레이저 이야기

[김영해(성북석관)]

우리들은 자주 레이저라는 말을 들어 보았을 것입니다. 환상적인 레이저 쇼, 간단한 외과 수술, 아주 작은 구멍 뚫기, 강연이나 발표할 때 사용되는 지시봉, SF 영화에 단골로 등장하는 광선검 등에 레이저가 사용됩니다. 필자도 목에 생겨 성가시게 하던 작은 혹을 레이저로 최근에 레이저로 말끔하게 제거하였답니다.

그러면 레이저는 과연 무엇이며 어떻게 만들어지는 것일까요? LASER은 light amplification by stimulated emission of radiation의 머리글자에서 만들어진 용어입니다. 하나씩 차근차근 알아보도록 하지요. 우선 stimulated emission이 무엇일까요?

입자가 빛이나 열 및 기타의 에너지를 받게 되면 들뜨게 됩니다. 그런데 일반적인 경우에는 에너지가 낮은 상태에 존재하는 입자의 수가 높은 에너지 상태의 입자 수보다 훨씬 더 큽니다. 그러나 레이저가 방출되기 위해서는 에너지가 높은 상태에 있는 입자의 수가 낮은 상태에 있는 입자의 수보다 많아야 합니다. 이 현상은 photon pumping와 준안정 상태에 의하여 일어납니다. photon pumping과 관련있는 것이 stimulated emission입니다. 여기서 emission에 대하여 알아보기로 하지요. 앞에서도 말한 것처럼 입자가 외부 에너지에 의하여 들뜨면 빛을 방출하는데 이 현상을 luminescence라고 합니다. 여기에는 입자를 들뜨게 하는 방법에 따른 다음의 세 과정이 포함됩니다.

1. chemiluminescence

A + B → C* → C + hν

즉 화학반응에 의한 에너지를 흡수한 생성물이 들뜬 상태가 되고 이 상태에서 빛이 방출되는 현상

2. photoluminescence

A + hν → A* → A + hν'

이 과장에 우리가 일반적으로 알고 있는 형광과 인광이 있습니다. 그리고 들뜬 상태의 입자는 입자의 기하구조와 용매 효과 등으로 에너지를 열로 방출하므로 방출되는 빛의 에너지가 작아져 파장이 길어집니다.

3. bioluminesence

지금은 보기가 어려운 반딧불이나 발광 생물 등에서 관찰되는 생물에 의한 발광입니다.

더 자세한 것을 아시고 싶으면 직접 필자에게 문의하시기 바랍니다,

위의 방출과정을 일반적으로 spontaneous emission 이러고 합니다. 그러면 stimulated emossion,은 과연 무엇일까요?

입자가 들뜰때 방출하는 빛과 동일한 파장과 위상의 빛을 쪼이면 방출되는 빛의 세기는 증폭됩니다.

A + hv → A* + hν' → 2hν'

한편 준안정상태는 다음에서 설명됩니다. 책은 면적이 큰 부분을 바닥데 놓는 것이 가장 안정합니다(안정한 상태, stable state). 그런데 두꺼운 챋일수록 세워놓아도 상당한 시간동안 안정하게 서 있습니다., 즉 바닥에 놓인 상태보다는 불안정하지만 그래도 비교적 안정한 상태에 있습니다(준안정상태. metastable state).

그러니까 stimulated emission에서 만들어지는 photon pumping와 준안정상태에 의하여 입자 수에 반전이 일어나면(population imversion) laser기 방출됩니다.

어떤 계가 빛을 흡수하면 빛의 에너지에 의하여 들뜨게 되어 안정한 낮은 에너지 상태(바닥상태)에서 불안정한 높은 에너지 상태(들뜬상태)로 올라가는데 일반적으로는 바닥상태에 존재하는 입자의 수가 들뜬상태로 올라가는 입자의 수보다 아주 많다. 그런데 들뜬상태 중에 준안정상태가 존재하고 외부에서 주어지는 빛에너지가 많아지면 준안정상태의 입자수가 바닥상태의 입자수보다 더 많은 경우가 생긴다. 이 경우를 밀도반전(population inversion)이라고 하며 레이저가 발생하려면 반드시 이 현상이 일어나야한다. 밀도반전이 계속 유지되려면 외부에서 에너지가 공급되어야하며 이것을 광펌핑(photon pumping)이라고 한다.

레이저발생장치에는 빛을 방출하는 물질이 가운데 존재하며 양쪽 거울 중 하나는 불투명하고 다른 거울은 반투명하여 방출된 빛이 내부에서 유도방출에 의하여 점차로 증폭되며 또한 정상파의 간섭현상에 의하여 파장이 선택되어 단파장의 빛이 발생하게 된다. 생성된 레이저의 일부가 외부로 방출된다. 빛 대신 마이크로파가 증폭되면 메이저가 발생한다. 1954년 암모니아를 사용한 마이크로파 발진기가, 1955년 고체를 사용한 마이크로파 증폭기가 최초의 메이저로서 탄생하였다.

