혁신적 도구로 펨토초 레이저 정밀 측정 가능해져

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펨토초 레이저 측정용 새로운 도구 실험 세팅. (이미지: 룬드 대학교)

100만 분의 1의 100만 분의 1초보다 짧은 초단 레이저 펄스는 기초 과학, 공학, 의학을 혁신했습니다. 하지만 초단 지속 시간 때문에 측정이 까다롭고 어려웠습니다. 약 10년 전 룬드 대학교와 포르투 대학교 연구진이 초고속 레이저의 펄스 지속 시간을 측정하는 도구를 도입했습니다. 같은 팀이 이제 개별 레이저 펄스를 더 넓은 파라미터 범위에서 더 컴팩트한 세팅으로 측정할 수 있는 돌파구를 마련했습니다.

"현재 산업과 의학에서 일반적으로 사용되는 펨토초 레이저 표준 측정은 펄스 지속 시간의 추정치만 제공합니다. 우리 접근법은 더 완전한 측정을 제공하며 초고속 레이저 기술의 전체 잠재력을 발휘하는 데 기여할 수 있습니다."라고 룬드 대학교 원자물리학 박사과정 Daniel Díaz Rivas는 말합니다.

펨토초 펄스 개념은 우리 대부분에게 이해하기 어렵습니다. 하지만 안과 수술부터 산업용 미세가공까지 다양한 일상 응용에 사용됩니다. 극도로 짧은 레이저 펄스는 광합성에서의 에너지 전달과 전자 역학 같은 자연계에서 가장 빠른 과정도 조사할 수 있습니다.

점점 더 널리 사용되고 있음에도 펄스의 형태와 지속 시간을 정확히 측정하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 전자 장비가 너무 느리기 때문에 연구자들은 광학적 방법에 의존해 왔습니다.

기존 방법의 한계

하지만 이러한 광학 기술은 일반적으로 스캔 시퀀스에서 여러 측정을 필요로 합니다. 이는 실시간으로 개별 펄스를 포착하는 데 부적합합니다.

기초 과학에서 흔히 쓰이는 매우 짧은 펄스 특성화를 위한 단일 샷 버전이 등장했지만, 산업 및 의료 응용에서 더 흔히 쓰이는 긴 펄스에는 어려움을 겪습니다. 한계는 컴팩트한 광학 세팅에서 펄스를 충분히 늘리는 복잡성과 관련이 있습니다.

룬드 대학교 연구진은 이제 간단한 광학 원리를 이용해 초고속 레이저 펄스를 늘리는 컴팩트하고 우아한 방법을 개발했습니다. 펄스 레이저 빔을 회절 격자(빛을 색상으로 공간적으로 분리하는 구성요소)를 통해 보내고 렌즈 조합으로 격자를 이미징함으로써 레이저 빔 전체에서 펄스 지속 시간을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

이 접근법으로 펨토초 펄스를 컴팩트한 광학 세팅에서 10배 이상 늘릴 수 있습니다.

이를 통해 사전 보상 광학 소자 없이 단일 샷으로 완전한 특성화가 가능해집니다. 이 연구 결과는 몇 펨토초에서 수백 펨토초까지 펄스 지속 시간 범위에서 작동하는 다재다능한 기술로, 과학, 산업, 의료 응용을 모두 포괄합니다. 많은 레이저 플랫폼에서 이전에 도달할 수 없었던 개별 펄스의 실시간 모니터링의 문이 열렸습니다.

향후 전망

펄스 특성화 외에도 이 광학 원리는 빛 펄스의 시공간적 특성을 형성하고 빛-물질 상호작용을 연구하는 다양한 방법에 적용될 수 있습니다.

"초고속 레이저가 과학과 기술의 혁신을 계속 주도함에 따라, 이 같은 도구는 정밀도와 이해의 경계를 넓히는 열쇠가 될 것입니다."라고 룬드 대학교 원자물리학 선임 강사 Cord Arnold는 결론짓습니다.

이 기사는 룬드 대학교에서 작성했습니다. 자세한 정보는 Daniel Diaz Rivas(이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호 중, 자바스크립트 활성화 필요)에게 문의하세요.

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