스타워즈의 광선검, 레이저
물리 덕후의 과학-기술 소개
레이저 빔!!
액션빔!빔을 쏘면 악당들은 추풍 낙엽처럼 쓰러집니다. 영웅들이 가진 비장의 기술, 레이저.
그런데 레이저가 도대체 뭘까요? 그냥 타임머신처럼 공상과학소설에만 있는 기술은 아닙니다. 우리도 프레젠테이션 할때 레이저 포인터를 쓰니까요. 오늘의 주제는 그래서 레이저.
1. LASER: 빛에 의한 빛 증폭
레이저(LASER): Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationd의 약자.
아니, 이 단어들은 죄다 무슨 뜻인지! 하나하나 뜯어봅시다.
1) Light Amplication: 빛 증폭
2) Stimulated Emission: 유도 방출
3) Radiation: 방사
그러니까 방사 유도 방출에 의한 빛 증폭인데, 방사는 여기서 빛이 나오는 것을 의미합니다. 그러니까 레이저는, 빛에 의해서 유도방출되어 빛이 증폭된다는 것을 의미합니다.
유도 방출이 그렇다면 무엇인지 알아봅시다. 지금껏 열심히 포스팅한 양자역학과 관련이 있는 내용입니다.
(이 글의 마지막 부분을 읽으면 내용 이해에 도움이 됩니다)
원자 내에 있는 전자는 특정한 에너지 레벨만을 가질 수 있습니다. 높은 에너지에서 낮은 에너지로 갈 때 특정 에너지의 빛을 방출합니다. 전자가 높은 에너지 상태에 있으면, 얼마 지나지 않아서 빛을 방출하고 낮은 에너지 상태로 가게됩니다. 이것을 자발적 방출(Spontaneous emission)이라고 합니다.
유도 방출(Stimulated Emission)은 이와 다릅니다. 원자가 엄청나게 많이 있고 모든 전자들이 높은 레벨에 있다고 합시다. 이 때, 한 전자가 자발 방출을 하면서 빛을 내놓을 수 있겠죠? 그러면 옆에 있던 전자들이 이녀석의 영향을 받아서 똑같은 에너지의 빛을 같이 방출하게 됩니다. 이 현상을 유도 방출이라고 부릅니다. 왜, 우리도 옆에 있는 사람이 휴대폰 바꾸면 괜히 멀쩡한 내폰을 바꾸고 싶어지지 않나요?. 전자들도 그렇다고 보시면 됩니다.
흡수, 자발 방출, 유도 방출 비교2. 유도 방출로 인한 빛 증폭
레이저는 유도 방출을 이용합니다. 유도 방출은 한 전자가 빛을 내놓으면 옆의 전자가 빛을 내놓는 원리인데요. 이때, 옆에 있는 수많은 전자가 한꺼번에 빛을 내놓으면 엄청난 세기의 빛이 한 방향으로 동시에 나가게 됩니다.
이를 위해서는 수많은 전자들이 높은 에너지 상태에 한꺼번에 잠시간 있어야하겠죠? 자발 방출을 잠깐동안 하지 않고, 한꺼번에 어떤 에너지 상태에 몰려있는 것을 밀도 반전(Population inversion)이라고 합니다. 레이저는 사실 3-레벨 에너지 시스템인데요, 중간 레벨에 전자가 한꺼번에 몰려있다가 한꺼번에 펑 하고 유도 방출되는 식입니다.
밀도 반전, 중간레벨의 전자가 모여있다가 펑!이렇게 한꺼번에 유도 방출된 빛은 엄청난 화력을 자랑합니다.
레이저 빛은 몇가지 성질이 있습니다. 빛의 세기(Intensity)가 세고, 직진성이 있습니다. 빛이 사방으로 퍼지지 않고 한곳에 잘 모입니다. 그리고 빛이 단색성(Monochromatic)을 띕니다. 양자 역학에 따르면 빛의 색은 전자의 에너지 레벨 차이에 결정됩니다. 많은 전자가 똑같은 레벨에 있다가 떨어졌으니 굉장히 순도 높은 한 색깔이 됩니다.
그리고...마지막 성질은 결맞음인데, 쉽게 설명하기는 좀 어렵습니다. 러프하게 설명하자면 파동으로서의 빛이 서로 어긋나지 않는다는것? 빛끼리 서로 친하다고 보시면 됩니다. 지들끼리 다퉈서 상쇄되지 않고 잘 중첩된다는 것을 의미하는데요. 어릴 때 그네를 타면 뒤에서 밀어주던 부모님을 생각해봅시다. 그네가 들어왔다가 나가는 타이밍에 맞춰서 밀어야 잘 밀리겠죠? 이상한 타이밍에 밀거나 당기거나 하면 오히려 멈추게 됩니다. 타이밍을 맞추는 것이 바로 결맞음하고 비슷합니다.
레이저 빛은 지들끼리 타이밍 맞게 잘 어울린다고 생각하면 편합니다.
이번에도, 스크롤을 여기까지 내려주신 여러분
정말 고생 많으셨습니다, 정말.
지금까지 양자역학과 그 응용 사례 기술을 소개하고 있습니다. 사실 제 멋대로 제 관심사에 가까운 것들을 소개하다보니 양자역학이 들어가는 것 일 뿐일지도 모르겠습니다(..) 물리학을 비롯한 과학이 어렵긴 합니다. 이해하기 쉽지는 않습니다. 그렇지만 우리 생활에 응용되는 기술들은, 바로 이 어려움의 장벽을 넘은 사람들에 의해서 개발되었다는 것이 참 놀랍습니다. 이 글들이 비전공자들의 장벽을 조금이라도 낮춰줄 수 있다면 좋겠습니다.
