레이저는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자로 유도 방출이라는 양자역학적 현상을 이용하여 같은 파장, 위상, 방향의 빛을 증폭시키는 장치입니다. 1960년 첫 레이저가 작동한 이후 통신, 의료, 제조, 측정, 연구 등 거의 모든 분야를 혁신했으며, CD부터 레이저 수술, 광섬유 통신, 레이저 냉각까지 현대 문명의 필수 기술이 되었습니다.
아인슈타인이 예견한 유도 방출의 발견
1917년 아인슈타인은 빛과 물질의 상호작용을 연구하며 세 가지 과정을 제시했습니다. 첫째는 흡수입니다. 원자가 광자를 흡수하면 전자가 낮은 에너지 준위에서 높은 준위로 올라갑니다. 둘째는 자발 방출입니다. 들뜬 상태의 전자가 자발적으로 낮은 준위로 떨어지며 광자를 방출합니다. 형광등이나 LED가 이 원리로 작동합니다. 셋째가 유도 방출입니다. 들뜬 원자에 적절한 에너지의 광자가 지나가면 그 원자를 자극하여 똑같은 광자를 추가로 방출하게 만듭니다. 놀랍게도 방출된 광자는 원래 광자와 파장, 위상, 방향이 완전히 같습니다. 하나가 둘이 되고 둘이 넷이 되는 식으로 빛이 증폭됩니다. 아인슈타인은 이것을 이론적으로 예측했지만 실제 응용은 40년 후에야 이루어졌습니다. 1950년대 찰스 타운스와 아서 쇼로는 마이크로파 영역에서 유도 방출을 이용한 메이저를 만들었습니다. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약자입니다. 암모니아 분자를 이용하여 24GHz 마이크로파를 증폭했습니다. 이것은 극도로 안정적인 주파수 표준이 되어 원자시계의 기반이 되었습니다. 곧 가시광선으로 확장하려는 시도가 시작되었고 여러 연구팀이 경쟁했습니다. 1960년 5월 16일 시어도어 메이먼이 휴즈 연구소에서 최초의 레이저를 작동시켰습니다. 루비 결정을 이용하여 694.3나노미터 빨간색 빛의 펄스를 만들었습니다. 인류 역사상 처음으로 결맞은 빛이 생성된 순간이었습니다.
레이저의 원리와 유도 방출
들뜬 상태를 더 많이 만드는 방법
레이저가 작동하려면 개체수 반전이 필요합니다. 정상 상태에서는 낮은 에너지 준위에 있는 원자가 높은 준위보다 많습니다. 이 상태에서는 흡수가 유도 방출보다 우세하여 빛이 증폭되지 않고 오히려 감쇠됩니다. 개체수 반전은 이것을 뒤집어 높은 준위에 더 많은 원자를 만드는 것입니다. 이것은 열평형 상태가 아니며 외부에서 에너지를 계속 공급해야 유지됩니다. 이것을 펌핑이라고 합니다. 루비 레이저는 강력한 섬광등으로 크롬 원자를 들뜹니다. 헬륨-네온 레이저는 전기 방전으로 헬륨 원자를 들뜨게 하고 이것이 네온 원자로 에너지를 전달하여 개체수 반전을 만듭니다. 반도체 레이저는 전류로 전자-정공 쌍을 만들어 재결합 시 빛을 냅니다. 3준위 또는 4준위 시스템을 사용하여 개체수 반전을 효율적으로 달성합니다. 준안정 상태라는 비교적 수명이 긴 에너지 준위가 있으면 원자들이 그곳에 축적되어 개체수 반전이 쉬워집니다. 펌핑으로 원자를 높은 준위로 올린 후 빠르게 준안정 상태로 떨어지고, 여기서 천천히 바닥 상태로 내려오며 레이저 빛을 냅니다. 이것이 4준위 레이저의 원리이며 가장 효율적입니다.
공진기가 만드는 완벽한 결맞음
레이저의 또 다른 핵심은 광학 공진기입니다. 레이저 매질의 양 끝에 거울을 설치합니다. 한쪽은 거의 완전 반사 거울이고 다른 쪽은 부분 반사 거울입니다. 자발 방출로 생긴 광자가 레이저 매질을 지나며 유도 방출로 증폭됩니다. 거울에서 반사되어 다시 매질을 지나며 더 증폭됩니다. 이 과정이 반복되며 특정 방향과 파장의 빛만 선택적으로 증폭됩니다. 두 거울 사이 거리의 정수배 파장만 보강 간섭을 일으켜 살아남습니다. 이것이 공진 모드입니다. 다른 방향이나 파장의 빛은 공진기를 빠져나가거나 상쇄 간섭으로 사라집니다. 부분 반사 거울을 통해 일부 빛이 밖으로 나오는데 이것이 레이저 빔입니다. 공진기를 수천 번 왕복하며 선택되고 증폭된 빛이므로 극도로 결맞고 평행합니다. 일반 전구 빛은 여러 파장이 섞여 있고 모든 방향으로 흩어지며 위상이 무작위입니다. 하지만 레이저는 단일 파장에 가깝고 매우 좁은 각도로 퍼지며 위상이 동기화되어 있습니다. 이것을 공간적 결맞음과 시간적 결맞음이라고 합니다. 이런 특성 때문에 레이저는 먼 거리를 가도 퍼지지 않고 작은 점에 집중할 수 있습니다.
