[사이언스] 신소재 레이저 제작기술 개발... 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 활용 기대

새로운 소자와 재료로 레이저를 구현할 수 있는 비공진 방식 레이저 원천 기술 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2021/01/13 [17:23]

[사이언스] 신소재 레이저 제작기술 개발... 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 활용 기대

새로운 소자와 재료로 레이저를 구현할 수 있는 비공진 방식 레이저 원천 기술 개발

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2021/01/13 [17:23]

▲ 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  © 특허뉴스

 

KAIST는 물리학과 박용근, 이상민, 신소재공학과 김도경 교수 공동연구팀이 기존에는 활용할 수 없었던 소자와 재료로 레이저를 구현할 수 있는 새로운 비공진 방식의 레이저 제작기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

 

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.

 

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

 

연구팀은 불투명한 이득 물질에서도 빛을 가둘 수 있는 공진기 구조를 내부에 만드는 새로운 방식의 레이저를 개발했다. 마치 통발형태의 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.

 

박용근 교수 연구팀은 크리스탈 구조로 만들 수 없는 소재로 레이저를 구현하기 위해 공진기 사방을 모두 산란체로 막는 아이디어를 구상했다. 물고기 통발의 구조처럼 산란체로 사방이 막혀있고 좁은 입구를 가진 빛 통발형태의 텅 빈 공간을 공진기로 활용하는 아이디어다.

 

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

 

연구팀은 제안한 형태의 빛 통발에서 성공적인 레이저 발진을 구현하는 데 성공했다. 3차원 공간에서 무작위로 형성되는 공동 내 빛의 경로 때문에, 구현된 레이저는 일반적인 공진(resonant) 기반 레이저와 다르게 비공진(non-resonant) 형태로 발진 됐다.

 

▲ 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  © 특허뉴스

 

연구팀이 개발한 레이저의 가장 큰 특징은 투명한 이득 물질을 필요로 하지 않는다는 점이다. 불투명한 성질 때문에 기존 레이저 이득 물질로 활용되지 못했던 소재들을 활용해 더욱 다양한 레이저 개발이 가능할 것으로 기대된다. 기존에 활용되지 못하던 새로운 소재를 레이저 이득 물질로 활용할 수 있으므로 레이저에서 나오는 빛의 파장을 크게 확장할 수 있고, 국방 목적과 같은 고출력 레이저로도 활용될 수 있다.

 

공동 제1 저자이자 교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 구현한 레이저는 비공진 레이저이면서 동시에 높은 에너지 효율과 방향성을 가지는 것이 장점이다. 또한, 고된 소재의 결정화 과정 없이도 효율적인 레이저를 제작할 수 있다면 이득 물질로 사용될 수 있는 소재의 폭이 월등히 넓어질 것이라며 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 기대한다라고 말했다.

 

KAIST 물리학과 이겨레 박사, 신소재공학과 마호진 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 14일 자 출판됐다.

 

논문명은 Non-resonant power-efficient directional Nd:YAG ceramic laser using a scattering cavity 이다.

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