KAIST, 신소재 비공진 레이저 원천 기술 개발

▲실험에서 구현한 ‘빛 통발’ 형태의 레이저 캐비티. 이득물질로 제작한 산란체 표면에 반구 형태의 캐비티와 반원통 형태의 채널을 제작했다. (사진제공=한국과학기술원)

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.

일반적인 레이저는 거울 등을 이용해 빛을 가두는 구조(공진기) 내부에 빛을 증폭시키는 레이저 소재(이득 물질)를 배치한다. 공진기 내부에서 빛의 경로가 일정하게 유지돼야 레이저가 작동하기 때문에, 매우 투명한 크리스털 구조의 이득 물질에서만 레이저가 구현될 수 있었다. 자연계에 존재하는 많은 재료 중에 투명한 크리스털로 제작할 수 있는 특수한 레이저 소재들만 활용됐다.

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.

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. 기존에 활용되지 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.

KAIST 물리학과 이겨레 박사는 “기존에는 레이저로 활용하지 못했던 새로운 재료로 레이저를 발진시킬 수 있어 다양한 파장과 광 특성을 가진 새로운 레이저 소자 개발이 가능하고 이를 활용하면 의료, 생명과학, 산업기술, 국방 등 여러 분야로 적용이 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 4일 자로 출판됐다.