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1 광주과학기술원 극초단 광양자빔 연구시설 - LiFSA와 PULSER 이 종 민 페타와트 레이저와 펨토과학 광주과학기술원 고등광기술연구소에는 특별한 건물이 하나 있다. 극초단 광양자빔 연구시설 이라고 이름 붙여진 이 건물 안에는 세계 최고의 펨토초 초강력 레이저와 펨토과학 응용 연구 시설이 갖춰져 있는데, 이 초강력 레이저는 2010년 국내 연구진이 순수 -15 국내 기술로 개발한 세계 최초의 30 펨토초(fs, 10 초) 1 페타와 15 트(PW, 10 와트) 레이저이다. 2011년 말에는 1 페타와트 시설 바 로 옆에 1.5 페타와트 시설을 또다시 병행 구축하여 세계를 다시 한 번 놀라게 하였다. 레이저는 1960년 미국의 휴즈(Hughes) 연구소에서 근무하 던 테드 마이만(T. Maiman)에 의해서 처음으로 발명된 이후, 그 출력이 급격히 증가하고 있는 추세이다. 2000년대 들어와 서는 차세대 펨토과학 응용기술 개발의 중요성 때문에, 유럽, 미국, 일본, 중국 등 광과학기술 선진국을 중심으로 펨토초 페타와트 레이저 및 응용기술 개발이 경쟁적으로 이루어지고 그림 1. 연도별 레이저 빔 집속 세기의 증가와 극초단 광양자빔 연구시설 (UQBF)의 세계적 위치. ILE와 ELI는 현재 구축 중인 초강력 레이저임. 극초 단 광양자빔 연구시설이 현존하는 세계의 레이저 시설들 중 가장 큰 집속 세기를 발생시킴. (Courtesy of Mourou and Tajima). 있다. 극초단 광양자빔 연구시설의 성공적인 구축은 이러한 치열한 국제 경쟁 속에서 이룩한 국내 레이저 분야 연구 개 발의 커다란 성과이다. 서 발생되는 펨토초 영역의 물리/화학 연구에 매진하고 있다. 극초단 광양자빔 연구시설은 현재까지 페타와트 레이저 시스 극초단 광양자빔 연구시설은 2003년 8월부터 2012년 6월 템 개발, 1.5 GeV의 안정적인 전자빔 가속, X-선 레이저 발생 까지 총 649억 원이 투입된 극초단 광양자빔 연구시설 설치 및 증폭 원리 규명, 80 nm급 해상도를 갖는 X-선 홀로그래피 운영사업(사업책임자: 이종민 교수) 을 통해서 구축되고 있는 기술 개발 등 우수 연구 결과들을 Nature Photonics, Physical 초고출력 레이저 분야 국가 대형 연구시설이다. 극초단 광양자 Review Letters, Optics Letters, Applied Physics Letters 등의 빔 연구시설 설치 운영사업은, 차세대 페타와트급 초고출력 극 최우수 전문 학술지에 게재하였고, 유럽(독일, 체코, 영국, 폴란드 초단 펄스 광양자빔 시설 구축 및 운영과 극초단 광양자빔을 등), 일본, 중국/대만 등과도 국제 공동 연구를 꾸준히 수행하여 이용한 펨토과학 기술 연구 및 BT, NT, IT와의 융합기술 실용 왔으며, 이러한 연구 성과와 국제 공동 연구 실적을 바탕으로 화를 사업 목표로 하고 있으며, 연평균 약 50여 명 이상의 연구 2011년에는 국제 초강력 레이저 연구센터(IZEST, International 인력이 참여하여, 첨단 레이저 시설 개발 및 극한 물리 환경에 center on Zetawatt Exawatt Science and Technology)의 Associate Laboratory로 선정되는 등 명실공히 세계 속의 초 저자약력 이종민 교수는 고려대학교 물리학 박사(1980)로서 아시아초강력레이저위원 회 부위원장, 위원장( ), 국제초강력레이저위원회 위원( ), 한국광학회 부회장, 회장( ), 광주과학기술원 신소재공학 과 교수, 고등광기술연구소 소장( ), 한국원자력연구소 부장, 본 부장, 단장( )을 역임하였고, 현재 극초단 광양자빔 연구시설 구축 및 운영 사업 책임자(2003-현재), 광주과학기술원 석좌교수(2008-현재) 로 재직 중이며, OSA, SPIE 펠로우로 활동 중이다.(leejm@gist.ac.kr) 58 강력 레이저 연구시설로 자리매김해 가고 있다. 극초단 광양자빔 연구시설 구축 현황 2012년 3월 현재 극초단 광양자빔 연구시설 내에는 두 개의 100테라와트 빔라인(LiFSA, Light source for Femto-Sciences

