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레이저공학
레이저공학 (Laser Technology)은 레이저와 관련된 기술(광선의 진폭과 위상이 공진한 일정한 주기를 가진 광선)을 연구하고 설계하고 응용을 개발하는 공학 분야이다. 레이저 공학은 다양한 학문과 기술을 활용함으로 레이저의 원리와 동작 그리고 설계 제어 및 응용에 대한 연구를 수행한다
역사
1960년 5월 16일, 미국 캘리포니아의 휴즈 연구소 메이먼(T.H. Maiman)은 크로뮴(크롬, chromium) 이온이 소량 함유된 산화알루미늄(Al2O3)으로 만든 루비 막대를 사용하여 빛을 만들어냈다. 이 빛은 단일 파장을 지녔기 때문에 일반 빛처럼 사방으로 퍼지지 않고 한 곳으로 모아져 매우 강렬했다. 새로운 빛이 탄생한 것이다. 이 빛을 ‘복사의 유도 방출과정에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)’이라 부르는데, 그 약자가 바로 레이저(LASER)다.
메이먼이 레이저를 발명한 이후 1960년 12월 벨 연구소의 자반과 베넷, 해리엇은 최초의 가스 레이저인 헬륨 네온 레이저 개발에 성공했다. 메이먼의 레이저가 연속 빛줄기를 만들지 못했던 것에 비해 이 가스 레이저는 연속 빛줄기를 만들어냈다. 반도체 레이저는 1962년 로버트 홀에 의해 개발되었으며 1970년 상온에서 연속 빛줄기를 만들어낸 이래 다양한 분야에 활용되고 있다. 1964년 파텔에 의해 개발된 이산화탄소 레이저는 산업응용 분야와 의료분야에 많이 사용되고 있다.
레이저 공학 종류
- 광학 레이저 공학자 : 광학 레이저 공학자들은 레이저 시스템의 광학적 요소를 설계하며 개발 및 최적화하는 역할을 담당한다. 광학 렌즈, 반사경, 굴절결 등과 같은 광학 디바이스의 설계와 레이저 광학 시스템의 광학적 특성에 대한 연구를 수행한다
- 레이저 시스템 공학자 : 레이저 시스템 공학자들은 레이저 시스템을 설계하고 개발하는데 전문적으로 참여한다. 레이저의 출력과 주차수 안정성 등의 특성을 고려함으로 다양한 응용 분야에 맞춘 레이저 시스템을 개발하는 역할을 한다.
- 광학 및 레이저 물리학자 : 광학 및 레이저 물리학자들은 레이저의 작동 원리와 레이저 광학의 기초적인 이론을 연구한다. 레이저의 발생 원리 광학적 공명 레이저의 강도와 주파수 제어 등에 대한 연구를 한다.
- 응용 레이저 공학자 : 응용 레이저 공학자들은 레이저를 다양한 분야에서 응용하는데 전문화된 역할을 한다. 의료, 통신, 자동화 산업, 군사 등 다양한 분야에 레이저를 적용함으로 해당 분야에 최적화된 레이저 시스템과 기술을 개발한다.
- 레이저 연구원 : 레이저의 새로운 기술 응용을 연구함으로 레이저 연구원들은 대학과 연구소 산업 연구개발부서 등에서 활동한다. 레이저 공학의 성능 향상과 새로운 응용분야를 개척하는데 중요한 역할을 한다.
- 레이저 안전 및 규정 전문가 : 레이저를 안전하게 다루고 사용하기 위해 레이저 안전 및 규정 전문가들이 필요하다. 이들은 레이저의 위험성을 평가하고 안전 가이드라인과 규정을 개발하여 적절한 사용을 보장한다.
레이저 공학자 하는 일
- 레이저 시스템을 설계하며 개발한다. 공학자들은 다양한 용도에 맞춰 레이저 시스템을 설계하고 개발한다. 이러한 시스템은 통과 공간탐사, 의료 산업, 군사 등에 다양한 분야에서 각광받는다.
