레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 에너지를 빛으로 변환하는 장치입니다. 전기적 또는 광학적 에너지로 원자나 분자를 여기시키면 빛을 방출합니다. 레이저는 평면 또는 구면 거울로 양끝이 막힌 공동(cavity)으로 구성되며, 내부는 레이저 가능 물질로 채워집니다. 이 물질은 빛이나 전기 방전으로 준안정 상태에 도달할 수 있어야 합니다. 결정, 유리, 액체, 염료, 기체 등 여기 가능한 물질이면 무엇이든 쓸 수 있습니다.
가장 단순한 공동은 두 거울로, 하나는 완전 반사, 다른 하나는 50~99% 반사합니다. 빛이 이 거울 사이를 오가며 강도가 증가합니다. 레이저 빛이 강한 빔으로 이동하므로 매우 밝은 빛을 냅니다. 레이저 빔은 먼 거리까지 투사 가능하고, 매우 작은 점으로 집속할 수 있습니다.
거울 종류가 빔 유형을 결정합니다. 한쪽 거울이 1~2%만 투과하면 매우 밝고, 단색성(단일 파장 또는 단일 색상), 간섭성이 높은 빔이 나옵니다. 평면 거울을 쓰면 빔은 고도로 평행화(collimated)됩니다. 오목 거울을 쓰면 빔은 공동 한쪽 끝 근처에서 나옵니다. 첫 번째 경우의 빔 특성은 의료 분야에서 매우 유용한데, 의사가 원하는 부위를 정확히 겨냥해 주변 조직 손상을 피할 수 있기 때문입니다.
반도체 레이저는 전기 에너지를 빛으로 변환합니다. 이는 도체와 절연체 사이의 전도도를 가진 반도체 물질을 이용해 가능합니다. 반도체에 특정 양의 불순물을 도핑해 음전하 전자나 양전하 정공의 수를 조절합니다.
다른 레이저 유형과 비교해 반도체 레이저는 소형, 신뢰성 높음, 긴 수명이 장점입니다. 이러한 레이저는 광증폭기와 공진기라는 두 기본 구성요소로 이루어집니다. 증폭기는 갈륨 비소(GaAs) 또는 인듐 인(InP) 기판 기반의 직접 천이 반도체 물질로 만듭니다. 이들은 주기율표 3족과 5족 원소 기반 화합물입니다. 이 물질들의 합금을 기판 위에 정확한 양의 다른 물질을 포함한 층상 구조로 형성합니다.
공진기는 증폭기를 통해 빛을 지속적으로 순환시키며 집속을 돕습니다. 이 구성요소는 보통 도파관과 두 평행 평면 거울로 구성됩니다. 이 거울들은 반사율을 높거나 낮게 조절하고 고출력 밀도로부터 손상 저항을 개선하기 위해 코팅됩니다.
반도체 성능과 비용은 출력 파워, 밝기, 동작 수명에 달려 있습니다. 파워는 공정의 최대 처리량이나 이송 속도를 결정하므로 중요합니다. 높은 밝기, 즉 레이저 출력을 작은 점으로 집속하는 능력은 전력 효율을 결정합니다. 수명은 레이저가 오래 갈수록 운영 비용이 적게 드므로, 특히 산업용에서 중요합니다.
가장 단순한 반도체 레이저는 1W 이상의 연속파 출력을 내는 단일 이미터로 구성됩니다. 출력을 높이기 위해 바(bar)와 멀티바 모듈 또는 스택이 개발되었습니다. 바는 10~50개의 개별 반도체 레이저를 나란히 배열해 단일 칩에 통합한 것이고, 스택은 여러 바를 2차원 배열한 것입니다. 바는 50와트 출력을 내고 5,000시간 이상 지속됩니다. 이러한 고출력은 많은 열을 발생시키므로 냉각 시스템을 설계에 포함해야 합니다.
레이저 개념은 알버트 아인슈타인이 처음 제안했습니다. 그는 빛이 광자라 불리는 파동 에너지로 구성됨을 보였습니다. 각 광자는 파동 주파수에 해당하는 에너지를 가집니다. 주파수가 높을수록 파동이 더 많은 에너지를 운반합니다. 아인슈타인과 또 다른 과학자 S. N. 보스는 광자가 함께 이동하려는 경향의 이론을 개발했습니다.
레이저 작용은 1954년 노벨상 수상자 찰스 타운스(Charles Townes)와 동료들이 마이크로파 영역에서 처음 시연했습니다. 그들은 암모니아 분자 빔을 초점 전극 시스템으로 투사했습니다. 적절한 주파수의 마이크로파 전력을 공동에 통과시키자 증폭이 일어났고, '마이크로파 유도 방출 증폭(MASER)'이라는 용어가 탄생했습니다. '레이저'라는 용어는 1957년 물리학자 고든 굴드(Gordon Gould)가 처음 만들었습니다.
