작은 레이저는 의학과 양자 과학을 변화시킬 수 있습니다

슈투트가르트 대학 제4물리연구소 소장인 Harald Giessen 교수는 “우리의 새로운 시스템을 통해 이전에는 거의 달성할 수 없었던 효율성 수준을 달성할 수 있습니다.”라고 말합니다. 테스트에서 팀은 단펄스 레이저가 근본적으로 80%의 효율에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. 실질적으로 입력 전력의 80%가 사용 가능한 출력이 됩니다. “비교를 위해: 현재 기술은 약 35%만 달성합니다. 즉, 효율성이 많이 떨어지고 그에 따라 비용이 많이 든다는 의미입니다.”라고 Giessen은 설명합니다.

아주 짧은 시간에 많은 에너지를

단펄스 레이저는 나노초, 피코초, 펨토초(즉, 수십억분의 1초에서 수조분의 1초) 동안만 지속되는 폭발을 방출합니다. 펄스가 너무 짧기 때문에 많은 양의 에너지가 거의 즉시 작은 지점에 전달될 수 있습니다. 이 설정은 펌프 레이저와 단 펄스 레이저를 결합합니다. 펌프 레이저는 특수 결정에 빛 에너지를 전달합니다. 이 결정은 펌프 빔의 에너지를 초단거리 신호 펄스로 전달하여 프로세스를 구동합니다. 이를 통해 들어오는 빛 입자는 적외선으로 변환됩니다. 적외선은 가시광선으로는 달성할 수 없는 실험, 측정 또는 생산 단계를 가능하게 합니다. 산업계에서는 정밀하고 부드러운 재료 가공 등의 생산 과정에서 단파 레이저가 사용됩니다. 또한 분자 규모에서 매우 정확한 측정을 위해 의료 영상 및 양자 연구에도 사용됩니다.

“단 펄스 레이저를 효율적으로 설계하는 것은 아직 해결되지 않은 과제로 남아 있습니다.”라고 해당 연구의 주저자인 Tobias Steinle 박사는 설명합니다. “짧은 펄스를 생성하려면 들어오는 광선을 증폭하고 광범위한 파장을 포괄해야 합니다.” 지금까지는 작고 컴팩트한 광학 시스템에서 두 가지 특성을 동시에 결합하는 것이 불가능했습니다.” 광대역 레이저 증폭기에는 일반적으로 매우 짧고 얇은 결정이 필요합니다. 이와 대조적으로 고효율 증폭기는 훨씬 더 긴 결정을 선호합니다. 한 가지 해결 방법은 여러 개의 짧은 결정을 직렬로 연결하는 것인데, 이 접근 방식은 이미 연구에서 탐색된 접근 방식입니다. 선택이 무엇이든 펌프와 신호 펄스 사이의 타이밍은 동기화된 상태를 유지해야 합니다.

새로운 멀티패스 개념

팀은 멀티패스 전략을 통해 이러한 절충안을 해결합니다. 하나의 긴 크리스털에 의존하거나 짧은 크리스털을 여러 개 쌓는 대신 광학 파라메트릭 증폭기 내부의 단일 짧은 크리스털을 통해 빛을 반복적으로 통과시킵니다. 각 통과 후 분리된 펄스는 동기화를 유지하기 위해 신중하게 다시 정렬됩니다. 그 결과 50펨토초보다 짧은 펄스를 생성하고, 몇 제곱센티미터만 차지하며, 단 5개의 구성 요소만 사용하는 시스템이 탄생했습니다.

“우리의 멀티패스 시스템은 대역폭을 희생하면서 극도로 높은 효율성을 얻을 필요가 없다는 것을 보여줍니다.”라고 Steinle은 설명합니다. “이전에는 초단 펄스를 증폭하는 데 필요했던 높은 전력 손실로 크고 값비싼 레이저 시스템을 대체할 수 있습니다.” 이 디자인은 적외선 이외의 파장에 맞게 조정될 수도 있으며 다양한 결정 및 펄스 지속 시간에 맞게 조정될 수도 있습니다. 이 개념을 바탕으로 연구원들은 파장을 정밀하게 설정할 수 있는 작고, 가볍고, 컴팩트하고, 휴대 가능하며 조정 가능한 레이저를 만드는 것을 목표로 합니다. 가능한 사용 사례에는 의학, 분석 기술, 가스 감지 및 환경 모니터링이 포함됩니다.

재정 지원은 KMU-Innovativ 프로그램, 연방 경제 에너지부(BMWE), 바덴-뷔르템베르크 과학 연구 예술부, 독일 연구 재단(DFG), 칼 자이스 재단, 바덴-뷔르템베르크 재단, 통합 양자 과학 기술 센터(IQST), 미래 혁신 캠퍼스 이동성(ICM)을 통해 연방 연구 기술 우주부(BMFTR)에서 이루어졌습니다. 이 작업은 MIRESWEEP 프로젝트(분석 응용 분야를 위한 새롭고 비용 효율적인 조정 가능한 중적외선 레이저 소스)에 따라 Stuttgart Instruments GmbH와 협력하여 슈투트가르트 대학의 제4 물리학 연구소에서 수행되었습니다.