해마다 1월 말이면 미국 샌프란시스코에서 광학 학회 SPIE Photonics West가 열립니다. 그 안의 레이저 분과 LASE에는 Solid State Lasers라는 학회가 있습니다. 결정이나 유리 덩어리 속에서 빛을 키우는 고체 레이저를 다루는 자리입니다. 출력 기록 소식은 광섬유 레이저(fiber laser) 쪽에서 더 자주 들리는데, 그동안 결정 레이저는 무엇을 하고 있었을까요?
이 글은 2022년부터 2027년까지 이 학회의 발표 약 260편을 따라가며 그 물음에 답합니다. 결정 소재, 열을 빼는 모양, 파장을 넓히는 쪽, 견고화와 우주, 아주 짧은 펄스, 그리고 2027년에 처음 보인 AI 설계 발표를 차례로 봅니다. 자료는 프로시딩에 올라간 원고와 공개 초록이 기준이라서, 원고 없이 말로만 한 발표는 빠져 있습니다.
고체 레이저는 광섬유 레이저와 무엇이 다른가
두 레이저 모두 빛을 키우는 물질, 곧 이득 매질(gain medium)에 이터븀(Yb)이나 네오디뮴(Nd) 같은 이온을 넣어 씁니다. 다른 것은 모양입니다. 광섬유 레이저는 가는 유리 섬유 속 좁은 코어로 빛을 길게 끌고 갑니다. 고체 레이저에서는 결정 막대나 판 하나를 빛이 짧게 지나갑니다.
이 차이가 장단점을 가릅니다. 가늘고 긴 섬유는 부피에 비해 겉면이 넓어 열을 빼기 쉽고, 빔 모양도 코어가 잡아 줍니다. 대신 좁은 코어에 센 빛이 오래 갇혀 있으면 비선형 현상이 커져서, 펄스 하나에 담을 수 있는 에너지에 한계가 생깁니다. 이 한계는 광섬유 레이저의 비선형 한계 글에서 자세히 볼 수 있습니다.
이 글이 고른 발표에서 펄스 에너지가 큰 것은 결정 쪽입니다. 이 글에 나오는 J급 펄스 발표(11980-14, 12.3020136, 12.3039277)는 모두 광섬유가 아닌 덩어리(벌크) 이득 매질에서 나왔습니다. 덩어리 매질의 약점은 열입니다. 덩어리의 가운데가 바깥보다 뜨거워지면 결정 자체가 렌즈처럼 빛을 휘게 하는 열 렌즈(thermal lensing)가 생깁니다.
그래서 고체 레이저의 역사는 열을 빼는 모양을 찾는 역사이기도 합니다. Keller의 교과서 Ultrafast Lasers는 열을 잘 빼려고 표면적 대 부피 비가 큰 모양으로 다듬어 왔고, 그 덕에 광섬유·박판·슬랩 세 가지가 모두 1 kW가 넘는 평균 출력(average power)을 냈다고 정리합니다. 광섬유도 이 길 위의 한 모양인 셈입니다. 오늘날 초고속 레이저 대부분이 다이오드로 펌핑하는 고체 레이저라는 것도 같은 책의 설명입니다.
두 갈래가 섞이는 연구도 있습니다. 결정을 광섬유처럼 가늘게 뽑은 결정 광섬유입니다. 2023년 미 해군연구소(U.S. Naval Research Laboratory) 발표(PC12399-4)는 단결정 코어 광섬유가 유리 광섬유보다 횡모드 불안정성(transverse mode instability, TMI) 문턱이 10배 높을 수 있지만, 손실과 제작의 어려움이 쓰임을 막고 있다고 적었습니다.
2024년(12.3003374)과 2027년(14438-25)에도 미 공군연구소(U.S. Air Force Research Laboratory)가 낀 계산과 성장 연구가 이어졌습니다. TMI가 무엇인지는 광섬유의 열 한계와 TMI 글에 있습니다.
