레이저(LASER)가 뭐야?

사진: Unsplash 의 8machine _

정의

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 레이저(LASER)에 대해서는 많이들 들어봤을 것이다. 하지만 레이저가 정확히 무엇이고 어떤 원리로 만들어지는지에 대해서는 내가 잘 몰랐다. 그래서 이참에 공부한 내용을 끄적여본다.

 레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation의 각 단어 앞글자를 딴 단어다. 직역하면 복사유도방출에 의한 빛 증폭이다. 레이저는 단일 파장의 빛으로, 하나의 직선 방향으로 진행하며 여러 방향으로 분산되지 않는다.

 

원리

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 레이저의 핵심원리는 복사에 의한 유도방출이다 (Stimulated emission of radiation). 유도방출이란 외부에서 전자기파가 복사되어 레이저 공진기 내에 있는 원자에 에너지를 전달하게 되면 전자의 에너지 준위가 올라가면서 들뜬상태가 된다. 이후에 곧장 전자는 다시 안정된 상태로 돌아가기 위해 바닥상태로 이동한다. 전자가 다시 낮은 에너지 준위로 이동하면서 외부에서 들어온 전자기파와 파장과 위상 그리고 에너지가 같은 전자기파를 방출하게 되는데 이를 자발적 방출이라고 한다. 이러한 전체 일련의 과정을 유도방출이라고 한다. 이렇게 방출된 전자기파는 다시 주변 원자의 유도방출을 일으킨다. 유도방출이 일어난 원자는 또다시 주변 원자의 유도방출을 일으키며 유도방출이 반복된다. 유도방출에 의해 파장과 위상이 서로 같은 파동은 결이 맞다고 하여 coherent 하다고 한다. 이렇게 coherent 한 파동끼리 만나게 되면 파동이 보강간섭(constructive interference)을 일으켜 진폭이 커지게 된다. 즉, 증폭이 일어나게 되는 것이다. 이렇게 증폭을 하며 진행하는 전자기파는 공진기 양 끝에 있는 반사장치(Reflector)까지 진행하는데 이때 진폭이 충분히 크다면 반사장치를 뚫고 공진기 바깥으로 나오게 되고, 그렇지 않다면 반사되어 다시 증폭된다. 이때 공진기를 뚫고 나오는 전자기파를 LASER라고 한다.

 

유도방출 설명도 (사진출처 : wikipedia)

 

활용

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 레이저는 정말 많은 분야에서 활용되고 있다. 실험장비에 들어가는 것부터 분광학 연구, 현미경, 광학 연구 등 연구 분야 뿐만 아니라 군사, 의료, 공장제품, 컴퓨터 디스크, 바코드 스캐너 등 정밀함을 요구하는 거의 모든 분야에서 활용되고 있다고 봐도 무방하다. 특히나 최근 주목받고 있는 것은 ULP(Ultrashort Laser Pulses) 레이저를 활용한 배아세포의 미세조작(micromanipulation)이다. ULP를 활용해 세포 내부 핵을 제거하고 세포를 융합하고 배아세포 내 외부 물질(분자, DNA)을 주입하는 데 성공했다. 물론 아직은 연구단계이지만, 배아세포를 조작해 특정 조직, 장기를 발달시키고 이를 사람에게 이식하는 것이 가능해진다면 많은 이들이 꿈꿔왔던 질병치료의 혁신이 일어나게 될 것이다.