[대전=뉴스핌] 김태진 기자 = KAIST는 물리학과 박용근·이상민 교수와 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)를 배치하는 방식이다.

하지만 공진기 내부에서 빛의 경로가 일정하게 유지해야 레이저가 작동하기 때문에 매우 투명한 크리스탈 구조의 이득 물질에서만 레이저를 구현할 수 있었다.

아이디어 모식도[사진=카이스트] 2021.01.12 memory4444444@newspim.com

때문에 자연계에 존재하는 많은 재료 중에 투명한 크리스탈로 제작할 수 있는 특수한 레이저 소재들만 활용됐다.

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

'통발' 형태의 공간에서 빛이 갇힌 채로 주변 이득 물질에 의해 계속 산란되면서 증폭되는 원리다. 이 새로운 레이저는 이득 물질이 꼭 투명할 필요가 없으므로 기존에 이득 물질로 사용하지 못했던 다양한 불투명 소재들을 활용해 새로운 레이저를 만들 수 있다.

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.

실험에서 구현한 빛 통발 형태의 레이저 캐비티[사진=카이스트] 2021.01.12 memory4444444@newspim.com

기존에 활용하지 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 장점"이라며 "고된 소재의 결정화 과정 없이도 효율적인 레이저를 제작할 수 있다면 이득 물질로 사용될 수 있는 소재의 폭이 월등히 넓어질 것ˮ이라고 말했다.

이어 "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 기대한다ˮ고 말했다.

왼쪽부터 KAIST 이겨레 박사, 김도경 교수, 이상민 교수, 박용근 교수[사진=카이스트] 2021.01.12 memory4444444@newspim.com

이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

KAIST 물리학과 이겨레 박사, 신소재공학과 마호진 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구성과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 4일 게재됐다. 

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