레이저 작동 원리

100여 년 전 아인슈타인이 처음 예측한 레이저는 현대의 기술 환경을 형성

 

 

 

레이저는 식료품점 스캐너, 인터넷 연결, 자동차 백업 카메라 등에 사용됩니다. 우리가 인식하든 못하든, 우리는 매일 레이저와 상호작용하고 있습니다. 이 빛 기반 기술은 우리가 살고 있는 깊게 상호 연결된 현대의 세계를 구축하는 데 도움을 주었습니다. 그렇다면 레이저란 정확히 무엇이며 어떻게 작동할까요?

 

"레이저"라는 단어는 사실 "방사선의 자극 방출에 의한 빛의 증폭"을 뜻하는 약어입니다. 레이저는 에너지 입자가 진동, 즉 "진동"을 일으키면서 동시에 방출하는 광파의 최고점과 최저점이 모두 일직선이 되도록 하는 방식으로 작동합니다. 센트럴 플로리다 대학의 포토닉스 엔지니어인 피터 델피엣은 군대가 대열을 지어 행진하는 모습과 마을 광장에 모여 있는 군중을 비교해보라고 말합니다. "이는 우리가 일반적으로 익숙한 일관성 없는 백색광에 비해 레이저 광의 품질과 비슷합니다."

 

진동적으로 동기화된 원자의 전자는 최고 에너지 상태에 도달하면 갑자기 한꺼번에 저에너지 상태로 떨어지면서 특별한 형태의 빛을 방출합니다. 그런 다음 레이저 장치는 이 빛을 두 개의 거울 사이에서 앞뒤로 반사시켜 정제하여 사용합니다.

 

"이것이 바로 레이저 포인터에서 나오는 실제 빛입니다."라고 델피엣은 말합니다.

 

레이저 기술의 기초가 되는 물리학은 1917년 알버트 아인슈타인이 처음 제안한 이론으로, 한 세기 이상 전부터 알려져 왔습니다. 하지만 연구자들이 이러한 이론적 아이디어를 현실화하기까지는 거의 40년이 걸렸습니다.

 

레이저 이전에는 가시광선 대신 마이크로파를 사용하는 유사한 기술인 레이저가 있었습니다. 최초의 기능성 레이저는 1954년 컬럼비아 대학교의 과학자 그룹에 의해 만들어졌습니다. 이 장치는 고에너지 암모니아 분자의 빔과 공명 공동이라는 속이 빈 인클로저를 사용하여 마이크로파가 함께 진동하도록 했습니다. 하지만 출력은 약 10나노와트에 불과할 정도로 작았습니다. 이는 일반적인 전구를 켜는 데 필요한 전력보다 10억 배 이상 적은 양입니다. 반면 세계에서 가장 강력한 레이저는 최대 10페타와트(태양 출력의 약 10분의 1)까지 출력할 수 있습니다.

 

이 아티스트의 컨셉은 특수 레이저를 사용하여 달 표면의 얼음을 찾도록 설계된 6개의 유닛으로 구성된 큐브위성인 달 탐사선(Lunar Flashlight)을 보여줍니다. (이미지 크레딧: NASA/ JPL-Caltech)

 

강력한 레이저를 만들기 위해 과학자들은 전자기 스펙트럼의 다양한 주파수를 연구하기 시작했습니다. 1960년, 레이저로 더 잘 알려진 '광학 레이저'가 탄생했습니다. 모든 레이저가 가시광선 스펙트럼에서 작동하는 것은 아니지만, 모든 레이저는 마이크로파 이상의 주파수를 사용합니다.

 

레이저는 마스저에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 레이저는 전자기 파장이 짧아 빔에 더 많은 에너지를 담을 수 있을 뿐만 아니라, 레이저는 제작하기 쉽고 정밀하게 제어하기 쉽습니다. 전파 망원경이나 심우주 통신과 같은 분야에서는 여전히 레이저가 사용되기도 하지만, 오늘날에는 레이저가 훨씬 더 일반적입니다.

 

뉴욕 로체스터 대학교의 나노 광학 연구원 스베틀라나 루키쇼바는 "레이저는 20세기의 가장 중요한 과학 기술 발명품 중 하나"라고 말합니다. 레이저는 이제 안과 수술부터 유리 에칭, 글로벌 인터넷 연결을 가능하게 하는 광섬유 케이블에 이르기까지 모든 분야에 사용되고 있습니다. 레이저 간섭계 중력파 관측소는 수천 마일 떨어져 있는 두 개의 거대한 레이저를 사용하여 시공간을 탐사하는 중력파를 감지하는 데에도 중요한 역할을 하고 있습니다.

 

레이저 기술의 미래도 마찬가지로 밝아 보입니다. 일부 연구자들은 태양계 너머의 외계 행성을 이미징할 수 있는 잠재력을 탐구하고 있습니다. 그리고 델피엣과 그의 연구실은 레이저를 소형화하여 데이터 센터를 더 작고 에너지 효율적으로 만들어 온실가스 배출을 줄이는 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

하지만 델피엣은 이 기술이 우리가 아직 상상조차 하지 못했던 응용 분야에도 적용될 수 있다고 믿습니다. "레이저의 사용은 상상력에 의해서만 제한됩니다."라고 그는 말합니다.

 

 

 

 

 

출처.

How do lasers work?