Fiber Laser Learning Lab 01 잘못 알고 있었던 사실

레이저에 대해 우리가 잘못 알고 있었던 5가지 놀라운 사실

레이저는 이제 우리 일상 곳곳에서 쉽게 찾아볼 수 있는 기술입니다. 바코드 스캐너부터 정밀한 산업용 절단기까지, 레이저는 현대 기술의 상징처럼 여겨집니다. 하지만 우리는 레이저를 얼마나 제대로 알고 있을까요? 대부분의 사람들이 상상하는 레이저의 작동 원리는 실제와는 매우 다를 수 있습니다.

여기 수십 년간 엔지니어링 분야에 몸담아온 제가 있습니다. 저는 제가 레이저에 대해 꽤 안다고 생각했습니다. 하지만 취미로 접하게 된 파이버 레이저의 "어두운 구석"을 파헤치며, 제가 사실은 거의 아무것도 몰랐다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 순수한 호기심에서 시작된 저의 탐구는 레이저 기술의 경이로운 세계를 드러냈습니다.

이 글에서는 저의 상식을 뒤엎었던 레이저에 관한 5가지 놀라운 사실을 소개하고자 합니다. 이를 통해 익숙하지만 낯설었던 레이저 기술의 경이로움을 함께 엿볼 수 있을 것입니다.

첫 번째 사실: 레이저는 유리를 '통과'할 수 있다

엔지니어로서 저의 첫 번째 상식을 무너뜨린 것은 바로 이 현상이었습니다. 저는 레이저가 마주치는 첫 번째 표면을 태우거나 자를 것이라고 굳게 믿었지만, 그건 절반만 맞는 이야기였습니다. 한 실험에서 CO2 레이저와 파이버 레이저를 각각 유리판 뒤에 놓인 알루미늄에 쏘았습니다. CO2 레이저는 예상대로 유리의 표면을 하얗게 지졌을 뿐, 유리를 통과하지 못했습니다.

하지만 파이버 레이저 앞에서는 놀라운 일이 벌어졌습니다. 레이저 빔은 마치 유리가 없는 것처럼 그대로 통과하여 그 아래에 있던 알루미늄 표면에 뚜렷한 흔적을 남겼습니다. 이 현상은 레이저의 파장이 물질과 어떻게 상호작용하는지를 명확히 보여줍니다. 10.6 마이크로미터 파장의 CO2 레이저에게 유리는 불투명한 벽이지만, 1 마이크로미터 파장의 파이버 레이저에게 유리는 투명한 창문과 같습니다.

이 간단한 시연을 보고 나면, 여러분은 모든 레이저가 똑같지 않다는 것을 이해하기 시작하셨을 겁니다.

두 번째 사실: 레이저 광선은 '빗방울'이 아닌 '쓰나미'와 같다

레이저(LASER)는 '유도 방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)'의 약자입니다. 저도 이 용어를 들어는 봤지만, 그 진정한 의미를 깨닫게 해준 것은 '빗방울 대 쓰나미' 비유였습니다. 일반적인 빛이 모든 방향으로 무질서하게 흩어지는 광자(photon)의 집합, 즉 '빗방울'이라면, 레이저는 모든 광자가 같은 방향과 위상으로 정렬된 상태입니다.

우리는 빗방울을 맞는 것은 두려워하지 않습니다. 하지만 그 빗방울과 똑같은 물 분자들이 한 방향으로 정렬되어 거대한 파도가 되어 밀려온다면 어떨까요? 그것이 바로 쓰나미입니다. 레이저 빔은 개별 광자(빗방울)가 아닌, 모든 에너지가 한 곳으로 집중된 일관된(coherent) 파동(쓰나미)과 같기에 그토록 엄청난 힘을 발휘할 수 있는 것입니다.

세 번째 사실: 머리카락 굵기의 유리 섬유에 막대한 에너지를 저장한다

20와트(W)짜리 저출력 레이저가 어떻게 순간적으로 12킬로와트(kW)에 달하는 강력한 힘을 낼 수 있을까요? 이 질문에 대한 답은 저를 가장 경악하게 만들었습니다. 비밀은 'Q-스위치(Q-switched)'라는 기술에 있습니다.

