펨토초 레이저 이론
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작성자 최고관리자 작성일20-01-07 14:08 조회794회 댓글0건본문
시속 100㎞로 달리는 기차의 사진을 선명하게 찍으려면 어떻게 해야 할까? 시속 100 ㎞의 기차는 1초에 30m를 움직이기 때문에 우리는 적어도 1/1,000초보다 빠른 셔터 스피드를 갖는 카메라를 써야 선명한 사진을 얻을 수 있다. 그러면 아주 짧은 시간 동안 일어나는 원자(또는 분자)의 상태 변화를 감지하려면 어떻게 해야 할까? 원자나 분자의 결합상태 변화는 피코초(=10-12초)에서 펨토초(=10-15초)라는 엄청나게 짧은 시간 동안에 일어나기 때문에 우리는 이보다 더 짧은 시간 동안에 현상을 측정할 수 있는 방법이 필요하다. 바로 이러한 방법을 제공해 주는 것이 현대 레이저 과학의 발전에 의해 등장한 피코초 그리고 펨토초의 짧은 펄스폭(지속 시간)을 갖는 극초단 레이저이다.
1960년 마이만(Theodore H. Maiman)에 의해 루비 레이저의 성공적인 작동이 처음 보고된 이후, 레이저는 과학과 공학의 거의 전 분야에 걸쳐서 없어서는 안 될 장비로 자리매김해왔다. 예를 들어 레이저를 이용한 원자 분자 분광학의 덕택으로 수많은 원자와 분자의 에너지 준위를 매우 정확하게 알게 해 주었고, 이로부터 높은 정밀도로 화학 물질을 검출하고 분리하는 일이 가능해 졌다. 최근에는 이러한 연구 분야뿐만 아니라 우리 주위에서도 레이저는 그 응용을 넓혀 가고 있다. CD 플레이어, 바코드 스캐너, 레이저 포인터, 레이저 프린터 이외에 레이저 수술이나 레이저 용접 등 많은 영역에서 레이저는 다양하게 이용되고 있다.
위의 응용 사례에서 쓰이는 레이저는 대부분 시간에 따라 일정한 세기와 매우 잘 정의된 파장을 갖는 레이저로서 연속형 레이저라고 부른다. 하지만 최근에 새로운 응용 분야를 개척하고 있는 것은 펨토초(=10-15초) 정도의 짧은 시간 동안만 지속되는 펄스형 레이저이다. 1 초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 빛이 10펨토초 동안에는 3 마이크로 (머리카락 굵기의 수십 분의 1에 해당) 밖에 진행할 수 없음을 생각해 보면 펨토초 레이저가 갖는 짧은 시간의 의미를 가늠해 볼 수 있다. 펨토초 정도의 매우 짧은 시간 동안에 큰 세기를 갖는 펨토초 레이저를 이용하면, 무척 빠르게 일어나는 원자나 분자의 상태 변화를 추적하거나 핵융합 반응을 일으킬 수도 있어, 최근 십여 년간 많은 연구가 진행되어 왔고 이제 그 성공적인 응용 사례들이 속속 보고 되고 있다. 이 글에서는 이러한 펨토초 레이저가 기존의 레이저와 어떻게 다르고, 펨토초 레이저를 만들어 내는 방법에는어떤 것들이 있는지 알아본다.
2. 펨토초 레이저란 무엇인가?
펄스형 레이저와 연속형 레이저와의 차이는 주어진 에너지를 어떻게 시간적으로 배분하는가에 달려 있다. 주어진 에너지를 긴 시간 동안 일정한 세기로 방출한다면 연속형 레이저이고, 짧은 시간 동안만 방출한다면 펄스형 레이저를 얻게 된다. 이 지속 시간을 펄스폭이라고 부른다. 이 두 경우를 구분 짓는 양으로 (전체 에너지)/(방출 시간)으로 정의되는 출력이라는 양을 사용하는데, 이로부터 펄스형 레이저의 경우 큰 순간 출력을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 고출력 레이저와 펄스형 레이저는 서로 떼놓고 생각할 수 없는 관계를 지니고 있다. 특히 최근 연구와 응용의 핵심을 이루는 펨토초 레이저는 대략 수 펨토초 이상의 펄스폭을 갖으며, 증폭을 할 경우 테라와트(=1012 W)에 해당하는 순간 출력을 낼 수 있다.
자, 이제 이러한 펨토초 레이저를 만들어 내는 방법에 대해 알아보자.
