자유전자레이저는 고에너지 전자빔의 운동에너지를 빛 에너지로 바꾸는 장치로서, 다른 어떤 종류의 광원으로도 제공할 수 없는 넓은 범위의 파장가변성과 우수한 분광특성을 갖고 있어, 기초연구에서부터 산업응용에 이르기까지 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이 논문에서는 자유전자레이저의 원리와 특성, 요소기술을 소개하고, 최근 주목받고 있는 테라헤르츠파 자유전자레이저와 에너지 회수형 고출력 자유전자레이저에 대하여 자세하게 소개하였다.
마이크로 칼럼 기술을 응용한 초소형 자유전자 레이저 모듈의 특성을 연구하였다. 초소형 자유전자 레이저는 전자 방출원과 방사광 발생 장치로 나뉜다. 방사광 발생 장치는 위글러(wiggler)라 불리는데 그리드(grid) 판으로 구성되어 있다. 전자가 위글러를 지나갈 때 규칙적으로 배열된 그리드에 인가된 전압에 의하여 전자의 궤적이 사인(sinusoidal) 함수 모양으로 주기적으로 변하여 방사광을 발생시킨다. 본 연구에서는 초소형 자유전자 레이저 위글러의 매개 변수에 따른 전자빔 궤적을 전산모사를 이용하여 분석하였다. 쌍을 이루는 위글러 간격, 그리드의 폭, 깊이, 주기, 그리고 그리드에 인가된 전압이 전자빔에 미치는 효과를 조사하였다.
X선 자유전자 레이저(XFEL:X-ray Free Electron Laser)는 통상의 레이저와 달리 물질에 속박되어 있지 않은 자유전자를 이용해 레이저 증폭을 일으킨다. 특히 펨토초의 펄스형태, 완벽한 결맞음 및 고휘도 등의 특성으로 X선 실험과학분야의 새로운 시대를 예고하는 꿈의 광원장치로 불리고 있다. 일본의 이화학연구소(Rikagaku Kenkyusho) 산하 하리마연구소(Harima Institute)에는 X선 자유전자 레이저 시설인 SACLA(SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser)가 존재하며, SACLA의 독특한 설계와 기술은 세계 곳곳에서 건설되고 있는 XFEL 시설의 가이드라인이 되고 있다. 이번호에서는 SACLA 특징, SACLA 위원회와 도달광원 성능, SACLA의 토폰 빔 라인과 광학계 등을 소개한다. 이 원고는 하리마연구소의 이시카와 테츠야(Tetsuya Ishikawa) 소장이 월간 OPTRONICS 2012년 8월호에 기고한 내용으로 그린광학의 유정훈 팀장이 번역에 도움을 주었다.
한국원자력연구소에서는 가속기의 직경이 70 cm이고, 마그네트론 고주파 발생장치를 사용하는 소형 마이크로트론을 이용한 원적외선 자유전자레이저를 개발하였다$^{(1)}$ . 발진 파장은 100 - 200 $mu extrm{m}$ 영역이며, 첨두 출력은 약 1 - 10 kW이다. 본 연구에서는 개발된 원적외선 자유전자레이저의 시스템 개요와 출력 특성에 관하여 살펴보았다. 최근, 반도체와 물성의 분광학연구, 생명공학연구, 광화학 반응연구, 환경감시 기술개발, 인체영상, 군사용 감시기술 개발 등의 분야에서 새로운 연구와 첨단기술개발에 필요한 원적외선 광원의 요구가 점차 높아지고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위하여 원적외선 영역의 다양한 광원 개발이 이루어지고 있으며, 특히, 테라헤르쯔 반도체 소자를 개발하기 위한 노력이 국내외에서 활발히 이루어지고 있다. 그러나, 아직까지는 이러한 광원의 출력이 mW 이하이고, 분광특성이 나빠서 실제응용에 많은 제한이 있다. (중략)
X-선 자유전자레이저(XFEL)는 펨토초의 펄스형태, 완벽한 결맞음 및 고휘도 특성으로 X-선 실험과학분야의 새로운 시대를 예고하는 꿈의 X-선 광원장치로 언급되고있다. XFEL에 관한 간략한 소개와 현재 세계적으로 진행되고 있는 XFEL 시설현황을 살펴보고, 대표적인 실험장치를 개념적으로 분류해서 정리해 보고자 한다. 특히 자성연구분야와 관련된 제안 및 연구사례를 간략하게 언급하고, 지금 현재 진행 중인 포항가속기연구소의 XFEL 프로젝트의 개요와 XFEL 활용을 위해서 제안된 대표적인 과학프로그램을 살펴보고자 한다.
1 picosecond 보다 짧은 펄스길이를 갖는 초단파길이 레이저 펄스 (Ultrashort laser pulse, USLP)를 이용한 물질의 절제 (ablation)는 여타 nanosecond 영역의 레이저 절제와 많은 차이를 보인다(1). USLP는 순간 파워가 매우 높기 때문에 직접적으로 물질의 원자를 분리시켜 자유전자를 형성한다 이들 자유전자는 일반 선형흡수체 (linear absorbing chromophore)보다 흡수계수가 몇 십 배로 높아 대부분의 펄스 에너지가 표면 100-200 m 이내의 극히 작은 지역에 밀집되게 된다. (중략)
상업용 3-D simulation tool(OPERA)을 이용하여 슬릿형 위글러가 장착된 초소형 자유전자레이저 모듈에 있어서 위글러 구조에 따른 전자빔 특성을 조사하였다. 전자렌즈의 중앙 전극에 일정한 potential을 인가하여 전자빔이 평행빔이 되도록 divergence를 줄여서 위글러에 입사시켰으며 위글러의 구조 의존성에 따른 위글러 내부에서의 전기장과 potential 분포를 계산하여 위글러에서의 전자빔 궤적의 변화를 조사하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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