100 테라와트 빔라인은 3개의 표적용기(target chamber) 를 갖는 100 테라와트 레이저-플라즈마 실험실로 전송된다. 100 테라와트 레이저-플라즈마 실험실 내에 설치된 3개의 표 적용기는 각각 고에너지 전자빔 가속, 고에너지 양성자빔 가 속, X-선 레이저 발생 및 응용에 활용된다.

2 사진 1. 극초단 광양자빔 연구시설(UQBF) 전경. and Applications)과 두 개의 페타와트 빔라인(PULSER, Petawatt Ultrashort Laser Source for Extreme science Research)이 구축되어 있다. 100 테라와트 빔라인은 10 Hz의 반 복율로, 30 펨토초의 펄스폭과 3 J의 에너지를 갖는 레이저 펄스를 발생시킬 수 있고, 1 페타와트 빔라인은 0.1 Hz의 반 복율로, 30 펨토초의 펄스폭과 30 J 이상(빔라인 I : 30 J, 빔 라인 II : 44 J)의 에너지를 갖는 레이저 펄스를 발생시킬 수 있 다. 100 테라와트 빔라인은 3개의 표적용기(target chamber) 를 갖는 100 테라와트 레이저-플라즈마 실험실로 전송된다. 100 테라와트 레이저-플라즈마 실험실 내에 설치된 3개의 표 적용기는 각각 고에너지 전자빔 가속, 고에너지 양성자빔 가 속, X-선 레이저 발생 및 응용에 활용된다. 각각의 표적용기 주위에는 전자, 양성자, X-선 검출기 등 각종 계측기가 구축되 어서 2차 선원(전자, 양성자, X-선 등)의 에너지 및 스펙트럼 분포를 실시간으로 관측할 수 있다. 페타와트 레이저 빔은 페 타와트 레이저-플라즈마 실험실에 설치된 페타와트 표적용기 로 전송된다. 페타와트 레이저-플라즈마 실에는 대구경(2 m) 원통형 표적용기와 사각 표적용기가 설치되어 있으며, 각각의 표적용기에서 GeV 이상급 고에너지 전자, 수십 MeV급 양성자 가속과 수 나노미터 이하의 X-선 발생이 가능하다. 모든 레이저 시스템과 표적용기의 제어 및 감시는 연구시 설 내에 설치된 중앙 감시실에서 이루어지며, 동시에 2~3개 의 응용 실험을 지원할 수 있도록 연구시설 제어 시스템을 구축하였다. 극초단 광양자빔 연구시설은 국가 대형 레이저 연구시설이므로, 국내외 많은 이용자들의 다양한 요구에 효율 적으로 대응하여, 펨토과학 응용분야에서 다양한 연구를 수행 할 수 있도록 연구시설을 구축하였다. 