Study on Ultra-Intense Laser for Research on Relativistic Laser Science

Jin Woo YOON and Jae Hee SUNG

Ultra-intense lasers have been utilitzed actively for research on relativistic laser-matter interactions and strong-field quantum electrodynamics. The spatiotemporal quality of the ultra-intense laser is one of the most important factors which determine its scope of application and the quality of research. Thus, its wavefront correction is optimized and stabilized using an adaptive optics system. And its temporal contrast is enhanced by using a cross-polarized wave generation technique and a double plasma mirror technique. Additionally, its spatiotemporal synchronization is implemented using spatial and spectral interferometries. This approach will enhance the stability and reliability of relativistic laser-plasma experiments.

들어가며

최근 레이저 펄스의 순간 출력 증가와 레이저 빔의 집속 기술의 발달로 레이저를 통해 얻을 수 있는 레이저 강도도 증가하여 10¹⁸ W/cm² 이상의 강력한 세기를 만들 수 있는 초강력 레이저가 개발되고 있다. 초강력 레이저에 의해 만들어지는 강력한 레이저장 내에서 물질은 순식간에 플라즈마 상태가 되면서 극한의 물리 환경이 만들어지고, 전자, 양성자와 같은 하전 입자들은 빛의 속도에 가깝게 가속되어 높은 에너지를 가지게 되는 상대론적인 영역에 도달하게 된다.1) 그리고 비선형 콤프턴 산란이나 Breit Wheeler 쌍생성과 같은 강력장 양자전기역학(high-field Quantum Electrodynamics) 현상을 고에너지 전자와 초강력 레이저의 충돌을 통해 구현할 수 있어서, 실험실 천체물리 분야에서도 초강력 레이저가 활용되고 있다.2)

상대론적인 영역에서의 레이저 플라즈마 연구와 강력장 양자전기역학 연구 분야에서 구동 광원으로 사용되는 초강력 레이저의 시·공간 품질은 응용 분야의 확장성 및 연구 결과의 질적 수준을 결정하는 중요한 요소가 된다. 그래서 본 특집호에서는 상대론적 레이저 플라즈마 응용 연구에서 요구하는 초강력 레이저의 집속 강도의 최적화 및 안정화, 시간 대조비의 최적화, 시·공간 동기화의 연구 현황 및 전망에 대해서 기술할 것이다.

서 론

상대론적인 빛과 물질 간의 상호 작용 연구에서 연구 범위를 결정하는 가장 중요한 요소는 바로 레이저의 집속 강도이다. 그래서 PW (1,000조 와트) 수준의 초강력 레이저를 이용하여 레이저 집속을 극한으로 향상시켜 전례 없는 레이저 세기를 달성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.3)4)5)6) 그러나, 고강도의 레이저 세기를 달성하는 것은 기술적으로 매우 까다로운 문제로, 레이저 빔의 증폭 및 전송 과정에서 발생하는 파면 왜곡(wavefront distortion)으로 인해 회절 한계까지 빔을 집속하는 것이 매우 어렵기 때문이다. 또한, 레이저 빔의 강도 안정성 역시 레이저 플라즈마 실험의 신뢰성을 결정짓는 중요한 요소이지만, 온도 및 진동과 같은 외부 환경 변화에 쉽게 영향을 받는다. 따라서, 초강력 레이저를 이용한 플라즈마 실험에서 레이저 빔의 파면 왜곡을 효과적으로 보정하고, 강도의 변동을 최소화하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

초강력 레이저의 시간 품질 측면에서는 레이저의 주 펄스(main pulse)와 시간상 앞서는 선행 펄스(pre-pulse)의 세기 비율을 의미하는 시간 대조비를 충분히 높게 하여 선행 펄스의 세기를 최대한 낮게 하는 것이 매우 중요하다. 초강력 레이저와 물질 간의 상호 작용을 연구하는 레이저 플라즈마 실험에서 레이저의 주 펄스가 타겟 물질에 도착하기 전에 선행 펄스가 먼저 타겟 물질과 반응하게 되면 플라즈마 실험 자체가 왜곡되는 결과를 초래하게 된다. 이러한 왜곡 현상을 막기 위해서 선행 펄스의 세기를 최대한 낮게 하여 물질과의 반응이 일어나지 않도록 해야만, 레이저 플라즈마 실험의 신뢰성과 확장성을 높일 수 있다.