여섯 해의 주제 비율
아래 도표는 해마다 발표 가운데 몇 퍼센트에 어떤 주제 꼬리표가 붙었는지 보여 줍니다. 발표 수는 2022년 40편, 2023년 47편, 2024년 56편, 2025년 49편, 2026년 27편, 2027년 40편입니다. 한 발표에 꼬리표가 여럿 붙으므로 한 해의 비율을 더하면 100%를 넘습니다.
가장 눈에 띄는 것은 두 줄입니다. 결정·소재 꼬리표는 2022년 78%에서 2026년 52%로 내려왔고, 가시·자외선은 5%에서 22%로 올라왔습니다. 그런데 결정·소재가 72%에서 59%로 가장 크게 떨어진 2023년과 2024년 사이에는 꼬리표를 붙이는 방법도 바뀌었습니다. 새 결정을 키워 보는 발표가 줄었다고 읽을 수도 있지만, 방법의 차이를 빼고 보기는 어렵습니다.
2027년 값은 세는 자료와 방법이 또 달라서 점선으로 그렸습니다. 그래서 이 도표는 여섯 해의 추세선이 아니라, 해마다 학회의 얼굴을 따로 찍은 사진에 가깝습니다. 가시·자외선도 가장 크게 오른 해는 방법이 바뀐 2024년입니다. 다만 그 뒤 세 해 동안 20%대를 지켰고 2027년에는 세션 하나를 따로 얻었으니, 비율보다 이런 사실이 더 확실한 신호입니다.
결정과 소재: Yb:CALGO에서 패러데이 결정까지
여섯 해 동안 꾸준히 이름이 나온 결정이 Yb:CALGO입니다. 이터븀을 넣은 CaGdAlO₄ 결정으로, 이 학회에서는 거의 늘 펨토초 레이저 발표에 등장합니다. 같은 결정이 해마다 어떻게 쓰였는지를 보면 흐름이 보입니다.
2022년 매니토바 대학교(University of Manitoba)는 거울 세 장으로 빛을 여러 번 되돌리는 White cell로 공진기를 길게 늘였습니다. 반복률(repetition rate)을 13.85 MHz로 낮추자 펄스 하나에 에너지가 모여 73 fs 펄스의 첨두 출력(peak power)이 744 kW에 이르렀습니다(11980-38). 이듬해 같은 대학은 8.2 MHz, 126 fs, 첨두 416 kW를 보고하며 100 fs급에서 반복률이 가장 낮은 Yb 레이저라고 적었습니다(PC12399-9).
2024년 충남대학교(Chungnam National Univ.) 발표는 포화 흡수체 없이 모드 잠금(mode-locking)한 Yb:CALGO 발진기로 50 fs 펄스, 출력 8.6 W, 첨두 2.5 MW를 냈습니다(12.3005218). 그리고 2027년에는 결이 바뀝니다. Northrop Grumman SYNOPTICS의 Yb:CALGO 결정 성장(14438-24)과 체코 CRYTUR의 레이저급 Yb:CALGO 결정 개발(14438-39)이 나란히 올라왔습니다. 결정을 만들어 공급하는 쪽의 발표가 두 편 나란히 선 셈이라, 관심이 기록에서 생산으로 옮겨 가는 중일 수 있습니다.
결정을 고를 때 따지는 것 하나는 펌프 빛을 잘 먹는 흡수선입니다. 다이오드 빛은 파장 폭이 좁아 결정의 흡수선에 바로 맞출 수 있고, 그러면 펌프 흡수가 좋아지고 열은 줄어듭니다.
2.94 µm 빛을 내는 Er:YAG도 자주 나옵니다. 2024년 Fibertek은 메탄과 수증기를 재는 차등 흡수 라이다(lidar)용 Er:YAG를 NASA Langley의 HALO 항공 플랫폼에 맞춰 1645 nm와 823 nm에서 각각 3 mJ로 냈습니다(12.3002925). 2027년에는 Cutting Edge Optronics의 고에너지 Er:YAG 증폭기(14438-8)와 Yb를 함께 넣어 펌프 흡수를 늘린 2940 nm Yb,Er:YAG 결정(14438-10)이 같은 세션에 섰습니다.
