(1) 에너지원(Energy source)

표 3-6-C-1. 펌핑방식에 따른 레이저의 종류 

 유도방출 과정에 의해 증폭된 빛인 레이저를 방출하려면 높은 에너지 준위에 있는 원자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 원자의 수보다 더 많게 되는 밀도반전(population inversion)이 이루어져야 한다. 일반적으로 열적 평형상태에서는 낮은 에너지 준위에 있는 원자 수가 높은 에너지 준위에 있는 원자 수보다 적을 수 없으므로, 자연상태에서는 낮은 에너지 준위의 원자 수가 높은 에너지 준위의 원자 수보다 항상 많다. 따라서 밀도반전이 일어나서 빛이 증폭되려면 인위적으로 밀도반전의 조건을 만들어 주어야 하며, 이는 레이저 매질에 에너지를 펌핑(pumping)시킴으로써 가능하다. 이처럼 레이저 매질 속에서 밀도반전을 발생시킬 수 있는 외부 에너지원을 펌프 혹은 펌핑시스템이라고 한다.

 밀도반전의 상태에서는 에너지를 방출하는 들뜬 원자의 밀도가 안정된 원자의 밀도보다 커지게 되며, 이때 충분한 에너지를 가진 광자가 외부에서 날아와 원자와 충돌하게 되면 충돌한 광자와 동일한 에너지를 가진 광자가 튀어나오게 된다. 이 광자들이 다른 원자들과 연달아 충돌하면서 다시 광자들이 튀어나와 광자의 수가 눈덩이처럼 커지게 되고, 매질의 양끝에 존재하는 공진기 거울에 반사되어 증폭되면서 마침내 광자들의 눈사태가 일어나듯 공진기 밖으로 튀어나오게 된다.

 펌핑방식(여기방법)에 있어서, 레이저 매질에 작용하여 그 원자들을 들뜨게 하고 필요한 만큼 밀도반전을 이룰 정도의 에너지 공급이 가능하다면 광학적, 전기적, 화학적 또는 열적 방법이 모두 가능하다. 1960년 Maiman에 의해 개발된 최초의 루비레이저는 루비 막대에 있는 불순물인 크롬 원자를 들뜨게 하기 위해 나선형의 플래시램프(섬광램프, flash lamp)를 이용한 광학적 펌핑을 시도하여 성공한 것이다. 헬륨네온레이저, CO₂레이저와 같은 기체 레이저의 경우에 가장 흔하게 사용되는 펌핑 방식은 전기적 방전이다. 하지만 고출력 CO₂레이저는 때로는 전자빔(electron beam)이나 기체동력학적(gas dynamic process) 펌핑을 하기도 한다. 액체 매질의 펄스색소레이저(PDL)나 흔히 사용되는 고체 매질의 레이저들의 경우는 주로 플래시램프나 다른 펌핑용 레이저를 사용한다. 다이오드레이저는 근본적으로 다른 매질을 가지지만, 광출력은 다이오드를 펌핑하기 위한 주입 전류의 변화를 통해 손쉽게 변조될 수 있다.

 

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레이저의 구조와 원리

C. 레이저의 구조

사진 3-6-C-1. 레이저 발생장치의 예(큐스위치 엔디야그레이저)

 모든 레이저는 크기와 상관없이 펌프라 불리는 외부 에너지원, 고체나 액체 또는 기체 등의 매질, 두 개의 거울로 구성된 공진기라는 세 가지 핵심요소로 구성되어 있다. 그러므로 의료용으로 사용되는 레이저 장비의 구조를 알기 위해서는 에너지원과 매질 및 공진기와 그 외 냉각장치, 전달장치 등에 대한 이해가 필요하다.

