학회 뉴스레터 1호: SPIE Photonics West 2027 LASE 미리 보기

광섬유 한 가닥으로 10 kW를 단일 모드로 냈다는 발표와, 레이저 핵융합 발전소에 들어갈 펌프 다이오드(pump diode)를 어떻게 싸게 만들지 묻는 발표가 같은 주에 나옵니다. SPIE Photonics West 2027의 레이저 분야, LASE 이야기입니다. 이 호에서 다루는 학회 일곱 곳은 1월 31일부터 2월 4일 사이에 열립니다.

학회는 아직 열리지 않았습니다. 대신 SPIE 누리집에 발표 초록이 먼저 올라와 있습니다. 학회 뉴스레터 1호는 그 초록 269편을 읽고, 이번 학회의 흐름 다섯 가지와 분야별로 눈여겨볼 발표, 초록에 적힌 숫자를 골라 묶었습니다.

발표마다 번호를 붙였습니다. 14439-3처럼 앞의 다섯 자리는 학회 번호, 뒤는 그 학회 안의 발표 순번입니다. 관심 가는 발표는 이 번호로 SPIE 쪽 원래 초록을 찾아 읽을 수 있습니다.

한눈에 보는 이번 학회

LASE 안의 학회 일곱 곳과 발표 수는 아래와 같습니다. 두 학회가 함께 꾸린 공동 세션의 발표는 한 곳에만 셌습니다.

광섬유 레이저(fiber laser) 학회 한 곳이 85편으로, 전체 269편의 3분의 1에 조금 못 미칩니다. 고체 레이저와 고출력 다이오드가 40편씩으로 뒤를 잇습니다.

발표자의 소속을 나눠 보면 업체가 118편, 대학이 88편, 정부 연구소가 57편, 군 기관이 4편입니다. 나머지 2편은 소속 유형이 드러나 있지 않습니다. 나라별로는 미국이 111편으로 가장 많고 독일 50편, 영국 23편, 캐나다 15편이 뒤를 잇습니다. 여러 나라 기관이 함께 낸 발표는 나라마다 한 번씩 셌습니다.

이번 학회의 흐름 다섯 가지

흐름마다 앞 해와 견준 한두 줄을 붙였습니다. 2022~2026년 숫자는 이 사이트가 모은 LASE 자료로, 프로시딩에 원고가 실린 발표만 세었고 학회도 다섯 곳뿐입니다. 2027년은 프로그램의 초록 전부를 세었으니, 편수와 꼬리표는 크기보다 방향을 보는 데 씁니다. 꼬리표도 2024~2026년은 낱말 규칙으로 자동으로 붙였고 올해는 초록을 읽고 붙였으니, 해마다의 오르내림은 대략의 경향으로만 봐 주십시오.

하나, 광섬유 한 가닥으로 10 kW. IPG Photonics는 다이오드로 바로 펌핑하는 이터븀 첨가 광섬유(ytterbium-doped fiber, YDF) 레이저 한 채널을 8 kW에서 10 kW 단일 모드로 올렸습니다. 그러면서 빔 품질(beam quality)을 나타내는 M²는 1.1을 지켰습니다(14439-3). Fujikura와 Kawasaki Heavy Industries는 10 kW급 빛을 5 m가 넘는 전송 광섬유로 내보냈습니다(14439-2).

출력만큼 눈에 띄는 것은 전송입니다. Fujikura의 두 발표는 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering, SRS)으로 생긴 빛을 걸러 내는 광밴드갭 광섬유로, 센 빛을 더 멀리 보내는 데 힘을 쏟습니다(14439-2·71).

한 가닥의 출력은 왜 쉽게 오르지 않을까요? 센 빛이 가는 코어를 길게 지날수록 유리가 빛의 일부를 파장이 긴 빛으로 바꿔 버리고, 쌓인 열은 빔을 흔듭니다. 전송 광섬유가 길어지면 그만큼 SRS가 자랄 거리도 늘어납니다. 이 한계는 「한 가닥의 한계 ①: 비선형 효과(SBS, SRS)」에서 차근차근 볼 수 있습니다.