빛을 만드는 결정만 있는 것은 아닙니다. 2027년 Northrop Grumman SYNOPTICS는 패러데이 회전자(Faraday rotator)에 쓰는 KTF·TGG 결정을 발표했습니다(14438-21). 되돌아오는 빛을 막는 광 아이솔레이터의 핵심 부품입니다.
출력이 커질수록 이런 수동 결정도 열에 견뎌야 해서 소재 세션에 함께 오릅니다. 아이솔레이터의 원리는 아이솔레이터와 광섬유 부품 글에 있습니다.
박판과 슬랩: 열을 빼는 모양
박판(thin disk) 레이저는 막대와 슬랩의 열 문제를 풀려고 나온 모양입니다. 아주 얇은 결정 원판의 한쪽을 냉각판에 붙여서 열이 빔과 같은 방향으로 한 줄로 빠지게 합니다. 가로 방향의 온도 차가 작으니 열 렌즈가 크게 줄어듭니다. 대신 한 번 지날 때 흡수가 약해서 펌프 빛을 원판에 여러 번 통과시킵니다.
이 모양을 산업용으로 키운 곳이 TRUMPF입니다. 2022년 발표는 박판 다중 통과 증폭기로 펄스 에너지 100 mJ 이상, 평균 출력 kW 영역을 보고했고, 기계·열 안정성 덕에 거친 산업 환경에서도 쓸 수 있다고 적었습니다(PC11980-3). 2024년에는 이를 산업용 상자에 넣어 kW 영역에서 압축 펄스 10 mJ, 압축 없이 40 mJ를 냈습니다(12.3001463).
슬랩 쪽의 대표는 영국의 DiPOLE입니다. 극저온으로 식힌 세라믹 Yb:YAG 판 여러 장을 겹친 증폭기로, 2023년 발표는 반복률을 10 Hz에서 100 Hz로 올리는 10 J 설계와 열 관리를 다뤘습니다(PC12399-24). 2024년 Rutherford Appleton Laboratory는 이 장비가 10 J, 100 Hz, 곧 평균 1 kW를 광-광 효율 25.4%로 내고 한 시간 동안 에너지 흔들림을 1% rms 아래로 지켰다고 보고했습니다(12.3020136). 2027년 첫 세션에는 같은 연구소가 짓는 10 Hz 페타와트급 사용자 시설 EPAC의 시운전 현황이 올라왔습니다(14438-2).
도표의 박판·슬랩 꼬리표는 해마다 4%에서 11% 사이에 머뭅니다. 발표 수로 보면 작은 갈래지만, 산업용 kW 장비와 대형 연구 시설을 받치는 갈래입니다. 레이저 장비에서 열을 빼는 일 전반은 냉각과 열 관리 글로 이어집니다.
2 µm와 중적외선
1 µm 부근의 Yb·Nd 레이저 다음으로 큰 갈래는 2 µm와 그보다 긴 중적외선입니다. 2027년 학회는 아예 "Mid-IR and Eyesafe Lasers"라는 세션을 따로 두었습니다. 툴륨(Tm)·홀뮴(Ho)·에르븀(Er) 같은 이온과 Cr:ZnSe 같은 결정이 이 대역을 맡습니다.
에너지 기록이 여기서 나왔습니다. 2022년 로런스 리버모어 국립연구소(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)는 다이오드 펌핑 Tm:YLF 증폭기에서 처음으로 수 J급을 보고했습니다. 1880 nm 펄스를 최대 3.9 J까지 키웠고, 자유 발진 씨앗을 넣었을 때는 38 J까지 얻었습니다(11980-14). 2024년 같은 연구소는 1.6 J 펄스를 300 fs 아래로 압축하고, 헬륨 기체로 식히는 증폭 머리에서 20 W/cm²가 넘는 열 제거율을 보였습니다(12.3003283).
