페타와트 초강력 레이저와 펨토과학기술
1960년 미국의 휴즈(Hughes) 연구소에서 근무하던 마 이만(T. Maiman)에 의해서 레이저(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radia- tion)가 처음 발명된 이후 레이저를 개발하고 이용하는 분야에서 많은 학문적 기술적 진보가 있었다. 이는 레이 저라는 빛이 가진 독특한 성질 중에 하나인 시·공간적 가간섭성(coherence)에 의해 많은 양의 빛 에너지를 아 주 작은 점에 모을 수 있기 때문이다. 이렇게 모아진 단 위 시간, 단위 면적당 빛 에너지를 빛의 세기(irradiance 혹은 intensity)라고 하며, 자연계의 물리현상을 설명하 는데 사용되는 기본 파라미터가 된다. 레이저가 발명된 이후 빛의 세기를 획기적으로 증가시킬 수 있어서, 물리 학 특히 광학 분야에서 비선형 광학, 레이저 플라즈마 물 리학, 상대론적 광학 등 많은 새로운 학문이 탄생하였고, 현재에도 레이저 빔을 이용하여 빛의 세기를 증가시키기 위한 연구가 끊임없이 많이 수행되고 있다.
레이저 빔의 세기를 증가시키기 위해서는 레이저의 출 력을 증가시켜야 한다. 1985년 이전에는 레이저의 출력 을 증가시키기 위해서 단순히 나노초 레이저 펄스의 펄
스당 에너지를 증가시키는 방법을 사용하여 왔다. 그러 나 1985년 Strickland(2013년 현재 미국광학회 회장)와 Mourou에 의해 Chirped-Pulse Amplification(CPA) 기술이 개발되면서, 비로소 피코초(ps) 이하의 펨토초 (fs, 10-15초) 영역 레이저 펄스를 적은 에너지를 이용하 여서도 초고출력으로 만드는 것이 가능하게 되었다.
현재 전 세계적으로 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 페 타와트 혹은 그 이상의 출력을 갖는 레이저 시스템 구 축이 활발하게 진행되고 있으며, 광주과학기술원(GIST)
국가 대형 레이저 연구시설 소개
페타와트 극초단 초강력 레이저 연구시설(PULSER) 구축 및 국내 펨토과학기술 연구 현황
그림 1. 세기와 펄스폭과의 상관관계 추측(Intensity-Pulse Duration Conjecture). 짧 은 펄스폭을 얻기 위해서는 더 큰 세기가 필요함을 보여주고 Tajima와 Mourou의 추 측(2011년 사이언스 1월호에 발표).
펨토초는 1000조 분의 1초를 말한다. 10-15를 의미하는 단위명이 펨토(Femto)이기 때문에 붙여진 이름이다. 눈을 한 번 깜 박이는 시간이 약 10분의 1초, 총알이 물체를 통과하는 데 걸리는 시간이 약 100만 분의 5초인 점을 감안하면 펨토초는 상 상하기도 힘들 정도로 빠른 시간인 셈이다. 이런 펨토초 동안 벌어지는 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구하는 학문이 펨토 과학이며 주로 펨토초 레이저를 이용해 관찰한다.
현재 전 세계적으로 펨토초의 극히 짧은 시간에 1000조 와트(페타와트)의 고출력 레이저를 발생시킬 수 있는 광양자빔 연 구시설 구축 사업이 활발하게 진행되고 있다. 국내에서는 광주과학기술원(GIST) 고등광기술연구소가 ‘극초단 광양자빔 연 구시설 설치 운영사업(사업책임자: 이종민 교수)’을 통해 국가 대형 레이저 연구시설인 ‘페타와트 극초단 초강력 레이저 연 구시설(PULSER)’을 최근 구축 완료했다. 이번호에서는 21세기를 이끌 신성장동력 중 하나로 각광 받고 있는 펨토과학기술 의 국내 연구 현황과 페타와트 극초단 초강력 레이저 연구시설(PULSER)에 대해 자세히 소개하고자 한다.
<편집자 주>
국가 대형 레이저 연구시설 소개
고등광기술연구소에서는 2003년 8월부터 정부 지원 하 에 착수된 ‘극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업(사 업책임자: 이종민 교수)’을 통해 2010년과 2012년에 세 계 최초로 30 펨토초(fs) 극초단 펄스의 1 페타와트(PW, 1015와트) 레이저(PULSER I) 및 1.5 페타와트 대형 레이 저 시스템(PULSER II)을 각각 개발한 바 있다. 이는 유 럽, 미국, 중국, 일본 등 광과학기술 선진국들과의 치열 한 국제 경쟁 속에서 이룩한 국내 레이저 분야 연구 개발 의 커다란 성과이다.