앞 해와 견주면 걸음이 보입니다. 이 사이트의 LASE 자료에서 광섬유 한 가닥의 단일 모드 출력은 2024년 OFS의 5.2 kW, 2025년 IPG의 7.2 kW, 2026년 IPG의 8.2 kW였습니다. 올해 초록의 10 kW는 그 줄의 다음 칸입니다.

둘, 열과 산란을 한꺼번에 보는 광섬유 한계 연구. 횡모드 불안정성(transverse mode instability, TMI)과 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS)은 보통 따로 다루는 한계입니다. 영국 광전자연구센터(ORC)는 선폭이 아주 좁은 증폭기에서 거꾸로 가는 SBS가 낮은 출력에서도 TMI를 일으키는 새 영역을 보고합니다(14439-50).

이 두 현상을 함께 누르려는 광섬유 설계도 나왔습니다. 캐나다의 Technologies Luqia는 SBS와 TMI를 같이 막도록 설계한 편광 유지 이터븀 광섬유로 선폭이 좁은 증폭기를 만들었습니다(14439-51). 인도과학원 등은 여러 빔을 합칠 때 쓰는 선폭이 좁은 증폭기에서 남은 편광 손실이 스펙트럼을 넓히는 문제와 그것을 줄이는 구조를 다룹니다(14439-53).

두 한계가 만나는 까닭은 조건이 서로 엇갈리기 때문입니다. SBS는 선폭이 좁을수록 세지고, TMI는 평균 출력과 열이 쌓이면 찾아옵니다. 여러 빔의 위상을 맞춰 합치는 쪽처럼 선폭이 좁은 빛을 높은 출력으로 키워야 하는 자리에서는 둘을 함께 피해야 합니다. TMI가 생기는 과정은 「한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성」에 그림으로 풀어 두었습니다.

TMI 꼬리표는 2023년 18편으로 가장 많았고, 2026년 5편까지 줄었다가 올해 7편입니다. 2023년에는 TMI 모델과 문턱 올리기가 Fiber Lasers의 큰 화제였다면, 올해는 SBS가 TMI를 일으키는 새 영역을 보고한 발표(14439-50)가 나왔습니다.

셋, 여러 빔을 하나로: 효율과 값의 싸움. 여러 빔을 하나로 모으는 빔 결합(beam combining) 쪽에서는 효율을 올리는 방법과 값을 낮추는 방법이 함께 나왔습니다. 미시간대학은 빔을 타일처럼 나란히 놓는 결맞음 빔 결합(coherent beam combining, CBC)의 효율을 거의 100%로 올린다는 "결맞음 빔 쌓기"를 내놓았습니다(14439-5). 독일 Fraunhofer IOF와 예나대학은 값비싼 디지털 변환기 없이 아날로그 회로만으로 위상 제어를 해서 비용을 낮추려 합니다(14439-59).

ORC와 TRUMPF Laser UK는 일곱 갈래 테이퍼 광섬유 다발로 결맞음 결합을 하고, 신경망 제어로 빔 방향과 모양을 바꿔 보였습니다(14439-57). Lockheed Martin Aculight는 50 kW급 분광 빔 결합(spectral beam combining, SBC) 지향성 에너지 광원에 쓸 채널을 더 단순한 발진-증폭 구조로 짰습니다(14439-4).

효율과 값이 함께 문제가 되는 데는 까닭이 있습니다. CBC는 빔마다 위상을 파장보다 훨씬 작은 범위에서 계속 맞춰야 해서, 빔 수가 늘면 위상 제어기도 같이 늘어납니다. SBC는 빔마다 파장을 달리 주고 격자로 겹치므로, 채널마다 파장과 선폭을 맞추는 일이 따라붙습니다. 원리는 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」과 「결맞음 빔 결합의 원리: 공개 리뷰 논문으로 읽기」에 있습니다.