박판도 2 µm로 왔습니다. 2022년 보훔 루르 대학교(Ruhr University Bochum)와 ETH Zurich는 연속파 Ho:YAG 박판 발진기로 112 W를 내고, 모드 잠금으로 평균 40.5 W의 극초단 펄스를 얻었습니다(PC11980-10). 더 긴 파장에서는 2023년 앨라배마 대학교 버밍엄(University of Alabama at Birmingham)과 MegaWatt Lasers가 2.8 µm Cr:Er:YSGG로 15 ns 펄스에 300 mJ를 냈습니다(PC12399-57).
2025년 MegaWatt Lasers는 레이저 네 대의 출력을 한 광로로 차례로 모아 2.13 µm에서 200 W(40 Hz)를 냈고, 의료와 원격 감지를 용도로 들었습니다(12.3049547). 2027년에는 Class 5 Photonics가 100 mJ Ho:YLF 증폭기로 5 µm 광원을 펌핑해 X선을 만드는 탁상형 장치를 발표합니다(14438-3). 2 µm 레이저가 끝이 아니라 더 긴 파장으로 가는 펌프가 되는 모습입니다. 파장마다 쓰임이 갈리는 까닭은 파장이 왜 중요한가 글에 있습니다.
도표에서 이 갈래는 2025년 47%로 가장 높았다가 2027년 18%로 내려갑니다. 2025년 값은 제목과 초록의 낱말로 자동 분류한 해의 값이고, 2027년은 초록을 읽고 붙인 값이라 두 숫자를 바로 견주기 어렵습니다. 세션 하나를 통째로 가져간 대역이라는 점이 더 확실한 신호입니다.
자외선과 심자외선으로 바꾸기
레이저 빛을 비선형 결정에 통과시키면 주파수를 두 배, 세 배로 올려 파장을 짧게 바꿀 수 있습니다. 이 학회의 자외선 발표도 대부분 1 µm대 레이저와 변환 결정의 조합입니다. 도표에서 가시·자외선 비율은 2022년 5%에서 2027년 23%로 올랐습니다. 가장 크게 오른 2024년은 꼬리표 방법이 바뀐 해이기도 합니다.
초기 발표는 작고 싼 광원을 겨냥했습니다. 2022년에는 값싼 공랭 다이오드 여러 개를 광섬유 결합기로 모아 마이크로칩을 펌핑하고, 이를 355 nm로 바꾼 자외선 마이크로 레이저가 나왔습니다. 제목에는 첨두 6 MW를 내걸었고, 초록에는 6 MW 미만이라고 적었습니다(11980-16). 2023년 NASA 고다드 우주비행센터(Goddard Space Flight Center)는 토성 위성 타이탄을 탐사할 Dragonfly 착륙선의 질량 분석기용 266 nm 고체 레이저를 소개했습니다(12399-28).
그 뒤로는 수명과 출력이 화제가 됩니다. 2024년 일본 Oxide Corporation은 연속파 213 nm 광원에서 최대 270 mW를 내고, 결정 위치를 옮겨 가며 쓰면 3,000시간이 넘는 수명을 낼 수 있다고 보고했습니다(12.3002230). 2025년 Northrop Grumman은 1053 nm 9.1 J 펄스를 78% 효율로 바꿔 527 nm 7 J(10 Hz)를 냈습니다(12.3039277). 2026년에는 Yb 광섬유로 만든 빛을 결정으로 바꾼 266 nm 피코초 광원이 평균 12 W를 내고, 8 W에서 400시간 시험 동안 결정이 상하지 않았다는 발표가 있었습니다(12.3077857).
213 nm 발표와 266 nm 발표는 출력 숫자와 함께 변환 결정이 얼마나 오래 버티는지를 따로 적었습니다. 짧은 파장 광원에서는 출력만큼 결정의 수명이 관심사라는 뜻입니다.
