신소재 레이저 제작기술 개발…의료·생명과학·국방 등 활용 기대

KAIST, 새로운 소자와 재료로 레이저 구현…비공진 방식 레이저 원천기술

왼쪽부터 이겨레 박사, 김도경 교수, 이상민 교수, 박용근 교수. KAIST 제공

한국과학기술원(KAIST)은 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.

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 산란하면서 증폭되는 원리다.

이 새로운 레이저는 이득 물질이 꼭 투명할 필요가 없기 때문에 기존에 이득 물질로 사용하지 못했던 다양한 불투명 소재들을 활용해 새로운 레이저를 만들 수 있다.

연구팀은 크리스털 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 통발' 형태의 텅 빈 곳을 공진기로 활용하는 방식이다.

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

연구팀은 제안한 형태의 '빛 통발'에서 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 발진했다.

아이디어 모식도. KAIST 제공

연구팀이 개발한 레이저의 가장 큰 특징은 투명한 이득 물질을 필요로 하지 않는다는 점이다. 불투명한 성질 때문에 기존 레이저 이득 물질로 활용하지 못했던 소재들을 활용해 더욱 다양한 레이저 개발이 가능할 것으로 기대를 모은다.

국방 목적과 같은 고출력 레이저로도 활용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

공동 제1 저자이자 교신저자인 KAIST 물리학과 이겨레 박사는 "기존에는 레이저로 활용하지 못했던 새로운 재료로 레이저를 발진시킬 수 있어 다양한 파장과 광 특성을 가진 새로운 레이저 소자 개발이 가능하다"며 "이를 활용하면 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 여러 분야로 적용이 가능할 것으로 기대한다"고 말했다.