고에너지 레이저


 

<THEL의 운용개념도>


 
개 요

1960년대초에 발명된 이래 산업 및 군사용으로 널리 활용되고 있는 LASER는 1990년대 

초에 에너지의 발생 능력이 입증됨으로써 빛의 속도로 발사할 수 있고 운용비도 저렴한 

혁신적인 미래 무기체계로서의잠재력을 지니고 있다는 점에서 많은 관심을 유발시키며, 

최근 군사 선진국들을 중심으로 연구 개발이 활발히 진행되고 있는 HEL(High Energy 

Laser 고에너지 레이저)체계임.


* LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 

(복사 유도방출 과정에 의한 빛의 증폭)


 
레이저의 특성


- 레이저 빔은 보통빛과는 달리 단일 파장이며, 위상이 고른 파가 동일 방향으로 진행됨.

 


- 보통빛은 렌즈로 집광하면빛의 굴절/역상현상이 발생하나 레이저 빔은 고른 파형으로 한점에 

집광이 가능함.

 

- 매질에 따라 고유한 빛의 색깔이 나타남.(루비-적색, 아르곤-녹색 등)




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레이저의 종류


- 레이저는 빔을 발생시키는 원리와 매질에 따라 화학 레이저, 고체 레이저, 자유 전자레이저 등으로 구분됨.


• 화학 레이저 : 공진기 내부에 화학물질을 주입하여 이들의 화학적 반응에 의하여 원자나 분자가 여기상태로 되면서 레이저 빔을 방출하는 것으로 현재 HEL로 연구 개발중인 레이저는 대부분 화학 레이저임. 여기상태(勵起狀態) : 에너지가 가장 안정된 상태인 바닥상태(基底狀態) 이외의 보다 에너지가 높은 상태로서 일반적으로 가열, 전자기파나 복사선·입자선의 조사(照射), 화학적·전기적 자극 등을 통하여 발생됨.  화학 레이저는 레이저를 발생 시키는데 이용되는 화학 물질에 따라 HF(Hydrogen Fluoride 불화수소) 레이저, DF(Deuterium Fluoride 불화중수소) 레이저, COIL(Chemical Oxygen Iodine Laser 화학산소 요오드 레이저)로 세분됨


• HF 레이저 : 공진기에서 불소 원자가 수소분자와 반응하면 여기된 불화수소분자가 형성되면서 발생되 는 약 2.7㎛ 파장의 레이저로 고출력 발진이 용이하나 대기권에 쉽게 흡수됨으로 대기권 밖에서만 사용 되는 우주용 HEL로 개발되고 있음.


• DF 레이저 : HF 레이저와 원리는 동일하나 수소분자 대신에 중수소가 불화원소와 반응하여 발생되며 파장은 다소 긴 3.8㎛로서 빔의 모양을조절하고 집속시키는데 보다 큰 광학적 표면이 요구되고 수소에 비해 중수소의 가격이 다소 비싸다는 단점은 있으나, HF 레이저 보다 대기 투과력이 우수하여 지상용 HEL로 개발되고 있음.


• COIL : 여기된 산소 분자가 요오드 원자와 충돌하면서 에너지를 전달하면 요오드 원자가 여기 상태로 되며, 여기(勵起)된 요오드 원자로부터 발생되는 1.3㎛ 파장의 레이저로서 파장이 짧기 때문에 다른 화학 레이저 보다 작은 광학계를 사용할 수 있고, HF 레이저 보다 수증기 등에 의한 대기 손실이 적어 항공용  HEL로 개발되고 있음.


• 고체 레이저 : 고체상태의 레이저 활성매질을 이용하는 것으로 레이저 발생 원리는 레이저를 발생 시키는 고체매질(Nd : YAG, Nd:GGG 등과 같은 Crystal)에 외부에서 섬광등으로 광에너지를 주입하여, 원자(Nd)를 높은 에너지 상태로 만듦.


※ Nd(Neodymium, 네오디뮴) : 레이저 발진을 일으키는 원자

YAG : Yttrium Aluminum Garnet의 약자(crystal 일종) 

GGG : Gadolinium Gallium Garnet의 약자(crystal의 일종)



 


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• 자유 전자 레이저(FEL : Free Electron Laser) :

가속전자에서 방출된 전자기 에너지를 이용하는 것으로 레이저 발생 원리는  전자총에서 나오는 자유 전자를 전자가속기로 가속하여 Undulator로 주입


• Undulator : 자석의 N극과 S극을 교대로 배열한 장치

Undulator 내부를 지나는 자유전자는 자력의 힘에 의하여 교류형태의 운동을 진행하면서 전자기파(빛) 를 발생

Undulator 앞뒤에 위치한 광학공진기(Optical Cavity) 사이에서 빛이 공진하면서 레이저 발생

 


 
주요 제원 및 성능

레이저 무기

레이저 종류

(출력)

파장

운용고도

사거리

대상표적

ABL

COIL

(mW급)

1.3㎛

41,000FT

(12.5km)

