장래가 기대되는 기이한 광선

십년 전, 즉 1960년에 전혀 새로운 광선이 생겨났다. 그 이전에는 그것이 존재하는지조차도 몰랐다. 그것은 인간이 알고 있는 가장 순수하고 가장 날카롭고 가장 강렬한 광선이다. 실로 태양 표면의 광선보다 수십억배나 더 강렬하고 뜨거운 광선이다. 그것은 가장 단단한 물질로 알려진 ‘다이아몬드’를 쉽게 뚫는다. 그리고 지상의 어떠한 물질도 증발시킬 수 있다.

이 기이한 빛을 제조하려는 생각은 ‘아더 엘. 숄로우’와 ‘찰스 에이치. 타운스’ 두 과학자에 의하여 1958년에 한 신문에 처음으로 제안되었다. 2년 뒤에 ‘데오도르 에이치. 매이먼’은 제안된 광선의 짧은 섬광을 발하는 장치를 처음으로 만드는데 성공하였다. 그 장치를 ‘레이저’(laser)라고 부르는데 이 말은 ‘자극된 방사물에 의한 광선의 증폭’(light amplification by stimulated emission of radiation)이란 말의 약어이다. ‘레이저’가 하는 일은 광선을 증폭 혹은 강화하는 것이다.

그러한 광선 증폭 장치가 만들어질 수 있다는 것이 알려졌을 때에 ‘레이저’는 전에 없이 널리 선전되었다. 그 광선의 잠재력은 인간의 상상력에 불을 질렀다. 예를 들면 군인들은 그것을 보고 초무기 즉 살인 광선을 생각하였다. 반면에 ‘레이저’의 의학과 공업 분야에 있어서의 광범위한 응용이 예견되기도 하였다.

발전과 규모

하지만 처음에는 ‘레이저’를 실험적 호기심에서 실용적 가치가 있는 물품으로 만들기 위한 노력을 기울이면서 실망이 따랐었다. 그러나 최근에 ‘레이저’는 처음의 환성을 다시 듣기 시작하였다. 더욱 강력하고 효율적인 ‘레이저’가 만들어졌으며 ‘레이저’의 유익한 용도가 더욱 더 알려지고 있기 때문이다. 매년 수천개의 ‘레이저’가 팔리는 것은 ‘레이저’가 성공했다는 증거이다.

1965년에 9천 7백만불이 ‘레이저’에 사용되었다. 이 비용의 거의 60‘퍼센트’는 연구비였으나 나머지는 ‘레이저’를 판매하고 생산하는데 사용되었다. 이제 ‘레이저’가 관련된 상업은 전체가 3억불로 추산되고 있다. 그러나 급속도로 판로가 확장되고 있기 때문에 어떤 전문가들은 ‘레이저’가 아마 1970년대 초에는 “연간 10억불” 공업이 될 것이라고 예측하고 있다. 어떤 ‘레이저’는 200불로서 저렴하게 지금 팔리고 있으나 어떤 것은 하나에 수만불이 나간다.

‘레이저’가 아직도 발전의 초창기에 있음은 사실이다. ‘숄로우’ 박사의 말과 같다. “‘레이저’는 아직도 원시적 장치에 불과하다. ‘레이저’는 아직도 ‘라디오’의 광석 수신기 시대에 있으며 1910년 경의 비행기 단계에 있다.” 그러나 ‘레이저’의 기능을 고려하여 보면 왜 ‘레이저’ 공업 발전에 그렇게 많은 시간과 비용이 바쳐지고 있는지 납득이 갈 수 있다.

기이한 힘

‘레이저’에 의하여 강도를 증가시킨 광선의 힘은 참으로 기이하다. 이 힘의 작용을 묘사하여 한 관찰자는 이렇게 기록하였다. “기술자가 6‘밀리미터’ 두께의 강철 조각에 광선을 한 초점에 모으는 ‘렌즈’를 사용하여 [‘레이저’를] 맞춘다. ··· ‘치익’ 소리가 나고 ‘펑’ 소리가 난다. 이제 강철조각에서 반짝이는 불똥이 튄다. 강철은 그 무서운 광선의 폭발로 뚫어진 것이다.”

