강력한 인공의 빛, 레이저

강력한 인공의 빛, 레이저

 

 

영화나 만화에서, 레이저 광선은 강한 무기로서 등장합니다. 레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 약어로서, 유도 방출 과정에 의한 빛의 증폭을 뜻합니다. 일반적으로 레이저란 말은 레이저 빛을 발생하는 장치를 지칭하기도 합니다. 이러한 레이저 빛은 태양 빛이나 백열 전구, 형광등과 같이 기존의 광선에서 나오는 빛과는 전혀 다른 특성을 갖고 있습니다.

 

 ▲ 영화 스타워즈에 등장하는 레이저 검(출처: 에듀넷)

 

 

나무 한 그루 전체에 단 하나만의 물방울이 맺혀 있을 때는 나무를 아무리 세게 차도 한 방울의 물밖에 떨어지지 않습니다. 그러나 소나기가 온 후 많은 물방울이 맺혀 있는 나무 기둥을 힘껏 발로 차면 수많은 물방울이 한꺼번에 떨어져 지나가는 사람을 흠뻑 젖게 만들 수 있다는 것은 누구나 알고 있습니다. 레이저는 바로 이런 원리를 응용해서 만들어졌습니다.

 

물방울이 맺혀 있는 나무에 자극을 주었을 때 물방울이 떨어지는 것처럼, 원자에도 자극을 주면 원자가 가진 높은 에너지의 전자가 낮은 에너지의 상태로 떨어지게 됩니다. 이때 전자가 가진 에너지가 방출되는데, 이 에너지는 우리가 눈으로 확인할 수 있는 빛(전자기파)이라는 형태를 보입니다. 이를 유도 방출(자극 방출)의 원리라고 하며, 1917년 알버트 아인슈타인에 의해 발표된 이론입니다. 하나의 원자가 아닌, 많은 수의 원자에서 동시에 유도 방출이 일어나게 함으로써 레이저 장치는 강력한 빛을 만들어 냅니다. 이러한 아인슈타인의 창의적 아이디어가 오늘날의 레이저를 탄생하게 하였습니다.

 

  ▲ 레이저 빛의 이용(출처: 에듀넷)

 

 

레이저 빛(또는 레이저 광)은 유도 방출로 증폭된 빛이기 때문에 기존의 전구나 자연의 태양 광선 등과는 다른 특성이 있습니다. 그리고 레이저는 인위적으로 생성할 수 있지만, 자연에서는 관찰된 예가 없습니다. 레이저 빛은 어떤 특성이 있을까요?

첫째로, 레이저 빛은 한 가지 파장으로 된 빛으로서 하나의 색을 갖게 됩니다. 아인슈타인은 유도 방출의 원리에 대해 높은 에너지 상태에 있는 원자가 외부의 광자를 만날 때 외부의 광자와 같은 파장을 가진 광자를 방출하면서 낮은 에너지 상태로 돌아가는 것으로 설명했습니다. 이 때문에 태양 광선이나 전구의 빛은 프리즘을 통해 분산시켜 보면 여러 가지 색상의 빛을 관찰할 수 있으나, 레이저 빛은 한 가지 색상만을 나타내는 것을 볼 수 있습니다.

 

둘째, 레이저 빛은 유도 방출로 증폭된 강력한 빛으로서, 일반적인 빛과는 달리 진행 거리가 멀어져도 빛의 세기가 거의 줄어들지 않습니다. 이는 레이저 빛이 한쪽으로만 향하는 강한 직진성이 있기 때문입니다. 따라서 우리가 수많은 조명을 켜고 야간 경기가 열리고 있는 축구장에서 작은 레이저를 달로 향하게 하고 달 표면에서 지구를 본다면, 축구장의 강한 조명은 보이지 않고 세기가 백만분의 일 정도밖에 안 되는 레이저 빛만 볼 수 있을 것입니다.

 

레이저 빛의 세 번째 특성은 간섭성이 매우 강하다는 것입니다. 이는 진행 방향이나 파장이 일정하다는 것이며, 이에 따라 레이저 빛은 일정하고 규칙적으로 진행합니다. 레이저 빛의 높은 간섭성은 큰 도로를 대열을 지어 행진하는 군인들에 비유됩니다. 군인들은 발을 맞추어 걷고, 줄과 열은 매우 일정합니다. 이렇게 질서정연한 행진은 일정한 속도와 파장으로 진행하는 레이저 빛에 비유됩니다. 반면 백열 전구에서 방출되는 빛은 무질서하게 이리저리 움직이는 번화가의 사람들처럼 파장과 진행 방향이 다르답니다.

 

 

[자료출처: 에듀넷]