Fraunhofer CAP: 국소적인 중력 기울기 감지를 위한 고성능의 소형 테이퍼형 증폭기

과제

싱크홀 찾기, 낡은 수송관 찾아내기, 유전 감소 측량 등의 응용 분야에서 고감도로 국소적인 중력 기울기를 측정할 수 있는 실용적이고 경제적인 도구가 보편적으로 필요합니다. 현재, Fraunhofer Center for Applied Photonics(영국 글래스고 소재)의 양자 기술 사업부 연구원들은 산업 파트너인 Alter Technology TÜV Nord UK Ltd와 협업하여 원자 간섭계를 휴대용 솔루션으로 사용하는 것을 목표로 하고 있습니다.

Loyd Loyd McKnight(양자 기술 사업부의 책임자)는 "휴대용 시스템을 만드는 방법을 시연하는 데 원자 간섭계용 레이저 시스템에 대한 우리의 전문성을 적용하고 싶습니다."라고 설명합니다. 원자 간섭계에서는 레이저 냉각을 사용한 진공 용기에서 초저온 원자(예: 루비듐)의 작은 구름이 생성됩니다. 이러한 원자는 국소적인 중력의 영향을 받기 때문에 초안정 레이저로 이 원자의 상태를 처리하여 파동과 같은 동작을 이용해 민감한 측정을 수행할 수 있습니다. McKnight는 "실험실에서 수행 가능한 이러한 확립된 기법을 실제의 현장 계기에 적용하는 것은 엄청난 도전 과제입니다."라고 덧붙입니다. 아울러, 원자 간섭계를 작동하려면 와트 단위 전력, 좁고 안정적인 선폭, 낮은 진폭 및 위상 잡음을 가진 매우 잘 작동하는 레이저 빔이 필요하다고 지적합니다. 이러한 레이저는 복잡하고 가격이 비싸며 부피가 크기 때문에 휴대용의 경제적인 중력 센서에 사용하기에 이상적인 구성 요소로 고려되지 않습니다!

솔루션

통신 응용 분야에서 널리 사용되고 있고 작은 패키지에서 저잡음 출력을 전달할 수 있는 분산 피드백(DFB) 장치라고 하는 특수 다이오드 레이저가 있습니다. 이러한 레이저를 통해 능동적이고 저렴하게 안정화할 수 있습니다. 이 경우에는 루비듐 증기의 저가 셀에 출력을 "고정"하여 수행할 수 있습니다. 하지만 DFB는 수십 밀리와트에 불과한 전력을 가지고 있기 때문에 이러한 응용 분야에 필요한 전력으로는 불충분합니다.

다행히 Fraunhofer CAP 팀은 Coherent의 테이퍼형 증폭기 칩의 형태로 완벽한 솔루션을 찾아냈습니다. 이 장치는 더 큰 칩의 높은 전력으로 작은 칩의 고품질 광학 성능을 제공하는 전혀 새로운 칩 설계를 사용합니다. "이제 기존의 마스터 발진기 전력 증폭기(MOPA) 설비에서 이러한 테이퍼형 장치 중 하나를 DFB와 결합하여 중력 센서에서 필요로 하는 레이저 빔 성능을 얻을 수 있습니다. 이와 같은 테이퍼형 칩은 고품질 증폭을 제공하기 때문에 최종 MOPA 출력은 필요한 와트 단위 전력을 제공하면서 우수한 빔 품질 및 좁은 선폭을 포함한 안정화된 DFB 발진기의 모든 광학 특성을 유지합니다. 그리고 2개의 작은 다이오드 칩으로 구성된 고성능 레이저를 사용하는 경우 전력 소비가 낮은 소형 휴대용 장치에 이상적입니다."라고 McKnight가 설명합니다.

결과

이 팀은 제안된 중력 센서의 요구 사항을 충족하는 이러한 레이저 설비로 1Hz를 초과하는 반복률을 가진 3×10⁸ 루비듐 원자를 성공적으로 냉각하고 트래핑했습니다. 이제는 시스템의 크기, 무게 및 전력을 더욱 줄이기 위한 노력을 기울이고 있습니다. McKnight는 다음과 같이 언급하면서 마무리합니다. "이 동일한 레이저 기반 양자 엔진은 예를 들어 항공기 및 잠수함에서 관성 지리 위치 감지에 사용할 수 있으며 파이버 자이로보다 뛰어난 장기적인 절대 정확도를 제공합니다. 우리는 현장에서 이 기술을 시연하기 위해 공동 연구자들과 협력하고 있습니다."

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