2027년에는 "UV and Visible Lasers" 세션이 따로 섭니다. Coherent의 213 nm 와트급 광원(14438-15)과 240 nm 아래 1.5 W 넘는 심자외선 광원(14438-20), OXIDE의 193 nm 500 mW 광원(14438-19), HiLASE의 772 nm 알렉산드라이트 박판으로 193 nm를 노리는 발표(14438-17)가 한 세션에 모였습니다. 2024년부터 출력과 함께 수백 시간 단위의 운전 시험을 내세우는 발표가 이어져, 이 갈래가 연구실 시연에서 산업 광원 쪽으로 옮겨 가는 중일 수 있습니다. 레이저가 공장에서 어떻게 쓰이는지는 산업용 레이저의 쓰임 글에서 볼 수 있습니다.
견고화와 우주
실험실 탁자 위의 레이저와 비행기나 위성에 실리는 레이저는 다른 시험을 견뎌야 합니다. 온도가 크게 오르내리고, 진동이 있고, 우주에서는 방사선까지 받습니다. 견고화·우주 꼬리표는 2022년 5%에서 2023년 13%로 뛰었습니다.
2023년 발표 둘이 그 결을 잘 보여 줍니다. L3Harris는 에르븀·이터븀 비율을 바꾼 인산염 유리로 1.54 µm 소형 Q-스위치 송신기를 만들었고, 능동 냉각 없이 영하 40 °C에서 85 °C까지 동작한다고 적었습니다. 5 Hz에서 3 mJ, 100 Hz에서 1 mJ를 내는 거리 측정용 송신기입니다(12399-15). 하노버 레이저 센터(Laser Zentrum Hannover)는 지구 관측 위성용 알렉산드라이트 결정과 코팅이 그때까지 기술 성숙도 4단계를 넘지 못했다며, 방사선과 열 순환 시험으로 6단계까지 검증하는 계획을 소개했습니다(12399-25).
이미 우주에서 돌고 있는 레이저의 보고도 있습니다. 2024년에는 국제우주정거장에 실린 숲 측정 라이다 GEDI의 송신기 운용 현황과 교훈이 올라왔고, 첫 비행용 송신기가 10 mJ급이었다고 적었습니다(12.3003703). 2025년에는 라이다·거리 측정에 흔한 Er:Yb 유리의 약점, 곧 낮은 열전도와 강한 열 렌즈를 영하 20 °C에서 60 °C까지의 시험으로 따진 발표가 나왔습니다(12.3041039).
2027년에는 "Ruggedized and Space Qualified Lasers"라는 세션이 생겼습니다. 그런데 막상 발표를 보면 MEMS-VCSEL, 소형 자기 주입 잠금 레이저, 초전도 고리 이론, 석유·가스용 레이저 검토가 섞여 있습니다. 세션 이름만 보고 흐름을 읽으면 틀리기 쉬운 예입니다. 장비가 바깥 환경을 견디는 문제는 환경 내구성 글과 레이저 거리 측정과 라이다 글로 이어집니다.
펨토초 고출력
펨토초 레이저는 펄스가 아주 짧아 같은 에너지라도 순간 세기가 큽니다. 문제는 평균 출력이었습니다. Keller의 교과서는 Yb 첨가 소재가 양자 결손(quantum defect)이 작아 펌프 에너지 가운데 열로 버리는 몫이 적다는 점을, 평균 출력을 크게 올린 까닭으로 듭니다.
학회에서는 짧게 만드는 기술과 세게 만드는 기술이 같이 갔습니다. 2022년에는 산업용 330 W, 400 fs 레이저 뒤에 기체를 채운 다중 통과 셀(투과 90% 넘음)을 붙여 300 W, 1 mJ 펄스의 길이를 2 ps에서 30 fs까지 바꾸는 장치가 나왔습니다(PC11980-1). 2024년 헬무트 슈미트 대학교(Helmut Schmidt University)는 박판 발진기의 펄스를 다중 통과 셀 두 개로 압축해 7.2 fs, 평균 146 W를 냈습니다(12.3025383). 빛이 몇 번 출렁이는 길이밖에 안 되는 펄스를 증폭기 없이 내는 광원 가운데 평균 출력이 가장 높다고 적었습니다.
