질소와 아르곤 사이의 에너지 변환으로 가능한 오픈 에어 레이저

캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)와 막스 보른 연구소의 연구진이 질소와 아르곤을 사용해 레이저 광을 만드는 연구를 발표했다. 이 연구는 개방된 공기 중에서 레이저를 생성하려는 수십 년간의 연구를 토대로 하며, 언젠가는 센서와 로봇공학 등 여러 분야의 개선에 도움이 될 수 있다. 알아두어야 할 내용은 다음과 같다.

레이저 기술

수십 년간 레이저는 주로 두 거울 사이의 광학 공진기를 통과하도록 빛을 쏘는 방식으로 작동했다. 이 거울들은 빛이 서로를 향해 왕복 반사되도록 제작되고 각도가 조정된다. 이러한 반사 과정이 빛의 세기를 증폭하여 우리가 보는 집속된 광선을 만든다.

오픈 에어 레이저

레이저 연구 초기부터 공학자들은 증폭 공진기와 거울을 사용하지 않고 레이저 광을 생성하려고 노력해 왔다. 그중 일부는 개방된 공기 중에서 작동하는 레이저를 연구한다. 이 장치는 강한 빛에 의해 들뜬 입자들 사이의 상호작용을 이용해 레이저 광을 형성한다. 최근까지는 이 과학적 구상을 실현할 수 없었다. 그러나 이번 연구가 발표되면서 상황이 달라진 것으로 보인다.

질소-아르곤 오픈 에어 레이저 연구

이 연구는 질소와 아르곤 혼합물을 이용해 대기 중에서 공진기 없는 레이저 발진을 유도하는 방법을 다룬다. Physical Review Letters에 게재된 연구는 N₂와 Ar 사이에서 광자 매개 에너지 전달을 구현해 초형광 반응을 일으킨 개념과 작동 모델을 소개한다.

주변 공기에는 초형광 반응을 일으킬 수 있는 여러 성분이 있으므로 연구진은 다양한 개념을 살펴보았다. 반응에서 아르곤과 질소가 활성 성분임을 확인하려면 산소가 안정적으로 유지되는 환경에서 두 성분의 결합을 관찰해야 했다. 시험에서는 양방향 레이저 발진 효과 등 흥미로운 결과가 나타났으며, 이는 다양한 새로운 과학 실험의 길을 열었다.

오픈 에어 레이저 – 테스트

시험은 공학자들이 파장 261 nm의 펌프 레이저로 기체를 들뜨게 하는 것에서 시작했다. 목표는 아르곤 혼합물의 이온화율이 감소하는 이유를 더 깊이 이해하는 것이었다. 이 시험을 통해 연구진은 Ar에서 일어나는 파장 261 nm 광자의 공명 삼광자 흡수에 집중하게 되었다. 이 과정에서 양방향 레이저 발진 효과와 직접적인 상관관계를 발견했다.

이 양방향 연쇄 레이저 발진 효과는 변환 과정의 세부 사항을 기록하기 위해 다양한 매개변수를 사용해 시험되었다. 시험 결과 질소와 아르곤을 혼합하면 원하는 반응이 나타났지만, 다른 혼합물에서는 양방향 레이저 광 펄스가 발생하지 않았다. 자세히 살펴보니 Ar 원자가 파장 261 nm의 광자를 세 개 흡수하는 과정이 연쇄 초형광 방출을 유발한다는 사실이 드러났다. N2에서 Ar로 에너지를 전달하는 광자 매개 메커니즘이 가능하다는 점은 이전에 알려지지 않았으므로, 이는 중요한 발견이었다.

다음 단계는 주파수 시험이었다. 연구진은 여러 주파수를 살펴보다가, 약간 다른 주파수에서 공명하는 아르곤과 함께 파장 261 nm의 빛에 노출된 질소 분자가 전자적으로 들뜬 상태에서 비선형 삼광자 흡수를 보인다는 사실을 확인했다. 이후 이 데이터를 수집해 향후 실험을 모델링할 새로운 수식을 만드는 데 사용했다.