강력장 양자전기역학의 가장 기본적인 현상인 비선형 콤프턴 산란 실험에서는 초강력 레이저의 시공간 품질의 최적화뿐만 아니라, 시공간 동기화가 매우 중요하다. 비선형 콤프턴 산란을 구현하기 위한 고에너지 전자와 초강력 레이저의 충돌을 정밀 제어하기 위해서는 펨토초(10^‒15초, fs)의 시간 정밀도와 µm의 공간 정밀도를 가지는 레이저 펄스의 동기화 기술이 요구된다. 이러한 초강력 레이저의 시공간 동기화를 광학적으로 정밀하게 측정하고 실시간으로 제어하는 기술은 비선형 콤프턴 산란 실험의 정확도와 신뢰도를 높이기 위한 필수 기술이다.

초강력 레이저의 집속 최적화 및 안정화

4 PW 초강력 레이저의 공간적인 집속을 최적화하기 위해서 파면 보정 연구 및 집속된 강도의 안정화 기술 연구가 수행되었다. 먼저 초강력 레이저에서 발생하는 파면 왜곡과 강도 변동의 주요 원인들을 분석하고, 이러한 분석을 바탕으로 적응 광학(Adaptive Optics) 시스템을 적용하여 실시간 파면 보정을 통해 레이저 빔의 집속 성능을 극대화하였다.

Fig. 1. Schematic of the 4-PW laser beamline and two-stage adaptive optics systems.

초강력 레이저 시스템에서는 레이저 빔의 증폭 및 전송 과정에서 필연적으로 발생되는 파면 왜곡을 보정해야만 회절 한계까지 레이저 빔을 집속할 수 있다. 파면 보정을 위해 2개의 변형 거울(deformable mirror)을 이용한 2단 적응 광학 시스템을 구축하였다. 그림 1에서 보듯이, 먼저 레이저 증폭단에서 발생하는 파면 수차를 보정하기 위해 직경 100 mm, 48개 채널을 갖는 bimorph 타입의 변형 거울1(DM1)을 펄스 압축기 이전에 설치하여 사용하였다. 펄스 압축기 이후 빔 전송 및 집속 광학계를 통과하면서 발생하는 추가적인 수차를 보정하기 위해서는 직경 310 mm, 127개 채널을 갖는 대구경 bimorph 변형 거울2(DM2)를 사용하였다. 이러한 2단 적응 광학 시스템을 통해 레이저 빔의 파면 왜곡을 효과적으로 보정하고, f/1.1 대구경 비축 포물면 거울을 이용하여 초강력 레이저 빔을 강하게 집속시켰다. 그 결과 그림 2에서 보는 것처럼, 1 µm 초점 크기로 집속시키는 데 성공하여 10²³ W/cm² 이상의 세계에서 가장 강한 초고강도 세기를 달성하였다.6)

Fig. 2. Focal spot images measured in the target chamber (a) before and (b) after wavefront correction and (c) ideal focal spot image for focusing with an f/1.1 OAP. (d) measured temporal profile of the 4-PW laser pulse and (e) 3D focal spot image.6)

Fig. 3. (a) RMS wavefront error of the PW laser measured for 80 consecutive shots at a 0.1-Hz repetition rate and (b) corresponding Strehl ratio (black dots) and peak intensity (red dots).

