레이저발진기가 만든 빛은 아직 무기의 빛이 아닙니다. 그 빛을 받아 먼 곳의 작은 한 점까지 잘 모인 채로 보내는 일이 남아 있습니다. 미 공군이 2025년에 낸 연구 과제 공고는 이 일을 맡는 빔 지향기(beam director)에게, 잘 모인 빔을 협조하지 않는 표적까지 보낼 수 있는 광학 장치가 되기를 바랍니다.
빔 지향기는 렌즈나 거울로 짠 광학계입니다. 이 글은 그 광학계를 부품 하나하나가 아니라 체계 쪽에서 봅니다. 왜 빔을 넓게 내보내는지, 큰 구경(aperture)이 무엇을 얻고 무엇을 치르는지, 센 빛이 지나는 면에서 코팅이 왜 중요해지는지를 차례로 짚습니다.
거울과 코팅 부품 자체의 이야기는 「거울, 렌즈, 코팅: 센 빛을 다루는 광학 부품」에 있습니다. 레이저 무기의 전체 구성은 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다」에서 블록 도표 한 장으로 볼 수 있습니다.
빔 지향기는 무엇을 하는 광학계인가
체계 블록 도표에서 빔 지향기는 레이저발진기 바로 다음 상자입니다. 앞의 공군 공고는 빔 지향기가 고에너지 레이저를 내보내면서 떨림을 낮게 지키고, 협조하지 않는 표적에 빔의 초점을 잘 맞춰야 한다고 씁니다. 협조하지 않는 표적이란 빔을 맞춰 주려고 가만히 있지 않는 표적입니다.
공고에는 눈여겨볼 문장이 하나 더 있습니다. 앞서 비행 시험을 한 장치들은 대개 공기역학 효과를 줄이는 방법의 일부를 살펴보려고 만든 축소 모형이었습니다. 잘 모인 빔을 표적까지 보낼 수 있는 완전한 광학 빔 지향기는 아니었다는 것입니다. 빔을 "잘 모인 채로" 보내는 일이 빔 지향기의 핵심이라는 뜻입니다.
빛을 한 곳에 모으는 기본 도구는 렌즈입니다. 렌즈는 한 방향에서 나란히 들어온 빛을, 렌즈에서 초점 거리만큼 떨어진 초점면의 정해진 한 자리로 모읍니다. 빔 지향기의 "초점 맞추기"는 이 모이는 자리를 실험대 위가 아니라 먼 곳에 두려는 일입니다.
빔 지향기는 혼자 일하지 않습니다. 공고는 먼저 레이저와 빔 제어 체계, 실을 항공기와 어떻게 맞물릴지를 함께 정하게 하고, 그다음 단계에서 빔 지향기를 공군의 레이저·빔 제어 체계와 하나로 묶게 합니다.
넓게 출발한 빔은 덜 벌어진다
「빔은 왜 퍼지나」에서 본 대로, 레이저 빔에는 가장 가는 곳이 있습니다. 이곳을 빔 허리(beam waist)라고 부릅니다. 허리 근처에서 빔이 거의 굵어지지 않고 버티는 구간을 재는 척도가 레일리 길이(Rayleigh length)입니다.
L = π w₀² / λ
L은 레일리 길이, w₀는 허리 반지름, λ는 빛의 파장(wavelength)입니다. 교과서의 식에는 빔이 지나는 물질의 굴절률도 곱해져 있는데, 공기 속을 어림할 때는 1로 두었습니다. 허리 반지름이 제곱으로 들어 있다는 점이 이 식의 요점입니다.
계산하면 차이가 뚜렷합니다. 허리 반지름을 2배로 넓히면 레일리 길이는 4배, 10배로 넓히면 100배가 됩니다. 거꾸로 좁게 버티는 구간을 100배로 늘리려면 허리 반지름은 10배면 됩니다.
레일리 길이 식으로 보면, 넓게 출발한 빔일수록 처음 굵기를 오래 지킵니다. 넓은 빔을 내보내려면 그만큼 넓은 출구가 있어야 합니다. 구경은 빛이 지나는 열린 곳, 또는 그 크기를 말합니다. 빔 지향기에서 출구의 크기가 중요해지는 까닭이 여기에 있습니다.
파장도 식 안에 있습니다. 파장이 분모에 있으니, 같은 허리라면 파장이 절반일 때 레일리 길이는 두 배가 됩니다.
렌즈로 모은 빛도 크기 없는 점이 되지는 않습니다. 광학 영상에서 테두리가 딱딱한 둥근 구멍을 지난 빛은 에어리 원반(Airy disk) 때문에 둘레에 곁고리가 달린 무늬를 만들고, 이 무늬가 상을 흐립니다. 빛이 모이는 곳에도 회절이 남기는 크기가 있습니다.
