왼쪽부터 광주과기원 석희용 교수, 울산과기원 허민섭 교수, 스트라스클라이드 야로스진스키 교수. 지스트 제공

광주과학기술원(총장 임기철·지스트)은 물리·광과학과 석희용 교수팀과 울산과학기술원(유니스트) 물리학과 허민섭 교수팀 및 영국 스트라스클라이드 대학의 야로스진스키 교수팀이 함께 기존보다 1000배 이상 강력한 레이저 펄스를 만들수 있음을 입증했다.

15일 지스트에 따르면 지난 1985년 모로우 교수가 발명한 처프 펄스 증폭 기술은 레이저 세기를 비약적으로 증가시킬 수 있었는데,현재는 이를 활용해 수 페타와트(1000조 와트)까지 레이저 출력이 가능하다.

하지만 과학계에선 그보다 1000배 이상 강력한 엑사와트 또는 100만배 더 강력한 제타와트의 필요성을 제기해왔다.

그러나 기존의 초강력 레이저에서는 회절격자를 사용해 레이저 펄스를 길게 늘여 에너지를 증폭한 후 다시 회절격자를 사용해 짧게 압축하는 방식인데, 이 방법으로는 더 강한 세기의 레이저빔을 발생시키는 데 한계가 있다.

연구팀은 회절격자 대신 플라즈마를 사용해 극초강력 레이저 펄스의 압축 문제를 해결했다. 플라즈마는 물질을 구성하는 원자들이 파괴되어 전자와 이온으로 분리된 기체 상태를 말한다.

이온화된 상태인 플라즈마는 이미 손상된 물질이기 때문에 아무리 강한 레이저빔을 넣어도 더 이상의 손상이 생기지 않고 광학적으로 빛을 분산시키는 성질도 가지고 있다. 따라서, 플라즈마를 사용하면 기존의 회절격자보다 훨씬 더 강력한 레이저 펄스로 압축할 수 있게 된다.

연구팀은 공간적으로 특정한 밀도분포를 가진 플라즈마를 사용하면 회절격자와 유사하게 레이저 펄스를 대폭 압축할 수 있음을 시뮬레이션 및 이론 연구로 입증했다.

지스트 석희용 교수는 “플라즈마는 기존의 회절격자와 같은 역할을 할 수 있고 더이상 손상이 되지 않는 물질이므로 기존 기술의 단점을 보완할 수 있다”며 “몇 센티미터 정도 크기의 작은 플라즈마로도 엑사와트(1 엑사=1018) 이상의 극초강력 레이저에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 최첨단 이론물리학과 천체물리학에서 예측하는 다양한 현상들을 실험실에서 구현하는 데 사용될 수 있을 것으로 보인다. 레이저핵융합 연구에도 활용 가능해 인류가 직면한 에너지 문제를 해결하는 데에도 초석이 될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 및 UKRI·영국과학공학연구위원회의 지원을 받았으며, 광학 및 응용물리학 분야 상위 1% 논문인 네이처 포토닉스에 2023년 11월 13일 온라인 게재됐다.