[광학] 레이저(Laser)의 역사

 

 레이저(Laser)는 "유도 방출에 의한 빛의 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation)"을 의미하는 머리글자로, 원자나 분자 내부에 축적된 에너지, 즉 특정한 파장의 빛을 매우 강력하고 집약된 형태로 방출하는 광원 장치이다. 이는 다시 말하면 축적된 에너지를 집약적으로 뽑아내는 것으로, 응집력 있게 결합한 광선을 말한다. 잠시 언급했듯 단 하나의 파장이나 색으로만 이루어지며, 일반적으로 레이저 "빔(beam)"은 다른 광원에 비하여 가늘고, 퍼지지 않는다. 레이저와 비교했을 때, 백열등과 같은 대부분의 광원은 "결맞음"이라는 특성을 들어 이야기할 때, 결이 맞지 않은 셀 수 없이 많은 빛을 넓은 파장 범위, 넓은 면적으로 방출한다. 반면에 레이저의 파장은 매질 등의 구성요소에 의해서 정확하게 정해지기 때문에 일반 광원들과 다른 특성을 보이는 것이다. 대표적으로 매질의 종류에 따라서 매질이 아르곤일 때 푸른색, 이산화탄소일 때는 무색 또 잘 알려진 루비 매질에 대해서는 붉은색의 레이저가 방출된다. 이러한 레이저는 다양한 분야에서 오늘날 중요한 역할을 담당하고 있는데, 과학 연구, 산업, 통신, 의료, 군사 등의 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있다.

 먼저 레이저의 역사에 대해서 살펴보면, 레이저는 20세기 중반에 물리학과 전자 공학의 발전이 레이저의 발명과 발전을 가능하게 했다. 레이저의 발전에는 수많은 과학자의 기여가 있었으며, 오늘날 우리가 사용하고 있는 다양한 레이저 기술의 기반을 마련하였다. 먼저 레이저의 초기 개념은 알베르트 아인슈타인이 1917년에 제안했던 "유도 방출" 원리에서 출발한다. 아인슈타인은 특정 조건에서 고에너지 상태의 원자가 낮은 에너지 상태로 전이하게 되면 특정 파장의 "광자"를 방출할 수 있다는 것을 이론적으로 설명했다. 전자기 방사선의 흡수와 자연 방출 그리고 유도 방출을 위해 개념적으로 "아인슈타인 계수"를 기반으로 하는 막스 플랑크의 방사 법칙을 아인슈타인이 다시 유도하게 됨으로써 방사양자설(zur quantentheorie der strahlung)이라는 논문에 레이저의 이론적인 토대를 마련하였다. 이러한 레이저는 이를 설명하는 "유도 방출" 개념이 레이저의 작동 원리로 사용될 수 있다는 것이 나중에 실험적으로 밝혀지면서 레이저와 메이저라는 기술의 이론적인 기초가 다져진 것이다. 

 먼저 메이저(Maser, microwave amplification by stimulated emission of radiation)는 오늘날 레이저의 직접적인 전신으로, 마이크로파를 증폭시키는 장치이다. 메이저는 1950년대, 미국의 물리학자였던 찰스 타운스와 그가 포함된 팀이 함께 개발하였다. 찰스 타운스와 러시아의 과학자였던 니콜라이 바소프와 알렉산더 프로호로프는 해당 원리를 바탕으로 원자와 분자의 에너지를 이용해 마이크로파를 증폭시키는 장치를 만들어낸 것이다. 해당 연구는 훗날 광파를 증폭하는 장치, 레이저의 개발로 이어지게 되었으며, 찰스 타운스를 비롯한 3명의 과학자는 1964년 노벨 물리학상을 받기도 했다.

 최초의 레이저가 발명된 것은 1960년, 미국의 물리학자였던 시어도어 메이만에 의해서였다. 그는 고체인 루비 결정체를 사용해 첫 고체 레이저를 개발하였으며, 이는 역사상 "최초의 레이저"로 기록되기도 했다. 루비 레이저는 앞에서 잠깐 언급했듯 강력한 붉은색의 빛을 방출하는데, 이후 다양한 형태의 레이저를 개발하는 데 큰 영감을 주기도 했다. 메이만이 레이저를 개발하는 데 성공한 이후, 다양한 과학자들은 레이저의 잠재력에 대해 깨닫게 되어 이를 다양한 분야에 적용하기 위해 많은 연구를 활발히 진행하게 되는 계기가 되기도 했다. 