펨토초 초강력 레이저는 실험실 내에서 극한환경을 재 현하고 이를 이용하여 펨토초 및 아토초(as, 10-18초) 영역의 초고속 물리현상 등을 탐구하는데 사용된다. 초 고속 자연 현상 관측에 초강력 레이저가 필요한 이유는 2011년 1월에 Science지에 발표된 Mourou-Tajima의 빛의 세기와 펄스폭과의 상관관계 추측[1]으로부터 쉽게 이해할 수 있다. 이 추측에 의하면 더 짧은 시간 폭을 갖 는 펄스를 발생시키기 위해서는 더 큰 빛의 세기가 필요 함을 알 수 있다. 현재 광주과학기술원 고등광기술연구 소가 보유한 초강력 레이저 연구시설을 활용하여 고에 너지 하전입자(중이온, 양성자, 전자) 빔 발생 및 가속, 극초단 고에너지 광자(엑스선 및 감마선) 발생 및 각종 응용연구들을 수행하여 우수한 연구결과들을 네이쳐 자 매지(Nature Photonics, Nature Communications), Physical Review Letters, Optics Letters 등 최우수 전문 학술지에 꾸준히 발표하고 있다. 또한 이들 연구를 위해서 국내·외 연구 인력이 참여하는 국제공동연구도 활발히 수행되고 있다.
이러한 연구 성과와 국제 공동 연구 실적을 바탕으로 2011년에는 국제 초강력 레이저 연구센터(IZEST: In- ternational Center on Zetawatt Exawatt Science and Technology)의 Associate Laboratory로 선정되 었다. 또한 2012년에는 본 극초단 광양자빔 연구시설 (UQBF: Ultrashort Quantum Beam Facility)을 이용 해 연구를 수행할 예정인 기초과학연구원(IBS)의 GIST 캠퍼스 초강력 레이저과학 연구단(단장: 남창희 교수)도 선정되는 등 명실 공히 세계 속의 초강력 레이저 시설과 펨토과학 연구시설로 자리매김해 가고 있다.
본 기고에서는 현재까지 이루어진 연구 성과들을 바탕으 로 페타와트 초강력 레이저 시스템 개발, 고에너지 하전 입자(중이온, 양성자, 전자) 가속기 개발, 극초단 엑스선 레이저 발생 장치 개발, 응용기술 개발 등에 대해서 소 개하고자 한다.
극초단 광양자빔 연구시설 개요
2013년 2월 현재 극초단 광양자빔 연구시설 내에는 두 개의 100 테라와트 빔라인(LiFSA: Light source for Femto-Sciences and Applications)과 두 개의 페타 와트 빔라인(PULSER: Petawatt Ultrashort Laser System for Extreme Science Research)이 구축되어 있다. 100 테라와트(TW, 1012와트) 빔라인은 10 Hz의 반복율로, 30 펨토초(fs)의 펄스폭과 3 J의 에너지를 갖 는 레이저 펄스를 발생시킨다. 1 페타와트 빔라인은 0.1 Hz의 반복율로, 30 펨토초의 펄스폭과 30 J이상(빔라인
사진 1. 극초단 광양자빔 연구시설(UQBF) 전경
그림 2. 100 테라와트 레이저 시스템(LiFSA), 페타와트 레이저 시스템(PULSER) 및 표적 용기의 구성도
I: 30 J, 빔라인 II: 44 J)의 에너지를 갖는 레이저 펄스 를 발생시킨다. 100 테라와트 빔라인은 3개의 표적용기 (Target Chamber)를 갖는 100 테라와트 레이저-플라 즈마 실험실로 전송된다. 100 테라와트 레이저-플라즈 마 실험실 내에 설치된 3개의 표적용기는 각각 고에너지 양성자빔 가속, 고에너지 전자빔 가속, X-선 레이저 발 생 및 각종 응용연구에 활용된다. 각각의 표적용기 주위 에는 양성자, 전자, X-선 검출기 등 각종 계측기가 구 축되어서 2차 선원(전자, 양성자, X-선 등)의 에너지 및 스펙트럼 분포를 실시간으로 관측할 수 있다. 페타와트 레이저 빔은 페타와트 레이저-플라즈마 실험실에 설치 된 페타와트 표적용기로 전송된다. 페타와트 레이저-플 라즈마 실에는 대구경(직경 2 m) 원통형 표적용기와 4각 표적용기가 설치되어 있으며, 각각의 표적용기에서 GeV 이상급 고에너지 전자, 수십 MeV급 양성자 가속과 수 나 노미터 이하의 X-선 발생이 가능하다.
