[시리즈 연재] 6편 펨토초 펄스 강화시키기!

오늘 다룰 노벨상은 꽤 최근인 2018년 노벨 물리학상입니다. 2018년 노벨 물리학상은 "레이저 물리학 분야의 획기적인 발명"에 수여되었으며, 절반은 "광학 집게와 그 생물학적 시스템에 대한 응용"을 공로로 아서 애슈킨(Arthur Ashkin)에게, 나머지 절반은 "고강도 초단광 펄스 생성 방법"을 공로로 제라르 무루(Gérard Mourou)와 도나 스트릭랜드(Donna Strickland)에게 공동 수여되었습니다.

(에슈킨의 광학 집게 (Optical tweezers)도 굉장히 재밌는 내용이지만 시리즈의 일관성을 위해 다음 기회로 미루도록 하겠습니다.)

<노벨상 공식 홈페이지>

6편에서는 5-2편에서 다룬 펨토초 펄스를 어떻게 '증폭'시켰는지 알아보려고 합니다. 사실 레이저 출력을 증폭시키는 것은 레이저가 발명된 이후 계속 이어져 왔지만 펨토초 레벨로 오면서 다른 문제가 생겼습니다.

제라르 무루와 도나 스트릭랜드는 처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification, CPA)이라는 발명으로 상을 받습니다. 이는 매우 강렬하고 짧은 펄스의 레이저 빛을 생성하는 방법입니다. 1960년 최초의 레이저가 만들어진 이후 더 강렬한 레이저 펄스를 만들기 위한 노력이 진행되어 왔습니다. 그러나 1980년대 중반에 이르러 레이저 빛의 강도가 증폭 물질 자체를 파괴했기 때문에 이러한 실험은 교착 상태에 빠졌습니다. - Nobel Prize in Physics 2018 Award Ceremony Speech

핵심 문제는 레이저를 증폭시키기 위한 '물질'이 있는데 펨토초 레이저 펄스를 증폭시키다 보면 그 물질이 파괴되는 것이었습니다. 이 문제가 먼저 왜 생겼는지 클로드의 시각화 도움을 받아 확인해보시죠.

펄스의 폭이 2초짜리입니다. 저 면적은 '에너지'이고 고정된 값입니다. 펄스의 피크 파워는 약 500 마이크로 와트(0.5 mW)로 굉장히 작습니다.

펄스 폭이 좁아지면 어떻게 될까요?

펄스 폭을 약 0.1초로 20분의 1로 줄였습니다. 그러자 peak power는 0.5 mW에서 9.4 mW로 매우 커진 것을 확인할 수 있습니다. 하지만 그래프 아래 면적에 해당하는 에너지는 1 mJ로 그대로입니다.

5-1편에서 살펴봤던 나노초 스케일로 가볼까요?

더 두꺼워져 보이지만 x축의 단위가 s(초)에서 ns (나노초)로 바뀌었기 때문입니다. 아마 이걸 초 단위의 x축으로 보면 x축에 수직한 하나의 선처럼 보였을 것입니다. 여전히 면적은 1 mJ로 동일한데 peak power를 한 번 보시죠. 무려 500 kW로 엄청 강해졌습니다.

그럼 이걸 이제 피코초 수준으로 가볼까요?