[시리즈 연재] 2: 레이저에 시동을 걸다!

저는 <찰나의 빛으로 영상을 찍는 과학 이야기> 시리즈를 연재하고 있습니다. 프롤로그의 시작은

놀랍게도 눈에서 일어나는 여러 화학반응 중 가장 빠른 반응은 약 200 펨토초만에 일어납니다.

이 한 문장이었습니다. 화학과 화학반응에 대한 기본적인 이야기를 1-1편에서 다루었고, 화학반응 속도 측정에 빛이 필요한 이유에 대해서 1-2편에서 다루었습니다. 그리고 빛을 이용해서 매우 빠른 화학반응을 측정한 공로를 다룬 두 그룹의 노벨상을 1-3, 1-4 그리고 1-5편 총 세 편에 걸쳐 이야기를 이어 왔습니다.

빠른 화학반응을 측정하려면, 반응의 시작버튼을 측정하고자 하는 화학반응의 속도보다 더 빠르게 눌러야 합니다. 그리고 그 변화를 빠르게 측정할 수 있어야 합니다. 이 조건을 만족하는 최고의 도구는 바로 '빛'입니다. 1967년 노벨 화학상을 받은 세 과학자는 적극적으로 '빛'을 이용해 빠른 화학반응을 측정했습니다. 이제 더 빠른 화학반응을 측정하기 위해서 필요한 것들은 (1) 더 짧은 순간의 빛을 만드는 것 그리고 (2) 그 짧은 순간의 변화를 관찰하는 것입니다.

아주 짧은 순간의 빛을 만들기 위해서는 '레이저'라는 것을 소개해 드려야 합니다. 실제로 오늘 다룰 1966년 노벨 물리학상보다 더 먼저 레이저의 개발로 1964년 노벨 물리학상(양자 전자공학 분야에서의 기초 연구로서, 메이저-레이저 원리에 기반한 발진기와 증폭기의 구축으로 이어진 업적)이 수여됐습니다. 그런데 왜 2년 후의 1966년 노벨 물리학상을 다루냐 하면 이 공로가 일종의 레이저의 '시동을 거는 역할'을 했기 때문입니다.

1966년 노벨 물리학상은 알프레드 카슬러(Alfred Kastler)에게 "원자에서의 헤르츠 공명(Hertzian resonances)을 연구하기 위한 광학적 방법을 발견하고 발전시킨 공로"로 단독 수여됐습니다. 실제로 오늘 다룰 내용은 공로 중 일부인 '광학적 방법'에 대해 다룰 것입니다.

광펌핑에 대한 카슬러의 아이디어는 레이저 개발에 중요한 역할을 했습니다. - Nobel Prize in physics 1966 Award ceremony speech

오늘은 레이저에 시동을 거는 방법, '광펌핑(optical pumping)'에 대해서 간략히 다뤄보도록 하겠습니다.

사실, 이 순간을 위해서 1-4편에서 양자역학을 아주 간략하게 다뤘었습니다. 다시 복습해보도록 하죠!

우리가 받아들여야 하는 것은 딱 두 가지입니다.

0. 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다.

1. 물질의 내부 에너지는 연속적이지 않다 = 양자화 되어 있다.

2. 빛은 입자의 성질을 가질 수 있으므로 흡수와 방출의 단위가 연속적이지 않다 = 양자화되어 있다.

저는 비유적으로 설명하기 위해서 양자 프랜차이즈 호텔이라는 개념을 도입했습니다. 손님(전자)이 로비에 있는데, 방으로 가기 위해서는 빛으로 된 카드키를 엘리베이터에 꽃아야 합니다. 정확한 방의 높이(에너지)와 일치하는 빛의 색깔(=파장)의 카드키가 없으면 엘리베이터는 작동하지 않습니다.

<인포그래픽 by Gemini>

참고로 다시 잠깐 복습하자면, 빛의 색깔은 '파장'으로 나타낼 수 있습니다. 빛의 속도는 (거의) 일정한데 빛의 진동수는 파장의 역수에 비례합니다. 제 시리즈에서 수학적 공식은 최소화 하고 싶지만... 한 번은 수식으로 쓰는 것이 더 이해에 도움되실 것 같아 공식을 쓰자면 다음과 같습니다.

그리...