물리학과 첨단기술

특집

초강력 레이저를 이용한 강력장 양자전기역학 연구

초강력 레이저를 이용한 상대론적 영역의 입자 가속기 기술 개발

작성자 : 김형택 ㅣ 등록일 : 2025-04-11 ㅣ 조회수 : 39 ㅣ DOI : 10.3938/PhiT.34.010

저자약력

김형택 박사는 한국과학기술원에서 2004년 물리학으로 박사를 받았다. 현재 광주과학기술원 고등광기술연구소의 초강력레이저연구부에 수석연구원으로 재직 중이며, 초강력 레이저 플라즈마 응용 연구 센터장을 역임하고 있다. 고차조화파 발생 연구, 엑스선 레이저 개발, 초강력 레이저 전자 가속 및 방사선원 개발 등의 연구를 수행하고 있다. (htkim@gist.ac.kr)

Development of Particle Accelerators by Ultra-Intense Lasers in Relativistic Regime

Hyung Taek KIM

Laser-plasma interactions driven by ultra-intense lasers produce various high-energy particle and radiation sources. Compared to conventional radio-frequency accelerators, laser-plasma-based sources provide a compact and cost-effective alternative for generating energetic electrons and photons. This article reviews recent advances in laser-plasma electron acceleration and its application to all-optical nonlinear Compton scattering. Key developments in laser wakefield acceleration (LWFA) using intense laser pulses are discussed, including recent milestone achievements in all-optical nonlinear Compton scattering based on LWFA. The versatility of particle and radiation sources based on laser-plasma interactions makes them highly valuable for applications to various fields, including biomedical science, materials science, nuclear physics, non-destructive inspection, and semiconductor technology.

들어가며

레이저-플라즈마 상호작용에 대한 연구는 레이저가 발명된 직후인 1960년대부터 시작되었다. 1970년대와 1980년대에는 핵융합을 위한 대형 나노초 고에너지 레이저를 이용한 고온·고밀도 플라즈마 연구가 주된 연구 분야였다. 1989년 D. Strickland와 G. Mourou는 처프 펄스 증폭(Chirped Pulse Amplification, CPA) 기술을 개발하여1) 소형 초강력 레이저 개발의 토대를 마련하였다. 이들은 처프 펄스 증폭 기술의 개발 공로를 인정받아 2018년 노벨 물리학상을 수상하였다.

레이저 플라즈마 전자 가속 개념은 1979년 J. Dawson과 T. Tajima에 의해 처음 제안되었다.2) 레이저 플라즈마 전자 가속에 필요한 상대론적 강도의 레이저는 처프 펄스 증폭 기술의 발전에 힘입어 1990년대 후반에 개발되었다. 상대론적 영역(relativistic regime)의 레이저 세기는 전자가 상대론적 운동을 할 수 있을 정도로 강한 전기장을 가지는 레이저를 의미하며, 이는 \(\small a_0 \geq 1\) (\(\small a_0\)은 Normalized vector potential) 혹은 \(\small I \geq\) 10¹⁸ W/cm² 이상의 강도를 필요로 한다. 이러한 고강도 레이저는 플라즈마를 상대론적으로 구동하여, 초고에너지 전자 가속, X선 및 감마선 발생 등 다양한 첨단 연구 및 응용에 활용되고 있다.3) 이러한 상대론적 영역의 세기를 가지는 레이저가 개발되면서 2003년에는 플라즈마 버블(plasma bubble) 또는 블로우 아웃(blow-out) 영역에서 단일 에너지를 가지는 전자 빔을 생성하는 중요한 성과가 달성되었다.4)5)6) 이후 레이저 플라즈마 전자 가속 기술은 소형 실험 장치에서도 GeV(기가전자볼트) 수준의 높은 에너지를 가지는 전자 빔을 생성할 수 있는 혁신적인 기술로 주목받고 있다.

레이저 항적장 가속의 원리

Fig. 1. Schematic Diagram of the Laser Wakefield Acceleration (LWFA) Experiment and the LWFA Process.