 그 이후 1960년부터 1970년대는 다양한 레이저가 개발되었다. 이 시기에 주로 발전되고 연구되었던 레이저는 대표적으로 3가지가 있는데, 먼저 기체 레이저이다. 기체 레이저는 과학자 알리 조반과 그가 소속한 팀이 1961년에 헬륨-네온 기체레이저를 처음으로 개발해 냈다. 이 레이저는 루비 레이저와 동일하게 붉은색의 빛을 방출하였고, 비교적 안정적이며 정밀한 빔을 생성하여 이후 다양한 산업과 연구 분야에 널리 사용되었다. 두 번째는 반도체 레이저이다. 반도체를 기반으로 한 레이저 다이오드는 1962년에 처음 개발되었는데, 이는 다른 레이저와 다르게 "소형화"가 가능했으며 통신과 의료, 전자기기 등의 다양한 분야에서 레이저를 새롭게 응용할 수 있다는 가능성을 열어두는 계기가 되었다. 마지막은 이산화탄소 레이저인데, 이산화탄소 레이저는 1964년에 처음으로 발명되었으며, 매우 높은 출력을 생성할 수 있는 특징이 있어 주로 산업용 절단이나 용접 혹은 마킹 등에서 중요한 역할을 수행했다. 이산화탄소 레이저는 다양한 기체 레이저 중에서도 특히 고출력을 자랑하고, 현재까지 꾸준히 사용되고 있는 레이저 중 하나이다.

 그 이후 2000년대까지 레이저는 여러 분야에서 널리 이용되고 응용되었다. 1980년대 이후 레이저의 기술은 더욱더 발전하였으며 다양한 분야에서 사용되었다. 특히 "광섬유 통신"이 발달하면서 레이저는 초고속 데이터 전송 수단으로 주목을 받게 되었고, 이에 따라 글로벌 통신망 구축에 레이저가 핵심적인 기술로 자리 잡기도 하였다. 오늘날까지 적용되고 있는 분야는 대표적으로 의료 분야, 통신 분야 그리고 산업 분야인데, 먼저 의료 분야에서는 레이저를 시력 교정, 치과 시술, 피부 치료 등 다양한 치료 분야에 사용된다. 특히 레이저의 정밀성으로 인해 조직에 손상을 최소화하면서도 정확한 치료가 가능했기 때문에 해당 분야에서 레이저는 더 활발히 사용되었다. 다음으로 통신 분야에서는 광섬유를 통한 데이터 전송에 레이저가 사용되었고, 이에 따라 인터넷과 글로벌 통신망 구축과 발전에 크게 기여하였다. 광섬유를 통해 레이저를 전송하는 것은 고속, 대용량의 데이터를 안정적으로 전송할 수 있다는 점에서 큰 매리트가 있고 이에 따라 정보화 사회와 사회의 발전에 아주 중요한 역할을 한다. 마지막으로 산업 분야에서는, 앞에서 다룬 것처럼 레이저는 절단, 용접, 마킹 등 제조업에서 필수라 할 수 있는 공정에 필수적인 기술로 자리를 잡게 되었고, 이에 따라 산업용 레이저 시스템이 크게 발전하였다. 

 2000년대 이후부터 오늘날까지 레이저는 더욱더 다양한 분야에서 응용되고 있는데, 주로 나노 분야, 정밀 계측, 군사 등에서 필수적인 기술로 자리 잡았다. 또한 고출력 펄스 레이저를 적용한 극초단파 기술(Ultrafast lasers)과 초고출력 레이저와 같은 "고출력"의 레이저들이 개발되면서 더욱 강력하고, 다양한 기능을 수행할 수 있는 레이저가 연구되고 사용되고 있다. 이러한 레이저의 역사는 수많은 과학자의 기여와 노력이 만들어낸 결과물이며, 앞으로도 필수적이고, 혁신적인 응용 분야를 확장해 나갈 것이라 기대된다.

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