레이저 (LASER)의 원리

원자나 분자는 특정한 에너지 준위를 가지며, 이들 사이의 전이가 광자의 흡수와 방출을 일으킨다. 낮은 에너지 준위(바닥 상태)에 있는 원자가 외부에서 에너지를 받아 높은 에너지 준위(들뜬 상태)로 올라가는 과정을 흡수라 한다. 이때 원자는 정확히 두 준위의 에너지 차이에 해당하는 주파수의 빛(광자)을 흡수한다.

반대로, 높은 에너지 준위에 있던 원자가 낮은 에너지 준위로 떨어질 때 그 에너지 차이를 빛의 형태로 방출한다. 이 방출에는 두 가지 형태가 존재한다. 하나는 외부 영향 없이 원자 스스로 불안정한 들뜬 상태에서 바닥 상태로 돌아가며 빛을 내는 자발 방출이며, 다른 하나는 외부에서 들어오는 특정 주파수의 빛(광자)에 의해 유발되어 정확히 같은 위상, 방향, 주파수를 가진 빛을 추가로 방출하는 유도 방출이다.

이러한 흡수와 방출 과정은 알베르트 아인슈타인이 1917년 제시한 계수 A와 B의 개념으로 정량적으로 설명된다[1]. 일반적인 열평형 상태에서는 낮은 에너지 준위의 원자 수가 더 많기 때문에, 빛이 물질을 통과하면 흡수 과정이 우세하여 빛이 약해진다. 그러나 레이저는 높은 에너지 준위의 원자 수를 낮은 에너지 준위의 원자 수보다 많게 만든 집단 반전 상태를 구현하여, 유도 방출이 우세하게 만들어 광 증폭을 일으킨다.

원자가 에너지를 흡수해 들뜬 상태가 되면, 불안정한 상태이기 때문에 다시 바닥 상태로 돌아가려는 경향을 보인다. 이 과정에서 여분의 에너지를 광자 형태로 방출하는데, 이를 방출이라고 한다. 방출에는 크게 자발 방출과 유도 방출 두 가지 메커니즘이 존재한다.

자발 방출은 들뜬 원자가 외부 영향 없이 자발적으로, 그리고 무작위적인 시점에 광자를 방출하는 과정이다. 방출되는 광자의 진동수는 원자가 흡수한 에너지 준위 차이에 의해 결정되지만, 방출되는 방향과 위상은 완전히 무작위적이다. 일반적인 빛, 예를 들어 백열등이나 형광등에서 나오는 빛은 대부분 이 자발 방출에 의해 생성된다. 따라서 그 빛은 여러 방향으로 퍼지며, 위상이 일정하지 않은 비간섭성 빛이 된다.

반면, 유도 방출은 외부에서 들어오는 특정 진동수의 광자가 들뜬 원자와 상호작용하여, 그 원자로 하여금 동일한 진동수, 위상, 진행 방향, 편광 상태를 가진 광자를 하나 더 방출하도록 유도하는 과정이다. 이 과정의 결과, 원래의 광자와 새로 방출된 광자는 완전히 동일한 특성을 가지게 되어, 빛이 증폭된다. 레이저의 핵심 작동 원리는 바로 이 유도 방출을 지배적으로 일어나게 만드는 것이다. 유도 방출의 확률은 통과하는 광자의 밀도에 비례하므로, 충분히 많은 들뜬 원자(집단 반전 상태)와 강한 빛의 장(場)이 형성되어야 효율적으로 증폭이 일어난다.

두 과정을 비교하면 다음과 같다.

따라서 레이저를 구현하기 위해서는 자발 방출보다 유도 방출이 훨씬 더 우세하게 일어나도록 조건을 만들어야 한다. 이는 집단 반전 상태를 형성하고, 생성된 증폭광이 다시 매질을 통과하도록 하는 광학 공진기를 통해 달성된다.

