지난해는 레이저 탄생 50주년이 되는 해다. 지난 여름에는 마치 이를 기념하듯 ‘반레이저(anti-laser)’라는 새로운 레이저 개념이 등장했다. 그리고 최근에는 반레이저가 실제로 개발됐다는 소식이 들려왔다.

반레이저? 레이저의 반대란 건데, 과연 어떤 신기술일까.

간단히 설명하면 레이저에서 나오는 레이저빔을 집어삼켜버리는 장치다. 양쪽으로 들어오는 레이저빔을 거의 완전히 흡수해버려 암흑 상태로 만들어버린다. 이는 레이저의 작동원리가 거꾸로 되는 경우다.

개발자들은 반레이저가 차세대 컴퓨터인 광컴퓨터와 같은 광기술에 쓰일 것으로 내다봤다.

● 반레이저, 레이저의 증폭과 반대로 흡수

지난해 7월, 예일대 응용물리학과의 더글라스 스톤(Douglas Stone) 교수 연구팀은 반레이저 개념을 처음 내놓았다.

연구팀은 당초 ‘어떤 물질이 레이저의 기본으로 사용될 수 있는지’를 설명할 수 있는 이론을 찾고 있었다. 기술이 발달로 요즘에 나온 레이저는 전통적인 레이저 개념에 맞지 않는 것들이 꽤 많았기 때문이다.

이들은 어떤 물질이 레이저에 쓰일 수 있을지를 예측하려고 했다. 그런데 이 과정에서 연구팀은 레이저와는 반대로 작동하는 게 가능하다는 뜻밖의 결론을 얻었다. 반레이저를 찾아낸 것이다.

손전구로 불을 밝히면 빛은 멀리까지 가지 못한다. 반면 레이저는 달에도 보낼 정도로 멀리 갈 수 있다. 레이저는 마치 줄을 맞춰 행렬하는 군대처럼 질서정연하게 빛이 나아가는 성질을 갖고 있기 때문이다.

이런 레이저를 만들려면 빛을 증폭하는 물질이 필요하다. 증폭물질 속에서 빛의 알갱이인 광자들은 양쪽으로 왔다 갔다 하면서 강한 레이저빔을 만들어낸다.

연구팀은 빛을 증폭시키는 레이저와 반대로 빛을 흡수하는 장치, 즉 반레이저를 만들어낼 수 있음을 알아냈다. 레이저의 증폭물질 대신에 흡수물질을 쓰면 된다.

이 경우 레이저빔이 흡수물질로 들어가면 레이저와는 반대로 레이저빔이 왔다갔다하면서 점점 흡수된다. 바로 레이저와 반대로 작동하는 반레이저가 되는 것이다.

● 한번 들어가면 빠져나가지 못한다

반년 정도 지난 최근 반레이저는 현실로 등장했다. 이달 18일자 사이언스지에 반레이저가 세계 최초로 개발되었다는 연구결과가 실렸다.

스톤 교수 연구팀은 반레이저에 필요한 흡수물질로, 현재 반도체의 대표소재인 실리콘을 선택했다. 그리고 하나의 레이저에서 나오는 레이저빔을 2개로 쪼갰다. 그런 다음 2개의 레이저빔을 서로 마주치는 방향으로 향하게 했다. 그 사이에 흡수물질인 실리콘을 종이 두께만 하게 자리하도록 했다.


중요한 것은 실리콘의 위치가 2개의 레이저빔이 서로 위상이 다를 때에 맞춰지도록 해야 한다는 것이다. 즉 한쪽 방향의 레이저빔이 마루일 때 반대 방향의 레이저빔이 골이 되도록 만나게 하는 것이다. 이렇게 되면 두 레이저빔은 실리콘에 갇혀 빠져나가지 못한다. 그리고선 결국 열로 모두 바뀌고 만다.

이번에 개발된 반레이저는 파장이 998.5nm인 근적외선 레이저빔을 99.4%까지 흡수했다. 이 결과에 대해 스톤 교수는 “이론과 실험이 잘 맞아 떨어졌다”면서 “이보다 더 나은 결과를 예상하기 힘들다”고 말했다. 이론적으로는 99.999%까지 가능하지만 레이저와 실리콘의 물리적인 한계 때문에 이 정도 결과는 대단하다고 말한 것이다.

● 어디에 쓰일지는 아직 미지수

연구팀은 반레이저가 레이저빔을 열로 바꾼 에너지를 다시 전류로 변환할 수 있다면 매우 효율이 높은 광스위치가 개발될 수 있다고 내다봤다. 광스위치는 광통신에서 핵심 부분으로 광섬유로부터 오는 광정보를 전자신호로, 그리고 그 반대로 바꿔주는 역할을 한다.

연구팀은 반레이저가 전자 대신 빛으로 데이터를 처리하는 광컴퓨터에 쓰일 수 있다고 예측했다. 이외에도 반레이저의 레이저빔 흡수 정도를 조절하면 의료용으로도 활용될 수 있다고 보았다.

아직은 반레이저가 어디에 쓰이게 될지는 아직까지 개발자들조차도 제대로 예측하지 못하고 있다. 이런 상황은 레이저가 처음 등장했을 때도 마찬가지였다.

레이저는 슈퍼마켓에서부터 라식수술에 이르기까지 매우 다양하게 쓰인다. 이제 막 출시된 반레이저가 앞으로 어떤 미래를 그려낼지는 그 누구도 상상하기 어렵다.

박미용 동아사이언스 객원기자

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