양자역학 이용해 반복 증폭된 빛
퍼지지 않고 한곳으로 멀리 전달
에디슨이 백열 전구를 처음 발명했던 1880년부터 인공적으로 빛을 만들어내는 기술은 정말 눈부시게 발전했다. 그 중에서도 가장 놀랍고 유용한 것이 1960년대에 개발된 `레이저'다. 첨단 과학 실험용으로 개발됐던 레이저가 요즘은 산업, 의료, 공연, 광고 등에서 널리 활용되고 있다. 도대체 레이저란 무엇일까?
레이저(laser)는 `복사의 자극 방출에 의해 증폭된 빛'이라는 복잡한 이름의 영어 표기를 줄인 말이다. 레이저라는 단어 속에 이미 `빛'이라는 뜻이 들어있기 때문에 레이저 광(光) 또는 레이저 빛이라고 부르는 것은 적절하지 않다. 영어에서는 레이저라는 말을 동사로 사용하는 경우도 있을 정도로 특별한 현상을 뜻하기도 한다.
빛은 전기장과 자기장이 서로 수직인 방향으로 진동하는 `전자기파'이다. 일상 생활에서 보는 물질의 파동과 크게 다르지 않다는 뜻이다. 우리가 흔히 사용하는 빛은 물질을 구성하는 전자나 원자핵에서 방출된다. 전하를 가진 그런 입자들이 움직이는 과정에서 빛의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수한다는 것이 양자역학의 가장 초보적인 지식이다.
문제는 대부분의 경우에 서로 다른 전자나 원자핵들이 서로 아무 관계도 없이 마구 빛을 쏟아낸다는 것이다. 그래서 마음이 맞지 않는 사람들이 한꺼번에 빨래줄을 흔들어대는 것처럼 여러 종류의 파장과 위상을 가진 파동들이 마구 혼합된 빛이 만들어진다. 뜨겁게 달구어진 백열 전구의 필라멘트나 장작불에서 나오는 빛이 그런 경우다. 그런 빛은 어둠을 밝히고, 우리 몸의 내부를 살펴보는 목적에는 아무 문제없이 유용하게 사용할 수 있다.
레이저는 빛을 구성하는 파동이 모두 같은 파장과 위상을 가지고 있다는 점이 특별하다. 여러 사람이 힘을 합쳐서 한 사람의 신호에 따라 빨래 줄을 흔드는 경우에 만들어지는 파동과 같은 경우가 된다. 레이저의 뛰어난 단색성과 간섭성은 그래서 나타나는 아주 특별한 성질이다.
그런 레이저는 특별한 양자역학적 특징을 가진 레이저 물질과 그런 물질을 뜨겁게 달구어주는 전기적 장치와 서로 마주 보고 있는 두 개의 거울에 의해 만들어진다. 다른 물질의 경우와 마찬가지로 레이저 물질도 뜨겁게 달구어지면 파장과 위상이 서로 다른 성분들이 뒤섞인 빛을 방출한다. 다만 `밀도 반전'이라는 특별한 양자역학적인 특성 때문에 뜨겁게 달군 후에 조금 오랫동안 빛을 방출할 수 있을 뿐이다.
레이저 물질의 양쪽에 서로 마주보고 있도록 설치된 두 개의 거울이 레이저의 핵심이다. 두 거울에 의해 반사된 빛이 뜨겁게 달구어진 레이저 물질을 지나가면서 자극 방출이라는 현상을 일으킨다. 뜨거운 레이저 물질이 지나가는 빛에 의해서 자극을 받아서 그 빛과 똑같은 파장과 위상을 가진 또 다른 빛을 방출하게 된다는 것이다. 아인슈타인이 처음 알아낸 아주 특별한 양자 현상이다. 그런 과정을 통해 반복적으로 증폭된 빛이 바로 레이저다.
레이저는 잘 훈련된 병사들과도 같다. 잘 훈련된 병사들은, 서로 발을 맞추지도 않고 행진하는 오합지졸(烏合之卒)들과 달리, 정돈된 대열을 유지한 상태로 먼 거리까지 행진을 할 수도 있고 한 곳의 목표를 집중적으로 공격할 수도 있다.
레이저도 역시 오합지졸에 해당하는 보통의 빛과는 달리, 옆으로 퍼지지 않고 멀리까지 전달된다. 긴급 출동을 하는 특수부대처럼 짧은 시간에 켜고 끌 수도 있어서 카메라 플래시처럼 아주 짧은 시간 동안만 켜져 있는 레이저 펄스를 만들 수도 있다.
레이저는 20세기에 들어서야 알려지게 된 양자역학적 원리를 응용해서 만든 지극히 인공적인 빛이다. 양자역학의 원리가 밝혀지고 나서 반세기가 넘게 걸린 현대 과학의 쾌거였다.
