E​. 레이저 모드

E​. 레이저 모드

사진 3-6-E-1. 레이저 번 페이퍼에 조사된 ​레이저 빔

 레이저 모드는 공진기 내 전자기파의 진동 상태를 말한다. 광학적 피드백 소자인 공진기 내에 갇힌 빛은 양쪽의 거울 사이를 여러 번 왕복하게 되면서 서로 간섭을 하게 되어 결국은 주어진 공진기에서 특정한 모양과 주파수의 빛만이 계속 존재할 수 있게 되고, 다른 모양과 주파수의 빛은 상쇄간섭을 통하여 사라지게 된다. 이렇게 왕복운동을 하면서 계속 재생산될 수 있는 빛의 방사 패턴은 공진기 내에서 안전하게 존재하게 된다.

 

이처럼 두 장의 거울로 구성된 공진기에서 전자기파는 특정한 고유 모드를 형성하여 두 가지의 모드, 즉 종모드(longitudinal mode)와 횡모드(transverse mode)를 갖는다. 종모드는 공진기 축과 평행한 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 같다. 횡모드는 공진기 축과 직교하는 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 수직이다. 종모드와 횡모드에 의해 레이저의 결맞음과 레이저빔의 퍼짐이 결정되므로 이러한 성질들은 레이저를 활용하는 데 있어서 매우 중요하다.

 

(1) 종모드

그림 3-6-E-2. q값에 따른 종모드의 형태

 레이저가 공진기 내에서 만들어 낸 광파는 공진기 양쪽 거울에 반사되면서 자신과 똑같은 광파를 만들어 동일한 위상으로 겹쳐져 그 세기가 더 커지게 된다. 종모드는 공진기의 축(z축)을 따라 형성되는 특정한 정상파(standing wave)의 모양으로, 공진기 양쪽 거울에 의한 수많은 왕복운동의 결과로 형성된 보강간섭을 일으키는 파장에 해당한다. 패브리-페로 공진기 내부에서 진행하는 광파는 거울 사이의 거리(L)에 의해 결정되는 정상파가 되는데, 거울 사이의 거리가 반파장의 정수(q)배가 될 때 공진기가 공명하여 정상파가 내부에 존재하게 되며, 이는 L이 λ/2의 정수배가 되어야만 가능하다.

 

L = q λ/2

 

 여기서 q는 모드수(mode order)로 불리는 정수이며, 실제 공진기의 길이는 수 cm에서 수 m에 이르고 발진 파장은 μm 내외로 매우 짧기 때문에 q값은 매우 큰 값이 된다. 이러한 식을 만족하는 각각의 q값과 그에 해당하는 파장을 갖는 고유진동을 공진기의 종모드라고 한다.

 

 따라서 무한히 많은 수의 진동하는 종모드가 존재할 수 있는데, 각 모드는 독특한 주파수를 가진다. 이웃하는 모드는 일정한 차만큼 떨어져 있고, 이 모드 간격은 자​유 스펙트럼 영역​(free spectral range)으로, 왕복 시간의 역수이다. 공진기의 공진 모드는 보통의 자발적인 원자 천이의 대역폭보다 훨씬 좁은 주파수 범위를 가진다. 즉, 공진기가 주어진 좁은 밴드만을 필요하다면 심지어 단 1개의 밴드만을 선택하여 증폭하며, 이러한 이유로 레이저는 극도의 단색성을 가지는 것이다. 공진기 내에 단일 모드만 생성시키는 하나의 방법은 모드 간격이 천이 대역폭보다 커지게 하는 것인데, 그러면 단 1개의 모드만이 천이 진동수 영역 안에 들게 된다.

