아이슈타인이 만든 레이저의 원리와 우주시대에서의 활용

 

 다들 레이저는 다 아시죠? 우리가 아는 레이저는 화려한 무대효과로 쓰이고 있죠! 

 하지만,현재 우주 통신 및 탐사에 이르기까지 레이저기술이 다양한 분야에서 쓰이고 있습니다. 특히, 나사의 달 탐사선 라디의 모나리자전송 실험과 인공위성 레이저추적 시스템(SLR)을 통해 레이저가 우주 시대에서 정말 중요한 역할을 하고 있습니다. 오늘은 레이저의 역사와 원리에 대한 포스팅을 해볼까해요.

 

 

 

🔬 레이저의 역사

물리학자들은 인간의 빛, 레이저를 만들기 위해 35년간 연구를 거듭했습니다. 기초 이론은 아인슈타인이 만들었습니다. 빛을 인위적으로 발생시킬 수 있다는 유도 방출 이론을 통해 빛이 복사될 수 있다는 원리를 발표했고, 이 이론을 토대로 찰스 타운스는 1953년 고출력 전자파, 즉 마이크로파를 발진하는 장치 메이저를 발명했습니다.

레이저발명으로 노벨물리학상 공동수상한 찰스타운스

 

 

 

목차

 

1. 레이저의 원리와 구성 요소
2. 다양한 색깔의 레이저와 그 원리
3. 우주 통신에서 레이저의 역할

4. 레이저의 우주 활용

 

#1

레이저의 원리와 구성요소

• 레이저를 만들기 위해서는 에너지를 저장할 수 있는 매질이 필요하다.
• 매질에 에너지를 주입하면 빛이 생성되며, 이 빛은 거울 사이에 가두어져 세기가 증폭된다. 
• 레이저의 색깔은 사용된 매질의 종류에 따라 달라지며, 예를 들어 헬륨 네온 기체로 만들어진 레이저는 빨간색이다. 

매질이란?
매질은 레이저를 만드는 데 필요한 특별한 재료입니다. 이 매질에 에너지를 넣으면 빛이 나오는데, 이 빛을 모아서 레이저를 만듭니다.

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#2

다양한 색깔의 레이저와 그 원리

• 녹색 레이저는 Nd:YAG 라는 고체 결정을 이용하여 만들어진다. 
• 다양한 종류의 기체, 고체, 심지어 액체를 이용하면 여러 색깔의 레이저를 제작할 수 있다. 
• 레이저는 인공적으로 생성된 빛으로, 자연의 빛과는 차별화된다. 
• 레이저는 같은 파장을 가진 빛이 뭉쳐있기 때문에 단일 색을 갖고, 다른 광보다 더욱 멀리 나갈 수 있다. 
• 레이저를 만들기 위한 연구는 35년간 지속되었으며, 아인슈타인이 기초 이론을 발전시켰다.

Nd:YAG

 

Nd:YAG 레이저
Nd:YAG 레이저는 Nd:YAG라는 고체 결정을 사용해서 만든 녹색 레이입니다. 헬륨 네온 레이저와 마찬가지로, 매질에 따라 레이저 색깔이 달라집니다.

 

 

 

#3

우주 통신에서 레이저의 역할

• 레이저다이오드는 빛을 증폭시켜 사용하는 장치이다. 
• 우주 탐사선은 약 38만 6,000km 떨어진 거리에서도 레이저통신을 통해 데이터를 전송할 수 있다. 
• 나사의 달 탐사선 라디는 모나리자그림을 조각내어 각 이미지를 전송했으며, 이를 성공적으로 복원했다. 
• 당시 초당 300kbps였던 전송 속도가 현재는 622mbps에 달해 LTE 통신보다 5~6배 빠르다. 
• 빛의 전진을 방해하는 물질이 거의 없는 우주에서 레이저는 가장 적합한 통신 수단으로 선정되었다.

 

달에서 전송한 모나리자그림.

 

#4

레이저의 우주 활용

• 레이저는 빛이 퍼지지 않고 멀리까지 쏘아 보낼 수 있어, 우주까지 안전하게 빛을 전송할 수 있는 능력을 가지고 있다. 
• 레이저는 지향성을 가지고 있어 출력만 높이면 달, 수성, 화성 등 멀리 있는 행성까지 레이저를 보낼 수 있다. 
• 2007년의 수성 탐사선사례처럼, 1억 km 떨어진 곳까지 레이저를 전송할 수 있으며, 인공위성은 정확한 기상 정보를 수집한다. 
• 레이저는 거리 측정을 위한 정밀한 도구로, 국제 우주 정거장 도킹과 소행성 착륙등에 사용된다.
• 나사에서는 위성에서 발사한 레이저로 우주쓰레기의 궤도를 이탈시키는 계획을 발표했다.

위성에서 고출력레이저발사로 우주쓰레기를 치우려는 시도도 하고있다.