결과

이 연구는 레이저 분야를 바꿀 수 있는 유망한 결과를 보여준다. 연구진은 대기 중에서 양방향 연쇄 레이저 발진 효과를 구현하는 데 성공했다. 구체적으로 공진기가 없는 개방형 구성을 통해 두 색의 양방향 레이저 발진을 만들어 냈다.

연구에서는 예상치 못한 발견도 나왔다. 연구진은 혼합물에 포함된 산소의 양이 아르곤과 질소 분자의 상호작용에 영향을 준다는 점을 확인했다. 연구 결과 O2가 1% 포함된 혼합물이 공진기 없는 양방향 레이저 유사 방출에 이상적인 것으로 나타났다.

오픈 에어 레이저의 장점

이 기술은 시장에 여러 이점을 제공한다. 우선 기계 부품이 더 적은 레이저를 만들 수 있다. 개방형 공기 레이저를 생산하는 데에는 기술 및 제조 작업이 덜 필요하다. 이러한 비용 절감은 더 많은 활용 사례로 이어질 것이다.

안정성

오늘날 레이저에 사용되는 거울은 가장 큰 약점 중 하나다. 이러한 작은 부품은 기대하는 광선을 만들도록 완벽하게 보정하고 정렬해야 한다. 초기 보정 상태에서 조금만 벗어나도 장치를 사용할 수 없게 될 수 있다. 레이저가 대규모 상업 및 군사 용도로 확대되면서 가동 부품이 더 적은 레이저에 대한 수요가 커지고 있다. 질소-아르곤 레이저는 현명한 해결책이다.

경량

가벼운 아르곤과 질소를 사용하면 향후 레이저의 전체 무게를 줄이는 데 도움이 된다. 레이저는 이미 많은 미세 장치에 사용된다. 하지만 핵심 부품을 소형화하는 제조업체의 능력에 따라 적용 규모가 제한된다. 아르곤 기반 시스템은 훨씬 적은 공간을 차지하고 무게도 더 가벼울 것이다. 따라서 차세대 우주여행과 나노기술 등 여러 분야를 뒷받침할 수 있다.

잠재적 활용 분야

이 새로운 방식의 레이저 광은 활용 분야가 많다. LiDAR 시스템을 통한 모니터링과 스캐닝부터 암세포 표적화까지, 세계는 더 정확하고 쉽게 이용할 수 있는 레이저를 필요로 한다. 다음은 아르곤 기반 장치의 잠재적 활용 사례다.

원격 감지 기술

후방으로 진행하는 개방형 공기 레이저 발진 기술의 주요 용도는 원격 감지 개선이다. 이 장치는 가장 미약한 빛 입자가 질소-아르곤 혼합물과 상호작용할 때도 이를 감지할 수 있게 할 것이다. 따라서 더 민감한 태양광 패널과 안전 장비 등을 만드는 데 도움이 될 수 있다.

헬스케어

레이저는 수술 도구부터 뇌 영상 촬영까지 의료 분야에서 계속 활용되며 인류가 질병과 질환을 치료하는 방식을 바꾸고 있다. 아르곤-질소 혼합물을 사용하는 더 작고 단순한 레이저 장치는 나노로봇 치료를 비롯해 오늘날에는 공상과학처럼 보이는 다른 의료 선택지를 열어줄 수 있다.

군사적 활용

군은 지난 10년간 레이저 실험을 확대해 왔다. 군은 레이저를 목표물에 값비싼 유도미사일을 발사하는 것보다 저렴한 대안으로 본다. 작고 저렴한 드론이 사용되면서 대부분의 대규모 군대는 값비싼 미사일 시스템 대신 비용 면에서 맞설 수 있는 방공 수단을 급히 찾게 되었고, 이러한 우려는 더욱 커졌다.

이 연구는 사용에 필요한 에너지가 더 적으면서도 효과적이고 강력한 레이저를 만드는 데 활용될 수 있다. 미래에는 이러한 장치가 드론과 유도미사일 공격으로부터 군인과 민간인을 보호하는 데 도움이 될 수 있다. 또한 다가오는 위험을 경고해 사람들이 가족이나 소중한 이들과 함께 대피할 시간을 더 확보하게 해줄 수도 있다.

