책상 위의 레이저 포인터와 공장의 가공 장비는 둘 다 레이저입니다. 그런데 빛을 키우는 재료는 같지 않습니다. 관 속의 기체일 수도, 투명한 결정일 수도, 가는 광섬유일 수도, 반도체 조각일 수도 있습니다.
이 재료를 이득 매질(gain medium)이라고 부릅니다. 이득 매질이 달라지면 매질에 에너지를 넣는 방법인 펌핑(pumping)도, 대표 파장(wavelength)도, 쓰임새도 달라집니다. 아래에서는 기체, 고체, 광섬유, 반도체 네 갈래를 차례로 보고 끝에 표 하나로 묶습니다.
레이저를 나누는 기준: 이득 매질
레이저에는 이득 매질, 에너지원, 빛을 되먹이는 공진기(optical resonator)가 있어야 합니다. 이 가운데 이득 매질로 쓰는 물질은 폭이 넓습니다. 루비 결정 같은 고체도, 기체와 플라스마도, 유기 염료 같은 액체도 쓰입니다.
레이저를 부를 때도 보통 이득 매질로 구분합니다. 제조사 Newport(MKS)의 기술 문서에는 기체, 액체, 반도체, 고체 레이저라는 네 이름이 나옵니다.
이 글의 네 갈래는 그 넷과 조금 다릅니다. 액체(염료)는 빼고 광섬유 레이저(fiber laser)를 따로 올렸습니다. 광섬유와 반도체를 고체 레이저에 넣는지가 자료마다 다르기 때문입니다.
RP Photonics 백과는 광섬유 레이저를 고체 레이저의 특별한 한 종류로 보고, 반도체 레이저도 고체 레이저이지만 그 이름으로 늘 부르지는 않는다고 덧붙입니다. Newport는 광섬유 레이저를 덩어리(bulk) 고체 레이저와 보통 따로 다룹니다. 여기서는 광섬유와 반도체를 각각 한 갈래로 세웠습니다. 그렇더라도 광섬유 레이저는 고체 레이저의 한 형태이기도 합니다.
갈래를 나누는 기준은 이득 매질의 형태 하나뿐입니다. 연속파(continuous-wave, CW)인지 펄스(pulsed)인지 하는 동작 방식, 그리고 파장은 이와 다른 축입니다.
기체 레이저
빨간 빛을 내는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저가 기체 레이저(gas laser)의 대표 예입니다. 기체 레이저는 관 속에 가둔 기체가 이득 매질입니다. 대부분은 이 관에 전류를 흘려 원자를 들뜨게 합니다. 이것이 전기 방전입니다.
헬륨-네온 레이저는 632.8 nm의 빨간 빛을 자주 내지만 543.5 nm 같은 다른 파장으로도 만들 수 있습니다. 파장 표에 632.8 nm 하나만 싣는 자료가 있는가 하면, 543, 594, 612, 633 nm 네 선을 나란히 싣는 자료도 있습니다. 또 하나의 대표 예인 이산화탄소(CO₂) 레이저의 파장은 10.6 μm 부근입니다.
Newport는 기체 레이저가 한때 널리 쓰였지만 특수한 용도를 빼고는 레이저 다이오드(laser diode, LD) 등으로 많이 대체됐다고 봅니다. 이 흐름의 예외로는 이산화탄소 레이저와 엑시머(excimer) 레이저를 꼽는데, 둘은 레이저 가공과 안과 수술 시장에서 여전히 큰 몫을 한다는 것입니다.
고체 레이저
고체 레이저(solid-state laser)는 투명한 결정이나 유리에 활성 이온을 불순물로 넣어 이득 매질로 씁니다. 이 결정이나 유리를 모체라고 부릅니다. 넣는 이온은 희토류나 전이 금속 이온입니다.
대표 예는 Nd:YAG입니다. YAG라는 결정에 네오디뮴 이온을 넣은 것으로, 가장 흔한 파장은 1064 nm입니다. Newport의 파장 표에는 1060 nm로 적혀 있습니다.
펌핑에는 플래시관이나 레이저 다이오드를 씁니다. 지금은 레이저 다이오드로 펌핑하는 경우가 가장 많습니다.
광섬유 레이저
고체 이득 매질을 덩어리 대신 가는 실처럼 길게 뽑은 것이 광섬유 레이저입니다. 광섬유 자체가 이득 매질이 됩니다. 광섬유에는 희토류 이온을 넣는데, 가장 흔한 이온은 이터븀(Yb), 어븀(Er), 툴륨(Tm)입니다.
