혁신적 전기광학 레이저, 30GHz 펄스 속도로 초고속 이미징·통신 구현

• 새로운 전기광학 레이저는 기존 초고속 레이저 빛보다 100배 빠릅니다.
• 시스템은 신뢰할 수 있으며 30GHz에서 정확하고 안정적인 펄스를 생성합니다.
• 생물/화학 이미징과 더 빠른 통신 네트워크 구현에 활용 가능합니다.

초고속 레이저는 펨토초까지 지속되는 일련의 빛 펄스를 생성합니다. 이들은 주파수 빗 역할을 하여 전자기 스펙트럼의 마이크로파와 광학 영역을 연결하는 주파수 및 시간 기준을 제공할 수 있습니다.

이 펄스의 위상을 제어할 수 있으므로 양자 물질 상태 조종부터 광학 원자 시계까지 다양한 응용이 가능합니다. 초고속 레이저의 역량은 수년간 향상되었지만, 모드 잠금 공진기의 본질적인 안정성이 필요합니다.

이제 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구자들이 모드 잠금 없이 일련의 광학 펄스를 생성하는 대안적 접근법을 제시했습니다. 이를 전기광학 레이저라고 부르며, 기존 초고속 레이저보다 100배 빠르게 펄스를 방출합니다. 기본적으로 일반적인 전자장치로 개발된 레이저의 전기광학 변조입니다.

초고속 레이저와의 차이점

전기광학 레이저를 구축하는 아이디어는 꽤 단순하고 기술은 거의 50년 전부터 존재했지만, 과학자들은 전자 간섭을 제거하면서 초고속 펄스를 방출하도록 빛을 전환하는 데 성공하지 못했습니다.

일반적으로 모드 잠금 방법은 빛을 거울 공동 내에서 앞뒤로 반사시켜 파동이 서로 건설적으로 간섭하여 짧은 펄스를 생성하는 방식으로 작동합니다. 그러나 새로운 기술은 더 무차별적인 메커니즘으로 작동합니다: 연속 레이저 빔을 별도의 펄스로 쪼개 열 유도 간섭을 줄입니다.

신호가 공동 내부에서 앞뒤로 반사되면서 고정 파동이 최고 주파수에 나타나 다른 모든 주파수를 차단합니다. 신호 안정화와 여과는 이 공동 내에서 이루어집니다.

더 구체적으로, 연속파를 방출하는 적외선 레이저를 사용하여 커스텀 공동으로 안정화된 발진기로 펄스를 생성했습니다. 모든 펄스는 균일하며 마이크로칩 웨이브가이드 구조를 통과하여 주파수 빗에서 다양한 색상을 생성합니다.

참조: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST

광학 주파수 빗은 기존 초고속 빛의 소스로 사용됩니다. 이러한 빗은 여러 색상의 빛 파동이 서로 겹쳐 마이크로파와 광학 주파수 간 링크를 형성하는 모드 잠금 레이저로 구축됩니다. 반면 전기광학 레이저는 적외선 레이저에 전자 진동을 가해 펄스를 빛으로 효율적으로 형성합니다.

전기광학 레이저가 특정 주파수의 빛을 분리해 다양한 색상의 주파수 빗 형성 | David Carlson/NIST

모드 잠금 레이저는 10나노초마다 펄스를 생성하는 반면, 전기광학 레이저는 한 펄스 생성에 100피코초만 소요됩니다(100배 빠름).

응용 분야

전기광학 레이저를 구축하기 위해 연구자들은 상용 마이크로파 및 통신 기기만 사용하기로 했습니다. 이는 시스템을 더 신뢰할 수 있게 만듭니다. 또한 안정성과 정확성이 꽤 우수해 더 빠른 통신 시스템과 광학 시계 네트워크의 장기 측정에 적합합니다.

참고: DARPA, 레이저 광원으로 비행 중 소형 항공기에 동력 공급

또한 이러한 종류의 레이저는 생물학적 및 화학적 이미징에 사용되어 조직/화학 물질의 특정 유형 이미징을 가속화할 수 있습니다. 예를 들어, 보통 1분이 걸리는 초분광 이미징을 실시간으로 수행할 수 있습니다.