집단 반전은 레이저가 작동하기 위해 반드시 필요한 조건이다. 일반적으로 열평형 상태에 있는 물질에서는 낮은 에너지 준위(기저 준위)에 있는 원자나 분자의 수가 높은 에너지 준위(여기 준위)에 있는 것보다 훨씬 많다. 이는 볼츠만 분포에 따른 자연스러운 상태이다. 집단 반전은 이 정상적인 분포가 '뒤집힌' 상태, 즉 높은 에너지 준위에 있는 입자의 수가 낮은 에너지 준위에 있는 입자의 수보다 더 많아지는 현상을 가리킨다.

이러한 상태는 외부에서 에너지를 공급하는 여기 과정을 통해 만들어진다. 광 여기, 방전 여기, 화학 반응 또는 다른 방법으로 활성 매질에 에너지를 주입하면, 기저 준위의 입자들이 여기 준위로 올라간다. 충분히 강한 여기가 지속되면, 여기 준위의 입자 수가 기저 준위의 입자 수를 초과하는 임계점에 도달한다. 이 특별한 상태가 형성되어야 비로소 유도 방출이 자발 방출보다 우세해지고, 하나의 광자가 다수의 동일한 광자를 만들어내는 광 증폭 과정이 가능해진다.

집단 반전을 유지하는 것은 레이저의 핵심이다. 많은 레이저 시스템은 4준위 시스템을 채택하여 집단 반전을 더 쉽게 달성하고 유지한다. 3준위 시스템에서는 여기 준위가 바로 기저 준위이기 때문에 집단 반전을 만들기 위해 많은 에너지를 필요로 한다. 반면, 4준위 시스템에서는 여기 준위에서 빠르게 비발광 천이로 옮겨간 메타 안정 준위가 실제 레이저 전이의 상위 준위 역할을 하며, 하위 준위는 기저 준위가 아니라 다른 에너지 준위이다. 이로 인해 하위 준위는 쉽게 비워질 수 있어, 상대적으로 적은 에너지로도 집단 반전을 형성하고 유지할 수 있다.

활성 매질은 레이저의 핵심 구성 요소로, 광 증폭이 일어나는 물질적 매체이다. 이 매질은 고체, 액체, 기체 또는 플라즈마 상태일 수 있으며, 그 선택에 따라 레이저의 출력, 파장, 작동 방식 등 기본 특성이 결정된다.

활성 매질의 기본 역할은 에너지 준위 사이에서 유도 방출을 일으킬 수 있는 원자, 분자 또는 이온을 제공하는 것이다. 이를 위해 매질은 외부 에너지원(여기 장치)으로부터 에너지를 흡수하여 집단 반전 상태를 만들 수 있어야 한다. 대표적인 활성 매질의 종류와 예시는 다음과 같다.

활성 매질의 선택은 레이저의 최종 용도에 직접적인 영향을 미친다. 예를 들어, 이산화탄소 레이저는 높은 출력으로 인해 절단 및 용접에 널리 사용되는 반면, 염료 레이저는 가변 파장 특성으로 분광학 연구에 유용하다. 반도체 레이저는 작은 크기와 높은 효율 덕분에 광통신과 광디스크 드라이브에 필수적이다.

여기 장치는 레이저의 활성 매질에 에너지를 공급하여 집단 반전 상태를 만들어내는 장치이다. 이 과정을 '여기' 또는 '펌핑'이라고 부른다. 여기 장치는 활성 매질의 원자나 분자, 이온을 바닥 상태에서 여기 상태로 올려보내는 역할을 한다.

여기 방식은 활성 매질의 종류와 필요한 에너지 준위에 따라 다양하게 선택된다. 주요 방식은 다음과 같다.

효율적인 레이저 작동을 위해서는 여기 장치가 제공하는 에너지가 활성 매질의 흡수 대역과 일치해야 한다. 또한, 집단 반전을 유지하기 위해 여기 속도가 유도 방출 및 기타 에너지 손실 과정보다 빨라야 한다. 따라서 여기 장치는 종종 높은 입력 전력을 필요로 하며, 이는 레이저 시스템의 전체 효율과 설계에 중요한 영향을 미친다.

