IBS, 세계 최고 세기 레이저 기록 세웠다- 초강력 레이저과학 연구단, 1023 W/cm2 세기 최초 달성

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2021. 5. 11.

IBS, 세계 최고 세기 레이저 기록 세웠다- 초강력 레이저과학 연구단, 1023 W/cm2 세기 최초 달성

보도일 2021-05-06 23:00연구단명 초강력 레이저과학 연구단

 

 

 

IBS, 세계 최고 세기 레이저 기록 세웠다

- 초강력 레이저과학 연구단, 1023 W/cm2 세기 최초 달성 -

- 극한 영역에서의 새로운 물리현상 탐구 기대 -

 

기초과학연구원이 레이저 세기의 신기록을 세웠다. 이로써 레이저 기술은 극한 물리현상 탐구의 이정표라 할 수 있는 제곱센티미터 당 1023 와트 (1023 W/cm2) 제곱 센티미터 당 와트: 와트는 출력 즉, 시간 당 에너지를 나타내는 단위로, 1초 동안 1줄(J)에 해당한다. W/cm2 는 레이저 출력을 빔이 차지하는 단면적으로 나눈 것이다.

대로 진입했다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 초강력 레이저과학 연구단 남창희 단장(광주과학기술원 교수) 연구팀은 초강력 레이저를 1.1×1023 W/cm2 세기로 모으는 데 성공했다. 1023 W/cm2 이상의 레이저 세기에서는 극도로 강한 전기장이 형성되어, 양자전기동역학 양자전기동역학(QED): 하전입자와 전자기장으로 이루어진 역학계를 연구대상으로 하는 양자역학을 말하며 통상 QED라고 약칭한다.

 이론이 예측하는 물리 현상을 직접 실험해 볼 수 있을 것으로 기대된다.

IBS 초강력 레이저과학 연구단은 2016년 4 페타와트(PW) 페타와트: 1015와트 즉, 1천 조 와트

 레이저 개발에 성공해, 세계에서 가장 높은 출력의 레이저를 보유하고 있다. 4 PW는 전 세계 발전 용량의 1천 배에 해당하는 출력이다. 레이저의 ‘세기’는 출력을 얼마나 작은 공간에 집중시키는지를 의미하며, 각종 물리 현상 탐구의 중요한 지표가 된다. 2004년 미국 미시간 대학이 1022 W/cm2 세기에 처음 도달한 이후 지금까지 1023 W/cm2 에 다다른 연구진은 없었다. 현재 유럽연합의 ELI 빔라인, 미국의 EP-OPAL, 중국의 SEL 등이 1023 W/cm2 레이저를 목표로 건설 중이다.

강력한 레이저 세기의 구현을 위해서는 에너지를 가능한 한 짧은 시간과 좁은 공간에 압축하여 순간적으로 최대의 에너지를 내야 한다. 초강력 레이저가 펨토 초 펨토 초 레이저: 10-15초 동안 지속되는 레이저. 에너지를 극도로 짧은 시간 안에 집속해 출력을 높인다.

 동안 지속되는 이유다. 그러나 빔의 증폭·전송 과정에서 공간적인 위상 왜곡이 발생해, 레이저 빔을 좁은 공간에 모으는 데는 한계가 있었다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울을 새롭게 제작하였다. 대구경 변형거울은 레이저 빔의 파면 왜곡을 높은 분해능으로 보정하는 데에, 대구경 비축 포물면 거울은 레이저 빔의 효율적 집속에 각각 사용된다. 그 결과 4 페타와트 레이저 빔을 지름 1 마이크로미터의 초소형 공간에 모을 수 있었다. 이는 이전에 같은 레이저를 지름 1.5 마이크로미터 공간에 모은 데 비해 면적 대비 2배 이상 향상된 수치다.

지구상에 존재한 적 없던 강력한 레이저는 초신성 폭발 등 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있다. 이때 레이저 세기에 따라 물질과의 상호작용이 완전히 달라진다. 양자전기동역학 이론은 강력한 전기장 하에서는 진공에서 전자와 양전자 쌍이 생성될 것으로 예측한다. 초강력 레이저를 이용해 이러한 현상을 실험적으로 입증할 수 있다. 

교신저자인 남창희 단장은 “이번 연구를 통해 IBS의 초고출력 레이저 시설이 세계 최고임을 입증했다”며 “양자전기동역학에서 예측하는 비선형 콤프턴 산란 비선형 콤프턴 산란: 고에너지 전자빔이 초강력 레이저 펄스와 충돌할 때 고휘도 감마선이 방출되는 현상

과 브라이트-휠러 쌍생성 브라이트-휠러 쌍생성: 광자와 광자의 충돌로부터 전자와 양전자가 생성되는 현상 

, 또 복사압 이온 가속 공정 복사압 이온 가속 공정: 초강력 레이저 빔의 복사압에 의해 이온이 가속되는 공정

과 같은 극한 영역에서의 새로운 물리 현상들을 탐구할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

이번 연구 결과는 광학 분야의 저명한 학술지 ‘옵티카 (Optica, IF 9.778)' 誌에 5월 6일(한국시간) 온라인 게재됐다. 