극초단 광양자빔 연구시설은 국가 대형 레이저 연구시설 이므로, 국내·외 많은 이용자들의 다양한 요구에 효율 적으로 대응하여 펨토과학 응용분야에서 많은 연구를 수 행할 수 있도록 연구시설을 구축하였다. 이를 위하여 모 든 레이저 시스템과 표적용기의 제어 및 감시는 연구시 설 내에 설치된 중앙 제어실(Control Room)에서 이루 어지며, 2~3개의 응용 실험을 동시에 진행할 수 있도록 연구시설을 제어할 수 있는 이용자 편의의 시스템이 구 축되어 있다.
초강력 레이저 시스템 개발 및 펨토과학기술 응용연구
1) 펨토초 페타와트 초강력 레이저 시스템 개발
앞에서 기술한 바와 같이 레이저는 강력한 집속 광을 만 들 수 있어 물질과 강력한 빛과의 상호작용에 의한 새 로운 물리현상을 연구하는데 크게 활용된다. 1960년대 에 Q-스위칭 기술과 모드 잠김 기술이 개발되면서 레이 저는 더 짧은 펄스폭과 더 높은 순간 출력을 갖게 되었 다. 그러나 레이저의 순간 출력이 높아짐에 따라 레이저 펄스의 에너지 증폭 시 광학 부품의 손상이나 증폭효율 저하 등의 문제점이 대두되었다. 1985년 처프 펄스 증 폭(Chirped-Pulse Amplification) 방식[2]이 개발됨에
따라 레이저의 순간 출력을 급격히 증가시킬 수 있는 새 로운 길이 열리게 되었다. 처프 펄스 증폭 방식은 극초단 레이저 공진기로부터 발생한 수 펨토초 수준의 짧은 레 이저 펄스를 에너지 증폭 전에 시간적으로 늘려주어 매 질에 대한 광 손상 없이 에너지를 증폭하고 에너지 증폭 후에 레이저 펄스의 시간 폭을 다시 원래대로 압축하는 방식으로, 높은 순간 출력을 가진 극초단 레이저 펄스를 발생시키는 방법이다.
전 세계적으로는 1999년 미국의 로렌스 리버모어 국립연 구소(LLNL)에서 티타늄 사파이어/Nd:glass 혼합형 레 이저를 이용하여 약 1 피코초(ps, 10-12초)의 펄스폭을 갖 는 페타와트 레이저를 개발한 바 있고, 2003년 일본 원 자력에너지기구에서 33 펨토초, 0.85 페타와트 레이저 를 개발한 바 있다. 국내에서는 극초단 광양자빔 연구시 설 설치 운영사업이 2003년에 시작돼서 미국 일본 등 광 과학기술 선진국보다 펨토초 초강력 레이저 연구개발의 시작이 늦었다. 하지만 2005년 처프 펄스 증폭 방식을 이용한 30 펨토초, 100 테라와트(TW, 1012 와트) 출력을 갖는 티탸늄 사파이어 레이저 시스템을 국내에서 처음 구축한 것을 시작으로 2007년 300 테라와트 레이저 시 스템의 국내 최초 개발했다. 이어 2010년 30 펨토초 1 페 타와트(펄스당 에너지: 30 J) 레이저 빔라인 I(PULSER I) 세계 최초 개발[3], 2012년 30 펨토초 1.5 페타와트 (펄스당 에너지: 44 J) 레이저 빔라인 II(PULSER II)를 세계 최초로 개발[4]하여 짧은 기간 동안에 초강력 레이 저 개발 분야에서 세계 최고 수준의 연구 개발 능력을 보
사진 2. 펨토초 100 테라와트 레이저 시스템(LiFSA)와 페타와트 레이저 시스템(PUL- SER I & II)의 전경
국가 대형 레이저 연구시설 소개
유하게 되었다. 현재는 첨단 고품질 레이저 개발과 관 련해서 고대조비(high contrast ratio)의 펄스 증폭 기 술, 광매개 변환 처프 펄스 증폭(Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification) 기술, 광대역 에너지 증폭기술, 레이저 파면 보정 기술 등 수 페타와트 레이 저 시스템 개발에 필요한 요소기술들을 개발하고 있다.
