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고등광기술연구소 이종민 교수, 김철민 박사, 야눌레비치(Karol A. Janulewicz)교수 연구팀이 나노 바이오 기술을 획기적으로 발전시킬 것으로 기대되는 엑스선 레이저 증폭기의 원리와 특성을 규명하는 데 성공했다.

이 연구성과는 물리학 분야의 최고 권위 저널일 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters) 2월호에 소개되었다.

고차조화파 엑스선 광원은 원자나 분자에서 일어나는 전자의 움직임을 나노미터 (10억분의 1미터, 10-9 m)와 펨토초 (1천조분의 1초, 10-15 s) 수준에서 관측할 수 있게 해주는 도구이다. 이 광원은 강력한 극초단 가시광 레이저 펄스를 원자에 쪼였을 때 나오는 빛으로부터 얻어지며 매우 우수한 결맞음과 펨토초 이하의 펄스폭을 갖는다. 하지만 광원의 세기가 약한 것이 여러 분야에 응용하는 데에 걸림돌이 되어 왔다. 이를 극복하고자 고차조화파 펄스를 엑스선 레이저 증폭기에 입사시켜서 세기를 향상시키려는 시도가 전 세계의 여러 그룹에서 이루어지고 있다.

이번 연구에 주도적으로 참여한 김철민 박사는 “레이저 증폭기의 작동원리를 명확히 밝힌 것”이 주된 의의라고 말했다. 기존의 이론들이 증폭기의 잡음과 파동적 특성을 무시한 반면, 이종민 교수의 연구팀은 이들 요소를 모두 고려한 이론을 제안하여, 잡음이 엑스선의 특성에 어떤 영향을 미치는지, 또 우수한 특성을 유지한 채 세기를 향상시키기 위해서는 어떤 조건이 필요한 지 설명하였다. 이 성과를 바탕으로 지금까지 보고된 실험 결과가 체계적으로 이해될 수 있고, 더 나아가 강력한 극초단 엑스선 광원의 실현이 앞당겨질 것으로 기대된다. 이번 연구결과는 현재 고등광기술연구소의 이종민 교수 연구팀에서 진행중인 극초단 광양자빔 시설구축 사업에서 엑스선 증폭기를 구현하는 데에 매우 중요하게 활용될 수 있다.

다음은 김철민 박사와의 일문일답

- 이번 연구논문의 주제는.
▲ 엑스선 레이저 증폭기의 근본 문제인데, 최근에 우수한 특성의 엑스선 광원을 개발하는 연구로 인해 관심을 받고 있습니다.

- 연구논문의 내용에 대한 소개
▲ 우리가 레이저 이득매질을 이용하여 광펄스를 증폭할 때, 입력 펄스의 우수한 특성이 그대로 출력 펄스에 보존되기를 원합니다. 하지만 엑스선 영역에서처럼 이득매질의 자발 방출이 매우 큰 경우에는 변조가 불가피하므로 이득매질의 작동을 면밀히 이해해야 합니다. 이를 위해 우리는 빛과 물질의 파동적 성질을 완전히 다루는 것이 중요하다고 판단하고, 기존의 율방정식 대신 맥스웰-블로흐 방정식을 이용했고 여기에 물질의 축퇴, 자발 방출의 무작위성, 짧은 이득 시간을 반영하였습니다.

  아래의 그림은 이 방법을 사용하여 계산된 펄스 증폭을 보여줍니다. 처음에 매우 짧은 펄스가 이득매질에 들어가면 매질의 좁은 선폭으로 인해 결맞는 메아리 (coherent echo)가 만들어지고 이후부터는 이 메아리 신호가 주로 증폭됩니다. 이 메아리 신호는 입력 신호와 같은 편광과 우수한 결맞음을 갖습니다. 하지만, 진행거리가 늘어날수록 펄스 앞단에 자발방출증폭에 의한 신호가 형성되는데 이는 자발방출의 무작위성 때문에 편광도와 결맞음성이 현저히 떨어집니다. 이 논문에서, 증폭된 펄스가 이렇게 무작위한 부분과 결맞는 부분으로 구성된다는 점을 바탕으로 엑스선 레이저 증폭기의 원리와 특성을 설명하였습니다.