플라즈몬 공명현상 이용, 나노크기 레이저 발생장치 개발

올해는 레이저(laser)가 만들어진 지 만 50년이 되는 해다.

이를 기념하기 위해 미국광학회 국제광공학회 등 많은 학술단체가 레이저 페스트(Laser Fest)라는 이름으로 다채로운 행사를 펼치고 있다.

레이저는 1960년 발명된 이래 눈부신 발전을 지속해 왔다.

레이저는 비선형광학 분광학 등 기초과학인 물리학과 화학 · 생물학은 물론이고 공학,나아가 의학과 군사 분야 등에서도 필수 도구로 이용되고 있다. 레이저의 출력도 갈수록 세져 처음 발명됐을 때 이후 100배 이상 강해졌고 펄스 폭은 펨토(femto:10의 15제곱분의 1)초 영역에 다가섰다.

레이저는 또 최근에는 플라즈모닉스(pasmonics) 등 여러 새로운 연구 분야를 낳고 있다.

⊙ 거울에 빛을 가두는 게 레이저의 기본 원리

레이저는 우리가 흔히 프레젠테이션용으로 흔히 쓰고 있는 '레이저 포인터'를 보면 알 수 있듯 일정한 방향성을 갖고 빛의 세기가 세며, 단일한 색을 갖고 있다.

레이저의 기본 원리는 의외로 간단하다. 1917년 아인슈타인은 유도방출(spontaneous emission)이란 현상이 있을 것이라고 예측했다.

이는 어떤 물질의 구성요인인 원자에 빛을 쐬어주면 쌍둥이 빛을 탄생시키게 되는 것이다.

레이저는 이 현상을 이용하는 것이다.

물질의 양편에 거울을 설치한 다음 빛을 가둬놓고 반사만을 지속시키면 계속 쌍둥이 복제를 하면서 높은 세기의 빛을 만들게 된다.

레이저의 크기는 거울 사이의 거리에 해당하며, 이렇게 왕복하는 레이저를 일부 새어나오게 해 우리가 이용하는 것이라고 보면 된다.

레이저는 '유도방출에 의한 빛의 증폭(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)'이라는 뜻의 영어 앞 글자들을 따서 만든 단어다.

유도방출의 원리를 통해 레이저 시스템의 아이디어가 나온 것은 1950년대이고 광물질인 루비를 이용해 첫 레이저를 만든 것이 1960년이다.

광통신은 레이저의 빛을 광섬유를 통해 전달하는 것으로 집까지 광섬유가 설치돼 오는 FTTH(fiber to the home) 등이 바로 레이저를 이용한 초고속 통신기술이다.

CD DVD 블루레이 등의 광 데이터 저장장치도 레이저를 이용해 저장된 정보를 읽어내며, 엑시머 레이저 · 색소 레이저 등은 의료용으로 사용되고 있고 레이저를 이용한 거리 및 진동 측정 기술 등도 널리 이용되고 있다.

레이저 연구로서 최근 각광받고 있는 플라즈모닉스는 금속과 유전체의 경계면에서 빛과 전자의 움직임 패턴이 연동되는 '표면 플라즈몬 공명'에 대한 연구 분야를 일컫는다.

플라즈몬은 금속 내 자유 전자가 집단적으로 움직이는 현상이며 표면 플라즈몬 공명은 나노 구조의 아주 작은 금속 물질에서 빛의 전자기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 빛을 흡수해 일어나는 현상을 말한다.

이때 빛 에너지가 플라즈몬으로 변환되면서 순간 매우 증가된 전기장이 발생하기 때문에 전기전자공학 분야에서 플라즈몬 설계 · 제어 기술이 관건으로 떠오르고 있다.