2) 레이저 항적장을 이용한 고에너지 전자빔 발생 초강력 레이저를 물질에 조사하면 레이저에 의한 전기장 의 크기가 원자핵과 전자 사이에 작용하는 힘보다 커져 서 물질은 이온과 전자가 혼재되어 있는 플라즈마 상태 로 변한다. 이와 같이 강력한 레이저 펄스에 의해 형성된 플라즈마와 초강력 레이저 펄스가 상호작용을 하면 하전 입자 가속, 극한 파장(엑스선, 감마선, 테라헤르쯔파 등) 발생 등 다양한 종류의 2차 선원이 발생한다. 특히 초강 력 레이저 장을 이용한 전자 가속 기술은 1979년 미국의 타지마(Tajima)와 도손(Dawson)에 의해서 레이저 항적 장 가속(Laser Wake-Field Acceleration)이란 개념으 로 처음 제안되었으며, 2000년대 중반 이후에 초강력 레 이저를 이용한 고에너지 단일 에너지 전자빔의 발생 및 가속 연구가 많이 보고되고 있다. 기존의 가속기는 전기 적 절연 파괴(electrical breakdown)등의 문제로 인해 최대 100 MV/m의 가속 기울기밖에 낼 수 없는데 반하 여 초강력 레이저를 이용한 레이저 항적장 가속 기술은 기존의 가속기보다 1000배나 큰 100 GV/m의 가속 기울 기를 만들어 낼 수 있다. 따라서 레이저 가속기는 기존의 대형 가속기들을 소형화 할 수 있는 차세대 입자 가속기 술로 널리 인식되고 있다.
사진 3. 페타와트 레이저(PULSER I & II) 반응 챔버실 내부 사진
본 연구팀에서는 2008년 100 테라와트 레이저를 이용 한 레이저 항적장 가속 연구를 수행하여 약 1.5 GeV의 최대 에너지를 갖는 전자빔 발생을 달성하였고, 이 연구 결과를 네이처 포토닉스 2008년 9월호에 논문으로 발 표하였다[5]. 2012년에는 1 페타와트 레이저 시스템인 PULSER I을 이용하여 레이저 항적장 가속 실험을 수행 하였으며, 포항 방사광가속기보다 훨씬 강력한 최대 에 너지가 3 GeV 이상인 전자빔의 발생을 관측한 바 있다.
향후에는 레이저 항적장을 이용한 전자가속 시 발생하는 베타트론 방사(Betatron Radiation)를 관측을 하고, 고 에너지 전자빔과 초강력 레이저의 상호작용 중의 하나 인 Inverse Compton Scattering 현상을 이용하여 극초 단 감마선 광원을 개발하는 연구를 수행할 예정에 있다.
그림 3. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA 시스템을 이용한 1 GeV급 전저빔 가속 연구 결과
3) 광압효과를 이용한 양성자 가속
초강력 레이저를 고체 박막에 조사하면 양성자 및 이온 을 수 MeV 및 수 십 MeV의 고에너지 영역까지 가속시 킬 수 있다. 초강력 레이저를 이용한 양성자 및 중이온 가속은 차세대 레이저 기반 암치료기 개발을 목표로 독 일, 일본 등 전 세계의 유수 연구그룹들이 연구개발에 매 진하고 있는 분야이다. 본 연구팀에서도 100 테라와트의 레이저 빔을 이용하여 8 MeV의 최대 에너지를 발생시키 는 데에 성공하여, 2011년 11월 응용물리 저명 학술지인 Applied Physics Letter에 논문을 게재한 바 있다[6].
