레이저
레이저 (laser)[1] 란 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation' 의 머리 글자를 모은 약자이다. '유도 방출에 의한 빛의 증폭' 이라는 뜻이며, '유도 방출에 의하여 증폭된 빛을 발생시키는 장치' 라는 고유명사로 사용하게 되었으며, 여기서 '레이저를 쬐다' 라는 동사로 'lase' 가 파생되었다.
역사
Meyer-Schmickerath[2]는 1946년에 태 양광선을 이용하여 망막 화상을 만드는 연구를 처음 시작 하였다. 뒤에 고강도의 탄소아크 등이 인공적인 광원으로 사용되었으나 필라멘트의 짧은 수명, 탄소 입자, 그을음 과 함께 가스를 방출하고 예기치 않은 화상을 입혀 그 사 용이 제한되었다. 제논아크광은 태양광선과 유사한 범위 의 파장을 방출하고 전구의 수명이 길며 비교적 균일하고 강한 출력을 낼 수 있어서 1958년부터 임상적으로 이용되었다.
1960년에 Maiman에 의해 소개된 최초의 안과용 레01저는 루비 입자를 사용하였다. 루비에 의한 출력은 694nm의 파장을 가지며 응집성이 높아서 안구 매체를 잘 투과 하고 정확하게 초점을 맞추어 망막 화상을 일으킬 수 있다. 적색 파장이라서 망막 혈관이상 병소는 응고가 잘되지 않았다. 아르곤 청녹색 레이저는 I960년대 후반에 레이저 광응고술의 영역에 도입되었다. 처음의 레이저 방출 기구는 직접 또는 간접 검안경을 01용하였다. 후기에 도입된 세극 등 레이저 방출 기구로 안저 광음고 지점을 정확하게 위치시킬 수 있게 되었다.
크립톤 적색 레이저는 1980년대 초반에, 색소 레이저는 1980년대 중반에, 다이오드 레이저는 1980년대 후반에 개발되었다. 고체 상태이며 2배의 주파수를 지닌 야그 레이저는 1971년에 처음 소개되었으나 1990년대 초반 이후 상용화되었다.
원리
외부로부터 에너지를 주어 높은 에너지 준위의 입 자가 많아지게 되면 이것이 낮은 에너지 준위로 전이할 때 에너지 준위차로 특정한 파장의 빛을 낸다. 이 빛을 증폭하기 위해서는 증폭매질에 반복적으로 입사시킴으로써 높은 강도로 증폭시킨 후에 한 방향으로만 진행하여 나가도록 장치를 구성하여 한 가지 파장만을 갖는 빛이 방향성을 가지고 높은 강도를 가지게 된다. 이러한 상태를 유 지하기 위해 외부의 에너지가 계속 증폭 매질에 입사되고 상당시간 동안 유도방출이 지속될 수 있는 조건을 만족해야만 하고, 열평형 상태의 원자분포 조건을 깨뜨려서 여기 상태의 원자가 매우 많이 존재하도록 해야 한다. 이를 위 하여 다른 광을 조사하거나 위부에서 전자기파를 조사하는데 이를 광펌핑이라 한다.
에너지 준위 구조에 따라 3, 4준위 레이저 시스템으로 나뉜다. 3준위에 비하여 4준위 레이저 시스템은 매우 적은 펌핑만으로도 유도 방출을 일으킬 수 있으므로 연속 발진 레이저의 구성에 유리하고 레이저의 출력 효율이 높다. 또한 다양한 구조의 다양한 출력 파장의 레이저가 가능하나 모두 레이저의 유도 방출에 의해 발생하는 빛의 에너지는 펌핑에 사용된 빛의 에너지보다 항상 작으므로, 결국 발생하는 빛의 파장도 펌프 파장에 비하여 긴 파장의 빛이 나오게 된다.
특성
단색성
단색성이란 여러 가지 파장의 빛이 혼합되어 있지 않고 얼 마나 순수한 단일 파장의 빛인가를 나타낸다. 자연광을 프리즘으로 빛을 분산시켜 보면 백열 전구에서 나오는 빛은 빨강색, 주황색, 노랑색, 초록색, 파랑색，남색, 보라색의 띠를 이루며 연속적으로 구분이 되는 많은 파장의 집합체 이다. 그러나 레이저에서는 증폭 매질을 구성하는 원자내의 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 내려 가면서 그 준위 차이만큼에 해당하는 에너지의 빛만을 방출하게 되므로 단일 파장의 빛을 방출하게 된다.