광학 공진기는 두 개 이상의 거울로 구성되어, 활성 매질 내에서 발생한 빛을 반사시켜 왕복하게 만드는 장치이다. 이 구조는 레이저의 핵심 구성 요소 중 하나로, 유도 방출에 의해 생성된 빛을 증폭하고, 특정 방향과 파장의 빛만을 선택적으로 강화하는 역할을 한다.

가장 일반적인 형태는 두 개의 평행한 거울로 이루어진 파브리-페로 간섭계 구조이다. 이 중 한쪽 거울은 거의 100%에 가까운 반사율을 가지며, 다른 한쪽 거울은 부분적으로 투과하는 출력 거울로 사용된다. 활성 매질에서 방출된 빛은 이 두 거울 사이를 반복적으로 왕복하며, 매질을 통과할 때마다 광 증폭을 일으킨다. 공진기 내부에서 광축과 평행하게 진행하는 빛만이 반사 과정을 계속 유지할 수 있어, 레이저 빔의 높은 방향성이 확보된다.

공진기의 길이와 거울의 배치는 생성되는 빛의 특성에 직접적인 영향을 미친다. 공진기의 길이는 빛이 한 번 왕복하는 데 걸리는 시간을 결정하며, 이는 레이저의 종파 모드 간격을 규정한다. 또한, 거울의 곡률 반경을 조절하여 공진기의 안정성을 제어할 수 있다. 안정적인 공진기 구조에서는 빛이 거울 사이를 무한히 왕복할 수 있지만, 불안정한 구조에서는 빛이 빠르게 공진기 밖으로 벗어나게 된다.

이러한 광학 공진기의 필터링과 증폭 작용을 통해, 다양한 파장과 방향으로 방출되는 자발 방출 광자들 중에서 특정 조건을 만족하는 빛만이 계속 증폭되어 강한 간섭성과 단색성을 가진 레이저 빔으로 발전한다. 최종적으로, 출력 거울을 통해 일부 빛이 외부로 방출되어 유용한 레이저 출력으로 이용된다.

여기 과정은 활성 매질 내의 원자나 분자, 이온이 외부 에너지를 흡수하여 기저 상태보다 높은 에너지 준위로 전이되는 현상이다. 이 과정은 광자의 흡수와 방출 중 흡수에 해당한다. 외부 에너지원, 즉 여기 장치는 광 여기, 전기 방전, 화학 반응, 또는 다른 레이저의 빛 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 여기에 성공한 원자는 불안정한 들뜬 상태에 놓이게 된다.

집단 반전은 들뜬 상태에 있는 원자의 수가 기저 상태에 있는 원자의 수보다 많아지는 상태를 의미한다. 이는 자연적인 볼츠만 분포(낮은 에너지 준위에 더 많은 입자가 분포)를 역전시킨 것으로, 레이저 작동을 위한 필수 조건이다. 일반적인 열평형 상태에서는 낮은 에너지 준위의 입자 수가 항상 더 많기 때문에, 유도 방출보다 자발 방출 또는 흡수가 우세하여 광 증폭이 일어나지 않는다.

집단 반전을 형성하기 위해서는 활성 매질이 특정 조건을 만족해야 한다. 먼저, 활성 매질은 3-4준위 시스템 또는 4-준위 시스템과 같은 효율적인 에너지 준위 구조를 가져야 한다. 3-4준위 시스템에서는 여기된 원자가 빠르게 비방사적 전이를 통해 메타스테이블 상태로 이동하여, 이 상태에 원자가 축적되도록 한다. 또한, 여기 장치는 펌프 임계값 이상의 충분한 에너지를 공급하여 지속적으로 집단 반전을 유지할 수 있어야 한다.

유도 방출은 레이저 작동의 핵심 과정이다. 여기된 원자나 분자, 이온이 외부에서 들어오는 광자의 자극을 받아, 그 광자와 동일한 위상, 주파수, 편광 상태, 진행 방향을 가진 새로운 광자를 방출하며 바닥 상태로 떨어지는 현상이다. 이 과정에서 하나의 입사 광자가 두 개의 동일한 광자로 증식하게 된다.