빔을 넓히는 망원경
빔 확대기(beam expander)는 레이저 빔의 지름을 키우는 광학계로, 망원경(telescope)이라고도 부릅니다. 고에너지 광섬유 레이저를 만드는 업체 FiberBridge Photonics도 레이저 뒤에 붙어 빔을 정밀하게 다듬고 제어하는 광학의 예로 빔 확대기를 듭니다.
망원경은 렌즈 두 개로 짤 수 있습니다. 교과서가 다루는 망원경 배치에서는 첫째 렌즈와 둘째 렌즈의 초점 거리 비가 망원경의 각 배율을 정합니다. 아래 그림은 작은 렌즈와 큰 렌즈로 가는 빔을 넓히는 생각을 그린 것입니다.
가는 빔은 작은 렌즈를 지나 한 점에 모였다가 다시 퍼집니다. 큰 렌즈가 퍼지던 빔을 받아 곧게 내보내면, 빔은 처음보다 훨씬 굵어진 채로 나갑니다. 이렇게 넓혀 곧게 내보낸 빔은 굵게 출발한 빔이고, 앞의 식대로 좁게 버티는 구간이 깁니다.
먼 곳에서는 어떨까요? MIT 링컨 연구소 학술지의 해설은 레이저 빔이 광학계를 지나며 모양이 바뀌어도, 빔 지름과 먼 곳의 발산각을 곱한 값은 그대로라고 씁니다. 그러니 빔 확대기로 지름을 키우면 이상적인 경우 그만큼 먼 곳에서 벌어지는 각이 작아집니다.
그림의 렌즈는 생각을 보이려고 그린 것이고, 실제 장비의 광학 배치가 아닙니다. 넓힌 빔을 내보내려면 결국 그만큼 큰 출구, 곧 큰 구경이 필요합니다.
큰 구경이 치르는 값
큰 구경은 공짜가 아닙니다. 광학계가 커지면 그것을 담는 틀도 커지고 무거워집니다. 앞의 공군 공고가 바라는 것도 작은 항공기에 통합할 수 있는 가벼운 빔 지향기입니다.
레이저 무기 전체를 묶는 제약은 크기·무게·전력(size, weight and power, SWaP)입니다. 미 의회조사국(CRS)은 지향성 에너지 무기의 기술 성숙도 문제로 두 가지를 듭니다. 빔 품질과 제어를 군사적으로 쓸 만한 수준까지 높이는 일, 그리고 지금의 플랫폼에 통합하기 위한 SWaP와 냉각 요구를 맞추는 일입니다. 빔 지향기의 광학계도 이 몫을 나눠 씁니다.
항공기에 실으면 공기의 흐름이 끼어듭니다. 공군 공고는 공기역학 효과가 공중 레이저 체계의 성능을 크게 떨어뜨리며, 앞선 개발과 시험이 그 효과의 많은 부분을 줄이는 데 성공했다고 적었습니다.
빔이 나간 뒤에는 대기가 기다립니다. 2014년 미 육군 기사에 따르면 먼 길의 대기 난류(atmospheric turbulence)는 빔을 퍼지게 하고, 빔 제어 체계는 때로 복잡한 적응광학(adaptive optics, AO)으로 이 퍼짐을 바로잡아야 합니다. 비, 안개, 연막 같은 대기 조건도 SWaP·냉각 요구와 함께 사거리와 빔 품질을 제한할 수 있습니다.
정리하면 레일리 길이 식은 빈 공간을 지나는 이상적인 빔의 이야기입니다. 큰 구경은 그 식이 주는 이점을 얻는 길이지만, 무게와 자리, 공기의 흐름, 대기라는 값을 함께 치릅니다.
코팅이 체계에서 중요한 이유
레이저 무기의 광학에도 코팅이 입혀집니다. 미국 항공우주국(NASA)의 손상 문턱 시험 보고서는 광학 코팅(optical coating)을 광학 기판 위에 한 층 또는 여러 층으로 입혀, 그 부품의 반사나 투과 성질을 바꾸도록 설계한 물질로 정의합니다. 센 빛이 지나가는 체계에서 코팅은 이 성질만 맡지 않습니다. 빛을 견디는 일도 함께 맡습니다.
같은 보고서는 광학 면이 받는 빛을 플루언스(fluence)로 잽니다. 가한 레이저 에너지를 들어온 빔의 단면적으로 나눈 값, 곧 넓이당 에너지입니다. 계산하면 같은 에너지를 지름이 2배인 빔에 실을 때 단면적은 4배가 되고, 플루언스는 4분의 1로 줄어듭니다.
