고급 PCSEL로 군사용 레이저가 훨씬 더 강력해질 수 있다

일리노이 그레인저 엔지니어링(Illinois Grainger Engineering)의 한 팀이 더 높은 밝기와 더욱 집중된 빔을 제공하는 새로운 유형의 레이저 설계를 선보였습니다. 이 첨단 PCSEL은 서브마이크론 두께의 매립형 유전체 이산화규소를 통합하여 빔을 더 오래 유지함으로써 첨단 에너지 무기, LiDAR 시스템, 그리고 우주 통신 분야의 새로운 지평을 열었습니다. 레이저가 어떻게 대대적으로 업그레이드될지 살펴보겠습니다.

레이저 기술은 레이저 구동 장치에 대한 수요 증가에 따라 끊임없이 발전하고 있습니다. 오늘날 전기차와 같은 기기는 LiDAR를 통해 길을 찾는 데 레이저를 사용합니다. 또한, 산업 제조업체는 스캐닝부터 용접, 에칭까지 모든 작업에 레이저를 활용합니다. 이처럼 레이저 기술은 일상생활에 필수적인 요소가 되었습니다.

VCSEL

이러한 고급 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 레이저 유형은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)입니다. VCSEL은 다이오드에 모놀리식 레이저 공진기를 내장하여 칩에서 표면에 수직으로 투사되는 빔을 생성합니다.

이 레이저는 단거리 작업에 적합하여 레이저 인쇄, 바코드 스캐닝, 심지어 스마트폰에 탑재된 단거리 LiDAR와 같은 작업에도 적합합니다. VCSEL의 장점은 가격이 저렴하고 설계가 검증되었다는 것입니다.

그러나 VCSEL은 고급 응용 분야에서는 부족합니다. VCSEL 레이저는 출력과 거리 성능이 제한적이어서 첨단 미사일 방어나 우주 통신 분야에서는 더 이상 사용되지 않습니다.

PCSEL

과학자들은 더 강력한 대안이 필요하다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다. 2020년, 광결정 표면 방출 레이저(PCSEL)의 등장으로 레이저 구동 장치의 새로운 시대가 열렸습니다. 이 레이저는 광결정을 통해 표면에서 직접 빛을 방출합니다.

광자 결정은 파장 이하의 주기적 구조로, 주변의 전자기파를 변화시킬 수 있습니다. 이전 구조와는 달리, 광자 결정은 2차원 광자 결정 구조를 이용하여 빛을 회절시키고 결합시킵니다.

여기서 새롭게 형성된 2차원 정상파는 이득 물질을 통과하면서 출력이 증폭됩니다. 이 전략을 통해 엔지니어는 레이저 출력 입력 대신 이득을 증폭하여 빔의 밝기를 높일 수 있습니다. 결과적으로, 이 전략을 통해 엔지니어는 단일 레이저 모드를 유지할 수 있었습니다.

PCSEL의 문제

특히, 몇 가지 제약으로 인해 PCSEL이 현대 군사 요건에 맞춰 확장하는 데 제약이 있었습니다. 첫째, 이 레이저는 공기 구멍을 사용하여 제작되는데, 이는 장치의 열 축적을 방지하는 데 도움이 됩니다. 엔지니어들이 더 강력한 사용 사례 시나리오에 맞춰 이 장치를 확장하려고 시도하면서, 반도체 원자가 이 구멍을 채우기 시작하여 광결정 구조가 변형되는 것을 발견했습니다.

매립형 유전체 PCSEL: 획기적인 연구

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스 그레인저 공과대학의 엔지니어들은 최근 이러한 문제를 완화하는 방법을 발표했습니다. 그들의 논문은¹, 제목이 '광펌핑 매립 유전체 광자결정 표면 방출 레이저”는 광자 결정의 저굴절률 구성 요소로 서브 마이크론 매립 유전체(SiO2) 삼각형을 통합하는 새로운 접근 방식을 보여줍니다.

