레이저의 원리

빛이란?
색이란?
가시광선이란?
레이저와 일반적인 빛의 차이
레이저의 어원
레이저의 원리
레이저의 종류
레이저 마킹기의 용도 구분
레이저의 발진 원리
레이저 발진관의 구조

빛이란?

빛은 「전자파」의 일종입니다. 「전자파」에는 파장이란 기준이 있고 파장이 긴 것부터 전파·적외선·가시광선·자외선·X선·감마선 등으로 구분됩니다.

색이란?

물체에 닿는 빛의 파장 중 물체에 흡수되지 않고 반사된 파장을 사람의 눈(망막)이 받아 들이면 우리는 그 파장을 물체의 「색」으로 인식합니다. 파장에 따라 굴절률이 달라지므로 빛이 분산됩니다. 그 결과 우리는 다양한 「색」을 인식할 수 있게 됩니다. 예를 들어 빨간 사과는(인간에게 적색으로 보이는 특정 파장의 광선이 포함된 백색광이 닿으면) 빨간 파장의 빛(600~700 nm)은 반사하고 다른 파장의 빛은 모두 흡수합니다.* 검은 물체는 모든 빛을 흡수하기 때문에 검게 보입니다.

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가시광선이란?

전자파 중 사람의 눈으로 볼 수 있는 파장의 범위를 「가시광선」이라고 합니다. 단파장 측이 360~400 nm, 장파장 측이 760~830 nm이고 「가시광선」보다 파장이 짧거나 길면 사람의 눈에는 보이지 않습니다.

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레이저와 일반적인 빛의 차이

일반적인 빛(램프 등)과 레이저에는 차이점이 있습니다. 우선 레이저는 지향성이 높은 빛을 발사하는데 이 빛은 거의 확산되지 않은 채 똑바로 뻗어 나갑니다. 그에 반해 일반 광원은 여러 방향으로 빛이 퍼져나갑니다. 또한, 레이저는 1가지 색으로 구성되어 있고 이를 단색성이라고 합니다. 일반 광원은 몇 가지 색이 섞여 있으며 형광등처럼 하얗게 보이는 것이 하나의 예입니다.
또한, 레이저는 파장 간 마루와 마루의 정렬 방식이 시간적으로 정확하게 일치하기 때문에 레이저끼리 겹치면 마루끼리, 혹은 골끼리 서로를 보강하는 간섭 무늬가 또렷이 나타납니다. 이러한 특징을 가간섭성이라고 합니다.

	자연광	레이저광
지향성 (직진성)	전구	레이저
단색성	파장이 제각각	파장이 일정
가간섭성 (Coherence)	위상이 제각각	마루와 골이 일정

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레이저의 어원

“복사의 유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭”을 의미하는
“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”에서 각 단어의 머리글자를 따온 것이 LASER란 단어의 어원입니다.

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레이저의 원리

원자(분자)는 외부로부터 에너지를 흡수하면 저준위(에너지가 낮은 상태)에서 고준위(에너지가 높은 상태)로 바뀝니다. 이 상태를 여기 상태라고 합니다.
이 여기 상태는 불안정한 상태이기 때문에 금방 에너지가 낮은 상태로 되돌아가려 합니다. 이것을 전이라고 합니다.
이때 에너지 차에 상응하는 빛을 방출합니다. 이 현상을 자연 방사라고 합니다. 방사된 빛은 동일하게 여기 상태인 다른 원자와 충돌하여 같은 전이를 유발합니다. 이 유도로 방사되는 빛을 유도 방사라고 합니다.

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레이저의 종류

레이저는 크게 고체·기체·액체의 3가지로 나뉩니다.

목적으로 하는 가공 용도에 따라 최적의 레이저가 달라집니다.

