GIST 이종민 교수팀

세계 최고 출력의 펨토초 초강력 레이저 개발 성공

- 광학․레이저 분야 저명 학술지 “옵틱스 레터스” 9월호에 소개

 

국내 유일의 페타와트 레이저 연구시설인 ‘극초단 광양자빔 연구시설’ 전경

□ 순수 국내 연구진이 초강력 레이저 개발 경쟁에서 미국 유럽 일본 등 세계 최고 연구진들을 제치고 티타늄 사파이어 레이저를 이용하여 세계 최고 출력 기록을 달성하였다. 이번 연구 개발 결과는 광학 및 레이저 분야 최고 전문지인 “옵틱스 레터스(Optics Letters)” 9월 15일자에 소개될 예정이다.

- 광주과학기술원 (GIST, 총장 선우중호) 고등광기술연구소(소장: 이인원) 이종민 교수 연구팀은 세계 최고 출력을 갖는 펨토초 초강력 레이저 개발에 성공하였다.

- 이교수 팀은 지식경제부의 지원 하에 2003년부터 “극초단 광양자빔(極超短 光量子 Beam, Ultrashort light quantum beam) 연구시설 설치 운영사업”을 수행하면서 펨토초 초강력 레이저를 개발하였으며, CPA(Chirped Pulse Amplification) 기술을 채용한 티타늄 사파이어(Ti:sapphire) 레이저 시스템으로부터 레이저의 펄스폭(Pulse width) 30 펨토초(fs, femtosecond, 1000조분의 1초), 펄스당 에너지 30 J(Jule, 줄)이상을 얻음으로서, 최종적으로 1 페타와트(Petawatt, 1000조 와트)이상의 첨두출력(尖頭出力)을 달성하였다고 밝혔다.

※ 첨두출력 (尖頭出力, Peak Power) = 펄스당 에너지/펄스폭

현재 미국과 유럽은 펨토초 페타와트급 레이저를 개발 중에 있으며, 일본은 0.87 페타와트 (870조 와트) 출력의 레이저를 보유하고 있다.

    

□ 펨토초 초강력 레이저를 물체에 입사시켜 발생된 다양한 2차선원(二次線原)을 이용하면 너무 작고 빨라서 눈으로 볼 수 없는 미시 세계의 현상을 사람들이 걸어다니고 자동차가 지나가는 것을 볼 수 있는 것처럼, 관찰할 수 있게 된다.

- 펨토초 초강력 레이저는 물체와 상호작용하여 높은 에너지를 가진 광자(光子, photon) 전자(電子, electron), 양성자(陽性子,proton), 이온(ion)을 펨토초 동안 발생시킨다. 이들 2차선원은 펨토초의 시간폭(시간)과 나노미터 이하의 파장(공간)을 가지므로, 물질에서 일어나는 초고속 현상을 펨토초와 나노미터 수준으로 분해하여 촬영하는 데에 이용될 수 있다. 이 정도의 시공간 분해능(分解能, resolution) 을 갖는다면, 물질의 여러 가지 변화와 구조를 물질의 최소단위인 전자와 양성자/이온의 움직임으로 환원하여 이해할 수 있게 된다.

□ 이러한 과학 기술이 실용화되면 과학 기술 전반에 걸쳐 일대 혁신을 가져올 것으로 평가되고 있으며, 개발된 초강력 레이저를 국가 이용자 연구시설로서 활용하면 원자(原子,atom), 전자(電子, electron), 반물질((反粒子,antiparticle), 및 쿼크(Quark) 등 물리학의 근간을 이루는 입자들에 대한 생성과 가속, 우주 천체 물리, 핵물리 및 거대과학 등 관련 분야 학문 발전에도 큰 기여가 예상된다.

 

□ 과거에는 이러한 1000조 와트 이상의 레이저 출력을 달성하기 위해서는 미식축구장 규모의 공간이 필요하였지만, 이번에 개발된 펨토초 초강력 레이저는 펄스폭이 아주 짧아 작은 실내체육관 규모(35m X 55m)에서 페타와트 출력을 낼 수 있는 차세대 레이저 시스템이다.

- 특히 티타늄 사파이어 레이저를 이용한 초강력 레이저 제작과 이를 이용한 펨토과학기술(Femtoscience) 분야는 향후 노벨상 수상이 유력한 분야로 꼽히고 있다.

 

□ 이 교수는 고등광기술연구소에서 국내 유일의 페타와트 레이저 연구시설인 ‘극초단 광양자빔 연구시설’ 사업을 이끌고 있으며, 이미, 2006년 국내 최초로 레이저를 이용하여 양성자빔(Proton beam) 및 X-선 레이저를 발생시키는 데 성공한 바 있다.

- 이 교수는 현재 구축중인 극초단 광양자빔 연구시설이 최종 완성되면, 국내외 연구진에게 연구시설을 전면 개방하여 극초단 광양자빔 연구시설이 국내외 펨토과학기술 개발의 중심지(Global Research Network)의 역할을 하도록 육성해 나갈 예정이다.

□ 이종민 교수는 “이번에 개발된 펨토초 초강력 레이저를 이용하여 초소형 전자 가속기 실용화 개발, 의료용 소형 양성자 및 이온 가속기(加速器,accelerator) 실용화 개발, 의료 및 과학용 고분해능 X-선 레이저 현미경 실용화 개발, X-선 레이저 및 X-선 자유전자레이저(FEL, Free Electron Laser) 실용화 개발 등 응용 기술 개발에 더욱 노력할 것”이라고 밝혔다.