 

그림 3-6-C-2. 레이저의 구조

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레이저의 구조와 원리

B. 레이저광의 파장

사진 3-6-B-1. 레이저빔의 파장에 따른 색깔의 차이

 전자기파 스펙트럼에는 파장이 매우 긴 라디오파로부터 파장이 매우 짧은 감마선에 이르기까지 여러 가지 전자기파가 존재한다. 지상에 도달하는 태양광선도 기본적으로 전자기파이다. 전자기파는 빛의 속도(진공에서 299,792,458m/sec)로 여행하는 광자(photon)로 구성된 에너지의 한 형태로서, 각각의 광자는 파장과 주파수(진동수)를 가지고 있는 파동의 형태로 존재하는 작은 에너지의 꾸러미이다. 광자가 지닌 에너지는 파장에 반비례하여 광자의 파장이 길면 길수록 에너지는 낮아지고 짧으면 짧을수록 에너지가 높아진다.

 그런데 높은 에너지의 전하를 띤 입자나 복사에너지가 물질을 통과할 때 물질을 구성하는 원자나 분자로부터 전자를 분리시키는 이온화가 일어난다. 전자처럼 전하를 띤 입자들은 에너지가 높기 때문에 물질을 통과하는 경로를 따라 이온화를 일으키는 것이다. 또한, 전하를 띤 입자는 아니지만, 고에너지의 복사에너지인 감마선이나 엑스선과 같은 광자 펄스는 광전효과나 콤프턴효과 등을 통해 원자나 분자로부터 전자를 방출해 이온화를 일으킬 수 있다. 이렇게 분자나 원자에서 전자를 이탈시킴으로써 양이온과 자유전자를 만들 수 있는 전자기파를 이온화 복사(전리 방사선, ionizing radiation)라고 한다.

 복사에너지를 이온화 복사에너지와 비이온화 복사에너지로 나누는 기준은 복사에너지가 물질에 흡수되었을 때 이온화를 유발할 정도로 그 에너지가 높은가, 그렇지 않은가이다. 하지만 실제로 그 경계가 모호한데, 분자나 원자를 이온화시키는 데 필요한 이온화 에너지가 물질을 이루는 분자나 원자에 따라 차이가 있기 때문이다. 일반적으로 이온화 복사에너지를 정의할 때 수소나 산소가 이온화되는 에너지인 14eV를 참고하여 10eV를 기준으로 삼거나, 공기를 투과하면서 이온화시킬 수 있는 33eV 또는 탄소와 탄소 결합을 깰 수 있는 4.9eV를 기준으로 하는데, 이러한 기준에 해당하는 광자의 파장은 각각 124nm, 38nm, 250nm로 대부분 자외선 영역에 해당한다. 그러므로 자외선보다 에너지가 높은 감마선과 엑스선은 논란의 여지없이 이온화 복사에너지로 분류되지만, 자외선은 반응하는 물질에 따라 이온화 또는 비이온화 복사에너지로 작용할 수 있다.

 자외선은 10nm에서 400nm의 파장대를 가지는 복사에너지이다. 10~200nm 파장의 자외선은 공기분자에 의해 흡수되어 이온화를 유발하면서 곧 소멸하는 진공 자외선(vacuum ultraviolet ray)으로 분류되며, 100~280nm의 단파장 자외선인 UVC는 대기권의 산소에 흡수되어 오존을 형성하며, 이 오존은 지표에 도달하는 전자기파 복사에서 UVB와 UVC를 필터링하는 중요한 역할을 한다. 하지만 프레온가스로 불리는 CFC(chlorofluorocarbon) 화합물에 의한 오존층 고갈이 크게 우려되고 있다. 290nm보다 짧은 파장의 자외선은 살균력이 있으며, 파장이 짧을수록 입자성이 강해진다.

 인체에 영향을 미치는 자외선은 280~315nm(UVB)와 315~400nm(UVA) 파장에 해당하는 복사에너지로 태양광에 포함되어 지상으로 복사된다. 중파장 자외선인 UVB는 오존에 흡수되므로 결과적으로 태양광에 포함된 자외선의 99%는 대기권의 공기와 오존에 흡수되며, 기상 조건에 따라 차이를 보이지만 지상까지 전달되는 자외선의 95%는 장파장의 UVA에 해당된다. UVA의 에너지는 3.1~3.94eV로 이온화 복사에너지의 분류기준보다 낮아 직접적으로 생체 분자의 이온화를 유발하지 못하며, 암 발생에 결정적인 DNA 분자의 직접적인 손상을 일으키지 않는다. UVB는 3.94~4.43eV의 에너지를 가지지만 DNA에 직접적인 손상을 주기보다는 활성산소종과 같은 자유라디칼에 의한 이차적인 손상을 일으킨다. 에너지가 높은 단파장의 UVC는 이온화 복사에너지로 분류되고 생체 분자의 이온화를 일으키며, DNA에 직접적인 손상을 유발하여 돌연변이나 암을 유발할 수 있다.