더욱 강하고 효율적인 ‘레이저’가 제작됨에 따라 실제로 “살인 광선” 무기가 제조될 날이 더욱 박두해 오고 있다. 사실 ‘레이저’가 장차 흉악한 ‘미사일’에 대비하여 사용될 가능성에 대하여 과학자들 간에 심각한 의견이 교환되고 있다.

그러나 어떤 ‘레이저’는 살인하기에 충분히 강력한 광선을 발하도록 초점을 맞출 수 있지만 또 어떤 ‘레이저’는 매우 연하고 약하기 때문에 그 앞에 손을 놓아도 아무런 해를 입지 않을 수 있다. 그러나 아주 약한 광선의 강도도 기이하다. 이것은 얼마 전에 달에 착륙한 ‘서베이어’ 우주선으로 증명되었다.

그 우주선에는 ‘텔레비 카메라’가 장치되어 있었는데 그것은 지구의 어두움이 내리는 지역을 향하고 있었다. 지구에서 몇개의 ‘레이저’ 광속(光束)이 달에 있는 우주선으로 보내졌다. 약 38만 ‘킬로미터’ 밖에 있는 달에 보내졌다. 이러한 광선들은 단지 1내지 2‘와트’의 광속에 불과하였으며 따라서 보통의 60‘와트’ 전구보다 훨씬 약한 것이었다. 그러나 달에 있는 ‘텔레비 카메라’는 쉽게 ‘레이저’ 광속을 포착할 수 있었으며 지구상의 이러한 밝은 부분의 사진을 보내왔다. 놀랍게도 2‘와트’의 ‘레이저’ 광속은 ‘뉴욕’ 시와 ‘로스앤젤레스’와 같은 인구 중심지의 수억 ‘와트’의 전깃불을 합한 것보다 달에서 더 밝았다!

그러한 강렬한 빛을 내는 신비는 무엇인가? ‘레이저’란 무엇인가? 어떻게 작용하는가?

분산 광선과 밀집 광선

보통의 보이는 광선의 특징은 광선이 분산되어 있는 즉 광파가 엉클어진 점이다. 광파는 크기와 주파수가 여러 가지이며 여러 갈래의 방향으로 진행한다. 그러나 탐조등과 같은 반사경으로 보통 빛을 한 방향으로 움직이도록 할 수 있다. 하지만 그래도 광속 속에는 혼란이 있고 분산된다.

반면에 ‘레이저’는 밀집 광선 즉 파장의 길이가 같은 광선을 산출하는 장치이다. 그리고 이들 광파는 보도나 위상이 같다. 그것은 시가 행진을 하면서 발을 맞추는 군인들의 종대에 비길수 있을 것이다. 그 다음에는 다른 종대가 가담하여 먼저 종대와 보조를 맞춘다. 이 집단이 계속 행진하면 또 다른 종대가 가담한다. 보조를 맞춘다. 마침내 원래의 종대는 증가 혹은 여러 배로 확장된다. ‘레이저’는 그와 같이 질서있게 광파를 모으고 같은 시간에 정확히 같은 방향으로 광파를 발하는 장치이다. 그리하여 광선은 강도의 밝기에 있어서 놀랍게 증대된다.

1960년에 산출된 처음 ‘레이저’ 광속은 인조 ‘루비’를 사용하였다. 그러나 ‘루비 레이저’는 여러 가지 종류의 ‘레이저’ 중 하나에 불과하다. 그것은 고태(固態) ‘레이저’ 즉 “증폭”하는 물질이 고정된 것이다. ‘헬륨네온’, ‘이온’화 ‘아르곤’, 탄화 이산화와 같은 여러 가지 ‘가스 레이저’를 만들어 냈다. ‘가스 레이저’는 일반적으로 고태 ‘레이저’ 광속보다 더욱 밀집해 있으며 계속적으로 작용하기가 더 쉽다.

대부분의 경우 ‘레이저’가 발하는 광선은 인간의 눈에 보인다. 왜냐 하면 그것은 인간의 육안이 감식할 수 있는 파장이기 때문이다. 그러나 ‘라디오’ 전파나 적외선 열파나 초단파나 ‘엑스레이’나 우주선(線)처럼 인간의 눈에 보이지 않는 전자기 방사가 있다. 1950년대 초에 ‘타운스’ 박사는 모두 보도를 같이하고 여러 배 증폭된 초단파를 산출하는 장치를 발명하였다. 이 장치가 ‘메이저’(maser)이며, 그 말은 ‘자극된 방사물에 의한 초단파의 증폭’(microwave amplification by stimulated emission of radiation)라는 말의 약어이다. ‘메이저’가 보이는 전자기 방사에 사용될 수 있을 것이라는 생각에서 ‘레이저’가 발명되었다. 그러므로 ‘레이저’를 때때로 광학 ‘메이저’라고 부른다.

‘메이저’의 용도

지구가 천체로부터 수신하는 미약한 초단파 신호는 그 근원을 연구하기 위하여 증폭되지 않으면 안된다. 이렇게 하는데 ‘메이저’가 이상적이다. ‘메이저’는 이 미약한 신호를 증폭하며 다른 유의 초단파 증폭장치와 같이 어떠한 “소리”나 다른 유사 방사를 발하지 않는다. 예를 들면 ‘메이저’는 목성에서 오는 3‘센티미터’ 파장의 전자기 방사를 측정하는데 사용되었다. 이렇게 하여 천문학자들은 목성의 기온이 영하 97도 가량 된다는 것을 알아냈다.

‘메이저’는 시계로도 적격이다. 보통 시계는 주기적인 운동에 의하여 시간을 맞추어 나간다. 추나 평형바퀴가 그 일을 한다. 전자파의 진폭은 아주 일정하고 주기적이다. 온도나 지면의 위치에 따라 변하지 않는다. ‘메이저’의 이러한 고유의 진폭은 매우 정확하여 ‘메이저’ 시계는 천년 동안에 3초나 4초 이상 틀리지 않는다.

‘레이저’의 응용

그러나 훨씬 용도가 많은 것이 ‘레이저’ 즉 광학 ‘메이저’이다. 공업, 의학, 군사 기술, 우주 탐험 분야에서 수백 가지 기발한 용도를 가진 것이 ‘레이저’이다.

‘레이저’의 어떤 용도는 ‘레이저’ 광선을 극히 작은 점에 초점을 맞출 수 있다는 사실을 응용한다. “화경”이 작은 영역에 초점을 맞추어 태우는 데 사용될 수 있듯이 ‘레이저’는 무한히 작은 영역에 집중될 수 있다.

그 강도 때문에 ‘레이저’로 극히 단단한 물질에 구멍을 낼 수 있다. 한 전기 회사는 성공적으로 ‘루비 레이저’ 장치로 극히 가느다란 구리 철사를 만드는데 사용하는 ‘다이아몬드’ 주사위를 구멍을 뚫고 개조하는데 이용하였다. 종래의 방법으로는 여러 시간 혹은 며칠씩 걸리던 구멍 뚫는 일을 이제 ‘레이저’는 2분 정도면 해치운다.

‘레이저’는 이제 시계의 평형 바퀴와 같은 아주 정교한 기계로부터 소량의 물질을 증발시키는데에도 이용된다. 원한다면 증발시킨 물질을 분광사진기로 분석하여 그것의 화학 원소를 알아낼 수 있다. ‘매사추세츠’ 주 ‘월담’에 있는 ‘재랠애쉬’ 회사는 물질을 분광사진기로 분석하는데 사용하도록 고안된 ‘레이저’를 15,000불씩 수십개를 팔았다.

