다양한 파장과 광 특성을 가진 레이저 개발이 가능해 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등의 분야 활용에 기대
(대전=세종충청뉴스) 송윤영 기자 = KAIST는 물리학과 박용근, 이상민, 신소재공학과 김도경 교수 공동연구팀이 기존에는 활용할 수 없었던 소자와 재료로 레이저를 구현할 수 있는 새로운 비공진 방식의 레이저 제작기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
일반적인 레이저는 거울 등을 이용해 빛을 가두는 구조(공진기) 내부에 빛을 증폭시키는 레이저 소재(이득 물질)을 배치하는 방식이다. 하지만 공진기 내부에서 빛의 경로가 일정하게 유지돼야 레이저가 작동하기 때문에, 매우 투명한 크리스탈 구조의 이득 물질에서만 레이저가 구현될 수 있었다. 따라서 자연계에 존재하는 많은 재료 중에 투명한 크리스탈로 제작할 수 있는 특수한 레이저 소재들만 활용됐다.
연구팀은 불투명한 이득 물질에서도 빛을 가둘 수 있는 공진기 구조를 내부에 만드는 새로운 방식의 레이저를 개발했다. 마치 `통발' 형태의 공간에서 빛이 갇힌 채로 주변 이득 물질에 의해 계속 산란되면서 증폭되는 원리다. 이 새로운 레이저는 이득 물질이 꼭 투명할 필요가 없으므로 기존에 이득 물질로 사용되지 못했던 다양한 불투명 소재들을 활용해 새로운 레이저를 만들 수 있다.
KAIST 물리학과 이겨레 박사, 신소재공학과 마호진 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 4일 字 출판됐다. (논문명 : Non-resonant power-efficient directional Nd:YAG ceramic laser using a scattering cavity).
박용근 교수 연구팀은 크리스탈 구조로 만들 수 없는 소재로 레이저를 구현하기 위해 공진기 사방을 모두 산란체로 막는 아이디어를 구상했다. 물고기 통발의 구조처럼 산란체로 사방이 막혀있고 좁은 입구를 가진 `빛 통발' 형태의 텅 빈 공간을 공진기로 활용하는 아이디어다.
연구팀은 불투명한 이득 물질로 제작된 산란체 내부에 작은 공간을 파내어 레이저 공진 공간을 만들었다. 이렇게 만들어진 구형 공간의 벽면에서 빛이 반사될 때마다 증폭하도록 만들어졌다.
연구팀은 제안한 형태의 `빛 통발'에서 성공적인 레이저 발진을 구현하는 데 성공했다. 3차원 공간에서 무작위로 형성되는 공동 내 빛의 경로 때문에, 구현된 레이저는 일반적인 공진(resonant) 기반 레이저와 다르게 비공진(non-resonant) 형태로 발진 됐다.
연구팀이 개발한 레이저의 가장 큰 특징은 투명한 이득 물질을 필요로 하지 않는다는 점이다. 불투명한 성질 때문에 기존 레이저 이득 물질로 활용되지 못했던 소재들을 활용해 더욱 다양한 레이저 개발이 가능할 것으로 기대된다. 기존에 활용되지 못하던 새로운 소재를 레이저 이득 물질로 활용할 수 있으므로 레이저에서 나오는 빛의 파장을 크게 확장할 수 있고, 국방 목적과 같은 고출력 레이저로도 활용될 수 있다.
공동 제1 저자이자 교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 "구현한 레이저는 비공진 레이저이면서 동시에 높은 에너지 효율과 방향성을 가지는 것이 장점이다. 또한, 고된 소재의 결정화 과정 없이도 효율적인 레이저를 제작할 수 있다면 이득 물질로 사용될 수 있는 소재의 폭이 월등히 넓어질 것ˮ이라며 "기존에는 레이저로 활용하지 못했던 새로운 재료로 레이저를 발진시킬 수 있어 다양한 파장과 광 특성을 가진 새로운 레이저 소자 개발이 가능하고 이를 활용하면 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 여러 분야로 적용이 가능할 것으로 기대한다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
비공진 레이저 (non-resonant laser)는 공진기 (resonator)를 사용하는 일반적인 레이저와는 다르게 비공진 (non-resonant) 피드백을 이용한 레이저이다. 일반적으로 비공진 피드백은 레이저 공진기 내부에 산란체를 추가하여 얻게 되는데, 캐비티 내부에 무수히 많은 광경로를 제공하여 빛이 캐비티 외부로 나가기까지 닫힌 경로를 구축하지 못하게 한다. 비공진 레이저의 가장 큰 장점은 불투명한 증폭 매질을 활용할 수 있다는 점이다.
따라서 기존 레이저에는 활용할 수 없었던 파우더, 필름, 세라믹 형태의 이득 물질 (gain material)을 활용할 수 있고, 이는 자외선 (UV)나 테라헤르츠 (THz) 영역 등 새로운 파장에서의 레이저 개발에 큰 도움을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 기존 활용되던 이득 매질의 경우에도 결정화 (crystallization) 과정을 거치지 않고 레이저를 구성할 수 있다면 경제적인 측면에서도 많은 효과를 기대할 수 있다.
