'불투명' 빛 통발로 레이저 쏜다

새로운 소자와 재료로 비공진 레이저 구현
다양한 파장과 광 특성을 가진 레이저 개발 가능
의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 활용 기대

실험에서 구현한 빛 통발 형태의 레이저 캐비티

[아시아경제 황준호 기자] 파우더, 필름, 세라믹 등 다양한 형태의 소재를 활용해 레이저를 만드는 기술이 개발됐다.

통상 레이저는 크리스탈과 같은 투명물질 구조를 통해 빛을 증폭시켜 쏘는데, 투명하지 않아도 레이저를 발생시킬 수 있는 방법을 찾은 것이다. 이를 활용하면 자외선, 테라헤르츠 영역 등 다양한 파장에서의 레이저 개발이 가능해 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.

한국과학기술원은 박용근·이상민 물리학과 교수, 김도경 신소재공학과 교수 등이 참여한 연구팀이 새로운 비공진 방식의 레이저 제작기술을 개발해, 연구 성과가 국제 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션스에 실렸다고 12일 밝혔다.

불투명한 소재로 레이저 발생

아이디어 모식도

일반적으로 레이저는 거울 등을 이용해 빛을 가두는 공진기 내부에 빛을 증폭하는 레이저 소재(이득 물질)를 배치하는 방식으로 구성돼 있다. 다만 레이저를 발생시키기 위해서는 공진기 내부에 빛의 경로가 일정하게 유지돼야 한다. 이에 따라 매우 투명한 크리스탈 구조의 이득 물질을 사용해왔다.

연구팀은 크리스탈 구조로 만들 수 없는 소재로 레이저를 구현하기 위해 공진기 사방을 모두 산란체로 막는 아이디어를 구상했다. 물고기 통발의 구조처럼 산란체로 사방이 막혀 있고 좁은 입구를 가진 '빛 통발' 형태의 텅 빈 공간을 공진기로 활용하는 것이다. 연구팀은 불투명한 이득 물질로 제작된 산란체 내부에 작은 공간을 파내어 레이저 공진 공간을 만들었다. 빛은 이렇게 만들어진 구형 공간의 벽면에서 반사될 때마다 증폭해 레이저를 구현했다. 구현된 레이저는 3차원 공간에서 무작위로 형성되는 공동 내 빛의 경로로 인해 일반적인 공진(resonant) 기반 레이저와 다르게 비공진(non-resonant) 형태로 발진됐다.

의료, 산업, 국방 등 활용 가능

이겨레 박사(왼쪽부터), 김도경 교수, 이상민 교수, 박용근 교수

공동 제1 저자이자 교신저자인 KAIST 물리학과의 이겨레 박사는 "구현한 레이저는 비공진 레이저이면서 동시에 높은 에너지 효율과 방향성을 가지는 것이 장점이다. 또 고된 소재의 결정화 과정 없이도 효율적인 레이저를 제작할 수 있다면 이득 물질로 사용될 수 있는 소재의 폭이 월등히 넓어질 것"이라며 "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 기대한다"고 말했다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr