고급 PCSEL이 군용 레이저를 훨씬 강력하게 만들 수 있다

일리노이 그레인저 엔지니어링 팀은 밝기가 더 높고 빔이 더 집중된 새로운 레이저 설계를 소개했습니다. 고급 PCSEL은 서브마이크론 매몰 유전체 실리콘 이산화물을 통합하여 빔을 더 오래 유지할 수 있게 하며, 첨단 에너지 무기, LiDAR 시스템 및 우주 통신을 위한 길을 열어줍니다. 레이저가 어떻게 큰 업그레이드를 맞이할지 살펴보겠습니다.

레이저 기술은 레이저 기반 장치에 대한 수요 증가에 맞춰 지속적으로 진화하고 있습니다. 오늘날 전기차와 같은 제품은 LiDAR를 통해 레이저를 사용해 내비게이션을 수행합니다. 또한 산업 제조업체들은 스캔, 용접, 에칭 등 다양한 작업에 레이저를 활용하고 있습니다. 이처럼 레이저 기술은 일상 생활의 중요한 요소가 되었습니다.

VCSELs

이러한 고급 응용 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 레이저는 수직 공동면 방출 레이저(VCSEL)입니다. VCSEL은 다이오드에 단일 레이저 공진기를 가지고 있어 칩 표면에 수직으로 빔을 방출합니다.

이 유형의 레이저는 짧은 거리에서 이상적이며, 레이저 프린팅, 바코드 스캔, 그리고 스마트폰에 탑재된 짧은 거리 LiDAR와 같은 작업에 적합합니다. VCSEL의 장점은 저렴하고 검증된 설계라는 점입니다.

하지만 VCSEL은 보다 고급 응용 분야에서는 한계가 있습니다. 이 레이저는 출력과 거리 측면에서 제한적이어서 고급 미사일 방어나 우주 통신과 같은 옵션을 논할 때는 구식이 됩니다.

PCSELs

과학자들은 오래전부터 더 강력한 대안이 필요하다는 것을 알고 있었습니다. 2020년에 포토닉 크리스탈 표면 방출 레이저(PCSEL)의 도입으로 레이저 기반 장치의 새로운 세대가 열렸습니다. 이 유형의 레이저는 포토닉 크리스탈을 통해 표면에서 직접 빛을 방출합니다.

포토닉 크리스탈은 파장보다 작은 주기적 구조로 주변 전자기파를 변형시킬 수 있습니다. 이전 레이저와 달리, 이들은 2차원 포토닉 크리스탈 설계를 사용해 빛을 회절 및 결합합니다.

그 후, 새로 형성된 2차원 정재파가 증폭 물질을 통과하면서 출력이 증폭됩니다. 이 전략은 레이저 입력 전력을 증폭하는 대신 이득을 증폭하여 빔의 밝기를 높일 수 있게 합니다. 결과적으로, 엔지니어들은 단일 레이징 모드를 유지할 수 있게 되었습니다.

PCSEL의 문제점

특히, 몇몇 제한 사항으로 인해 PCSEL이 현대 군사 요구에 맞게 확장되는 데 어려움이 있었습니다. 첫째, 이 레이저는 열 축적을 방지하기 위해 공기 구멍을 사용해 제작됩니다. 엔지니어들이 더 강력한 사용 사례를 위해 장치를 확대하려 할 때, 반도체 원자들이 이 구멍을 메우기 시작해 포토닉 크리스탈 구조가 변형되는 것을 발견했습니다.

매몰 유전체 PCSELs: 획기적인 연구

일리노이 대학교 어배너-샴페인 그레인저 공대 엔지니어들은 최근 이러한 문제를 완화하는 방법을 공개했습니다. 그들의 논문¹, 제목이 “Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers“은 서브마이크론 매몰 유전체(SiO2) 삼각형을 포토닉 크리스탈의 저굴절률 구성 요소로 통합하는 새로운 접근법을 보여줍니다.

출처 – IEEE Photonics Journal

엔지니어들은 기존의 공기 틈을 고체 유전체 물질로 채우는 것으로 시작했습니다. 이 접근법은 포토닉 크리스탈이 재성장 중 변형되지 않도록 보장했습니다. 새로운 설계는 장치가 열을 더 빠르게 방출하도록 하여 효율성과 내구성을 향상시켰습니다.

보고서에 따르면, 엔지니어들은 포토닉 크리스탈을 완전히 캡슐화했습니다. 구체적으로, 유전체 삼각형의 변 길이는 200~260nm로 설정되었습니다. 또한 실리콘 이산화물을 사용함으로써 크리스탈이 유전체 주변에서 성장하도록 하여 뛰어난 지지와 향상된 성능을 제공했습니다.

매몰 유전체 PCSEL 테스트

이론을 검증하기 위해 엔지니어들은 매몰 유전체 PCSEL을 제작하고 여러 포토펌핑 실험에 투입했습니다. 구체적으로, 팀은 액체 질소 냉각 InGaAs 선형 어레이 분광계와 InGaAs SWIR 카메라에 장착된 롱패스 필터를 사용해 레이징 스펙트럼과 필드 패턴을 모니터링했습니다.

팀은 또한 렌즈와 PCSEL 사이에 정렬된 디크로익 필터를 배치해 원거리 이미지 패턴을 모니터링했습니다. 이 방법은 1.5µm 빛을 샘플에서 65mm 떨어진 스크린에 투사했습니다. 이러한 테스트는 흥미로운 결과를 보여주었습니다.

결과: 고급 PCSEL 성능

새로운 레이저 설계는 이전 모델보다 높은 출력과 신뢰성을 보여주었습니다. 또한 지속적이고 과도한 사용 상황에서도 열 전도에 대한 저항성을 나타냈습니다. 더욱 흥미로운 점은 레이저가 실온에서도 인체에 안전한 파장에서 발사될 수 있다는 것입니다.

