레이져의 응용 분야

 

레이져의 응용분야

군사용 - 포격 및 폭격시 탄두 유도, 총기류 사격시 목표 확인, 레이저를 이용한 미사일요격및 목표 파괴, 현재 군사용 레이저는 전장에서 일상적으로 사용되고 있으며 소화기 조준용에서부터 미사일 요격에 이르기까지 그 용도가 다양하다. 레이저에 대한 군사적 관심은 크게 레이저 거리측정기 및 표적 지시기, 탐지 식별 장치, 레이저 통신에 집중되고 있으며 최근에는 로켓, 미사일 등을 요격하기 위한 고 에너지 레이저 분야가 많은 관심을 불러일으키고 있다. 그밖에도 레이저 모의 전투 훈련 체계를 비롯하여 광범위한 레이저 응용 분야들이 연구되고 있다

교육용- 큰 화면에 프리젠테이션시 지시봉 대신에 사용

레이저는 산란이 되지 않기 때문에 한곳을 딱딱 집어 설명 할 때 쓰인다.

기존 지휘봉으로는 가르치는 이의 팔이나 몸이 철판이나 교재를 가리어 불편한 점이 있었으나 레이저 포인터를 이용 하면 이러한 불편함 없이 프리젠 테이션을 할 수 있다.

<산업적 응용(welding,drilling,scribing)>

고출력레이저의 산업적 응용은 용접, 절단, 구멍뚫기 등이다. 산업적 응용에는 주로 10.6um파장의 CO2 레이저가 사용되는데 수 kW의 출력이 필요하며 저마늄렌즈를 이용하여 물질에 집속한다. 10 kW급의 CO2 레이저로는 5 mm 두께의 스테인레스강(SS304)을 1초 동안에 10 cm 정도의 속도로 용접이 가능하다. 레이 저 용접의 특징은 직접 접촉없이 정밀하게 고속 용접이 가능하고 재료의 변현이 적고 상이한 재료의 용접도 가능하다. 렌즈에 의한 초점에서 날카로운 집속은 금속, 피륙 등 여러 가지 재질의 절단에도 유리하다. 복잡한 문양이라 할 지라도 정밀 절단이 가능하고 고속절단이 가능한 것이 주요 이점이다.

금속은 적외선을 대부분 반사하기 때문에 산소를 고압으로 공급하면 효율이 높아진다. 영화 "007 골드핑거"에서 레이저로 두꺼운 철판을 절단하는 장면은 관객들에게 레이저에 대한 강렬한 인상을 심어줬다. 금 속뿐만 아니고 옷감이나 가죽 등의 절단은 컴퓨터에 의한 복잡한 모양의 조감을 만들 수 있으므로 기성 복 업계나 제화공업 등에도 널리 이용된다. 또한 IC 회로에 쓰이는 알루미나와 실리콘 기판의 조각 내기에도 매우 유용하게 쓰인다. 재래식은 다이아몬드 바늘 또는 톱날을 이용하여 흠집을 내었으나 속도가 느리고 치밀하지 못해서 레이저로 대체하면 생산단가가 낮아져 경제성이 높다.

약한 출력의 레이저 응용  우리나라에서도 최근에 비교적 널리 보편화된 바코드 (Bar code, 상품에 부착된 검은 띠)는 이미 구미제국에서 널리 시행되고 있다. 상품마다 부착된 독특한 바코드는 He-Ne레이저에 비추면 반사된 빛이 전기 신호로 바뀌어져 품목명과 가격이 계산서에 찍혀지게 된다. 이것 은 많은 상품의 구매시에 많은 시간과 인원의 절감효과를 가져올 뿐만 아니라 대형 수퍼나 백화점의 효율 적인 재고관리가 가능하다.

최근에 CD 재생장치의 보급으로 음향기기의 질이 획기적으로 개선되었다. CD 재생장치는 광학계와 구 동계로 구성되어 있으며 광학계는 GaAs기판에 AlGaAs층이 있는 반도체레이저로서 0.78um의 레이저 빛을 방출한다. 레이저 빛과는 편광프리즘에서 직각으로 반사함으로서 직선편광이 되고 1/4파장판으로 원편광이된 다음 렌즈로 CD판에 집속된다. 초점에 집속된 레이저빛은 양 1um 크기를 갖는다. CD판에 기록된 0 또 는 1의 신호에 따라 반사되는 빛의 세기가 달라진다. 반사된 빛은 원통형 렌즈로 집광 다이오드에 입사되어 전기적 신호로 전환된다. 구동된 빛은 레이저 빛의 초점이 정확히 CD판에 일치하도록 수직이동과 수직 이동이 가능하도록 하는 장치이다. 재래식 전축에서와는 달리 직접 CD와의 접촉이 없으므로 마모나 손상이 없는 장점이 있다.

<의학용>

미세한 부위에 빛에너지를 집중할 수 있는 특징 때문에 외과 수술시 칼 대신에 100W 내지 200W급의 CO2레이저가 쓰이고 있다. 레이저로 수술하면 세포조직의 물분자에 의해 10.6um의 빛이 잘 흡수되므로 쉽사리 응고되어 지혈에 훌륭한 효과가 있다. 아르곤레이저는 망막치료에도 사용되지만 성형외과에서 피부의 주근깨 등 점을 제거하는 피부미용에도 이용되고 있다. 또한 피부암의 치료에도 He-Ne레이저가 사용되고 있는데 이것은 He-Ne레이저의 632.8 nm 파장이 신체조직을 잘 투과하는 성질을 이용한 것이다. 피부암 환자에 HPD(hematoporphrine derivative)라는 약제를 투여하면 이 화합물은 암세포부위에만 침착되는데 이것은 632.8nm 의 빛을 잘 흡수하는 물질이다. 이 상태에서 He-Ne레이저의 빛을 광섬유로 피부조직에 주사하면 건강한 조직에서는 레이저광이 잘 투과하므로 영향이 없으나 암세포 주위에 침전되어 있는 HPD가 빛을 흡수하고 흡수된 광에너지를 암세포에 전달 함으로서 암세포가 죽게 되는 것이다.

