초강력 레이저 개발과 기초- 페타와트 레이저

[사무국]

기초과학연구원-초강력레이저과학연구단 연구위원 · 전 천 하

레 이 저 ( L A S E R : L i g h t Amplification by Stimulated Emission of Radiation)는 Charles H. Townes(1964년 노벨 물리학상 수상)가 1954 년 메이저(MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)를 개발한 이후 Theodore H. Maiman 에 의해 1960년에 개발 되었다. 사방팔방으로 확산해 버리는 자연광에 비해 일직선으로 곧게 뻗어 나가는 레이저 광은 많은 분야의 관심을 받았으며 현재 수조 원에 이르는 시장규모를 가지고 있으며 레이저 포인터, 블루레이 디스크, 바코드 리더에서도 레이저가 사용되며 광통신, 광메모리, 센서, 재료가공, 반도체, 의료, 핵융합, 군사용 등 용도가 확대되어 있다.
1960년 이후 레이저 기술은 놀라운 발전을 이루었으며 Q-switching 기술과 Mode-locking 기술로 인해 더높은 출력의 레이저가 개발되었다. 하지만 레이저 출력이 증가함에 따라 레이저 출력으로 인한 레이저 증폭 매질의 손상 때문에 출력 증강이 한계에 도달하게 된다.
이러한 한계는 1985년 Gérard Mourou 교수와 Donna Strickland 교수가 논문으로 발표한 극초단 레이저 펄스를 높은 출력으로 증폭하는 기술인 Chirped Pulse Amplification (CPA)로 인해 극복하게 된다. 레이저 매질의 손상은 레이저 강도(W/cm 2 )에 따라 정의되는데 이때 레이저의 짧은 레이저 펄스를 시간상에서 아주 긴펄스로 늘리게 될 경우 레이저 강도는 레이저 펄스의 폭의 길이와 반비례 하게 된다. 따라서 CPA 기술의 원리는 짧은 레이저 펄스를 시간상에서 아주 긴 펄스로 늘린 뒤 증폭 매질을 통해서 광학 매질의 손상문턱(damage threshold) 까지 증폭한 후 다시 원래 상태의 극초단 펄스로 재압축 하는 것이다. 이 기술로 인해서 레이저는 또다시 획기적인 발전을 이루었으며 이로 인해서 Gérard Mourou 교수와 Donna Strickland 교수는 물리학 분야에서 중요한 발견 혹은 발명을 이룬 자에게 주어지는 노벨 물리학상을 2018년에 받게 된다.
CPA 기술이 향상됨에 따라 세계 여러 나라에서는 고출력 레이저인 TW(10 12 W)급 레이저가 나오게 되었으며
2000년대에는 PW(10 15 W)급 레이저가 개발되었다.
국내에서도 세계 최초로 1PW 와 1.5PW 두 개의 빔 라인을 가진 0.1Hz Ti:sapphire 레이저를 2012년에 고등광기술연구소에서 개발하였다. 2017년에는 4.2 PW Ti:sapphire 레이저를 IBS(Institute for Basic Science) 초강력레이저연구단에서 개발하였으며 집광세기 5.5x10 22 W/cm 2 를 달성함으로 인해서 세계적으로 극초단 고출력 레이저 개발의 선두주자가 되었다.

최근 세계 극초단 고출력 레이저 개발의 관심은 상대론적 영역에 있으며 이를 위해 유럽에서는 극한광 시설인 ELI(Extreme Light Infrastructure)를 건설 중이며 10 PW급 레이저를 중국 상하이의 SULF(Superintense Ultrafast Laser Facility)에서도 개발 중에 있으며 앞으로 100 PW급 레이저인 Station of Extreme Light(SEL)를 개발 중이다.
이러한 극초단 고출력 레이저는 레이저 입자가속에 의한 암 치료 장치 개발, 레이저 핵융합 발전장치 개발, 실험천체물리학 연구 등 인류 발전에 많은 도움이 될것이며 이를 이용한 수많은 학문적 발견과 발명이 이루어질 것으로 본다.

필자소개 :
University of Rochester 광학과 학사 Yale University 전기공학과 석사 University of Central Florida 광학 박사
SEPT 2019 / KASSE MAGAZINE 7