기초과학연구원이 레이저 세기의 신기록을 세웠다. 이로써 레이저 기술은 극한 물리현상 탐구의 이정표라 할 수 있는 제곱센티미터 당 10²³ 와트 (10²³ W/cm²)¹⁾대로 진입했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 초강력 레이저과학 연구단 남창희 단장(광주과학기술원 교수) 연구팀은 초강력 레이저를 1.1×10²³ W/cm² 세기로 모으는 데 성공했다. 10²³ W/cm² 이상의 레이저 세기에서는 극도로 강한 전기장이 형성되어, 양자전기동역학²⁾ 이론이 예측하는 물리 현상을 직접 실험해 볼 수 있을 것으로 기대된다.

IBS 초강력 레이저과학 연구단은 2016년 4 페타와트(PW)³⁾ 레이저 개발에 성공해, 세계에서 가장 높은 출력의 레이저를 보유하고 있다. 4 PW는 전 세계 발전 용량의 1천 배에 해당하는 출력이다. 레이저의 ‘세기’는 출력을 얼마나 작은 공간에 집중시키는지를 의미하며, 각종 물리 현상 탐구의 중요한 지표가 된다. 2004년 미국 미시간 대학이 10²² W/cm² 세기에 처음 도달한 이후 지금까지 10²³ W/cm² 에 다다른 연구진은 없었다. 현재 유럽연합의 ELI 빔라인, 미국의 EP-OPAL, 중국의 SEL 등이 10²³ W/cm² 레이저를 목표로 건설 중이다.

강력한 레이저 세기의 구현을 위해서는 에너지를 가능한 한 짧은 시간과 좁은 공간에 압축하여 순간적으로 최대의 에너지를 내야 한다. 초강력 레이저가 펨토 초⁴⁾ 동안 지속되는 이유다. 그러나 빔의 증폭·전송 과정에서 공간적인 위상 왜곡이 발생해, 레이저 빔을 좁은 공간에 모으는 데는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울을 새롭게 제작하였다. 대구경 변형거울은 레이저 빔의 파면 왜곡을 높은 분해능으로 보정하는 데에, 대구경 비축 포물면 거울은 레이저 빔의 효율적 집속에 각각 사용된다. 그 결과 4 페타와트 레이저 빔을 지름 1 마이크로미터의 초소형 공간에 모을 수 있었다. 이는 이전에 같은 레이저를 지름 1.5 마이크로미터 공간에 모은 데 비해 면적 대비 2배 이상 향상된 수치다.

지구상에 존재한 적 없던 강력한 레이저는 초신성 폭발 등 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있다. 이때 레이저 세기에 따라 물질과의 상호작용이 완전히 달라진다. 양자전기동역학 이론은 강력한 전기장 하에서는 진공에서 전자와 양전자 쌍이 생성될 것으로 예측한다. 초강력 레이저를 이용해 이러한 현상을 실험적으로 입증할 수 있다.

교신저자인 남창희 단장은 “이번 연구를 통해 IBS의 초고출력 레이저 시설이 세계 최고임을 입증했다”며 “양자전기동역학에서 예측하는 비선형 콤프턴 산란⁵⁾과 브라이트-휠러 쌍생성⁶⁾, 또 복사압 이온 가속 공정⁷⁾과 같은 극한 영역에서의 새로운 물리 현상들을 탐구할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구 결과는 광학 분야의 저명한 학술지 ‘옵티카 (Optica, IF 9.778)' 誌에 5월 6일(한국시간) 온라인 게재됐다.

그림설명

▲ [그림 1] 페타와트(PW) 레이저 장치 개략도좌측 상단 저출력 전단 레이저로부터 나온 펨토초 펄스가 펄스 확장기를 통해 나노초 펄스로 확장되고, OPCPA 증폭기와 파워 증폭기를 지나면서 4.5 J까지 증폭된다. 이후 부스터 증폭기를 지나면서 110 J 까지 증폭되고, 이 과정에서 여러 단의 빔 확대기를 통해 직경 25 mm, 65 mm, 85 mm, 280 mm로 빔 크기가 점차 커진다. 증폭된 레이저 펄스는 펄스 압축기를 통해서 다시 20 펨토초로 압축되고, 이때 최종 출력은 4 PW이다.
레이저 빔의 파면 왜곡을 보상하기 위해서 2개의 변형거울이 사용되었다. 변형거울1은 펄스 압축기 전에 위치하여 파면센서1에서 측정된 파면 수차를 보상한다. 변형거울2는 펄스 압축기 다음에 위치하여 파면센서2에서 측정된 파면 수차를 보상한다. 변형거울을 지난 레이저 빔이 표적 챔버에 입사하면, 이를 초점 거리 300 mm (f/1.1)의 대구경 비축 포물면 거울에 의해 집속하여 강한 레이저 세기를 얻는다.

▲ [그림 2] 레이저 마지막 단계인 표적 챔버 내부이전 단계에서 증폭된 4 PW 레이저 빔은 금으로 코팅된 노란색 대구경 포물면 거울에 반사되어 좁은 공간에 모이게 되고, 이를 다시 대물렌즈가 달려있는 카메라(사진에서 붉은 색)를 통해 감지한다.

▲ [그림 3] 집속된 레이저 빔 세기의 3차원 그래프카메라로 측정된 집속 빔 초점의 3차원 이미지를 보여준다. 빔 지름은 약 1 마이크로미터, 최대 세기는 1.4×10²³ W/cm² , 평균 세기는 1.1×10²³ W/cm²를 기록했다.

▲ [그림 4] 페타와트(PW) 레이저 실험 모습연구진이 레이저의 일부인 증폭기를 모니터링하고 있다.

▲ [그림 5] 페타와트(PW) 레이저 실험실 전경IBS 초강력 레이저과학 연구단이 보유한 4 PW 레이저 시설