화학 물질이 합성되고 분해되는 과정이나 세포 안에서 DNA가 움직이는 과정은 나노(10억분의 1)미터라는 극히 작은 공간 영역 안에서 펨토(1000조분의 1)초나 피코(1조분의 1)초라는 극히 짧은 시간 영역 안에서 이루어진다. 눈 깜빡 할 사이가 대략 40분의 1초라면 나노 공간속에 일어나는 자연현상들은 이와 비교도 안 될 정도로 빠르다. 이러한 초고속 현상을 관찰하기 위해서는 일반적인 영상 촬영 기술로는 불가능하며 극히 짧은 펄스를 만들 수 있는 초고속 고출력 레이저 기술이 필요하다. 태양이나 형광등 같은 일상의 빛은 연속적으로 발생되지만 초고속 펄스 레이저 발생 기술은 빛을 펨토초란 아주 짧은 시간동안만 깜빡이게 만들 수 있다. 이 같은 펨토초 레이저 발생 기술로 말미암아 찰나(刹那)의 순간에 일어나는 분자의 움직임을 촬영할 수 있게 되었으며 1999년 이집트 과학자 즈웨일(Zwail)이 이 공로로 노벨상을 수상하였다. 펨토초 레이저 기술은 찰나의 순간을 보는 기술 발전뿐만 아니라 초강력 레이저 기술의 발전에도 혁명을 가져다준 중요한 기술이다. 1줄(J)의 에너지를 1초 동안 방출하는 레이저는 출력이 1와트(W)이다. 만약 같은 1줄의 에너지를 1펨토초 동안 방출하면 레이저의 출력은 전 세계 총 발전 용량의 100배이상인 1페타(1000조)와트란 어마어마한 양이 된다. 광주과학기술원 고등광기술연구소 레이저연구실(실장 정태문)에서는 이러한 펨토 레이저 기술을 이용해 국내 최고 수준인 100테라(100조)와트짜리 초고출력 레이저를 가동하고 있다. 이 초고출력 레이저를 마이크로미터의 작은 공간에 집속하면 1021W/cm2란 초강력 레이저 빔을 발생할 수 있다. 초강력 레이저빔을 특정 물질에 쏘면 원자 속에 있는 전자나 양성자를 순간적으로 빛의 속도에 가깝게 가속시킬 수 있다. 펨토초 초강력 레이저와 특정 물질간의 상호 작용을 잘 제어하면 양성자 빔, 전자 빔, 엑스선 같은 다양한 방사선이 펨토초 또는 피코초란 아주 짧은 시간동안 발생할 수 있게 된다. 정태문 실장은 “이러한 방사선을 통해 기존의 기술로는 관찰할 수 없었던 찰나의 순간에 일어나는 분자 화학 반응 과정을 촬영하거나 물질 내부의 보이지 않는 미세한 구조를 파악하거나 생체 내부에 있는 암 덩어리를 골라 파괴하는데 사용할 수 있다. 이를 가능하게 하는 것이 바로 펨토초 초강력 레이저 기술이다.”며 “이러한 방사선의 발생 효율과 성능을 개선하기 위해 100테라와트보다 더 높은 페타와트 레이저도 거의 완성 단계에 접어들었다”고 말했다. 그는 “고등광기술연구소 초강력 레이저 연구 시설은 빛을 발생시키고 이를 증폭시키는 장치들과 이를 작은 공간에 집속하여 초강력 레이저 빔을 발생하는 장치들로 이뤄진 하나의 복합 연구 시설”이라며 “기존의 미국 스탠퍼드 가속기나 포항 가속기 연구시설들은 전자를 가속시키기 위해 수 킬로미터에 이르는 거대한 규모의 시설이 필요하지만 펨토초 초강력 레이저 기술을 이용하면 단지 수 센티미터의 작은 거리로도 기존의 전자 가속기와 같은 입자 가속기 개발이 가능하다. 이뿐 아니라 양성자, 전자, 엑스선 등과 같은 다양한 방사선을 하나의 연구시설에서 발생하여 보다 더 다양한 연구를 할 수 있다.”고 덧붙였다. |
페타와트급 출력의 레이저 개발은 세계 최초로 미국·일본·유럽 등의 연구진을 제치고 초강력 레이저 개발 경쟁에서 우위를 차지한 값진 연구결과로 평가받고 있다. 이 같은 연구결과는 지난 2000년 초 일본광양자연구센터가 기록한 세계 최고기록 0.87 페타와트를 갱신한 것으로 광학 및 레이저 분야 최고 전문지인 옵틱스 레터스(Optics Letters)에 지난 9월 15일자에 소개됐다. 연구팀이 채택한 타이타늄 사파이어 레이저를 이용한 초강력 레이저 제작과 이를 이용한 펨토과학 기술은 향후 노벨상 수상이 유력한 분야로 꼽히고 있다. 특히 연구팀은 기존 핵융합을 발생시키는 네오디뮴 글래스(Nd Glass)를 이용한 페타와트급 출력이 나노초(10억분의 1초)인데 반해 이 보다 100만배 더 짧은 펨토초에 최고 출력을 달성했다는 점에서 의미가 있다. 이 같은 펨토초 초강력 레이저를 물체에 입사시켜 발생하는 다양한 방사선원을 이용할 경우 너무 작고 빨라서 눈으로 볼 수 없는 미시 세계의 현상을 관찰할 수 있게 된다. 또 원자 · 전자 · 반물질 · 쿼크 등의 입자들의 생성과 가속, 우주 천체 물리, 핵물리 등의 관련 분야 및 학문 발전에도 크게 기여할 수 있다. 정 실장은 “펨토초 초강력 레이저는 펄스폭이 아주 짧아 작은 실내체육관 규모에서도 출력을 낼 수 있는 차세대 레이저 시스템”이라며 “펨토초 초강력 레이저를 이용해 초소형 전자가속기 실용화 개발, 의료용 소형 양성자 및 이온 가속기 실용화 개발, 의료 및 과학용 고분해능 X선 레이저 현미경 실용화 개발, X선 레이저 실용화 및 응용 기술 개발 등에 적극 나설 것”이라고 말했다. 더타임스 - 마태식 |
