[MHN 과학] 20세기 가장 위대한 발명, 레이저
  • 권성준 기자
  • 승인 2020.03.27 13:11
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아인슈타인이 발견한 유도 방출의 원리를 이용
공학, 과학, 의학, 통신, 예술 등 여러 분야에서 폭 넓게 사용
출처: 픽사베이
출처: 픽사베이

[문화뉴스 MHN 권성준기자] 20세기 가장 위대한 발견 중 하나인 레이저는 현대에선 공학, 의학, 통신 심지어 예술 등 쓰이지 않는 분야를 찾는 게 더 어려울 정도로 광범위하게 사용되고 있다.

레이저란 무엇이며 어떤 성질 때문에 이렇게 다양한 분야에 사용되는 것일까?

레이저는 오늘날에는 고유명사로 쓰이지만 사실 'Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation'의 약자들을 나열해 만든 신조어다. 이를 한국어로 번역하면 '복사의 유도 방출에 의한 빛의 증폭'이 된다.

출처: Nobelprize, 알버트 아인슈타인
출처: Nobelprize, 알버트 아인슈타인

레이저의 이론적인 원리는 1917년 알버트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)이 발견한 '유도 방출' 과정을 기반으로 한다.

출처: Nobelprize, 닐스 보어
출처: Nobelprize, 닐스 보어

20세기에 정립된 양자역학에 의하면 원자 내 전자들은 특정한 에너지를 가질 수 있으며 이 에너지에 해당하는 궤도에만 존재할 수 있다. 이는 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr, 1885~1962)가 처음 주장하여 '보어의 양자화 가설'이라 부른다.

보어는 이를 이용해 '보어의 원자모형'이라 불리는 원자 구조를 제창하였다.

출처: 픽사베이, 보어 원자 모형 예시
출처: 픽사베이, 보어 원자 모형 예시

이 원자모형에서 아래 있는 전자는 에너지를 받아 위에 있는 궤도로 이동할 수 있으며 위에 있는 전자는 에너지를 방출하면서 낮은 궤도로 내려오기도 하는데 이때 방출되는 에너지는 빛의 형태로 방출된다.

'유도 방출'은 높은 궤도에 있던 전자가 외부의 자극을 받아 낮은 궤도로 떨어지면서 빛을 방출하는 현상을 말한다. 이때 자극은 두 궤도의 에너지 차이와 같아야 하며 방출되는 빛 또한 궤도 사이의 에너지 차이만큼의 에너지를 가지는 빛이 방출된다.

레이저는 특정한 물질(이하 매질)에 에너지를 공급해 물질 내 원자의 전자를 고에너지 궤도로 올린 다음 '자발 방출'이 일어나 특정 에너지를 가진 빛이 방출되면 그 빛이 주변 원자들을 자극해 '유도 방출'이 계속해서 일어나도록 하여 강한 빛을 얻는 원리이다.

출처: Applied physics B, Springera: 에너지 공급, b: 유도 방출, c: 자발 방출
출처: Applied physics B, Springer
a: 에너지 공급, b: 유도 방출, c: 자발 방출

레이저에는 두 개의 거울로 이루어진 공진기가 있고 이 사이에 매질이 있는 형태로 이루어져 거울 면에 반사된 빛이 계속해서 매질을 자극해 빛을 방출하게 하는 구조로 되어있다.

이렇게 빛이 거울 사이를 왕복하다 보면 거울에 수직으로 반사되는 빛만 남아 한 방향으로 정돈된 빛이 만들어진다.

이 빛을 원하는 방향으로 나가게 하면 특정한 에너지를 가진, 다시 말해 특정 색을 가진 한 방향으로 곧게 진행하는 빛이 된다.

1960년 맨 처음 레이저를 만든 시어도어 메이먼(Theodore Maiman, 1927~2007)은 매질로 루비를 이용했었다. 이후 레이저 기술이 발달하면서 매질로 다른 고체나 기체를 사용하며 최근에는 반도체를 이용해 레이저를 만들었다.

다양한 매질을 이용하면 다양한 파장의 레이저를 만들 수 있고 이를 공학, 의학, 과학 등의 분야에 사용하면서 인류 발전에 큰 영향을 끼치고 있다.

그래서 레이저 관련 연구는 수많은 노벨 물리학상을 배출하였으며 레이저보다 적은 에너지를 내어 마이크로 파장을 방출하는 메이저(MASER)의 개발은 이후 레이저의 발명에 초석이 되었음을 인정받아 개발자 찰스 타운스(Charles Townes, 1915~2015), 니콜라이 바소프(Nikolay Bsov, 1922~2001), 알렉산더 프로호로프(Alexander Prokhorov, 1916~2002)는 1964년 노벨상을 수상하였다.

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[MHN 과학] 20세기 가장 위대한 발명, 레이저

아인슈타인이 발견한 유도 방출의 원리를 이용
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