Basic Theory for Laser Optical Measurement System
9.1.1 레이저의 特徵 (Laser Chrateristics)
9.1.2 레이저 發振器의 構造와 諸元 (Structure and Specifications of Laser Generator)
9.1.3 레이저 Beam의 基本 操作 (Basic Operation of Laser Beam)
9.1.4 레이저의 種類와 媒質 (Classifications and Mediums of Laser)
9.1.5 레이저 軸整列 시스템에 의한 축정렬시 有意 事項
1 레이저의 특징
Laser Chrateristics
레이저 광선은 인간이 만들어 얻은 유일한 인공 광선이다. 레이저의 빛은 태양과 같이 혼합된 것이 아니고 단일 빛이다 (레이저의 단색성). 일반적으로 보통 빛에 비하여 레이저 빛은 단색성, 지향성, 간섭성, 에너지 집중도 및 휘도성이 우수하다.
(1) 단색성
이것은 여러 가지 빛이 혼합되어 있지 않고 어느 정도의 순수한 단일광인가를 나타내는 것이다. 태양 빛은 여러 가지 빛이 혼합되어 있어서 프리즘을 통과하면 일곱 가지 색으로 분리되는데, 이것은 햇빛이 여러 가지 파장 또는 주파수의 빛으로 구성되어 있다는 것을 의미한다. 단색성이란 순수한 단일 주파수 즉 한 개의 주파수에의 접근 여부를 말하는 것이다 (그림 2-84 참조).
그림 2-84 레이저의 단색성
(2) 지향성
이것은 빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 어느 정도 직진하는가를 말한다. 한가지 예로써 회전 전등 빛과 레이저 빛을 비교해 보자. 회중 전등 빛은 앞으로 진행함에 따라 빛이 넓어지지만 레이저는 거의 넓어지지 않은 채 진행한다. 따라서 레이저 빛이 회중 전등 빛보다 지향성이 더 우수하다고 할 수 있다 (그림 2-85 참조).
그림 2-85 레이저의 지향성
(3) 간섭성
간섭이란 위상의 차이에 따라 명암의 무늬가 나타나는 현상으로, 레이저는 위상이 균일하기 때문에 약간의 장애물에 부딪히면 곧 간섭을 일으킨다. 그러나 햇빛과 같은 일반적인 빛은 주파수도, 위상도 가지각색이므로 간섭이 일어나기 어렵다 (그림 2-86 참조).
그림 2-86 레이저의 간섭성
(4) 에너지 집중도 및 고휘도성
태양 빛을 렌즈에 집중시키면 종이나 나무를 태울 수 있는 정도이지만, 레이저 빛의 경우에는 에너지 밀도가 높기 때문에 철판까지도 녹인다.
2 레이저 발진기의 구조와 제원
Structure and Specifications of Laser Generator
일반적으로 레이저 빛을 얻기 위해서는 레이저 발진기가 있어야 한다. 여기서는 레이저 발진기의 기본 구성에 대하여 고찰해 보자. 우선 레이저 발진 작용을 발생시키려면 그 원인이 되는 물질이 필요한데 이 물질을 레이저 매질이라고 한다. 그리고 외부에서 여기하기 위한 여기 매체(Pumping Source)와 공진기(Resonator) 등도 필요하다.
(1) 레이저 매질
레이저 매질은 액체, 기체, 고체 및 반도체의 4종류로 분리할 수 있다.
• 액체 — 색소
• 기체 — He-Ne, Ar, Kr, N2, Co2. XeF
• 고체 — Nd , 루비, 유리
• 반도체 — GaAs, Inp, GaAs-P, InAs
(2) 여기 매체
레이저 매질에 따라 여러 가지 여기 매체가 있는데, 구체적으로 레이저 이름과 그 방법을 서술하면 다음과 같다.
• 방전 — He-Ne Laser, Ar Laser, Kr Laser, N2 Laser, Co2 Laser
• 전류 — 반도체 레이저
• Flash Lamp — Nd:YAG Laser, 루비 레이저, 색소 레이저, 유리 레이저
• Laser — 색소 레이저
(3) 공진기
일반적으로 공진기는 2개의 반사형으로 구성된 Fabry-Perot 간섭계가 사용된다. 이것은 레이저 매질을 중심으로 양끝에 반사경을 부착시킨 것으로, 평면형과 구면형이 있으며, 보통 구면형의 거울은 반사율이 크기 때문에 고반사 거울이라 부르며, 출력측의 거울은 출력결합 거울이라 부른다.
(4) 레이저의 증폭작용
레이저의 기본 구성으로 레이저 매질, 여기 매체, 그리고 공진기가 있다. 이 기본 구성을 기본으로 레이저 광선이 형성되는 과정을 살펴본다. 레이저의 증폭 작용을 보여주는 그림 2-87의 A, B, C, D, E에서
(A) 레이저 매질의 양끝에 거울을 부착시킨 공진기로 여기 되기 전의 상태이다. 여기서 간단히 하기 위하여 H.R(후부반사거울)의 반사율은 완전 반사에 가까운 것으로, O.C(출력 거울)는 일부만 투과하는 것으로 한다.