고급 PCSEL의 장점

업그레이드된 PCSEL이 시장에 제공하는 이점은 많습니다. 첫째, 보다 일관되고 장시간 투사되는 레이저의 길을 열어줍니다. 이러한 장치는 전력 소모가 훨씬 적으며 지속적인 작동 중에도 더 낮은 온도를 유지할 수 있습니다.

향상된 신뢰성

또 다른 이점은 장기적인 신뢰성입니다. 이전 PCSEL 버전은 시간이 지남에 따라 빔을 형성하는 크리스탈이 원자 간섭으로 손상되어 성능이 저하되었습니다. 최신 접근법은 이 문제를 제거하여 장치 수명이 크게 연장되었습니다.

증가된 전력 능력

PCSEL의 주요 장점은 훨씬 더 높은 전력을 처리할 수 있다는 점입니다. 이 능력은 차세대 지향성 에너지 무기에 이상적입니다. 이러한 시스템은 무한에 가까운 탄약(전원만 충분하면) 등 여러 이유로 미래 군사 하드웨어의 핵심으로 여겨집니다.

PCSEL의 실제 적용 사례

신뢰성 높고 고출력 레이저의 적용 분야는 매우 다양합니다. 이 장치는 드론, 전기차, 심지어 우주선까지 다양한 분야에 활용될 것입니다. 이미 많은 전문가들이 이 기술을 미래 군사 하드웨어 설계에 필수적이라고 보고 있습니다.

차세대 LiDAR 시스템

LiDAR는 사람들의 상호작용과 세계 인식을 변화시키고 있습니다. 이미 고출력 LiDAR는 정글 깊은 곳이나 해저와 같은 미지의 지역을 매핑하는 데 활용되고 있습니다. 레이저 출력이 증가함에 따라 이러한 시스템은 더욱 견고하고 강력해질 것입니다.

고급 레이저 무기 시스템

군은 이 기술을 활용해 적 미사일 및 차량을 격파할 수 있는 레이저를 개발하고자 합니다. 이러한 무기는 수십 년간 테스트되어 왔으며, 최근에야 차량에 통합되는 단계에 이르렀습니다. 아직 시험 단계이지만, 레이저 기반 무기는 언젠가 미래 전장을 지배할 것입니다.

PCSEL 채택 일정

이 기술이 민간에 보급되기까지는 또 20년 정도 걸릴 수 있습니다. 설계 확대와 안전성 확보를 위한 연구가 여전히 많이 필요합니다. 민간은 기다려야 하지만, 이 기술은 다음 10년 안에 군사적으로 활용될 가능성이 높습니다.

PCSEL 연구팀 소개

일리노이 대학교 어배너-샴페인 그레인저 공대가 PCSEL 연구를 주도했습니다. 특히 켄트 초케트가 연구의 주 저자로 등재되었습니다. 그는 민주 라리 리 그룹 구성원들의 강력한 지원을 받았습니다. 주목할 점은 전체 프로젝트가 공군 연구소(Air Force Research Laboratory)로부터 자금 및 지원을 받았다는 것입니다.

고급 PCSEL의 미래 전망

엔지니어들은 현재 설계를 개선할 예정입니다. 장치를 더욱 신뢰성 있게 만들고, 크기를 줄이면서 전력을 확대할 계획입니다. 또한, 제조 공정을 가속화하기 위해 지속 가능한 제작 프로세스를 구축하려고 합니다.

레이저 산업에 투자하기

레이저 산업에는 몇몇 선두 기업이 있습니다. 이들 기업은 고급 레이저에 대한 수요가 증가함에 따라 수익이 지속적으로 성장하고 있습니다. 다음은 레이저 분야에서 여전히 강력한 존재감을 유지하며 기술의 주요 업그레이드에서 혜택을 받을 수 있는 기업입니다.

Laser Photonics Corp

Laser Photonics Corp (LASE )는 2019년에 시장에 진입했으며 플로리다주 올랜도에 본사를 두고 있습니다. 그 이후로 이 회사는 고출력 및 산업용 레이저 생산에 특화되었습니다. 현재 산업 고객에게 표준 및 맞춤형 레이저 솔루션을 혼합하여 제공하고 있습니다.

이 회사는 신뢰할 수 있는 레이저 청소 시스템, 절단 옵션 및 마감 장비 덕분에 품질에 대한 신뢰를 확보했습니다. 이러한 인기 장비는 Laser Photonics가 신뢰성 있고 효과적인 레이저 솔루션을 제공하려는 의지를 보여줍니다. 빠르게 성장하는 레이저 제조 부문에 투자하고자 하는 사람들은 Laser Photonics Corp에 대해 더 많은 연구를 해야 합니다.

최신 Laser Photonics Corp (LASE) 주식 뉴스 및 개발

Advanced PCSELs | 결론

고급 PCSEL은 기술의 새로운 시대를 열 것입니다. 이미 과학자들은 차세대 레이저 추진 시스템과 통신 네트워크를 연구하고 있습니다. 보다 신뢰성 높고 눈에 안전한 레이저가 도입되면 이러한 노력은 더욱 가속화되어 혁신이 촉진될 것입니다. 현재 아직 해야 할 일이 많지만, 이 혁신적인 엔지니어 팀은 미래 연구를 위한 탄탄한 기반을 마련했습니다.

다른 멋진 혁신에 대해 알아보세요 여기.

참고 연구:

^{1. Choquette, K. D., Lee, M. L., Ozden, S., Guo, Z., Xu, S., & Park, J. S. (2024). Photopumped buried dielectric photonic-crystal surface-emitting lasers. IEEE Photonics Journal, 16(3), 1–8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2024.10965337}