최초로 레이저 만든 마인만 박사, SFU 교수 재직 - 지난 2007년 밴쿠버에서 세상 떠나

 

“전자는 외부의 자극없이 스스로 에너지를 흡수하고 방출하는 과정을 반복하며 빛을 방출할 수 있다. 하지만, 특정한 파장의 빛을 이용하면 전자가 그와 동일한 파장의 빛을 방출하도록 유도할 수도 있다.”

 

이 말은 1917년 아인슈타인이 발표한 전자의 유도방출(stimulated emission)에 관한 논문 서론에 나오는 말입니다.

 

알쏭달쏭하고, 우리들의 삶과는 전혀 관련이 없어 보이는 어려운 이 한 문장이 바로 회의시간에 사용되는 포인터에서부터, 의료용으로, 그리고 군사용으로도 너무나도 많은 분야에서 사용되고 있는 ‘레이저(Laser)’의 기본원리입니다.

 

현재까지 관련 특허가 5만 5천여가지가 넘고, 관련된 내용으로 노벨물리학상과 노벨화학상이 열번이 넘도록 수여됐다는 것 만으로도, 레이저라는 것이 얼마나 우리의 삶의 많은 곳에서 응용되어 사용되고 있는지 알 수 있습니다.

 

이렇게 많은 곳에서 접할 수 있는 레이저가 다른 대부분의 빛들과 다르게 먼 거리에서 비춰도 퍼지지 않고, 일직선으로 나아갈 수 있다는 것이 신기하다고 생각해 본 적이 있으신 분들도 적지 않을 것이라 생각됩니다.

 

레이저라는 이름 자체에 앞서 말씀드린 아인슈타인의 이론이 숨어있는데, 그것은 바로 레이저라는 단어가 ‘유도방출에 의한 광 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER)’이라는 말의 머릿말을 딴 약자이기 때문입니다.

 

몇 회전 칼럼에서 설명드린 적이 있듯이, 원자에는 전자들이 존재할 수 있는 에너지 준위(Energy Level)가 있고, 낮은 준위에 있는 전자가 외부로부터 에너지를 흡수하면 높은 에너지 준위로 올라갈 수는 있지만, 불안정한 상태이기 때문에 다시 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 흡수했던 에너지를 다시 밖으로 방출을 하게 됩니다.

 

이렇게 방출되는 빛들은 원자의 종류와 해당 에너지 준위의 차이에 따라서 가시광선 뿐만 아니라, 자외선, X-선 등이 될 수 있습니다. 이와 같은 빛의 방출은 일단 원자들이 에너지를 흡수하면 안정화되기 위해 자발적으로 일어나는 현상이기 때문에 전자의 자발 방출(Spontaneous Emission)이라고 합니다.

 

자발 방출은 확률적으로 무작위적으로 일어나고 대부분의 가시광선 영역의 빛이 모두 겹쳐서 나오기 때문에 자연적인 백색광 빛이 방출되는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

이와 다르게 아인슈타인이 이야기한 유도방출(Stimulated Emission)은 상위 에너지 준위에 머물고 있는 전자가 특정한 파장을 갖고 있는 빛과 상호작용을 하면 정확하게 동일한 파장과 세기(amplitude)의 빛을 방출하며 낮은 에너지 준위로 내려올 수 있는 현상을 설명하고 있습니다.

 

이러한 유도방출이 일어나면 외부에서 들어오는 빛이 사라지는 것이 아니라, 이와 동일한 빛을 전자로부터 끌어내면서 함께 방출되기 때문에 빛이 원자를 통과하면서 두배로 증폭되는 결과를 만들어내게 됩니다. 확률적으로 정상적인 빛의 방출에서의 유도방출은 자발방출에 비해 극히 드물게 일어나기 때문에, 그에 의한 증폭현상을 볼 수는 없지만, 이 원리를 기본으로 특별한 구조를 이용해 반복된 증폭이 일어날 수 있게 만든 것이 바로 레이저의 원리인 것입니다.

