범용 빛 변조기: 정밀 물질 제어를 위한 혁신적 레이저 아키텍처

• 연구자들이 물질을 탐구하고 제어하기 위한 '범용 빛 변조기'라는 새로운 레이저 아키텍처 개발
• 고출력이 필요한 모든 주요 포토닉 응용 분야의 전환점이 될 수 있음

레이저는 재료 정렬, 프레젠테이션 중 객체 가리키기, 의사들의 미용 및 수술 시술 등 여러 목적으로 사용됩니다. 일상생활에서 보는 수많은 것들이 레이저 기술에 기반합니다. 바코드 스캐너, 광디스크 드라이브, 광섬유, 절단 및 용접 재료, 엔터테인먼트용 레이저 조명 디스플레이 등입니다.

레이저는 다양한 방법론을 사용해 물질을 정확하게 구동, 제어, 탐구하는 놀라운 능력을 가집니다. 주로 무대 뒤에서 작동하지만, 레이저는 첨단 과학 기술의 중추입니다. 2018년 노벨 물리학상은 혁신적인 레이저 기술인 광학 집게(두 레이저 빔 사이에 나노입자를 가두는 기술)에게 수여되었습니다.

최근 SLAC 국립가속기연구소와 스탠퍼드 대학 연구자들이 물질을 탐구하고 제어하기 위한 새로운 레이저 아키텍처를 개발했습니다. 이를 범용 빛 변조기라고 부릅니다.

레이저는 정교한 구조를 포함할 수 있다

레이저는 빛을 간섭적으로 방출하므로, 강도와 전자기 분포 측면에서 다른 어떤 광원보다 훨씬 더 복잡한 구조를 구현할 수 있습니다. 예를 들어 독특한 3차원 강도 분포(광학 여과기나 와플 콘), 원통형 벡터 빔을 가질 수 있습니다.

이러한 능력 덕분에 범용 빛 변조기는 포토닉스의 고급 응용 분야에 새로운 문을 열 잠재력이 있습니다. 현재 복잡한 빛 구조를 생성하는 신뢰할 수 있는 방법은 많지 않으므로, 그러한 구조를 프로그래밍하거나 엔지니어링하는 능력을 활용하는 것은 매우 어렵습니다.

참조: The Optical Society

이는 프로젝터에 사용되는 공간 빛 변조기 같은 외부 기기로만 수행됩니다. 그러나 이러한 기기들은 피크 전력과 평균 전력 제한이 있으며, 상당한 전력 수준을 필요로 하는 응용 분야에 도달하기 전에 쉽게 파손될 수 있습니다.

새로운 레이저 아키텍처는 복잡한 빛 구조를 생성하는 능력을 해치지 않으면서 이 전력 제한을 회피합니다. 연구자들은 빔을 레이저 아키텍처 자체에 엔지니어링하는 혁신적인 기능을 개발했습니다. 이는 빛 구조와 전력 확장이란 두 가지 주요 요구 사항을 충족합니다.

새 레이저 아키텍처로 빔 형성 | Greg Stewart / SLAC

그들은 복합 빔릿을 사용해 이러한 프로그래밍 가능한 빛 펄스를 구축했습니다. 여러 벌집 모양의 짧은 빔릿으로 구성된 레이저 빔이라고 생각하면 됩니다. 각 빔릿은 서로 간섭적이면서도 독립적으로 제어될 수 있습니다.

이들은 서로에게 상태와 상호 관계 등 정보를 '공개'할 수 있습니다. 모든 빔릿이 동기화되면 함께 어떤 구조든 생성할 수 있습니다.

응용 분야

범용 빛 변조기는 펨토초 시간 척도 이하의 초단파 시스템에서 극도로 가치가 있습니다: 정교한 구조를 가진 빛이 기술적 노력을 주도하는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 완전히 새로운 사고를 낳을 수 있습니다. 고출력이 필요한 모든 주요 포토닉 응용, 마이크로-나노 가공, 광학 트래핑, 광섬유 통신, 초고속 양자 과학의 전환점이 될 수 있습니다.

연구자들은 이제 이러한 광원을 사용해 빛의 속도로 이동하는 전자 빔을 제어하려 시도하고 있습니다. 이는 새로운 종류의 X선과 전자 소스 생성에 도움이 되며, 빛 구조를 X선과 전자에 각인시킬 수 있습니다.

참고: 홀로그래피와 라이트필드 기술로 생성된 실용적 3D 디스플레이

또한 수많은 병렬 노력을 탐구할 계획입니다. 첫째, 더 많은 빔릿을 통합하고 변조기를 훨씬 더 높은 전력으로 업그레이드하는 것입니다. 둘째, 비선형 변환 방법을 사용해 펨토초 빔릿을 다른 파장으로 변환하는 방법을 조사할 것입니다. 이는 초분광 조성과 자연적 자기 동기화, 또는 다중 색상을 가진 구조화된 빛을 생성할 것입니다.