- 레이저 애플리케이션을 연구개발한다. 레이저는 자율주행차, 자기 고속열차, 의료영상진단 및 수술 자동화시스템 등 다양한 분야에서 응용된다. 레이저 공학자들은 이러한 분야에서 레이저의 새로운 응용을 연구하고 개발한다.
- 실험 및 시뮬레이션을 제작한다. 실험을 통해 레이저의 특성을 이해함은 물론 새로운 기술을 시험하고 개발한다. 또한 수치 시뮬레이션을 사용함으로 레이저 시스템의 동작을 모델링하고 최적화하는 작업을 진행한다.
레이저의 이용과 미래의 레이저
레이저는 많은 분야에서 이용되고 있다. 먼 거리까지 정보손실 없이 정보를 주고받을 수 있는 인터넷 통신(광통신), 레이저프린터, 위조를 방지하기 위해 지폐나 수표에 들어가는 홀로그램, 정밀한 거리 측정, 백화점이나 마트에서 바코드를 읽어 상품의 정보를 판독하는 것도 레이저를 활용한다. 또한, 레이저는 눈이 나쁜 사람들을 안경에서 해방시켜 주는 라식수술, 흉터, 사마귀, 종양 등의 제거 수술, 치과에서 사용하는 무통 치료, 문신 제거, 금속을 매끈하게 절단하거나 용접 및 구멍을 뚫는 것, 과일에 레이저로 그림과 글자를 새겨 상품의 가치를 높이는 것, 명화의 얼룩 제거, 젖병의 구멍 뚫기, 군사용 등 많은 분야에서 사용되고 있다.
현재 레이저를 연구하는 과학자들은 가장 센, 가장 빠른, 가장 작은 레이저를 만들기 위해 노력하고 있다. 즉, 출력이 높은 레이저, 매우 빠른 속도로 빛을 뿜어내는 레이저, 머리카락보다 작은 레이저를 만들기 위해 많은 분야에서 연구 하고 있다. 1초에 1줄(J)의 에너지를 내는 레이저는 출력이 1와트(W)다. 초기 레이저의 출력은 킬로와트(1,000W) 수준이었으나 지금은 테라(1조)∼페타(1,000조)와트에 이른다. 고출력 레이저는 광학 현미경으로 관찰할 수 없는 물질 내부의 보이지 않는 미세한 구조를 파악하거나 인체 내부에 있는 암 덩어리를 파괴하는 데 활용할 수 있다. 또한, 이 레이저로 원자가 전자, 중성자, 양성자 등으로 분리되는 현상을 만들어 초기 우주의 모습을 유추해 낼 수도 있다. 현재 가장 짧은 레이저 펄스 폭은 3.5 펨토초(3.5×10-15초)이나 앞으로 100아토초(100×10-18초) 까지도 가능할 것으로 예상된다. 최근 과학자들은 펨토초 레이저를 사용하여 분자가 움직이는 찰나의 모습을 촬영해 사진이나 동영상으로 만들기도 했다. 앞으로 이 보다 더 짧은 펄스 폭이 개발되면 원자의 핵과 전자의 운동, 광합성이 일어나는 과정도 사진을 찍을 수 있다. 또한, 극초단 펄스 레이저는 초고정밀도의 미세구조 가공을 할 수 있고 외과 수술(안과, 피부과, 치과)에 사용하면 주위 조직의 손상 없이 깨끗한 수술이 가능하다. 레이저의 발진 장치를 머리카락 굵기보다 훨씬 작게 만들어 전자회로가 아닌 광자를 쓰는 광컴퓨터의 중요 광원으로 활용할 수 있다. 또한, 고출력 레이저로 중수소 등 핵융합 연료를 이용하여 핵융합 반응을 일으켜 무한대의 에너지를 생산하려고 노력하고 있다. 미래의 레이저는 인간의 상상을 훨씬 뛰어넘는 수준으로 발달 할 것으로 기대된다.
참고자료
- 〈레이저의 원리〉, 《원리사전》
- glory papa, 〈공학자 하는일〉, 《엔젤1000》, 2023-08-07
- 박인교 기자, 〈레이저 기술을 한 곳에 모으다〉, 《공학저널》, 2020-08-27
같이 보기
