레이저

레이저(LASER)는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(유도방출에 의한 빛의 증폭)의 줄임말입니다. 바코드 스캐너, 레이저 포인터, 광통신, 안과 수술, 거리 측정(라이다)까지—우리 주변 곳곳에서 쓰이는 이 특별한 빛이 어떻게 만들어지는지 살펴봅니다.

레이저는 어떻게 특별한 빛일까?

전구나 태양처럼 우리가 흔히 보는 빛은 여러 파장이 뒤섞인 채 사방으로 무질서하게 퍼져 나갑니다. 반면 레이저 빛은 세 가지 점에서 특별합니다.

• 단색성: 거의 하나의 파장(색)으로만 이루어집니다.
• 결맞음(coherence): 모든 빛 알갱이(광자)의 위상(파동의 마루·골 위치)이 서로 맞아떨어집니다.
• 지향성: 퍼지지 않고 한 방향으로 곧게 나아갑니다.

유도방출(誘導放出) 원리

원자는 에너지를 받으면 전자가 들뜬 상태가 되었다가, 스스로 빛(광자) 하나를 내놓으며 바닥상태로 돌아가곤 합니다(자연방출). 그런데 마침 그 원자가 낼 빛과 똑같은 파장의 광자가 먼저 지나가면서 원자를 자극하면, 원자는 그 자극에 맞춰 완전히 똑같은 파장·위상·방향의 광자를 하나 더 내놓습니다. 이것이 유도방출(stimulated emission)입니다.

광자 하나가 들뜬 원자를 만날 때마다 자신과 똑같은 쌍둥이 광자를 하나씩 늘려가므로, 광자 수는 마치 눈덩이처럼 빠르게 불어납니다. 이를 위해서는 평소와 반대로 들뜬 원자가 바닥상태 원자보다 많은 상태(반전분포, population inversion)가 먼저 만들어져야 하며, 보통 외부에서 에너지를 계속 공급하는 펌핑(pumping)으로 이 상태를 만듭니다. 또한 양쪽 끝에 거울을 마주 세운 광공진기(optical cavity) 안에 이 물질을 넣어 빛이 왕복하며 계속 증폭되게 하고, 한쪽 거울은 빛의 일부를 내보내는 출력 거울(부분 반사경)로 만들어 레이저 빔을 얻습니다.

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레이저의 활용

레이저와 비슷한 우주 현상 — 메이저(MASER)

메이저(MASER)는 Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation(유도방출에 의한 마이크로파 증폭)의 줄임말로, 레이저와 원리는 완전히 같고 다만 증폭되는 빛의 파장이 가시광선이 아니라 전파(마이크로파) 영역이라는 점만 다릅니다. 실험실 밖 우주 공간에도 자연적으로 반전분포가 만들어지는 곳이 있는데, 이런 곳에서 나오는 전파를 우주 메이저(astrophysical maser)라고 부릅니다.

별이 갓 태어나는 성간 가스 구름이나, 죽어가며 물질을 우주로 뿜어내는 늙은 별(적색거성) 주변에서는 강한 별빛이나 충돌이 물(H₂O), 수산기(OH), 규소산화물(SiO), 메탄올 같은 분자들을 들뜨게 해 반전분포를 만듭니다. 이 분자들이 유도방출로 내는 전파는 매우 좁은 영역에서 나오는데도 놀랍도록 밝아서, 전파간섭계(VLBI)로 관측하기에 이상적인 대상입니다. 그래서 한국우주전파관측망(KVN)을 비롯한 전 세계 전파간섭계들이 이런 우주 메이저를 정밀하게 관측해, 별이 태어나는 순간의 모습이나 늙은 별 주변 물질의 움직임을 연구합니다. 여러 전파망원경을 연결해 이렇게 작고 밝은 천체를 정밀하게 보는 원리는 간섭계 원리 편에서 자세히 다룹니다.