초강력 레이저 기반에서 발생된 양성자빔을 암치료에 활 용하기 위해서는 약 50 MeV에서 200 MeV 정도의 에너 지를 갖는 양성자빔 발생이 필요하며, 이를 위해서는 기
존의 양성자 가속 기전(Target Normal Sheath Accel- eration, TNSA)과 다른 새로운 양성자 가속 기전(광압 가속, Radiation Pressure Acceleration: RPA)의 검증 이 필요하다. 이에 본 연구팀에서는 2012년 1 페타와트 레이저 빔라인(PULSER I)을 이용하여 광압효과를 이용 한 양성자 가속을 구현하고 최고 45 MeV의 에너지를 갖 는 양성자 빔을 발생시킨 바 있다. 이 실험 결과로부터 레 이저 기반 암치료기 개발이 한 발 더 가까워진 것으로 판 단된다. 현재 1.5 페타와트 레이저 빔라인(PULSER II) 를 이용한 양성자 가속 실험을 준비 중에 있으며, 약 130 MeV의 최대 에너지를 갖는 양성자빔 발생이 곧 가능할 것으로 예측하고 있다. 따라서 본 연구시설에서 발생된 고에너지 양성자 빔을 양성자 이미징과 양성자 암치료 기초 기술 개발에 활용할 예정에 있다.
4) 극초단 엑스선 발생과 나노 이미징 기술 개발
초강력 레이저를 이용하여 극초단 엑스선을 발생시키는 데에는 두 가지 방법이 주로 많이 사용된다. 첫 번째는 고가(High Z)의 이온으로 형성된 레이저-플라즈마에서 밀도 반전을 일으켜 발진시키는 엑스선 레이저가 있고, 다른 하나는 초강력 레이저에 의해 발생한 전자의 주 기적인 동적 움직임으로부터 발생된 고차 조화파(High harmonics)가 있다.
본 연구팀은 2006년부터 엑스선 레이저 개발 및 고차 조 화파 발생 연구를 진행하여 여러 가지 파장의 엑스선 레 이저 광원(13.9 nm, 32.8 nm, 41.8 nm) 및 4.9 nm의
고차 조화파 광원을 확보하였다. 엑스선 레이저 개발과 관련해서는 단일 펄스 주입 빗김각 입사 방식이라는 새 로운 방식을 개발하여, 기존의 엑스선 레이저 발진 기술 보다 광학계가 간단하고 안정적으로 작동하는 13.9 nm 파장의 엑스선 레이저를 개발하였다[7]. 특히 고차 조화 파 발생 연구와 관련해서는 fused silica라는 유리에 100 테라와트의 초강력 레이저 펄스를 조사하여 물 투과창 영역(water window region: 2.3~4.4 nm)에 가까운 4.9 nm의 극자외선 광원을 개발하였고, 관련 연구 결과 를 네이쳐 자매지(Nature Communications)[8]에 논문 으로 게재하였다. 이 연구 결과는 아토초(as) 영역 초고 속 극자외선 광원을 초고속 나노분자 현미경 개발에 활 용할 수 있는 전기를 마련한 것으로 평가되고 있다. 현재 에는 페타와트 빔라인을 이용하여 물 투과창 영역의 극 초단 광원을 개발하는 연구를 진행하고 있다.
극초단 엑스선 광원을 이용한 초고속 나노분자 현미경 개발에 대한 수요는 1990년대 이후 급속히 발전하는 나 노 기술과 큰 연관이 있다. 최근 들어 나노 기술이 고도 화됨에 따라 단순히 공간 영역에서의 나노 현상을 연구 하는 것을 넘어 나노 구조체의 동적 특성 연구에 대한 요 구도 높아지고 있다. 나노 입자 및 구조물의 동적 특성 은 매우 빠른 시간 영역에서 일어나는 현상이 많아 이를 시간적으로 분해하여 이해하는 데에 여러 가지 어려움이 있다. 따라서 선진국에서는 극초단 엑스선을 발생시키기 위해 4세대 방사광 가속기 구축을 진행하고 있다. 그러 나 4세대 방사광 가속기는 구축에만 수천억에서 1조원에
그림 4. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA를 이용한 최대 에너지 8 MeV 양성 자빔 가속 연구 결과
그림 5. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA를 이용하여 개발한 다양한 파장의 엑스선 레이저 스펙트럼
국가 대형 레이저 연구시설 소개
이르는 막대한 재원이 소요되며 이를 다양한 나노 동역학 연구에 적용하는 데에는 한계가 있다. 이와 달리 초강력 레이저를 이용하면 극초단 엑스선 광원을 실험실 수준의 소형 장비로 발생시킬 수 있어서 나노 동역학 연구에 그 응용성이 매우 뛰어날 것으로 전망하고 있다.
