세계 최고 출력 레이저보다 더 강력한 레이저를 만들 수 있는 방법이 나왔다. 향후 레이저 핵융합 연구에 적용해 에너지 관련 문제를 해결하거나, 첨단 이론 물리학의 예측을 실험적으로 증명하는 데 활용하는 등 다양한 분야에 사용될 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST) 물리학과의 허민섭 교수 연구팀은 광주과학기술원(GIST)의 석희용 교수 연구팀, 영국 스트라스클라이드(Strathclyde) 대학의 야로스진스키(Jaroszynski) 교수 연구팀과 함께 기존보다 1000배 이상 강력한 레이저 펄스를 만들 수 있는 아이디어를 제시하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이를 증명했다고 15일 밝혔다.
허민섭 교수는 “이번 연구는 지난 2018년 노벨 물리학상을 수상한 모로우(Mourou) 교수의 아이디어가 가진 한계를 극복할 수 있는 방법을 제시한 연구로서 최첨단 천체물리학 등의 기초 과학은 물론 반도체 리소그라피나 레이저 핵융합과 같은 산업이나 에너지 연구에도 활용 가능할 것”이라고 했다.
지난 1985년 모로우 교수가 발명한 처프 펄스 증폭 (CPA) 기술은 레이저 펄스를 길게 늘여 증폭한 후 다시 압축하는 과정을 통해 레이저 펄스의 순간 출력을 극대화하는 기술이다. 현재는 이를 활용해 수 페타와트(1000조와트)까지 레이저 출력이 가능하다. 지구 표면 전체에 도달하는 태양 빛의 출력이 수십 페타와트 정도임을 감안하면 페타와트 레이저도 상당히 강력하지만, 과학계에선 그보다 1000배 이상 강력한 엑사와트나 더 강력한 제타와트의 필요성을 거론해 왔다.
초고출력의 레이저는 에너지를 마이크론(0.001㎜) 크기의 좁은 공간에 집중시키면서 시간적으로도 펨토초(1000조 분의 1초)의 극히 짧은 펄스로 압축해야 만들 수 있다. 하지만 레이저의 에너지가 일정 크기 이상 커지면 압축에 사용되는 ‘회절 거울’이 파손된다.
회절 거울은 거울 표면에 주기적인 격자를 새겨서 입사한 빛이 특정 각도로 반사되도록 하는 거울을 뜻한다. 레이저의 출력은 회절 거울의 크기에 비례하기 때문에, 엑사와트 이상의 레이저를 얻기 위해서는 수백 미터 크기의 회절 거울이 필요한데 이는 사실상 제작이 불가능하다.
연구팀은 회절 거울 대신 플라즈마를 사용해 레이저 펄스의 압축 문제를 해결했다. 플라즈마는 번개의 섬광과같이 높은 온도에서 전자와 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다. 이온화된 상태인 플라즈마는 이미 손상된 물질이기 때문에 아무리 강한 레이저를 넣어도 더 이상의 손상이 생기지 않으며, 광학적으로 빛을 분산시키는 성질도 가지고 있다. 플라즈마를 회절 거울과 같은 방식으로 활용하면 훨씬 더 강한 레이저 펄스로 압축할 수 있는 것이다.
GIST의 석희용 교수는 “플라즈마는 기존의 회절 거울과 같은 역할을 할 수 있고 더 이상 손상이 되지 않는 물질이므로 기존 CPA 기술의 결점을 보완할 수 있다”며 “몇 센티미터 정도 크기의 플라스마만으로도 엑사와트 이상의 초강력 레이저에 활용될 수 있을 것”이라고 했다. 야로스진스키 교수는 “초고출력 레이저는 우주와 물질, 그리고 시공간의 성질에 관한 근본적인 질문에 대한 답을 찾을 수 있는 중요한 도구”라고 말했다.
이번 연구 결과는 최첨단 이론물리학과 천체물리학에서 예측하는 다양한 현상들을 실험실에서 구현하는 데 사용되는 것은 물론, 레이저 핵융합 연구에도 활용할 수 있어 인류가 직면한 에너지 문제를 해결하는 데에도 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.
세계적으로 저명한 학술지 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 지난 13일 온라인 게재됐다.
참고 자료
Nature Photonics(2023), DOI : https://doi.org/10.17605/OSF.IO/RTF8Z