3. 펨토초 레이저 펄스를 만들어 내는 방법
레이저의 개발 초기에 펄스가 만들어진 것은 레이저 공진기에서 자발적으로 일어나는 자유 발진에 의해 마이크로초(=10-6초) 정도의 펄스폭을 갖는 펄스가 나오는 것이었다. 하지만 이후의 방법들은 레이저 공진기에 인위적인 변화를 주어 펄스를 만들어 냈으며, 펄스폭의 한계를 나노초 (=10-9초), 피코초(=10-12초), 그리고 펨토초(=10-15초)까지 낮추어 갔다.
처음으로 나노초 펄스를 만들어낸 것은 1960년대 중반에 발명된 Q-스위칭이라는 방법에 의해서 였다. 여기서 Q라는 양은 (레이저 공진기에 저장된 에너지)/(에너지 손실) 로 정의되는 양이다. 레이저 공진기 내에 빛의 진행을 막을 수 있는 셔터를 삽입한 후, 셔터를 닫아 두고 있는 경우에는 공진기가 역할을 하지 못하므로 레이저 발진이 일어나지 못하게 되어, 외부 에너지원에 의해 공급된 에너지는 레이저 매질 내에 저장된다. 이때 갑자기 셔터를 열면 공진기가 작동을 시작하여 레이저 발진이 일어나면서 매질 내에 저장된 에너지가 짧은 시간 동안에 빛 에너지로 방출된다. 이 경우 나노초 영역에서 레이저 발진이 일어난다. 이러한 작용을 공진기의 Q값을 작은 값에서 갑자기 큰 값으로 바꾸어지는 일로 이해할 수 있으므로, Q-스위칭이라 부른다. 초기의 Q-스위칭은 기계적인 방법을 사용하였으나 현재는 보다 안정적인 전기광학소자를 이용한다.
1970년대에 이르러 다시 한번 획기적인 펄스폭의 향상을 가능케 한 것은 모드록킹이라는 방법이다. 이 방법에 의해 피코초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 만들 수 있게 되었다. 일반적으로 레이저 공진기에서 생성되는 모드(혹은 주파수)는 매우 많고, 각각의 모드는 서로 독립적으로 개별적인 발진을 한다. 하지만 공진기의 환경을 변화시켜 이들 각각의 모드에서 나오는 빛들이 모두 일정한 위상 관계를 갖게 하면, 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스들이 일정한 시간 간격마다 나온다. 이는 서로 다른 보폭을 가진 사람들이 모여서 길을 걸을 때, 어느 한 순간에 발을 맞추면 갑자기 지면에 큰 충격이 전해지는 것과 같은 원리이다. 그러면 이러한 일이 일어나도록 공진기의 환경을 변화시켜주는 일은 어떻게 할까? 가장 손쉬운 방법으로 공진기 안에 포화흡수체, 즉, 약한 세기의 빛은 흡수하고 강한 세기의 빛은 통과시키는 물질을 넣어두면 된다. 일반적으로 공진기 내에서는 무수히 많은 펄스들의 요동이 있는데, 이중 세기가 큰 것들은 여러 개의 모드들이 짝을 지어 큰 힘을 발휘하여 포화 흡수체에 의해 큰 영향을 받지 않고 공진기 내를 자유로이 왕복하면서 레이저 펄스로 성장하지만, 세기가 작은 펄스는 이내 흡수되어 사라져 버린다. 따라서 포화 흡수체의 영향을 받지 않은 센 펄스가 레이저 발진을 일으켜서 공진기의 한쪽 거울을 통해 일정한 시간 간격으로 나온다. 즉, 포화 흡수체를 넣어준 상황에 적응하여 살아남는 펄스만이 레이저 발진을 하여 나오게 되는 것이다 (적자생존의 원리와 같음).
본격적인 펨토초 레이저 시대는 1990년대에 티타늄 사파이어를 레이저 매질로 사용하기 시작하면서 열리기 시작했다. 성능이 우수한 펨토초 티타늄 사파이어 레이저의 발진은 우연에 의한 뜻밖의 성과였다. MIT대학의 레이저 연구팀은 펨토초 펄스를 얻기 위해 기존의 방식대로 모드록킹 장치를 티타늄 사파이어 레이저 공진기 내에 설치하여 연구하였다. 최적의 레이저 발진을 위해 노력하던 어느 날, 모드록킹 장치가 꺼져 있는 채로 펨토초 펄스가 레이저 공진기에서 발진되고 있는 것을 발견하였다. 기존의 방식으로는 절대 불가능한 일이 일어나서 별도의 모드록킹 장치가 없는데도 티타늄 사파이어 레이저는 훌륭하게 펨토초 펄스를 만들어 냈던 것이다. 이 우연한 발견은 후에 비선형 현상의 일종인 커효과에 의해 티타늄 사파이어 레이저가 스스로 모드록킹을 일으킨 것으로 밝혀졌으며, 펨토초 레이저의 구조를 단순화시키면서도 매우 안정된 펨토초 펄스를 발생시키는 계기가 되었다. 그림 1에 KAIST 펨토초 레이저 사진을 보여준다.