출처 - IEEE 포토닉스 저널

엔지니어들은 일반적인 공기 틈을 고체 유전체로 채우는 것으로 시작했습니다. 이 접근 방식은 광결정이 재성장 과정에서 변형되지 않도록 보장했습니다. 새로운 설계 덕분에 소자의 열 발산 속도가 빨라져 효율과 내구성이 향상되었습니다.

보고서에 따르면, 엔지니어들은 광자 결정을 완전히 캡슐화했습니다. 구체적으로, 유전체 삼각형의 변의 길이는 200nm에서 260nm로 설정되었습니다. 또한, 이산화규소를 사용하여 결정이 유전체 물질 주위에서 성장할 수 있도록 하여 우수한 지지력과 향상된 성능을 제공했습니다.

매립형 유전체 PCSEL 테스트

이론을 검증하기 위해 엔지니어들은 매립형 유전체 PCSEL을 제작하고 여러 광펌핑 실험을 수행했습니다. 구체적으로, 연구팀은 액체 질소 냉각식 InGaAs 선형 배열 분광기의 장파장 통과 필터와 InGaAs SWIR 카메라를 사용하여 레이저 스펙트럼과 필드 패턴을 모니터링했습니다.

연구팀은 또한 렌즈와 PCSEL 사이에 정렬된 이색성 필터를 사용하여 원거리 이미지 패턴을 모니터링했습니다. 이 접근법은 샘플에서 1.5mm 떨어진 스크린에 65um의 빛을 투사했습니다. 이 실험은 몇 가지 흥미로운 결과를 보여주었습니다.

결과: 고급 PCSEL 성능

새로운 레이저 설계는 이전 제품보다 더 강력한 출력과 신뢰성을 보여주었습니다. 또한, 지속적으로 과다 사용하더라도 열전도율에 대한 저항성을 보였습니다. 더욱 흥미로운 점은 이 레이저가 실온에서 사람의 눈에 안전한 파장으로 발사될 수 있다는 것입니다.

고급 PCSEL 혜택

업그레이드된 PCSEL은 시장에 많은 이점을 제공합니다. 첫째, 더욱 일관되고 긴 투사 거리를 가진 레이저를 사용할 수 있게 됩니다. 이 장치는 전력 소모량이 훨씬 적고, 지속적인 작동 중에도 온도를 낮게 유지할 수 있습니다.

신뢰성 향상

또 다른 장점은 장기적인 신뢰성입니다. 이전 버전의 PCSEL은 빔 형성을 돕는 결정이 원자 간섭으로 인해 열화되기 시작하면서 시간이 지남에 따라 성능이 저하되었습니다. 이 최신 방식은 이러한 문제를 해결하여 장치의 수명을 훨씬 더 늘렸습니다.

향상된 전력 성능

PCSEL의 주요 장점은 훨씬 더 많은 전력을 처리할 수 있다는 것입니다. 이러한 능력은 차세대 지향성 에너지 무기에 이상적입니다. 이러한 시스템은 여러 가지 이유로 군용 장비의 미래로 여겨지는데, 그중에는 전력 공급에 의해서만 제한되는 거의 무한한 탄약을 사용할 수 있다는 점이 있습니다.

PCSEL의 실제 응용 프로그램

더욱 안정적이고 고출력 레이저의 활용 분야는 무궁무진합니다. 이러한 장치는 드론부터 전기 자동차, 심지어 우주선까지 모든 분야에 적용될 것입니다. 이미 많은 사람들이 이 기술을 미래 군사용 하드웨어 설계에 필수적인 요소로 보고 있습니다.

차세대 LiDAR 시스템

LiDAR는 사람들이 세상을 바라보고 상호작용하는 방식을 변화시키고 있습니다. 이미 고출력 LiDAR는 정글이나 해저 깊은 곳의 미지의 지역을 지도화하는 데 도움을 주고 있습니다. 이러한 시스템은 사용하는 레이저의 출력이 증가함에 따라 더욱 강력하고 뛰어난 성능을 발휘할 것입니다.

