빛의 증폭과 초강력 레이저

초강력 레이저

 

찰나 순간 엄청난 출력 낼 수 있어
드론 대응 무기부터 핵융합까지 다양한 활용
한국은 현재 4페타와트급 보유, 수십~수백 페타와트급 검토중

기초과학연구원(IBS)과 광주과학기술원(GIST)가 운영 중인 4페타와트급 초강력 레이저 연구시설. 사진제공=GIST.

[아시아경제 김봉수 기자] 레이저(Laser), SF 영화에서나 볼수 있었지만 이미 반도체 등 초정밀 제품은 물론 산업 전반적으로 필수품이 됐다. 최근 들어선 전쟁용 무기는 물론 우주의 비밀 탐구까지 활용 범위가 넓어지고 있다. 미래 산업의 총아라고 불릴 정도다. 우리나라에서도 초강력 레이저를 이용한 대(對) 드론 방어용 무기와 우주 태양광 발전, 핵융합에너지 등을 상용화하기 위한 연구 개발(R&D)이 활발하다. 레이저는 무엇이고 어떻게 만들고 활용되며, 인류의 미래를 어떻게 바꿔 나갈까?

레이저란?

우리 말로는 유도 방출에 의한 빛의 증폭으로 정의된다. 영어로 LASER는 이같은 의미인 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation'의 약자다. 고출력의 전기 에너지를 일정한 장치(발진기)에 주입해 고밀도의 에너지와 고휘도, 단색성((Monochromaticity), 지향성(Diretivity), 간섭성(Coherence)을 갖도록 만들어진 빛 에너지를 말한다. 레이저는 7색으로 분해되는 자연광과 달리 하나의 색깔을 갖는다. 퍼지지 않고 일정한 방향으로 직진한다. 간섭성도 중요한 성질이다.

레이저는 위상이 균일해 약간의 장애물에 부딪혀도 곧 간섭을 일으킨다. 통신, 레이더, 수술, 가공, 측정, 입체 영상 제작 등에 활용된다. 레이저 발진기는 매질(medium), 여기원(exitation mechanism), 광공진기(한쌍의 평행한 거울)로 구성된다. 매질에는 이산화탄소(Co2) 등 기체와 광섬유(fiber) 등 고체, 유기 킬레이트나 희토류 이온이 포함된 무기액과 같은 액체 등이 사용된다. 매질에 들어 있는 활성원자가 받아 들인 에너지는 여기원으로 옮겨갔다가 원상태로 돌아가면서 에너지(레이저의 씨앗)가 방출하며, 이 빛이 반사경 사이를 왕복하면서 증폭ㆍ방출된다. 이같은 유도방출 과정을 통해 생성된 광에너지가 바로 레이저다. 레이저는 매질의 특성 등에 따라 빛의 출력과 속도를 다양하게 바꿀 수 있어 산업 전반분야에 다양하게 이용되고 있다. 비접촉식 물질 가공이 가능해 형태 변형ㆍ마모 없이 금속ㆍ비금속 등을 마킹ㆍ절단ㆍ용접하는데 필수적인 도구가 됐다.

특히 최근들어 초강력 레이저가 주목받고 있다. 페타와트, 즉 1000조와트 이상의 엄청난 출력을 가진 레이저를 말한다. 2012년 기준 전세계 총 발전량이 2.6페타와트, 지구에 전달되는 태양 에너지가 174페타와트임을 감안하면 얼마나 강한 출력인지 이해할 수 있다. 따라서 아주 짧은 시간, 즉 펨토초(1000조분의1초)라는 찰라의 순간에만 페타와트급 고출력을 내는 인프라들이 개발되고 있다. 1펨토초는 전 우주에서 가장 빠른 물질인 빛이 겨우 약 300나노미터(㎚) 가는 극히 미미한 시간이다. 레이저의 출력은 주입된 에너지를 지속 시간으로 나누는 값으로 정해진다. 지속 시간을 극도로 짧게 만들고 그 순간 주입된 에너지를 최대화해 고출력을 내는 원리다. 이성구 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저 연구단 연구위원은 "오랫동안 사용한 나노초(10의-9승) 레이저는 산업 현장에서 많이 사용하며 피코초(10의-12승) 레이저도 쓰이고 있다"면서 "현재 우리나라의 4페타와트급 레이저는 티타늄에 사파이어를 도핑한 매질을 이용하고 있어 오래 사용할 수 있고 광학적 특성도 좋다"고 설명했다.