한편, 펨토초 레이저 펄스가 갖는 높은 세기를 이용하는 분야에서는 위의 모트록킹 방법으로 얻어진 펄스를 증폭해서 펄스폭은 그대로 유지한 채 더욱 높은 세기를 갖도록 하는 일이 필요하다. 하지만 레이저 펄스의 세기가 너무 세지면 증폭 매질을 손상시키게 되는데, 이러한 문제를 해결하여 엄청난 세기를 갖는 펨토초 레이저 펄스를 가능하게 한 것이 바로 처프 펄스 증폭이라 불리는 방법이다. 모드록킹을 통해 얻어진 짧은 펄스를 두 개의 평행으로 놓여진 에돌이발을 이용하여 시간적으로 긴 펄스로 바꾼다. 이렇게 시간적으로 길어진 펄스는 에너지는 그대로인 채 세기가 낮아져서 증폭 매질을 손상시키지 않으면서 증폭될 수 있다. 그런 다음 이 증폭된 펄스를 또 다른 에돌이발에 입사시키면 아까 펄스폭을 늘릴 때와는 반대의 현상이 일어나면서 다시 원래의 펄스폭으로 만들 수 있다. 즉, 펄스폭이 매우 짧으면서도 엄청난 세기를 갖는 펄스를 얻게 되는 것이다. 실례로, 과학기술원에서는 펄스폭이 20펨토초인 펄스를 60mJ의 에너지를 갖도록 증폭시켜 3테라와트(=1012 W)의 순간 출력을 얻었으며 (그림 2 참조), 이는 전세계의 모든 발전소의 총 출력을 합한 양과 맞먹는다. 실제 이러한 규격의 펨토초 레이저는 과학기술원의 결맞는 X-선 연구단을 비롯한 구미 각국의 여러 연구실에서 개발되어 다양한 분야에 활용되고 있다.
4. 펨토초 레이저 연구의 현재와 개발상의 문제점
앞의 응용 사례들로부터 짐작할 수 있듯이 레이저 펄스가 더 짧아지고 더 세질수록, 더 짧은 시간 동안에 일어나는 물리 현상을 관측하고 더 극한의 환경에서 일어나는 물리 현상을 가능하게 할 수 있다. 그렇다면 우리는 얼마나 짧은 레이저 펄스를 만들어 내고 있을까? 그리고 더 극한의 영역으로 가는 데에 문제점들은 무엇일까?
현재까지 보고된 가장 짧은 레이저 펄스폭은 5 펨토초이며 이는 겨우 2개의 광주기를 갖고 있는 레이저 펄스이다. 5펨토초 동안에 빛이 진행하는 거리는 1.5 마이크로이므로 이러한 극초단 레이저의 펄스폭이 얼마나 짧은지 상상할 수 있다. 이로부터 레이저 기술의 발전에 따라 레이저 펄스폭이 얼마나 획기적으로 단축되었는지 알 수 있다. 그러면 이보다 더 짧은 레이저 펄스의 발생도 가능한가? 펨토초 레이저 매질인 티타늄사파이어의 이득 스펙트럼이 매우 넓어서 그 대답은 ‘네’이다. 우선 펄스폭이 작아지면 작아질수록 불확정성 원리에 의해 그 펄스가 포함하는 파장 성분의 범위가 넓어진다. 결국 넓은 파장 범위에서 레이저 발진이 일어나야 하며, 이 경우 가장 큰 문제점은 레이저 매질과 여러 광학 부품에 의해 나타나는 분산(파장에 따라 굴절률이 바뀜) 문제이다. 앞으로 이 분산 문제를 해결하면 1개의 광주기를 갖는 3펨토초 레이저 펄스를 만들 수 있을 것으로 기대한다. 물론 세계 각지의 연구자들은 지금도 보다 짧은 레이저 펄스를 만들어 위의 기록을 깨기 위한 경주를 하고 있다.
5. 펨토초 레이저의 응용
이제 이러한 펨토초 레이저를 가지고 할 수 있는 일들을 간단히 살펴보자.
우선 증폭을 시키지 않은 채 짧은 펄스폭을 가지고 할 수 있는 일로서는 분자나 고체에서 피코초나 펨토초 정도의 짧은 시간 동안에 일어나는 여기, 분리 과정들의 변화 양상을 펨토초의 시간 간격으로 관측하는 것이 있다. 이러한 관측의 발달로 펨토화학이라는 새로운 분야가 생겨났으며, 1999년에 캘리포니아 공과대학 아메드 즈웨일(Ahmed Zeweil) 교수가 이 분야를 개척한 공로로 노벨 화학상을 수상했다. 현재는 이러한 반응들을 펨토초 레이저를 이용하여 능동적으로 조절하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
처프 펄스 증폭 등의 방법을 사용한 고출력 펨토초 레이저는 결맞는 X-선 발생, 고에너지 이온빔에 의한 암치료나 양성자 단층 촬영기, 레이저 가속기, 각막 이식이나 시력교정과 같은 안과 수술, 미세재료가공 등의 다양한 분야에 응용된다. 펨토초 레이저 펄스를 얇은 금속판에 집속하여 수십 메가일렉트론볼트(MeV) 이상의 고에너지 이온빔을 발생할 수 있고 이러한 이온빔은 암치료를 위해 사용될 수 있다. 현재는 거대한 가속기를 이용하여 고에너지 이온빔을 발생시키기 때문에 많은 사람이 이용하지 못하고 있다. 펨토초 레이저를 이용하면 작은 규모의 시설에서도 암치료에 충분한 고에너지 이온빔을 만들어서 많은 암환자가 이용할 수 있게 될 것이다.
한편, 이러한 펨토초 레이저를 원자에 입사시키면 여러 가지 비선형 현상이 일어나는데, 그중 다양한 응용 가능성을 가지고 있는 것이 고차조화파 X-선 발생이다. 이것은 강한 레이저장에 의해 구동된 원자에서 입사 레이저 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 빛이 나오는 것을 일컫는데, 보통 100차 이상의 고차 조화파를 만들어낼 수 있다. 즉, 보통 펨토초 레이저로 쓰이는 800nm의 티타늄 사파이어 레이저의 경우, 이것의 100차 조화파는 8nm로써 이는 연 X-선 영역에 속한다. 이 고차조화파 X-선은 X-선 홀로그램이나 간섭계에 결맞는 광원으로 활용되어 새로운 응용분야를 개척하고 있다.
펨토초 레이저 기술의 중요성을 일찍부터 인식한 구미 각국의 선진국들에는 펨토초 레이저를 개발하고 이의 응용을 연구하는 연구소와 실험실이 많이 있다. 특히 유럽의 경우 유럽의 여러 나라를 하나의 네트워크로 잇는 공동 연구 프로젝트들이 진행 중이다. 우리나라의 경우, 이들에 비해 비교적 늦게 연구가 시작하였고 연구 그룹의 수도 작은 편이나, 최근에 이르러 활발한 연구 활동을 보이고 있다. 과학기술원의 결맞는 X-선 연구단은 이러한 펨토초 테라와트 레이저의 제작 기술을 보유하고 있으며, 10 Hz로 작동하는 20펨토초 3테라와트 티타늄사파이어 레이저 시스템과 1 kHz로 작동하는 8펨토초 0.03테라와트 티타늄사파이어 레이저 시스템을 자체 개발하여 고차조화파를 이용한 결맞는 X-선 발생과 이의 응용, 펨토초 레이저-플라스마, 고에너지 전자빔 발생 등의 연구를 진행하고 있다 (http://cxrc.kaist.ac.kr).
6. 맺는 말
지금까지 펨토초 레이저의 기본적인 사항들에 알아보았다. 앞서 살펴본 바와 같이 펨토초 레이저는 매우 짧은 시간 동안 일어나는 물리 현상을 규명에 활용되며, 굉장히 큰 전자기장 환경에서 새로운 물리 현상들을 일으킨다. 지금까지의 연구는 측정이 중심이었으나, 앞으로는 이러한 초고속 물리 현상을 능동적으로 제어하는 연구가 더욱 활발히 진행될 것이다. 처음 레이저가 나왔을 때 그랬던 것처럼 펨토초 레이저의 등장에 따라 과학과 공학, 의학 등에 다양한 응용분야가 생겨났고 지금도 새로운 분야들이 속속 나타나고 있다. 이와 같이 새로운 영역으로 레이저 기술이 발달함에 따라, 이전에는 생각하지 못하던 수많은 응용분야가 나타나서 과학과 기술을 발전시키고 있으며, 이는 인류의 삶을 더욱 더 윤택하게 할 것이다.
