배경
초강력 레이저(ultra-intense laser)는 극한 과학기술 탐구를 위한 핵심 도구로, 2018년 노벨 물리
학상을 수상한 CPA(chirped pulse amplification) 기술을 기반으로 합니다. 이 기술은 기초과학
연구부터 첨단 기술 개발에 이르기까지 다양한 응용 범위를 가지고 있습니다. 초강력 레이저의 이
득매질(gain medium)로 가장 널리 쓰이는 Ti:Sapphire는 짧은 upper-state lifetime 때문에 나노
초 펄스 레이저를 펌핑 광원으로 사용해야 합니다. 이를 위해 SHG(second harmonic generation)
과정을 거쳐 532nm 파장으로 변환된 Nd:YAG 고에너지 나노초 펄스 레이저가 주로 사용됩니다.
이러한 초강력 레이저에 사용 가능한 수준의 펌핑 광원은 매우 고가이며, 전체 레이저 시스템 구
축 비용 약 1,000억원의 절반 가량을 차지할 정도로 중요합니다.

문제
펄스당 에너지가 8J 이상인 고에너지 나노초 펄스 레이저는 순간출력이 GW(기가와트) 수준으로
매우 높습니다. 이로 인해 레이저 발생장비 내부의 광학 부품은 손상 한계에 가까운 조건에서 작
동하게 되며, 개발하는데 매우 엄밀한 설계와 제작 기술이 필요합니다. 또한, 장기간 안정적인 성
능을 유지하기 위해서는 열적 조건 및 광학 부품의 열화 현상을 고려하여 설계되어야 하며, 장비
내부 온습도 모니터링 및 청정도 관리 등의 환경 제어 시스템도 필수적으로 내장되어 있어야 합니
다. 이러한 기술적 복잡성으로 국내에서는 이와 같은 사양의 레이저를 제품으로 출시한 사례가 없
습니다. 세계적으로도 유사한 성능의 레이저를 제조할 수 있는 업체는 손으로 꼽힙니다. 이러한
고출력 레이저는 많은 국가에서 전략물자로 지정되어 기술 교류가 제한적이기 때문에 국산화가
필요합니다.

해결
힐랩은 기존에 자체 개발한 2J 나노초 펄스 레이저를 보유하고 있었습니다. 이 레이저에 펄스당
에너지를 4배 증폭하는 레이저 증폭기, 장비 내부 환경 측정 및 제어가 가능한 모듈과 패키징을
구현하여 8J 나노초 펄스 레이저를 완성하였습니다. 이 과정에서 레이저 증폭기에 필요한 대구경
레이저 펌핑 챔버, ASE(amplified spontaneous emission, 자연방출증폭) 억제 및 열복굴절
(thermal birefringence) 보상 구조를 자체 개발하였으며, 이를 통해 고에너지 레이저 빔을 안정적
으로 증폭할 수 있었습니다. 힐랩에서 보유한 인하우스 모델링 및 시뮬레이션 도구를 활용한 결과
입니다. 또한, 빔 모니터링과 온습도, 청정도 측정기를 레이저 패키징에 도입하고 전체 시스템에
통합하여 장기간 안정적으로 성능을 유지할 수 있는 방안을 마련하였습니다. 고에너지 레이저 증
폭에 필요한 여러 기술을 자체 개발하고 통합함으로써, 1064nm에서 8J, 532nm에서 5J을 출력하
는 나노초 펄스 레이저 발생장비를 구현하였습니다.

응용
8J 고에너지 나노초 펄스 레이저는 주로 과학적인 목적에 사용됩니다. Ti:Sapphire 등의 나노초
펄스 펌핑이나 플라즈마 생성 및 측정이 대표적입니다. 그 외 산업적인 목적으로는 LSP(laser
shock peening, 레이저 충격 피닝)나 LA(laser annealing, 레이저 어닐링), LLO(laser lift-off, 레
이저 리프트오프) 등이 있습니다. 모두 순간 출력이 높은 고에너지 레이저가 필요한 분야입니다.