 

연 구 추 가 설 명

 

 

논문/저널/저자

Realization of laser intensity over 1023 W/cm2 / Optica (2021)

 

Jin Woo Yoon, Yeong Gyu Kim, Il Woo Choi, Jae Hee Sung, Hwang Woon Lee, Seong Ku Lee, and Chang Hee Nam

연구내용

보충설명

- 레이저는 동일한 파장의 빛을 같은 위상으로 정렬시킨 빛이다. 다양한 파장이 섞인 자연광이 서로 다른 옷을 입은 사람들이 뛰는 마라톤이라면, 레이저는 줄지어 행진하는 군대와 같다. 레이저는 태양빛과 전혀 다른 성질 때문에 독특한 물리 현상을 관찰하는 데 사용된다.

- 레이저는 1960년대에 발명된 이래 계속 강력해지고 있다. 현대 레이저 기술은 지구 전체에 도달하는 태양빛의 10%에 해당하는 출력을 낼 수 있다. 극한의 물리환경을 구현할 수 있다는 점에서 초강력 레이저는 다양한 기초과학 분야에서 활용된다.

초강력 레이저와 만난 물질은 순식간에 분해되어 전자, 양성자 등으로 이뤄진 플라즈마 상태가 된다. 플라즈마는 물질의 원자핵(+극)과 전자(-극)가 분리되어 이온화된 상태로, 우주의 99% 이상을 구성하고 있다. 이는 초강력 레이저로 우주와 유사한 환경을 만들어 극한의 물리현상을 연구할 수 있다는 의미로, 우주에서 발생하는 초신성 폭발, 천체 물체에 의한 엑스선 발생과 같은 다양한 천체 현상을 유사 조건 하에서 구현할 수 있다.

엑사 와트 (1018와트) 레이저는 진공까지도 분해할 수 있다. 진공은 가상전자와 양전자로 분해되는데, 양자장론이 이론적으로 제시하는 가상입자-반입자 쌍이 실제로 존재하는지 실험할 수 있게 된다.

뿐만 아니라 초강력 레이저로 하전입자(전자, 양성자, 중이온 등)를 빛의 속도에 가깝게 가속시킬 수 있다. IBS 초강력 레이저과학 연구단은 4PW 레이저를 이용해 가벼운 하전입자인 전자를 빛의 속도의 99.99% 이상까지 가속하는 데 성공했다. 그리고 빛의 속도에 가깝게 가속된 전자와 빛의 상호작용을 연구할 수 있어, 이제까지 이론적으로만 예측했던 양자전기역학(QED)과 같은 현상을 실험적으로 규명할 수 있을 것으로 보인다. 

또한, 초강력 레이저를 집광하여 얻을 수 있는 빛의 에너지 밀도를 이용하여 우주에서 발생하는 초신성 폭발, 천체 물체에 의한 엑스선 발생과 같은 다양한 천체 현상들을 유사 조건으로 구현할 수 있다. 이러한 특징 때문에 초강력 레이저는 실험 천체 물리의 연구주제로 많은 관심의 대상이 되고 있다.

- 양자전기동역학: 양자전기동역학은 고전 전자기학을 양자화하여 얻는 이론으로서 하전입자와 광자의 상호작용을 설명한다. 또한, 양자전기동역학에서 기술하는 진공 상태는 0이 아닌 기저에너지, 즉 진공에너지를 갖는다고 본다. 

-초강력 레이저과학 연구단의 PW 레이저 시스템은 처프 펄스 증폭 (Chirped Pulse Amplification: CPA) 기술을 이용한 티타늄 사파이어 기반의 고출력 극초단 레이저 시스템으로서, 최대 출력은 4 PW, 펄스폭은 20 펨토초이다. 

- 레이저 빔의 세기를 높이기 위해서는 높은 레이저 출력과 더불어 레이저 빔을 가능한 한 작은 크기로 집속할 필요가 있다. 일반적으로 레이저 빔의 파면 왜곡이 없고 집속 소자의 f-수(초점거리를 레이저빔 구경으로 나눈 값)가 작을수록 작은 초점을 얻을 수 있다. 초강력 레이저과학 연구단에서는 4 페타와트 (PW = 1천조 와트) 레이저 빔의 집속 세기를 최대화하기 위해서 2개의 대구경 변형거울 (deformable mirror: DM)을 이용하여 레이저 빔의 파면 왜곡을 보상하고, 파면 보정된 페타와트 레이저 빔을 f/1.1의 비축 포물면 거울을 이용하여 집속하는 연구를 수행하였다. 그 결과 1 마이크로미터 크기의 초소형 집속빔을 얻었으며, 이때 집속 빔의 최대 세기는 1.4×1023 W/cm2이다. 80 번 측정한 레이저 평균 세기는 1.1×1023 W/cm2 이며, 이는 세계 최초로 달성된 1023 W/cm2 이상의 레이저 세기이다.

