초강력 레이져가 일반 백열전구를 전력을 빨아들이는 장치로 바꿀 수 있다는 사실을 Rochester 대학의 광학연구자가 밝혔다. 이 레이져 기술은 100 와트의 전구의 밝기를 내는데 60와트의 전구를 밝히는데 필요한 전기보다 적은 양의 전기를 필요로 한다. 더구나 경제적으로 저렴하면서 형광 전구가 내는 빛보다 보기도 좋다. 이 연구성과는 Physical Review Letter지의 최근호에 소개될 예정이다.
이 레이져 기술은 일반 텅스텐 필라멘트 표면에서 나노 또는 마이크로 수준의 독특한 구조열들을 만든다. 이러한 구조들은 텅스텐을 빛을 내는데 훨씬 더 효율적으로 만든다.
"우리는 초고속 레이져가 금속을 바꾸는 방법에 대해서 실험해 왔습니다. 그리고 우리는 만약 필라멘ㅌ에 대한 레이져를 훈련시킬 수 있다면 어떨까 궁금해 했죠. 우리는 레이져 광선을 전구의 유리를 통해 발사했습니다. 그리고 필라멘트의 좁은 영역을 바꿨죠. 우리가 전구를 켰을 때 우린 이 좁은 영역이 필라멘트의 다른 영역들보다 확실히 더 밝은 것을 볼 수가 있었습니다. 하지만 전구에 쓰인 에너지의 변화는 없었죠." (Chunlei Guo, Rochester 대학 광학 교수)
초-필라멘트 (super-filament) 의 핵심은 펨토초 레이져 파 (pulse) 라 불리는 아주 짧으면서도 강력한 광선이다. 이 레이져의 발사는 1초의 1000조 (quadrillion)분의 1만큼만 존재한다. 이러한 속도를 이해하기 위해서는 펨토초가 2천3백 만년의 1초 정도라는 것을 생각해 보면 되겠다.
이러한 짧은 폭발 중에 Guo 의 레이져는 북미대륙의 전체 전력망에 맞먹는 에너지를 바늘 점만한 곳에 집중시킨다. 이러한 집중적인 폭발은 금속표면을 변화시켜서 필라멘트로부터 효율적으로 발광하게 할 수 있게 하는 나노 또는 마이크로 수준의 구조들을 만든다.
전구의 밝기만 증가시키는 것이 아니라 Guo 의 과정은 빛의 색상을 바꾸는
데에도 쓰일 수 있다. 2008년에 이 교수팀은 비슷한 과정을 통해 거의 어떤 금속이라도 흑색, 청색, 금색, 회색으로 바꿀 수 있었다. Guo 교수는 나노구조의 크기와 모양을 조절하는 지식을 이용해서 빛의 어떤 색깔이 흡수하고 발광할 것인지 정할 수 있었다. 텅스텐 필라멘트가 내는 빛의 각 파장의 양을 조절한 것이다. Guo 교수는 아직 완전한 청색을 발현하는 데에는 이르지 못했지만 노란색의 빛을 내던 텅스텐을 완전한 흰색을 내게 하는데 성공했다.
이 연구팀은 이제 일반 전구의 어떤 다른 면을 조절할 수 있는지 연구하고 있다. 운좋게도, 엄청난 세기에도 불구하고 이 펨토초 레이져는 간단한 벽의 일반 콘센트에서도 전력을 끌어와서 사용할 수 있었다. 즉 이 과정이 정렬되어 있어서 일반 전구의 세기를 올리는 작업이 상대적으로 쉽다는 말이다.
Guo 교수팀은 또한 이번 달에 Applied Physics Letters지에 비슷한 펨토초 레이져 과정을 이용해서 금속조각이 자동적으로 표면주변에서 액체를 이동하게 하는데 성공한 것을 보고 했다. 중력을 거스르면서 까지 말이다.
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Laser process doubles brightness of light bulbs for the same amount of energy
(Nanowerk News) An ultra-powerful laser can turn regular incandescent light bulbs into power-sippers, say optics researchers at the University of Rochester. The process could make a light as bright as a 100-watt bulb consume less electricity than a 60-watt bulb while remaining far cheaper and radiating a more pleasant light than a fluorescent bulb can.
The laser process creates a unique array of nano- and micro-scale structures on the surface of a regular tungsten filament—the tiny wire inside a light bulb—and theses structures make the tungsten become far more effective at radiating light.
The findings will be published in an upcoming issue of the journal Physical Review Letters.
"We've been experimenting with the way ultra-fast lasers change metals, and we wondered what would happen if we trained the laser on a filament," says Chunlei Guo, associate professor of optics at the University of Rochester. "We fired the laser beam right through the glass of the bulb and altered a small area on the filament. When we lit the bulb, we could actually see this one patch was clearly brighter than the rest of the filament, but there was no change in the bulb's energy usage."
The key to creating the super-filament is an ultra-brief, ultra-intense beam of light called a femtosecond laser pulse. The laser burst lasts only a few quadrillionths of a second. To get a grasp of that kind of speed, consider that a femtosecond is to a second what a second is to about 32 million years. During its brief burst, Guo's laser unleashes as much power as the entire grid of North America onto a spot the size of a needle point. That intense blast forces the surface of the metal to form nanostructures and microstructures that dramatically alter how efficiently can radiate from the filament.
In 2006, Guo and his assistant, Anatoliy Vorobeyv, used a similar laser process to turn any metal pitch black. The surface structures created on the metal were incredibly effective at capturing incoming radiation, such as light.
"There is a very interesting 'take more, give more' law in nature governing the amount of light going in and coming out of a material," says Guo. Since the black metal was extremely good at absorbing light, he and Vorobyev set out to study the reverse process—that the blackened filament would radiate light more effectively as well.
"We knew it should work in theory," says Guo, "but we were still surprised when we turned up the power on this bulb and saw just how much brighter the processed spot was."
In addition to increasing the brightness of a bulb, Guo's process can be used to tune the color of the light as well. In 2008, his team used a similar process to change the color of nearly any metal to blue, golden, and gray, in addition to the black he'd already accomplished. Guo and Vorobeyv used that knowledge of how to control the size and shape of the nanostructures—and thus what colors of light those structures absorb and radiate—to change the amount of each wavelength of light the tungsten filament radiates. Though Guo cannot yet make a simple bulb shine pure blue, for instance, he can change the overall radiated spectrum so that the tungsten, which normally radiates a yellowish light, could radiate a more purely white light.
Guo's team has even been able to make a filament radiate partially polarized light, which until now has been impossible to do without special filters that reduce the bulb's efficiency. By creating nanostructures in tight, parallel rows, some light that emits from the filament becomes polarized.
The team is now working to discover what other aspects of a common light bulb they might be able to control. Fortunately, despite the incredible intensity involved, the femtosecond laser can be powered by a simple wall outlet, meaning that when the process is refined, implementing it to augment regular light bulbs should be relatively simple.
Guo is also announcing this month in Applied Physics Letters a technique using a similar femtosecond laser process to make a piece of metal automatically move liquid around its surface, even lifting a liquid up against gravity.
Source: University of Rochester
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