160~240NM

(300~400km)

탄도 미사일

SBL

HF

(2mW)

2.7㎛

700NM

(1,300Km)

2,160NM

(4,000km)

탄도 미사일

THEL

DF(400kW)

SSHCL

EC-COIL

3.8㎛

1.06㎛

1.3㎛

지상용

1~5.4NM

(2~10km)

로켓,포탄



• GBL(Ground Based Laser 지상 설치 레이저 : DF)

지상에 설치하여 중·단거리 유도탄 및 무유도 로켓 등 점표적 요격용으로 미국과 이스라엘이 공동 개 발 중인THEL(Tactical High Energy Laser 전술용 고에너지 레이저)이 그 대표적인 예로 `07년 이전 실전배치 가능할 것으로 예상 


 SSD(Ship Self-Defence Laser 함정 자체 방어 레이저 : FEL)

원거리에서 함대함 유도탄 센서에 손상을 가하고(Soft Kill), 근거리에서는 유도탄의 몸체에 손상을 가 하는(Hard Kill)개념으로 발전중


• ABL(Air-Borne Laser 항공기 탑재 레이저 : COIL)

항공기에 탑재하여 부스팅 단계(미사일의 탄두와 추진제 부분이 분리되기 이전단계)에 있는(고도 약 40,000ft) 탄도탄 요격용 레이저로(사거리 약 300∼600㎞) 개발중 


• ATL(Air-Borne Tactical Laser 항공기 탑재 전술용레이저) 

헬기나 경수송기에 탑재하여 ABL 보다 저고도(2,000∼10,000ft)에서 운용하기 위해 미육군에서 개 발 

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중인 중·단거리용 레이저 무기체계(사거리 약 12∼20㎞)


• SBL(Space Based Laser 우주 배치 레이저 : HF)

미국의 경우, 인공위성에 탑재하여 탄도탄 발사 초기인 부스팅 단계 및 중간 단계의 탄도탄을 요격하여 탄도탄의 파편이 적국에 떨어지도록 하는 개념으로 개발하며, 부가적으로 우주통제, 전세계적 감시, 타 무기체계를 위한 표적 탐지 및 지시 등과 같은 능력도 구비하는 방향으로 개발을 추진 하였으나, `03년도 예산삭감으로 현재 개발이 중단된 상태임.


 
구성 및 운용개념


 
구 성

- HEL 무기체계 구성은 크게 레이저 빔 발생장치, 광전송 및 집속장치, 표적 탐지 · 추적 · 조준 · 사 격통제 장치로 구성됨.

- 레이저 빔 발생장치 : 활성물질 내에서 레이저 빔의 유도방출을 일으키는 이득발생기와 증폭기 역할 을 하는 공진기로 구성 되며 빔의 특성을 결정하게 됨

- 광전송 및 집속 장치 : 광전송 및 집속장치는 레이저 빔을 전송/중계하는 반사거울과 빔을 집속하는 대구경 반사 망원경, 대기요동을 보상해 주는 적응광학장치로 구성되며 목표물까지 광이 퍼지지 않 도록 전송하여 표적상에 직경 20∼30㎝의 반점으로 집속시키는 역할을 하게 되는데, 지금과 같은 광학계의 발전이 없었다면 HEL 체계의 개발 추진은 불가능 했을 것이라고 할 정도로 HEL체계에서 광학계가 차지하는 비중이 큼. 

- 표적 탐지, 추적, 조준 및 사격통제 장치 : 광학계로부터 표적까지 레이저를 지향시키기 위해서는 표적의 위치를 탐색, 이동 상태를 추적하여 조존점을 결정한후 표적에 레이저를 가하고 새로운 표 적으로 전환하는 장치로 HEL은 원거리에 있는 점 표적(Pin-Point)를 지향하기 때문에 각 구성장치 간 높은 정밀도를 요함.


 
운용개념

- 탐지레이다에 표적이 탐지되면 광학장비를 이용하여 표적을 보다 정밀분석하고, 공격이 필요하다고 판단되면 정밀 추적을  실시

- 강력한 에너지를 지닌 레이저 광을 빛의 속도로 전송하여 표적의 특정부위(Pin-Point)에 지속적(수 초)으로 조사(照射) 함으로써 고열에 의해 표적을 손상 또는 내부 충전물의 폭발을 통한 파괴


 
발전동향

앞서 소개한 ABL, SBL, THEL 등은 가까운 미래에 실전배치될 예정이며, 특히 THEO은 실발사 테스트에 성공함으로써 그 가능성이 입증되었을 뿐 아니라, 위 세 가지 기술중에서도 가장 먼저 실용화 될 것으로 보임. 그 외에도 신형 고 에너지 레이저 무기는 다양하게 연구개발 진행중이며, 첨단 전술 레이더(ATL), 고에너지 레이저 전투기, 함정탑재 레이저 등이 대표적임.


 참고 자료 

- 항공기술정보(작사, ‘04년 제59호)




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