  

(2) 횡모드

 

 공진기의 축(z축)을 따라 형성되는 정상파에는 종모드 외에 횡모드가 있다. 전기장 및 자기장이 공진기 축에 모두 거의 수직이므로 TEM 모드(transverse electromagnetic mode)라 부르고 있다. 이처럼 직사각형 대칭성(rectangular symmetry)을 가지고 있는 직교좌표계에서의 횡모드 패턴은 TEMmn과 같이 표기한다. 첨자 m과 n은 방출빔을 가로지르는 각각 x와 y 방향의 가로마디선의 수이다. 말하자면 빔의 단면이 1개 또는 그 이상의 영역으로 나누어진다는 것이다. 원래 각 모드를 완전히 지정하기 위해 TEMmnq로 표시하는데, 여기서 q는 종모드 수로서 각 횡모드(m,n)에서 많은 종모드(즉 q값)가 있을 수 있으나, 종종 하나의 특정한 종모드를 취급하는 것은 불필요하므로 아래 첨자 q를 일반적으로 생략한다.

 

 

 한편, 공진기가 원통형 대칭성(cylindrical symmetry)을 갖는 경우의 횡모드 패턴은 가우스 빔 형태와 라게르 다항식의 결합에 의해 묘사되며 TEMpl로 표기한다. 여기서 p는 방사(radial) 모드수이고 l은 각(angular) 모드수에 해당한다. 가장 단순한 기본 모드를 TEM00모드라고 하는데, TEM00모드의 가장 중요한 물리적인 의미는 빔 세기의 분포가 가우스함수 모양이라는 점이다. 또한, 다른 모드와는 달리 횡방향으로 위상변화가 없는 단일 위상 모드이므로 공간적으로 완전한 가간섭성을 가진다. 빔의 각퍼짐이 최소이고 매우 작은 점으로 초점을 맺을 수 있으므로 가장 많이 사용된다.

 

 

 TEM00모드는 최소 스폿사이즈와 최고 에너지를 가진 레이저빔으로, 초점거리에서는 물론이고 초점거리 밖에서도 모드를 그대로 유지할 수 있는 유일한 레이저빔의 양상이다. 그러므로 절개용으로 이용하기에 가장 이상적이며, 주위 조직에 가장 열 손상을 적게 준다는 장점이 있다. 하지만 이 모드의 진폭은 파면에 걸쳐 일정치 않으므로 비균질파라는 점에 유의하여야 한다.

 

 고차로 되는 것은 각각 TEM10, TEM20, TEM30, TEM11, TEM21 등과 같이 부르며, 이를 다횡모드(multitransverse mode) 또는 고차(higher order) 횡모드라고 한다. 전기장의 형태가 단순한 가우스 분포에서 벗어나 핫스폿(hot-spots)들의 규칙적인 패턴을 갖는 횡방향 복사조도분포를 갖는다. TEM0i* 모드는 소위 '도넛모드'로 불리며, 이는 두 개의 TEM0i 모드(i=1,2,3)가 서로 360°/4i로 회전하여 중첩된 특수한 경우이다. 모드의 전반적인 크기는 가우스빔의 반경에 의해 결정되며, 빔 전송에 의해 조절할 수 있지만, 전송 도중에도 일반적인 형태가 유지된다.

 

 

그림 3-6-E-3. 레이저빔의 에너지분포(측면): 가우스모드(TEM00)와 도넛모드(TEM01*)

 횡모드가 복잡하게 나타나는 레이저 빔은 시간적으로나 공간적으로 가간섭성 정도도 낮게 나타나게 된다. 많은 경우에 레이저 빔의 출력은 기본모드와 몇 개의 고차모드들의 조합으로 구성된다. 기본모드는 다른 높은 차수의 횡모드에 비해 가장 작은 지름에 가장 작은 발산을 가지므로, 공진기 내에 조리개를 장치해서 높은 차수는 제거하고 기본모드만 내보낼 수 있다.

