초강력 레이저 더 강력하게…"초고출력 방법 찾았다"

국내외 공동연구진, 플라스마로 레이저 펄스 압축 문제 해결

세계 최고 출력 레이저보다 더 강력한 레이저를 만들 수 있는 방법을 국내외 공동연구진이 제시했다.

15일 울산과학기술원(UNIST)에 따르면 물리학과 허민섭 교수팀, 광주과학기술원(GIST) 석희용 교수팀, 영국 스트라스클라이드대 야로스진스키(Jaroszynski) 교수팀은 공동 연구로 기존보다 1천배 이상 강력한 레이저 펄스를 만들 수 있는 아이디어를 제시하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이를 증명했다.

공동 연구팀에 따르면 2018년 노벨 물리학상을 받은 제라르 무루(Gerard Mourou) 교수는 1985년 레이저 세기를 비약적으로 증가시킬 수 있는 처프 펄스 증폭(CPA·Chirped-pulse amplification) 기술을 발명했다.

현재는 이를 활용해 수 페타와트(1페타와트는 1천조와트)까지 레이저 출력이 가능하다.

지구 표면 전체에 도달하는 태양 빛의 출력이 수십 페타와트 정도임을 생각하면 페타와트 레이저가 얼마나 강력한지 짐작할 수 있다.

그러나 과학계에서는 그보다 1천배 이상 강력한 엑사와트나 그보다 더 강력한 제타와트의 필요성이 나오고 있다.

지표면에 도달하는 태양 빛의 출력과 맞먹을 만큼의 초고출력 레이저가 가능한 것은 에너지를 마이크론(0.001㎜) 크기의 좁은 공간에 집중시키면서 동시에 에너지를 시간적으로도 압축해 펨토초(1천조분의 1초)의 극히 짧은 펄스로 만들기 때문이다.

하지만 레이저의 에너지가 일정 크기 이상 커지면 압축에 사용되는 '회절 거울'이 파손된다.

페타와트 레이저를 얻기 위한 회절 거울은 1ｍ 정도 크기다.

이와 비례해 엑사와트 이상의 레이저를 얻기 위해서는 수백ｍ 크기의 회절 거울이 필요한데 사실상 제작이 불가능하다.

공동연구팀은 회절 거울 대신 플라스마를 이용해 레이저 펄스의 압축 문제를 해결했다.

플라스마는 높은 온도에서 전자와 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다.

이온화된 상태인 플라스마는 이미 손상된 물질이기 때문에 아무리 강한 레이저를 넣어도 더 이상의 손상이 생기지 않는다고 연구팀은 설명했다.

또 광학적으로 빛을 분산시키는 성질도 있어 플라스마를 회절 거울과 같은 방식으로 활용하면 더 강한 레이저 펄스로 압축할 수 있다.

GIST 석희용 교수는 "플라스마는 기존 CPA 기술의 결점을 보완할 수 있다"며 "몇 ㎝ 정도 크기의 플라스마만으로도 엑사와트 이상의 초강력 레이저에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

UNIST 허민섭 교수는 "이번 연구는 무루 교수 아이디어의 한계를 극복할 수 있는 방법을 제시했다"며 "최첨단 천체물리학 등 기초과학은 물론 반도체 리소그래피나 레이저 핵융합 등 산업과 에너지 연구에도 활용 가능할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 13일 온라인으로 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단, UNIST 반도체대학원 산업혁신인재성장지원사업, 영국 연구혁신기구 과학공학연구위원회의 지원을 받았다.

/연합뉴스