[이 게시물은 최고관리자님에 의해 2023-01-23 07:30:56 레이저기초이론에서 이동 됨]
1960년 마이만(Theodore H. Maiman)에 의해 루비 레이저의 성공적인 작동이 처음 보고된 이후, 레이저는 과학과 공학의 거의 전 분야에 걸쳐서 없어서는 안 될 장비로 자리매김해왔다. 예를 들어 레이저를 이용한 원자 분자 분광학의 덕택으로 수많은 원자와 분자의 에너지 준위를 매우 정확하게 알게 해 주었고, 이로부터 높은 정밀도로 화학 물질을 검출하고 분리하는 일이 가능해 졌다. 최근에는 이러한 연구 분야뿐만 아니라 우리 주위에서도 레이저는 그 응용을 넓혀 가고 있다. CD 플레이어, 바코드 스캐너, 레이저 포인터, 레이저 프린터 이외에 레이저 수술이나 레이저 용접 등 많은 영역에서 레이저는 다양하게 이용되고 있다.
위의 응용 사례에서 쓰이는 레이저는 대부분 시간에 따라 일정한 세기와 매우 잘 정의된 파장을 갖는 레이저로서 연속형 레이저라고 부른다. 하지만 최근에 새로운 응용 분야를 개척하고 있는 것은 펨토초(=10-15초) 정도의 짧은 시간 동안만 지속되는 펄스형 레이저이다. 1 초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있는 빛이 10펨토초 동안에는 3 마이크로 (머리카락 굵기의 수십 분의 1에 해당) 밖에 진행할 수 없음을 생각해 보면 펨토초 레이저가 갖는 짧은 시간의 의미를 가늠해 볼 수 있다. 펨토초 정도의 매우 짧은 시간 동안에 큰 세기를 갖는 펨토초 레이저를 이용하면, 무척 빠르게 일어나는 원자나 분자의 상태 변화를 추적하거나 핵융합 반응을 일으킬 수도 있어, 최근 십여 년간 많은 연구가 진행되어 왔고 이제 그 성공적인 응용 사례들이 속속 보고 되고 있다. 이 글에서는 이러한 펨토초 레이저가 기존의 레이저와 어떻게 다르고, 펨토초 레이저를 만들어 내는 방법에는어떤 것들이 있는지 알아본다.
2. 펨토초 레이저란 무엇인가?
펄스형 레이저와 연속형 레이저와의 차이는 주어진 에너지를 어떻게 시간적으로 배분하는가에 달려 있다. 주어진 에너지를 긴 시간 동안 일정한 세기로 방출한다면 연속형 레이저이고, 짧은 시간 동안만 방출한다면 펄스형 레이저를 얻게 된다. 이 지속 시간을 펄스폭이라고 부른다. 이 두 경우를 구분 짓는 양으로 (전체 에너지)/(방출 시간)으로 정의되는 출력이라는 양을 사용하는데, 이로부터 펄스형 레이저의 경우 큰 순간 출력을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 고출력 레이저와 펄스형 레이저는 서로 떼놓고 생각할 수 없는 관계를 지니고 있다. 특히 최근 연구와 응용의 핵심을 이루는 펨토초 레이저는 대략 수 펨토초 이상의 펄스폭을 갖으며, 증폭을 할 경우 테라와트(=1012 W)에 해당하는 순간 출력을 낼 수 있다.
자, 이제 이러한 펨토초 레이저를 만들어 내는 방법에 대해 알아보자.
3. 펨토초 레이저 펄스를 만들어 내는 방법
레이저의 개발 초기에 펄스가 만들어진 것은 레이저 공진기에서 자발적으로 일어나는 자유 발진에 의해 마이크로초(=10-6초) 정도의 펄스폭을 갖는 펄스가 나오는 것이었다. 하지만 이후의 방법들은 레이저 공진기에 인위적인 변화를 주어 펄스를 만들어 냈으며, 펄스폭의 한계를 나노초 (=10-9초), 피코초(=10-12초), 그리고 펨토초(=10-15초)까지 낮추어 갔다.