타운스는 아서 쇼롤(Arthur Schawlow)과 함께 1958년 레이저를 제안하고 1960년 특허받았습니다. 최초의 실용 레이저는 같은 해 휴즈 연구소(Hughes Research Laboratories)의 물리학자 시어도어 메이먼(Theodore Maiman)이 발명했습니다. 이 레이저는 연마된 알루미늄 원통형 공동 안에 플래시 튜브로 둘러싸인 핑크 루비 결정을 사용했으며, 강제 공랭식으로 냉각했습니다. 2년 후 플래시 램프를 아크 램프로 교체해 연속 발진 루비가 만들어졌습니다.
1962년 로버트 홀(Robert Hall)과 제너럴 일렉트릭 연구자들이 반도체 물질에서 레이저 작용을 시연했고, 다른 미국 연구자들이 곧 뒤따랐습니다. 상온에서 동작하는 최초의 반도체 다이오드 레이저 개발까지 약 10년이 걸렸으며, 이는 러시아 연구자들이 처음 시연했습니다. 벨 연구소가 러시아의 성공을 뒤따르면서 레이저 수명도 개선했습니다. 1975년 뉴저지의 다이오드 레이저 랩스(Diode Laser Labs)가 최초의 상용 상온 반도체 레이저를 출시했습니다.
이 진전에도 불구하고 이 레이저들은 여전히 통신 용도로는 부적절했습니다. 대신 필립스(네덜란드)와 소니(일본)가 1980년 다이오드 레이저를 이용해 CD를 개발한 후 오디오 콤팩트 디스크 분야에서 널리 쓰이게 되었습니다. 10년 말에는 연간 수천만 대의 CD 플레이어가 판매되었습니다. 최근에는 다이오드 레이저 기반의 디지털 비디오 디스크가 광학 저장 매체로 등장했습니다.
출력이 증가하면서 반도체 레이저는 다른 용도로 확장되었습니다. 1995년 이후 고출력 다이오드 레이저 성능은 25배 향상되었습니다. 이 높은 신뢰성으로 대량의 다이오드 레이저를 결합해 최대 25개 개별 다이오드 레이저 '스택'을 만들 수 있게 되었습니다.
1999년 레이저 다이오드 매출은 전체 레이저 판매의 64%를 차지했으며(1996년 57%에서 증가), 2000년에는 69%에 달할 것으로 예측되었습니다. 판매 대수 기준으로는 반도체 레이저가 전체의 약 99%(4억 대 이상)를 차지해, 대부분의 레이저 빛이 반도체 레이저에 의해 직접 또는 간접적으로(다이오드 펌핑을 통해) 생산됨을 의미합니다. 산업 용도 외에도 반도체 레이저는 고체 레이저와 파이버 레이저의 펌프 소스, 컬러 프루핑과 디지털 직접 제판 같은 그래픽 응용, 다양한 의료 및 군사 용도(표적 조명 및 거리 측정)에 쓰입니다. 2000년 Laser Focus World 추산에 따르면 의료 치료용 레이저의 약 34%가 반도체 유형이었습니다.
전형적인 반도체 레이저는 화합물 반도체인 갈륨 비소로 구성됩니다. 이 물질은 잉곳 형태로 나와 기판으로 가공된 뒤 다른 물질 층이 추가됩니다. 이 층을 형성하는 물질들은 특정 공식에 따라 정밀하게 계량됩니다. 이 레이저 제작에 쓰이는 다른 물질로는 특정 금속(아연, 금, 구리)을 첨가제(도펀트)나 전극으로, 이산화 규소를 절연체로 사용합니다.
이중 헤테로구조 레이저.
반도체 레이저의 기본 설계는 '이중 헤테로구조(double heterostructure)'로 구성됩니다. 이는 서로 다른 기능을 가진 여러 층으로 이루어집니다. 활성층(광증폭층)이 두 클래딩층 사이에 샌드위치되어 있습니다. 클래딩층은 활성층으로 전자를 주입합니다. 활성층의 굴절률이 클래딩층보다 크기 때문에 빛이 활성층에 갇힙니다.
접합 설계를 변경해 광학 공동의 회절 손실을 줄이면 레이저 성능을 개선할 수 있습니다. 이는 레이저 물질을 수정해 공동의 굴절률과 접합 폭을 제어함으로써 가능합니다. 물질의 굴절률은 불순물 종류와 양에 따라 달라집니다. 예를 들어 양전하 층의 갈륨 일부를 알루미늄으로 대체하면 굴절률이 낮아져 레이저 빛이 광학 공동에 더 잘 갇힙니다.
접합 폭도 성능에 영향을 줍니다. 좁은 치수는 전류를 레이저 길이 방향의 단일 선으로 한정해 전류 밀도를 높입니다. 피크 출력은 접합 길이 1cm(0.4인치)당 400와트 이하, 접합부 전류 밀도는 6,500A/cm² 미만으로 제한해야 레이저 수명이 연장됩니다.