다양한 종류의 레이저와 특성
레이저는 매질에 따라 기체 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저, 반도체 레이저로 나뉩니다. 헬륨-네온 레이저는 가장 오래된 연속파 레이저로 632.8나노미터 빨간색을 냅니다. 간섭계, 정렬, 교육용으로 널리 사용됩니다. 아르곤 이온 레이저는 청록색 빛을 내며 의료와 분광학에 쓰입니다. 이산화탄소 레이저는 10.6마이크로미터 적외선을 방출하며 출력이 매우 높아 절단, 용접, 수술에 사용됩니다. Nd:YAG 레이저는 네오디뮴이 첨가된 이트륨 알루미늄 가넷 결정을 사용합니다. 1064나노미터 근적외선을 내며 펄스 에너지가 커서 레이저 가공과 의료에 쓰입니다. 티타늄 사파이어 레이저는 파장 조정이 가능하고 극초단 펄스를 만들 수 있어 초고속 분광학의 핵심입니다. 펨토초 레이저는 1000조분의 1초 길이의 펄스를 만들어 화학 반응의 실시간 관찰을 가능하게 했습니다. 반도체 레이저는 작고 효율적이며 저렴하여 CD 플레이어, 레이저 프린터, 광통신에 광범위하게 사용됩니다. 파이버 레이저는 광섬유를 레이저 매질로 사용하여 고출력과 우수한 빔 품질을 동시에 얻습니다.
레이저가 바꾼 세상의 모든 것
레이저는 처음에는 용도를 찾는 해법이라 조롱받았지만 이제는 없어서는 안 될 기술이 되었습니다. 광섬유 통신은 레이저 없이는 불가능합니다. 반도체 레이저가 디지털 신호를 빛으로 변환하여 광섬유를 통해 수천 킬로미터를 전송합니다. 초당 테라비트급 데이터를 거의 손실 없이 보냅니다. 인터넷의 백본은 모두 레이저 광통신입니다. 바코드 스캐너, CD, DVD, 블루레이 모두 레이저로 정보를 읽고 씁니다. 레이저 프린터는 레이저로 감광 드럼에 이미지를 그려 토너를 옮깁니다. 의료 분야에서 레이저는 혁명을 일으켰습니다. 레이저 시력 교정술(LASIK)은 각막을 정밀하게 깎아 근시와 난시를 치료합니다. 레이저 수술은 출혈이 적고 회복이 빠릅니다. 피부과에서는 레이저로 문신 제거, 주름 개선, 혈관 치료를 합니다. 치과에서는 레이저 드릴이 소음과 통증을 줄입니다. 암 치료에도 레이저를 사용합니다. 제조업에서 레이저 절단과 용접은 필수입니다. 두꺼운 금속판을 깨끗하게 자르고 미세한 부품을 정밀하게 접합합니다. 3D 프린터의 일부는 레이저로 금속 분말을 녹여 쌓습니다. 레이저 마킹은 영구적인 표시를 남깁니다. 측정과 감지에도 레이저가 사용됩니다. 레이저 거리계는 밀리미터 정밀도로 거리를 측정합니다. 라이다는 레이저 펄스로 3차원 지도를 만들고 자율주행차의 눈이 됩니다. 중력파 검출기 LIGO는 레이저 간섭계로 4킬로미터 팔의 길이 변화를 원자핵 크기의 1만분의 1 수준으로 측정합니다. 레이저 냉각은 원자를 절대영도 근처까지 식혀 보스-아인슈타인 응축을 만듭니다. 레이저 트래핑은 빛의 압력으로 나노 입자를 공중에 붙잡습니다. 광학 집게는 살아있는 세포를 손상 없이 조작합니다. 레이저 핵융합은 극강력 레이저로 연료를 압축하여 융합을 일으킵니다. 2022년 최초로 순 에너지 생산에 성공했습니다. 레이저는 양자역학의 추상적 예측에서 시작하여 현대 문명의 거의 모든 곳에 스며든 보편 기술이 되었습니다. 앞으로도 더 강력하고 효율적이며 다양한 레이저가 개발되어 새로운 응용을 열어갈 것입니다.