극초단 광양자빔 시설을 이용한 주요 연구결과 1. 세계 최강의 레이저: 펨토초 페타와트 레이저 시스템 개발 레이저는 강력한 집속 광을 만들 수 있어, 물질과 빛의 새 로운 상호작용을 일으킬 수 있다. 1960년대 큐-스위칭 기술 그림 테라와트 레이저 시스템(LiFSA), 1 페타와트 레이저 시스템 (PULSER) 및 표적 용기의 구성도. 과 모드 잠김 기술이 개발되면서 레이저는 더 짧은 펄스폭과 더 높은 순간 출력을 갖게 되었다. 그러나, 레이저의 순간 출 력이 높아짐에 따라 레이저 펄스의 에너지 증폭 시, 광학 부 품의 손상이나 증폭효율 저하 등의 문제점이 대두되었다. 1985년 처프펄스 증폭(Chirped-Pulse Amplification) 방식이 개발됨에 따라, 레이저의 순간 출력을 급격히 증가시킬 수 있 는 새로운 길이 열리게 되었다. 처프 펄스 증폭 방식은 펄스 발생기에서 발생한 수 펨토초 수준의 짧은 레이저 펄스를 에 너지 증폭 전에 시간적으로 늘려주어 매질에 대한 광 손상 없이 에너지를 증폭하고 에너지 증폭 후에 레이저 펄스의 시 간폭을 다시 원래대로 압축하는 방식으로, 높은 순간 출력을 가진 극초단 레이저 펄스를 발생시킬 수 있다. 전 세계적으로는 1999년 미국의 로렌스 리버모어 국립연구 소에서 티타늄 사파이어/Nd:glass 혼합형 레이저를 이용하여 -12 약 1 피코초(ps, 10 초)의 펄스폭을 갖는 페타와트 레이저를 개발한 바 있고, 2003년 일본 원자력에너지기구에서 33 펨토 초, 0.85 페타와트 레이저를 개발한 바 있다. 국내에서는 극초 단 광양자빔 연구시설 사업이 2003년에 시작되서 미국 일본 등 광과학기술 선진국보다 펨토초 초강력 레이저 연구 개발의 시작은 늦었으나, 2005년 처프 펄스 증폭 방식을 이용한 30 펨토초, 100 테라와트(TW, 와트) 출력을 갖는 티탸늄 사 파이어 레이저 시스템 구축을 시작으로, 2007년 300 테라와 트 레이저 시스템 국내 최초 개발, 2010년 펨토초 1 페타와트 (30 펨토초, 30 J 에너지) 레이저 빔라인 I을 세계 최초로 개 발하였다. [1] 2011년 말에는 1.5 페타와트(30 펨토초, 44 J 에 너지) 레이저 빔라인 II가 완성되어 다시 한번 세계 최고 수준 [1] J. H. Sung et al., Opt. Lett. 35, 3021 (2010). 59

