20펨토초 미만의 가시광선조절 가능한 펄스 레이저 소스
최근 영국 연구팀은 메가와트급 출력의 20펨토초 미만 가시광선 광량 조절 장치를 개발하는 데 성공했다는 혁신적인 연구 결과를 발표했습니다.펄스 레이저 소스이 펄스 레이저 광원은 초고속입니다.파이버 레이저이 시스템은 파장 조절이 가능하고, 지속 시간이 매우 짧으며, 에너지가 최대 39나노줄에 달하고, 피크 출력이 2메가와트를 초과하는 펄스를 생성할 수 있어 초고속 분광학, 생물학적 영상, 산업 공정 등과 같은 분야에 완전히 새로운 응용 가능성을 열어줍니다.
이 기술의 핵심은 "이득 관리 비선형 증폭(GMNA)"과 "공진 분산파(RDW) 방출"이라는 두 가지 최첨단 방식을 결합한 데 있습니다. 과거에는 이러한 고성능 가변 초단펄스를 얻기 위해 값비싸고 복잡한 티타늄-사파이어 레이저나 광 파라메트릭 증폭기가 필요했습니다. 이러한 장치들은 비용이 많이 들고 부피가 크며 유지보수가 어려울 뿐만 아니라 반복률과 튜닝 범위가 제한적이라는 단점도 있었습니다. 이번에 개발된 올파이버 솔루션은 시스템 아키텍처를 크게 단순화했을 뿐만 아니라 비용과 복잡성도 대폭 줄였습니다. 이 솔루션을 통해 400~700나노미터까지 튜닝 가능한 20펨토초 미만의 초단펄스를 4.8MHz의 높은 반복률로 직접 생성할 수 있습니다. 연구팀은 정밀하게 설계된 시스템 아키텍처를 통해 이러한 획기적인 성과를 달성했습니다. 먼저, 연구팀은 비선형 증폭 링 미러(NALM) 기반의 완전 편광 보존 모드 고정 이터븀 광섬유 발진기를 시드 소스로 사용했습니다. 이 설계는 시스템의 장기적인 안정성을 보장할 뿐만 아니라 물리적으로 포화된 흡수체의 성능 저하 문제도 방지합니다. 시드 펄스는 사전 증폭 및 펄스 압축 과정을 거쳐 GMNA 단계로 입력됩니다. GMNA는 광섬유 내의 자체 위상 변조와 종방향 비대칭 이득 분포를 이용하여 스펙트럼 확장을 달성하고 거의 완벽한 선형 처프를 갖는 초단펄스를 생성하며, 이 펄스는 회절 격자 쌍을 통해 최종적으로 40펨토초 미만으로 압축됩니다. 분산파(RDW) 생성 단계에서는 연구팀이 자체 설계 및 제작한 9개 공진기를 갖는 반공진 중공 코어 광섬유를 사용했습니다. 이러한 광섬유는 펌프 펄스 대역과 가시광선 영역에서 손실이 매우 낮아 펌프 에너지를 분산파로 효율적으로 변환하고 손실이 큰 공진 대역으로 인한 간섭을 방지합니다. 최적 조건에서 이 시스템은 분산파 펄스 에너지 출력에 최대 39나노줄, 최단 펄스 폭에 13펨토초, 최대 피크 전력에 2.2메가와트, 에너지 변환 효율에 13%를 달성할 수 있습니다. 더욱 고무적인 점은 가스 압력과 광섬유 매개변수를 조정함으로써 자외선 및 적외선 대역까지 시스템을 쉽게 확장하여 심자외선에서 적외선까지 광대역 튜닝이 가능하다는 것입니다.
본 연구는 광자학의 기초 분야에서 중요한 의미를 가질 뿐만 아니라 산업 및 응용 분야에도 새로운 가능성을 열어줍니다. 예를 들어, 다광자 현미경 이미징, 초고속 시간 분해 분광학, 재료 가공, 정밀 의학, 초고속 비선형 광학 연구와 같은 분야에서 이 소형, 고효율, 저비용의 새로운 초고속 광원은 사용자에게 전례 없는 도구와 유연성을 제공할 것입니다. 특히 높은 반복률, 최대 출력, 초단펄스가 요구되는 시나리오에서 이 기술은 기존의 티타늄-사파이어 또는 광 파라메트릭 증폭 시스템에 비해 훨씬 경쟁력이 뛰어나며 보급 잠재력 또한 매우 높습니다.
향후 연구팀은 시스템의 소형화 및 집적화를 위해 현재의 다중 자유 공간 광학 소자 구조를 광섬유에 통합하거나, 현재의 발진기 및 증폭기 조합을 단일 마미셰프 발진기로 대체하는 등 시스템을 더욱 최적화할 계획입니다. 또한, 다양한 종류의 반공진 광섬유에 적용하고, 라만 활성 가스 및 주파수 배가 모듈을 도입함으로써 이 시스템의 대역폭을 확장하여 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 분야에 적용 가능한 광대역 초고속 레이저 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 기대됩니다.
그림 1. 펄스 레이저 튜닝의 개략도
게시 시간: 2025년 5월 28일