우리 손으로 세계서 가장 강력한 레이저 구현

IBS, 1㎠당 10의 23제곱 세기 와트급 레이저 구현
초신성 폭발 등 극한 물리현상 탐구에 활용

남창희 IBS 초강력 레이저과학 연구단장 연구팀은 세계에서 가장 강력한 세기의 레이저를 구현하는 데 성공했다. IBS 제공

남창희 단장 연구팀이 개발한 '페타와트 레이저 장치' 개념도로, 자체 개발한 4PW(페타와트) 레이저와 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울 제작을 1㎠당 1.1×10의 23제곱 와트에 달하는 세계 최고 수준의 레이저 세기를 구현했다. IBS 제공

국내 연구진이 세계에서 가장 강력한 세기의 레이저를 구현했다. 이 레이저 기술을 이용하면 우주와 유사한 환경을 만들 수 있어 초신성 폭발 등 극한의 물리현상을 탐구하는 데 활용할 수 있다.

기초과학연구원(IBS) 초강력 레이저과학 연구단은 남창희 단장 연구팀이 4PW(페타와트, 1000조 와트) 레이저를 이용해 전자를 빛의 속도로 가속시켜 세계에서 처음으로 1㎠ 당 1.1×10의 23제곱 와트(W) 세기로 모으는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

4PW는 전 세계 발전용량의 1000배에 해당하는 출력으로, 레이저의 세기는 출력을 얼마나 작은 공간에 집중시키느냐에 따라 커진다.

지난 2004년 미국 미시간대 연구팀이 1㎠당 10의 22제곱 와트 세기에 도달한 이후 지금까지 1㎠당 10의 23제곱 와트에 달하는 레이저 세기를 구현하지 못했다.

이처럼 강력한 세기의 레이저를 구현하려면 에너지를 가능한 짧은 시간과 좁은 공간에 집속시켜 순간적으로 최대의 에너지를 내야 한다. 하지만, 빔 증폭이나 전송 과정에서 공간적인 위상 왜곡이 생겨 레이저 빔을 좁은 공간에 모으는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이 같은 문제를 대구경 변형거울과 대구경 비축 포물면 거울을 제작해 해결했다. 대구형 변형거울은 레이저 빔의 파면 왜곡을 높은 분해능으로 보정해 주고, 대구경 비축 포물면 거울은 레이저 빔을 효율적으로 모아주는 역할을 한다.

연구팀은 자체 개발한 4PW 레이저 빔을 지름 1㎛(마이크로미터) 크기의 초소형 공간에 모으는 데 성공했다. 이는 기존에 4PW 레이저 빔을 지름 1.5㎛ 공간에 모은 것과 비교해 면적 대비 2배 이상 높아진 수준이다.

남창희 초강력 레이저과학 연구단장은 "지구에 존재한 적이 없는 강력한 레이저 세기를 구현함에 따라 우주에서 일어나는 천문현상과 비슷한 환경을 제공할 수 있게 됐다"며 "양자전기동역학 등 극한 영역에서 새로운 물리현상들을 탐구하는 데 기여할 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 광학 분야 국제 학술지 '옵티카(6일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr