이웃집과학자

현미경이 발명되며 '세균'의 존재를 알고 질병에 대항하기 시작했듯, 과학은 '관측 가능 여부'가 상당히 중요합니다.

국내 연구진이 아주 짧은 펄스 형태의 레이저인 '극초단 레이저'를 분석하는 방법을 발표했어요. 분석법의 이름은 '팁토'인데요.

빛-물질의 상호작용 연구에는 매우 짧은 '펄스' 형태의 '극초단 레이저'가 많이 이용돼요. 레이저는 빛의 일종인데요. 빛은 '전자기파'이기 때문에 전기장과 자기장이 서로 통합돼 너울거리는 모양을 띠고 있어요. 이 모양을 '파형'이라고 하는데요.

파형은 레이저 빛에 대한 정보 뿐 아니라 레이저 빛이 다른 물질을 만났을 때 어떻게 상호작용 하는지에 대한 정보도 포함돼 있어요. 따라서 이런 파형 측정은 아주 중요합니다. 이번 연구는 기초과학연구원의 초강력 레이저과학 연구단에서 이룬 성과로 미국 광학회 <Optica>지에 게재됐어요. 

파형은 레이저 빛에 대한 정보 뿐 아니라 레이저 빛이 다른 물질을 만났을 때 어떻게 상호작용 하는지에 대한 정보도 포함돼 있어요. 따라서 이런 파형 측정은 아주 중요합니다. 이번 연구는 기초과학연구원의 초강력 레이저과학 연구단에서 이룬 성과로 미국 광학회 지에 게재됐어요. 

팁토(TIPTOE)는 '전기장의 시간변화측정을 위한 터널링 이온화(Tunneling ionization with a perturbation for the time-domain observation of an electric field)'의 줄임말인데요. 말이 길지만 두 부분으로 나눌 수 있습니다. '전기장의 시간변화측정'이 데체 뭔지, 그리고 '터널링 이온화'로 뭘 알아낼 수 있는지 하나하나 알려드리겠습니다.

레이저 펄스를 둘로 나누고 시간차를 두고 들여보냅시다. 레이저 펄스를 쏩니다. 이때 강한 레이저 펄스와 약한 레이저 펄스로 나눕니다. 레이저를 반사시키며 강한 레이저 펄스는 바깥쪽으로, 약한 레이저 펄스는 안쪽으로 보냅니다. 이때 반사시키는 거울은 내부와 외부가 분리돼 있어요.

반사된 극초단 레이저는 공기로 들어가는데요. 이 때 내부 거울의 위치를 조절함으로 인해 약한 펄스와 강한 펄스의 시간차를 줄 수 있습니다. 안쪽 거울을 뒤로 빼면 안쪽의 약한 펄스가 더 늦게 나오게 됩니다. 

그 다음, 시간차를 두고 반사된 레이저를 오목거울을 이용해서 한 점으로 모읍니다. 두 종류 펄스도 한 점으로 모이겠죠? 그 결과 파동의 '간섭' 현상이 일어납니다. 두 개 이상의 파가 동시에 한 점에 도달했을 때 합쳐져서 강해지거나 약해지는 보강-상쇄 간섭은 중학교 과학 교과 과정에도 포함돼 있어요.

전자기파는 이 때 극히 짧은 200아토초에 레이저가 입사된 공기 분자에서 전자가 분자 밖으로 빠져나오는 '터널링' 현상을 유도해요. 1아토초는 10^-18초로, 200아토초면 상상하기 힘들정도로 짧은 시간이네요.

음전하를 띤 전자가 분자 밖으로 빠져나가면 원래 중성이던 분자는 전하를 띤 '이온'이 됩니다. 따라서 이온의 변화량을 검출하면, 그 모양을 통해서 역으로 우리가 알고자 하는 레이저 펄스의 빛 모양을 추적해낼 수 있어요. 

김경택 그룹리더는 "기존의 기술로 측정이 어려웠던 극히 짧은 극초단 레이저 펄스를 측정할 수 있는 방법을 찾았다. 이 측정 기술은 극한의 영역에서 빛과 물질의 상호작용 연구하는데 있어 중요한 도구가 될 것"이라 말했습니다.

'팁토' 관련 특허 또한 기초과학연구원에서 보유하고 있으며, 이미 여러 레이저 관련 전문 업체로부터 기술이전 및 사업화를 제안 받았다고 하니, 앞으로 많은 연구에 도움이 될 것으로 보입니다.