper를 이용한 방법들이 있다.

 초기에는 매질이 펌핑되어도 Q스위치가 빛이 매질로 다시 피드백되는 것을 막기 위해 낮은 Q로 광학공진기에서 작동하도록 되어 있어, 공진기로부터 어떠한 피드백도 없으므로 아직 레이저가 작동하지 못한다. 유도방출률은 매질에 들어가는 빛의 양에 의해 결정되므로, 매질이 펌핑됨에 따라서 증폭 매질 내에 축적된 에너지의 양은 증가한다. 자연방출과 그 밖의 다른 과정에서의 손실들 때문에 어떤 한 순간이 지나면 매질 내에 축적된 에너지가 거의 최대 수치에 도달하게 되고, 이를 증폭이 포화되었다고 말한다. 이 시점에서 Q스위치 장치가 낮은 Q 상태에서 높은 Q 상태로 빠르게 전환되면 피드백이 시작되고, 유도방출에 의한 광학적 증폭 과정이 시작된다. 매질 내에는 많은 양의 에너지가 이미 축적되어 있기 때문에 레이저 공진기 내에서 빛의 강도는 매우 빠르게 증가되며, 또한 이로 인해서 매질 내에 축적된 에너지의 대부분이 빠르게 소실될 수 있게 된다. 이러한 결과들의 총합이 거대펄스(giant pulse)라고 불리는, 극히 짧은 시간(ns) 동안에 매우 높은 출력을 순간적으로 방출하는 Q스위치 레이저빔을 발진시킨다. 

사진 3-6-D-6~7. 큐스위치 엔디야그레이저에서 실제 Q스위치의 사용

(4) 모드동기(mode-locking)

 모드동기(모드잠금, mode-locked)라는 용어는 레이저 공진기 내의 종모드(longitudinal mode)들 간의 위상동기(phase-locked)를 묘사하는 것으로, 각 모드들 간의 위상이 일치하지 않는 다중 모드에 의한 발진 레이저에서 인접한 모드 간의 주파수 차가 모두 같게 하기 위하여, 빔의 위상을 상대적으로 일정하게 결합하여 출력 광을 깨끗하고 날카로운 펄스 형태로 발진시키는 방법이다. 이와 같은 모드동기 방식을 사용하면 모드들 간의 결합에 의해서 시간 영역에서는 매우 짧은 펄스 광을 발생시킬 수 있고, 주파수 영역에서는 매우 넓은 스펙트럼을 형성할 수 있다. 

 일반적으로 레이저 공진기는 두 개의 거울과 이득 매질로 구성되어 있는데, 레이저 발생 초기 단계에서는 자발방출 광자뿐만 아니라 유도방출 광자들도 사방으로 방출되지만, 공진기 축 방향으로 진행하는 것을 제외하면 모두 소멸해 버린다. 공진기 축 상에 있는 광자들은 이득 매질을 가로질러 왕복을 거듭하며 차츰 증폭된다. 

 레이저의 모드에는 횡모드와 종모드가 있는데, 변조가 없는 레이저의 경우에는 발진 가능한 모드들이 임의의 위상을 가지므로 이들의 간섭을 포함하는 레이저의 출력은 시간적으로 불규칙한 변동을 나타낸다. 그러므로 모드들 간의 위상이 같고 각 모드들 간의 간격이 일정하다면 레이저는 일정한 시간 간격으로 출력될 수 있으며, 이러한 경우를 모드동기 또는 위상동기라고 부른다. 

그림 3-6-D-8. 능동형과 수동형 모드동기

 모드동기는 각 모드들 간의 위상을 같게 하거나 위상차를 일정하게 하는 방법으로 시간 폭이 극히 짧은 레이저 펄스(fs~ps)를 얻고자 할 때 가장 일반적으로 사용되는 방법이다. 펄스 폭이 펨토초(femtosecond)로 출력되는 레이저를 일반적으로 펨토초 모드동기된 레이저라고 부른다. 모드동기를 이루기 위한 방법으로는 공진기 내에 포화흡수체를 이용하는 수동형 방법과 음향광학소자 또는 전기광학소자와 같은 광변조기(optical modulator)를 이용하는 능동형 방법이 있는데, 수동형 모드동기 방식이 능동형 모드동기 방식에서 보다 더 짧은 펄스를 얻을 수 있기 때문에 현재는 수동형 모드동기 레이저가 많이 이용되고 있다. 수동형 모드동기 레이저로는 Kerr-lens 모드동기 Ti:sapphire 레이저가 일반적이다. 모드동기에 의해 펄스 발진 중 가장 짧은 펄스 폭을 얻을 수 있으나, 일반적으로 펄스 에너지는 큐스위칭에 의해 발생하는 출력보다는 작다. 

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레이저의 구조와 원리