처음으로 나노초 펄스를 만들어낸 것은 1960년대 중반에 발명된 Q-스위칭이라는 방법에 의해서 였다. 여기서 Q라는 양은 (레이저 공진기에 저장된 에너지)/(에너지 손실) 로 정의되는 양이다. 레이저 공진기 내에 빛의 진행을 막을 수 있는 셔터를 삽입한 후, 셔터를 닫아 두고 있는 경우에는 공진기가 역할을 하지 못하므로 레이저 발진이 일어나지 못하게 되어, 외부 에너지원에 의해 공급된 에너지는 레이저 매질 내에 저장된다. 이때 갑자기 셔터를 열면 공진기가 작동을 시작하여 레이저 발진이 일어나면서 매질 내에 저장된 에너지가 짧은 시간 동안에 빛 에너지로 방출된다. 이 경우 나노초 영역에서 레이저 발진이 일어난다. 이러한 작용을 공진기의 Q값을 작은 값에서 갑자기 큰 값으로 바꾸어지는 일로 이해할 수 있으므로, Q-스위칭이라 부른다. 초기의 Q-스위칭은 기계적인 방법을 사용하였으나 현재는 보다 안정적인 전기광학소자를 이용한다.
1970년대에 이르러 다시 한번 획기적인 펄스폭의 향상을 가능케 한 것은 모드록킹이라는 방법이다. 이 방법에 의해 피코초 이하의 펄스폭을 갖는 레이저 펄스를 만들 수 있게 되었다. 일반적으로 레이저 공진기에서 생성되는 모드(혹은 주파수)는 매우 많고, 각각의 모드는 서로 독립적으로 개별적인 발진을 한다. 하지만 공진기의 환경을 변화시켜 이들 각각의 모드에서 나오는 빛들이 모두 일정한 위상 관계를 갖게 하면, 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스들이 일정한 시간 간격마다 나온다. 이는 서로 다른 보폭을 가진 사람들이 모여서 길을 걸을 때, 어느 한 순간에 발을 맞추면 갑자기 지면에 큰 충격이 전해지는 것과 같은 원리이다. 그러면 이러한 일이 일어나도록 공진기의 환경을 변화시켜주는 일은 어떻게 할까? 가장 손쉬운 방법으로 공진기 안에 포화흡수체, 즉, 약한 세기의 빛은 흡수하고 강한 세기의 빛은 통과시키는 물질을 넣어두면 된다. 일반적으로 공진기 내에서는 무수히 많은 펄스들의 요동이 있는데, 이중 세기가 큰 것들은 여러 개의 모드들이 짝을 지어 큰 힘을 발휘하여 포화 흡수체에 의해 큰 영향을 받지 않고 공진기 내를 자유로이 왕복하면서 레이저 펄스로 성장하지만, 세기가 작은 펄스는 이내 흡수되어 사라져 버린다. 따라서 포화 흡수체의 영향을 받지 않은 센 펄스가 레이저 발진을 일으켜서 공진기의 한쪽 거울을 통해 일정한 시간 간격으로 나온다. 즉, 포화 흡수체를 넣어준 상황에 적응하여 살아남는 펄스만이 레이저 발진을 하여 나오게 되는 것이다 (적자생존의 원리와 같음).
본격적인 펨토초 레이저 시대는 1990년대에 티타늄 사파이어를 레이저 매질로 사용하기 시작하면서 열리기 시작했다. 성능이 우수한 펨토초 티타늄 사파이어 레이저의 발진은 우연에 의한 뜻밖의 성과였다. MIT대학의 레이저 연구팀은 펨토초 펄스를 얻기 위해 기존의 방식대로 모드록킹 장치를 티타늄 사파이어 레이저 공진기 내에 설치하여 연구하였다. 최적의 레이저 발진을 위해 노력하던 어느 날, 모드록킹 장치가 꺼져 있는 채로 펨토초 펄스가 레이저 공진기에서 발진되고 있는 것을 발견하였다. 기존의 방식으로는 절대 불가능한 일이 일어나서 별도의 모드록킹 장치가 없는데도 티타늄 사파이어 레이저는 훌륭하게 펨토초 펄스를 만들어 냈던 것이다. 이 우연한 발견은 후에 비선형 현상의 일종인 커효과에 의해 티타늄 사파이어 레이저가 스스로 모드록킹을 일으킨 것으로 밝혀졌으며, 펨토초 레이저의 구조를 단순화시키면서도 매우 안정된 펨토초 펄스를 발생시키는 계기가 되었다. 그림 1에 KAIST 펨토초 레이저 사진을 보여준다.