그 외의 중요한 응용 중의 하나는 거리측정이다. 지구와 달 까지의 정확한 거리 측정은 레이저에 의해서 비로소 가능해졌다. 달표면에 설치된 코너튜브(coner tube)는 4면체로된 거울로서 빛이 입사하면 입사방향과 평행한 반사광을 얻을 수 있는 장치이다. 이 코너튜브에 10 초의 짧은 펄스레이저를 보내면 송신지점으로 되돌아 오므로 빛의 왕복시간을 알 수 있고 이로서 정확한 거리를 계산해 낼 수 있는 것이다. 따라서 지구에서 달까지 거리는 15 cm오차 이내의 거리로 정확히 측정된다.

<광통신>

현재 가장 많이 쓰이는 다중 통신기술은 진동수 분할 방식으로서 반송파(carrier wave)의 진동수를 일정하게 분할하여 신호를 얻는다. 분할된 진동수 영역 (흔히 채널이라 부른다)은 (예를들면 4 GHz-4 GHz+4kHz, 4.000004-4.000008 GHz, 4.0000008-4.000012 GHz 등) 선폭이 넓을수록 많게 할 수 있으므로 많은 신호를 동시에 보낼 수 있는 것이다. 레이저빔의 지향성은 통신에 유용한 성질이다. 그러나 더욱 유용하게 응용되는 성질은 정보를 실을 수 있는 용량이 크다는 데 있다. 즉 전화용으로 선폭이 4 kHz이고 흑백 TV용 전자기파 선폭이 4 MHz라면 흑백 TV용 전자기파는 전화에 비해 1000배의 정보량을 1초 동안에 보 낸다는 것을 뜻한다. 따라서 많은 정보량을 짧은 시간에 보낼려면 큰 선폭이 바람직하고 선폭이 크기위해서 반송파의 진동수가 높아야 하는데 반도체 레이저나 Nd:glass레이저 등은 발진파장이 0.8um와 1.06um의 근적외선이므로 마이크로파에 비해 진동수가 약 만 배 높고 선폭이 수 십 GHz의 넓은 선폭을 가지고 있다. 따라서 채널당 20 GHz의 선폭을 이용하는 컬러 TV 인 경우 수 천 채널을 동시에 방송이 가능한 것이다. 그러나 레이저는 이렇게 유리한 점만 있는 것이 아니고 여러 가지 결점이 있는데 비, 안개, 먼지 등과 대기의 난류 등에 영향을 많이 받으며 마이크로파에 비해 장애물을 통과하는 능력이나 반사하는 것이 약 한 결점도 있다. 이 결점을 제거한 방법이 대기 중을 진행시키는 대신 광섬유로 통과하게 하는 것이다. 수년 전만 하더라도 진행 중의 손실로 수 km마다 증폭기를 사용해야 하는 결점으로 인하여 주로 단거리 통신, 즉 도시내 전화국간 통신에 이용되곤 했으나 저손실 광섬유의 개발로 국제적인 광통신에까지 이르게 되었다. 이것은 수십가닥의 기존의 동축 케이블 용량을 1개의 광섬유로 대신 할 수 있게 되므로 광통신 기술의 발달은 컴퓨터의 기술 개발과 더불어 머지않아 소위 정보화 시대에의 진입이 예견되고 있다.

<홀로그래피>

홀로그래피란 보통 사진이 물체 또는 대상을 평면적으로 기록하는데 반해 입체적으로 기술하는 사진기술로서 이에 대한 이론은 1946년 가보 ( D. Gabor,1972년 노벨상 수상자 )에 의해 정립되었으나 대단히 간섭성이 좋은 빛이 요구됨으로 50년대 까지는 불가능하였다. 따라서 60년대 레이저의 출현으로 비로소 가 능하게 되었다. 이것은 매우 혁신적인 기술로서 기록된 필름(홀로그램)을 놓고 각도를 달리할 때 마치 실제물건을 보는 것과 같이 달라지며 양측 측면의 일부까지 볼 수 있다. (그러나 물체 또는 대상의 뒷면까지 볼 수 있는 것은 아니다.) 그 원리를 간단히 살펴보기로 하자.

레이저광이 지나가는 광로에 선속분할기(Beam splitter)로 불리우는 유리를 놓으면 투과하는 레이저 빛과 반사하는 레이저 빛으로 나눌 수 있다. 거울로 반사된 후에 볼록렌즈를 지난 후 한쪽은 물체 또는 대상을 비춘다. 다른 한쪽은 그대로 진행하는데 물체에서 반사된 빛과 1mm에 2000선 정도 기록할 수 있는 고 분해능의 유체가 유리판에 발라진 특수 사진건판 (Kodak 649F 등)에서 중첩된다. 두 빛은 파면의 중첩으로 사진건판에는 간섭무늬가 생성된다. 일정시간 노출 후에(노출동안 일체의 진동이 있어서는 안된다.) 현 상을 한 필름이 바로 홀로그램이다. 홀로그램을 다시 렌즈로 확대된 레이저광을 비추면 앞서 촬영한 물체 또는 대상을 입체적으로 볼 수 있게 된다. 이 홀로그램은 파손되어 일부만 있더라도 상을 얻을 수 있는 특징이 있으며 매우 작은면적에 많은 정보를 기록할 수 있으므로 광기록(Optical memories) 분야에 유용하고 그 외에도, 비파괴검사(Nondestructive testing) 등에 사용된다.