레이저 무기 한 대 따라가기: 반도체 칩에서 발사 장치까지

받침 위에서 망원경 머리 하나가 천천히 돌아갑니다. 거기서 나가는 빔의 출발점은 손톱보다 작은 반도체 칩입니다. 칩이 낸 약한 빛은 몇 번의 손을 거쳐 수십 kW급 빔이 됩니다. 그 사이에 무엇이 있을까요?

레이저 회사 nLIGHT는 국방 레이저 쪽에 이 사슬을 다섯 칸으로 그린 그림을 올려 두었습니다. 이 글은 그 다섯 칸을 지도로 삼아 빛 하나를 처음부터 끝까지 따라갑니다. 칸마다 그 안에서 일어나는 물리를 쉬운 말로 풀고, 어려운 점을 짚은 뒤 더 읽을 글로 이어 줍니다.

한 장으로 보는 다섯 단계

그림은 왼쪽부터 반도체 레이저 소자, 반도체 레이저 모듈, 광섬유 레이저(fiber laser) 증폭기, 고에너지 레이저 광원, 고에너지 레이저 발사 장치(effector)를 늘어놓습니다. 칸마다 맡은 일은 빛 만들기, 광섬유 결합, 증폭, 빔 결합(beam combining), 빔 전달입니다. 칸 아래에는 칸마다 세 줄씩 요구가 적혀 있습니다.

모듈 칸의 앞 두 낱말은 회사가 풀이를 달지 않아서 영어 그대로 두었습니다.

표 끝의 두 낱말은 뜻을 알아 두면 뒤가 쉬워집니다. 세기는 빛이 단위 넓이마다 실어 나르는 출력이고, 표적 위의 세기는 빔이 닿는 자리에서의 그 값입니다. 밝기도 넓이당 출력으로 풀이되곤 하는데, 같은 각도로 모은다면 초점의 세기는 출력만이 아니라 빔의 밝기에 비례합니다. 출력이 같아도 더 밝은 빔이 한 점에 더 세게 모입니다.

다섯 칸 아래에는 전원과 냉각이 깔려 있습니다. 이 둘은 한 칸에 속하지 않고 사슬 전체를 받칩니다. 표적을 따라가는 추적과 흔들리는 공기를 견디는 대기 보정은 마지막 칸 안의 일입니다.

칸을 지날수록 물건은 커지고 빛은 세집니다. 칩은 손톱만 하고, 발사 장치는 망원경 머리를 얹은 큰 받침입니다. 다만 크기가 커진다고 일이 단순해지지는 않습니다. 칸마다 다른 물리가 한계를 정합니다.

빛 만들기: 반도체 레이저 소자

첫 칸은 전기를 빛으로 바꾸는 반도체 칩입니다. 칩 안에는 반도체끼리 맞닿은 접합(junction)이 있고, 전류는 다이오드처럼 한 방향으로 흐릅니다. 그래서 이 칩을 레이저 다이오드(laser diode, LD)라고 부릅니다.

전류가 접합 쪽으로 전하를 밀어 넣으면, 그 전하가 다시 만나면서 빛이 나옵니다. 전류를 충분히 세게 넣으면 높은 에너지 상태에 있는 쪽이 낮은 쪽보다 많아지는 밀도 반전(population inversion)이 생깁니다. 이때부터 지나가는 빛이 같은 빛을 더 불러내는 유도 방출(stimulated emission)이 일어납니다. 반도체 결정의 면은 공기와 굴절률 차이가 커서, 따로 거울을 달지 않아도 빛을 되돌리는 거울 구실을 할 수 있습니다.

칩이 낸 빛은 두 갈래로 쓰입니다. 하나는 연료 구실을 하는 빛입니다. 광섬유 레이저는 거의 모두 레이저 다이오드나 다른 광섬유 레이저가 낸 빛으로 에너지를 받습니다. 이 일을 맡는 칩이 펌프 다이오드(pump diode)입니다.

펌프 빛을 받는 쪽은 아무 색이나 똑같이 삼키지 않습니다. 이득 매질은 좁은 파장 자리(흡수선)를 잘 흡수하는데, 다이오드는 스펙트럼이 좁아 그 자리에 바로 맞출 수 있습니다. 초고속 레이저 교과서의 고체 레이저 장은 이렇게 맞추면 흡수가 효율적이고 열이 덜 난다고 설명합니다.

표의 첫 줄인 파장 안정화는 맞춰 둔 파장을 붙잡아 두는 일입니다. 라디오를 방송국 주파수에 맞춰 두는 것과 닮았습니다. 다만 라디오는 받는 쪽이 채널을 고르지만, 여기서는 빛을 내는 칩이 받는 쪽의 흡수선에 맞춰야 합니다. nLIGHT는 파장을 안정화한 칩의 스펙트럼이 넓은 온도·전류 범위에서 고정되어 펌프 흡수가 고르게 높다고 설명합니다.

다른 하나는 신호가 되는 빛입니다. 증폭기가 키울 빛의 원본은 씨앗 레이저(seed laser) 또는 시드 광원이 만듭니다. 시드는 파장과 선폭(linewidth)처럼 빔의 성질을 정하고, 출력은 낮습니다.

선폭은 한 빛에 섞여 있는 파장(색)의 폭입니다. 빔들의 박자를 맞춰 합치는 방식은 선폭이 좁은 시드에서 출발합니다. 국방용으로는 두 가지 빔 결합 방식 어느 쪽에도 맞출 수 있다는 협선폭 시드 제품도 나와 있습니다.

• 펌프 칩 자체: 「펌프 다이오드: 전기를 빛으로 바꾸는 부품」
• 신호 쪽 빛: 「시드 광원과 위상 변조기: 좁은 선폭을 일부러 넓히는 이유」

광섬유에 담기: 반도체 레이저 모듈

칩 하나의 빛으로는 모자랍니다. 그래서 칩 여러 개를 한 상자에 넣고, 그 빛을 광섬유 한 가닥에 모아 내보냅니다. 이 상자가 반도체 레이저 모듈이고, 이 칸의 일이 광섬유 결합(fiber coupling)입니다.

여러 칩의 빛을 모은다고 하나의 고른 빛이 되지는 않습니다. 칩끼리 서로 묶여 있지 않아서, 모은 빛은 결맞음(coherence)이 크게 떨어집니다. 그래도 보통의 섬광등보다는 훨씬 밝습니다.

여러 수도꼭지의 물을 깔때기 하나로 받아 호스 한 가닥에 담는 모습을 떠올리면 됩니다. 실제로는 빛이 물처럼 아무 방향에서나 들어가지 않습니다. 광섬유가 받아들이는 각도는 개구수(numerical aperture, NA)가 정하고, 그 각 안으로 들어온 빛만 광섬유에 담깁니다.

이렇게 모은 빛은 가늘고 곧은 빔과는 거리가 멉니다. 그래서 펌프 빛은 이득 광섬유의 가는 코어가 아니라 그것을 감싼 넓은 클래드(cladding)로 넣습니다. 품질이 낮은 다이오드 빛을 효율적으로 넣으려고 흔히 쓰는 이 구조가 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber)입니다.

• 칩에서 광섬유 끝까지: 「펌프 모듈: 칩의 빛을 광섬유 한 가닥에 담기」
• 펌프 빛이 들어가는 길: 「이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기」

키우기: 광섬유 레이저 증폭기

셋째 칸에서 펌프 빛과 시드 빛이 만납니다. 레이저(LASER)라는 이름은 "유도 방출에 의한 빛의 증폭"의 머리글자인데, 증폭기는 바로 그 이름대로의 일을 합니다.

이득 광섬유의 코어에는 이터븀 같은 희토류 원소가 들어 있습니다. 펌프 빛은 클래드 안에서 여러 번 튕기며 나아가다가 코어를 지날 때마다 이 이온들에 흡수되고, 이온들은 에너지를 쌓습니다. 그 곁을 시드 빛이 지나가면 쌓인 에너지가 유도 방출로 풀려나며 시드와 같은 빛이 늘어납니다.

배터리를 떠올리면 쉽습니다. 펌프 빛이 충전을 하고, 시드가 지나가며 그 에너지를 꺼내 씁니다. 꺼낸 에너지가 전기가 아니라 시드와 같은 파장, 같은 방향의 빛으로 나온다는 점이 배터리와 다릅니다.

작은 빛을 먼저 만들고 나중에 키우는 이 짜임을 주 발진기 출력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA)라고 부릅니다. 파워 앰프는 시드의 출력을 크게 올리면서도 시드가 가진 성질을 지킵니다.

표의 증폭기 칸처럼, 증폭기는 다음 칸의 결합 방식에 맞춰 만들어집니다. 증폭기 제품 설명에는 시드를 잃는 일 같은 상황에서 증폭기를 스스로 지키는 장치도 들어 있다고 적혀 있습니다.

한 가닥으로 무한히 키울 수는 없습니다. 센 빛이 유리 속에서 새 빛을 낳는 비선형 효과와 열이 만드는 빔 흔들림이 길을 막습니다. 그래서 다음 칸에서 여러 가닥의 빛을 합칩니다.