 

레이저의 기본구조는 보통 원통형으로 생긴 통안에 원하는 색깔의 빛을 유도방출시킬 수 있는 원자들을 넣어두고, 원통의 양쪽 끝부분에 거울을 위치시킵니다. 이 두 거울중에 한 쪽 거울은 부분적 거울로서, 광학적으로 일정량의 빛은 반사를 시키지만, 동시에 일정량의 빛은 밖으로 방출시킬 수 있는 거울입니다.

 

이렇게 두 거울 사이에 원자들을 가두어두고, 외부에서 일정 파장의 빛을 넣어주면, 처음에는 매우 낮은 확률로 유도방출을 일으키며 적은량의 증폭만을 일으키지만, 이렇게 증폭된 빛이 양쪽 끝의 거울 사이를 반복 반사를 일으켜 증폭의 증폭을 거듭할 수 있고, 그 결과 매우 강한 세기로 뭉쳐진 빛이 부분거울을 통해 밖으로 나오게 되며, 이렇게 방출된 빛은 쉽게 퍼지지 않고, 멀리 직진해 나갈 수 있는 성격을 갖을 수 있게 되는 것입니다.

 

이는 쉽게 표현하자면, 처음에는 그리 높게 올라가지 못하는 그네를 반복적으로 진동수를 정확히 맞춰서 밀어주기를 반복하면, 그네의 진폭을 최대한으로 올릴 수 있게 되는 것과 같습니다. 전자에서 나오는 빛을 그네의 진폭이라고 생각하고, 이 빛이 거울 사이를 반사될 때마다 유도방출이라는 원리에 의해, 그네를 밀어주듯이, 그 세기를 끌어올려서 밖으로 방출시키는 것이라 비교해서 이해할 수 있습니다.

 

가장 중요한 원리를 이론적으로 아인슈타인이 설명한 것은 1917년이었지만, 실제 레이저가 만들어져 세상에 나온 것은 그로부터 약 50년이 지난 1960년이었습니다. 이렇게 긴 시간이 필요했던 가장 큰 이유는 높은 에너지 준위에 들떠있는 전자들을 일정시간 머물게 할 수 있는 방법과 물질을 찾는 것이 쉽지 않았기 때문입니다.

 

유도방출이라는 것은 이론적으로는 그럴 듯 하게 들리지만, 이 방법을 이용해서 실제로 빛을 증폭시키기 위해서는 높은 에너지 준위로 들떠 올라간 전자가 바로 아래로 다시 내려오지 않고 높은 에너지를 갖은 채 어느 정도 머물러 줘야 충분한 양의 전자들이 한꺼번에 에너지를 내놓으면서 유효한 증폭을 만들어낼 수 있기 때문입니다. 여러 과학자들의 연구를 바탕으로 실제 최초의 레이저를 만들어 보인 과학자는 마인만(Theodore H. Maiman, 1927-2007)으로 레이저를 개발하고 1960년 7월에 갖은 첫번째 기자회견에서 그가 제일 많이 받은 질문은 레이저가 정말로 죽음의 광선인가하는 것이었습니다.

 

이는 레이저가 개발되기 전부터 이러한 광선이 영화나 만화에서 광선무기로 등장해 왔기 때문입니다. 물론 레이저는 인간의 피부를 매우 정교하게 잘라낼 수 있기 때문에 현재 의료분야에서 매우 널리 사용되고 있으며, 군사적 목적으로도 지속적으로 연구되어 오고 있습니다.

 

캘리포니아에서 태어난 마이만 박사는 1999년에 바로 이 곳, 벤쿠버에 위치한 Simon Fraser University의 교수로 임명되어 마지막 연구 생활을 해오다가 79세의 나이로 2007년에 밴쿠버에서 생을 마감하였습니다.

 

이렇듯 프리젠테이션때마다 사용하던 레이저 포인터의 작동 원리에 물리책에서나 등장할 법 한 아인슈타인의 업적이 담겨 있으며, 이를 이용해서 처음으로 레이저를 만들어 낸 과학자가 바로 동시대에 몇 년 전까지 우리의 이웃으로 이 곳 밴쿠버에 살고 있었다는 사실을 보면, 정말로 과학은 먼 곳에 있는 것이 아니라, 가까이 아니 우리의 삶 속 곳곳에 자리하고 있는 것이 아닌가 생각해 봅니다.