한번은 16세기의 화가의 작품이라고 인정되던 유화가 ‘레이저’ 장치에 의해서 위조품으로 폭로되었다. 그림을 미소탐침 밑에 놓고 ‘레이저’로부터 치밀하게 계산된 광선을 쏘여 극소량의 페인트를 증발시키어 그 그림에 미소한, 눈에 띄지 않는 구멍을 내었다. 증발된 것을 분광 사진기로 분석하여 아연의 흔적을 밝혀내었는데 아연을 기초로 하는 ‘페인트’는 1820년까지는 사용되지 않았다!

‘레이저’는 또한 측정기로써 광범위하게 응용된다. ‘보잉’ 회사나 다른 큰 항공 회사들은 여러 가지 ‘측정’을 하는데 ‘레이저’ 장치를 이용한다. 작은 금속을 용접하는데도 ‘레이저’ 광선이 이용된다.

‘레이저’는 또한 의학계에도 광범위하게 이용된다. 그것은 특히 분리된 망막을 안구의 뒤에 밀착시키는데 성공적이었다. 광선이 투명한 각막과 눈의 다른 부분을 통과하여 망막에 이르면 거기에서 광선이 흡수되어 망막을 뒤에 있는 근육조직에 융합시킨다. ‘레이저’ 광선을 흡수하는 흑색소를 포함하는 형태의 흑색종도 성공적으로 치료되었다.

‘레이저’의 장래

그러나 분명히 ‘레이저’의 가장 극적인 응용은 장래에 실현될 것이다. ‘숄로우’ 박사는 20년 안에 ‘레이저’는 “직장과, 공장과, 그리고 가정에서 감자껍질을 벗기는데 사용할 수 있는” 도구로 일반화될 것이라고 예언하였다. 이미 ‘레이저’는 불원간 타자의 오자를 지우는데 사용될 것이다.

치과 의사들은 ‘레이저’로 충치를 제거할 것을 구상하고 있다. 충치에 걸린 부분은 검은 색이므로 그 부분에서 광선을 흡수하여 충치있는 부분은 제거되고 영향을 받지 않은 흰 부분은 남을 것이다.

통신 계통에의 ‘레이저’의 이용은 특히 가슴을 뛰게 한다. 이론적으로 단 한번의 ‘레이저’ 광속이 순식간에 「브리타니카 백과 사전」의 전체 내용을 전달할 수 있을 것이다. 혹은 전세계의 ‘라디오’, ‘텔레비’, 전화의 통신을 동시에 전달할 수 있을 것이다.

반면에 ‘매사추세츠’ ‘과학 기술 학회’에서는 공학자들이 도로와 철로를 위한 지하 ‘터널’을 뚫기 위한 바위를 부수는 ‘레이저’를 실험하고 있다. 그리고 놀랍게도 3차원 사진뿐 아니라 거대한 ‘텔레비’ 화면을 구상하고 있다. ‘타운스’ 박사는 회견 중에 다음과 같이 설명하였다.

“우리는 언젠가 극장의 화면같이 큰 ‘텔레비’ 화면을 가지게 될 것입니다. 오늘날 ‘텔레비’에서 거대한 화면에 그림을 투사하면 너무 어두울 것입니다. 그러나 ‘레이저’ 광속이 화면을 스치면 선명하고 훌륭한 그림을, 그것도 천연색으로 구경할 수 있읍니다. 왜냐 하면 여러 가지 색갈의 ‘레이저’ 광속이 있기 때문입니다. ··· 나는 이것이 아주 간단하고 실용적이라고 생각합니다. 그러므로 그것이 3차원 ‘텔레비’보다 앞질러 나올 것입니다.”

탄생후 십년밖에 안된 이 기이한 새로운 종류의 광선은 깜짝 놀랄만큼 널리 응용되고 있다. 그러나 분명히 이것은 시초에 불과하다. 실로 그것은 장래가 기대되는 광선이다!