그런데도 비공진 레이저가 활용되지 못하는 이유는 역시 비공진 피드백을 구성하기 위해 추가된 산란체 때문이다. 많은 경우, 캐비티 내부의 산란체는 캐비티 외부로도 직접적으로 빛을 전달하므로 매우 큰 빛 손실이 일어나게 된다. 그렇기에 많은 비공진 레이저는 매우 낮은 에너지 효율을 가지고 있다. 또한 대부분의 산란체는 빛의 진행 방향을 모든 방향으로 확산시키는데 그로 인해 많은 경우 발진되는 빛은 매우 낮은 공간 결맞음 (spatial coherence)을 가진다. 높은 공간 결맞음으로 인한 높은 직진성 (directionality)은 레이저가 여타 광원으로 대체될 수 없는 가장 큰 이유 중 하나이므로, 비공진 레이저는 매우 특수한 상황을 제외하면 LED나 램프 등 기존 비결맞음 (incoherent) 광원으로 대체될 수 있었다.
2. 연구 내용
본 연구에서는 물고기 통발에서 착안하여, 좁은 입구와 넓은 내부공간으로 이루어진 ‘빛 통발’형태의 레이저 캐비티를 제안 및 제작하였다. 좁은 입구를 제외한 사방이 산란체로 둘러싸인 구형 캐비티는 내부 벽면이 산란 이득 물질 (scattering gain medium)로 이루어져, 높은 반사율을 통한 빛의 (캐비티 내부로의) 집속과 빛의 증폭을 동시에 달성할 수 있도록 설계되었다.
해당 캐비티의 형태는 펌핑 빛 (pumping light)과 방출 빛 (emission light)에 서로 다르게 작동한다. 먼저 펌핑 빛의 경우, 제안된 캐비티는 물고기 통발과 매우 유사하게 작동한다. 좁은 입구를 통해 내부로 진입한 펌핑 빛은, 내부 공간이 넓어짐에 따라 좁은 입구를 통해 되돌아 나갈 확률이 매우 희박해진다. 내부 벽면을 이루고 있는 산란 이득 물질은 펌핑 빛을 흡수하므로, 펌핑 빛은 벽면에서 반사가 진행될 때마다 에너지를 잃게 되어 결국 들어온 펌핑 에너지 대부분이 이득 물질로 온전하게 전달될 수 있다.
방출 빛의 경우, 좁은 입구를 통해 나갈 수 확률이 적은 것은 같지만 펌핑 빛과는 반대로 매 벽면 반사 시에 산란 이득 물질에 의해 증폭되어 계속 그 세기가 강해지게 된다. 결국, 방출 빛은 생성되는 빛의 양이 좁은 입구를 통해 되돌아 나가는 빛의 양과 같아지는 순간까지 캐비티 내부에서 증폭되게 되며, 이는 곧 생성되는 빛 에너지가 모두 좁은 입구를 통해 배출된다는 뜻이다. 위 기작에 따라, 제안하는 캐비티 형태는 높은 펌핑 효율과 낮은 캐비티 손실을 동시에 달성할 수 있으며 결과적으로 기존의 비공진 레이저는 물론 일반적인 레이저에 비해서도 높은 수준의 에너지 효율을 달성할 수 있다.
제안하는 캐비티 형태의 또 다른 장점은 외부로 발진 되는 레이저 빛의 방향과 공간 결맞음 정도를 각각 입구의 방향과 크기를 통해 조절할 수 있다는 점이다. 제안하는 캐비티의 내부는 산란체를 포함하고 있으므로 기존 비공진 레이저와 같이 모든 방향으로 빛이 진행하게 된다. 그러나 제안된 캐비티의 형태는 입구를 제외한 모든 3차원상의 방향이 모두 산란체로 인해 막혀있어서 외부로 발진 되는 빛에 매우 특정한 방향성을 부여할 수 있다. 이때 입구의 크기가 작을수록 입구에 할당할 수 있는 공간상의 모드 (spatial modes) 개수가 줄어들어 더욱 높은 공간 결맞음을 구현할 수 있게 된다.
3. 기대 효과
제안하는 캐비티는 기존 비공진 레이저의 단점을 보완하면서도 동시에 불투명한 이득 물질을 사용할 수 있다는 장점을 잃지 않는다. 투명한 형태로의 제작이 어려워 레이저로써 활용될 수 없었던 이득 물질들을 활용하여 새로운 대역에서의 레이저를 제작할 수 있을 것으로 기대한다. 기존에 활용되던 이득 물질이라 하더라도, 고된 결정화 과정을 거치지 않고도 값싸고 간편하게 레이저 제작이 가능하다는 측면에서, 많은 경우에 기존 레이저의 훌륭한 대안으로서 자리 잡을 수 있으리라 생각한다.