결맞음성
빛간섭 (coherence) 이라고도 하며, 빛이 진행할 때 얼마나 서로 결이 맞게 진동하는가의 척도로 위상이 맞는 레이저 빛은 서로 갈라놓은 후에 다시 모아보면 그 위상의 차이에 따라 명암이 생기는 간섭 무늬가 생기게 된다. 이 결맞음성은 공간적, 시간적 결맞음성으로 나눌 수 있다.
지향성
빛이 퍼지지 않고 일정한 방향으로 어느 정도까지 직진하는가를 보여주는 척도이다. 레이저광은 증폭 매질이 서로 평행한 거울쌍으로 이루어진 공진기내에 설치 되어 있으므로 증폭된 빛 중에서 거울에 수직인 빛만이 되반사되어 계속 증폭되고, 수 없이 왕복한 후에야 나오게 되므로 높은 지향성을 가지게 된다.
고휘도
단위 면적당 방출되는 출력이 세고, 포커싱 하면 휘도가 증가하며, 자연광보다 훨씬 에너지 밀도가 높아 고휘도의 성질을 가지고 있다. 이러한 특성을 의료 분야에 이용한 것이다.
발생 장치의 구성
공진기
두 개의 마주보는 평면 또는 곡면 거울로 구성되어 있다.
- plane-parallel 공진기 : 가장 간단한 구조로 서로 평행한 두 개의 평면거울로 이루어진다.
- 공심 (concentric) 또는 구형 (spherical) 공진기 : 대부분 볼록 거울이나 오목 거울을 이용한다.
광증폭기
공진기 내에 증폭매질이 있고 매질 내에서 유도 방출이 일어나야 한다. 자연계의 안정 상태에서는 물질내에서 전자들이 열적 평형상태가 이루어져 있으며 낮은 에너지에 더 많은 전자들이 머물러 있다. 이러한 상태에서는 유도 방출이 일어나지 않으며 유도 방출을 위해 밀도 반전이 일어나야 하고 이는 높은 에너지 상태의 더 많은 전자가 분포해야 한다.
레이저 펌핑
유도 방출을 위한 밀도 반전은 증폭매질에 인위적인 작용을 해야 일어나게 되며 이는 낮은 에너지 상태의 전자를 높은 에너지 상태로 올려 주어야 한다. 펌핑방법에는 광학적 펌핑, 전기적 펌핑, 화학적 펌핑, 충돌에 의한 펌핑 등이 있다.
종류
아르곤 청녹색 (488, 514 nm)
아르곤 레이저의 출력이 457.9에서 528.7 nm 범위의 파장을 방출하지만 실제적으로는 70%의 청색 파장 (488 nm) 과 30%의 녹색 파장 (514 nm) 으로 구성되어 있다. 아르곤 청녹색은 엽황소와 혈색소, 멜라닌에 흡수된다. 아르곤 청녹색 레이저의 임상적인 단점은 눈 속에서 산란이 많이 되므로 망막에 정확하게 초점을 맞추기 어렵고 강도를 높여야 한다는 것이다. 예를 들면, 평균 50세의 백내장을 지닌 사람들은 같은 정도의 망막 화상을 입히기 위해서는 정상인에 비해 3배의 강도를 필요로 한다. 또한 산란이 많이 되므로 인접 부위의 망막에 손상을 줄 수도 있다. 마지막으로 엽황소 흡수로 인한 신경섬유층 손상, 황반부 낭포나 황반 원공을 일으킬 수 있다. 따라서 황반부 광응고에는 금기가 된다.
아르곤 녹색 (514 nm)
멜라닌과 헤모글로빈에 흡수가 잘 되며 내층 망막에는 거의 흡수되지 않는다. 현재 대부분의 망막 광응고에 이용되는 가장 보편화된 파장이다.
2배 주파수의 야그 (532 nm)
이 레이저는 루비 레이저와 더불어 대표적인 고체 레이저로 손꼽힌다. 근적외선 파장을 내는데 크립톤 가스가 봉입된 아크 등으로 광펌핑하여 밀도 반전이 형성된다. 펄스 발명에서 X가스의 플래쉬 등을 사용한다. 펄스 동작뿐만 아니라 연속 동작도 가능하며 원래 야그 레이저 적외선광은 파장이 1,064nm 이므로 비선형 광학기술을 이용하여 파장을 절반으로 줄여서 532nm의 가시광 영역을 만들어 여러가지 용도로 이용한다.