• MOPA의 뼈대: 「오실레이터와 증폭기: 빛을 만들고 키우기」
• 증폭기 안의 광섬유 소자: 「펌프·신호 결합기와 엔드캡: 증폭기 안의 광섬유 소자」, 「아이솔레이터와 광섬유 부품: 빛이 거꾸로 가지 않게」
• 한 가닥의 한계: 「한 가닥의 한계 ①: 비선형 효과(SBS, SRS)」, 「한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성」

합치기: 고에너지 레이저 광원

Exail은 오늘날 광섬유 레이저 한 대가 kW 대, 많게는 10 kW에 이르고, 여러 광원의 위상(phase)을 맞춰 합치면 수백 kW까지 갈 수 있다고 적습니다. 넷째 칸이 바로 이 일, 빔 결합입니다.

MIT 링컨 연구소의 2014년 기사는 합치는 기본 방법을 둘로 나눕니다. 빔마다 박자를 맞추는 방법과, 빔마다 색을 달리하는 방법입니다. 어느 쪽이든 빔들이 한곳에 겹치도록 빔마다 가리키는 방향을 잡아 줘야 합니다.

결맞음 빔 결합(coherent beam combining, CBC)은 같은 시드 빛을 여러 증폭기에 나눠 넣고 키운 뒤 다시 겹칩니다. 뿌리가 같은 빛이라 서로 간섭(interference)할 수 있고, 마루와 마루가 겹치도록 위상을 맞추면 빛이 서로 보태집니다. 노 젓는 사람들이 박자를 맞춰야 배가 곧게 나가는 것처럼, 빔들도 박자가 맞아야 힘이 모입니다. 빛에서는 사람 대신 장치가 빔들 사이의 위상 차를 재고, 위상 구동기가 그 차를 계속 메웁니다.

박자를 맞추는 일은 쉽지 않습니다. 빛은 파장이 짧아서, 저절로 위상이 맞게 하는 수동 방식은 성과가 제한적이었습니다. 위상을 재고 고치는 능동 제어가 나온 뒤에야 많은 빔을 묶는 배열로 키울 수 있었습니다.

분광 빔 결합(spectral beam combining, SBC)은 빔마다 파장, 곧 색을 조금씩 다르게 정합니다. 그리고 회절격자(diffraction grating) 같은 소자로 색이 다른 빔들을 한 빔에 겹칩니다. 분광기가 빛을 색깔별로 나누는 일을 거꾸로 하는 셈입니다. 링컨 연구소 기사는 파장을 맞추는 일이 위상을 맞추는 일만큼 어렵지 않다고 봅니다.

이 사이트의 빔 결합 글은 여기에 박자도 색도 맞추지 않고 빔을 나란히 놓는 비간섭 결합을 더해 세 갈래로 봅니다. nLIGHT는 70 kW급이라 부르는 HADES에 CBC를, 30 kW급에 SBC를, 10 kW급에 이색성 빔 결합(dichroic beam combination, DBC)을 쓴다고 소개합니다. DBC는 이름만 공개되어 있어서, 원리도 위의 갈래 가운데 어디에 드는지도 알 수 없습니다.

회사는 미 국방부의 고에너지 레이저 확장 사업(HELSI)에서 2023년에 300 kW급을 개발했고, 1 MW로 키우는 다음 단계를 진행한다고 밝힙니다. 회사가 밝힌 목표이고, 그 출력이 무기로 쓰인다는 뜻은 아닙니다.

합칠수록 어려움도 늘어납니다. 같은 교과서는 결맞음 결합이 더 높은 에너지와 평균 출력을 열어 주는 대신 전체 체계를 더 복잡하게 만든다고 적었습니다. 빔이 많아질수록 재고 맞춰야 할 위상도 늘어납니다.

• 세 갈래의 큰 그림: 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」
• 갈래마다 자세히: 「비간섭 빔 결합: 박자도 색도 맞추지 않고 나란히」, 「분광 빔 결합 자세히: 색을 나눠 맡기고 한 빔으로」, 「회절격자: 여러 색을 한 빔으로 모으는 소자」, 「결맞음 빔 결합의 원리」, 「결맞음 빔 결합 장치 따라가기: 시드에서 한 빔까지」

보내기: 고에너지 레이저 발사 장치

마지막 칸은 합친 빔을 멀리 보내는 곳입니다. HADES 설명은 이 칸의 기술로 고에너지 빔 지향기(beam director), 추적 장치, 대기 보정을 듭니다. 세 가지가 함께 맞아야 앞의 네 칸이 모은 출력이 먼 곳의 한 점에 머뭅니다.

빔 지향기의 중심은 망원경입니다. 망원경은 빔 확대기 구실을 해서 빔의 지름을 키워 내보냅니다. 빔은 가장 가는 곳(허리)이 넓을수록 퍼지지 않고 버티는 거리가 깁니다. 빔 지향기는 이 빔을 내보내면서 떨림, 곧 지터(jitter)를 낮게 누르고 초점을 잘 맞춰야 합니다.