이러한 유도 방출이 연쇄적으로 일어나면, 광 증폭이 발생한다. 활성 매질 내에서 유도 방출에 의해 생성된 광자들은 다시 다른 여기된 원자들을 자극하여 추가적인 유도 방출을 일으킨다. 이는 눈사태와 같은 과정으로, 빛의 세기가 기하급수적으로 증가하게 만든다. 광 증폭이 일어나기 위한 필수 조건은 집단 반전 상태, 즉 여기된 상태에 있는 원자의 수가 바닥 상태에 있는 원자의 수보다 많은 상태가 형성되는 것이다.

유도 방출과 광 증폭 과정만으로는 레이저 빔이 생성되지 않는다. 이 증폭된 빛은 광학 공진기 내에서 반사되며 왕복하게 되고, 매 왕복마다 활성 매질을 통과하여 추가적인 광 증폭을 얻는다. 공진기 내에서 특정 방향과 위상 조건을 만족하는 빛만이 계속 증폭되어 결국 강한 간섭성 빔으로 공진기 밖으로 방출된다.

광학 공진기 내부에서 발생한 증폭된 빛은 공진기의 두 거울 사이를 반복적으로 왕복한다. 이 과정에서 빛은 매 왕복마다 활성 매질을 통과하며 유도 방출에 의해 계속 증폭된다. 그러나 공진기 구조는 특정 조건을 만족하는 빛만이 지속적으로 증폭되어 공진을 일으키도록 설계되어 있다.

공진이 일어나기 위한 핵심 조건은 정상파 조건이다. 공진기의 길이가 L일 때, 파장 λ인 빛이 정상파를 형성하려면 공진기 길이가 반파장의 정수배가 되어야 한다. 이 조건은 nλ = 2L (n은 정수)의 식으로 표현되며, 이를 만족하는 특정 파장(또는 주파수)의 빛만이 공진기 내에서 건설적 간섭을 일으켜 크게 증폭된다. 이 현상을 공진 모드라고 부른다.

이러한 공진기의 주파수 선택 특성으로 인해, 최종적으로 출력되는 레이저 빛은 매우 좁은 스펙트럼 선폭을 갖는 단색광이 된다. 즉, 공진기는 자연 방출로 인해 활성 매질에서 처음 발생한 여러 파장의 빛 중에서 오직 공진 조건에 맞는 아주 좁은 범위의 빛만을 선택적으로 증폭하는 필터 역할을 한다. 이로 인해 레이저는 백열등이나 발광 다이오드(LED)와 같은 일반 광원이 갖는 넓은 스펙트럼과 구별되는 높은 단색성을 가지게 된다.

레이저가 방출하는 빛은 매우 좁은 파장 범위를 가지며, 이 특성을 단색성이라고 부른다. 일반적인 백열등이나 형광등이 넓은 스펙트럼을 가진 백색광이나 여러 색의 혼합된 빛을 내는 것과는 대조적이다. 레이저의 단색성은 그 작동 원리의 핵심인 유도 방출 과정에서 비롯된다.

단색성의 정도는 선폭으로 표현되며, 이는 빛의 스펙트럼 선이 차지하는 파장 또는 주파수의 폭을 의미한다. 레이저의 선폭은 매우 좁아, 예를 들어 헬륨-네온 레이저의 경우 약 0.002 nm(나노미터) 정도에 불과하다. 이는 가시광선 영역의 일반적인 선폭에 비해 수백 배에서 수천 배 더 좁은 값이다. 단색성이 높을수록 빛의 색이 더 순수해지며, 이는 간섭성과도 직접적으로 연결되는 중요한 특성이다.