사진 2. 펨토초 100 테라와트 레이저 시스템(LiFSA)와 1 페타와트 레이저 시스템(PULSER)의 전경. 사진 3. 페타와트 레이저(PULSER) 반응 챔버실 내부 사진. 의 연구 개발 능력을 자랑하였으며, 관련 연구 결과가 Optics [2] Express에 투고되었다.

3 GeV급 고에너지 전자빔 가속 초강력 레이저가 물질에 입사하면, 원자의 쿨롱 포텐셜보다 강력한 레이저 장에 의해 물질은 이온과 전자가 혼재되어 있 는 플라즈마 상태가 된다. 이와 같이 강력한 레이저 펄스에 의해 형성된 플라즈마와 초고강도 레이저 펄스가 상호작용을 하면서 입자 가속 및 엑스선 발생 등의 다양한 현상이 일어 난다.

시키는 연구와 고에너지 전자빔과 초강력 레이저의 상호작용 (Inverse Compton scattering) 현상을 이용하여 극초단 감마 선 광원을 개발하는 연구를 수행하고 있다. 3.

3 사진 2. 펨토초 100 테라와트 레이저 시스템(LiFSA)와 1 페타와트 레이저 시스템(PULSER)의 전경. 사진 3. 페타와트 레이저(PULSER) 반응 챔버실 내부 사진. 의 연구 개발 능력을 자랑하였으며, 관련 연구 결과가 Optics [2] Express에 투고되었다. 현재, 첨단 고품질 레이저 개발과 관련 해서 고대조비 펄스 증폭 기술, 광매개변환 처프 펄스 증폭 (Optical Parametric Chirped-Pulse Amplification) 기술, 레 이저 파면 보정 기술 등을 개발하고 있다 GeV급 고에너지 전자빔 가속 초강력 레이저가 물질에 입사하면, 원자의 쿨롱 포텐셜보다 강력한 레이저 장에 의해 물질은 이온과 전자가 혼재되어 있 는 플라즈마 상태가 된다. 이와 같이 강력한 레이저 펄스에 의해 형성된 플라즈마와 초고강도 레이저 펄스가 상호작용을 하면서 입자 가속 및 엑스선 발생 등의 다양한 현상이 일어 난다. 특히 기존의 가속기는 전기적 절연 파괴(electrical breakdown) 등의 문제로 100 MV/m의 가속 기울기밖에 낼 수 없는데 반하여 극초단 초강력 레이저 장을 이용한 입자 그림 3. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA 시스템을 이용한 1 GeV 급 전자빔 가속 연구 결과. 시키는 연구와 고에너지 전자빔과 초강력 레이저의 상호작용 (Inverse Compton scattering) 현상을 이용하여 극초단 감마 선 광원을 개발하는 연구를 수행하고 있다. 3. 양성자 및 중이온 빔 가속 가속 기술은 기존의 가속기보다 1000배나 큰 100 GV/m의 초강력 레이저를 고체 박막에 조사하면 양성자 및 이온도 가속 기울기를 만들어 낼 수 있어 차세대 입자 가속기술로 고에너지 영역까지 가속시킬 수 있다. 초강력 레이저를 이용 인식되어지고 있다. 한 양성자 및 이온 가속은 차세대 초강력 레이저 기반 암치 초강력 레이저 장을 이용한 실질적인 전자 가속 기술은 료기 개발을 목표로 독일 일본 등 전 세계의 유수 연구그룹 1979년 미국의 Tajima와 Dawson에 의해서 레이저 항적장 이 연구에 매진하고 있는 분야이다. 본 연구팀에서도 100 테 가속(Laser Wake-Field Acceleration)이란 개념으로 처음 제 라와트의 레이저 빔을 이용하여 8 MeV의 최대 에너지를 발 안되었으며, 2000년대 중반 이후에 초강력 레이저를 이용한 생시키는 데에 성공하여, 2011년 11월 응용물리 저명 학술 고에너지 단일 에너지 전자빔의 발생 및 가속이 많이 보고되 지인 Applied Physics Letters에 논문을 게재하였다. 고 있다. 본 연구팀에서도 2008년에 100 테라와트 레이저를 력 레이저 기반에서 발생된 양성자빔을 암치료에 활용하기 이용하여 레이저 항적장 가속 연구를 수행하였고, 약 1.5 위해서는 약 50 MeV 이상의 에너지를 갖는 양성자빔 발생 GeV의 최대 에너지를 갖는 전자빔 발생을 성공하여 네이처 이 필요하며, 이를 위해서는 기존의 양성자 가속 기전(Target [3] 포토닉스 2008년 9월호에 논문을 게재한 바 있다. [4] 초강 2012년 1월에는 1 페타와트 레이저 시스템을 이용하여 레이저 항적 장 가속 실험을 수행하였으며, 최대 에너지가 2 GeV 이상인 [2] T. J. Yu et al., Generation of High-contrast, 30 Femtosecond, 1.5 Petawatt Laser Pulses from Chirped-Pulse Amplification Ti:sapphire Laser, Opt. Exp., under review (2012). [3] N. Hafz, J. Lee et al., Nat. Photonics 2, 571 (2008). [4] I. W. Choi et al., Appl. Phys. Lett. 99, (2011). 전자빔의 발생을 관측하였다. 현재는 가속된 고에너지 전자빔 을 나선형 자장교번기(Helical Undulator)에 주입하는 방식의 X-선 자유전자 레이저를 제작하여 극초단 X-선 광원을 발생 60

