최근 국내 연구진에 의해 세계 최고 세기의 레이저 광 발생에 성공했다는 소식이 있었다. 기초과학연구원(IBS) 초강력레이저과학 연구단이 바로 그 주인공인데, 광주과학기술원(GIST) 캠퍼스에 위치한 이 연구단에서는 지난 2016년 자체 개발한 세계 최고 출력의 레이저인 4 페타와트(4,000조 와트) 레이저가 가동 중이다. 이번에 IBS 연구진들은 4 페타와트 레이저 빔을 머리카락 두께의 100분의 1에 해당하는 1 마이크로미터 크기의 초소형 공간에 모음으로써 세계 최고 레이저 세기(10²³ W/cm²)를 달성하는데 성공하였다. 이번 연구 성과를 통해 우리 나라 레이저 연구 기술의 우수성을 전 세계에 알리는 계기가 되었으며, 이번에 달성한 초강력 레이저 세기를 이용하면 기존에 알려지지 않았던 새로운 물리 현상의 탐구가 가능할 것으로 기대되고 있다. 이 글에서는 전문가가 아닌 일반인들도 초강력 레이저에 대해 이해할 수 있도록 고출력 레이저의 역사부터 시작해서 초강력 페타와트 레이저 시설 소개와 그 응용 분야들에 대해서 알아보고자 한다.

고출력 극초단 레이저의 발전

1960년 메이먼(T. Maiman)에 의해 레이저가 최초로 개발된 이래로 지난 60년간 레이저의 출력은 비약적으로 증가하여 최근에는 페타와트(1 PW=1,000조 W) 급 피크 파워를 갖는 초고출력 레이저가 세계 각국에서 개발되고 있다. 레이저는 동작 방식에 따라 연속광(Continuous wave: CW) 레이저와 펄스 레이저로 구분된다. 연속광 레이저는 레이저 광이 끊김없이 연속적으로 발생되는 레이저로서, 일상생활에서 쉽게 볼 수 있는 레이저 포인터가 여기에 해당된다. 펄스 레이저는 레이저 광이 카메라 플래시처럼 짧은 시간 동안에만 지속되는 레이저로서 순간적으로 높은 에너지와 출력을 낼 수 있는 장점이 있다. 예를 들어 반복률이 10 헤르츠(Hz)이고 펄스 폭이 10 나노초(1 나노초=10억분의 1초)인 펄스 레이저는 레이저 광이 1초에 10 번씩 발생하고 레이저 광의 지속시간이 10 나노초인 레이저를 말한다. 펄스 레이저에서 단일 펄스의 출력은 주로 펄스 에너지나 피크 파워(첨두 출력)로 나타낸다. 피크 파워는 레이저 펄스의 순간적인 출력을 말하며, 펄스 에너지를 펄스폭으로 나누어 준 값이다. 따라서, 레이저의 펄스폭이 짧을수록 높은 피크 파워를 만들 수 있으며, 이 때문에 과학자들은 펄스폭이 짧은 레이저를 개발하고자 많은 노력을 해왔다. 먼저 1961년 Q-스위칭 기술을 이용해 나노초 펄스 레이저가 개발되었고, 1964년 모드 잠금(mode-locking) 기술을 이용해 피코초(1조분의 1초) 극초단 펄스 레이저가 개발되었다. 참고로 피코초 이하의 매우 짧은 펄스폭을 갖는 레이저를 극초단 레이저라고 한다. 이후 1974년 색소 레이저에 모드 잠금 기술을 적용한 펨토초(1,000조 분의 1초) 극초단 레이저가 개발되었고, 1990년대 이후부터는 티타늄 사파이어 결정을 이득 매질을 사용하고 커-렌즈 모드 잠금(Kerr-lens mode-locking) 기술을 이용한 안정적인 티타늄 사파이어 레이저가 개발됨으로써 현재까지 대표적인 펨토초 레이저 광원으로 폭 넓게 사용되고 있다.