한편, 펨토초 레이저 펄스가 갖는 높은 세기를 이용하는 분야에서는 위의 모트록킹 방법으로 얻어진 펄스를 증폭해서 펄스폭은 그대로 유지한 채 더욱 높은 세기를 갖도록 하는 일이 필요하다. 하지만 레이저 펄스의 세기가 너무 세지면 증폭 매질을 손상시키게 되는데, 이러한 문제를 해결하여 엄청난 세기를 갖는 펨토초 레이저 펄스를 가능하게 한 것이 바로 처프 펄스 증폭이라 불리는 방법이다. 모드록킹을 통해 얻어진 짧은 펄스를 두 개의 평행으로 놓여진 에돌이발을 이용하여 시간적으로 긴 펄스로 바꾼다. 이렇게 시간적으로 길어진 펄스는 에너지는 그대로인 채 세기가 낮아져서 증폭 매질을 손상시키지 않으면서 증폭될 수 있다. 그런 다음 이 증폭된 펄스를 또 다른 에돌이발에 입사시키면 아까 펄스폭을 늘릴 때와는 반대의 현상이 일어나면서 다시 원래의 펄스폭으로 만들 수 있다. 즉, 펄스폭이 매우 짧으면서도 엄청난 세기를 갖는 펄스를 얻게 되는 것이다. 실례로, 과학기술원에서는 펄스폭이 20펨토초인 펄스를 60mJ의 에너지를 갖도록 증폭시켜 3테라와트(=1012 W)의 순간 출력을 얻었으며 (그림 2 참조), 이는 전세계의 모든 발전소의 총 출력을 합한 양과 맞먹는다. 실제 이러한 규격의 펨토초 레이저는 과학기술원의 결맞는 X-선 연구단을 비롯한 구미 각국의 여러 연구실에서 개발되어 다양한 분야에 활용되고 있다.
4. 펨토초 레이저 연구의 현재와 개발상의 문제점
앞의 응용 사례들로부터 짐작할 수 있듯이 레이저 펄스가 더 짧아지고 더 세질수록, 더 짧은 시간 동안에 일어나는 물리 현상을 관측하고 더 극한의 환경에서 일어나는 물리 현상을 가능하게 할 수 있다. 그렇다면 우리는 얼마나 짧은 레이저 펄스를 만들어 내고 있을까? 그리고 더 극한의 영역으로 가는 데에 문제점들은 무엇일까?
현재까지 보고된 가장 짧은 레이저 펄스폭은 5 펨토초이며 이는 겨우 2개의 광주기를 갖고 있는 레이저 펄스이다. 5펨토초 동안에 빛이 진행하는 거리는 1.5 마이크로이므로 이러한 극초단 레이저의 펄스폭이 얼마나 짧은지 상상할 수 있다. 이로부터 레이저 기술의 발전에 따라 레이저 펄스폭이 얼마나 획기적으로 단축되었는지 알 수 있다. 그러면 이보다 더 짧은 레이저 펄스의 발생도 가능한가? 펨토초 레이저 매질인 티타늄사파이어의 이득 스펙트럼이 매우 넓어서 그 대답은 ‘네’이다. 우선 펄스폭이 작아지면 작아질수록 불확정성 원리에 의해 그 펄스가 포함하는 파장 성분의 범위가 넓어진다. 결국 넓은 파장 범위에서 레이저 발진이 일어나야 하며, 이 경우 가장 큰 문제점은 레이저 매질과 여러 광학 부품에 의해 나타나는 분산(파장에 따라 굴절률이 바뀜) 문제이다. 앞으로 이 분산 문제를 해결하면 1개의 광주기를 갖는 3펨토초 레이저 펄스를 만들 수 있을 것으로 기대한다. 물론 세계 각지의 연구자들은 지금도 보다 짧은 레이저 펄스를 만들어 위의 기록을 깨기 위한 경주를 하고 있다.
5. 펨토초 레이저의 응용
이제 이러한 펨토초 레이저를 가지고 할 수 있는 일들을 간단히 살펴보자.
