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NIST와 메릴랜드 대학교(University of Maryland) 공동연구팀이 보이지 않는 근적외선 레이저 광을 적색, 주황색, 노란색 및 녹색을 포함한 가시적 레이저 색상 중 하나로 변환할 수 있는 마이크로 칩 기술을 개발했음. 그들의 연구는 통합 마이크로 칩에서 레이저 광을 생성하는 새로운 접근 방식을 제공함. 이 접근 방식은 부피가 큰 탁상용 레이저 또는 일련의 다른 반도체 재료를 요구하는 대신 단일 소규모 플랫폼을 사용하여 광범위한 파장에 액세스할 수 있음을 시사함. 이러한 레이저를 마이크로 칩에 구축하면 광학 클록 및 양자 통신 시스템에 필요한 소형 광학 회로와 레이저를 통합하는 저렴한 방법도 제공됨. 가장 정확한 실험 시계의 핵심과 양자 정보 과학을 위한 새로운 도구를 제공하는 원자 시스템은 일반적으로 공식 설정에 사용되는 훨씬 낮은 주파수의 마이크로파와 달리 고주파 가시(광학) 레이저 광에 의존함.

과학자들은 현재 실험실 밖에서 사용할 수 있도록 콤팩트하고 저전력에서 작동하는 원자 광학 시스템 기술을 개발하고 있음. 이러한 비전을 실현하려면 다양한 요소가 필요하지만, 한 가지 핵심 요소는 작고 가벼우며 저전력으로 작동하는 가시광선 레이저 시스템에 대한 액세스임. 연구자들은 통신에 사용되는 근적외선 파장에서 소형 고성능 레이저를 만드는 데 큰 진전을 보였지만 가시광 파장에서 동등한 성능을 달성하는 것은 어려웠음. 일부 과학자들은 반도체 재료를 사용하여 콤팩트한 가시광선 레이저를 생성함으로써 진전을 이루기도 하였음. 그러나 연구팀은 빛에 대해 뚜렷한 비선형 반응을 보이는 실리콘 질화물이라는 물질에 초점을 맞춘 다른 접근 방식을 채택했음. 실리콘 질화물과 같은 재료에는 특별한 특성이 있음. 들어오는 빛의 강도가 충분히 높으면 나가는 빛의 색이 들어오는 빛의 색과 반드시 ​​일치하지는 않음. 비선형 광학 재료에 결합된 전자가 고강도 입사광과 상호작용할 때 전자는 입사광과 다른 주파수 또는 색상으로 해당 빛을 재방사하기 때문임. (이 효과는 빛이 거울에서 반사되거나 렌즈를 통해 굴절되는 일상적인 경험과는 대조적으로, 이 경우 빛의 색상은 항상 동일하게 유지됨.) 연구팀은 비선형 물질이 근적외선의 입사광을 두 개의 다른 주파수로 변환하는 3차 광학 파라 메트릭 진동(OPO)이라는 프로세스를 사용했음. 주파수 중 하나는 입사광보다 높여 가시광 영역에 배치되고 다른 하나는 주파수가 낮추어 적외선으로 더 깊숙이 확장됨. 연구자들은 대형 탁상용 광학 기기에서 다양한 색상의 빛을 생성하기 위해 수년 동안 OPO를 사용해 왔지만, NIST가 주도한 새로운 연구는 이 효과를 적용하여 대량생산이 가능한 마이크로 칩에서 특정 가시광선 파장을 생성하는 최초의 연구임.

본 연구 성과는 ‘Optica’ ("On-chip optical parametric oscillation into the visible: generating red, orange, yellow, and green from a near-infrared pump") 지에 게재됨