펨토초 레이저는 작은 에너지로도 높은 피크 파워를 갖는다는 장점 때문에 많은 연구자들이 펨토초 레이저 에너지를 증폭함으로써 더 높은 피크 파워를 얻고자 노력하였다. 그러나, 펨토초 레이저는 에너지를 조금만 증폭해도 높은 피크 파워로 인해 증폭 매질, 거울, 렌즈 등과 같은 광학 소자들에 광학적 손상이 나타나는 문제가 발생하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 1985년 미국 로체스터 대학의 무루(G. Mourou)와 그의 학생이었던 스트릭랜드(D. Strickland)에 의해 처프 펄스 증폭(Chirped pulse amplification: CPA) 기술이 제안되었다. CPA 기술은 펨토초 펄스를 시간적으로 만 배 이상 늘려주어 피크 파워를 감소시킨 다음 일반적인 레이저 증폭기를 통해 펄스 에너지를 증폭하고 다시 원래의 펨토초 펄스로 압축해주는 기술이다. 그림 1은 이러한 CPA 기술의 원리를 보여주는 개념도이다. CPA 기술을 통해 펨토초 레이저의 증폭이 가능해지면서 레이저의 피크 파워는 비약적으로 증가하게 되었고, 최근의 페타와트 레이저를 비롯한 대부분의 펨토초 고출력 레이저는 이 기술을 이용하고 있다. 이러한 공로로 무루와 스트릭랜드는 2018년 노벨물리학상을 공동으로 수상하였다.

[그림 1] 처프 펄스 증폭(Chirped pulse amplification: CPA) 개념도

페타와트 초고출력 레이저

모드 잠금 기술과 CPA 기술을 통해 펨토초 고출력 레이저 기술이 비약적으로 발전하면서, 1990년대 후반부터 페타와트 피크 파워를 갖는 초고출력 레이저들이 출현하기 시작하였다. 1999년 미국의 로렌스 리버모어 국립 연구소(Lawrence Livermore National Laboratory: LLNL)의 노바(Nova) 레이저가 1.5 PW의 피크 파워를 기록한 이래로 미국, 영국, 프랑스, 일본, 중국 등 여러 나라에서 페타와트 출력의 레이저 시설들이 건설되어 현재 가동 중이거나, 새로운 레이저가 건설 중인 상황이다. 우리 나라에서는 지난 2010년과 2012년에 광주과학기술원 고등광기술연구소에서 티타늄 사파이어 레이저 기반으로 1 PW와 1.5 PW 레이저 빔라인을 각각 구축하였으며, IBS 초강력레이저과학 연구단이 이 시설을 이어받아 2016년 1.5 PW 빔라인을 4 PW 빔라인으로 성공적으로 업그레이드하였다. IBS 4 PW 레이저는 현재 가동되고 있는 전 세계 레이저 중에서 가장 높은 출력을 자랑하는 레이저 시설로서 레이저-물질 상호작용 연구를 비롯한 기초 물리 연구에 활발히 활용되고 있다. 최근 유럽연합과 중국에서 10 PW 레이저를 개발했다는 보고가 있었지만 아직 성능 시험 및 시스템 보수 중인 상황으로 정상 가동되는 데는 아직 시간이 몇 년 더 걸릴 것으로 보인다.

참고로 페타와트(PW)가 어느 정도의 출력인지 알아보자면, 2018년 기준 전 세계 모든 발전소의 시간당 발전량이 0.003 PW(3 테라와트)이며, 지구 대기에 도달하는 전체 태양광의 시간당 에너지가 174 PW이다. 따라서, IBS 4 페타와트 레이저의 순간 출력(피크 파워)은 전 세계 발전 출력보다 1,000 배 이상 큰 값이고, 지구 도달 전체 태양광 출력의 대략 40분의 1에 해당하는 큰 값이다. 단, 페타와트 레이저는 태양광과 같은 연속광이 아니라 20 펨토초의 아주 짧은 순간 동안만 존재한다는 점에 있어서 차이가 있다.

그림 2는 IBS 페타와트 레이저 시설의 개략도를 보여주고 있다. 좌측 상단 저출력 전단 레이저로부터 나온 펨토초 펄스가 펄스 확장기를 통해 나노초 펄스로 확장되고, OPCPA 증폭기와 파워 증폭기를 지나면서 에너지가 4.5 J까지 증폭된다. 이후 부스터 증폭기를 지나면서 110 J까지 증폭되고, 이 과정에서 여러 단의 빔 확대기를 통해 빔 사이즈가 직경 25 mm, 65 mm, 85 mm, 280 mm로 점차 커진다. 이렇게 빔 사이즈를 키워주는 이유는 레이저 광의 단위면적당 에너지를 줄여서 광학 소자의 손상을 방지하기 위해서이다. 증폭된 레이저 펄스는 펄스 압축기를 통해서 다시 20 펨토초로 압축되고, 이때 최종 출력은 4 PW이다. 그림 3은 페타와트 레이저 룸의 파노라마 사진이다.

