획기적 방법, 초단파 고출력 레이저 펄스 생성

• 과학자들, 광파라메트릭 증폭기(optical parametric amplifier) 사용해 파동 주기보다 짧은 펄스 생성
• 원자 내 전자 움직임 관찰에 활용 가능

지난 몇 년간 고에너지, 소수 사이클 중적외선 펄스는 2D 적외선 분광학, 서브펨토초 전자 방출, 화합물 시간분해 이미징, 코히어런트 연성 X선 및 인코히어런트 경성 X선 생성 등 수많은 응용으로 큰 관심 끌었습니다.

최근 싱가포르 A*STAR(과학기술연구청) 제조기술연구소 과학자들이 파동 주기보다 짧은 적외선 펄스 생성하는 레이저 합성기(laser synthesizer) 구축했습니다.

이는 연구자들이 원자 내 전자 움직임을 연구할 수 있게 할 수 있습니다. 이 초단파 펄스 파장이 중적외선 범위에 속하므로 다양한 원자와 분자에 쉽게 흡수되기 때문입니다.

새로운 레이저 합성기

원자 내에서 전자는 펨토초(10⁻¹⁵초) 또는 아토초(10⁻¹⁸초) 단위로 한 에너지 밴드에서 다른 밴드로 이동합니다. 이런 예외적 시간 척도 때문에 과학자들은 그런 이벤트 관찰·분석 위해 고출력 초단파 레이저 펄스 필요합니다.

한 가지 생산법은 비선형 결정에 매우 짧고 극도로 강렬한 적외선 펄스 노출시키는 것. 하지만 팀은 전통적 방법론만 구현하지 않고 중적외선 단파 생성 방식을 개선했습니다.

파동 주기보다 짧은 펄스 생성 위해 넓은 스펙트럼 대역폭 필요. 이전 연구들은 여러 스펙트럼 커버리지 가진 펄스들 결합해 그런 큰 대역폭 달성했는데, 매우 어렵고 복잡한 작업. 개별 펄스 상대 진폭과 위상 정밀 제어 위해 다양한 노이즈 제어 장비 필요.

일을 꽤 단순하게 만들기 위해 과학자들은 광파라메트릭 증폭기(optical parametric amplifier)라 불리는 장치 사용. 두 가변 파장 레이저 펄스 방출하는 광원. 이 두 펄스 위상과 진폭을 서로 상대적으로 구성 가능.

참조: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

개발한 증폭기는 매우 짧은 시간 지연으로 펄스 방출해 추가 노이즈 제어 시스템 없이 넓은 대역폭 펄스로 합쳐집니다. 파괴적 간섭이 펄스 가장자리 자르고 구성적 간섭이 중심에서 일어나 최종 펄스를 파동 주기보다 더 짧게 만들 수 있습니다.

이미지 크레딧: 빈 공과대학교(Vienna University of Technology)

이 초단파 펄스 특정 고체 물질에 조사하면 고에너지 광자 고자외선 영역에서 방출 촉발. 이 고에너지 광자는 아토초 시간 척도에서 원자 내부 진행 과정 조사에 더 사용될 수 있습니다.

이 연구에서 연구진은 중적외선 펄스로 얇은 실리콘 시트에서 고에너지 광자 생성. 구체적으로 2.5~9.0 마이크로미터 대역폭 커버하는 고에너지 중적외선 펄스 합성기 시연, 얇은 실리콘 샘플에서 고차 고조파 생성 유도해 고체 내 격리된 강장 상호작용 보임. 합성 펄스 폭 약 12.4 펨토초 관측, 약 4.2 마이크로미터에서 0.88 광학 주기 대응.

향후 계획

다음 작업에서 팀은 다른 물질서 고립된 전자 펄스 생성해 원자 내 더 빠른 과정 검사 가능케 할 예정.

참고: 진공 깨뜨려 반물질 생성하는 가장 강력한 레이저

또한 펌프 레이저 기술 진전이 중적외선 서브사이클 소스를 피크 파워 쪽으로 밀어 고장 상호작용 기체 매질에서 구동할 잠재력 있음.