펄스형 장치는 강도가 낮은 일련의 파를 빠르게 방출하여 연속성의 아르곤 녹색 레이저와 유사한 열로 인한 광응고 효과를 보인다. 안저에 흡수되는 특성과 임상적인 사용은 다음에 언급되는 황색 파장 색소 레이저와 유사하다. 하지만 레이저 유발 매질이 고형이므로 색소 레이저보다는 신뢰할 만할 것이다.
색소
황색 (560~580 nm)
황색 파장은 헤모글로빈과 멜라닌에 흡수된다. 황색 스펙트럼은 산란이 적고 엽황소에 거의 흡수되지 않으므로 황반부 광응고에 안전하며 헤모글로빈에 흡수되는 특성으로 인해 망막과 맥락막의 혈관을 파괴하는데 이상적인 파장이다. 그러나 유리체 출혈, 망막전 출혈, 망막하 출혈이 있는 맥락막 혈관신생 등의 치료에서는 혈액으로 레이저 에너지가 흡수되어 광응고가 덜 효과적일 뿐 아니라 원하지 않는 망막 손상을 야기할 수도 있다.
오렌지색 (580~610 nm), 적색 (647 nm)
오렌지색은 적색 스펙트럼보다 통증이 적고, 혈액을 투과하므로 유리체 출혈을 통한 범망막 광응고술에 유용하다. 적색의 적응증과 효과는 크립톤 적색 레이저와 비슷하다.
크립톤 (647 nm)
크립톤 적색 파장은 멜라닌에 의해서만 잘 흡수되므로 깊은 외층 망막과 맥락막에 화상을 일으킨다. 레이저에 화상 부위는 망막 색소상피와 맥락막에서 일어나므로 관찰이 어렵다. 크립톤 적색은 산란이 적으므로 매체 혼탁이나 망막 부종을 잘 투과한다. 또한 헤모글로빈에 거의 흡수가 되지 않으므로 유리체 또는 망막 출혈을 통해서 치료하기가 용이하다. 헤모글로빈이나 엽황소에 흡수가 적으므로 중심와 주변의 맥락막 혈관신생이나 망막하 출혈이 동반된 맥락막 혈관신생 등의 황반부 치료에 아주 좋은 파장이다. 그러 나 100~500㎛ 정도의 두꺼운 출혈 부위는 투과할 수 없다. 크립톤 적색은 헤모글로빈에 잘 흡수되지 않으므로 혈관 이상 치료나 멜라닌 색소가 부족하여 창백한 안저 소견을 보이는 경우는 덜 효과적이다. 그리고 맥락막을 투과하여 깊01 침투하므로 통증이나 출혈을 일으킬 수 있다. === 반도체 다이오드 (805~810 nm) 반도체 다이오드 레이저는 거의 적외선 스펙트럼에 가까운 파장을 방출한다. 비교적 비싸지 않고 작으며 운반이 용이하고 공랭식 기구이다. 다이오드 파장은 멜라닌에 의해서만 잘 흡수되므로 크립톤 적색 레이저와 비슷하게 깊은 외층 망막이나 맥락막 화상을 입힌다. 적색 색소나 크립톤 적색 파장과 마찬가지로 다이오드 레이저는 산란이 적게 되므로 매체 혼탁과 망막 부종을 잘 투과한다. 레이저 광선이 환자에게 거의 보이지 않아 환자가 편안함을 느낀다. 하지만 주변부를 치료할 경우 맥락막을 깊이 투과하므로 자주 통증을 일으킨다. 다이오드 레이저는 크립톤 레이저에 비해 망막하 출혈을 약간 더 잘 투과한다.
헤모글로빈에 잘 흡수되지 않아 혈관성 병변을 직접 응고시키기에는 유용하지 않지만 망막 혈관 질환이나 맥락막 혈관신생에 좋은 치료 효과를 보인다. 미숙아 망막병증의 치료에 일차적으로 적용되고 있다. ICG 색소는 다이오드 레이저와 유사한 흡수 스펙트럼을 지닌다. 그래서 ICG 색소는 다이오드 레이저의 맥락막 혈관신생 치료에 대한 선택성을 높여줄 수 있다. 다이오드 레이저는 공막과 실리콘 공막외 삽입물을 투과하기 때문에 경공막 접촉성 망막 광응고를 시행할 수도 있다.