[그림 2] 기초과학연구원 페타와트 레이저 시스템 개략도

[그림 3] 기초과학연구원 페타와트 레이저 룸의 파노라마 사진

현재 전 세계에서 가동중인 페타와트 레이저들은 네오디뮴 글라스 (Nd:glass) 또는 티타늄 사파이어를 이득 매질로 사용하고 있는데, 네오디뮴 글라스는 에너지 저장 효율이 높고 대구경 제작이 가능하다는 장점으로 초창기 페타와트 레이저에 많이 이용되었다. 최근에 건설된 페타와트 레이저들은 주로 티타늄 사파이어를 이득매질로 사용하고 있는데, 그 이유는 티타늄 사파이어 레이저의 펄스폭이 더 짧고 반복률이 더 높은 장점이 있기 때문이다. 예를 들어 티타늄 사파이어 기반의 미국 Bella 레이저(1 PW, 로렌스 버클리 국립 연구소)의 경우 1 Hz의 높은 반복률을 갖는데 반하여, 글라스 기반의 미국 텍사스 페타와트 레이저(1 PW, 텍사스 대학교)는 1시간에 1샷의 매우 느린 반복률을 갖는다. IBS 페타와트 레이저는 이득 매질로 티타늄 사파이어를 사용하고 있고 반복률은 0.1 Hz(10초에 1샷)이다.

세계 최고 세기 레이저 빔 달성

페타와트급 초고출력 레이저는 주로 레이저와 물질의 상호작용 연구에 활용된다. 이때 레이저와 물질의 상호작용은 레이저의 ‘세기’에 의해 결정된다. 레이저의 ‘세기’는 단위면적당 레이저 빔의 강도를 의미하며, 레이저의 피크 파워를 레이저 빔의 단면적으로 나눈 값이다. 따라서 높은 피크 파워를 갖는 레이저 빔을 가능한 한 작은 면적에 모아줄수록 높은 세기를 얻을 수 있다.

레이저-물질 상호작용 연구에서 레이저의 세기가 10¹⁸ W/cm² 이상이 되면 레이저 장에 의해 전자의 속도가 빛의 속도에 근접하여 전자의 움직임에 상대론적 현상이 나타나기 시작한다. 이때를 상대론적 영역(relativistic regime)이라고 한다. 통상적으로 상대론적 현상이 중요해지는 10¹⁹ W/cm² 이상의 세기를 갖는 레이저를 ‘초강력 레이저’라 하며, 초강력 레이저의 세기는 지난 2004년 미국 미시간 대학교 연구진에 의해 10²² W/cm² 세기가 달성된 이래로 답보 상태에 머무르고 있었다. 그림 4는 레이저 세기에 따른 상호작용 영역 및 레이저 세기의 역사적 발전 경향을 보여주고 있다.

[그림 4] 레이저 세기의 발전 경향 및 레이저 세기에 따른 상호작용 영역

이러한 상황에서 최근 IBS 초강력레이저과학 연구단의 연구진들은 4 PW 레이저 빔을 1 마이크로미터 크기의 공간에 모음으로써 세계 최초로 10²³ W/cm² 이상의 세기를 얻는 데 성공하였다. 일반적으로 그림 5(a)와 같이 레이저 빔의 파면(wavefront), 즉 공간적인 위상 분포가 균일할 때 레이저 빔이 한 점으로 모아지는데, 빔의 증폭 및 전송 과정에서 그림 5(b)와 같이 위상 왜곡이 발생하면 레이저 빔을 한 점으로 모으기 어려워진다.