꼬리표 수로 보면 CBC는 2022년 11편에서 2026년 4편까지 줄었다가 올해 다시 11편입니다. SBC는 2022~2026년 해마다 0~4편이었는데 올해 9편입니다. 2022~2023년의 CBC는 초고속 레이저 쪽이 주류였고, 2026년에는 Lockheed Martin이 100 kW급 레이저 무기를 놓고 CBC와 SBC를 견준 분석을 냈습니다.

넷, 펌프 다이오드의 큰 손님은 레이저 핵융합. 다이오드 학회는 핵융합용 펌프만 다루는 공동 세션을 두 개 꾸렸습니다. 첫 세션은 성능 쪽입니다. 짧게 켜고 끄기를 되풀이하는 준연속파(quasi-continuous wave, QCW) 방식의 kW급 다이오드 바(14442-22), 50 kW가 넘는 다이오드 스택(14454-1)이 여기 있습니다.

핵융합 학회와 함께 연 두 번째 세션에는 여러 나라 기관이 함께 만든 수명 시험 절차(14442-25), AI로 결함을 찾는 검사(14442-27), 대량 생산으로 값을 낮추는 길(14440-1)이 들어 있습니다.

수요의 크기는 발전소 설계안에서 가늠할 수 있습니다. 독일 Focused Energy가 내놓은 Lighthouse 설계는 다이오드로 펌핑하는 고체 레이저 1152빔으로 1초에 10번, 약 1.6 MJ를 표적에 보내는 구상입니다(14440-21).

빔이 천 개를 넘으면 그 빔을 펌핑할 다이오드도 대량으로 들어갑니다. 그래서 이 세션의 물음은 출력 한 칸이 아니라 값, 수명, 생산 수율입니다. 펌프 다이오드가 어떤 부품인지는 「펌프 다이오드: 전기를 빛으로 바꾸는 부품」에서 먼저 볼 수 있습니다.

자료로 보면 이 흐름은 아직 짧습니다. 2025년에 관성 핵융합용 kW급 다이오드 바 발표가 나왔고, 2026년에는 핵융합용 다이오드 스택과 펌프 전망 발표가 여러 편으로 늘었습니다. 올해는 공동 세션이 두 개로 따로 섰습니다.

다섯, 2 µm와 중적외선으로 넓어지는 파장. 툴륨(Tm)과 홀뮴(Ho) 광섬유를 다룬 발표가 17편입니다. 툴륨 광섬유 증폭기를 키워 극자외선(EUV) 광원을 구동하는 데 쓰려는 연구(14439-12)가 있습니다. 홀뮴을 넣은 저마늄산염 광섬유로 2.08 µm에서 mJ급 단일 주파수 펄스를 내 결맞음 라이다(lidar)를 겨냥한 광원(14439-18)도 있습니다. 캐나다 라발대학 쪽은 다이오드로 펌핑하는 전광섬유 레이저로 3~3.5 µm 대역에서 20 W까지 냈습니다(14439-84).

툴륨·홀뮴 꼬리표는 2022년 8편에서 2023년 17편으로 늘었고, 2024년 14편에서 2025년 7편으로 줄었습니다. 2026년 9편을 거쳐 올해 다시 17편입니다. 2024년 자료에는 툴륨 광섬유 한 가닥의 1 kW 벽을 빔 결합으로 넘으려는 발표가 있었습니다.

분야별 볼거리

주제별로 보면 광섬유 설계, 펌프 레이저 다이오드, 초고속 레이저가 30편 안팎으로 가장 많습니다. 아래 도표의 꼬리표는 이 사이트가 초록을 읽고 붙인 분류이고, 한 발표에 여러 개가 붙기도 합니다.

광섬유 레이저. 한계를 넘는 길이 하나만 있는 것은 아닙니다. 증폭기에 처음 넣는 빛의 모드만 바꿔도 TMI가 훨씬 늦게 나타난다는 실험이 ORC에서 나왔습니다(14439-6). 예나대학 쪽은 코어가 여러 개인 증폭 광섬유에서 한 코어의 세기를 조절해 코어 사이의 위상을 맞추는 실험을 보고합니다(14439-24).