레이저 플라즈마 전자 가속은 주로 레이저 항적장 가속(Laser Wakefield Acceleration, LWFA) 과정을 통해 이루어진다. 그림 1에서 보듯이, 상대론적 강도를 가진 레이저 빔이 기체 매질에 집속되면, 매질이 급속히 이온화되어 저밀도 플라즈마가 형성된다. 이 과정에서 레이저의 시공간적 세기 변화로 인해 폰더로모티브 힘(ponderomotive force)이 발생하여, 플라즈마 내 전자들이 레이저의 첨두(peak)로부터 밀려난다. 반면, 무거운 질량을 가진 이온들은 정지 상태를 유지한다.

전자들이 원래 위치에서 밀려나면서 정지한 이온들과 공간적으로 분리되고, 이로 인해 강한 정전기장이 형성된다. 생성된 정전기장은 전자들에게 힘을 가하여 다시 레이저 축을 향해 이동하도록 유도한다. 이러한 전자의 분리 및 복원 과정이 레이저 펄스의 전파를 따라 반복적으로 일어나면서 플라즈마 파동이 형성된다.3)

레이저 펄스의 Normalized vector potential \(\small a_0 \gg 1\)이고, 펄스폭이 플라즈마 파장의 절반보다 짧을 경우, 플라즈마 파는 구형으로 변형되며, 이를 플라즈마 버블(plasma bubble)이라고 한다. 플라즈마 버블 내부에서는 전기장이 중심을 향해 작용하며, 그 세기는 100 GV/m 이상에 달한다. 이에 따라, 레이저 항적장 가속은 기존의 일반 가속기에 비해 천 배 이상의 가속력을 제공할 수 있으며, 약 1 cm의 짧은 거리에서 전자를 1 GeV 에너지까지 가속하는 것이 가능하다. 또한, 플라즈마 버블 내부의 횡방향 전기장은 전자 빔을 레이저 축 근처에 유지시키는 역할을 한다. 이로 인해, 시준된 형태의 저발산 전자빔이 형성된다.

레이저 항적장 전자 가속기 요소 기술 개발

레이저 항적장 기술을 이용하여 고에너지 전자빔을 생성하고 다양한 응용 분야에 활용하기 위해서는, 레이저 가속 과정을 정밀하게 제어하고 최적화하는 연구가 필수적이다. 레이저 항적장 가속에서 중요한 요소로는 플라즈마 버블 내부로 전자 뭉치가 유입되는 전자 주입(electron injection) 과정, 주입된 전자가 고에너지로 가속되는 과정, 그리고 초강력 레이저 펄스가 플라즈마 내부를 안정적으로 전파하는 과정이 포함된다. 레이저 항적장 가속기 기술을 개발하기 위해서는 각 요소 기술을 개발하여 가속된 전자빔의 특성을 제어하고 최적화하는 기술을 개발해야 한다. 기초과학연구원 상대론적 레이저과학 연구단과 광주과학기술원 고등광기술연구소의 연구진은 지난 15년여간 초강력 레이저 펄스를 이용한 레이저 전자 가속기 요소 기술 개발을 진행하고 있다.

Fig. 2. (가) Electron injection via the nanoparticle insertion method. (나) Experimental setup for the nanoparticle injection method. (다) Profiles of the accelerated electron beam: (i) without nanoparticles, (ii) with nanoparticles. (라) Electron energy spectra: (i) without nanoparticles, (ii) with nanoparticles.7)8)

레이저 항적장 가속에서 전자 주입은 플라즈마 버블 뒤쪽의 전자 밀도 증가 또는 플라즈마 버블 확대에 의한 자가 전자 주입(self injection)을 많이 이용하였다. 그러나 자가 전자 주입은 제어가 매우 어렵고 연속적인 전자 주입이 일어나 전자빔의 에너지 선폭이 늘어나는 단점들을 가지고 있다. 이에 본 연구진은 그림 2에서 보여주는 바와 같이 나노입자를 이용하여 전자 주입을 일으키는 방법을 고안하였고, 이를 이론적인 방법과 실험적인 방법으로 구현하였다.7)8)9)

Fig. 3. (가) Experimental setups for plasma density profiling to optimize the LWFA process. (나) Electron energy and charge variation with respect to the angle of the gas jet. (다) Electron energy spectra with various gas jet angle.10)