[그림 5-1] (a) 균일한 파면의 집속 빔 모양

[그림 5-2] (b) 왜곡된 파면의 집속 빔 모양

이러한 문제를 해결하기 위해 IBS 연구진은 페타와트 레이저 빔라인에 적응광학(Adaptive optics: AO) 시스템을 적용하였다. 적응광학 시스템에서는 먼저 파면 센서를 이용해 왜곡된 파면을 측정하고, 표면 굴곡 제어가 가능한 변형거울(Deformable mirror: DM)을 이용해서 왜곡된 레이저 빔의 파면을 보정해준다. IBS 페타와트 레이저에서는 2세트의 적응광학 시스템이 사용되었는데, 그림2의 변형거울1과 파면센서1이 첫번째 적응광학 시스템을 구성하고, 변형거울2와 파면센서2가 두번째 적응광학 시스템을 구성한다. 첫번째 적응광학 시스템은 최종 증폭기 바로 다음에 사용되어 증폭과정에 발생한 파면 왜곡을 보정하고, 두번째 적응광학 시스템은 펄스 압축기 다음에 사용되어 빔 전송 및 집속 과정에 발생하는 파면 왜곡을 보정하는 역할을 한다. 파면 보정된 페타와트 레이저 빔은 그림 2와 같이 표적 챔버의 비축 포물면 거울을 통해 한 점으로 집속 되고, 그 결과 4 페타와트 레이저 빔을 머리카락 단면적의 백분의 1에 해당하는 지름 1 마이크로미터의 초소형 공간에 집속하는데 성공하였다. 이때 측정된 레이저 세기는 평균 1.1×10²³ W/cm²(최고 1.4×10²³ W/cm²)이고, 이것은 지금까지 얻은 가장 높은 레이저 세기이자, 최초로 달성한 10²³ W/cm² 이상의 레이저 세기이다. 그림 6은 비축 포물면 거울을 이용해 집속된 페타와트 레이저의 3차원 초점 이미지를 보여준다.

[그림 6] 비축 포물면 거울을 이용해 집속된 페타와트 레이저의 3차원 초점 이미지

초강력 레이저의 활용분야

초강력 레이저가 가장 크게 활용될 수 있는 분야는 전자, 양성자 및 이온을 포함한 입자가속 분야이다. 통상적으로 입자빔을 가속하기 위해서는 거대한 입자가속기가 필요하다. 그러나, 초강력 레이저를 이용하면 훨씬 작은 크기로 효율적인 입자가속기 제작이 가능하다. 레이저를 이용한 전자 가속과 양성자 및 이온 가속은 서로 다른 가속 메커니즘으로 일어난다. 먼저, 전자 가속을 위해서는 초강력 레이저를 기체 매질에 입사시킨다. 이때 기체 매질에서 플라즈마가 형성되고 플라즈마 내의 전자들이 폰더로모티브(ponderomotive) 힘에 의해 레이저 빔의 가장자리로 밀려났다가 레이저가 지나간 다음 다시 제자리로 돌아오려는 복원력을 받게 되며 이로 인해 플라즈마 파동이 생성된다. 플라즈마 파동은 레이저의 진행 방향을 따라 진행하며, 이때 플라즈마 파동 내부로 유입된 전자들이 플라즈마 파동을 따라 가속되는데, 이러한 현상을 레이저 유도 항적장 가속(Laser wake field acceleration: LWFA)이라고 한다. 레이저 전자 가속은 기존 선형 가속기 대비 1,000 배 이상의 매우 높은 가속력을 가지며, 1 cm 내외의 짧은 거리에서 1 기가 전자볼트(GeV) 이상의 높은 에너지의 전자빔을 얻는 것이 가능하다. 따라서, 레이저 전자가속은 유망한 차세대 전자 가속 기술로서 이를 이용하면 탁상형 GeV 급 전자가속기 개발이 가능하다.

레이저를 이용한 양성자 및 이온 빔 가속을 위해서는 얇은 고체 표적에 초강력 레이저를 입사시킨다. 이때 레이저 장에 의해 가속되어 타겟 뒷면으로 빠져나온 전자가 고에너지 전자층을 형성하고 전자층의 강한 정전기장에 의해 양성자 및 이온들이 가속된다. 현재까지 1 PW 레이저를 이용하여 90 메가 전자볼트(MeV)의 양성자 에너지를 얻었다고 보고되었으며, 더 높은 세기의 레이저를 이용하면 양성자 암치료에 필요한 200 메가 전자볼트(MeV) 이상의 에너지를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. 이를 통해 기존 양성자 암치료에 사용되는 사이클로트론 및 싱크로트론을 대체하여 실험실 규모의 탁상형 양성자 암치료기의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

초강력 레이저를 매질에 조사하면 엑스선이나 감마선 같은 고에너지 광자도 발생시킬 수 있다. 이러한 고에너지 광자는 원자∙분자 또는 원자핵의 구조 및 동역학 연구에 활용할 수 있다.