광압 가속을 검증하기 위해서는 약 10 22 2 W/cm 의 레이저 빔 집속 세기가 필요하고, 본 연구팀이 보유한 페타와 22 2 고차 조화파(High harmonics)가 있다. 본 연구팀은 2006년 [5,6] 부터 엑스선 레이저 개발 및 고차 조화파 발생 연구 를진 W/cm 의 집속 세기를 형성하 행하여, 여러 가지 파장의 엑스선 레이저 광원(13.

4 그림 4. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA를 이용한 최대 에너지 8 MeV 양성자빔 가속 연구 결과. 그림 5. 극초단 광양자빔 100 TW 출력의 LiFSA를 이용하여 개발한 다양한 파장의 엑스선 레이저 스펙트럼. 의 이온으로 형성된 레이저-플라즈마에서 밀도 반전을 일으켜 Normal Sheath Acceleration)과 다른 새로운 양성자 가속 발진시키는 엑스선 레이저가 있고, 다른 하나는 초강력 레이 기전(광압 가속, Radiation Pressure Acceleration)의 검증이 저에 의해 발생한 전자의 주기적인 동적 움직임으로부터 발생된 필요하다. 광압 가속을 검증하기 위해서는 약 W/cm 의 레이저 빔 집속 세기가 필요하고, 본 연구팀이 보유한 페타와 22 2 고차 조화파(High harmonics)가 있다. 본 연구팀은 2006년 [5,6] 부터 엑스선 레이저 개발 및 고차 조화파 발생 연구 를진 W/cm 의 집속 세기를 형성하 행하여, 여러 가지 파장의 엑스선 레이저 광원(13.9 nm, 는 것이 가능할 것으로 보인다. 페타와트 레이저 펄스를 이용 32.8 nm, 41.8 nm) 및 고차 조화파 광원을 확보하였다. 특 한 양성자 가속과 광압 가속 기전의 검증 실험은 2012년 히 단일 펄스 주입 빗김각 입사 방식이라는 새로운 방식을 3/4월에 수행하는 것으로 예정되어 있고, 이 실험이 성공적 개발하여, 기존의 엑스선 레이저 발진 기술보다 광학계가 간 으로 끝나면 초강력 레이저 기반 암치료기 개발에 한발 더 단하고 안정적으로 작동하는 13.9 nm 파장의 엑스선 레이저 트 레이저를 활용하면 약 10 다가설 것으로 예측되고 있다. 를 개발하여, 물리학 저명 학술지인 Physical Review A에 2008년도에 논문을 게재하였다.[7] 4. 나노 세계를 보는 가장 빠른 눈: 초고속 엑스선 나노 이미징 1990년대부터 나노 기술은 물리, 화학, 재료공학, 기계공학 등의 연구분야들과 융합해 나가면서 급격히 발전하고 있다. 최 근에는 나노 기술이 고도화됨에 따라, 단순히 공간 영역에서의 나노 현상을 연구하는 것을 넘어, 나노 구조물의 동적 특성 연 구에 대한 요구도 높아지고 있다. 그러나 나노 입자 및 구조물 의 동적 특성은 매우 빠른 시간 영역에서 일어나는 현상이 많 아 이를 시간적으로 분해하여 이해하는 데에 여러 가지 어려 움이 있다. 따라서 세계적으로 극초단 엑스선을 발생시키기 위 해 4세대 방사광 가속기 구축을 진행하고 있다. 그러나 4세대 방사광 가속기는 구축에만 수천억에서 1조 원에 이르는 막대한 재원이 소요되고, 이를 다양한 나노 동역학 연구에 적용하는 엑스선 레이저의 짧은 파장과 짧은 펄스폭을 이용하면 나 노미터 분해능을 가진 초고속 영상 기술을 개발할 수 있다. 이에 본 연구팀은 엑스선 레이저의 결맞음성을 이용한 나노 이미징 연구를 수행하였다. 엑스선 나노 이미징 기술을 시현 하기 위해서, 엑스선 레이저의 결맞음성을 이용한 푸리에 홀 로그램을 형성하는 방법으로 나노 패턴의 이미지를 획득하였 다. 이와 같은 엑스선 푸리에 홀로그램 이미징 기술은 특별한 집속 광학계를 사용하지 않고 시편에서 회절되는 영상만을 이용하기 때문에 고품질의 집속 광학계를 구성하기 힘든 엑 스선 영역의 광원을 적용하기에 적합한 이미징 방법이다. 본 연구팀에서는 단일펄스주입 빗김각 입사 방식을 이용하여 발 생된 13.9 nm 파장의 엑스선 레이저를 축구선수 형상의 나 데에는 한계가 있다. 이와 달리, 초강력 레이저를 이용하면 극 초단 엑스선 광원을 실험실 수준의 장비로 발생시킬 수 있어 서 나노 동역학 연구에 그 응용성이 매우 뛰어나다. 초강력 레이저를 이용하여 극초단 엑스선을 발생시키는 데 에는 두 가지 방법이 많이 사용된다. 첫 번째는 고가(High Z) [5] [6] [7] [8] C. M. Kim et al., Phys. Rev. Lett. 104, (2010). I. J. Kim, J. Lee et al., Nat. Photonics, unver review (2012). H. T. Kim et al., Phys. Rev. A 77, (2008). H. T. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 98, (2011). 61