레이저 전자 가속에서 전자의 가속 과정 제어는 핵심적인 기술이다. 본 연구진은 가스 젯의 각도를 조정함으로써 레이저 진행 방향의 가스 밀도 분포를 변화시키고, 이를 통해 전자 가속 과정을 효과적으로 조절할 수 있음을 규명하였다. 플라즈마 밀도의 길이 방향 변화는 레이저 항적장 가속에서 탈위상화 길이(dephasing length) 및 펌프 소진 길이(pump depletion length) 영향을 미쳐 가속 특성을 변화시킨다. 이러한 현상을 실험적으로 가장 간단하게 분석하는 방법은 가스 젯의 각도를 조절하여 레이저 진행 방향에 따라 플라즈마 밀도를 점진적으로 증가시키거나 감소시키는 것이다. 본 연구진은 다양한 가스 젯 각도에서 전자 가속 실험을 수행하였으며, 이에 따른 전자빔의 에너지 및 전하량 특성 변화를 상세히 분석하였다. 그림 3에 제시된 바와 같이, 본 연구를 통해 전자 가속 특성을 최적화할 수 있는 밀도 분포 조건을 도출하였다.10)

Fig. 4. (가) Schematic of the LWFA experiment using an elliptically focused laser. (나) LWFA characteristics along the major and minor axes of the elliptical laser focus.11)

레이저를 이용한 전자빔의 공간적 분포 제어는 전자빔 응용을 위한 핵심 기술 중 하나이다. 본 연구진은 그림 4에서 보는 바와 같이 타원형 레이저 조리개를 활용하여 타원형 모양의 레이저 초점을 형성하여 전자 가속 실험을 진행하였다. 레이저 전자 가속 과정은 매우 비선형적인 특성을 가지므로, 레이저의 공간적 분포가 전자빔에 전달되는 과정은 단순하지 않다. 본 실험에서 전자빔의 공간적 분포는 전반적으로 레이저 초점의 영향을 받아 타원형 형태를 보였으나, 레이저의 편광 방향과 초점 공간 분포의 복합적인 영향을 받는다는 점을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 레이저 전자 가속 특성이 레이저 빔의 공간 분포 및 편광 상태에 민감하게 영향을 받는다는 사실을 규명하였다.

PW 레이저 이용 고에너지 전자 가속기 개발 연구

Fig. 5. (가) Dual-stage LWFA using petawatt (PW) laser pulses. (나) Experimental results from dual-stage LWFA driven by PW laser pulses.12)

광주과학기술원 고등광기술연구소 연구진은 2010년 PW급 첨두 출력을 갖는 레이저 빔라인 1을 구축하였으며, 2011년에는 1.5 PW 첨두 출력을 갖는 빔라인 2를 완성하였다. 본 연구진은 PW 레이저 펄스를 활용한 전자 가속 연구를 수행하였으며, 3 GeV 중심 에너지를 갖는 전자빔 가속에 성공하였다. 본 연구에서는 그림 5에서 보여주는 바와 같이, 서로 다른 두 개의 가스 젯을 연속적으로 배치하여 단일 PW 레이저 펄스로 구동되는 2단 레이저 가속 기술을 개발하였다. 레이저 전자 가속에서 효율적인 전자 주입을 위해서는 높은 전자 밀도가 필요하며, 전자의 높은 에너지 가속을 위해서는 낮은 밀도의 긴 플라즈마 매질이 요구된다. 이에 따라, 본 연구에서는 이중 가스 젯의 밀도를 최적화하여, 첫 번째 매질에서 전자 주입 및 초기 가속이 이루어지고, 두 번째 매질에서 주로 에너지 증가가 발생하는 조건을 형성하였다. 그 결과, PW 레이저 펄스를 2단 가속 기술에 적용함으로써 3 GeV의 높은 에너지를 갖는 전자빔을 획득하는 데 성공하였다.

PW 레이저 전자 가속에서 전자빔의 안정성 향상은 전자빔 응용을 위한 핵심 기술 중 하나이다. 이중 가스 젯을 이용한 2단 전자 가속 방식은 3 GeV 이상의 높은 에너지를 갖는 전자빔을 형성할 수 있으나, 전자빔의 안정성이 낮다는 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 안정적인 가속 환경을 조성하기 위해, 플라즈마 매질로 가스 젯 대신 안정적인 가스 셀을 적용하고, PW 레이저의 파형(waveform)을 조절하여 전자 가속 조건을 안정화하는 기술을 개발하였다.