이러한 높은 단색성은 광학 공진기 내에서 발생하는 선택적 증폭 과정 덕분에 가능하다. 공진기 내부의 두 거울 사이에서 특정 공진 모드에 해당하는 파장의 빛만이 반복적으로 증폭되고, 다른 파장의 빛은 소멸된다. 결과적으로 단일 모드로 동작하는 레이저는 극도로 좁은 선폭, 즉 높은 단색성을 가지는 빛을 출력한다. 이 특성은 정밀한 분광학 분석, 초정밀 측정, 그리고 파장이 정확히 일치해야 하는 광통신 시스템 등에서 필수적인 요소로 작용한다.

간섭성은 레이저 빛의 가장 두드러진 특성 중 하나로, 빛의 파동들이 서로 일정한 위상 관계를 유지하는 정도를 의미한다. 이는 일반적인 빛과 레이저 빛을 구분하는 핵심적인 특징이다. 간섭성은 다시 시간적 간섭성과 공간적 간섭성으로 나뉜다.

시간적 간섭성은 단일 광원에서 나온 빛이 시간에 따라 얼마나 일관된 위상을 유지하는지를 나타낸다. 레이저 빛은 매우 좁은 스펙트럼 선폭을 가지므로, 긴 코히런스 길이를 가진다. 이는 레이저 빛이 먼 거리를 이동해도 서로 간섭 현상을 일으킬 수 있음을 의미한다. 반면, 백열등과 같은 일반 광원은 다양한 파장의 빛이 혼합되어 있고 위상이 무작위적으로 변하기 때문에 간섭성을 거의 나타내지 않는다.

공간적 간섭성은 광원의 서로 다른 지점에서 방출된 빛파 사이의 위상 관계 일치도를 말한다. 레이저의 광학 공진기 구조는 빛이 특정 모드로만 증폭되도록 하여, 광선의 파면이 매우 평탄하고 일관된 위상을 갖도록 한다. 이로 인해 레이저 빛은 높은 공간적 간섭성을 가지며, 날카로운 간섭 무늬를 생성하거나 매우 정밀한 간섭계 측정에 활용될 수 있다. 이러한 높은 간섭성은 홀로그래피, 정밀 측정, 고속 광통신 등 다양한 첨단 응용 분야의 기초가 된다.

레이저의 방향성은 발산각이 매우 작아 빛이 거의 퍼지지 않고 직진하는 특성을 의미한다. 일반적인 광원인 백열전구나 LED는 빛이 사방으로 퍼져 나가지만, 레이저 빔은 매우 좁은 각도 내에서만 확산된다. 이는 레이저의 핵심 구성 요소인 광학 공진기에 의해 결정된다. 공진기 내부의 두 거울 사이에서 빛이 반사되며 증폭되는 과정에서, 거울에 수직인 방향으로 진행하는 광자만이 계속 증폭되고 다른 각도로 진행하는 광자는 공진기 밖으로 빠져나가 증폭되지 않기 때문이다.

레이저의 발산각은 일반적으로 밀리라디안(mrad) 단위로 측정하며, 그 값이 작을수록 빔이 더 멀리까지 집중되어 도달한다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저의 발산각은 약 1 mrad 정도인 반면, 반도체 레이저는 수십 mrad에 이르는 경우도 있다. 이는 활성 매질의 특성과 공진기의 설계에 크게 의존한다. 발산각은 다음의 간단한 관계식으로 근사할 수 있다: 발산각 (θ) ≈ 파장 (λ) / 빔 직경 (d). 따라서 파장이 짧고 빔 직경이 클수록 발산각은 작아져 방향성이 향상된다.

높은 방향성으로 인해 레이저 빔은 먼 거리에서도 에너지 밀도가 크게 감소하지 않는다. 이 특성은 다양한 응용 분야의 기초가 된다. 레이저 거리 측정기나 레이저 통신은 빛이 직진성을 이용해 정확한 거리 측정이나 데이터 전송을 가능하게 한다. 또한 레이저 절단이나 레이저 용접 같은 산업 공정에서는 에너지를 매우 작은 점에 집중시켜 높은 효율을 달성한다. 심지어 레이저 포인터도 이러한 방향성 덕분에 멀리 있는 지점을 정확히 가리킬 수 있다.

