초강력 레이저과학 연구단극강의 빛과 물질의 상호작용을 탐구하다

초강력 레이저 기반 극한 과학 탐구

연구단 소개  

펨토초 페타와트 레이저를 이용한 상대론 영역의 빛과 물질의 상호작용 규명

- 초강력 레이저 분야의 최첨단 기술 개발

- 극한영역에서 나타나는 빛과 물질의 상호작용 탐구

- 초 고출력 레이저를 이용한 전자, 양성자 등의 입자가속

- 레이저를 이용한 천체 플라즈마 연구

- 원자, 분자, 고체 및 나노 물질에서 아토초 및 젭토초 영역의 초고속 현상 탐구

주요 연구 활동  

지난 100여 년간 인류는 눈부신 과학 기술적 진보를 이루었습니다. 1860년대에 맥스웰 방정식으로 완성된 전자기학을 시점으로 1900년대 초, 상대성이론과 양자역학이 등장하였으며, 이후에 양자전자역학을 통해서 물질을 구성하는 기본 입자들과 이들 입자 사이에 작용하는 힘을 이해할 수 있게 되었습니다. 이러한 과학적 진보는 레이저와 입자가속기 등 수많은 현대 기술 발전의 토대가 되었습니다. 우주 초기 상태의 온도 요동, 우주의 대다수를 구성하는 것으로 생각되는 암흑 물질 및 암흑 에너지 연구 등 최근의 연구 경향은 우리 주변에서 감각적으로 인식되는 물질 및 현상에 대한 탐구 수준에서 벗어나, 우주의 생성 및 기원의 근원을 연구하는 수준에 이르게 되었습니다. 우주의 근원을 이해하기 위해 우주 플라스마를 지구에서 관측하거나 거대 입자 가속기 시설을 이용하는 방식으로 연구가 진행됐으나, 최근 초강력 레이저 기술의 발달로 우주환경에서 존재하는 극한 상태의 물리환경을 실험실에서 구현할 수 있게 되었습니다. 즉 초강력 레이저는 앞으로 근본 물리 현상을 연구하기 위한 중요한 기본 연구 도구로서 그 진가를 발휘할 것입니다.

초강력 레이저과학 연구단은 광주과학기술원이 보유한 30 펨토초 페타와트 레이저 시설을 기반으로 2012년 12월에 설립되었으며, 연구단의 연구목표는 집속 세기 1022W/cm2이상의 초강력 레이저장을 수 μm 정도의 공간에서 형성하고, 이 초강력 레이저장을 이용하여 상대론 영역에서 물질과의 상호작용을 탐구하고 응용하는 것입니다. 레이저장의 세기가 1018 W/cm2에 달하는 초강력 레이저로 하전입자(전자, 양성자, 중이온 등)를 빛의 속도에 접근하는 상대론적 영역까지 가속하거나 극초단 고에너지 광자(엑스선 및 감마선)를 발생하여 근본적인 물리현상을 탐구하거나 활용하고자 합니다. 이러한 연구는 앞으로 레이저의 세기가 더욱 강한 영역에서 일어나는 복사마찰(radiation friction), 극초단 감마선원 발생을 통한 핵 동역학 연구와 원자력 에너지의 안전한 이용, 광자와 광자의 산란에서 발생하는 쌍생성 (pair production) 연구 등 21세기에 새로이 개척되는 과학기술의 근본 토대를 마련하고, 인류 지식의 지평선을 크게 확대하는 역할을 할 것으로 기대합니다.

이와 같은 연구 목표를 달성하기 위하기 위해서 초강력 레이저과학 연구단은 다음과 같이 5개의 주요 연구분야를 중심으로 핵심 연구그룹을 구성하였습니다.