초강력 레이저 시스템에서 기계적 진동, 온도 변화, 공기 흐름과 같은 외부 환경의 변화 때문에 레이저 빔의 파면 불안정성이 발생하며, 이는 레이저 강도를 변동시키는 주요 원인이 된다. 그림 3은 4 PW 초강력 레이저의 파면 수차 요동과 그에 따른 레이저 세기 요동 측정 결과를 보여준다. 약 16%의 세기 요동이 관측되었으며, 공기 흐름이 세기 요동의 주요 불안정 요인인 것으로 확인되었다. 이러한 레이저 세기 요동은 초강력 레이저 시스템의 전반부보다 레이저 빔의 크기가 커지는 후반부 구간에서 그 영향이 두드러지는 경향을 보였다.

Fig. 4. RMS wavefront aberrations measured during the wavefront stabilization process for (a) LD beam and (b) PW laser beam, and the Strehl ratio of (c) LD beam and (d) PW laser beam.

레이저 세기 요동을 최소화하는 데 필요한 실시간 파면 보정을 위하여 변형 거울1을 이용한 적응 광학 시스템을 이용하였다. 4 PW 초강력 레이저의 반복률은 0.1 Hz로 매우 낮아 초강력 레이저 빔 자체를 실시간 파면 보정에 사용하는 데는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 연속 발진 레이저 다이오드(laser diode, LD) 빔을 이용한 실시간 파면 측정과 보정을 수행하였다. LD는 부스터(booster) 증폭기 이전에 위치하며, 펄스 압축기 직전에 설치된 Shack-Hartmann 파면 센서(WFS1)를 통해 LD 빔의 파면 변동을 측정한 후 변형 거울1을 이용하여 실시간으로 파면 변동을 보정하였다. 동시에, 초강력 레이저 빔의 파면 안정성을 타겟 챔버에 위치한 파면 센서(WFS2)를 통해 평가하였다. 그림 4(a)와 4(b)는 각각 LD 빔과 초강력 레이저 빔의 파면 변동을 나타내며, 그림 4(c)와 4(d)는 각각 대응하는 LD 빔과 초강력 레이저 빔의 Strehl ratio 변동을 나타낸다. 실험 결과 LD 빔의 파면 변동은 0.007 µm(RMS), 초강력 레이저 빔의 파면 변동은 0.008 µm (RMS)로 두 빔의 파면이 안정화되었음을 확인할 수 있었다. 또한 Strehl ratio 변동도 5% 이내로 유지됨을 확인하였다. 이러한 연구 결과를 통해 실시간 파면 보정 기술을 이용하여 PW 초강력 레이저의 파면 및 강도 안정성이 크게 향상되었음을 실험적으로 관측하였다. 앞으로는 적응 광학 시스템에 인공지능 기반 시계열 예측 및 보정 기법을 추가하여, 레이저 파면 및 세기 안정성을 더욱 향상시킬 것이다.

초강력 레이저의 시간 대조비 최적화

초강력 레이저의 시간 대조비를 높이기 위해서 여러 가지 광학적인 기술이 사용되고 있다. 대표적으로 초강력 레이저 시스템의 전단부에 적용될 수 있는 Cross-polarized Wave Generation (XPW) 기술과 초강력 레이저의 마지막 후반부에 적용되는 플라즈마 거울(plasma mirror) 기술이 있다. 이 두 기술은 기존 레이저 시스템에 바로 적용하여 높은 시간 대조비 개선 효과를 볼 수 있어서 가장 많이 사용되는 기술들이다.

Fig. 5. Concept of cross-polarized wave generation technique to enhance the temporal contrast.

XPW 기술은 입사 레이저 빔 세기의 세제곱에 비례해서 편광이 90도로 회전하는 비선형 광학 현상을 이용한 시간 대조비 개선 기술이다.7) 초강력 레이저의 전단부에서 주로 사용되며, mJ 수준의 레이저 펄스를 BaF₂ 결정에 집속시켜서 편광 분광기(analyzer)로 90도 회전된 편광 성분만 선택하는 것이다. 이론적으로는 강한 세기를 가지는 주 펄스와 약한 세기를 가지는 선행 펄스의 세기 차이의 세제곱만큼 시간 대조비가 개선될 수 있지만, 분광기의 편광 분리 성능이 제한적이기 때문에 대략 10⁴ 정도의 시간 대조비 개선 효과를 얻을 수 있다.8)

Fig. 6. (a) Concept of plasma mirror technique and (b) temporal contrasts of PW laser pulses measured without and with double plasma mirror (DPM).

