기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 초강력 레이저과학 연구단(단장 남창희, GIST 물리광과학과 교수)의 아토과학그룹(그룹리더 김경택, GIST 물리광과학과 교수)은 빛 입자의 전기장에 의해 원자가 이온화되는 현상을 이용, 레이저 빛의 모양을 관찰하는 데 성공했다. 공기를 매질로 이용하기 때문에 빛의 모양을 공기 중에서 측정할 수 있는 매우 실용적인 측정 방법이며, 기존의 레이저 측정법으로는 관찰할 수 없었던 매우 짧은 진동 폭의 레이저까지도 확인했다.

레이저는 전자기파의 일종으로, 전기장과 자기장이 서로 통합돼 너울거리는 모양을 띠고 있다. 전자기파가 너울거리는 진동 모양 즉 파형은 레이저 빛 자체에 대한 정보뿐만 아니라 레이저 빛이 다른 물질을 만나 상호작용하는 정보까지 포함하고 있어 레이저 공학 분야에서 이러한 파형 측정은 매우 중요하다.

빛과 물질의 상호작용 연구에는 매우 짧은 펄스(맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동) 폭을 지니는 극초단 레이저가 널리 이용되는데, 기존의 방법으로는 측정할 수 있는 레이저의 색상에 제한이 있거나(이차조화파 생성 현상 이용법¹⁾) 실험 환경 조성이 까다로워(엑스선 펄스 활용법²⁾) 레이저 파형 측정에 한계가 있었다.

이에 따라 IBS 초강력 레이저과학 연구단 연구팀은 극초단 레이저 펄스를 두 가지 종류의 펄스 즉, 전기장이 강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스로 나누어 시간차를 두고 공기 분자에 이들을 겹쳐 입사시키는 방법을 개발했다(영상1 참고). 연구진이 개발한 이 방법은 ‘전기장의 시간변화측정을 위한 터널링 이온화’(Tunneling ionization with a perturbation for the time-domain observation of an electric field) 방법 즉, ‘팁토(TIPTOE)’라 부른다.

팁토 기술의 원리는 다음과 같다. 강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스로 나누어 시간차를 두어 공기분자에 극초단 레이저를 입사시키면 이 두 종류 펄스의 진동 모양이 겹쳐져 보다 강한 세기의 전기장이 형성되는 극히 짧은 찰나에(200 아토초³⁾), 레이저가 입사된 공기 분자에서는 전자가 분자 표면에 굴을 뚫고 밖으로 빠져나와 이온화되는 터널링 이온화 현상이 발생한다. 공기 분자에 입사시키는 레이저 펄스의 전기장 세기가 클수록 공기 분자의 이온화량도 증가해, 이온화의 변화량을 통해 극초단 레이저 펄스의 전기장 세기 변화를 측정하는 원리다.

▲ 팁토(TIPTOE) 기술 모식도 - 팁토 기술을 검증하기 위해 사용한 실험 장치를 구현


▲ 팁토(TIPTOE) 기술 모식도 - 간단히 적용할 수 있는 팁토 측정의 모식도극초단 레이저 빔을 특수한 거울을 통해 강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스로 나누고(위의 그림에서는 EF 와 ES에 해당), 두 종류의 레이저 펄스를 시간차를 두어 겹치는 방식으로 공기 매질에 입사시킨다. 공기분자에서는 터널링 이온화 현상이 일어나는데, 위의 그림에서는 금속판(Metal Plates), 아래 그림에서는 이온 수집기(Ion collector)에서 이온화 변화량을 측정한다. 여기서 이온화 변화량은 극초단 레이저의 전기장 세기 변화에 따라 같은 파형을 이루기 때문에 터널링 이온화 변화량의 모양을 통해 우리가 알고자 하는 레이저 펄스의 빛 모양을 역으로 측정할 수 있다.

강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스의 시간차에 따라 전기장 세기는 변화하는데, 두 레이저 펄스가 겹쳐지는 시간차에 따라 두 레이저 펄스의 진동 폭이 더해지면 전기장이 세져 공기 분자에서의 터널링 이온화가 증가하고, 반대로 두 레이저 펄스의 진동 모양이 어긋나면 전기장의 세기가 상쇄돼 이온화도 감소한다. 때문에 공기 분자에서의 이온화 변화량의 그래프는 극초단 레이저 펄스의 파형과 같아진다. 즉, 터널링 이온화 변화량의 모양을 통해 우리가 알고자 하는 레이저 펄스의 빛 모양을 역으로 측정할 수 있는 것이다(영상2 참고).

연구진은 팁토 측정법을 검증하기 위해 기존의 방법인 엑스선 레이저 활용법으로 극초단 레이저 파형을 측정해 팁토 측정의 결과와 비교하였다. 그 결과, 두 측정에서 모두 같은 모양의 파형을 얻어 새롭게 개발된 팁토 측정법이 정확하게 작동함을 실험적으로 입증하였다.

김경택 그룹리더는 “기존의 기술로 측정이 어려웠던 극히 짧은 극초단 레이저 펄스를 측정할 수 있는 방법을 찾았다. 이 측정 기술은 극한의 영역에서 빛과 물질의 상호작용 연구하는데 있어 중요한 도구가 될 것”이라 말했다. 기초과학연구원에서는 이 연구에서 검증된 팁토 기술과 관련된 특허를 보유하고 있으며, 이미 복수의 레이저관련 전문 업체로부터 기술이전 및 사업화를 제안 받았다.

이번 연구결과는 미국 광학회 옵티카 (Optica, IF 7.727)誌 에 미국 시간으로 4월 2일에 게재 (DOI:10.1364/OPTICA.5.000402)됐다.

1. 이차조화파 생성 현상 이용법 : 이차조화파 생성 현상은 레이저 빛이 BaB₂O₄ 등의 비등방성 물질을 투과할때 레이저 빛의 주파수가 2배로 변화하는 현상이다. 기존에 알려진 레이저 펄스 측정방법에서는 이차조화파 생성 현상을 이용해 제한된 파장영역에서 레이저 펄스를 측정할 수 있었다.

2. 엑스선 펄스 활용법 : 엑스선 펄스 활용법에서는 극히 짧은 엑스선 펄스를 만들어 레이저 펄스를 측정한다. 고차조화파 현상을 이용해 엑스선 펄스를 만들기 때문에 진공 중에서만 적용할 수 있다..

3. 아토초 : 극세 시간을 나타내는 단위. 1 아토초(attosecond)는 10^-18(100경분의 1)초이다.