정밀 혁신: 양자 물리학, 광학, 의학에 변화를 일으킬 티타늄-사파이어 칩 레이저

Seoul스탠퍼드 대학 연구진은 티타늄-사파이어 레이저의 새로운 버전을 개발했습니다. 이는 이전보다 작고 경제적입니다. 티타늄-사파이어 레이저는 뛰어난 성능으로 여러 분야에서 중요하지만, 큰 크기와 높은 비용 때문에 사용이 제한되었습니다. 새로운 칩 크기의 레이저는 더 작고 저렴하며 효율적이어서 이러한 문제를 해결합니다.

전통적인 티타늄-사파이어 레이저는 몇 가지 단점이 있습니다. 이 레이저는 부피가 커서 많은 공간을 차지하며, 비용도 매우 높아 수십만 달러에 달합니다. 또한, 작동을 위해 별도로 약 3만 달러의 비용이 드는 고출력 레이저가 필요합니다.

스탠포드는 이전의 Ti:sapphire 레이저들보다 훨씬 작고 저렴한 초소형 레이저를 개발했다. 이 새로운 레이저는 크기가 10,000배 더 작고 비용은 1,000배 더 저렴하다. Nature 저널에 게재된 연구의 수석 저자인 옐레나 부코비치는 이것이 완전히 새로운 접근 방식이라고 설명한다. 실험실에서는 이 비용 효율적인 레이저를 칩 하나에 수백 개나 포함시킬 수 있다.

티타늄:사파이어 레이저가 중요한 이유를 설명한 박사 과정 학생이자 공저자인 조슈아 양은 이러한 레이저가 넓은 증폭 대역폭을 가지고 있어 다양한 색상을 생성할 수 있다고 말했다. 이 레이저는 또한 매우 짧은 빛의 펄스를 생성하는데, 이는 매 1000조분의 1초마다 발생한다. 그러나 이러한 레이저는 고가이기 때문에 심지어 첨단 연구소에서도 몇 대밖에 보유하고 있지 않다.

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연구자들은 단일 웨이퍼에서 많은 수의 레이저를 생산할 수 있는 방법을 개발했습니다. 수천 개의 티타늄 사파이어 레이저가 작은 디스크에 적합해 효율성이 뛰어납니다. 양 교수는 칩의 이점을 강조했습니다. 가볍고 휴대가 용이하며 저렴하고 효율적이며 대량 생산이 용이하다는 것입니다. 이러한 발전은 티타늄 사파이어 레이저를 다양한 용도로 더 쉽게 사용할 수 있게 만듭니다.

연구진은 새로운 레이저를 만들기 위해 사파이어 결정위의 실리콘 이산화물 기판에 티타늄-사파이어 층을 배치하였습니다. 이들은 티타늄-사파이어 층을 아주 얇게 만들기 위해 연마하고 부식시켰습니다. 그 후, 빛을 유도하고 강하게 하는 도파관을 만들기 위해 이 층에 작은 돌기를 추가하였습니다. 미세한 히터를 사용하여 빛의 색을 조정함으로써 700에서 1,000나노미터의 범위로 변화시킬 수 있습니다.

새로운 레이저는 여러 분야에 영향을 미칠 수 있습니다. 양자 물리학에서는 더 작은 양자 컴퓨터를 만드는 데 도움이 됩니다. 신경과학에서는 작은 레이저를 사용하여 뉴런을 더 효과적으로 제어할 수 있는 미세 도구에 활용할 수 있습니다. 안과에서는 레이저 수술을 개선하고 눈 건강을 검사하는 더 저렴한 방법을 제공할 수 있습니다.

연구팀은 현재 소형 Ti:sapphire 레이저를 개선하고 대량 생산 방법을 모색하고 있습니다. 이 연구를 기반으로 곧 박사 학위를 받을 양씨는 이 기술을 상용화하고자 합니다. 그들은 비용을 크게 절감하기 위해 단일 4인치 웨이퍼에 수천 개의 레이저를 배치할 계획입니다.