이산화 탄소 레이저

이산화 탄소 레이저(Carbon-dioxide laser, CO2 레이저)는 개발된 최초의 가스 레이저 중 하나였다. 1964년 벨 연구소의 쿠마르 파텔(Kumar Patel)이 발명했으며 여전히 가장 유용한 레이저 중 하나이다. 이산화 탄소 레이저는 현재 사용 가능한 최고 출력의 연속파 레이저이며, 매우 효율적이다. 출력 전력 대 펌프 전력의 비율은 최대 20%에 이른다. CO2 레이저는 9.6 및 10.6 마이크로미터(μm)를 중심으로 하는 주요 파장 대역의 적외선 광선을 생성한다.

증폭
활성 레이저 매질(레이저 이득/증폭 매질)은 인가되는 전력에 따라 공기 또는 물로 냉각되는 가스 방전이다. 밀봉된 방전관 내의 충전 가스는 약 10–20%의 이산화 탄소 (), 약 10–20%의 질소 (), 몇 퍼센트의 수소 () 및 제논 (Xe)으로 구성되며, 나머지는 헬륨 (He)이다. 가 지속적으로 펌핑되는 관류형(flow-through) 레이저에서는 다른 혼합물이 사용된다. 구체적인 비율은 특정 레이저에 따라 달라진다.

레이저의 밀도 반전은 다음과 같은 순서로 달성된다. 전자 충격이 질소의 {v1(1)} 양자 진동 모드를 들뜨게 한다. 질소는 동종핵 분자이므로 광자 방출에 의해 이 에너지를 잃을 수 없으며, 따라서 들뜬 진동 모드는 준안정성을 띠고 상대적으로 수명이 길다. {v1(1)}과 {v3(1)}은 거의 완벽하게 공명하며(질소의 비조화성, 원심 왜곡 및 진동-회전 상호작용을 고려할 때 전체 분자 에너지 차이는 3 cm−1 이내이며, 이는 병진 모드 에너지의 맥스웰 속도 분포에 의해 충분히 보충됨), 는 이산화 탄소 분자에 진동 모드 에너지를 전달함으로써 충돌에 의해 바닥 상태로 돌아가며, 이로 인해 이산화 탄소는 {v3(1)}(비대칭 신축) 진동 모드 양자 상태로 들뜨게 된다. 그 후 는 {v1(1)}(대칭 신축) 진동 모드로 떨어지면서 10.6 μm에서 복사 방출하거나, {v20(2)}(굽힘) 진동 모드로 떨어지면서 9.6 μm에서 복사 방출한다. 이산화 탄소 분자는 차가운 헬륨 원자와의 충돌에 의해 {v1(1)} 또는 {v20(2)}에서 {v20(0)} 진동 모드 바닥 상태로 전이하며, 이로써 밀도 반전을 유지한다. 결과적으로 생성된 뜨거운 헬륨 원자는 이산화 탄소 분자에서 밀도 반전을 생성하는 능력을 유지하기 위해 냉각되어야 한다. 밀봉형 레이저에서 이는 헬륨 원자가 레이저 방전관의 벽에 부딪히면서 발생한다. 관류형 레이저에서는 와 질소의 연속적인 흐름이 플라스마 방전에 의해 들뜨고 뜨거운 가스 혼합물은 펌프에 의해 공진기에서 배출된다.

헬륨의 첨가는 준안정 He(23S1)과의 근공명 해리 반응으로 인해 의 초기 진동 들뜸에도 역할을 한다. 헬륨을 네온이나 아르곤과 같은 다른 비활성 기체로 대체하면 레이저 출력이 향상되지 않는다.

분자 진동 및 회전 모드 양자 상태의 들뜸 에너지가 낮기 때문에, 이러한 양자 상태 사이의 전이로 인해 방출되는 광자는 가시광선 및 근적외선보다 상대적으로 에너지가 낮고 파장이 길다. CO2 레이저의 9–12 μm 파장은 대기의 중요한 대기 투과 창(이 파장에서 대기 투과율 최대 80%)에 해당하며, 많은 천연 및 합성 재료가 이 범위에서 강한 특성 흡수를 보이기 때문에 유용하다. Yong Zhang and Tim Killeen, Gas Lasers: CO2 Lasers - progressing from a varied past to an application-specific future, LaserFocusWorld (4 November 2016)

레이저 파장은 방전관 내의  분자를 구성하는 탄소와 산소 원자의 동위원소 비율을 변경하여 조정할 수 있다.

구조
CO2 레이저는 적외선 영역에서 작동하므로 제작에 특수한 재료가 필요하다. 일반적으로 거울은 은도금 처리가 되며, 창(window)과 렌즈는 저마늄 또는 셀레늄화 아연으로 만들어진다. 고출력 응용 분야의 경우 금 거울과 셀레늄화 아연 창 및 렌즈가 선호된다. 다이아몬드 창과 렌즈도 사용된다. 다이아몬드 창은 매우 비싸지만, 높은 열전도율과 경도 덕분에 고출력 응용 분야와 오염된 환경에서 유용하다. 다이아몬드로 만든 광학 소자는 광학적 특성을 잃지 않고 샌드 블라스팅 처리를 할 수도 있다. 과거에는 렌즈와 창을 소금(염화 나트륨 또는 염화 칼륨)으로 만들었다. 재료는 저렴했지만, 대기 중의 수분에 노출되면서 렌즈와 창이 서서히 퇴화되었다.

가장 기본적인 형태의 CO2 레이저는 가스 방전(위에 명시된 것과 유사한 혼합 가스 포함)으로 구성되며, 한쪽 끝에는 전반사경이 있고 출력단에는 출력 결합기(부분 반사 거울)가 있다.