고체 레이저. 센 빛을 견디는 결정은 어떻게 만들까요? 이 학회에는 그 물음에 답하는 재료 발표가 많습니다. Northrop Grumman SYNOPTICS는 빛이 거꾸로 가지 않게 막는 패러데이 회전자(Faraday rotator)용 TGG와 KTF 결정을 다루고, 센 빛에서 KTF가 열 렌즈에 유리한 점을 짚습니다(14438-21).

같은 물음에 표면으로 답한 곳도 있습니다. TelAztec는 결정 끝면에 나노 구조를 새겨 펄스에 견디는 손상 문턱을 크게 올렸습니다(14438-22).

결이 다른 발표도 하나 있습니다. Endeavour Laser Technologies는 대형 언어 모델이 짠 코드로 레이저 설계 모델을 세워 보고, 언어 모델은 속도를 높여 주지만 검증은 물리 계산과 실험이 맡아야 한다고 정리합니다(14438-1).

펌프 반도체. 고출력 다이오드의 효율은 지난 25년 동안 어떻게 올라왔을까요? nLIGHT와 독일 FBH가 그 길을 돌아봅니다(14442-7).

올해 펌프 모듈 두 편은 서로 다른 쪽을 노립니다. TRUMPF Photonics의 500 W 모듈은 넓은 온도와 전류 범위에서도 파장이 고정되어, 대드론 방어용 광섬유 레이저를 빨리 켜는 것이 목표입니다(14442-3). Fujikura는 세 파장을 묶어 362.8 W를 한 모듈에 담아, 조건보다 밝기를 앞세웁니다(14442-5).

미국 로런스 리버모어 국립연구소(LLNL)는 수명 쪽을 팝니다. 되돌아오는 빛이 다이오드를 얼마나 상하게 하는지 재는 틀(14442-26), kW급 반도체 바의 고장 수명이 출력에 따라 어떻게 줄어드는지 내다보는 방법(14442-28)이 그것입니다.

부품과 패키징. 고출력 광학 부품은 흠 하나가 손상의 씨앗이 됩니다. 그래서 OptiGrate–IPG Photonics는 부품 표면 전체를 기계 시각으로 자동 검사하는 장치를 들고 왔습니다(14441-12). 일본 Shincron은 손상에 강한 초저굴절률 SiO2 코팅을 양산할 수 있게 한 공정을 발표합니다(14441-14). Fibertek는 우주 라이다용 광섬유 레이저를 비행 장비로 만들 때 따져야 할 발사 하중, 열, 방사선 조건을 정리합니다(14441-10).

빔 결합. 꼬리표로 세면 CBC가 11편, SBC가 9편이고 비간섭성 빔 결합(incoherent beam combining, IBC)은 없습니다. 눈에 띄는 점은 CBC가 광섬유에만 머물지 않는다는 것입니다. 미국 센트럴플로리다대학(UCF)은 탈보 공진기로 테이퍼 다이오드 배열의 위상을 잠그는 실험(14442-19), 청색 다이오드 12개를 거의 회절 한계의 결맞음 상태로 묶은 결과(14442-30), 전력 전송용 대형 반도체 배열(14455-7)까지 세 편을 내놓습니다.

SBC 쪽에서는 중국 Suzhou Everbright Photonics가 전류로 파장을 바꾸는 테이퍼 다이오드 칩을 묶어 100 W급 직접 다이오드 광원을 만들었습니다(14442-20). UCF와 KYOCERA SLD Laser는 450 nm 청색 단일 이미터 7 W를 분광·결맞음 결합으로 묶는 방안을 내놓습니다(14442-32).