초강력 레이저를 이용해 발생시킨 엑스선 광원의 짧은 파 장과 짧은 펄스폭을 사용하면 나노미터 분해능을 갖는 초 고속 영상 기술을 개발할 수 있다. 이에 본 연구팀은 엑스 선 레이저의 결맞음성을 이용한 나노 이미징 연구를 수행 하였다. 엑스선 나노 이미징 기술을 시현하기 위해서 엑 스선 레이저의 결맞음성을 이용한 푸리에 홀로그램을 형 성하는 방법으로 나노 패턴의 이미지를 획득하였다. 이 와 같은 엑스선 푸리에 홀로그램 이미징 기술은 특별한 집속 광학계를 사용하지 않고 시편에서 회절 되는 영상 만을 이용하기 때문에 고품질의 집속 광학계를 구성하 기 힘든 엑스선 영역의 광원을 적용하기에 적합한 이미 징 방법이다. 본 연구팀에서는 단일펄스주입 빗김각 입사 방식을 이용하여 발생된 13.9 nm 파장의 엑스선 레이저 를 축구선수 형상의 나노 패턴, 탄소 나노튜브 등에 입사 시켜 최소 분해능 87 nm의 엑스선 영상을 얻은바 있다 [9]. 특히 본 연구는 엑스선 레이저 펄스를 단 한 차례만 조사하여 87 nm의 높은 분해능을 얻음으로 향후 고분해 능 시·분해 나노 이미징 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그림 6. 엑스선 레이저를 이용한 푸리에 변환 홀로그램 이미징 기술
5) 극초단 광양자빔 시설의 국제적 위상과 국내·외 공동연 구 현황
극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업의 사업 책임자 였던 필자는 2004년 OECD 국제과학포럼(Global Sci- ence Forum)에 의해 창설된 국제 순수 및 응용 물리 연 합의 실행 그룹인 국제초강력레이저 위원회(ICUIL: In-
ternational Committee on Ultrahigh Intensity La- sers) 및 아시아 고강도 레이저 네트워크 (AILN: Asian Intense Laser Network) 설립에 주도적으로 참여하여 한국의 초강력 레이저 연구 현황과 극초단 광양자빔 연 구시설을 적극적으로 홍보하여 왔다. 또한 2007년부터 2010년까지 아시안 고강도 레이저 네트워크의 위원장 으로 활동하면서 아시아 고강도 레이저 연구 협력을 주 도하였다. 이러한 활동들을 바탕으로 저명한 국제 학술 대회인 제 12회 International Conference on X-ray Lasers(ICXRL2010)와 제 4회 Asian Symposium on Intense Laser Science(ASILS-4)를 국내에 유치하여 극초단 광양자빔 연구시설 특수 연구동 성도홀(Sungdo Hall)에서 개최하였다.
특히 2010년 세계 최초로 30 펨토초 1 페타와트 레이저 시스템 개발 성공은 한국 과학기술의 우수성을 전 세계적 으로 알릴 수 있는 계기가 되었고, 이러한 성과를 바탕으 로 2011년 국제 초강력 레이저 연구센터(IZEST)의 전세 계 Associate Laboratory 중의 하나로 선정되었다. 2012 년 세계 기록의 1.5 페타와트 레이저 시스템 개발 성공은 극초단 광양자빔 연구시설이 국내외에 초강력 레이저 개 발 기술과 펨토과학 연구의 중심지임을 다시 한 번 전 세 계에 알리는 계기가 되었다.
극초단 광양자빔 연구시설은 2005년 100 테라와트 레이 저 시설(LiFSA)이 구축되고 난 후부터 국내외 유수의 연 구기관들과 공동연구를 통해서 활발히 교류하고 있다. 국 내에서는 한국과학기술원, 한국원자력연구원, 한양대학
그림 7. 국제초강력레이저위원회(ICUIL)에서 본 시설(UQBF: PULSER I & II)을 세계 주요 초강력 레이저 시설로 소개
교, 한국전기연구원 등 대학 및 출연연구소들과 펨토과 학 응용 연구 분야에서 다양한 공동 연구를 수행하고 있 으며, 국외에서는 영국, 독일, 프랑스, 체코 등의 유럽 뿐 만 아니라 일본, 중국, 대만, 이스라엘 등 동아시아 지역 의 최우수 연구진들이 초강력 레이저 개발 및 펨토과학 응용 실험분야에서 상호 협력하면서 국제공동연구를 진 행하고 있다.
