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- 미니 레이저의 기본은 이산화규소층이 위에 있는 사파이어 크리스탈
- 작은 광 가이드 채널은 너비가 1마이크로미터에 불과하며 펼치면 길이가 8밀리미터
- 3만 달러의 비용 펌프 레이저 대신 37달러에 판매되는 레이저 다이오드로 달성
- 레이저 수술, 디스플레이, 통신 기술 및 센서에도 적합

칩 형태의 최초의 티타늄-사파이어-레이저
밀리미터 단위의 소형화에도 불구하고 고성능, 대역폭 및 정밀도

레이저 기술의 혁신:
미국 연구팀이 R&D에 중요한 티타늄-사파이어-레이저를 소형화하는 데 처음으로 성공했다. 소형화에도 여전히 높은 출력과 대역폭을 유지한다. 새로운 레이저 구성 요소는 크기가 몇 밀리미터에 불과하며 이를 자극하는 데 표준 녹색 레이저 포인터만 필요하다. 기존의 티타늄-사파이어-레이저는 이것보다 1만 배 더 크고 수천 배 더 비싸므로 적용이 심각하게 제한됐다. 이제 바뀔 수 있다. 

▲ 크기가 500마이크로미터에 불과한 이 나선형은 소형 티타늄:사파이어 레이저의 사파이어 에칭 도파관이다. © 스탠포드 대학교/Yang 외, Nature

펨토초 레이저, 플라즈마 가속기, 양자 물리학 또는 분광학 등 티타늄-사파이어-레이저는 이제 넓은 대역폭의 초단거리 고에너지 레이저 펄스가 필요한 모든 곳에서 사용된다. 이 고체 레이저의 기본은 티타늄 이온을 포함하는 커런덤 결정이다. 이러한 이온은 광자를 방출하는 여러 여기 상태를 갖는다. 이를 통해 티타늄-사파이어-레이저는 670~1070나노미터 사이의 넓은 파장 범위의 들뜸에 따라 강렬하고 간섭성 있는 레이저 광을 방출할 수 있다.

"모드 고정 및 연속 티타늄-사파이어 레이저는 전례 없는 성능을 가지며 양자 광학 및 원자 물리학과 같은 분야에 필수적이다"고 스탠포드 대학의 Joshua Yang과 그의 동료들은 설명했다. 정밀하게 조정 가능한 레이저는 레이저 주파수 빗, 레이저 분광학 및 레이저 현미경에도 사용된다. 문제는 티타늄-사파이어-레이저가 크기가 크고 강력하고 값비싼 펌프 레이저가 필요하며 총비용이 수만 유로에 달할 수 있다는 것이다. "이것은 소형화와 확장성을 요구하는 많은 일상 응용 프로그램에서 널리 사용되는 것을 방해한다"고 팀은 말했다.

▲ 일반적인 티타늄:사파이어 레이저는 Lund University의 것과 같은 테이블 크기의 장치다. 강력하고 큰 펌프 레이저(녹색)가 필요하다. 레이저 매질을 형성하는 티타늄:사파이어 크리스탈은 붉은 빛을 띈다. © Han-Kwang Nienhuys/ CC-by-sa 3.0

링 공진기 및 나선형 증폭기

이제 처음으로 Yang과 그의 팀은 대역폭과 성능을 희생하지 않고 티타늄-사파이어-레이저를 칩 크기로 줄이는 데 성공했다. 새로운 미니 레이저의 기본은 이산화규소층이 위에 있는 사파이어 크리스탈이다. 그 위에는 레이저 매질인 티타늄 이온이 도핑된 수백 나노미터 두께의 또 다른 사파이어층이 있다. 여기에는 링 공진기 역할을 하고 생성된 광자를 수집하는 원형 구조가 새겨져 있다.

높은 레이저 출력을 위해서는 레이저 매질에서 생성된 광자를 더욱 풍부하게 하고 집중시키는 광학 증폭기가 필요하다. 이 기능은 연구원들이 전자빔 리소그래피를 사용하여 티타늄-사파이어층에 에칭한 나선형으로 감긴 도파관에 의해 수행된다. 작은 광 가이드 채널은 너비가 1마이크로미터에 불과하며 펼치면 길이가 8밀리미터가 된다. 광자 미니 증폭기는 펌프 레이저의 출력을 240밀리와트에서 레이저 펄스의 1킬로와트 출력으로 증가시킨다.

물리학자들은 “이것은 지금까지 입증된 가장 높은 통합 펄스 증폭보다 훨씬 더 강한 것이다”며 "동시에 각 파장에 대한 변환 제한이 있는 유일한 칩 통합 강력한 증폭기다. 후자는 미니 레이저가 왜곡 없이 매우 짧고 강렬한 레이저 펄스를 생성할 수 있음을 의미한다"고 설명했다.

자극에는 레이저 포인터로 충분

대형 티타늄-사파이어-레이저와 마찬가지로 소형 칩 레이저의 파장도 조정 가능하다. 가열 요소가 연결된 링 공진기를 사용하여 마이크로미터 형식으로 프로토타입의 빛 파장을 790~930나노미터(적색광에서 적외선까지)로 변경할 수 있다. "설계를 최적화하지 않고도 우리 레이저는 이미 상용 솔루션의 조정 범위를 달성했다"고 팀은 썼다. 추가 필터를 사용하면 650~1100nm의 전체 범위의 티타늄 이온을 얻을 수도 있다.

▲ 미니 레이저 칩은 티타늄 이온이 도핑된 사파이어 원료로 만들어진 작은 큐브에 기대어 있니다. © Stanford University/ Yang et al., Nature

또 다른 장점:
테이블 크기의 레이저와 달리 칩 레이저는 레이저 매체를 자극하기 위해 표준 녹색 레이저 포인터가 필요하다. “지금까지 이를 위해서는 10kg의 무게와 3만 달러의 비용이 드는 펌프 레이저가 필요했다. 우리는 37달러에 판매되는 레이저 다이오드를 사용하여 이를 달성할 수 있다”고 연구원은 말했다.

실제 응용 테스트에서 Yang과 그의 팀은 실리콘 카바이드 결정에서 양자점의 동작을 조사하는 양자 물리학 실험에 미니 레이저를 사용했다. 이를 위해 그들은 기존의 모든 티타늄-사파이어-레이저를 칩 레이저로 교체했다. Yang과 그의 동료들은 "레이저는 플러그 앤 플레이 구성으로 사용되었다. 테이블 레이저는 수정이 필요 없이 교체되었다"고 말했다. 측정이 성공적이었다.

“저렴하고 광범위하게 활용”

과학자들에 따르면, 소형화된 티타늄:사파이어 레이저는 완전히 새로운 응용 가능성을 열어준다. Yang은 “테이블 크기의 시스템에서 저렴한 비용으로 칩으로 생산할 수 있는 시스템으로 도약할 수 있다면 이는 획기적인 발전이다”고 말했다. 왜냐하면 이 레이저는 모든 연구실은 물론 일상적인 응용 분야에도 적합할 것이기 때문이다.

“칩은 가볍고 휴대 가능하며 효율적이다. 움직이는 부품이 없고 대량 생산이 가능하다”고 Yang은 말했다. "이것은 티타늄-사파이어-레이저를 민주화한다." 새로운 미니 레이저는 예를 들어 양자 컴퓨터, 레이저 주파수 빗, 광유전학 또는 레이저 수술에도 사용될 수 있다. 이러한 칩 통합 티타늄-사파이어-레이저는 디스플레이, 통신 기술 및 센서에도 적합할 수 있다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07457-2)
출처: Nature, 스탠포드 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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