국방과 맞닿은 발표. 초록 대부분은 무기 체계가 아니라 광원과 부품 이야기입니다. 국방 고에너지 레이저 꼬리표가 붙은 발표는 6편이고, 앞에서 본 50 kW급 SBC 채널(14439-4)과 대드론용 펌프(14442-3)가 대표적입니다. 그 가운데 대드론 펌프 발표는 출력보다 켜는 데 걸리는 시간과 견디는 온도 범위를 앞세웁니다.

공기는 온도에 따라 굴절률이 조금씩 달라서, 빛이 지나는 사이 파면이 구겨지고 빔이 번집니다. 러시아 Sadovsky 지구권역학연구소는 파면 센서 없이 초점의 세기만 보고 저차 수차를 고치는 적응광학(adaptive optics)으로 대기 난류(atmospheric turbulence)를 보정했습니다(14445-31). 구겨진 파면을 거울로 되펴는 원리는 「적응광학: 흐려진 빔을 되살리는 기술」에 있습니다.

빛으로 전력을 보내는 학회에서는 미국 국방고등연구계획국(DARPA)과 Overview Energy가 정지궤도 위성에서 지상 태양광 발전소로 넓은 근적외선 빔을 보내되 세기를 눈 안전 기준 아래로 두는 구상을 냅니다(14455-1). PowerLight Technologies는 드론에 레이저로 전력을 보내 비행 시간을 늘리는 장치와 그동안의 현장 시험을 소개합니다(14455-9).

숫자로 본 기록

초록과 발표 제목에 적힌 숫자 가운데 눈에 띄는 것을 모았습니다.

표의 값은 저마다 실험 조건과 재는 방법이 다릅니다. 그래서 숫자끼리 줄을 세워 누가 앞섰는지 가릴 수는 없습니다. 설계안의 값은 아직 만들어진 장치의 값이 아니라는 점도 같이 봐야 합니다.

초록을 읽을 때 알아 둘 것

초록은 학회 몇 달 전에 내는 예고편입니다. 실제 발표에서는 숫자가 바뀌거나 더 붙을 수 있고, 발표가 빠지기도 합니다. 이 호의 내용은 학회 전에 공개된 초록에 한정된 미리 보기로 읽어 주십시오.

업체 발표의 수치는 그 회사가 내놓은 값입니다. 다른 기관이 같은 조건에서 다시 확인한 값은 아닙니다. 주제 꼬리표와 소속 유형도 이 사이트가 초록을 읽고 나눈 것이라, 다른 사람이 나누면 수가 조금 달라질 수 있습니다.

이 사이트에서 더 읽을 글

• 「빔 결합이 필요한 이유와 세 가지 방법」: CBC, SBC, 비간섭성 결합이 어떻게 다른지 먼저 봅니다.
• 「결맞음 빔 결합의 원리: 공개 리뷰 논문으로 읽기」: 미시간대학과 예나대학 발표를 읽기 전에 위상을 맞춘다는 말의 뜻을 짚습니다.
• 「펌프 다이오드: 전기를 빛으로 바꾸는 부품」: 핵융합 세션의 다이오드 바와 스택이 어떤 부품인지 봅니다.
• 「한 가닥의 한계 ①: 비선형 효과(SBS, SRS)」: Fujikura의 SRS 억제 광섬유와 ORC의 SBS 발표의 배경입니다.
• 「한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성」: TMI가 왜 출력을 묶는지 봅니다.
• 「적응광학: 흐려진 빔을 되살리는 기술」: 대기 난류 보정 발표를 읽을 때 도움이 됩니다.
• 「아이솔레이터와 광섬유 부품: 빛이 거꾸로 가지 않게」: 패러데이 회전자 결정 발표와 이어집니다.
• 「학회로 본 광섬유 레이저의 흐름: SPIE 2022~2027」: 이 호에서 한두 줄로 견준 해마다의 변화를 길게 따라갑니다.

다음 호 예고

학회가 끝나면 2호에서 결과를 정리합니다. 이 호에서 고른 발표들이 실제 발표에서 어떤 숫자를 내놓았는지, 초록과 달라진 점은 무엇인지 발표 번호를 따라 다시 봅니다.