첨단 레이저 무기 시스템

군은 이 기술을 활용하여 적의 미사일과 차량을 파괴할 수 있는 레이저를 개발하고자 합니다. 이 무기들은 수십 년 동안 시험을 거쳐 왔습니다. 하지만 최근에야 차량에 통합되기 시작했습니다. 아직 시험 단계에 있지만, 이 레이저 동력 무기는 언젠가 미래의 전장을 지배하게 될 것입니다.

PCSEL 채택 일정

이 기술이 민간에 도입되려면 20년은 더 걸릴 수 있습니다. 설계 규모를 확대하고 안전을 확보하기 위해서는 아직 많은 연구가 필요합니다. 민간에서는 기다려야 하지만, 이 기술은 아마도 향후 XNUMX년 안에 군사적으로 사용될 것입니다.

PCSEL 연구팀을 만나보세요

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 그레인저 공과대학이 PCSEL 연구를 주도했습니다. 특히 켄트 쇼켓(Kent Choquette)이 이 연구의 주 저자로 명시되어 있습니다. 그는 민주당 래리 리(Democratic Larry Lee) 그룹 구성원들의 강력한 지원을 받았습니다. 특히, 이 프로젝트 전체는 공군 연구소(Air Force Research Laboratory)의 자금 지원과 지원을 받았습니다.

고급 PCSEL의 미래 전망

엔지니어들은 현재 설계를 개선할 예정입니다. 장치의 신뢰성을 높이고, 폼팩터는 줄이면서 전력은 늘릴 계획입니다. 또한, 제조 공정을 가속화하기 위해 지속 가능한 제조 공정을 개발하는 데에도 힘쓸 것입니다.

레이저 산업에 투자

레이저 산업에는 몇몇 주요 경쟁사가 있습니다. 이러한 회사들은 첨단 레이저에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 수익이 지속적으로 증가하고 있습니다. 레이저 분야에서 여전히 주도적인 위치를 차지하고 있으며, 기술의 대대적인 업그레이드를 통해 수혜를 볼 수 있는 한 회사를 소개합니다.

레이저 포토닉스 주식회사

레이저 포토닉스 주식회사 (LASE ) 2019년 시장에 진출했으며 플로리다주 올랜도에 본사를 두고 있습니다. 그 이후로 고출력 및 산업용 레이저 생산을 전문으로 해왔습니다. 현재 산업 고객에게 표준 및 맞춤형 레이저 솔루션을 다양하게 제공하고 있습니다.

이 회사는 신뢰할 수 있는 레이저 세척 시스템, 절단 옵션, 그리고 마무리 장비 덕분에 품질 보증을 확보했습니다. 이러한 인기 장비들은 Laser Photonics가 안정적이고 효과적인 레이저 솔루션을 제공하겠다는 의지를 보여주는 좋은 사례입니다. 빠르게 변화하는 레이저 제조 분야에 진출하고자 하는 분들은 Laser Photonics Corp.에 대해 더 자세히 알아보시기 바랍니다.

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고급 PCSEL | 결론

첨단 PCSEL은 기술의 새로운 시대를 열 것입니다. 과학자들은 이미 차세대 레이저 추진 시스템과 통신 네트워크를 연구해 왔습니다. 더욱 안정적이고 눈에 안전한 레이저의 도입은 이러한 노력에 박차를 가하고 더 큰 혁신을 가져올 것입니다. 아직 해야 할 일이 많지만, 이 혁신적인 엔지니어 팀은 미래 연구를 위한 탄탄한 기반을 마련했습니다.

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참고 연구:

^{1. Choquette, KD, Lee, ML, Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, JS (2024). 광펌핑 매립 유전체 광자결정 표면 방출 레이저IEEE 광자학 저널, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}