대(對) 드론 병기 등 전장의 무기로

초강력 레이저 기술이 상용화될 곳으로는 군사 분야가 첫 손에 꼽힌다. 소형 드론, 무인 로봇 같은 적군의 전자 장비를 무력화하기 위한 장비로 개발되고 있다. 우리나라에서도 광주과학기술원(GIST)가 최근 펨토초 레이저 무기 개발에 들어갔다. 찰라지간이지만 테라와트(1조와트)급 이상의 강력한 펄스 레이저를 발사해 적의 전자 장비를 무력화한다. 연구팀은 기존 레이저 무기가 엄청난 전력이 필요하고 최소 수분 이상 특정 부위를 조사해야 한다는 한계를 극복할 수 있다고 보고 있다. 또 초강력 펨토초 레이저의 방향을 빠르게 스캔하면 공중에 필라멘트 플라즈마 방패(Shield) 구조를 형성할 수 있어 방패(Shield) 면적 내를 통과하는 공격 무기의 핵심부를 손상시키는 방어 무기 개발도 가능하다. 또 초강력 펨토초 레이저를 공기 중에 집속해 중금속 등에 조사하면 고전자기장 플라즈마와 방사선이 발생해 순간적으로 고강도 전자기 펄스(EMP)를 낼 수 있다. 적의 통신 장비, 컴퓨터, 전산망, 군사용 장비 등을 마비시키는 무기가 된다. GIST 고등광기술연구원(APRI) 김형택 수석연구원은 ""빠른 속도로 다수의 소형 무기를 무력화할 수 있어 적군의 스마트 공격 위협에 효과적으로 대응할 수 있을 것"이라고 설명했다.

우주 비밀 들여다 본다

초강력 레이저는 또 기초과학, 에너지, 우주 국방 등의 R&D에서 필수적인 수단으로 떠오르고 있다. 초강력 레이저를 통해 찰나의 순간에 엄청난 에너지를 내 우주의 극한 환경을 재현하고 측정할 수 있다. 레이저를 이용한 입자 가속기는 기존 가속기들보다 훨씬 빠르고 효율적인 전자 가속이 가능하다.

특히 청정ㆍ무한ㆍ무공해 차세대 에너지인 핵융합의 주요 수단으로 활발히 연구되고 있다. 공홍진 카이스트 물리학과 명예교수는 최근 한 토론회에서 "자기장 핵융합과 레이저 핵융합 중 어느 것이 먼저 실현될지는 모르지만 전세계의 선진국들이 레이저 핵융합에 박차를 가하면서 벤처 기업 4개가 창업되는 등 실용화되고 있다"면서 "레이저 핵융합은 유지 보수가 수월하고 경제성이 뛰어나다는 장점이 있다"고 설명했다. 우주 태양광 발전소의 전력 송신 수단, 양자 신소재ㆍ플라즈마 물질ㆍ고효율 EUV 광원ㆍ에너지 효율이 획기적으로 높은 소재ㆍ기술 개발에도 활용되고 있다.

이에 세계적으로 초강력 레이저 인프라 구축이 활발하다. 중국이 이미 100페타와트급을 짓고 있고 러시아도 200페타와트급을 설계하고 있다. 현재 우리나라는 GIST의 고등광기술연구소ㆍIBS 초강력레이저 연구단이 4페타와트급 레이저를 구축해 활용 중이지만 최소 수십~수백페타와트급의 초강력 레이저 인프라 구축이 필요하다. 한국 정부도 올해 초 10억원을 들여 사전 기획 연구에 들어가는 등 본격 검토에 착수했다. 과기정통부 관계자는 "현재로선 어느 정도 규모의 초강력 레이저 인프라가 필요한지 정해지지 않은 상태며 학계의 의견을 모으는 중"이라며 "국내 초강력ㆍ고에너지 레이저와 관련된 현황을 파악하는 한편 타당성 검토ㆍ개념연구ㆍ설계를 위한 것"이라고 설명했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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내달 과학기슐정보통신부가 <초강력 레이저 얀구시설 구측>에 대해 지자체 대상으로 공모예정이다.