연구원

질소-아르곤 개방형 공기 레이저 연구는 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(UCLA)와 막스 보른 연구소의 연구진이 수행했다. 논문의 주저자는 Zan Nie다. 그는 공동저자인 Chan Joshi와 Misha Ivanov가 이끄는 팀의 도움을 받았다.

오픈 에어 레이저 연구로 혜택을 받을 수 있는 두 기업

많은 기업이 시장에 서비스를 제공하기 위해 레이저에 의존한다. 자동문을 여는 일부터 식료품을 스캔하는 일까지 레이저는 거의 모든 곳에 사용된다. 세상이 이 기술에 얼마나 의존하는지 잊기 쉽다. 다음은 시장에서 주요 입지를 차지하고 있으며 미래에 이 기술을 도입해 수익성을 높일 수 있는 몇몇 기업이다.

1. Heico Corporation

HEI 가격 차트

Heico Corporation (HEI ) (HEI-A )은 플로리다에 본사를 둔 항공우주 기술 제조업체로, 이번 기술적 발견을 도입해 큰 효과를 얻을 잠재력이 있다. 이 회사는 의료, 통신, 항공우주, 방위, 우주 및 전자 산업 등 다양한 분야에 제품을 제공한다. 따라서 잘 알려진 기업이며 투자자에게 견조한 보유 종목임을 입증해 왔다.

Heico Corporation은 플로리다에서 여러 산업에 공급하는 다양한 제품의 설계, 제조, 수리, 유통 및 판매를 포괄하는 대규모 제조 시설을 운영한다. 이 회사는 Capewell Aerial Systems의 Aerial Delivery 및 Descent Devices 사업부를 인수한 후 지속적으로 확장해 왔다. 이 조치로 Heico Corporation은 항공우주 시장의 주요 기업으로 자리매김했다.

워런 버핏의 투자회사 Berkshire Hathaway (BRK.A ) (BRK-B )를 비롯한 많은 투자자는 Heico Corporation이 크게 성장할 것으로 믿는다. HEI의 시가총액은 약 140억 달러이며 제품 수요가 늘어나면 상승할 것으로 예상된다.

2. Laser Photonics Corporation

LASE 가격 차트

Laser Photonics Corporation (LASE )은 플로리다에 본사를 두고 있으며 레이저 기술의 혁신 기업으로 알려져 있다. 이 회사는 레이저 세척 시스템, 방위 플랫폼, 안전 모니터링 부품 및 전문가용 레이저 절단 도구를 포함한 다양한 레이저 제품을 공급한다. Laser Photonics는 Fortune 500의 주요 기술 기업 목록에 자주 이름을 올리며 30년 넘게 사업을 이어 왔다. 또한 레이저 제품 공급을 위해 Fastenal Company (FAST )와 협력하는 등 전략적 파트너십을 맺어 왔다.

최신 개방형 공기 레이저 메커니즘은 향후 몇 달 안에 Laser Photonics Corp에 도움이 될 수 있다. 장치의 레이저 공진기를 보정하는 시간 소모적인 과정을 없애면 회사의 제조 공정이 더 효율적으로 바뀔 수 있다. 성공을 향한 노력과 지속적인 혁신을 고려하면 LASE는 어떤 포트폴리오에도 현명한 추가 종목이 될 수 있다.

오픈 에어 레이저는 시작에 불과합니다

이 연구는 아르곤과 질소를 통해 에너지를 변환하는 새로운 메커니즘을 밝혀냈으며, 양자 맥놀이 같은 다른 획기적인 기술의 길도 열었다. 따라서 많은 사람은 연구진이 그 성과에 대해 더 많은 인정을 받아야 한다고 생각한다. 현재 이 혁신적인 공학자들은 이러한 상호작용을 일으키는 복사 결합 과정의 세부 사항을 더 알아내기 위해 시험을 확대할 준비가 되어 있다.