레이저는 매우 높은 휘도를 가진 빛을 방출한다. 휘도는 단위 면적, 단위 입체각, 단위 시간당 방출되는 광자의 수 또는 에너지로 정의되며, 레이저 빔의 밝기를 정량화하는 중요한 척도이다. 일반 광원이 모든 방향으로 빛을 방출하는 것과 달리, 레이저는 공진기와 유도 방출 과정을 통해 빛을 매우 좁은 각도로 집중시킨다. 이로 인해 같은 출력 전력이라도 레이저 빔의 단위 면적당 에너지 밀도는 극히 높아진다.

고휘도의 핵심은 빛 에너지가 공간적으로와 시간적으로 모두 집중된다는 점이다. 공간적 집중은 우수한 방향성에 기인하며, 시간적 집중은 펄스 레이저에서 특히 두드러진다. 펄스 레이저는 에너지를 극히 짧은 시간(예: 펨토초, 피코초) 동안에 방출하여 순간적인 출력을 극대화한다. 예를 들어, 일반 전구가 100와트의 전력을 지속적으로 소비한다면, 펄스 레이저는 훨씬 낮은 평균 출력으로도 순간적으로 수백만 와트에 달하는 첨두 출력을 낼 수 있다[2].

이러한 고휘도 특성은 다양한 분야에서 필수적이다. 레이저 가공에서는 금속 절단과 용접에, 의료 레이저에서는 조직의 정밀 절제와 응고에 활용된다. 과학 연구에서는 레이저 유도 플라즈마를 생성하거나 초고압 환경을 실험실에서 구현하는 데 사용된다. 또한, 레이저 거리 측정과 레이저 통신에서는 먼 거리에서도 신호를 명확하게 감지할 수 있게 해준다.

활성 매질은 레이저 빛을 생성하는 핵심 물질로, 그 종류에 따라 레이저의 특성과 용도가 크게 달라진다. 활성 매질은 고체, 기체, 액체, 반도체 등 물질 상태에 따라 분류된다.

고체 레이저는 결정이나 유리와 같은 고체 물질을 활성 매질로 사용한다. 대표적으로 네오디뮴이 도핑된 YAG 레이저(Nd:YAG 레이저)와 루비 레이저가 있다. 이들은 높은 에너지와 높은 평균 출력을 낼 수 있어 재료 가공, 군사용, 의료용(예: 문신 제거)에 널리 사용된다. 기체 레이저는 기체 상태의 물질을 사용하며, 헬륨-네온 레이저(He-Ne 레이저), 아르곤 이온 레이저, 이산화 탄소 레이저(CO2 레이저)가 대표적이다. 특히 CO2 레이저는 높은 출력과 우수한 효율로 금속 절단, 용접, 외과 수술에 많이 활용된다.

액체 레이저는 유기 염료 용액을 활성 매질로 사용하며, 염료 레이저라고도 부른다. 이 레이저의 가장 큰 특징은 파장을 광범위하게 조정할 수 있다는 점이다. 이 특성으로 인해 분광학 연구나 레이저 의학에서 특정 파장이 필요한 경우에 사용된다. 반도체 레이저는 p-n 접합을 갖는 반도체 다이오드를 활성 매질로 사용한다. 레이저 다이오드는 매우 작고 효율이 높으며, 전기 에너지를 직접 광자로 변환한다. 이는 광통신의 광섬유, 광디스크(CD/DVD/블루레이) 드라이브, 레이저 프린터, 바코드 스캐너 등 일상생활에서 가장 흔히 접하는 레이저의 원천이다.

레이저는 출력 형태에 따라 연속파 레이저와 펄스 레이저로 크게 구분된다. 연속파 레이저는 전원을 켜는 동안 끊임없이 일정한 출력의 레이저 빛을 방출한다. 반면 펄스 레이저는 매우 짧은 시간 동안만 강력한 빛을 순간적으로 방출하는 방식으로 작동한다. 펄스 레이저는 다시 펄스의 생성 방식과 특성에 따라 여러 하위 범주로 나뉜다.