고체

Nd: YAG

YAG(이트륨·알루미늄·가넷)

기본 파장(1064 nm)

일반 마킹 용도

제2 고주파(532 nm)(그린 레이저)

실리콘 웨이퍼 등의 소프트 마킹 용도

미세 인쇄, 가공에 사용

제3 고주파(355 nm)(UV 레이저)

LCD의 마킹, 리페어 가공, VIA 홀 가공 등의 초미세 가공 용도

액정 리페어 가공…코팅 패턴을 자르고 복원하는 공정

VIA 홀 가공…PCB의 홀 가공

YAG 레이저(Nd: YAG): YAG 레이저는 일반 마킹 용도로 사용되며 수지 재질을 비롯하여 금속 재질의 마킹이나 트리밍 등의 가공 용도로 사용됩니다. 레이저 파장은 1064 nm의 근적외광으로 눈에 보이지 않습니다.
YAG란 Y(이트륨)·A(알루미늄)·G(가넷)이라는 결정 구조인 고체로, 이 결정에 Nd(네오디뮴 이온)이라는 발광 소자를 도핑하고 결정의 사이드부터 빛(램프나 LD)을 비춰 여기 상태로 만듭니다.

Nd: YVO₄(1064 nm)

YVO₄(이트륨·바나듐산염)

소문자 마킹 용도

높은 Qsw 주파수로 높은 피크 파워

에너지 변환 효율이 좋음

YVO₄ 레이저(Nd: YVO₄): YVO₄ 레이저는 더 작은 문자나 가공 등의 정밀 마킹 용도로 사용됩니다. 레이저 파장은 YAG와 같은 1064 nm의 근적외광으로 눈에 보이지 않습니다.
YVO₄란 Y(이트륨)V(바나듐)O₄(옥사이드) 또는 Y(이트륨)VO₄(바나듐산염)라는 결정 구조인 고체로, 이 결정에 Nd(네오디뮴 이온)이라는 발광 소자를 도핑하고 결정의 엔드부터 집광한 LD광을 비춰 여기 상태로 만듭니다.

Yb: Fiber(1090 nm)

Yb(이테르븀)

고출력 마킹 용도

증폭 매체의 표면적이 매우 커서 쉽게 고출력을 낼 수 있음

냉각 효율이 높아 냉각 기구를 간소화할 수 있으므로 소형화가 가능

LD(650~905 nm)

반도체 레이저(GaAs, GaAlAs, GaInAs)

기체

CO₂(10.6 μm)

가공기, 마킹 용도, 레이저 메스

CO₂ 레이저: CO₂ 레이저는 주로 가공기나 마킹 용도로 사용됩니다.
레이저 파장은 10.6 μm의 적외광으로 눈에 보이지 않습니다. 또한 발진관 내에는 CO₂ 가스 외에 N₂(질소)나 He(헬륨)이 규정량만큼 배합되고 완전 밀폐 상태로 봉입되어 있습니다.
이것을 「밀봉 타입」이라고 합니다. N₂는 CO₂의 에너지 준위를 높이고 He은 반대로 안정 상태로 낮추는 역할을 합니다.

He-Ne(630 nm)(적색)이 일반적

측정기 용도(형상 측정 등)

가장 많이 사용되는 레이저

출력이 낮아 형상 측정 등에 사용

엑시머(193 nm)

반도체 노광 장비, 안과 치료

불활성 가스와 할로겐 가스를 혼합하여 비교적 간단한 구조로 생성 가능

궁극의 적외선 레이저(DUV)로 흡수율이 매우 높음

(안과 치료에서는 수정체를 증발시켜 망막에 초점을 맞추는 교정에 사용됨)

아르곤(488~514 nm)

이화학용

다양한 색을 낼 수 있어 주로 바이오 관련 연구소 등에서 사용

액체

Dye(330~1300 nm)

