[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

1960년 메이먼 (Maiman)에 의해 처음 레이저가 발명된 이후 레이저는 인류 문명에 엄청난 기여를 하였고 관련 연구로 수많은 노벨상 또한 배출하였다. 1980년대 중반 로체스터 대학교에 있던 제러드 모로우 (Gerard Mourou) 교수가 발명한 CPA (chirped-pulse-amplification) 기술 (모로우 교수는 이 업적으로 2018년도 노벨 물리학상을 수상하였다)은 레이저의 세기를 비약적으로 증가시켜 현재는 이 방법을 사용하여 레이저의 출력이 페타와트 (PW, 1 PW = 1015 W)에 이르고 있다. 원자력 발전소에서 내는 전기의 출력이 약 1 기가와트 (GW, 1 GW=109 W)임을 생각하면 페타와트 레이저가 얼마나 강력한 레이저인지 짐작할 수 있다.

그런데, 과학계에서는 페타와트 레이저보다 1000배 이상 강력한 엑사와트 (EW), 또는 이보다 1000배 더 강력한 제타와트 (ZW) 레이저의 필요성을 역설하고 있다. 레이저의 출력이 이처럼 높아지면 그동안 이론적으로만 알려진 물리학의 여러 가지 가설들, 특히 양자전기역학의 전자-양전자 쌍생성, 호킹이 예측한 블랙홀 방사, 초기 우주의 물질-반물질 대칭성 깨짐과 같은 것들을 실험실에서 구현하는 것이 가능해지기 때문이다. 즉, 엑사와트나 제타와트 레이저를 이용하여 인류의 우주에 대한 이해를 비약적으로 증대시키는 것이 가능해지는 것이다. 그러나, 모로우 교수의 CPA 방법은 페타와트에서 이미 그 한계에 도달하였고 엑사와트 이상의 레이저를 만들기 위해서는 기존과는 전혀 다른 새로운 방법이 요구되고 있다.

2. 연구내용

노벨상을 수상한 CPA 아이디어는 펄스를 증폭하기 전에 길게 늘려서 세기를 약화 시킨 후 (엿가락을 길게 늘리면 얇아지는 것과 같다) 증폭하고 이를 다시 압축하여 최종적으로 순간 첨두 출력을 극대화시키는 과정으로 구성된다. 이렇게 하는 이유는, 펄스를 늘리지 않고 바로 증폭하면 증폭에 사용되는 매질이 강력한 레이저에 의해 파손되기 때문이다. 문제는 이처럼 늘림-증폭-재압축 과정을 거치더라도 레이저의 에너지가 일정 이상 커지면 재압축에 사용되는 회절 거울이 파손된다는 점이다. 이를 피하려면 재압축용 회절 거울을 크게 만들면 되는데, 페타와트 레이저를 얻기 위한 회절 거울의 크기가 이미 1m 정도이므로 이를 엑사와트 이상으로 가져가려면 수백미터 지름의 회절 거울이 필요하므로 이는 사실상 불가능한 일이다.

새로 발표된 이 번 연구에서는 회절 거울 대신 플라즈마를 사용하여 펄스의 재압축 문제를 해결하는 혁신적인 방식을 제안하였다. 기체의 온도를 더 높이면 기체 분자가 전자와 이온으로 해리된 상태로 전이되는데 이러한 상태를 플라즈마라 한다. 플라즈마는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는데 번개가 칠 때 섬광이 이는 것도 기체가 이온화되어 플라즈마 상태로 바뀌면서 생기는 것이고 형광등의 불빛도 비슷한 원리로 만들어진다. 지구의 가장 중요한 에너지원인 태양도 플라즈마 상태로 이루어져 있다. 플라즈마는 이미 손상이 된 물질 상태로 일컬어지는데 물질의 광학적 손상이란 결국 물질을 이루는 분자들이 빛의 에너지에 의해 이온화되는 상태를 일컫기 때문이다. 이미 손상된 물질인 플라즈마에는 아무리 강한 레이저를 넣어주어도 더 이상의 손상은 생기지 않는다. 동시에 플라즈마는 광학적으로 빛을 분산시키는 성질을 가지고 있다. 따라서 플라즈마를 이용하면 회절 거울이 하는 것과 정확히 같은 방식으로 레이저 펄스를 압축할 수 있게 된다. 플라즈마는 강한 레이저에서 잘 견디면서 기존의 회절 거울과 정확히 같은 역할을 할 수 있으므로 현재 CPA 기술의 결정적인 약점인 펄스 재압축 부분을 센티미터 정도 크기의 플라즈마로 대체하여 페타와트에 막혀 있는 레이저의 세기를 비약적으로 증가시킬 수 있게 된다.

3. 기대효과

이 번 연구는 이론적으로 개념을 정립하고 이를 컴퓨터 시뮬레이션으로 입증한 것이다. 추후 실험으로 이를 입증할 수 있게 된다면 초강력 레이저 연구 분야에 큰 파장을 일으킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문의 공동 연구팀에서는 이를 위해 이미 실험 연구를 진행하고 있다. 엑사와트 이상의 초강력 레이저는 이미 언급한 바와 같이 현대 최첨단 이론 물리학과 천체물리학의 예측들을 실험실에서 구현할 수 있도록 해주므로 인류의 지식의 지평을 넓히는 데에 크게 기여할 수 있을 것이다. 또한 플라즈마를 이용한 고출력 레이저 제어의 개념을 확장하여 최근 급부상하고 있는 레이저 핵융합의 연구에 활용함으로써 인류의 시급한 문제 중 하나인 에너지 문제를 해결하는 데에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 처프 펄스 증폭 (CPA, Chirped-pulse amplification)

레이저 펄스를 길게 늘리고 이를 증폭한 후 다시 압축하는 과정을 통해 레이저 펄스의 순간 출력을 극대화하는 방법. 펄스를 늘리면 펄스의 진동수가 시간에 따라 증가 또는 감소하는 식으로 변하는데 이러한 펄스를 처프 펄스라 한다. 처프 펄스를 만들어 증폭을 하므로 처프 펄스 증폭 기술이라 불린다.

2. 회절 거울

거울 표면에 주기적인 격자를 새겨서 입사한 빛이 특정 각도로 반사되도록 하는 거울이다. 이 때 반사되는 각도는 입사한 빛의 파장에 따라 달라진다. 이를 이용하여 짧은 레이저 펄스를 늘리거나 다시 압축할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 플라즈마를 이용한 레이저 펄스 압축

설명 진동수 처프가 있는 긴 레이저 펄스 (무지개 색으로 펼쳐진 부분)가 플라즈마 (보라색 밝은 부분)에 입사해서 다시 반사되면서 순간 출력이 매우 높은 압축된 펄스 (흰색 밝은 부분)가 만들어진다.