 

 의료용 레이저에 있어서 레이저빔의 에너지 분포양상은 레이저를 정확히 초점에 맞추는 데 매우 중요한 의미를 가지고 있는데, 레이저 발생장치를 설계하기에 따라 하나의 단독 스폿 전반에 분포해 있는 레이저 에너지의 상태는 달라질 수 있다. 또한, 레이저의 사용 목적에 따라 레이저빔의 에너지 분포의 양상이 달라질 필요가 있는데, 예컨대 절개를 위한 레이저빔이라면 중심부의 에너지가 가장 강력하고 가장자리로 갈수록 에너지가 감소하는 양상을 보이면 효과적일 것이며, 넓은 면적을 기화시키거나 색소반발 없는 색소 병변 치료를 위한 레이저빔이라면 레이저빔의 에너지가 스폿 전반에 구석구석까지 골고루 균일하게 분포되면 좋을 것이다.

 

 

참고문헌

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*2. Pedrotti FL, Pedrotti LS, Pedrotti LM. Introduction to optics. 3rd Edition. Addison-Wesley 2007: 675-702.

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레이저의 구조와 원리

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

(5) 전달장치(Delivery system)

사진 3-6-C-13. 접힘팔(articulated arm) 방식 전달장치

 외부 에너지원의 펌핑에 의해 매질에서 밀도반전이 이루어지고 유도방출에 의해 공진기에서 증폭된 빛이 목표 부위에 전달되기까지 특수한 전달장치가 필요하다. 증폭된 레이저빔을 전달하기 위한 전달장치로는 두 가지 형태가 있는데, 한 가지는 여러 개의 반사경을 이용하여 레이저빔을 전달하는 접힘팔(관절) 방식의 전달장치(articulated arm)이고, 다른 하나는 가늘고 유연한 광섬유(optical fiber)를 이용한 전달장치이다.

광섬유는 주로 실리카나 특수 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 빛을 전달하는 섬유와 같은 가는 선을 말한다. 광섬유의 중심에 있는 굴절률이 큰 코어(core)를 굴절률이 작은 클래딩(cladding)이 감싸고 있으며, 전체를 합성수지로 피복하여 보호하고 있다. 광섬유 코어의 한쪽 끝에 입사한 빛은 광섬유가 휘어져 있어도 내부 전반사를 통하여 빛을 한쪽에서 다른 쪽으로 전달시킨다. 이처럼 빛의 진로를 마음대로 유도할 수 있기 때문에 의료용으로는 내시경이나 레이저 전달장치 등에 이용되고 있다.

사진 3-6-C-14. 유연한 광섬유(optical fiber) 전달장치

 광섬유는 유연성과 가동성이 좋아서 사용이 편리한 장점이 있다. 하지만 레이저 빛이 광섬유를 통과하면서 일부 흡수되어 출력의 저하를 가져오며, 휘어진 광섬유를 통과하면서 내부에서 굴절을 거듭하여 평행성을 어느 정도 잃고 분산하게 되는데, 이러한 레이저 빛의 분산은 광섬유 끝에 초점 렌즈를 부착함으로써 레이저빔의 직경을 조절할 수 있다. 아르곤레이저, 다이레이저, 롱펄스 엔디야그레이저, 롱펄스 알렉산드라이트레이저 등은 이러한 광섬유를 이용한 전달장치를 사용한다.

 CO₂레이저의 경우 광섬유에 흡수가 많이 되므로 레이저광을 전달하는 데는 관절방식의 딱딱한 전달장치를 아직도 많이 이용한다. 관절 방식의 전달 관은 흡수와 분산이 적은 장점이 있지만, 유연성이 좋지 않아 사용에 불편이 크다. 관절 방식의 전달장치 내에 들어 있는 거울들도 CO₂레이저 빛을 흡수하므로 zinc selenide(ZnSe) 등으로 코팅되어 있다. 그 외에도 어븀야그레이저, 큐스위치 루비, 큐스위치 알렉산드라이트, 큐스위치 엔디야그레이저 등에는 이러한 관절암 방식의 전달장치가 사용되고 있다.