또한, 초강력 레이저를 이용하면 다른 기술로 얻기 힘든 극한의 고온 고압 환경을 만들어 낼 수 있다. 우주에서는 별이나 행성의 내부, 블랙홀, 초신성 폭발 등 고에너지 밀도를 갖는 다양한 환경이 존재하는데, 초강력 레이저는 이러한 고에너지 천체 현상을 지구상에서 구현함으로써 실험실에서 천체물리를 연구할 수 있는 방법을 제공해준다.

특히 이번에 달성된 10²³W/cm² 이상의 레이저 세기를 이용하면 지금까지 이론적으로만 연구되어 졌던 강력장(Strong field) 양자전기동역학(Quantum electrodynamics: QED) 현상의 연구가 가능할 것으로 기대되며, 그 중에서도 비선형 콤프톤 산란(Nonlinear Compton scattering: NCS)이나 브라이트-휠러 쌍생성(Breit-Wheeler pair production)과 같은 현상의 실험적 증명이 가능할 것으로 보인다. 앞서 기술했듯이 강한 레이저 광이 기체 매질에 입사되면 레이저 유도 전자가속에 의해 고에너지 전자 빔이 생성된다. 이때 생성된 고에너지 전자빔에 또다른 초강력 레이저 광을 충돌시키면 QED 이론에 따라 전자가 여러 개의 광자를 흡수했다가 매우 밝은 고에너지 감마선을 방출하는 비선형 컴프톤 산란(Nonlinear Compton Scattering)이 나타나고, 광자와 충돌한 전자는 복사 반작용(Radiation reaction)에 의해 감속될 것으로 예측된다. 또한 생성된 감마선이 강한 레이저광과 다시 상호작용하여 전자와 그 반물질인 양전자가 생성되는 브라이트-휠러 쌍생성이 나타날 것으로 예측된다. IBS 초강력레이저과학 연구단에서는 1 PW와 4 PW 두 개의 페타와트 빔라인을 각각 전자 빔 생성용 광원 및 충돌용 광원으로 사용하여 이 연구를 진행중이며, 이를 통해 머지않아 물리학의 근본 원리를 실험적으로 증명해 낼 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 7] 초강력 레이저 장에서 발생되는 상대론적 물리현상

맺음말

지금까지 초강력 레이저의 개발 역사, IBS 페타와트 레이저 소개, 초강력 레이저의 활용분야 등에 대해서 알아보았다. 레이저가 탄생한 지 60여 년이 지난 현재 전 세계적으로 페타와트 이상의 피크 파워를 갖는 초고출력 레이저 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 기초과학 연구 전반에 걸쳐서 다양하게 활용되고 있다. 이러한 초고출력 레이저는 인류가 지금까지 경험해 보지 못한 새로운 물리 현상을 탐구할 수 있는 길을 열어줄 것으로 기대되며, 이를 위해 과학자들은 더 높은 세기의 레이저를 개발하기 위한 연구를 수행하고 있다.

과거에는 이러한 고출력 레이저 연구가 일부 선진국 주도로 이루어져왔지만, 최근 우리 나라에서도 세계 최고 출력의 레이저 개발 및 세계 최고 세기의 레이저 빔 생성을 연이어 달성하는 등 국내 과학 기술 수준도 어느덧 세계 최고 수준에 근접해 있다. 현재 IBS의 4 페타와트 레이저는 현재 가동중인 전 세계 레이저 시설 중에서는 가장 고출력을 자랑하는 시설이지만, 최근 세계 각국에서 10 PW 이상 레이저를 구축하기 위한 프로젝트가 진행중인 상황이다. 따라서 이러한 치열한 경쟁속에서 한국의 기초과학 위상을 제고하기 위해서는 국가 차원의 지속적인 지원과 관심이 요구되는 상황이다.

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