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KAIST, 불투명 소재로도 레이저 만드는 기술 개발

입력 : 2021.01.14 12:20

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[헬로티]


KAIST(물리학과 박용근, 이상민, 신소재공학과 김도경 교수 공동연구팀)가 기존에는 활용할 수 없었던 소자와 재료로 레이저를 구현할 수 있는 새로운 비공진 방식의 레이저 제작기술을 개발했다.


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 4일자 출판됐다. (논문명 : Non-resonant power-efficient directional Nd:YAG ceramic laser using a scattering cavity).


▲아이디어 모식도. 기존 물고기 통발(왼쪽)과 제안하는 ‘빛 통발’ 형태의 비공진 레이저 캐비티(오른쪽). 펌핑빛(초록색) 은 좁은 입구로 들어와 빠져나가지 못하고 이득 물질로 이루어진 캐비티 벽면에 모두 흡수되는 반면, 방출 빛(빨간색)은 반대로 벽면에서 반사될 때마다 증폭되며 살아남아 결국 입구를 찾아 나가게 된다.


▲Nd:YAG 세라믹 산란체 제작. (왼쪽 위부터 시계방향으로) 합성된 Nd:YAG 파우더와 고해상도 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 이미지, 측정된 엑스선 회절 결과(검은색)와 알려진 YAG의 회절 결과(빨간색), 제작된 Nd:YAG 세라믹 산란체 사진, 표면 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지.


▲실험에서 구현한 ‘빛 통발’ 형태의 레이저 캐비티. 이득물질로 제작한 산란체 표면에 반구 형태의 캐비티와 반원통 형태의 채널을 제작하였다. 채널에 광섬유를 위치시켜 캐비티와 외부가 직접적으로 연결될 수 있도록 하였고, 같게 제작한 반대쪽 반구를 맞대어 구형 캐비티를 완성하였다.


박용근 교수 연구팀은 불투명한 이득 물질로 제작된 산란체 내부에 작은 공간을 파내어 레이저 공진 공간을 만들었다. 이렇게 만들어진 구형 공간의 벽면에서 빛이 반사될 때마다 증폭하도록 만들어졌다.


3차원 공간에서 무작위로 형성되는 공동 내 빛의 경로 때문에, 구현된 레이저는 일반적인 공진(resonant) 기반 레이저와 다르게 비공진(non-resonant) 형태로 발진 됐다.


KAIST 물리학과 이겨레 박사는 “구현한 레이저는 비공진 레이저이면서 동시에 높은 에너지 효율과 방향성을 가지는 것이 장점이다. 다양한 파장과 광 특성을 가진 새로운 레이저 소자 개발이 가능하고 이를 활용하면 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 여러 분야로 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

/조상록 기자(mandt@hellot.net)

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