2 기판 위에 층을 성장시키는 가장 일반적인 방법은 액상 에피택시(LPE)입니다. 기판이 원하는 조성의 용액과 접촉하면, 기판과 동일하거나 고정된 결정 성장 방향을 가진 층을 기판 위에 성장시킬 수 있습니다. 온도를 낮추면 반도체 화합물(GaAs 등)이 용액에서 결정 형태로 나와 기판에 퇴적됩니다.
LPE 시스템은 반응기(층 성장 구역), 기판 로딩 시스템, 펌프 및 배기 시스템(물질 투입/취출 후 공기나 불순 가스 제거), 가스 흐름 시스템(수소 가스를 반응기에 흘려 불순 가스 제거), 온도 제어 시스템으로 구성됩니다. 층이 오염되지 않도록 반응기 제작에 고순도 재료를 사용합니다. 로딩 박스는 보통 질소 가스로 채워 반응기 개방 시 공기를 퍼지합니다. 반응기는 일반적으로 석영관으로, 흑연 보트와 보트 홀더가 놓입니다. 흑연 보트는 외부 프레임, 기판 홀더, 스페이서, 멜트 박스로 구성됩니다.
반도체 구조가 성장하는 기판은 결정 방향, 에치 핏 밀도(EPD), 불순물 농도, 기판 두께, 웨이퍼 크기 등 특정 요건을 충족해야 합니다. 결정 방향은 수 도 이내여야 합니다. 에치 핏(직사각형 언덕이나 구멍)은 기판을 산 용액으로 선택적 에칭해 드러냅니다. 에치 핏 밀도(제곱센티미터당 에치 핏 수)는 전위 밀도 추정에 쓰이며, 이는 레이저 수명에 영향을 줍니다. EPD 10³/cm² 이하가 요구됩니다. 불순물 농도는 약 10¹⁸/cm³입니다. 기판 직경은 최대 3인치(7.6cm)까지이며, 보통 350마이크론 두께로 슬라이스됩니다.
성장 공정 후 반도체 웨이퍼 표면을 광학 현미경으로 검사합니다. 층상 구조를 보기 위해 웨이퍼의 연마 또는 클리빙 단면을 염색·에칭해 주사전자현미경으로 층 대비를 높여 관찰합니다. X선 회절로 층 조성을 확인하고 격자 패턴을 측정합니다. 층의 불순물 농도와 굴절률도 여러 분석법으로 측정합니다. 레이저 소자 제작 후 전압/전류 곡선, 임계 전류 밀도, 분광 특성 등 동작 파라미터를 측정합니다.
프로스트 앤 설리번(Frost & Sullivan) 업계 분석가들은 다이오드 레이저 시스템 시장이 2005년까지 약 46억 달러에 달할 것으로 예측합니다. 이 성장은 고출력 다이오드 레이저가 고체 레이저보다 저렴해지면서 재료 가공 분야 응용이 확대되는 데 기인합니다. 소형 크기와 전기 효율도 고출력 반도체 레이저를 열처리, 용접 같은 산업용으로 매력적으로 만듭니다. 새로운 물질 조성과 가공법도 응용 확대를 위해 개발 중입니다.
제조공정
모든 휴대폰 안엔 초당 수십억 번 뛰는 미세 기계적 심장, 마이크로기계 공진기가 있습니다. 이 공진기는 휴대폰 통신에 필수적입니다. 공중파 무선 주파수 소음 속에서 정확한 주파수만 골라 모바일 기기 간 송수신 신호를 처리합니다. 이 공진기 중요성이 커지며 과학자들은 장치가 제대로 작동하는지 신뢰성 있게 효율적으로 확인할 방법이 필요합니다. 공진기가 생성하는 음향파를 자세히 연구하는 게 최선입니다. NIST 신개발 기기로 음향파 초고해상도 영상화, 영화 제작 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진은 광범위 주파수 범위에서 음향파를
레이저 커팅은 레이저를 사용해 소재를 절단하는 공정으로, 고출력 레이저 출력을 주로 광학계를 통해 조사하여 작동합니다. 레이저 커팅은 주로 산업 생산 용도로 쓰여 왔으나, 점차 소규모 비즈니스, 학교, 취미용으로도 확대되고 있습니다. [레이저 광학계]와 CNC(컴퓨터 수치 제어)가 소재나 빛 빔을 제어하는 데 사용됩니다. 상업용 레이저 커터는 절단할 패턴의 CNC 또는 G-코드를 따라가기 위한 모션 시스템을 필요로 합니다. 초점 빔이 소재에 조사되면 소재가 녹거나, 타거나, 기화되거나, 가스 분사로 날아가버려 고품질 표면 마감의 절