이 원리를 욕조에 비유하면 쉽게 이해할 수 있습니다. 수도꼭지를 틀어놓고 마개를 열어두면, 물이 들어오는 속도와 빠져나가는 속도가 균형을 이뤄 욕조 수위는 일정하게 유지됩니다. 이것이 바로 연속 출력 레이저입니다. 하지만 Q-스위치는 여기에 '마개'를 막는 것과 같습니다. 에너지가 밖으로 나가지 못하게 막아 광섬유 내부에 최대한 축적한 뒤, 스위치를 열어 모든 에너지를 아주 짧은 순간에 방출하는 것입니다. 마개를 한 번에 뽑았을 때 쏟아지는 거대한 물줄기처럼요.

이 기술이 가정용 전자레인지(약 1,000와트)의 12배에 달하는 순간적인 힘을 만들어낸다는 사실도 놀랍지만, 더 경이로운 것은 이 모든 과정이 사람 머리카락보다도 가는, 이테르븀(ytterbium)이 첨가된 유리 섬유 코어 안에서 일어난다는 점입니다.

네 번째 사실: 거울 없이 작동하는 레이저도 있다

엔지니어로서 당연하게 여겼던 교과서적 원리는 MOPA 레이저 앞에서 완전히 무너졌습니다. 우리는 레이저가 두 개의 거울 사이를 빛이 왕복하며 증폭되는 원리로 배웁니다. 하지만 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저에는 거울이 없었습니다.

대신, '시드 레이저(seed laser)'라는 아주 작은 신호 발생 장치가 레이저 펄스의 씨앗을 만들어냅니다. 이 약한 신호는 이미 에너지가 가득 찬 긴 광섬유 안으로 주입됩니다. 신호는 이 광섬유를 통과하면서 주변의 에너지를 흡수하여 점점 더 강력하게 증폭되고, 최종적으로 강력한 레이저 빔이 되어 방출됩니다. 거울로 빛을 왕복시키는 대신, 긴 터널을 통과하며 힘을 키우는 새로운 방식이었던 것입니다.

다섯 번째 사실: 레이저에게 빛의 속도는 너무 '느리다'

빛의 속도가 절대적이라고 생각하셨나요? 저도 그랬습니다. 하지만 수 미터에 달하는 광섬유 내부에서 나노초(10억 분의 1초) 단위의 펄스를 만들어내는 레이저의 세계에서는 이야기가 달랐습니다.

빛은 1나노초 동안 고작 30cm 정도밖에 이동하지 못합니다. 그런데 MOPA 레이저가 만들어내는 가장 긴 펄스 중 일부는 350나노초 동안 지속됩니다. 이는 펄스 신호 하나의 길이가 무려 105미터에 달한다는 뜻입니다.

이것은 기이한 현실을 만들어냅니다. 10미터 길이의 광섬유 안에서, 펄스의 앞부분이 이미 광섬유 끝을 빠져나와 목표물을 태우고 있는 동안에도, 그 펄스의 뒷부분은 아직 광섬유 시작 지점에서 생성되고 있는 것입니다. 광대한 우주적 상수인 '광속'이, 레이저 공학에서는 펄스의 형태를 결정하는 실질적인 '지연' 요소이자 물리적 한계로 작용한다는 사실은 제게 큰 충격이었습니다.

결론: 호기심이 열어준 새로운 세계

우리가 살펴본 5가지 사실은 레이저 기술의 표면 아래에 우리가 상상했던 것보다 훨씬 더 복잡하고 경이로운 물리 법칙이 숨어있다는 것을 보여줍니다. 단순한 빛줄기처럼 보였던 레이저는 사실 쓰나미와 같은 에너지의 파동이며, 머리카락 굵기의 공간에서 에너지를 저장하고, 때로는 빛의 속도마저 제약으로 여기는 정교한 기술의 집약체였습니다.

저의 순수한 호기심이 이 모든 놀라운 사실을 발견하는 계기가 되었습니다. 그렇다면 우리가 매일 사용하는 다른 평범한 기술들 속에는 또 어떤 놀라운 과학이 숨어 있을까요? 어쩌면 지식의 경계를 넓히는 가장 큰 원동력은 당연하게 여겼던 것들에 대해 "왜?"라고 질문하는 단순한 호기심일지도 모릅니다.