Fig. 6. (가) Schematic of LWFA with waveform-controlled PW laser pulses. (나) Acceleration field strength as a function of laser chirp. (다) Electron energy dependency on laser chirp and third-order dispersion of PW laser pulses. (라) Stability of the accelerated electron beam over 30 consecutive shots using optimized PW laser waveform.13)

레이저의 시간적 파형은 주파수 영역에서 분산(dispersion)의 각 차수를 제어하여 시간적 처프(chirp)와 프로파일을 변화시키는 방식으로 조절하였다. 그림 6은 레이저 파형 제어를 이용한 안정적인 전자빔 가속 연구의 실험 셋업과 연구 결과를 보여준다. 본 연구에서는 레이저 처프 및 3차 분산(third-order dispersion)을 조정함으로써 전자 가속의 가속력을 최대화할 수 있으며, 이 최적화 조건에서 전자빔의 안정성이 상당히 향상됨을 확인하였다. 본 연구 결과는 PW 레이저의 파형 제어 기술이 전자빔의 가속 특성과 안정도를 향상시키는 중요한 방법임을 보여주었다.

2016년, 기초과학연구원 초강력 레이저 연구단은 1.5 PW 레이저 빔라인을 업그레이드하여 4 PW 출력의 레이저를 완성하였으며,14) 이를 기반으로 전자 가속, 이온 가속, 비선형 콤프턴 산란(Nonlinear Compton Scattering) 등 다양한 연구를 수행하고 있다. 이와 함께, 우수한 연구 성과를 지속적으로 도출하고 있으며, 특히 레이저 세기를 10²³ W/cm²까지 향상시키는 연구는 세계에서 가장 강한 레이저장을 형성한 결과로 주목받고 있다.16) 전자 가속 분야에서는 4.5 GeV의 고전하량(high-charge) 전자빔 획득에 성공하였으며, 이를 바탕으로 All-optical Compton Scattering 실험이 성공적으로 수행되었다.16) All-optical Compton Scattering 실험의 성공은 초강력 레이저 기반 고에너지 전자빔과 초강력 레이저 간의 산란을 통해 비선형 양자전자역학(Quantum Electrodynamics, QED)을 규명하는 새로운 길이 열렸음을 보여주는 괄목할만한 발견이라고 할 수 있다.

레이저 전자 가속기 응용 분야

Fig. 7. Potential Applications of Laser-Driven Electron Accelerators. (가) Compact, next-generation high-energy electron-positron collider. (나) Table-top synchrotron light source. (다) Diagnostic tools for probing nonlinear quantum electrodynamics (QED) processes.17)

레이저 전자 가속기는 기존 대형 가속기 기술을 보완할 수 있는 컴팩트하고 경제적인 대안으로, 다양한 분야에서 혁신적인 역할을 수행할 것으로 기대된다. 특히, 그림 7에서 보여주는 바와 같이 다음 세 가지 주요 응용 분야에서 중요한 활용 가능성을 지닌다.

(1) 차세대 초고에너지 전자-양전자 충돌기

현재의 입자가속기는 거대한 규모와 높은 건설·운영 비용이 요구되지만, 레이저 전자 가속기를 활용하면 보다 작은 공간에서 높은 에너지를 갖는 전자-양전자 빔을 형성할 수 있어 차세대 충돌기의 핵심 기술로 적용될 가능성이 있다.

(2) 탁상형 고에너지 방사광원

기존의 싱크로트론 방사광원이나 XFEL은 대규모 시설이 필요하지만, 레이저 전자 가속기를 이용하면 탁상형 장치로도 고에너지 X선을 생성할 수 있다. 또한 레이저 전자 가속기를 기반으로 차세대 콤팩트 XFEL 개발도 가능하다. 이러한 소형 고에너지 방사광원은 생명과학, 재료과학, 나노기술, 의학 영상 등 다양한 연구 분야에 활용될 것이다.

(3) 비선형 양자전자역학(QED) 과정 연구

초강력 레이저와 고에너지 전자빔의 상호작용을 통해 비선형 양자전자역학(QED) 과정, 예를 들어 비선형 콤프턴 산란(Nonlinear Compton Scattering)과 양자 진공 붕괴(Quantum Vacuum Breakdown) 등의 현상을 연구할 수 있다. 레이저-전자빔 상호작용 실험을 통해 극한 전자기장 환경에서 발생하는 양자 효과를 검증하고, 새로운 물리 법칙을 탐구할 수 있는 실험 플랫폼을 제공할 수 있다.