가늘다는 것만이 특징은 아닙니다. 광섬유는 빛을 긴 거리 동안 좁게 가두어 이끄는 성질이 있어서, 덩어리 고체 레이저와 보통 따로 다룹니다. 거의 모든 광섬유 레이저는 레이저 다이오드나 다른 광섬유 레이저의 빛으로 펌핑합니다.
이터븀 광섬유 레이저의 파장을 찾아보면 숫자가 여러 가지로 나오는데, 자료마다 가리키는 것이 달라서입니다. Newport 표의 1030 nm는 이터븀 유리의 공칭값이고, New Mexico 대학 강의 슬라이드의 1020~1050 nm는 940~980 nm 다이오드로 펌핑하는 레이저의 범위입니다. IPG Photonics가 적은 1007~1070 nm는 자사 고출력 연속파(CW) 제품군의 파장입니다. 어븀 광섬유는 Newport 표에 1530~1560 nm로 실려 있습니다.
반도체 레이저(레이저 다이오드)
레이저 포인터에 쓰이는 것이 반도체 레이저(semiconductor laser)입니다. 이득 매질은 반도체입니다. 접합에 순방향 전류를 흘려 다이오드처럼 동작하기 때문에 흔히 레이저 다이오드라고 부릅니다.
접합은 n형과 p형, 서로 다른 두 반도체가 만나는 영역입니다. 반도체 레이저 대부분은 이 영역에 전류를 흘려 펌핑하는 레이저 다이오드입니다.
파장은 반도체 재료에 따라 다르고, 자료마다 재료를 묶는 방식도 다릅니다. Boston University의 안전 문서에는 두 계열이 나옵니다. GaAlAs(갈륨·알루미늄·비소) 계열이 750~950 nm, InGaAsP(인듐·갈륨·비소·인) 계열이 1100~1650 nm입니다. Newport 표는 재료를 세 묶음으로 나눠 410 nm, 630~900 nm, 1100~2000 nm를 싣는데, 410 nm는 GaN이라는 재료의 값입니다.
한눈에 보는 비교 표
아래 도표는 앞에서 나온 대표 파장을 한 축에 찍은 것입니다. 가로축은 로그 눈금이라 같은 간격이 같은 배수를 뜻하고, 0이 아닌 300 nm에서 시작합니다. 자료마다 값이 다른 곳에는 자료 이름이 붙어 있습니다.
| 갈래 | 대표 예 | 이득 매질 | 펌핑 | 대표 파장 | 대표 쓰임새 |
|---|---|---|---|---|---|
| 기체 | 헬륨-네온 | 관 속의 기체 | 전기 방전 | 632.8 nm (Boston University 표: 543, 594, 612, 633 nm) | 간섭계, 홀로그래피, 바코드 스캐닝 |
| 기체 | 이산화탄소 | 관 속의 기체 | 전기 방전 | 10.6 μm | 재료 가공, 수술, 치과 |
| 고체 | Nd:YAG | 결정이나 유리 모체에 넣은 활성 이온 | 플래시관 또는 레이저 다이오드 | 1064 nm (Newport 표는 1060 nm) | 재료 가공, 거리 측정, 수술, 다른 고체 레이저 펌핑 |
| 광섬유 | 이터븀 광섬유 | 이온을 넣은 광섬유 | 레이저 다이오드(보통) | 1030 nm 부근 (자료에 따라 1007~1070 nm) | 재료 가공, 초단펄스 연구, 라이다(LIDAR) |
| 반도체 | 레이저 다이오드 | 반도체 접합 | 전류(대부분) | 재료에 따라 다름 (Newport 표: 410 nm, 630~900 nm, 1100~2000 nm) | CD·DVD·블루레이, 레이저 포인터, 광섬유 통신, 고체 레이저 펌핑 |
효율은 어느 레이저가 더 좋은지 가리는 값으로 읽기 어렵습니다. New Mexico 대학 슬라이드가 적은 대표 효율은 헬륨-네온 0.1% 미만, Nd:YAG 10% 미만, 이산화탄소 20% 미만, GaAlAs 다이오드 40% 미만이고 측정 조건은 적혀 있지 않습니다. RP Photonics 백과는 레이저 다이오드의 전기-광 효율을 보통 약 50%로 적습니다. 두 값이 같은 기준으로 잰 것인지는 알 수 없으므로, 40% 미만과 약 50%를 곧바로 견주어서는 안 됩니다.
다음에 읽을 글
- "파장은 왜 중요한가: 보이는 빛과 보이지 않는 빛": 파장 값이 무엇을 뜻하는지 봅니다.
- "CW 레이저와 펄스 레이저는 어떻게 다른가": 매질과 다른 축인 동작 방식을 봅니다.
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