극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업의 사업 책임자인 이종민 교수는 2004년 OECD 국제과학포럼(Global Science 5.

5 그림 6. 엑스선 레이저를 이용한 푸리에 변환 홀로그램 이미징 기술. 노 패턴 및 탄소 나노튜브 등에 입사시켜 최소 분해능 87 nm 엑스선 영상을 얻어 2011년 응용물리 저명 학술지인 Applied Physics Letters지에 게재하였다.[8] 특히 본 연구는 엑스선 레이저 펄스를 단 한 차례만 조사하여 87 nm의 높은 분해능을 얻어, 향후 시분해 나노 이미징 기술에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그림 7. 국제초강력레이저위원회(ICUIL)에서 본 시설(UQBF)을 세계 주요 초강력 레이저 시설로 소개. 극초단 광양자빔 연구시설 설치 운영사업의 사업 책임자인 이종민 교수는 2004년 OECD 국제과학포럼(Global Science 5. 극초단 광양자빔 시설을 이용한 국내외 공동연구 현황 및 국 제적 위상 Forum)에 의해 창설된 국제 순수 및 응용 물리 연합의 실행 그룹인 국제초강력레이저 위원회(International Committee on Ultrahigh Intensity Lasers) 및 아시아 고강도 레이저 네 극초단 광양자빔 연구시설은 2005년 100 테라와트 레이저 트워크(Asian Intense Laser Network) 설립에 주도적으로 시설이 구축되고 난 후부터, 국내외 유수의 연구기관과 공동 참여하였다. 특히, 2007년부터 2010년까지 아시안 레이저 네 연구를 통해서 활발히 교류하고 있다. 국내에서는 한국과학기 트워크의 위원장으로 활동하면서 아시아 고강도 레이저 연구 술원, 한국원자력연구원, 한양대학교, 한국전기연구원 등 대 협력을 주도하였다. 또한, 극초단 광양자빔 연구시설에서 저 학 및 출연연구원들과 펨토과학 응용 연구 분야에서 다양한 명한 국제 학술대회인 제12회 International Conference on 공동 연구를 수행하고 있으며, 국외에서는 영국, 독일, 체코 X-ray Lasers(ICXRL2010)와 제4회 Asian Symposium on 등의 유럽 연구진과 일본, 중국, 대만 등의 동아시아 지역 연 Intense Laser Science(ASILS-4)를 개최하였고, 아시아 지역 구진이 초강력 레이저 개발 및 펨토과학 응용 실험분야에서 의 박사급 인력에 대한 교육을 수행하는 등 연구시설이 극초 상호 협력하면서 공동연구를 진행하고 있다. 