맺음말

레이저 전자 가속기는 기존 대형 가속기의 한계를 극복할 수 있는 컴팩트하고 경제적인 대안으로, 차세대 입자 충돌기의 핵심 기술로 활용될 가능성이 있으며, 탁상형 고에너지 방사광원 개발에도 기여할 수 있다. 또한, 초강력 레이저와 고에너지 전자빔의 상호작용을 이용하여 비선형 콤프턴 산란(Nonlinear Compton Scattering)과 양자 진공 붕괴(Quantum Vacuum Breakdown)와 같은 비선형 양자전자역학(QED) 과정을 연구할 수 있는 실험 플랫폼을 제공함으로써, 극한 조건에서의 새로운 물리 법칙 탐구에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 본 연구진은 페타와트(PW) 및 다중 페타와트(Multi-PW) 레이저를 이용한 전자 가속 및 방사선원 개발 연구를 지속적으로 수행하고 있으며, 향후 고에너지 전자빔과 고강도 레이저 펄스의 충돌을 통한 Breit-Wheeler 쌍생성(Breit-Wheeler pair production) 및 연쇄 감마선 생성(Cascaded gamma-ray generation)과 같은 비선형 양자전자역학 현상을 규명하는 연구를 추진할 계획이다. 이를 통해, 극한 물리 조건에서 발생하는 천체 현상의 이해를 증진하고, 물질 생성의 근원에 대한 심층적인 연구를 수행하는 데 기여하고자 한다.

각주: 1)D. Strickland and G. Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Commun. 56, 219 (1985).; 2)T. Tajima and J. M. Dawson, Laser Electron Accelerator, Phys. Rev. Lett. 43, 267 (1979).; 3)E. Esarey, C. B. Schroeder and W. P. Leemans, Physics of laser-driven plasma-based electron accelerators, Rev. Mod. Phys. 81, 1229 (2009).; 4)S. P. D. Mangles et al., Monoenergetic beams of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions, Nature 431, 535 (2004).; 5)C. G. R. Geddes et al., High-quality electron beams from a laser wakefield accelerator using plasma-channel guiding, Nature 431, 538 (2004).; 6)J. Faure et al., A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams, Nature 431, 541 (2004).; 7)M. H. Cho et al., Controlled electron injection facilitated by nanoparticles for laser wakefield acceleration, Scientific Reports 8, 16924 (2018).; 8)C. Aniculaesei et al., Proof-of-Principle Experiment for Nano- particle-Assisted Laser Wakefield Electron Acceleration, Phys. Rev. Appl. 12, 044041 (2019).; 9)J. Xu et al., Nanoparticle-insertion scheme to decouple electron injection from laser evolution in laser wakefield acceleration, Scientific Reports 12, 11128 (2022).; 10)C. Aniculaesei et al., Electron energy increase in a laser wakefield accelerator using up-ramp plasma density profiles, Scientific Reports 9, 11249 (2019).; 11)B. S. Rao et al., Optical shaping of plasma cavity for controlled laser wakefield acceleration, Phys. Rev. Research 2, 043319 (2020).; 12)H. T. Kim et al., Enhancement of Electron Energy to the Multi-GeV Regime by a Dual-Stage Laser-Wakefield Accelerator Pumped by Petawatt Laser Pulses, Phys Rev. Lett. 111, 165002 (2013).; 13)H. T. Kim et al., Stable multi-GeV electron accelerator driven by waveform-controlled PW laser pulses, Scientific Reports 7, 10203 (2017).; 14)J. H. Sung et al., 4.2 PW, 20 fs Ti:sapphire laser at 0.1 Hz, Opt. Lett. 42, 2058 (2017).; 15)J. W. Yoon et al., Realization of laser intensity over 1023 W/cm2, Optica 8, 630 (2021).; 16)M. Mirzaie et al., All-optical nonlinear Compton scattering performed with a multi-petawatt laser, Nature Photonics 18, 1212 (2024).; 17)National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Plasma Science: Enabling Technology, Sustainability, Security, and Exploration, https://doi.org/10.17226/25802 (Washing- ton, DC, The National Academies Press, 2021), Chapter 3. p. 143.