CO2 레이저는 수 밀리와트(mW)에서 수백 킬로와트(kW) 사이의 연속파(CW) 출력을 갖도록 제작할 수 있다. 또한 회전 거울이나 전기 광학 스위치를 통해 CO2 레이저를 능동적으로 Q 스위칭하기가 매우 쉽고, 이를 통해 최대 수 기가와트(GW)의 Q 스위칭 피크 출력을 얻을 수 있다.Carbon Dioxide Amplifier at Brookhaven National Lab.

레이저 전이는 실제로 선형 3원자 분자의 진동-회전 밴드에서 일어나기 때문에, 레이저 공동 내의 튜닝 요소를 통해 P 및 R 밴드의 회전 구조를 선택할 수 있다. 중적외선을 투과하는 대부분의 매질은 빛의 일부를 흡수하거나 산란시키기 때문에 분산 프리즘은 튜닝 요소로 실용적이지 않으며, 따라서 진동수 튜닝 요소는 거의 항상 회절격자를 사용한다. 회절격자를 회전시킴으로써 진동 전이의 특정 회전선을 선택할 수 있다. 에탈론을 사용하여 가장 미세한 진동수 선택을 얻을 수도 있다. 실제로 동위원소 치환과 결합하면 880에서 1090 cm−1까지 확장되는 약 1 cm−1(30 GHz) 간격의 연속적인 진동수 빗(comb)을 사용할 수 있음을 의미한다. 이러한 "선택 튜닝 가능(line-tuneable)" 이산화 탄소 레이저F. J. Duarte (ed.), Tunable Lasers Handbook (Academic, New York, 1995) Chapter 4.는 주로 연구 분야에서 관심을 가진다. 레이저의 출력 파장은 이산화 탄소 분자에 포함된 특정 동위원소의 영향을 받으며, 무거운 동위원소일수록 더 긴 파장의 방출을 일으킨다.

응용 분야
썸네일|오른쪽|의료용 CO2 레이저

산업용 (절단 및 용접)
사용 가능한 높은 출력 수준(레이저의 합리적인 비용과 결합됨) 덕분에 CO2 레이저는 절단 및 용접을 위한 산업 응용 분야에 자주 사용되는 반면, 낮은 출력 수준의 레이저는 조각에 사용된다. 선택적 레이저 소결법(SLS)에서 CO2 레이저는 플라스틱 분말 입자를 융합하여 부품을 만드는 데 사용된다.

의료용 (연조직 수술)
이산화 탄소 레이저는 물(생물학적 조직의 대부분을 구성함)이 이 진동수의 빛을 매우 잘 흡수하기 때문에 외과 수술 절차에서 유용해졌다. 의료적 용도의 예로는 레이저 수술과 피부 재생(콜라겐 형성을 촉진하기 위해 기본적으로 피부를 기화시키는 "레이저 안면 거상술")이 있다. CO2 레이저는 돌기나 구진을 제거하여 진주양 음경 구진과 같은 특정 피부 질환을 치료하는 데 사용될 수 있다. CO2 레이저는 성대 낭종과 같은 성대 병변을 제거하는 데 사용될 수 있다. 이스라엘의 연구자들은 전통적인 봉합사의 대안으로 인간 조직을 용접하기 위해 CO2 레이저를 사용하는 실험을 하고 있다.

10.6 μm CO2 레이저는 광열(복사) 방식으로 절단과 지혈을 모두 달성할 수 있는 연조직용 최적의 레이저 수술 레이저로 남아 있다. CO2 레이저는 대부분의 수술 절차에서 메스를 대신하여 사용될 수 있으며, 기계적 외상이 수술 부위를 손상시킬 수 있는 섬세한 부위 등 메스를 사용할 수 없는 곳에서도 사용된다. CO2 레이저는 다른 파장을 가진 레이저와 비교했을 때 인간 및 동물 전문 분야의 연조직 수술에 가장 적합하다. 장점으로는 출혈 감소, 수술 시간 단축, 감염 위험 감소 및 수술 후 부종 감소가 있다. 응용 분야에는 부인과, 치의학, 구강외과 및 기타 여러 분야가 포함된다.

9.25–9.6 μm 파장의 CO2 치과용 레이저는 때때로 경조직 절제를 위해 치의학에서 사용된다. 경조직은 5,000 °C에 달하는 고온에서 절제되며, 밝은 열복사를 생성한다.

기타
일반적인 플라스틱인 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)는 2.8–25 μm 파장 대역의 적외선을 흡수하므로, 최근 몇 년 동안 CO2 레이저는 수백 마이크로미터 폭의 채널을 가진 미세 유체 장치를 PMMA로 제작하는 데 사용되어 왔다.

대기는 적외선에 대해 상당히 투명하기 때문에, CO2 레이저는 LIDAR 기술을 이용한 군사용 거리계에도 사용된다.

CO2 레이저는 분광학C. P. Bewick, A. B. Duval, and B. J. Orr, Rotationally selective mode-to-mode vibrational energy transfer in D2CO/D2CO and D2CO/Ar collisions, J. Chem Phys. 82, 3470 (1985). 및 우라늄 농축을 위한 SILEX 공정에 사용된다.

반도체 제조에서 CO2 레이저는 극자외선 발생에 사용된다.

소련의 폴류스는 SDI 위성을 파괴하기 위한 궤도 무기로 메가와트급 이산화 탄소 레이저를 사용하도록 설계되었다.

 같이 보기 
 이산화 탄소
 레이저

 각주 

 내용주

 외부 링크 
 Home-built Carbon dioxide laser

분류:미국의 발명품