우선 증폭을 시키지 않은 채 짧은 펄스폭을 가지고 할 수 있는 일로서는 분자나 고체에서 피코초나 펨토초 정도의 짧은 시간 동안에 일어나는 여기, 분리 과정들의 변화 양상을 펨토초의 시간 간격으로 관측하는 것이 있다. 이러한 관측의 발달로 펨토화학이라는 새로운 분야가 생겨났으며, 1999년에 캘리포니아 공과대학 아메드 즈웨일(Ahmed Zeweil) 교수가 이 분야를 개척한 공로로 노벨 화학상을 수상했다. 현재는 이러한 반응들을 펨토초 레이저를 이용하여 능동적으로 조절하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
처프 펄스 증폭 등의 방법을 사용한 고출력 펨토초 레이저는 결맞는 X-선 발생, 고에너지 이온빔에 의한 암치료나 양성자 단층 촬영기, 레이저 가속기, 각막 이식이나 시력교정과 같은 안과 수술, 미세재료가공 등의 다양한 분야에 응용된다. 펨토초 레이저 펄스를 얇은 금속판에 집속하여 수십 메가일렉트론볼트(MeV) 이상의 고에너지 이온빔을 발생할 수 있고 이러한 이온빔은 암치료를 위해 사용될 수 있다. 현재는 거대한 가속기를 이용하여 고에너지 이온빔을 발생시키기 때문에 많은 사람이 이용하지 못하고 있다. 펨토초 레이저를 이용하면 작은 규모의 시설에서도 암치료에 충분한 고에너지 이온빔을 만들어서 많은 암환자가 이용할 수 있게 될 것이다.
한편, 이러한 펨토초 레이저를 원자에 입사시키면 여러 가지 비선형 현상이 일어나는데, 그중 다양한 응용 가능성을 가지고 있는 것이 고차조화파 X-선 발생이다. 이것은 강한 레이저장에 의해 구동된 원자에서 입사 레이저 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 빛이 나오는 것을 일컫는데, 보통 100차 이상의 고차 조화파를 만들어낼 수 있다. 즉, 보통 펨토초 레이저로 쓰이는 800nm의 티타늄 사파이어 레이저의 경우, 이것의 100차 조화파는 8nm로써 이는 연 X-선 영역에 속한다. 이 고차조화파 X-선은 X-선 홀로그램이나 간섭계에 결맞는 광원으로 활용되어 새로운 응용분야를 개척하고 있다.
펨토초 레이저 기술의 중요성을 일찍부터 인식한 구미 각국의 선진국들에는 펨토초 레이저를 개발하고 이의 응용을 연구하는 연구소와 실험실이 많이 있다. 특히 유럽의 경우 유럽의 여러 나라를 하나의 네트워크로 잇는 공동 연구 프로젝트들이 진행 중이다. 우리나라의 경우, 이들에 비해 비교적 늦게 연구가 시작하였고 연구 그룹의 수도 작은 편이나, 최근에 이르러 활발한 연구 활동을 보이고 있다. 과학기술원의 결맞는 X-선 연구단은 이러한 펨토초 테라와트 레이저의 제작 기술을 보유하고 있으며, 10 Hz로 작동하는 20펨토초 3테라와트 티타늄사파이어 레이저 시스템과 1 kHz로 작동하는 8펨토초 0.03테라와트 티타늄사파이어 레이저 시스템을 자체 개발하여 고차조화파를 이용한 결맞는 X-선 발생과 이의 응용, 펨토초 레이저-플라스마, 고에너지 전자빔 발생 등의 연구를 진행하고 있다 (http://cxrc.kaist.ac.kr).
6. 맺는 말
지금까지 펨토초 레이저의 기본적인 사항들에 알아보았다. 앞서 살펴본 바와 같이 펨토초 레이저는 매우 짧은 시간 동안 일어나는 물리 현상을 규명에 활용되며, 굉장히 큰 전자기장 환경에서 새로운 물리 현상들을 일으킨다. 지금까지의 연구는 측정이 중심이었으나, 앞으로는 이러한 초고속 물리 현상을 능동적으로 제어하는 연구가 더욱 활발히 진행될 것이다. 처음 레이저가 나왔을 때 그랬던 것처럼 펨토초 레이저의 등장에 따라 과학과 공학, 의학 등에 다양한 응용분야가 생겨났고 지금도 새로운 분야들이 속속 나타나고 있다. 이와 같이 새로운 영역으로 레이저 기술이 발달함에 따라, 이전에는 생각하지 못하던 수많은 응용분야가 나타나서 과학과 기술을 발전시키고 있으며, 이는 인류의 삶을 더욱 더 윤택하게 할 것이다.
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