도표의 초고속 꼬리표는 2022년 33%에서 2023년 13%로 떨어졌다가 20% 안팎을 지킵니다. 2027년 첫 세션의 Light Conversion 발표(14438-4)처럼 고출력 펨토초 광원을 적외선과 자외선으로 함께 내는 산업 쪽 보고가 이어집니다. 짧은 펄스를 만드는 원리는 Q-스위칭과 모드 잠금, 그 쓰임은 초단 펄스 가공 글에 있습니다.
2027년의 새 얼굴: AI 설계
머신러닝은 2023년부터 조금씩 보였습니다. 독일 전자 싱크로트론 연구소(DESY)는 자유 전자 레이저 FLASH의 펌프-프로브 레이저가 10 Hz 버스트로 돌아 빠른 되먹임을 걸 수 없자, 고전 제어와 머신러닝을 섞어 빔이 가리키는 방향을 안정시켰습니다(PC12399-6). 2025년에는 고출력 레이저 시스템의 디지털 트윈을 만들어, 머신러닝 모델이 기존 수치 계산보다 250배 빨랐다는 발표가 나왔습니다(12.3042388).
2026년에는 신경망으로 고체 레이저 설계 과정을 자동화해 설계 주기를 크게 줄인다는 발표가 있었습니다(12.3081638). 그리고 2027년 Solid State Lasers 학회의 첫 발표(14438-1)는 Endeavour Laser Technologies의 "레이저 설계에서 대형 언어 모델(LLM)은 어떤 역할을 할 수 있나"입니다. 이 사이트가 정리한 초록 요약으로는, 언어 모델이 짠 코드로 Q-스위치 레이저 모델을 세워 보고 검증은 물리 계산과 실험이 맡아야 한다는 쪽으로 정리합니다.
비율로는 해마다 한 편 안팎이라 도표에 따로 그리지 않았습니다. 그래도 학회 첫 발표 자리에 놓였다는 점은 눈여겨볼 만합니다. 계산이 레이저 개발에서 어떤 몫을 맡는지는 왜 레이저를 시뮬레이션하나 글에서 볼 수 있습니다.
자료를 읽을 때의 한계
이 글의 숫자는 모두 발표 초록에 적힌 값입니다. 측정 조건, 효율을 재는 기준, 기록이라는 말의 범위가 발표마다 다르므로, 서로 다른 발표의 숫자를 나란히 놓고 우열을 가리면 안 됩니다. 같은 레이저도 무엇을 재느냐에 따라 숫자가 크게 달라집니다. 2024년의 Yb:CALGO 발진기는 평균 8.6 W에 첨두 2.5 MW였습니다.
주제 비율은 이 사이트가 붙인 꼬리표로 셌고, 2022~2026년은 DOI가 붙은 원고와 녹화 발표만, 2027년은 프로그램의 공개 초록이 기준입니다. 원고 없이 말로만 한 발표와 비공개 연구는 들어 있지 않습니다.
꼬리표를 붙인 방법도 해마다 다릅니다. 2022~2023년은 자동으로 붙인 뒤 사람이 고쳤고, 2024~2026년은 제목과 초록의 낱말로 자동으로 붙였고, 2027년은 초록을 읽고 붙였습니다. 2026년은 DOI가 붙은 발표가 27편뿐이라 한두 편에도 비율이 크게 흔들립니다. 그래서 도표는 해마다의 모습을 보는 데만 쓰고, 해와 해 사이의 차이를 추세로 읽지 않는 편이 맞습니다.
다음에 읽을 글
- 광섬유 레이저란: 이 글에서 견준 광섬유 쪽의 기본 구조입니다.
- 학회 초록으로 기술 흐름 읽는 법: 발표 번호, 초대 발표, 프로시딩과 DOI를 어떻게 읽는지 정리한 글입니다.
- 고출력 광섬유 레이저 리뷰 논문 읽기: 학회 초록과 달리 한 분야를 모아 정리한 리뷰 논문을 읽는 법입니다.