(B) 여기 매체에 따라 대부분의 원자가 여기 상태로 이동한다.
(C) 몇 개의 원자는 자연 방출되며 어떤 원자는 외부로 빠져나간다. 굵은 화살표 방향으로(축에 평행) 이동하는 광자가 부근의 원자에 충돌하여 2개의 광자를 여기하여 방출시킨다. 또 이 2개의 광자가 다음의 원자에 충돌하여 4개의 광자를 방출시킨다. 이것이 계속해서 일어난다.
그림 2-87 레이저의 증폭작용
(D) 반사 표면까지 도달한 빛은 반사되어 거울 면으로 회절되며, 다시 같은 여기 방출을 몇 번이고 반복한다.
(E) 반사할 때의 손실이 레이저의 이득보다 적지 않으면 발진은 성장하며, 여기 매체에 의해서 주어지는 에너지를 완전히 방출시키기까지 힘은 증대한다. 이때 공진기 내부의 발진광이 일부 투과거울에 의해 누설되며, 방출된 빛이 레이저 빛의 출력이 된다.
(5) 레이저 장치의 제원
레이저 장치의 성능을 표시하는 항목과 제원에 대하여 서술하기로 한다. 레이저 빛의 특성을 이야기한다는 것은 레이저 매질 바로 그것의 차이를 밝히는 것이다. 기체 레이저는 여기가 균일하지 않거나 레이저 매질이 불균일할 경우 출력은 불안정하게 된다. 또한 불순물의 혼입도 고려해야 되며 레이저 매질은 일정한 기간이 지나면 교환되어야 하고 항상 순환한다.
① 발진 파장 (Wavelength)
발진하고 있는 레이저 빛의 중심 파장을 발진 파장이라고 한다 (예: 632.8 ㎚).
② 레이저 출력
연속 발진과 간헐 발진과는 레이저 출력의 표현 방법이 다르다. 연속 발진의 경우는 Watt, 간헐 발진의 경우에는 Joule로 표시한다 (그림 2-88 참조).
그림 2-88 레이저의 출력 에너지
③ 빔 직경
레이저 장치의 출구에서 측정한 빔의 λe2 또는 86.4%의 출력광이 얻어지는 점이 바로 빔 직경이다. 빔은 진행함에 따라 확산되기 때문에 거리의 함수로 표시할 수 있다 (예: 4.65 ㎜).
④ Warm-Up 특성
이것은 전원을 투입한 이후 완전히 안정한 상태로 되기까지(열적 평형 상태에 도달할 때까지) 충분히 동작할 때의 출력을 기본으로 하며 출력의 달성도 또는 출력의 비율을 말한다. 예를 들어, 전원 투입후 30분간을 Warm-Up 시간이라고 규정하며 이후 1시간 동안의 출력 평균치를 안정 출력 상태라고 한다. 이 출력에 대하여 전원 투입 시의 출력은 75%, 15분 후에는 95%에 도달하고 있다는 것을 의미한다 (그림 2-89 참조).
그림 2-89 레이저 출력 상승 시간
3 레이저 빔의 기본 조작
Basic Operation of Laser Beam
레이저 빛을 실제로 응용할 경우 레이저 발진기로부터 나오는 빛을 그대로 사용하는 것은 매우 드문 일이므로 일반적으로는 구부리고, 넓히고, 좁히고, 진동시키고 그리고 변조시켜서 사용한다 (그림 2-90 참조).
그림 2-90 레이저빔의 기본 조작
(1) 구부린다.
레이저 빛의 진로를 구부릴 경우 거울이나 프리즘에 반사시켜서 목적하고자 하는 방향으로 빛을 휘게 한다. 표면의 평탄도가 좋은 글래서 기판 등에 알루미늄 등의 금속이나 유전체의 박막을 코팅한 것을 사용하고 빔의 거울이 기본적으로 2개가 있다면 어느 방향으로도 구부릴 수 있다. 더구나 평탄도가 나쁘면 거울에서 약간 산란된 빔이 먼 곳에서는 극단적으로 넓어지는 경우도 있다. 글래서 기판 외에 금속이나 특수한 광학 결정 등을 사용하는 경우도 있다. 또한 빔이 입사된 방향과 동일한 방향으로 휘어지는 것을 코너 큐브라고 한다.
(2) 넓힌다
레이저 빛은 일반적으로 직경이 1 ㎜ 이하인 것에서 2～3 ㎝ 각형인 것까지의 여러가지 빔 형상이 있다. 레이저 빔 직경을 확대하는 것을 Beam Expander(빔 확대기)라고 하며 이것은 렌즈나 프리즘을 조합하여 만든다. 1개의 렌즈에서도 빔을 확대시킬 수 있지만 두개의 요철 렌즈로 구성된 것을 갈릴레오식의 Telescope라고 한다. 또 빔을 확대시킨 후에 빛을 평행으로 하는 것을 콜리메터라 한다.
