나노레이저는 나노와이어와 같은 나노 소재를 공진기로 사용하여 광여기 또는 전기적 여기를 통해 레이저를 방출하는 마이크로 및 나노 소자입니다. 이 레이저의 크기는 보통 수백 마이크론 또는 수십 마이크론에 불과하며, 직경은 나노미터 수준입니다. 나노레이저는 미래의 박막 디스플레이, 집적 광학 및 기타 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
나노레이저의 분류:
1. 나노와이어 레이저
2001년, 미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 연구진은 사람 머리카락 굵기의 1/1000에 불과한 나노 광선 위에 세계에서 가장 작은 레이저인 나노레이저를 개발했습니다. 이 레이저는 자외선뿐만 아니라 청색에서 심자외선에 이르는 다양한 파장의 레이저를 방출하도록 조절할 수 있습니다. 연구진은 방향성 착생(oriented epiphytation)이라는 표준 기술을 사용하여 순수 산화아연 결정으로 레이저를 제작했습니다. 먼저, 금 기판 위에 직경 20~150nm, 길이 10,000nm의 순수 산화아연 나노선을 "배양"했습니다. 그런 다음, 온실 환경에서 다른 레이저로 나노선 내의 순수 산화아연 결정을 활성화시키자, 17nm의 파장을 가진 레이저가 방출되었습니다. 이러한 나노레이저는 향후 화학 물질 식별, 컴퓨터 디스크 및 광자 컴퓨터의 정보 저장 용량 향상 등에 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
2. 자외선 나노레이저
마이크로 레이저, 마이크로 디스크 레이저, 마이크로 링 레이저, 양자 눈사태 레이저의 등장에 이어, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 화학자 양페이둥(Yang Peidong) 연구팀은 상온 나노 레이저를 개발했습니다. 이 산화아연(ZnO) 나노 레이저는 빛 여기 시 0.3nm 미만의 선폭과 385nm의 파장을 가진 레이저를 방출할 수 있으며, 이는 세계에서 가장 작은 레이저이자 나노 기술을 이용해 제작된 최초의 실용적인 장치 중 하나로 여겨집니다. 개발 초기 단계에서 연구팀은 이 ZnO 나노 레이저가 제조 용이성, 높은 밝기, 소형화, 그리고 GaN 청색 레이저와 동등하거나 그 이상의 성능을 가질 것으로 예측했습니다. 고밀도 나노와이어 어레이 제작이 가능하기 때문에 ZnO 나노 레이저는 현재의 GaAs 소자로는 불가능한 다양한 응용 분야에 적용될 수 있습니다. 이러한 레이저를 성장시키기 위해 ZnO 나노와이어는 에피택시 결정 성장을 촉진하는 기체 수송법을 이용하여 합성됩니다. 먼저 사파이어 기판에 1nm~3.5nm 두께의 금 박막을 코팅한 후, 알루미나 보트에 넣고 암모니아 기류 하에서 880°C~905°C로 가열하여 아연 증기를 발생시킨 다음, 이 아연 증기를 기판으로 이송시켰다. 2분~10분의 성장 과정을 통해 육각형 단면을 가진 2μm~10μm 크기의 나노와이어가 생성되었다. 연구진은 ZnO 나노와이어가 직경 20nm~150nm의 자연 레이저 공진기를 형성하며, 그 직경의 대부분(95%)이 70nm~100nm임을 발견했다. 나노와이어의 유도 방출을 연구하기 위해 연구진은 온실 내에서 Nd:YAG 레이저(파장 266nm, 펄스 폭 3ns)의 4차 고조파 출력으로 시료에 광 여기를 가했다. 방출 스펙트럼의 변화 과정에서, 펌프 전력이 증가함에 따라 빛의 강도가 증가하는 것을 관찰했다. ZnO 나노와이어의 임계 출력(약 40kW/cm²)을 초과하면 발광 스펙트럼에서 가장 높은 지점이 나타납니다. 이 최고점의 선폭은 0.3nm 미만으로, 임계 출력 이하의 발광 정점에서의 선폭보다 1/50 이상 작습니다. 이러한 좁은 선폭과 발광 강도의 급격한 증가는 연구자들이 나노와이어에서 유도 방출이 실제로 발생한다는 결론을 내리게 했습니다. 따라서 이 나노와이어 어레이는 자연적인 공진기 역할을 하여 이상적인 마이크로 레이저 소스가 될 수 있습니다. 연구자들은 이 단파장 나노레이저가 광 컴퓨팅, 정보 저장 및 나노 분석기 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.
3. 양자 우물 레이저
2010년 이전과 이후에 반도체 칩에 새겨진 선폭이 100nm 이하로 줄어들면서 회로 내 전자의 움직임이 매우 제한적이게 되었고, 전자 하나의 증감에 따른 변화가 회로 동작에 큰 영향을 미치게 되었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양자 우물 레이저가 탄생했습니다. 양자 역학에서 전자의 움직임을 제한하고 양자화하는 전위장을 양자 우물이라고 합니다. 이 양자적 제약을 이용하여 반도체 레이저의 활성층에 양자 에너지 준위를 형성함으로써, 에너지 준위 간의 전자 전이가 레이저의 여기 복사를 지배하게 되는데, 이것이 바로 양자 우물 레이저입니다. 양자 우물 레이저에는 양자선 레이저와 양자점 레이저 두 가지 유형이 있습니다.
① 양자선 레이저
과학자들이 기존 레이저보다 1,000배 강력한 양자선 레이저를 개발하여 컴퓨터와 통신 기기의 속도를 획기적으로 향상시켰습니다. 이 레이저는 예일대학교, 뉴저지 루슨트 테크놀로지스 벨 연구소, 독일 드레스덴 막스 플랑크 물리학 연구소의 과학자들이 공동 개발했습니다. 이처럼 고출력 레이저는 통신 회선을 따라 80km(50마일)마다 설치되는 고가의 중계기(리피터)의 필요성을 줄여줄 것으로 기대됩니다. 중계기는 광섬유를 통과하는 동안 레이저 펄스의 강도를 약화시키는 역할을 합니다.
게시 시간: 2023년 6월 15일