중국 과학자들, 초박형 에너지 효율적인 광학 결정 개발

광학 크리스탈은 주파수 변환, 파라메트릭 증폭, 신호 변조 및 기타 기능을 실현할 수 있으며 레이저 기술의 "핵심"입니다. 수년간의 연구 끝에 북경 대학 팀은 새로운 광학 결정 이론을 창의적으로 제시하고 처음으로 경원소 재료인 질화붕소를 적용하여 준비했습니다.
광학 크리스탈은 주파수 변환, 파라메트릭 증폭, 신호 변조 및 기타 기능을 실현할 수 있으며 레이저 기술의 "핵심"입니다. 북경대학교 팀은 수년간의 연구 끝에 새로운 광학결정 이론을 창의적으로 제시하고, 가벼운 원소 물질인 질화붕소를 적용해 초박형 고효율 광학결정 '코너 마름모꼴 질화붕소'(TBN)를 제조했다. 이는 차세대 레이저 기술의 이론적, 물질적 기반을 마련한 최초의 사례입니다. 이번 연구 결과는 대표적인 물리학 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재됐다.
중국과학원 원사이자 북경대학 물리학과 교수인 왕은고는 신화통신과의 단독 인터뷰에서 이번 성과는 중국 광학결정 이론의 독창적인 돌파구일 뿐 아니라 새로운 분야를 개척한 것이라고 말했다. 가벼운 원소를 갖는 2차원 박막재료를 이용하여 광학결정을 제조하는 것뿐만 아니라, 현재까지 알려진 광학결정 중 가장 얇은 마이크로미터 두께의 TBN을 제조하며, 에너지 효율은 100~10,{{ 같은 두께의 기존 크리스털에 비해 4}}백만 배 더 높습니다. 에너지 효율은 동일한 두께의 기존 결정보다 100~10000배 더 높습니다.
위상은 광파의 파형 변화를 설명하는 측정 기준입니다. 결정체 내의 광파가 위상 일치되고 단계적으로 맞춰지면 이상적인 효율과 출력을 갖는 레이저가 출력될 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 전통적인 이론 모델과 재료 시스템의 한계로 인해 기존 결정은 레이저의 소형화, 고집적화 및 기능화에 대한 개발 요구를 충족하기가 어려웠습니다.
이를 위해 북경대학교 물리학대학 응집물질물리 및 재료물리연구소 소장이자 베이징 화이러우종합국가과학센터 경원소양자재료 교차 플랫폼 부소장인 Liu Kaihui 교수는 Wang Engo와 함께 연구팀을 이끌고 새로운 "코너 위상 매칭 이론"을 제안했습니다. 연구팀은 '빌딩 블록'과 같은 질화붕소 물질을 쌓은 다음 이를 특별한 각도로 '회전'시키면 서로 다른 광파의 위상이 수렴되어 고효율 광학 결정인 TBN을 형성할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
"결정에서 발생하는 레이저를 하나의 팀으로 간주한다면 '코너링' 방식을 사용하면 모든 구성원의 방향과 속도를 고도로 조율할 수 있어 레이저의 에너지 변환 효율을 높일 수 있습니다." Liu Kaihui는 TBN의 두께가 일반 A4 용지 두께의 30분의 1에 해당하는 1~10미크론에 불과한 반면, 현재 광학 결정의 두께는 대부분 밀리미터 또는 심지어 센티미터 정도라고 말했습니다.
"광결정은 레이저 기술 발전의 초석입니다." Wang Engo는 초박형 크기, 탁월한 통합성 및 새로운 기능을 갖춘 TBN이 미래에 양자 광원, 광자 칩 및 인공 지능과 같은 분야에서 새로운 응용 혁신을 실현할 것으로 기대한다고 말했습니다.