1. 초강력 레이저 개발과 1022 W/cm2 이상의 초강력 레이저장 형성 연구  

레이저 연구그룹은 현재 보유하고 있는 페타와트 티타늄사파이어 레이저 시스템의 운영뿐만 아니라, 수 페타와트(PW, 1015 W)에서 수십 페타와트에 이르는 순간 출력을 갖는 극초단 초강력 레이저 기술을 개발하고, 초강력 레이저 펄스를 집속하여 1022 W/cm2 이상의 세기를 갖는 고품질 레이저장 발생 연구를 수행하고 있습니다.

2. 초강력 레이저와 저밀도 플라즈마의 상호작용 연구  

저밀도 레이저-플라스마 연구그룹의 목표는 초강력 레이저와 임계 밀도(critical density) 이하의 저밀도를 갖는 플라스마의 상호작용을 연구하는 것입니다. 초강력 레이저 빔이 저밀도 플라스마 안에서 진행할 때 발생되는 109 V/cm 이상의 전기장을 이용하여 수~수십 cm의 거리 이내에서 전자빔을 수~수십 GeV 이상의 에너지까지 가속하고, 가속된 전자빔의 특성을 연구하는 것이 본 연구그룹의 일차적 연구목표입니다. 이러한 고에너지 전자빔은 복사 및 광자와의 상호작용을 통해서 엑스선이나 감마선 등의 극초단 고에너지 광원 개발에 활용할 수 있습니다.

3.초강력 레이저와 고밀도 플라즈마의 상호작용 연구  

고밀도 레이저-플라스마 연구그룹은 초강력 레이저와 임계 밀도 이상의 고밀도를 갖는 플라스마와의 상호작용을 연구하는 것입니다. 초강력 레이저의 복사압(radiation pressure)으로 가속된 전자는 쿨롱 힘으로 양성자를 순간적으로 100 MeV 이상으로 가속할 수 있습니다. 본 연구그룹은 관련 플라스마 물리 현상을 탐구하고 고에너지 양성자 발생과 관련된 가속 메커니즘을 물리적으로 규명하고자 합니다. 가속된 양성자는 양성자 영상 장치 개발과 양성자를 이용한 암 치료 등 새로운 의료기술 개발에 활용할 수 있습니다.

4. 아토초 광원 개발과 초고속 원자, 분자 동력학 연구  

아토초 광원 개발과 초고속 원자, 분자 동역학 연구아토 과학 연구그룹은 아토초(10-18 s) 광원 개발과 이를 이용한 원자, 분자의 초고속 동역학을 중점적으로 연구합니다. 펨토초 레이저 기술의 발전으로 이를 이용한 아토초 광원 개발이 가능해졌습니다. 강한 펨토초 레이저를 이용하여 기체 물질에서 고차조화파를 발생하여 아토초 광원을 개발하고 특성을 규명하며, 이를 이용하여 원자, 분자에서 일어나는 초고속 현상을 계측할 수 있습니다. 상대론 영역에서 고체 표적을 이용하여 고차조화파 발생 영역을 경엑스선 영역까지 확장하면 젭토초(10-21 s) 펄스 발생도 가능할 것으로 예상하며, 이를 이용하면 핵 동역학 연구도 가능해질 것입니다. 이는 시간 영역에서의 계측에 새로운 지평을 여는 일이 될 것입니다.

5. 초강력 레이저와 물질의 상호작용에 대한 이론 연구  

레이저-플라즈마 이론 연구그룹은 초강력 레이저에 의해 발생된 플라즈마의 이론적 해석과 레이저와 플라즈마의 상호작용을 해석할 수 있는 particle-in-cell(PIC) 전산모사 방법을 개발하고 전산모사 결과를 이용하여 초강력 레이저와 플라즈마와의 상호작용으로부터 얻어진 실험결과를 해석하는 연구를 수행합니다. 또한, 가속된 양성자의 속도가 상대론 영역에 이르는 초상대론 영역(ultra-relativistic regime)의 세기(1024 W/cm2)를 갖는 레이저 펄스가 플라즈마와 상호작용할 때 일어나는 물리적인 현상을 예측하고 해석하는 연구를 수행합니다.