 인류는 항상 태양의 복사에너지에 의지하며 살아왔다. 그중 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선과 자외선 일부 만이 대기권에 흡수되지 않고 지표면에 도달한다. 감마선이나 엑스선 그리고 단파장의 자외선과 같은 고에너지 광자의 경우에는 원자를 깨뜨리거나 분자의 화학결합을 무너뜨릴 수 있다. 반면에 라디오파나 마이크로파 그리고 적외선과 가시광선 등과 같은 저에너지 광자들은 이온화를 유발하지 못하며, 들뜬 상태로 만들거나 가열시키는 정도만 가능하다. 적외선과 가시광선 그리고 자외선 등의 광선에 속하는 광자들은 매질과 접촉하면 굴절되거나 투과 또는 흡수되는데, 인체의 조직은 일반적으로 가시광선보다는 800~1,200nm의 적외선을 더 잘 투과시킨다. 조직에 들어간 광자는 자신이 가진 에너지를 모두 매질에 전달하고 소멸하는데, 이때 전달된 에너지는 대부분 열로 변환된다.

 따라서 어떤 물체가 고출력의 복사에너지에 부딪히면 높은 열이 발생하므로 높은 출력의 광선을 작은 영역에 집중시키면 복사에너지의 흡수가 대단히 커서 물체를 태우거나 증발시켜 버릴 수 있고 이러한 원리가 의료용 레이저에도 적용되고 있다. 의료용 레이저의 파장은 몇 가지 예외를 제외하고는 대부분 가시광선 영역이거나 적외선 중 짧은 근적외선 영역에 속한다. 예컨대, 가시광선 영역의 파장을 가진 레이저는 아르곤레이저(488nm, 514.5nm), KTP레이저(532nm), 펄스색소레이저(585nm, 595nm, 600nm), 루비레이저(694nm), 구리증기레이저(511nm, 578nm), 크립톤레이저(521nm, 530nm, 568nm), 알렉산드라이트레이저(755nm) 등이고, 적외선 영역의 파장을 가진 레이저로는 다이오드레이저(800nm, 1,450nm), 엔디야그레이저(1,064nm, 1,320nm), 어븀글라스레이저(1,550nm), 어븀야그레이저(2,940nm), CO₂레이저(10,600nm) 등이 흔히 사용된다.

 전자기파 에너지가 가지고 있는 투과력은 각 전자기파의 파장에 따라 매우 달라서, 레이저의 파장이 그 레이저의 특징을 결정한다. 가시광선은 다만 유리를 통과할 수 있지만, 감마선과 엑스선은 파장이 매우 짧으며 입자가 조밀하게 응집되고 높은 에너지를 가지고 있어서 피부뿐만이 아니라 깊은 조직까지 침투하며 이온화를 유발하고, 인체 단백질을 변성시키며 화학반응을 일으키고, 암 발생을 유발할 수 있다. 하지만 의료용 레이저광은 이보다 긴 파장으로 이온화를 일으키지 않으며 인체를 투과하지 못하고 발암성이 없다.

 현재 수천 가지 다른 형태의 레이저가 존재하는데, 이들은 다양한 파장의 가시광선과 적외선 또는 자외선의 레이저 광선을 방출한다. 일반적으로 한 종류의 레이저는 독특한 하나의 파장을 가지고 있으며, 경우에 따라 일정한 범위 내에서 파장을 선택할 수 있도록 만들어져 있다. 하지만 파장을 바꿀 수도 있고, 심지어 작동 중에도 파장을 바꿀 수 있는 가변파장 레이저도 개발되어 있다.

 

참고문헌

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레이저의 구조와 원리

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.
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레이저의 구조와 원리

G.빛의 색채학

 사람은 가시광선에 해당하는 전자기파만을 시각적으로 감지할 수 있어서 가시광선 영역 내에서 단파장 계열은 파란빛으로, 장파장 계열은 빨간색으로 지각한다. 자칫 특정 파장의 빛이 특정 색상의 속성을 가지는 것으로 이해될 수 있으나, 빛이 색을 나타내는 것은 아니다. 색은 빛의 물리량에 따른 현상이 아닌 것이다. 가시광선 영역의 복사에너지가 눈의 망막에 맺힐 때 감광 색소가 어떻게 반응하느냐에 따라 빛 정보는 색 정보로 전환되어 신경 다발을 통해 뇌로 전달된 다음, 최종적으로 뇌에서 해석한 심리량이 비로소 색채이다.

 주변 사물을 여러 가지 색채로 인지하는 것은 광원에서 나온 빛이 물체 표면에 반사된 후 그 반사된 빛을 우리 눈이 감지한 결과에 해당하는데, 이러한 물체색은 물체 표면을 구성하는 원자나 분자가 만들어 내는 결과로서, 그 물질 자체가 가진 속성이다. 물감의 색을 본다는 것은 물감을 구성하는 물질이 특정 파장의 빛을 흡수하는 분자 구조를 가지고 있어 흡수되지 않는 파장의 빛만 눈에 지각되는 것이다. 예컨대, 파란 물감은 파란색으로 보이게 될 단파장의 빛을 제외한 다른 파장의 가시광선을 모두 흡수하기 때문에 파란색으로 보이는 것이다.

 

사진 3-5-G-1. 천마터널 내 졸음운전 방지를 위해 1km마다 나타나는 무지갯빛 조명

 하지만 물체색과는 달리 물체 표면의 미세한 구조적 특성에 의해 표현되는 색이 있는데, 이것을 구조색이라고 한다. 공작의 날개나 화려하고 아름다운 나비와 곤충들의 색은 빛의 흡수가 아닌 표면의 미세한 구조에 의한 빛의 간섭현상으로 나타난다. 최근 이러한 구조색의 원리를 인공적으로 다양한 곳에서 이용하려는 수요가 증가함에 따라 관련 기술을 확보하려는 활발한 학술연구가 진행되고 있다.

 또한, 물체 표면이 스스로 빛을 발하는 경우는 발광색이라고 한다. 태양을 보는 것은 발광색을 보는 것이고, 밤하늘의 달을 보는 것은 물체색을 보는 것이다. 책을 읽는 것은 물체색을 보는 것이고, 전자북을 읽는 것은 발광색을 보는 것이다. 그러므로 책을 읽기 위해서는 주변이 충분히 밝아야 하지만, 태블릿 컴퓨터로 전자 출판물을 읽기 위해서는 디스플레이의 밝기만 충분하면 그만이다.

 검은색이라는 물체색을 보는 경우, 검은색 물체는 그 표면에서 가시광선 영역의 빛을 모두 흡수해 버렸기 때문에 우리 눈이 감지할 재료가 없는 셈이 된다. 반대로 하얀색으로 보이는 경우는 물체의 표면에서 가시광선 영역의 빛을 대부분 난반사했기 때문이다. 따라서 물체색을 지각하기 위해서는 광원이 물체 표면을 향해야 하며, 물체 표면에서는 이를 반사해야 한다. 다시 말해 주어진 광원이 가시광선 영역에서 어떠한 에너지 분포를 가지고 있는지, 물체 표면의 반사율이 어떤지를 알 수 있다면 우리 눈에 감지될 빛의 물리적 속성을 예측할 수 있다. 그러므로 동일한 물체도 어떤 광원 아래서 관찰하느냐에 따라 다른 색으로 보일 수 있으므로 물체색을 측정할 때는 어떤 광원 하에서 관찰한 결과인지 반드시 설명할 필요가 있다.

참고문헌

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레이저의 구조와 원리