레이저

레이저는 어떤 원리로 빛을 만드나요

물질은 고유한 에너지 준위를 가져요. 원자와 분자는 보통 가장 낮은 바닥 상태에 있다가 밖에서 에너지를 받으면 높은 들뜬 상태가 되고, 다시 낮은 상태로 돌아가며 빛을 내요. 이렇게 저절로 나오는 자연방출 빛은 파장과 위상이 제각각이라서 흔히 보는 전구 불빛과 같아요. 일상의 빛이 이 종류예요.

반면 들뜬 원자가 자기와 같은 파장의 빛을 만나면 그 빛에 이끌려 똑같은 빛을 내놓아요. 이것이 유도방출이고, 새로 나온 빛은 처음 빛과 파장, 위상, 진행 방향, 편광이 모두 같아요. 첫 광자가 두 번째 광자를 일으키고 둘이 다시 둘을 일으키며 빠르게 불어나는 연쇄가 증폭이에요.

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왜 일상에서는 레이저가 저절로 생기지 않나요

열평형 상태의 물질은 낮은 에너지 상태의 원자가 높은 상태보다 많아서 들어온 빛이 흡수만 되고 유도방출은 거의 일어나지 않아요. 그래서 에너지를 공급해 들뜬 원자를 더 많게 만드는 반전분포 또는 모집단 역전이 필요해요. 이 아이디어는 1924년 톨먼이 발표했어요.

레이저의 기본 구조는 무엇인가요

세 가지 요소가 갖춰져야 해요.

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거울 사이에서 거울에 수직으로 닿는 빛만 왕복하면서 유도방출을 되풀이해 레이저 광으로 자라요. 한쪽 거울을 일부 투과하게 만들면 내부를 오가던 빛의 일부가 밖으로 나와요.

반전분포를 만드는 방식에 따라 3준위 레이저와 4준위 레이저가 있어요. 3준위는 바닥 준위와 두 번째 높은 준위 사이에서, 4준위는 기저 준위 위에 한 준위를 더 둔 구조에서 반전분포를 이뤄요. 고체와 액체 레이저는 램프나 레이저 빛으로 펌핑하고, 기체 레이저는 방전을, 반도체 레이저는 전류를 흘려요.

레이저에는 어떤 종류가 있고 대표적인 예시는 무엇인가요

매질에 따라 기체, 고체, 액체, 반도체 레이저로 나누고, 파장으로는 자외, 가시, 적외, 원적외 레이저로 나눠요. 매질이 다르면 색도 달라서, 아르곤은 푸른색, 이산화탄소는 눈에 안 보이는 적외선, 루비는 붉은색을 내요.

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이 외에도 지금까지 수천 종류의 레이저 광이 확인됐어요.

레이저 발견의 역사는 어떻게 되나요

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중요한 레이저 개발은 1960년대 초에서 1970년대 중반 사이에 이뤄졌지만 응용은 한동안 더뎠어요. 1970년대 중반부터 재료 가공과 거리 측정 같은 생산 공정에 쓰이기 시작했고, 1980~1990년대 초에 개발과 생산이 크게 늘었어요.

레이저는 왜 같은 출력에서도 강력한가요

햇빛을 한 점에 모으면 종이를 태울 수 있지만 태양빛을 직경 1,000분의 1mm로 모으기는 어려워요. 레이저는 그것이 가능해서 출력 1mW짜리도 단위 면적당 태양빛의 100만 배 에너지 밀도가 돼요. 레이저가 군사용 무기로도 쓰일 수 있는 이유예요.

레이저는 기초과학에서 어떤 일을 했나요

레이저는 비선형광학을 낳았고, 물질에 선형 현상 말고도 비선형 현상이라는 개념을 더했어요. 초고분해능 분광으로 원자와 분자의 상태 구조, 에너지가 사라지는 과정, 화학 반응의 미시적 경로를 조사할 수 있게 됐고, 레이저를 쪼여 원자의 운동을 거의 멈추게 하는 레이저 냉각으로 정지한 원자를 이용한 새로운 연구가 가능해졌어요. 아주 짧은 광펄스를 쓰면 물리, 화학, 생물 현상의 초고속 변화를 미시적 수준에서 밝힐 수 있어요. 레이저는 길이의 표준, 중력가속도의 정밀 측정, 상대성이론 검증에도 쓰여요.

실제 발진하는 파장은 이론상 0.1㎛에서 1mm에 이르지만 실용 범위는 0.2㎛에서 500㎛예요. 밀리파보다 긴 파장은 레이저가 아니라 메이저로 구분하고, 메이저는 레이저보다 먼저 발견됐지만 기본 원리는 같아요. 1990년대 중반 세계 레이저 판매액은 부품을 뺀 레이저만으로 14억 달러가 넘었어요.

레이저는 생활 속 어디에 쓰이나요

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출력을 어떻게 조절하느냐에 따라 같은 가공기가 절단기가 되기도 하고 용접기가 되기도 해요. 출력을 높여 연속으로 쪼이면 금속을 자르고, 재료가 녹되 증발하지는 않을 만큼 줄이면 용접이 되며, 더 줄이면 표면 열처리가 돼요.

의료에서는 레이저 메스의 출력을 낮추면 조직이 응고되어 출혈이 적어서 출혈이 많은 부위의 수술에 적합해요. 암세포에만 반응하는 색소를 주입한 뒤 그 색소에 흡수되기 쉬운 레이저를 쬐어 암세포의 발육을 막는 치료는 연구되던 방법으로 소개돼요.

레이저와 함께 알아 둘 개념과 흔한 오해는 무엇인가요

• 레이저 포인터와 눈 안전: 레이저 포인터는 눈에 비추면 망막에 치명적인 손상을 줄 수 있어서, 2017년 10월 18일 청소년보호위원회가 레이저 포인터류를 청소년유해물건으로 결정했어요. 누구든 청소년에게 이 물건을 팔거나 빌려주거나 나눠 줄 수 없고, 만들거나 수입한 사람은 포장에 청소년에게 유해하다는 표시를 해야 해요.
• 레이저 제모기: 털을 만드는 모낭에 레이저를 쪼여 열로 모낭을 손상시켜 털이 자라지 못하게 하는 의료기기예요. 식품의약품안전처는 포장에 '의료기기' 표시와 허가번호가 있는지 확인하고, 피부톤에 맞는 강도를 고르고, 멜라닌이 많은 어두운 갈색 피부는 화상이나 변색이 생길 수 있으니 조심하라고 안내해요. 눈 주위에는 절대 쓰지 말아야 하고, 제모 뒤 1주 안에는 자외선 차단제를 발라야 해요.
• 레이저는 항상 눈에 보이는 색이 있다: 가시광이 아닌 파장의 레이저는 모양도 색도 보이지 않아요.
• 레이저와 일반 빛은 세기만 다르다: 가장 큰 차이는 파장과 위상이 가지런한지 여부예요.
• 레이저는 하나의 장치다: 작은 반도체 장치부터 건물 전체를 채우는 시스템까지 모두 같은 원리로 작동하는 여러 종류예요.
• 레이저는 살인 광선이다: 출력에 따라 위험할 수 있지만 의료와 통신 등 사람을 살리는 쪽으로도 폭넓게 쓰여요.