가장 기본적인 형태는 자유 운전 펄스 레이저이다. 이 방식에서는 여기 에너지가 펌핑되는 동안 자연스럽게 발생하는 레이저 발진이 펄스를 형성한다. 펄스의 폭은 비교적 넓은 편이며, 피크 출력도 상대적으로 낮다. 더 짧고 강력한 펄스를 얻기 위해 개발된 방식이 Q-스위칭이다. 이 기술은 광학 공진기 내부의 Q 값을 처음에는 낮게 유지했다가 갑자기 높여, 공진기 내에 축적된 많은 양의 에너지를 극히 짧은 시간(나노초 수준)에 집중적으로 방출하도록 한다. 그 결과, 매우 높은 피크 출력을 가진 짧은 펄스가 생성된다.

Q-스위칭보다 더 짧은 펄스를 생성하는 기술이 모드 동조이다. 모드 동조 레이저는 광학 공진기 내에서 서로 다른 종횡비를 가진 여러 개의 공진 모드가 위상이 맞춰져 동시에 발진하도록 한다. 이렇게 동기화된 모드들이 서로 간섭을 일으키면, 피코초(10⁻¹²초)에서 펨토초(10⁻¹⁵초)에 이르는 극초단 펄스가 생성된다. 이 펄스들은 매우 짧은 시간에 집중되므로 순간 출력은 매우 높지만, 펄스 간의 간격 동안에는 출력이 거의 없어 평균 출력은 낮을 수 있다. 펄스 레이저의 주요 분류와 특징은 다음 표와 같다.

이러한 다양한 펄스 방식은 각기 다른 물리적 특성을 바탕으로 과학 연구, 산업 가공, 의료, 통신 등 광범위한 분야에서 특화된 용도로 활용된다.

레이저는 광통신의 핵심 광원으로 사용된다. 특히 광섬유를 통한 장거리, 대용량 데이터 전송에 필수적이다. 레이저의 높은 간섭성과 단색성은 신호의 왜곡을 최소화하고, 고휘도는 긴 거리 전송을 가능하게 한다. 이는 인터넷 백본 네트워크와 해저 케이블 통신의 기반을 이룬다.

정보 저장 분야에서는 광디스크 기술에 활용된다. CD, DVD, 블루레이 디스크는 레이저 빔을 이용해 미세한 피트(pit)에 데이터를 기록하고 읽어낸다. 고밀도 저장을 가능하게 하는 짧은 파장의 청색 레이저 개발은 저장 용량의 비약적 증가를 가져왔다.

레이저는 또한 레이저 프린터의 핵심 부품으로, 드럼에 정전기적 잠상(image)을 형성하는 데 사용된다. 반도체 제조 공정에서는 광식각 기술을 통해 집적 회로의 미세 패턴을 제작하는 데 핵심적인 역할을 한다. 최근에는 양자 컴퓨터의 양자 비트(큐비트) 제어나 양자 암호 통신의 단일 광자 소스로서도 연구가 활발히 진행되고 있다.

레이저는 높은 정밀도와 선택적 조직 파괴 능력 덕분에 의료 및 생명 과학 분야에서 광범위하게 응용된다. 수술용 칼날로 사용되어 절개와 함께 출혈을 최소화하는 레이저 수술이 대표적이다. 특히 안과에서는 근시 교정을 위한 라식 수술, 망막 질환 치료, 녹내장 치료 등에 널리 쓰인다. 피부과에서는 문신 제거, 색소 침착 치료, 흉터 교정, 레이저 제모 등 미용 및 치료 목적으로 활용된다. 또한 치과에서는 우식 제거, 치아 미백, 잇몸 수술 등에 적용되어 통증과 회복 기간을 줄인다.