플라즈마 거울 기술은 최종적으로 시간 압축된 초강력 레이저 펄스를 무반사(anti-reflection) 표면 코팅된 윈도우에 강한 세기로 입사시켜서 윈도우 표면에 생기는 플라즈마에 의해 레이저가 반사되는 것을 이용하는 시간 대조비 개선 기술이다.9) 처음 약한 세기를 가지는 선행 펄스는 무반사 코팅된 윈도우를 대부분 투과하지만, 강한 세기를 가지는 주 펄스는 시간상으로 앞선 선행 펄스가 윈도우 표면에 만들어내는 플라즈마에 의해 강하게 반사된다. 결국 강한 세기를 가지는 주 펄스만 반사되면서 시간 대조비가 개선되는데, 윈도우에 입사하는 레이저 빔의 세기를 정밀하게 조절하여 반사 효율과 시간 대조비 개선 비율을 최적화할 수 있다. 실제 두 개의 플라즈마 거울을 연속으로 사용하여 70%의 높은 반사 효율과 약 10⁶의 높은 시간 대조비 개선 효과를 얻을 수 있었다.10)

최근에는 주 펄스보다 수십 피코초 이내로 앞선 시간 영역에서의 pedestal 세기를 강하게 억제할 수 있는 기술이 제안되었다. 초강력 레이저 시스템의 Öffner-triplet 형태의 펄스 확대기(stretcher)에서는 레이저 펄스가 스펙트럼 성분별로 공간 분리되어 진행하는데, 이때 사용되는 반사 거울의 산란 효과를 줄여서 시간 대조비를 개선시킬 수 있다. 실제 펄스 확대기의 볼록(convex) 거울의 표면 거칠기를 0.2 nm 수준까지 향상시키게 되면, 주 펄스보다 앞선 시간 영역에서의 pedestal 세기가 일반 볼록 거울을 사용했을 때보다 10² 이상 줄어들어 시간 대조비가 개선될 수 있었다.11)

초강력 레이저의 시·공간 동기화

비선형 콤프턴 산란 실험에서의 고에너지 전자와 초강력 레이저의 충돌 제어를 위해서 초강력 레이저 펄스의 시공간 동기화를 정밀하게 관측하고 실시간으로 제어하는 연구가 수행되었다. 충돌 지점에 집속되는 두 레이저 빔의 공간 동기화는 µm 수준의 정밀도를 가지는 카메라를 이용하여 충분히 실현할 수 있지만, 펨토초 수준의 시간 동기화를 관측하여 실현하기 위해서는 광학 기반의 간섭계로만 가능하다. 그래서 충돌 실험을 위한 두 레이저 빔의 시공간 동기화를 효율적으로 수행하기 위해서, 먼저 두 레이저 빔의 초기 정렬을 통해 시공간 동기화를 확인하기 위한 광학 간섭계 장치가 사용되고, 충돌 실험 중에 실시간으로 두 레이저 펄스 사이의 시간 지연(time delay)을 측정하여 보정하기 위한 광학 간섭계 장치가 추가적으로 사용된다.12)

Fig. 7. (a) Spatiotemporal synchronization setup for synchronization of the main driving laser and the scattering laser beams (b) interferograms measured with camera while changing time delay of two laser beams (Δt_stage). (c) Black circle at each time delay indicates the visibility obtained from the measured interferograms. Red square represents the average visibility at each delay. The red solid line corresponds to the Gaussian fitting of red squares.12)