 

 

그   림   설   명

 

 

[그림 1] 페타와트(PW) 레이저 장치 개략도

좌측 상단 저출력 전단 레이저로부터 나온 펨토초 펄스가 펄스 확장기를 통해 나노초 펄스로 확장되고, OPCPA 증폭기와 파워 증폭기를 지나면서 4.5 J까지 증폭된다. 이후 부스터 증폭기를 지나면서 110 J 까지 증폭되고, 이 과정에서 여러 단의 빔 확대기를 통해 직경 25 mm, 65 mm, 85 mm, 280 mm로 빔 크기가 점차 커진다. 증폭된 레이저 펄스는 펄스 압축기를 통해서 다시 20 펨토초로 압축되고, 이때 최종 출력은 4 PW이다. 

레이저 빔의 파면 왜곡을 보상하기 위해서 2개의 변형거울이 사용되었다. 변형거울1은 펄스 압축기 전에 위치하여 파면센서1에서 측정된 파면 수차를 보상한다. 변형거울2는 펄스 압축기 다음에 위치하여 파면센서2에서 측정된 파면 수차를 보상한다. 변형거울을 지난 레이저 빔이 표적 챔버에 입사하면, 이를 초점 거리 300 mm (f/1.1)의 대구경 비축 포물면 거울에 의해 집속하여 강한 레이저 세기를 얻는다.

 

 

[그림 2] 레이저 마지막 단계인 표적 챔버 내부

이전 단계에서 증폭된 4 PW 레이저 빔은 금으로 코팅된 노란색 대구경 포물면 거울에 반사되어 좁은 공간에 모이게 되고, 이를 다시 대물렌즈가 달려있는 카메라(사진에서 붉은 색)를 통해 감지한다.

 

 

[그림 3] 집속된 레이저 빔 세기의 3차원 그래프

카메라로 측정된 집속 빔 초점의 3차원 이미지를 보여준다. 빔 지름은 약 1 마이크로미터, 최대 세기는 1.4×1023 W/cm2 , 평균 세기는 1.1×1023 W/cm2를 기록했다.

 

[그림 4] 페타와트(PW) 레이저 실험 모습

연구진이 레이저의 일부인 증폭기를 모니터링하고 있다.

 

 

[그림 5] 페타와트(PW) 레이저 실험실 전경

IBS 초강력 레이저과학 연구단이 보유한 4 PW 레이저 시설

 

연구진 이력사항

 

<남창희 초강력 레이저과학 연구단장, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단

 

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

1979 – 1982  부산대학교, 전임강사

1988 – 1989  Princeton Plasma Physics Laboratory, Staff Research Physicist

1989 – 2012 한국과학기술원, 교수

1999 – 2012  결맞는 X-선 연구단(과학기술부 창의연구단/도약연구단), 단장

2012 – 현재 기초과학연구원(IBS), 초강력 레이저과학 연구단, 단장

2012 – 현재 광주과학기술원, 교수

 

 

 

 

 

 

 

<이성구 초강력 레이저과학 연구단 학연연구위원, 공동 교신저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단

      광주과학기술원 고등광기술연구소

 

 

 

 

 

 

2. 경력사항

2005 – 2014 광주과학기술원, 고등광기술연구소, 선임연구원

2005 – 2006 Osaka University, Institute of Laser Engineering, 박사후 연구원

2014 – 2020 광주과학기술원, 고등광기술연구소, 책임연구원

2012 – 현재 기초과학연구원(IBS), 초강력 레이저과학 연구단, 학연연구위원

2014 – 현재 기초과학연구원(IBS), 초강력 레이저과학 연구단, 레이저 그룹 리더

2014 – 현재 광주과학기술원, 고등광기술연구소, 초강력레이저 연구실장

2020 – 현재 광주과학기술원, 고등광기술연구소, 수석연구원

 

<윤진우 초강력 레이저과학 연구단 학연연구위원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단 

            광주과학기술원 고등광기술연구소

 

 

 

 

2. 경력사항

2009 – 2012 광주과학기술원, 박사후 연구원

2012 – 2016 기초과학연구원(IBS), 연구위원

2016 – 현재 광주과학기술원, 선임연구원

2016 – 현재 기초과학연구원(IBS), 학연연구위원

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<김영규 초강력 레이저과학 연구단 학생연구원, 공동 제1저자>

 

1. 인적사항

 ○ 소  속 : 광주과학기술원 물리학과

            기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단

 

 

 

2. 경력사항

2012 – 2015 ㈜엘티에스      전문연구요원

2015 – 현재 기초과학연구원  Student Research Assistant