(3) 좁힌다.
레이저 빛은 에너지의 집중도가 좋기 때문에 레이저 빛이 좁아짐에 따라 모든 에너지를 한 점으로 집중시킬 수 있으며 렌즈를 사용하면 간단히 하나의 축으로 모이게 하는 것이 가능하다. 어느 정도 작은 Spot으로 좁아지는가는 빔의 질(빔형상, 모드 및 넓이각 등)에 따라 다르다.
(4) 빛을 받는다.
대부분의 경우 빛을 방사하거나 또는 받을 필요가 있다. 광신호를 전기 신호로 변환하는 것을 수광기(Detector)라고 하며 수광기에는 빛을 직접 전류로 변환하는 것, 빛을 열로 변환하여 열을 전기로 변환하는 것, 그리고 빛을 열 변화량으로 하여 전기로 변환하는 것 등의 여러 종류가 있으며 그 외에 광량이나 파장에 따라 여러 가지 형태가 있다.
4 레이저의 종류와 매질
Classifications and Mediums of Laser
현재 레이저의 종류는 수백에서 수천 가지에 이르고 있다.
(1) 기체 레이저( 헬륨 – 네온 레이저 중심으로)
기체 레이저는 균일한 매질이므로 손실이 작기 때문에 공진기를 크게 하면 이득이 좋게 되는 장점이 있다. 일반적으로 기체 레이저 장치는 규모가 크며 출력은 작아도 연속 발진이 가능하고 발진 파장의 수가 많아 가간섭성 등이 우수하다. 오랫동안 사용되어온 헬륨-네온 레이저는 수명도 꽤 길어졌고 비교적 안정된 레이저이다. 헬륨 네온 레이저는 레이저 매질로서 He(90%)과 NE(약 10%) 혼합기체를 사용한 것으로 크게 나누면 내부 거울형과 외부 거울형 2가지가 있다. 내부 거울형이라 하는 것은 레이저 튜브에 직접 거울을 부착시킨 것으로 내부에 브루스터 각을 만드는 창을 부착하여 직선 편광으로한 것과 단지 거울만 부착한 무편광의 것이 있고 출력은 0.5～19 ㎽ 정도이다. 이 이상의 출력을 얻는다고 하면 레이저 튜브의 열팽창에 따라 양단면에 있는 거울의 평행도가 그 균형을 잃기 때문에 출력은 약 10 ㎽ 정도가 내부 거울형의 한계이다. 주파수의 안정도는 거울 간격의 안정성에 따라 다르다. 내부 거울형의 경우 단지 거울만이 레이저 튜브에 부착되기 때문에 열에 의해 거울 간격의 변동이 현저하고 안정도는 나빠진다. 따라서 내부 거울형의 헬륨-네온 레이저의 사용은 주파수 안정성을 요구하는 응용에 적당하지 않으며 레이저의 직진성을 이용한 축의 조정이나 각종 조준으로서의 응용이나 위치 검출, 레이저의 에너지 밀도를 이용한 프린터 등의 광원으로서의 응용에 적당하다. 내부 거울형의 경우 소비자용이 대량 나와 있으며 가격도 저렴하고 수명도 길다. 또 레이저 튜브에 거울이 직접 부착되어 있기 때문에 거울을 조정할 필요가 없다.
외부 거울형은 레이저 튜브를 중심에 놓고 거울을 공진기의 양단에 배치한 것으로 레이저 튜브의 양단에는 부루스트 창이 부착되어 있다. 레이저 튜브의 발열의 영향은 내부 거울형에 비해 매우 적으며 안정한 레이저 장치이다. 내부 거울형의 레이저 파장과 색은 632.8 ㎚의 적색인데 비해 외부 거울형의 경우에는 거울의 코팅을 변화시킴에 따라 녹색, 황색 등 여러 색의 발진 파장을 얻을 수 있다.
(2) 고체 레이저
고체 레이저는 소형장치로도 큰 출력을 얻을 수 있고 가시영역에서는 근적외선 영역으로 그 발진파장의 영역이 좁혀지기 때문에 가간섭성이 낮다는 결점이 있다.
(3) 반도체 레이저
반도체 레이저의 특징은 전류를 흘리는 것만으로도 레이저 발진을 얻을 수 있고 직접 트랜지스터 회로와 결합시켜 발진이나 변조를 시킬 수 있다. 또한 소형으로 신뢰성이 높으며 양산성 등이 우수하다. 결점으로는 지향성에 결함이 있으며 출력이 작다는 것을 들 수 있다.
5 레이저 축정렬시 유의사항
○ 장치 설치, 조정 혹은 운전중을 포함하여 어떤 경우이건 Laser Beam을 직접 보지 말 것.
○ 감지기, 발진기, 컴퓨터 등 장비의 하우징을 열거나 제거하여서는 안된다.
○ 기계를 기동하기 전에 기계로부터 측정장비를 확실히 제거하여야 한다.