표 1에 극초단 단 초강력 레이저 및 펨토과학 연구의 메카로 성장하고 있다. 광양자빔 연구시설을 활용하여 진행된 국내외 공동연구 현황 광주과학기술원 고등광연구소는 2012년 6월 극초단 광양자 이 정리되어 있다. 빔 연구시설의 구축이 종료되면 연구시설을 국제 이용자 시설 표 1. 극초단 광양자빔을 활용한 국내외 주요 공동연구 현황. 연구 기관 한국원자력연구원 국내 주요 공동 연구 국제 주요 공동 연구 62 국가 독일 영국 체코 폴란드 일본 대만 중국 한국과학기술원 한양대학교 나노종합팹센터 생명공학연구원 한국전기연구원 연구 기관 막스 본 연구소 러더포드 애플리턴 연구소 물리 연구소 군사 기술 대학 일본 원자력기구, 도쿄대학교 등 중국 과학원 상해 초정밀 연구소 공동 연구 주제 초강력 레이저용 Helical Undulator 개발 레이저 플라즈마 Mega-Gauss 자기장 측정 초고속 연엑스선 광원 연구 양성자 이미징 연구, Mid-IR 광원 개발 엑스선 광학 소자 개발 및 평가 엑스선 바이오 이미징 기술 개발 고에너지 전자빔 기술 개발 공동 연구 주제 엑스선 레이저 개발 및 양성자 빔 개발 고출력 펨토초 레이저 기술 개발 페타와트 펨토초 레이저 개발 및 양성자 빔 개발 엑스선 이미징 기술 개발 및 고에너지 전자빔 발생용 가스젯 개발 고에너지 양성자 빔 개발 및 극초단 엑스선 광원 개발 고에너지 전자빔 개발 및 엑스선 레이저 개발 고에너지 전자빔 개발

그림 8. 본 연구 시설(UQBF)을 IZEST의 11개 Associate Laboratory 중 하 나로 선정(2011년). 그림 9. 극초단 광양자빔 연구 시설(UQBF)을 이용한 다양한 연구 및 응용 기술 분야. (International User Facility)로 운영하는 것을 목표로 하고 있다.

2011년 11월에는 본 연구시설이 유럽 연합을 중심으로 9개국이 참여하는 국제 초강력 레이저 과학기술센터(IZEST, International Center on Zetawatt-Exawatt Science and Technology)의 11개의 Associate Laboratory 중 하나로 선정되어, 그 국제적 위상을 확인 받았다.

앞으로, 본 연구시설을 활 PW 이상의 출력을 가진 레이저를 개발하게 되면, 극초단 감 용하여 국내외의 우수 연구그룹과 지속적으로 공동연구를 수 마선을 이용한 핵물리 동역학 연구, 진공의 비선형 광학 현상 행한다면, 국내 연구시설을 활용한 창의적이고 우수한 연구결 관측, 양전자 생성, 암흑 물질 관측 등 레이저 기반 입자 물 과를 창출할 것으로 기대한다.

