2023년 10월 3일 저녁, 의미 있는 발표를 통해 2023년 노벨 물리학상이 공개되었으며, 아토초 레이저 기술 분야의 선구자로서 중추적인 역할을 한 세 명의 과학자의 뛰어난 공헌을 인정받았습니다.

"아토초 레이저"라는 용어는 작동 시간이 매우 짧다는 데서 유래되었는데, 특히 아토초 단위, 즉 10^-18초에 해당합니다. 이 기술의 심오한 의미를 이해하려면 아토초가 무엇을 의미하는지에 대한 근본적인 이해가 필수적입니다. 아토초는 극히 미세한 시간 단위로, 더 넓은 의미에서 1초라는 시간 단위는 10억 분의 1초에 해당합니다. 1초를 우뚝 솟은 산에 비유한다면, 아토초는 산기슭에 자리 잡은 모래알 하나에 비유할 수 있습니다. 이처럼 찰나의 시간 간격 속에서 빛조차도 원자 하나 크기의 거리를 겨우 이동할 수 있습니다. 아토초 레이저를 활용함으로써 과학자들은 원자 구조 내에서 전자의 복잡한 역학을 자세히 살펴보고 조작할 수 있는 전례 없는 능력을 얻게 되었는데, 이는 마치 영화 시퀀스에서 프레임 단위로 슬로우 모션을 재생하는 것과 비슷하며, 이를 통해 전자의 상호 작용을 탐구할 수 있습니다.

아토초 레이저이 레이저는 비선형 광학 원리를 활용하여 초고속 레이저를 제작한 과학자들의 광범위한 연구와 공동 노력의 결실입니다. 이러한 레이저의 출현은 고체 물질 내 원자, 분자, 심지어 전자 내부에서 일어나는 역동적인 과정을 관찰하고 탐구할 수 있는 혁신적인 관점을 제공했습니다.

아토초 레이저의 본질을 규명하고 기존 레이저와 비교했을 때 그 독특한 특성을 이해하기 위해서는 더 넓은 "레이저 계열" 내에서 아토초 레이저의 분류를 살펴보는 것이 필수적입니다. 파장에 따른 분류에서 아토초 레이저는 주로 자외선에서 연X선 주파수 범위에 속하며, 이는 기존 레이저에 비해 현저히 짧은 파장을 의미합니다. 출력 모드 측면에서 아토초 레이저는 매우 짧은 펄스 지속 시간을 특징으로 하는 펄스 레이저 범주에 속합니다. 명확성을 위해 비유하자면, 연속파 레이저는 연속적인 광선을 방출하는 손전등과 유사하고, 펄스 레이저는 밝음과 어두움의 주기를 빠르게 번갈아 가며 나타나는 스트로브 조명과 유사합니다. 본질적으로 아토초 레이저는 밝음과 어두움 속에서 맥동하는 특성을 보이지만, 두 상태 사이의 전이는 아토초 영역에 도달하는 놀라운 주파수로 발생합니다.

출력에 따라 레이저를 저출력, 중출력, 고출력으로 구분합니다. 아토초 레이저는 펄스 지속 시간이 매우 짧아 높은 피크 출력을 달성하며, 이로 인해 단위 시간당 에너지 강도(P=W/t)로 정의되는 뚜렷한 피크 출력(P)을 나타냅니다. 개별 아토초 레이저 펄스는 매우 큰 에너지(W)를 갖지 않을 수 있지만, 짧은 시간 간격(t)으로 인해 높은 피크 출력을 제공합니다.

응용 분야 측면에서 레이저는 산업, 의료, 과학 분야를 아우르는 광범위한 분야에 걸쳐 있습니다. 아토초 레이저는 주로 과학 연구 분야, 특히 물리학과 화학 분야에서 빠르게 진화하는 현상을 탐구하는 분야에서 그 자리를 차지하며, 미시 세계의 빠른 동적 과정을 들여다볼 수 있는 창을 제공합니다.

레이저 매질에 따른 분류는 가스 레이저, 고체 레이저, 액체 레이저, 그리고 반도체 레이저로 구분됩니다. 아토초 레이저의 생성은 일반적으로 가스 레이저 매질에 의존하며, 비선형 광학 효과를 활용하여 고차 고조파를 생성합니다.

요약하자면, 아토초 레이저는 단펄스 레이저 중에서도 독특한 종류로, 일반적으로 아토초 단위로 측정되는 매우 짧은 펄스 지속 시간을 특징으로 합니다. 따라서 아토초 레이저는 원자, 분자, 그리고 고체 물질 내 전자의 초고속 동적 과정을 관찰하고 제어하는 ​​데 필수적인 도구가 되었습니다.

아토초 레이저 생성의 정교한 프로세스

아토초 레이저 기술은 과학 혁신의 최전선에 있으며, 그 생성을 위한 매우 엄격한 조건을 자랑합니다. 아토초 레이저 생성의 복잡한 원리를 설명하기 위해, 먼저 그 기본 원리를 간략하게 설명하고, 이어서 일상생활에서 얻은 생생한 비유를 통해 이를 설명합니다. 관련 물리학의 복잡한 원리를 잘 모르는 독자라도 실망할 필요는 없습니다. 이어지는 비유들을 통해 아토초 레이저의 기초 물리학을 쉽게 이해할 수 있도록 돕고자 합니다.

아토초 레이저의 생성 과정은 주로 고조파 생성(HHG)이라는 기술에 의존합니다. 먼저, 고강도 펨토초(10^-15초) 레이저 펄스 빔을 기체 상태의 표적 물질에 집중시킵니다. 펨토초 레이저는 아토초 레이저와 마찬가지로 펄스 지속 시간이 짧고 피크 전력이 높다는 특징을 공유합니다. 강한 레이저장의 영향으로 기체 원자 내의 전자는 순간적으로 원자핵에서 분리되어 자유 전자 상태로 전환됩니다. 이 전자들은 레이저장에 반응하여 진동하다가 결국 원래 원자핵으로 돌아와 재결합하여 새로운 고에너지 상태를 생성합니다.

이 과정에서 전자는 매우 빠른 속도로 움직이며 원자핵과 재결합할 때 고조파 방출의 형태로 추가 에너지를 방출하며, 이는 고에너지 광자로 나타납니다.

새롭게 생성된 고에너지 광자의 주파수는 원래 레이저 주파수의 정수배이며, 고차 고조파라고 불리는 것을 형성합니다. 여기서 "고조파"는 원래 주파수의 정수배인 주파수를 의미합니다. 아토초 레이저를 얻으려면 이러한 고차 고조파를 필터링하고 초점을 맞춰 특정 고조파를 선택하여 초점에 집중시켜야 합니다. 필요한 경우 펄스 압축 기술을 사용하여 펄스 지속 시간을 더욱 단축하여 아토초 범위의 초단 펄스를 생성할 수 있습니다. 아토초 레이저 생성은 고도의 기술력과 특수 장비를 요구하는 정교하고 다면적인 공정으로 구성됩니다.

이 복잡한 과정을 이해하기 쉽게 설명하기 위해, 우리는 일상 생활에 기반한 은유적 비유를 제시합니다.

고강도 펨토초 레이저 펄스:

마치 고강도 펨토초 레이저 펄스가 하는 역할과 비슷하게, 엄청난 속도로 돌을 즉시 던질 수 있는 매우 강력한 투석기를 보유하고 있다고 상상해보세요.

기체 표적 물질:

기체 상태의 표적 물질을 상징하는 고요한 수면을 상상해 보세요. 물방울 하나하나가 수많은 기체 원자를 상징합니다. 이 수면에 돌을 던지는 행위는 기체 상태의 표적 물질에 고강도 펨토초 레이저 펄스가 가하는 충격을 유사하게 재현합니다.

전자 운동 및 재결합(물리적으로 전이라고 함):

펨토초 레이저 펄스가 기체 표적 물질 내의 기체 원자에 충돌하면, 상당수의 최외각 전자가 순간적으로 여기되어 각각의 원자핵에서 분리되어 플라즈마와 유사한 상태를 형성합니다. 이후 시스템의 에너지가 감소함에 따라 (레이저 펄스는 본질적으로 펄스 형태이며, 중단 간격이 있기 때문에), 이 최외각 전자들은 원자핵 근처로 돌아와 고에너지 광자를 방출합니다.

고조파 생성:

물방울이 호수 표면으로 떨어질 때마다 아토초 레이저의 고조파와 같은 잔물결이 발생한다고 상상해 보세요. 이 잔물결은 1차 펨토초 레이저 펄스에 의해 생성된 원래 잔물결보다 더 높은 주파수와 진폭을 갖습니다. HHG 공정에서는 돌멩이를 계속 던지는 것과 같은 강력한 레이저 빔이 호수 표면과 유사한 가스 표적을 비춥니다. 이 강력한 레이저장은 잔물결처럼 가스 속 전자를 원래 원자에서 멀어지게 밀어낸 후 다시 끌어당깁니다. 전자가 원자로 돌아올 때마다 더 복잡한 잔물결 패턴과 유사한 더 높은 주파수의 새로운 레이저 빔을 방출합니다.

필터링 및 초점:

새롭게 생성된 이 모든 레이저 빔을 결합하면 다양한 색상(주파수 또는 파장)의 스펙트럼이 생성되며, 이 중 일부가 아토초 레이저를 구성합니다. 특정 리플 크기와 주파수를 분리하려면 원하는 리플을 선택하는 것과 같은 특수 필터를 사용하고 돋보기를 사용하여 특정 영역에 초점을 맞출 수 있습니다.

펄스 압축(필요한 경우):

리플을 더 빠르고 짧게 전파하려는 경우, 특수 장치를 사용하여 전파 속도를 높이고 각 리플의 지속 시간을 줄일 수 있습니다. 아토초 레이저의 생성에는 복잡한 공정들이 상호 작용합니다. 하지만 이를 세분화하고 시각화하면 더 이해하기 쉬워집니다.