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- 최대 800Watt 전력을 제공하는 초단 펄스
- 유리 레이저의 출발 물질은 신용카드 크기의 얇은 규산염 유리판
- 광학 부품을 영구적으로 정렬하는 이러한 접근 방식은 광범위한 광학 회로로 확장 가능

연구원들은 유리로 레이저를 만들었다.
신용카드 크기의 유리판에는 완전한 펨토초 레이저가 포함되어 있다.

유리에서 나오는 빛:
연구원들은 처음으로 전체가 유리로 만들어진 레이저를 개발했다. 강렬하고 집중도가 높은 펨토초 펄스를 생성하며 신용카드 크기의 규산염 유리판에 완전히 통합된다. 하이라이트는 유리 레이저의 거울과 구멍은 먼저 두 번째 레이저를 사용하여 제조된 다음 다시 조사하여 조정된다. 팀의 설명에 따르면 일단 조정되면 유리 레이저는 복잡한 재조정 없이 쉽게 사용할 수 있다. 

▲ 이 유리 디스크는 펨토초 레이저다. 필요한 모든 구성요소가 유리 표면에 통합되어 있어 정밀하게 조정할 수 있다. © Jamani Caillet / EPFL, CC-by-sa 4.0

레이저는 오랫동안 일상생활, 기술, 연구의 필수적인 부분이 되었다. 매우 짧고 집중된 광 펄스를 생성할 수 있는 펄스 레이저가 특히 중요하다. 펨토초 레이저의 경우 이러한 펄스는 수 천조분의 1초 동안만 지속되지만 여전히 매우 규칙적이고 일관성이 있다. 특히 의학, 양자 물리학, 분광학 및 미세 제조 분야에서 사용된다.

조정 문제

그러나 문제는 대부분의 상업용 펨토초 레이저의 경우 베이스에 자유롭게 장착되는 거울과 기타 광학 부품을 사용할 때마다 복잡하고 시간이 많이 걸리는 방식으로 조정해야 한다는 것이다. 다시 조정하기도 매우 쉽다. "이러한 복잡한 광학 정렬 과정을 지속적으로 거쳐야 한다면 더 간단하고 신뢰할 수 있는 조정 방법을 꿈꾸게 된다"고 수석 저자인 로잔 폴리테크닉 대학교(EPFL)의 Yves Bellouard는 말했다.

이를 통해 그는 다음과 같은 아이디어를 얻었다. 광학 부품이 유리 기판에 통합되어 한 번만 조정하면 영구적으로 조정된 상태를 유지하는 레이저를 설계할 수 있다는 것이다. "이전 접근 방식과 달리 우리의 개념은 사전 정의된 구성 요소 홀더와 내장된 조정 요소가 있는 미세 가공 기판을 기반으로 한다"고 연구원은 설명했다. 이를 현실로 만들기 위해 그들은 전체가 유리로 만들어진 레이저를 개발한다는 아이디어를 내놓았다.

전체가 유리로 만들어진 레이저?

유리 레이저의 출발 물질은 신용카드 크기의 얇은 규산염 유리판이다. Bellouard는 “열팽창이 낮고 안정적이고 투명하기 때문에 유리를 사용한다”고 설명했다. 연구원들은 기존의 펨토초 레이저를 사용하여 유리판을 광학 공진기로 바꾸는 채널과 구멍을 절단했다. 거울과 렌즈의 구멍도 이런 식으로 만들어진다. 동시에, 오목한 부분에 맞는 광학 부품은 또 다른 유리 조각으로 만들어진다.

그런 다음 조립은 다음과 같다. 거울과 렌즈는 손이나 로봇을 통해 지정된 피트에 삽입된다. 작은 유리 클램프 구조가 제자리에 고정된다. 마이크로미터 수준의 정밀한 제조에도 불구하고 이러한 광학 요소는 아직 충분히 정밀하게 조정되지 않았다. Bellouard와 그의 팀은 “정렬의 정밀도는 아직 안정적인 레이저 발사를 달성하기에 충분하지 않다”고 설명했다.

Femtosecond Laser는 펨토초 레이저를 생성

이것이 바로 펨토초 레이저가 두 번째로 사용되는 이유다. 레이저 펄스는 특히 광학 부품의 얇은 홀더를 겨냥한다. 이로 인해 나노미터 이하 범위의 변형이 발생하여 각도와 위치를 고정밀도로 재조정할 수 있다.

하이라이트:
유리 레이저가 집중되고 안정적인 레이저 빔을 생성하자마자 보조 레이저가 꺼지고 앙상블이 원하는 방향으로 고정된다. "원칙적으로 우리는 펨토초(fs) 레이저를 사용하여 기판 처리뿐만 아니라 미세 조정 및 정렬을 위해 또 다른 펨토초 레이저를 생성한다"고 연구원은 설명했다.

▲ 레이저 발사에 필요한 크리스탈, 거울, 렌즈는 유리 표면에 통합되어 있다. © Jamani Caillet / EPFL, CC-by-sa 4.0

최대 800Watt 전력을 제공하는 초단 펄스

그 결과 정밀하게 조정될 수 있고 크기가 작으며 광원 역할을 하는 Yb:KYW 반도체 결정을 제외하고 거의 전체가 유리로 만들어진 레이저가 탄생했다. 초기 테스트에서 신용카드 크기의 수동 냉각 유리 레이저는 거의 800W에 달하는 최대 출력과 1GHz가 조금 넘는 펄스 반복률을 달성했습니다. 개별 펄스의 길이는 약 180fs였다. 연구원들에 따르면 이 개념을 사용하면 최대 100GHz의 반복률도 가능하다.

Bellouard는 “레이저 보조 유리 가공을 사용하여 자유 광학 부품을 영구적으로 정렬하는 이러한 접근 방식은 광범위한 광학 회로로 확장될 수 있다”고 설명했다.
(Optica, 2023; doi: 10.1364/OPTICA.496503)
출처: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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