무엇보다 원천기술 확보와 전략산업 육성에 초강력 레이저 기술은 필수적이다. 국내에 2000여 개의 레이저 관련 기업이 있지만 레이저 관련 국내 기술력은 주요국 대비 50% 이하에 머물러 있어, 반도체 레이저 다이오드 칩이나 모듈과 같은 핵심부품의 90% 이상을 수입에 의존하고 있는 실정이다.

각국의 수출제한 조치 등 무역보호주의가 강화되는 상황에서 글로벌 공급망이 약화 되는 경우 우리나라 산업이 취약해질 수 있는 위험 요인으로 작용 될 우려 또한 커 국산 핵심부품 제조를 위한 원천기술 확보에 국가의 장기적 투자가 필요한 상황이다.

세계 각국도 레이저 산업 선점을 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있다. 미국은 이미 4조5000억 원 규모 레이저 연구시설을 구축했고, 프랑스는 1조7000억 원 규모, 러시아와 유럽연합도 이미 레이저 연구시설을 구축하는 등 세계에서 가장 강한 레이저를 만들기 위한 경쟁이 펼쳐지고 있다.

 

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Nature, 빛의 증폭 산란 연구

빛 에너지 증폭시키는 마법의 물질
김우현 기자입력 2021. 1. 16. 07:40

국제학술지 ‘네이처’는 이달 14일 위로 갈수록 점점 밝아지는 빛의 다발을 표지에 실었다.

네이처 제공

네이처는 나노입자에 빛을 쏘이면 물질 속에서 빛이 증폭돼 더 큰 에너지를 가진 빛을 방출하는 '나노입자 광사태 현상'에 관한 연구를 실었다.

나노입자가 빛 에너지를 흡수하면 일부는 열에너지로 소모하고 남은 에너지를 방출한다. 소모한 만큼 처음 흡수한 빛 에너지보다 작은 에너지를 방출하는 게 일반적이다. 그러나 어떤 나노입자는 흡수한 빛 에너지보다 더 큰 에너지를 가진 빛을 방출한다. 빛 알갱이인 광자가 나노입자 내부에서 서로 결합해 더 큰 에너지를 가진 상태로 방출되는 것이다.

서영덕 한국화학연구원 의약바이오연구본부 책임연구원과 남상환 책임연구원 연구팀은 미국과 폴란드 연구팀과 툴륨(Tm) 원소를 특정한 원자 격자 구조를 가진 나노입자로 합성해 작은 에너지의 빛을 약한 세기로 쪼이자 빛이 에너지가 더 커진 채로 방출되는 현상을 처음으로 발견했다. 이 현상이 눈이 갑자기 쏟아지는 눈사태와 비슷해 ‘광사태’라는 이름을 붙였다.

광사태를 일으키는 기존 물질은 효율이 낮았다. 예를 들어 빛 알갱이가 100개 들어가면 대략 1개 정도가 나왔다. 에너지는 높지만 개수가 적어 활용하기 어려웠다. 연구팀이 만든 나노입자는 100개를 넣으면 40개 이상이 나오는 수준이다. 연구팀은 이 나노입자로 레이저 포인터 수준의 약한 빛을 쬐어 매우 작은 25나노미터(nm·10억분의 1m) 크기의 물질을 높은 해상도로 관측하는 데 성공했다. 약한 빛을 쪼여도 강한 빛이 나오므로 해상도가 높아진 것이다. 강한 빛 때문에 시료가 손상될 걱정도 없다.