같은 양의 버터를 작은 빵과 큰 빵에 바르면 큰 빵에는 얇게 발립니다. 실제로는 빛이 시간을 두고 계속 들어오고, 면이 머금은 몫이 열로 바뀐다는 점이 버터와 다릅니다. 그래도 "넓게 펴면 한 곳이 받는 몫이 준다"는 셈은 같습니다.
빔 지향기로 돌아와 보면, 빔 확대기로 넓힌 뒤의 큰 광학 면은 같은 에너지를 넓게 나눠 받습니다. 거꾸로 빔이 아직 가는 쪽의 면은 넓이당 더 많은 몫을 받습니다.
빔 결합 장치를 다룬 MIT 링컨 연구소 학술지의 글은 광학 면이 받는 빛을 장치의 한계 하나로 듭니다. 광학 부품 면의 세기를 손상을 일으키는 수준보다 낮게, 그리고 열 때문에 생기는 광학 효과가 큰 수차를 만들기 시작하는 점보다 낮게 지켜야 한다는 것입니다.
면이 견딜 수 있는 몫을 재는 잣대가 레이저 유도 손상 문턱(laser-induced damage threshold, LIDT)입니다. NASA 보고서에서 이 문턱 시험은 광학 물질에 손상이 보이지 않는 최대 플루언스를 정하는 파괴 시험입니다.
면이 머금은 빛은 열이 되고, 층 구조에 따라 손상 문턱이 낮아지기도 합니다. 그 까닭은 「거울, 렌즈, 코팅」에서 볼 수 있습니다. 레이저 무기 광학의 코팅은 생산과 정비에서도 따로 이름이 오릅니다.
만들고 지키기: 생산과 정비
이런 광학은 만들기도 쉽지 않습니다. CRS가 옮긴 미 해군의 2026회계연도 예산 문서에는 한 사업이 나옵니다. 레이저 무기 빔 지향기의 부품과 하위 체계를 만드는 산업 기반의 생산 능력을 높이고, 레이저 무기 체계 광학의 생산 소요 시간을 줄이는 사업입니다.
같은 사업은 고속 조향 거울(fast steering mirror, FSM)과 변형 거울(deformable mirror)의 품질을 높이고 생산 시간을 줄이는 일도 맡았습니다. 예산 문서는 이 일을 맡은 계약자가 앞으로의 레이저 획득 계약에서 "매우 중요하고 만들기 어려운 부품"의 공급자가 될 수 있다고 적었습니다. 사업의 일은 2025회계연도 3분기에 끝났습니다.
코팅도 이 목록에 들어 있습니다. 같은 보고서의 앞선 판이 옮긴 2024회계연도 예산 요청은 빔 지향기 부품과 함께 "레이저 무기 광학용 코팅 설비"의 생산 능력 개선을 마무리하는 일을 꼽습니다. 코팅을 입히는 설비가 레이저 무기 광학의 생산 능력으로 따로 꼽힌 것입니다.
만든 뒤에는 지켜야 합니다. 미 회계감사원(GAO)은 2004년 보고서에서, 항공기에 실을 레이저 무기 시제품이 배치되면 재보정과 빔 제어 쪽 하위 부품의 재코팅 같은 특수한 정비가 필요할 것이라고 적었습니다. 그 시제품은 화학 레이저를 쓴 체계였고, 재코팅은 배치 뒤의 정비 항목으로 나옵니다.
CRS는 GAO를 옮겨, 지향성 에너지 무기의 내부 장치가 민감하고 수리에 대개 전용 청정실이 필요하다고도 씁니다. 앞의 광섬유 레이저 업체도 광학계를 만들 때 온도 안정성, 오염 관리, 기계적 견고함 같은 환경 조건을 함께 따진다고 설명합니다.
빔 지향기의 광학계는 먼 거리를 위해 크게 만들고, 센 빛을 견디게 코팅하고, 흐트러지지 않게 지켜야 합니다. 광학 부품을 만드는 업체들의 공식 홈페이지는 제조 업체 페이지에 모아 두었습니다.
다음에 읽을 글
- 「김발과 조준·추적: 빔을 한 점에 붙들어 두는 일」: 빔 지향기가 방향을 바꾸고 표적을 따라가는 쪽을 봅니다.
- 「적응광학: 흐려진 빔을 되살리는 기술」: 대기 난류로 흐려진 빔을 되살리는 방법으로 이어 갑니다.
- 「빔 품질이란: M², 발산각, 밝기」: 같은 출력이라도 멀리서 모이는 정도가 왜 다른지 살핍니다.