극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업은 2012년 12 월로 구축 사업이 종료되었으며, 본 연구시설을 국가 대 형 연구시설로 운영[10,11,12]하기 위한 각종 준비가 완 료되었다. 특히 연구시설을 활용한 순수기초학문 분야 연구는 기초과학연구원 연구단 사업을 통해서 수행 중 에 있으며, 펨토초 레이저 기술의 상용화 및 산업응용 기술 개발은 지식경제부 정보통신기반구축사업을 통해 서 계속 수행할 예정에 있다. 현재 페타와트 레이저 시 설(PULSER)을 이용한 많은 공동 실험 제안과 함께 그 동안의 공동 연구결과들이 국내외 학회에 많이 발표되 고 있다.
극초단 광양자빔 연구시설 내의 페타와트 레이저 시스템 (LiFSA와 PULSER)은 현재 전 세계에서 정상 운영되고 있는 유일한 펨토초 페타와트 레이저 시스템으로서 국내 외의 최첨단 연구 수요를 만족시킬 수 있다. 앞으로 본 국가 대형 연구시설을 활용하여 국내외의 우수 연구그룹 과 지속적으로 공동연구를 수행한다면, 국내 연구시설을 활용해서 창의적이고 우수한 많은 연구 결과들을 창출해 낼 수 있을 것으로 기대해 본다.
결 론
1960년대 레이저가 처음 만들어졌을 때 많은 과학자들은 레이저의 효용성에 대해 반신반의 했다. 그러나 현재 레 이저는 광통신, 정밀 측정, 정밀 가공 등 수많은 분야에 서 필수적인 도구가 되었다. 이제까지 많은 학자와 연구 자들은 20세기가 전자공학의 세기였다면, 21세기는 광 자공학의 세기가 될 것이라고 예측하여 왔다.
극초단 광양자빔 국가 대형 연구시설은 세계 최초 최고 의 펨토초 페타와트 초강력 레이저 시설로서 21세기를 이끌어갈 국가 핵심 연구시설이다. 본 연구시설을 활용 하면, 초강력 레이저 빛 뿐 만 아니라 전자/양성자/중이 온/X-선/테라헤르츠선(T-ray) 등의 다양한 2차 선원 (Secondary Source)들을 발생시킬 수 있고 이를 이용 해서 물질의 극미세 초고속 현상을 탐구할 수 있는 시·
공간 극한 과학 기술인 펨토-나노 과학 기술을 개척할 수 있다.
또한 극초단 광양자빔 연구시설의 출력을 지속적으로 향 상하여 10 페타와트(PW) 이상의 출력을 갖는 초강력 레 이저를 개발하게 되면, 극초단 감마선을 이용한 핵물리 동역학 연구, 진공의 비선형 광학 현상 관측, 양전자 생 성, 암흑 물질 관측 등 레이저 기반 입자 물리학 연구, 우 주 플라즈마의 실험실 내 재현을 통한 우주 물리 현상 연 구 등등 인류가 풀어내야 할 물리의 기본 현상들인 극한 과학(Extreme Science)을 소규모 실험실 수준에서 연구 할 수 있는 기회를 제공할 것으로 예측하고 있다.
그림 8. 본 연구 시설(UQBF)이 IZEST의 11개 Associate Laboratory중 하나로 선정 됨(2011년).
그림 9. 극초단 광양자빔 연구 시설(UQBF)을 이용한 다양한 연구 및 응용 기술 분야
국가 대형 레이저 연구시설 소개
기초과학과 기반기술 연구는 초기에는 투자대비 효과가 미미한 것 같아 보이지만 과학기술 분야 저변 확대, 근본 원리 및 개념 이해, 이로부터 파생되는 응용 기술 개발 등 을 놓고 볼 때 과학기술 강국으로 나아가기 위해서는 국 가가 반드시 지속적 투자를 해야 하는 분야이다. 우리는 지난 100여 년 동안 국제 정세의 시류와 방향에 어두워 서 수많은 시행착오와 힘든 경험의 역사가 있다. 과학기 술 분야에서도 이와 같은 역사적 경험을 되풀이하지 않기 위해서는 기초과학 분야 연구에 충실하고 신학문 개척에 적극 나서야 할 때다.