 한편으로는 비록 관절 방식 전달장치의 CO₂레이저가 1970년대 의료용으로 처음 도입된 이후 여전히 계속 사용되고 있지만, 기존 광섬유의 문제점을 해결한 중공 도파관(hollow waveguide) 전달장치를 가진 CO₂레이저가 개발되고 나서 많은 발전이 이루어지고 있다. 현재 사용되고 있는 이러한 광섬유 전달장치의 CO₂레이저는 관절방식의 전달장치보다 가볍고 가늘며 유연하고 시술 시 움직임의 제한이 없으며 인체공학적이고 핸드피스의 초점 팁을 조직 가까이 접근시킬 수 있어 섬세한 시술이 가능하며 지시 빔이 필요 없다는 장점이 있다.

 

참고문헌

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레이저의 구조와 원리

(4) 냉각장치(Laser chiller)

사진 3-6-C-12. 레이저 냉각장치의 예(롱펄스 엔디야그레이저)

 레이저시스템에서 전체효율(overall efficiency)은 작동 특성 중 중요한 항목으로 여겨진다. 레이저시스템의 전체효율은 그 레이저를 펌핑하기 위한 총 일률에 대한 그 레이저의 출력의 비율을 말한다. 흔히 사용되는 여러 가지 레이저의 전형적인 효율은 1% 미만에서 25% 정도의 범위에 걸쳐있으나, 많은 고출력 레이저시스템들이 1% 미만의 효율을 가지고 있다. 레이저 출력에 기여하지 못하는 펌핑 에너지들은 피할 수 없이 열에너지로 전환되는데, 만약 이 열을 제거하지 않으면 레이저시스템의 부품들은 손상을 받거나 품질이 떨어지게 된다. 이처럼 레이저 장비는 고열이 발생하기 때문에 냉각장치가 필요하다. 수냉식과 공냉식이 있는데, 대개 고출력 레이저 장비는 수냉식이고, 저출력 레이저 장비는 공냉식이다.

 고체 매질을 사용하는 레이저는 일반적으로 냉각 재킷으로 이득 매질(종종 광학적 펌프)을 둘러싸서 냉각시킨다. 물 또는 냉각 기름이 이러한 냉각 재킷을 통해 흐르면서 레이저의 열을 빼앗아 가게 한다. 기체나 액체 매질의 레이저는 동일한 방식으로 냉각하거나, 공진기 내에서 매질 자체를 흘려 다시 한번 펌핑되기 전에 냉각시키기도 하는데, 이러한 냉각 방식은 CO₂레이저나 다이레이저에서 사용된다. 헬륨네온레이저와 같은 저출력 레이저들은 외부 냉각 시스템을 필요로 하지 않으나, 고출력 레이저에서 냉각 시스템은 가장 핵심적인 부분에 해당한다. 

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레이저의 구조와 원리

(3) 광학 공진기(Optical resonator)

 사진 3-6-C-11. 큐스위치 엔디야그레이저 공진기

 주어진 펌핑시스템과 밀도반전을 만들 레이저 매질에 이어 세 번째 필수적인 요소는 레이저 매질을 통해 광자가 왔다 갔다 할 수 있도록 전환시키는 광학적 피드백 소자인 광학 공진기이다. 가장 기본적인 형태의 광학 공진기(optical resonator, optical cavity)는 정밀하게 배열된 평면 또는 곡면 형태의 거울의 짝들로 구성되는데, 이것들은 레이저시스템의 광축을 따라 정렬된다. 하나의 거울은 가능한 반사율이 100%에 가깝도록 선택하며, 나머지 거울은 반사율이 100%보다 다소 작아서 일부 투과된 빛이 레이저 출력 빔이 되도록 한다. 즉, 레이저 공진기 내부의 거울 중 하나는 레이저 출력을 발생시키기 위해 부분적 투과가 가능해야 한다.

 레이저의 공진기는 두 가지 점에서 중요한데, 하나는 레이저 매질의 증폭을 강화하는 것이고, 다른 하나는 빛을 결맞는(코히런트) 상태로 만든다는 점이다. 거울의 배열을 조정하거나 거울 사이의 간격을 늘림으로써 빛을 평행 광선으로 만들어 아주 작은 한 점에 집중시킬 수 있다.

 반사율이 큰 두 개의 거울을 마주 보게 한 형태의 것을 파브리-페로(Fabry-Pérot) 공진기라 하고, 그 거울이 평면인지 구면인지에 따라 또는 구면의 곡률 반지름과 거울 사이의 거리와의 관계에 따라 평면평행형(plane-parallel), 공중심형(concentric), 공초점형(confocal), 반구형(hemispherical) 또는 반공중심형(hemiconcentric), 오목볼록형(concave-convex) 등으로 분류된다.

회절 손실을 크게 하여 거울의 측면으로부터 출력을 얻는 것을 불안정형 공진기, 거울의 한 부분에 구멍 등 투과율이 좋은 부분을 설치하여 출력을 얻도록 한 것을 결합공형 공진기라고 한다. 세 개 이상의 거울을 써서 광로를 고리 모양으로 한 고리형 공진기, 여러 개의 공진기를 결합한 복합 공진기, 도파관으로 가로 방향의 빛을 가두어 두는 도파관 공진기도 있다. 또한, 진행파형 공진기는 반사면 하나로 빛을 한 방향으로 진행시키기만 함으로써 가간섭성 빛을 얻도록 한 고이득 레이저로, ASE(amplified spontaneous emission)형이라 하며, 파장선택 공진기는 공진기의 한쪽 반사 거울 대신 파장선택용의 광소자, 즉 프리즘이나 회절격자를 사용한 것을 말한다.

결과적으로 공진기는 정상파 주파수 근처의 선폭 좁은 주파수를 공급하게 되므로, 레이저 공진기는 피드백 소자로 작용할 뿐만 아니라 주파수 필터로도 작동하게 된다. 레이저 거울은 대개 구면거울로서, 반복적으로 나타나는 안정적인 전자기장의 패턴(공진기 모드)은 평면거울에 의해 생성되는 평면 정상파보다 훨씬 복잡하다. 거울의 기하학적 모양과 분리 거리는 레이저 공진기 내부의 전자기장의 모드 구조를 결정지으며, 출력되는 레이저 빔의 파면에 나타나는 전기장 패턴의 정확한 분포(빔의 횡방향 복사조도)는 공진기 구조와 거울의 표면 상태에 의존한다.

레이저 모드는 공진기 내 전자기파의 진동 상태를 말한다. 광학적 피드백 소자인 공진기 내에 갇힌 빛은 양쪽의 거울 사이를 여러 번 왕복하게 되면서 서로 간섭을 하게 되어 결국은 주어진 공진기에서 특정한 모양과 주파수의 빛만이 계속 존재할 수 있게 되고, 다른 모양과 주파수의 빛은 상쇄간섭을 통하여 사라지게 된다. 이렇게 왕복운동을 하면서 계속 재생산될 수 있는 빛의 방사 패턴은 공진기 내에서 안전하게 존재하게 된다. 이처럼 두 장의 거울로 구성된 공진기에서 전자기파는 특정한 고유 모드를 형성하여 두 가지의 모드, 즉 종모드(longitudinal mode)와 횡모드(transverse mode)를 갖는다. 종모드는 공진기 축과 평행한 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 같다. 횡모드는 공진기 축과 직교하는 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 수직이다. 종모드와 횡모드에 의해 레이저의 결맞음과 레이저빔의 퍼짐이 결정되므로 이러한 성질들은 레이저를 활용하는 데 있어서 매우 중요하다.

또한, 레이저는 여러 가지 기술을 적용하여 출력을 증가시키거나 모드 변조를 할 수 있는데, 예컨대 공진기 덤핑(cavity dumping), 큐스위칭(Q-switching), 모드 잠금(mode locking) 및 펄스 압축(CPA) 등이 있으며 이를 위해서는 레이저 발진기에 여러 가지 광학 소자를 첨가하여 공진기를 구성한다.

 

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레이저의 구조와 원리