진단 분야에서는 공초점 현미경과 같은 고해상도 영상 장비에 레이저가 핵심 구성 요소로 사용된다. 유세포 분석기는 레이저를 세포에 조사하여 세포의 크기, 형태, 내부 구성물 등을 분석하는 데 쓰인다. 광간섭 단층촬영은 안과 및 피부과에서 비침습적으로 조직의 단층 이미지를 얻는 기술이다. 최근에는 광역동 치료가 주목받는데, 이는 특정 파장의 레이저를 이용해 암 조직에 축적된 감광제를 활성화시켜 암세포를 선택적으로 파괴하는 치료법이다[4].

생명 과학 연구에서 레이저는 강력한 도구 역할을 한다. 레이저 포획 기술은 미세한 구슬이나 세포를 포획하고 조작하는 데 사용된다. 유전자 편집 기술인 크리스퍼의 일부 방법에서는 레이저를 이용해 세포막에 미세한 구멍을 만들어 유전 물질을 주입하기도 한다. 분자 수준의 상호작용을 연구하는 분광학 실험과 단일 분자 이미징에도 레이저가 필수적이다. 이러한 응용들은 레이저가 가진 단색성과 고휘도 특성을 바탕으로 정밀한 에너지 전달과 측정을 가능하게 한다.

레이저는 높은 에너지 밀도와 정밀한 제어가 가능한 특성 덕분에 다양한 제조 및 산업 공정에 핵심적인 역할을 한다.

가장 대표적인 응용은 레이저 절단과 레이저 용접이다. 고출력 레이저 빔은 금속, 플라스틱, 세라믹, 유리 등 다양한 소재를 정밀하게 절단하거나 용접한다. 이 공정은 기계적 접촉이 없어 변형이 적고, 복잡한 형상의 가공이 가능하며, 자동화가 용이하다. 특히 자동차 산업에서는 차체 부품의 절단과 용접에 널리 사용된다. 반도체 제조에서는 웨이퍼 절단이나 미세 회로 패턴화에 레이저가 활용된다.

표면 처리 분야에서는 레이저 마킹과 레이저 열처리가 중요하다. 레이저 마킹은 제품에 영구적인 일련번호, 바코드, 로고 등을 새기는 데 사용되며, 화학적 잉크 없이 비접촉 방식으로 처리된다. 레이저 열처리(예: 표면 경화)는 금속 부품의 표면만 선택적으로 가열하여 내마모성을 향상시키는 기술이다. 첨가제 제조(3D 프린팅) 분야에서는 선택적 레이저 소결 같은 기술이 금속 또는 플라스틱 분말을 레이저로 녹여 층층이 적층하여 복잡한 형상의 부품을 제작한다.

이러한 레이저 기반 공정은 생산성 향상, 재료 절약, 공정 자동화 및 고정밀 제조를 가능하게 하여 현대 산업의 발전을 이끌었다.

레이저는 다양한 과학 연구 분야에서 필수적인 도구로 사용된다. 특히, 광학 실험에서 높은 간섭성과 단색성을 갖는 레이저 광원은 정밀한 간섭계와 분광학 실험을 가능하게 한다. 레이저 냉각과 광학 포획 기술은 원자와 분자를 극저온 상태로 만들어 보스-아인슈타인 응집과 같은 양자 현상을 연구하는 데 핵심적 역할을 한다.

입자 가속기와 핵융합 연구에서도 레이저는 중요한 에너지원이다. 고출력 펄스 레이저는 관성 봉입 핵융합 실험에서 핵융합 연료를 압축하고 가열하는 데 사용된다. 또한, 레이저 가속기는 전자나 이온과 같은 하전 입자를 매우 짧은 거리에서 고에너지로 가속시키는 새로운 기술로 연구되고 있다.

천문학과 지구 과학 분야에서는 레이저를 이용한 정밀 측정 기술이 활용된다. 레이저 거리 측정 기술은 위성과의 거리를 정밀하게 측정하여 지구의 중력장 변화나 지각 변동을 관찰한다. 대기 중의 에어로졸과 구성을 분석하는 라이더 기술 역시 레이저를 기반으로 한다.