이화학용

레이저광에 의해 여기된 색소는 형광 발산한다

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레이저 마킹기의 용도 구분

CO₂ 레이저 마킹기	파장 10600 nm: 종이·수지·글라스·세라믹에 마킹할 때 자주 사용됩니다. 투명체에도 흡수되는 파장이기 때문에 필름 마킹 등에도 사용됩니다. 고출력화 실현으로 성형품의 게이트 컷·PET 시트의 절단 등에도 이용할 수 있습니다.
YVO₄ 레이저 마킹기 YAG 레이저 마킹기 화이버 레이저 마킹기	파장 1064 nm(화이버: 1090 nm): (기본 파장) 금속·수지·세라믹에 마킹할 때 자주 사용됩니다. 수지에 대한 발색성이 좋아 가시성이 높은 인쇄를 할 수 있습니다. YVO₄나 YAG, 화이버 등은 매질이나 발진 방식이 다르기 때문에 같은 파장이라도 레이저광의 성격이 다릅니다. 고피크 파워·쇼트 펄스 레이저로 고품질로 세밀하게 인쇄·가공할 수 있는 YVO₄, 롱 펄스로 열을 가해 금속의 흑색 인쇄 또는 깊은 각인을 할 때 유용한 화이버, 품질에서는 뒤떨어지지만 큰 열량이 필요한 용접 등에서 성능을 발휘하는 YAG 등 대상 물체 및 목적에 맞춰 구분해서 사용해야 합니다.
그린 레이저 마킹기	파장 532 nm: (SHG 파장) 일반적으로 레이저의 파장은 짧을수록 에너지가 크고 물질에 대한 흡수율이 높아집니다. 따라서 YAG, YVO₄ 파장은 레이저광이 잘 흡수되지 않아 인쇄하기 어려운 소재에 적합합니다.
UV 레이저 마킹기	파장 355 nm: (THG 파장) SHG보다 파장이 더욱 짧은 적외선 영역의 레이저입니다. UV 레이저는 재질에 상관없이 흡수율이 높아 열 스트레스가 적은 것이 특징입니다. 따라서 제품에 대한 손상은 최소한으로 억제하고 발색성이 높은 인쇄를 할 수 있습니다.

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레이저의 발진 원리

레이저광이 발진하기까지의 원리에 대해 설명합니다.

1. 여기

외부에서 빛이 입사되면 원자 안의 전자는 빛을 흡수하여 가장 에너지가 낮은 상태 = 기저 상태에서 에너지가 더욱 높은 상태가 됩니다. 에너지가 높아지면 전자는 통상 궤도에서 바깥쪽 궤도로 이동합니다. 이렇게 에너지가 높아진 상태를 『여기』라고 합니다.

■ 원자의 상태

기저 상태의 원자
여기 상태의 원자

■ 전자의 상태

2. 자연 방출

여기된 전자는 흡수한 에너지 양에 따라 에너지 준위가 오릅니다. 에너지가 높아진 전자는 일정한 완화 시간이 경과하면 안정되기 위해 에너지를 방출하여 에너지가 낮은 상태로 되돌아가려 합니다. 이때 방출한 에너지와 같은 에너지의 빛이 방출됩니다. 이 현상을 『자연 방출』이라고 합니다.

■ 원자의 상태

■ 전자의 상태

3. 유도 방출

한 예로 아래 그림처럼 에너지가 높은 상태인 전자가 존재하고 이 전자가 지닌 에너지와 같은 에너지의 빛이 입사되면, 에너지·위상·진행 방향이 완전히 같은 빛을 방출합니다. 즉 입사 시 하나였던 빛이 방사 시에는 둘로 나뉘는 현상이 발생합니다. 이것을 『유도 방출』이라고 합니다.
유도 방출된 빛은 에너지·위상·진행 방향이 같기 때문에 많은 빛을 유도 방출시키면 이 세 가지 요소가 갖추어진 강한 빛을 만들어낼 수 있습니다. 레이저광은 이 유도 방출이라는 현상을 이용해 입사광을 증폭시켜 만들어집니다. 따라서 1. 단색성(모든 빛의 에너지가 같음), 2. 가간섭성(위상이 같음), 3. 고지향성(진행 방향이 같음)이란 특징이 있습니다.