빔을 붙드는 일은 둘로 나뉩니다. 김발(gimbal)은 망원경을 크게 돌려 대강 겨누고, 고속 조향 거울(fast steering mirror, FSM)은 작은 거울을 빠르게 기울여 잔떨림을 걸러 내며 정밀하게 겨눕니다. 우주 레이저 통신 단말도 같은 나눔을 씁니다.

사진기를 삼각대 머리로 돌려 구도를 잡고, 사진기 안의 손떨림 보정이 잔떨림을 지우는 것과 닮았습니다. 다만 FSM은 렌즈가 아니라 빔이 지나는 거울 하나를 기울입니다.

공기도 빔을 흔듭니다. 햇볕 받은 아스팔트 위 풍경을 일렁이게 하는 것과 같은 공기의 흔들림, 곧 대기 난류(atmospheric turbulence)는 빔의 초점을 흐트러뜨릴 수 있습니다. 적응 광학(adaptive optics)은 관측한 난류에 맞춰 빔을 쉬지 않고 빠르고 미세하게 고칩니다. 그래도 비나 안개 속에서는 레이저가 잘 듣지 않거나 아예 못 쓸 수 있다고 미 의회조사국(CRS)은 적습니다.

• 망원경과 광학: 「빔 지향기의 광학계」, 「거울, 렌즈, 코팅: 센 빛을 다루는 광학 부품」
• 붙들기: 「김발과 조준·추적」, 「FSM: 떨림을 잡는 작고 빠른 거울」
• 공기: 「대기 전파: 흡수, 산란, 난류, 열 블루밍」, 「적응광학: 흐려진 빔을 되살리는 기술」

지도 밖의 살림: 전원과 냉각

칩과 증폭기에서 전기가 모두 빛이 되지는 않습니다. 남은 에너지는 열이 됩니다. 광섬유 레이저에서 가장 중요한 열원으로는 양자 결손(quantum defect)이 꼽힙니다. 펌프 빛 알갱이(광자) 하나가 가진 에너지가 보통 신호 빛 알갱이보다 커서, 그 차이가 열로 남는 것입니다.

큰 지폐로 조금 싼 물건을 사면 어떻게 될까요? 거스름돈이 남습니다. 이 거스름돈은 돌려받지 못하고 광섬유를 데우는 열이 됩니다.

열은 성능을 묶습니다. 2010년 고출력 광섬유 레이저 리뷰의 초록은 성능을 막는 핵심 요인으로 특히 열 관리, 손상, 광학 비선형성을 꼽았습니다. 미 의회조사국 보고서도 크기·무게·전력과 냉각 요구가 지향성 에너지 무기의 사거리와 빔 품질을 제한할 수 있다고 적습니다. 그래서 차량이나 배에 얹을 때는 전원과 냉각 장비의 크기와 무게도 함께 따져야 합니다.

빔을 언제 어디로 보낼지 정하는 제어는 이 지도에 따로 그리지 않았습니다. 체계 전체가 어떻게 묶이는지는 「레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다: 체계 구성 한눈에」에서 봅니다.

• 전기와 효율: 「전력과 효율: 전기가 빛이 되는 비율이 체계 크기를 정한다」, 「전원 장치와 칠러: 레이저 뒤에 있는 장비」
• 열: 「냉각과 열 관리: 빛이 되지 못한 열은 어디로 가나」

한 회사가 사슬 전체를 만든다는 것

nLIGHT는 반도체 레이저부터 고출력 빔 지향기까지 기술 묶음 전체를 다뤄 왔고, 설계와 제조를 수직 계열화해 체계 성능을 통제한다고 설명합니다. 웨이퍼, 칩, 패키지를 직접 만들고, 핀란드에서 이득 광섬유도 만듭니다. 능동 광섬유에는 툴륨(Tm), 어븀(Er), 이터븀(Yb) 가운데 하나를 넣습니다.

2025년에는 미 육군 단거리 방공 사업(DE M-SHORAD)의 스트라이커 차량에 들어갈 50 kW급 레이저를 납품하고 있다고 회사는 밝힙니다.

이것은 회사가 스스로 밝힌 내용입니다. 다른 업체가 칸마다 나눠 만드는 방식이 더 못하다는 뜻은 아닙니다. 어느 무기에 누구의 부품이 들어갔는지도 이 자료들만으로는 알 수 없습니다.

다음에 읽을 글

• 「펌프 다이오드: 전기를 빛으로 바꾸는 부품」: 첫 칸의 연료가 되는 칩입니다.
• 「시드 광원과 위상 변조기: 좁은 선폭을 일부러 넓히는 이유」: 첫 칸의 다른 빛, 신호가 되는 빛입니다.
• 「펌프 모듈: 칩의 빛을 광섬유 한 가닥에 담기」: 둘째 칸에서 빛이 광섬유에 담기는 과정입니다.