[방호 무기체계] EOTS의 레이저 발생원리

 

◆ EOTS에 레이저 거리측정기가 부착된 이유와 레이저의 발생원리는?

 

예상요격지점을 계산하려면 표적에 대한 방위각 및 고각과 거리정보를 얻어야한다. 레이더는 표적에 전자파를 쏘아 수신된 전파의 방향

으로부터 방위각과 고각정보를 얻고, 송수신된 시간으로부터 표적과의 거리를 알아내어 표적의 3차원 위치를 알아낸다.

EOTS는 열영상 포착기로 표적위치의 2차원 정보(방위각과 고각)을 얻고, 레이저 거리측정기(LRF, Laser Range Finder)로 표적과의

거리를 측정하여 표적의 3차원 위치를 사통장치에 제공한다.

 

레이저는 수km 거리를 진행하여도 지름이 약 1m에 불과할 정도로 거의 분산되지 않는 뛰어난 지향성을 가지고 있다.

레이저거리측정기는 이런 지향성을 갖고 있는 레이저가 표적에 맞고 되돌아온 시간을 측정하고 빛의 속도를 이용하여 표적과의 거리를

계산한다.

 

가. 레이저 발진기 구성요소와 발진원리

레이저를 발진시키기 위해서는 레이저 매질, 여기매체(Pumping Source), 공진기등의 구성요소가 필요하다.

 

<그림2. 레이저 개략도>

 

레이저 매질은 에너지를 받으면 여기상태(들뜬상태라고도 하며 가장 안정된 상태인 바닥상태보다 에너지가 높은 상태를 말함) 가 될 수 있는

여러 에너지 준위를 가진 재료를 사용하며, 이 매질에 따라 레이저를 고체, 기체, 액체, 반도체로 구분하기도 한다. 매질에 에너

지를 공급하는 여기방식은 방전, 플래쉬 램프, 화학반응 등이 있다. 공진기는 레이저 매질을 사이에 두고 양 끝에 반사경을 설치

한 것으로, 한쪽은 반사율이 완전반사에 가까운 것으로 하고(전반사경), 반대쪽은 일부 투과하는 것(부분반사경)으로 한다.

 

공진기 내의 원자는 안정된 상태로 유지되다가 여기매체에 의해 에너지를 받으면 여기상태로 된다(그림3)

 

  <그림3. 여기상태>             <그림4. 에너지방출>

 

에너지를 받은 원자는 그림4와 같이 광자를 방출하게 하고, 그 중 축 방향으로 움직이는 광자가 다음 원자를 가격하여 2개의

광자를 유도방출하는 과정을 되풀이 한다.

 

<그림5. 유도방출반복>         <그림6. 레이저출력>

 

이후 그림 5와 같이 반사면에서 축방향으로 반사된 광자가 동일한 유도방출을 반복하며 에너지를 증폭하다가, 그림6과 같이

발진광이 부분반사경을 통해 흘러나온 빛이 레이저의 출력이다.

 

나. 거리측정기용 레이저의 종류

Nd: YAG 레이저는 대표적인 거리측정기용 레이저로, 고체매질에 크립톤(Kr)개스가 봉입된 아크램프로 여기한 레이저이다.

YAG는 이트륨(Yttrium), 알미늄(Aluminium), 가네트(Garnet) 결정의 두문자이며, 여기에 1% 정도의 니오디니윰(Niodinium)을

첨가하여 레이저 매질로 사용하기 때문에 Nd: YAG 레이저라 부르고 있다. 거리측정기용 주요 레이저의 종류와 특징은 아래표와

같다.

구 분		Nd:YAG	CO₂	라만형
파 장(㎛)		1.064	10.6	1.543
눈안전 여부		망막피해	안전	안전
대기 투과 정도	저시계	저조	우수	보통
	고습도	보통	저조	우수
	강우시	우수	저조	우수

<표1. LRF용 레이저 종류와 특징>

 

안구의 앞 부분은 가시광선과 근적외선(파장: 0.4~1.4㎛)을 잘 투과시켜 망막에 상이 맺히도록 하는데, 이 파장 범위에 해당하는

레이저 또한 눈의 망막에 도달하여 레이저 출력에 따라 일시적 또는 영구적인 손상을 일으킬 수 있다. 그러나 0.4㎛보다 짧거나

1.4㎛보다 긴 파장의 빛은 안구의 앞 부분(주로 각막)에서 흡수되기 때문에 망막까지 도달하지 않는다.

따라서, 0.4~1.4㎛ 파장영역의 레이저는 훈련시 아군에게 피해를 줄 수 있고, 반사파가 포수 눈에 입사될 수 있다. 그러므로

최근에는 거리측정용 레이저로서 CO₂레이저와 라만레이저(Raman shifted Nd: YAG) 등이 주로 사용되고 있다.

 

또한 출력이 같은 레이저라도 레이저파장별로 대기상태에 따라 측정할 수 있는 거리가 상이하다.

CO₂레이저는 먼지와 연막으로 오염된 환경에서는 대기 투과율이 우수하나 상대습도에 취약하여 고온 다습한 한국의 여름철

기후에선 측정거리가 제한된다. 라만 레이저는 연막 투과성이 부족하나, 강우 및 고습도시 대기투과도가 거의 변함이 없다.

이 결과 초기 EOTS에는 CO₂레이저가 장착되었으나, 이후 1.543㎛파장을 내는 라만 레이저를 장착하게 되었다.