IBS 연구단, 극초단 레이저 펄스 파형 측정법 '팁토' 개발
IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 초강력 레이저과학 연구단(단장 남창희)의 아토과학그룹(그룹리더 김경택)이 빛 입자의 전기장에 의해 원자가 이온화되는 현상을 이용해 레이저 빛의 모양을 관찰하는 데 성공했다고 9일 밝혔다.
이는 공기를 매질로 이용하므로 빛의 모양을 공기 중에서 측정할 수 있는 실용적인 측정 방법이다. 기존의 레이저 측정법으로는 관찰할 수 없었던 짧은 진동 폭의 레이저까지 확인할 수 있다.
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 있다. 레이저 공학 분야에서 이러한 파형 측정은 중요하다.
빛과 물질의 상호작용 연구에는 매우 짧은 펄스(맥박처럼 짧은 시간에 생기는 진동) 폭을 지니는 극초단 레이저가 널리 이용된다.
하지만 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.
| ◆ 단어설명 이차조화파 생성 현상 이용법1) : 이차조화파 생성 현상은 레이저 빛이 BaB2O4 등의 비등방성 물질을 투과할 때 레이저 빛의 주파수가 2배로 변화하는 현상이다. 기존에 알려진 레이저 펄스 측정방법에서는 이차조화파 생성 현상을 이용해 제한된 파장 영역에서 레이저 펄스를 측정할 수 있었다. 엑스선 펄스 활용법2) : 엑스선 펄스 활용법에서는 극히 짧은 엑스선 펄스를 만들어 레이저 펄스를 측정한다. 고차조화파 현상을 이용해 엑스선 펄스를 만들기 때문에 진공 중에서만 적용할 수 있다. |
연구팀은 극초단 레이저 펄스를 두 가지 종류의 펄스 즉, 전기장이 강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스로 나누어 시차를 두고 공기 분자에 이들을 겹쳐 입사시키는 방법을 개발했다.
이는 '전기장의 시간 변화측정을 위한 터널링 이온화' 방법으로 '팁토(TIPTOE)'라 부른다. 전기장이 강한 것과 약한 것을 시차를 두고 공기분자에 입사해 생기는 이온 변화량으로 레이저 펄스의 모양을 가늠하는 방식이다.
세기가 다른 두 종류의 펄스 진동을 겹치면 200아토초(100경분의 1초)의 짧은 시간 동안 공기 분자에서 터널링 이온화현상이 발생하는데 이온화 변화량 그래프가 극초단 레이저 펄스의 파형과 같다.
연구팀은 팁토 측정법을 검증하기 위해 기존의 방법인 엑스선 레이저 활용법으로 극초단 레이저 파형을 측정해 팁토 측정 결과와 비교했다. 그 결과 두 측정에서 모두 같은 모양의 파형을 얻어 새롭게 개발된 팁토 측정법이 정확하게 작동함을 실험적으로 입증했다.
김경택 그룹리더는 "기존의 기술로 측정이 어려웠던 극히 짧은 극초단 레이저 펄스를 측정할 수 있는 방법을 찾았다"라며 "이 측정 기술은 극한의 영역에서 빛과 물질의 상호작용 연구하는 데 있어 중요한 도구가 될 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 미국 광학회 '옵티카(Optica, IF 7.727)'에 미국 시간으로 지난달 2일 자로 게재됐다.
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