연구팀은 광사태 나노입자를 차세대 태양전지인 페로브스카이트태양전지 연구에 활용할 예정이다. 페로브스카이트태양전지는 기존 실리콘태양전지보다 좁은 파장대의 빛을 흡수해 효율이 낮다. 광사태 나노입자가 페트로브스카이트태양전지가 흡수할 수 없는 긴 파장의 빛을 짧은 파장의 빛으로 만들어 페로브스카이트태양전지에 쬐어주면 효율을 높일 수 있다

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빛의 증폭: Amplified Spontaneous Emission (ASE)
FriendLee
2021. 12. 2. 05:37

• 빛의 자연 증폭 - Amplified Spontaneous Emission (ASE)

들뜬 상태의 매개물질(medium)에서 자연 방출된 빛은 방향성을 가지지 않는다. 광자는 랜덤하게 방출될수 있는 모든 방향으로 방출되고 확률 또한 동일하다. 편광 또한 랜덤하다.

그림 1.8

반대로 유도방출은 유도된 파동의 특성을 유지한다.

밀도역전을 생성 이득물질은 하나의 차원(길이, demension)이 다른 차원보다 크도록 기하학적인 모델을 갖는다.

전체 이득(net gain)에서는 항상 주요 차원에 가까운 방향으로 자연방출되는 광자들이 존재한다. 자연방출되는 광자들 때문에 ASE 에서는 공간과 위상 모두에서 coherence 를 갖지 못한다.

펄스를 증폭할 때 직렬로 연결하면 ASE 가 문제가 된다. 한 단계에서 증폭된 ASE 는 다음 단계에서 더 증폭되고 이는 유용한 신호와 증폭 사이에서 경쟁하게 된다. 고체 상태의 이득 물질을 손상시키거나 일시적인 불안정을 일으킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 증폭기 디커플링을 사용해야 한다.

Amplifier Decoupling

<Static Decoupling>
너무 빠르지 않은 펄스에서(>100 fs) faraday polarizer(그림 1.9) 는 선형 평광된 빛이 되돌아 가는 것을 막아주는 역할로 사용할 수 있다. (자기정이 걸리면 특정 파장에서 강한 편광회전을 일으킨다) 자기장의 세기와 재료와 길이를 조절하면 빛의 편광을 45도 각도로 회전할 수 있다. 자기장에 영향을 받는 특성 상 역방향으로 전파하는 빛은 편광 회전 방향 역시 반대로 역전된다. 따라서 90도 회전한 선형편광된 빛은 analyzer 에 의해 차단할 수 있다.

그림 1.9

<Dynamic Decoupling>
Absorption saturation 는 gain saturation 을 얻기 위한 비선형 광학 효과이다. 이는 g (gain) 와 α (absoprtion) 로 나타낼 수 있다. 그리고 전파 세기에 따라 부호가 변경된다.

$$g(I)=\frac{g_{0}}{1+I/I_{s}}$$

높은 세기에서는 선형적으로 증폭 되지만, 낮은 세기에서는 지수함수 형태로 감소하게 된다. 또한 짧고 강한 펄스만 포화흡수체를 통과할 수 있다.

펄스의 중첩으로 구성된 증폭기의 예를 들면 높은 반복률을 가지고 세기가 약한 펄스, 낮은 반복률을 가진 세기가 강한 펄스는 낮은 세기에서 중첩된다. (그림 1. 10 a)

그림 1.10

포화흡수체의 광학 밀도는 증폭된 펄스와 교차할 때만 saturateds 되도록 조정한다. 펄스가 포화흡수체를 통과할 때 증폭되지 않은 펄스와 펄스의 가장자리(ASE)는 흡수된다. 증폭된 펄스와 나머지 ASE 사이의 에너지 비율을 개선하기 위해 포화흡수체는 짧은 recovery time 을 가진 것을 선택해야 한다.

<Reference>
[1] Claude Rulli`ere, 『Femtosecond Laser Pulses Principles and Experiments Second Edition』, Springer(1998)

 

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전세계의 초강력 레이저 무기 개발현황
https://youtu.be/lMUuUofhxc0