최초의 레이저는 1960년에 미국 캘리포니아(California)주에 있는 휴즈비행기회사의 연구소에서 T. H. 메이먼 (1927～)에 의하여 만들어진 루비레이저이다. 그 후 기체레이저, 액체레이저, 고체레이저, 반도체레이저 등이 개발되어 광범위하게 사용되고 있다(예: 레이저show, 수술, 지시봉, 미세한 구멍 뚫기 등). 레이저는 단일한 파장을 가지는 (monochromatic)빛이며 개개 광자의 위상이 동일하므로 (in phase), 에너지 밀도가 아주 크고 공간에서 거의 분산되지 않고 한 방향으로 진행한다.

레이저는 홀로그래피, 레이저가공, 의학 분야 및 통신에 광범위 하게 이용되고 있다.

① 홀로그래피: 레이저가 동일한 위상을 가진다는 성질을 이용한 기술이 홀로그래피이다. 1947년 영국의 D. 게이버 (1900~1979)에 의하여 위상이 동일한 빛의 간섭현상을 이용하여 입체적인 상을 볼 수 있을 것이라는 것이 예언되었고 이 입체사진기술 (홀로그래피)은 1960년 레이저가 발명된 후에 실현되었다. 물체에 비추어져 반사된 레이저광과 같은 위상을 가지는 레이저광 (기준파)의 간섭무늬를 사진건판에 기록한 것을 홀로그램이라 한다. 홀로그램에는 레이저광을 받은 물체의 형태, 깊이, 위치 및 명암 등의 모든 특징이 간섭무늬에 기록된다. 만들어진 홀로그램에 기준파와 동일한 레이저를 같은 방향에서 비추면 원래 물체의 3차원 상이 원래위치에 나타난다. 홀로그래피는 상의 기록이나 재생뿐만 아니라, 물체 형상의 미소변화를 측정하거나 스피커 등의 진동 해석, 컴퓨터의 메모리 등에 응용되고 있다. 화폐의 위조 방지에도 홀로그램이 응용되고 있다.

② 레이저 가공: 레이저광의 큰 에너지밀도를 이용하여 딱딱한 보석에 구멍을 뚫거나, 시계 부품의 구멍을 신속하고 정확하게 뚫는 기술은 비교적 일찍이 실행되었다. 또 양복을 대량으로 만들 때에 옷감의 재단에 레이저가 사용되고 있다. 사람이 한 장 한 장 가위나 커터로 재단하기보다 매우 빠르고 옷감의 낭비도 없으며, 자른 자리에 실밥이 생기지 않게 재단할 수 있으므로 이용이 증가하고 있다. 철판의 절단이나 용접 등에도 널리 응용된다. 또한 담배의 권련지와 필터종이에 아주 미세하고 균일한 기공을 만들 수 있으므로 유해성분을 상당히 감소시킬 수 있다.

③ 의학에서의 응용: 레이저로 백내장 환자의 손상된 조직을 잘라 내거나 녹내장 환자의 안압을 낮추기 위하여 각막에 미세한 구멍을 내는 데 사용한다. 그리고 라식수술 (LASIK:은 Laser Associated Stromal Insitu Keratomil)에 의하여 각막을 깎아내어 근시를 치료할 수 있게 되었다. 또 레이저를 사용하는 수술용 메스가 개발되어 위 속에 생긴 암이나 종양을 제거할 수 있다. 즉, 입으로 광섬유를 삼키게 하고 여기에 레이저를 통하여 암이나 종양 부분만을 태우고 잘라내는 방법이다. 피부에 나타나는 주근깨, 사마귀, 검은 반점, 문신 등의 제거에도 레이저가 사용되어 좋은 효과를 거두고 있다.

④ 레이저 통신: 레이저는 전화회선 등에 사용되고 있는 마이크로파에 비하여 주파수가 수만 배에서 수십만 배나 높으므로 이것을 반송파로 쓰면 마이크로파의 수만 배, 수십만 배나 되는 음성, 화상 및 데이터 등의 정보를 동시에 전송할 수 있다. 주파수가 약 4.7×1014Hz인 헬륨네온 레이저를 사용하면 한 번에 10억 회선 정도의 통화가 가능하며 20억 인이 동시에 통화를 할 수 있다. 현재의 기술 수준으로는 이만큼 많은 정보 전송은 불가능하지만 전파 대신 레이저광선을 사용하는 통신이 실시되는 것은 비교적 가까운 장래의 일이라고 생각된다.