다행히 펨토초 초강력 레이저와 이를 이용한 펨토과학기 술 분야는 극초단 광양자빔 연구시설의 성공적 구축으로 그 초석이 놓여졌다. 그러나 이에 만족하지 않고 지속적 으로 세계 최고 수준의 초고출력 레이저 개발 및 응용 연 구를 진행한다면, 우리나라는 향후 세계 최고의 과학기술 성과를 달성할 수 있을 것이며, 또한 펨토과학 응용기술 분야에서도 우리나라가 진정한 과학기술 강국으로 거듭 날 수 있을 것이다. 머지않은 장래에 펨토과학 분야에서 한국의 노벨상 수상자가 탄생하게 되는 것도 그리 어려운 일은 아니라고 생각한다.
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이종민
서울대학교 문리과대학 물리학과를 졸업하고 동 대학원에서 석 사학위를 취득했으며, 고려대학교 대학원 물리학과에서 박사 학위를 취득했다. 아시아초강력레이저위원회 부위원장, 위원장 (2004~2010), 국제초강력레이저위원회 위원(2003~현재), 한국 광학회 부회장, 회장(1999~2001), 국방과학연구소 전자광학실장 (1973~1986), 한국원자력연구소 부장, 본부장, 단장(1986~2001), 광주과학기술원 신소재공학과 교수 및 고등광기술연구소 소장 (2001~2008)을 역임했다. 지난 2012년에는 국가 대형 연구시설 구축사업인 극초단 광양자빔 연구시설 구축 및 운영 사업 책임자 (2003~2012)로 세계 최고 기록의 페타와트 초강력 레이저 연구시 설을 구축 완료했다. 2008년부터 광주과학기술원 석좌교수로 재 직했으며, OSA 및 SPIE 펠로우로 활동하고 있다.
사업분야 - 광학설계 제작
- 무편심 조립 기술을 이용한 초정밀 광축조정 - Line CCD용 AOI렌즈(고정초점, 줌렌즈) - Wafer 검사용 광학계( NA0.8, 365nm ) - 대면적 평행광 노광렌즈
- LDI ( Mask-Less ) 노광렌즈 - Anamorphic 노광렌즈
- 입체 카메라, 입체프로젝터, 입체현미경, 입체내시경 - 지문인식 렌즈
- 내방사선 감시렌즈 신규사업 준비 중
- UV, NUV Long Working 현미경 대물렌즈 (50x, NA 0.8 ) - 대면적(최대구경 1m 이상) 초정밀 비구면 렌즈 가공 - 간섭계, 편심현미경 등 광학 계측장비
특허 등록 20건, 출원 중 10건 개발 진행 제품
AOI Lens Line up
PRO OPTICS
Line CCD AOI Lens 배율
가변초점
1035x 4k 7㎛ 1.0~3.5x
0310x 12k 5.2㎛ 0.3~1.0x 0916x 8k 7㎛ 동축조명 30t 0.9~1.6x
줌 렌즈
0916x 8k 7㎛ 동축조명 30t 0.9~1.6x 1428x 8k 7㎛ 동축조명 30t 1.4~2.8x 3050x 2k 10㎛ 동축조명 10t 3.0~5.0x
고정초점
0.38x 12k 7㎛ 0.35~0.43x 0.53x 12k 7㎛ 0.5~0.57x
DT1.0x 4k 7㎛ 1.0x
DT1.273x 8k 7㎛ 1.273x
1.25x 12k 7㎛ 1.1~1.4x
2.6xDual 8k 7㎛ 2.6x
2.6xDual 12k 5.2㎛ 2.6x
4.5x 8k 7㎛ 4.5x
7.5x 3k 9㎛ 7.5x
Line 조명렌즈 조명 방식 조명영역
10t L90 Line Type( 90 mm) 60 x 2 mm 10t L110 Line Type(110 mm) 80 x 2 mm 30t L90 Line Type( 90 mm) 60 x 4 mm 30t L110 Line Type(110 mm) 80 x 4 mm
Line CCD AOI Lens 배율
가변초점
0105x 16k 5㎛ 0.1~0.5x
0105x 16k 5㎛ 동축조명 0.1~0.5x
0510x 16k 5㎛ 0.5~1.0x
0510x 16k 5㎛ 동축조명 0.5~1.0x
0916x 16k 5㎛ 0.9~1.6x
0916x 16k 5㎛ 동축조명 0.9~1.6x
1428x 16k 5㎛ 1.4~2.8x
1428x 16k 5㎛ 동축조명 1.4~2.8x