6 그림 8. 본 연구 시설(UQBF)을 IZEST의 11개 Associate Laboratory 중 하 나로 선정(2011년). 그림 9. 극초단 광양자빔 연구 시설(UQBF)을 이용한 다양한 연구 및 응용 기술 분야. (International User Facility)로 운영하는 것을 목표로 하고 있다. [9] 본 연구팀은 이 계획에 맞추어 연구시설을 국제 이용 자 시설로 운영하기 위한 준비(이용 신청서, 연구시설 운영 매 뉴얼 작성 등)를 체계적으로 진행하고 있다. 2011년 11월에는 본 연구시설이 유럽 연합을 중심으로 9개국이 참여하는 국제 초강력 레이저 과학기술센터(IZEST, International Center on Zetawatt-Exawatt Science and Technology)의 11개의 Associate Laboratory 중 하나로 선정되어, 그 국제적 위상을 확인 받았다. 현재 페타와트 레이저를 이용한 실험 제안들이 국내외 학회에 많이 발표되고 있다. 극초단 광양자빔 연구시설 내의 페타와트 레이저 시스템은 현재 전 세계적으로 운영되고 사진 4. 극초단 광양자빔 연구시설(UQBF) 연구진. 있는 유일한 펨토초 페타와트 레이저 시스템으로 국내외의 최 첨단 연구수요를 만족시킬 수 있다. 앞으로, 본 연구시설을 활 PW 이상의 출력을 가진 레이저를 개발하게 되면, 극초단 감 용하여 국내외의 우수 연구그룹과 지속적으로 공동연구를 수 마선을 이용한 핵물리 동역학 연구, 진공의 비선형 광학 현상 행한다면, 국내 연구시설을 활용한 창의적이고 우수한 연구결 관측, 양전자 생성, 암흑 물질 관측 등 레이저 기반 입자 물 과를 창출할 것으로 기대한다. 리학 연구, 우주 플라즈마의 실험실 내 재현을 통한 우주 물 리 현상 연구 등 인류가 풀어내야 할 물리의 기본 현상을 소 향후 전망 규모 실험실 수준에서 연구할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 기초과학과 기반기술은 초기에는 그 효과가 미미한 것 같아 1960년대 레이저가 처음 만들어졌을 때, 많은 과학자들은 보이지만, 그 기술을 우리나라가 먼저 선점하지 않으면, 이에서 레이저의 효용성에 대해 반신반의했다. 그러나 현재 레이저 파생되는 여러 가지 핵심 응용 기술을 놓치게 되어, 선진국에 는 광통신, 정밀 측정, 정밀 가공 등 수많은 분야에서 필수적 또다시 뒤처지게 될 것이다. 현재 극초단 광양자빔 시설은 초강 인 도구가 되었다. 많은 사람들이 20세기가 전자공학의 세기 력 펨토초 레이저 기술 분야에서 세계 선두권을 달리고 있다. 였다면, 21세기는 광자공학의 세기가 될 것이라고 예측하고 그러나 이에 머물지 않고 지속적으로 세계 최고 수준의 초고출 있다. 극초단 광양자빔 시설은 세계 최초 최고의 펨토초 페타 력 레이저 개발 및 응용 연구를 진행한다면, 향후 세계 최고의 와트 레이저 시설로 21세기를 이끌어갈 국가 핵심 연구시설 과학기술 성과를 달성하고, 응용 기술 개발로 인한 새로운 경제 이다. 본 연구시설을 활용하면, 전자/양성자/중이온/X-선 등 적 파급효과를 불러와 그 가치를 증명해 낼 수 있을 것이다. 의 다양한 2차 선원들을 발생시키고 이를 이용해서 물질의 극미세 초고속 현상을 탐구할 수 있는 시공간 극한 과학 기 술인 펨토-나노 과학 기술을 적극적으로 개척할 수 있다. 또 [9] J. Lee, Assoc. Asia Pacific Phys. Soc. (AAPPS) Bulletin 22, 17 (2012). 한, 극초단 광양자빔 시설의 출력을 지속적으로 향상하여 10 63

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< C6AFC1FD28BCBAC0E7C8F1292E687770> 고출력극초단레이저의발전 DOI: 10.3938/PhiT.27.050 성재희 Progress on a High-Power, Ultrashort Laser Jae Hee SUNG The chirped pulse amplification (CPA) technique, invented by Donna Strickland and Gerard Mourou in 1985,