전자 가속용 초강력 레이저 펄스와 충돌 산란용 초강력 레이저 펄스를 시공간적으로 처음 동기화시키기 위해 이미지 전송 광학계와 2개의 카메라로 구성된 공간 간섭계가 사용된다. 먼저 고에너지 전자와 초강력 레이저 펄스의 충돌 위치에 얇은 박막(pellicle)을 임시로 설치하여 전자 가속용 초강력 레이저는 박막을 투과하고 충돌 산란용 초강력 레이저는 반사되도록 하여 두 레이저 펄스를 공간적으로 중첩시킨다. 여기서 충돌 지점의 두 레이저 빔의 이미지와 충돌 지점 이후 떨어진 위치에서의 이미지를 각각 카메라로 전송하여 레이저 빔의 이미지 중심이 서로 일치되도록 하는 방식으로 두 레이저 빔의 공간 동기화를 실현할 수 있다. 그리고 그림 7(a)의 카메라2에서 관측되는 간섭무늬의 가시성(visibility)을 분석하여 두 레이저 빔의 시간 지연 값을 측정할 수 있다. 이러한 공간 간섭계를 이용하여 0.6µm의 공간 불확정도와 11 fs의 시간 지터(jitter)를 가지고 두 레이저 빔을 시공간적으로 동기화시킬 수 있다.

Fig. 8. (a) Real-time delay monitoring setup to monitor the time delay during a scattering experiment (b) Interferograms measured with camera while changing the time delay (Δt_stage) (c) Black circle at each time delay shows the visibility obtained from the measured interferograms. Red square represents the average visibility at each delay. The red solid line is the Gaussian fitting of the red squares.12)

두 레이저 빔이 시공간적으로 동기화되어 있더라도 기계 진동이나 온도 변화와 같은 외부 환경에 의해 두 레이저 빔 사이에 수 µm 정도의 광경로차만 나더라도 시간 동기화가 깨지게 되므로, 실험 중에 실시간으로 두 레이저 빔 사이의 시간 지연을 측정하여 보정하기 위한 간섭계 장치가 반드시 필요하다. 전자 가속용 레이저 빔의 일부를 반사시킨 빔과 충돌 산란용 빔의 반사 거울 뒤로 새는 빔을 박막을 사용하여 공간적으로 중첩시키고, 카메라와 스펙트로미터를 사용하여 각각 공간 간섭무늬와 스펙트럼 간섭무늬를 관측한다. 여기서 관측된 공간 간섭무늬를 분석하여 최대 30 fs의 시간 지연을, 스펙트럼 간섭무늬를 분석하여 최대 200 fs의 시간 지연을 측정할 수 있다. 이러한 방법으로 두 레이저 빔의 시간 지연을 실시간 관측한 후, 충돌 산란용 레이저 빔의 경로 길이를 조절하여 경로차에 의한 시간 지연을 실시간으로 보정함으로써 충돌 실험 중에도 두 레이저 빔을 시간적으로 계속 동기화시키는 것이 가능하다.

Fig. 9. Spectral interference signals obtained by changing the time delay.12)

맺음말

상대론적 영역에서의 빛과 물질의 상호 작용 연구를 수행하는 데 필요한 초강력 레이저의 시공간 품질 최적화 연구 및 동기화 기술에 대해서 알아보았다. 초강력 레이저의 집속 성능 최적화를 위해 적응 광학 시스템을 사용하여 10²³ W/cm² 이상의 초고강도 레이저 세기를 달성하였고, 연속 발진 레이저 다이오드 빔을 활용하여 4 PW 초강력 레이저의 파면 및 강도 변동을 안정화하는 방법을 제시하였다. 그리고 XPW 기술과 플라즈마 거울 기술을 통해 10¹⁴:1 수준의 충분히 높은 시간 대조비도 달성하였다. 이러한 초강력 레이저의 시공간 품질 최적화 연구는 상대론적 영역에서의 레이저 플라즈마 실험의 신뢰성과 정확성을 높이고 활용 범위를 확장하는 데 크게 기여할 것이다. 게다가 광학 간섭계 기반의 초강력 레이저 펄스의 시공간 동기화 기술은 비선형 콤프턴 산란 실험을 성공적으로 수행하기 위한 필수 기술로 사용되어, 우주의 비밀을 밝혀줄 실험실 천체 물리의 발전에 크게 기여할 것이다.