이덕환
퍼지지 않고 한곳으로 멀리 전달
에디슨이 백열 전구를 처음 발명했던 1880년부터 인공적으로 빛을 만들어내는 기술은 정말 눈부시게 발전했다. 그 중에서도 가장 놀랍고 유용한 것이 1960년대에 개발된 `레이저'다. 첨단 과학 실험용으로 개발됐던 레이저가 요즘은 산업, 의료, 공연, 광고 등에서 널리 활용되고 있다. 도대체 레이저란 무엇일까?
레이저(laser)는 `복사의 자극 방출에 의해 증폭된 빛'이라는 복잡한 이름의 영어 표기를 줄인 말이다. 레이저라는 단어 속에 이미 `빛'이라는 뜻이 들어있기 때문에 레이저 광(光) 또는 레이저 빛이라고 부르는 것은 적절하지 않다. 영어에서는 레이저라는 말을 동사로 사용하는 경우도 있을 정도로 특별한 현상을 뜻하기도 한다.
빛은 전기장과 자기장이 서로 수직인 방향으로 진동하는 `전자기파'이다. 일상 생활에서 보는 물질의 파동과 크게 다르지 않다는 뜻이다. 우리가 흔히 사용하는 빛은 물질을 구성하는 전자나 원자핵에서 방출된다. 전하를 가진 그런 입자들이 움직이는 과정에서 빛의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수한다는 것이 양자역학의 가장 초보적인 지식이다.
문제는 대부분의 경우에 서로 다른 전자나 원자핵들이 서로 아무 관계도 없이 마구 빛을 쏟아낸다는 것이다. 그래서 마음이 맞지 않는 사람들이 한꺼번에 빨래줄을 흔들어대는 것처럼 여러 종류의 파장과 위상을 가진 파동들이 마구 혼합된 빛이 만들어진다. 뜨겁게 달구어진 백열 전구의 필라멘트나 장작불에서 나오는 빛이 그런 경우다. 그런 빛은 어둠을 밝히고, 우리 몸의 내부를 살펴보는 목적에는 아무 문제없이 유용하게 사용할 수 있다.
레이저는 빛을 구성하는 파동이 모두 같은 파장과 위상을 가지고 있다는 점이 특별하다. 여러 사람이 힘을 합쳐서 한 사람의 신호에 따라 빨래 줄을 흔드는 경우에 만들어지는 파동과 같은 경우가 된다. 레이저의 뛰어난 단색성과 간섭성은 그래서 나타나는 아주 특별한 성질이다.
그런 레이저는 특별한 양자역학적 특징을 가진 레이저 물질과 그런 물질을 뜨겁게 달구어주는 전기적 장치와 서로 마주 보고 있는 두 개의 거울에 의해 만들어진다. 다른 물질의 경우와 마찬가지로 레이저 물질도 뜨겁게 달구어지면 파장과 위상이 서로 다른 성분들이 뒤섞인 빛을 방출한다. 다만 `밀도 반전'이라는 특별한 양자역학적인 특성 때문에 뜨겁게 달군 후에 조금 오랫동안 빛을 방출할 수 있을 뿐이다.
레이저 물질의 양쪽에 서로 마주보고 있도록 설치된 두 개의 거울이 레이저의 핵심이다. 두 거울에 의해 반사된 빛이 뜨겁게 달구어진 레이저 물질을 지나가면서 자극 방출이라는 현상을 일으킨다. 뜨거운 레이저 물질이 지나가는 빛에 의해서 자극을 받아서 그 빛과 똑같은 파장과 위상을 가진 또 다른 빛을 방출하게 된다는 것이다. 아인슈타인이 처음 알아낸 아주 특별한 양자 현상이다. 그런 과정을 통해 반복적으로 증폭된 빛이 바로 레이저다.
레이저는 잘 훈련된 병사들과도 같다. 잘 훈련된 병사들은, 서로 발을 맞추지도 않고 행진하는 오합지졸(烏合之卒)들과 달리, 정돈된 대열을 유지한 상태로 먼 거리까지 행진을 할 수도 있고 한 곳의 목표를 집중적으로 공격할 수도 있다.
레이저도 역시 오합지졸에 해당하는 보통의 빛과는 달리, 옆으로 퍼지지 않고 멀리까지 전달된다. 긴급 출동을 하는 특수부대처럼 짧은 시간에 켜고 끌 수도 있어서 카메라 플래시처럼 아주 짧은 시간 동안만 켜져 있는 레이저 펄스를 만들 수도 있다.
레이저는 20세기에 들어서야 알려지게 된 양자역학적 원리를 응용해서 만든 지극히 인공적인 빛이다. 양자역학의 원리가 밝혀지고 나서 반세기가 넘게 걸린 현대 과학의 쾌거였다.
이덕환
