나노과학기술대학 광메카트로닉스공학과 김승철 교수 연구팀은 포항공과대학교와 공동연구를 통해 복잡하고 비싼 분광 측정* 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 매우 간단한 ‘불균형 비선형 간섭계** 자기상관*** 기술’을 구현해, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이 가능함을 실험적으로 확인했다.

* 분광 측정: 빛을 파장에 따라 스펙트럼을 만드는 것을 ‘분광(分光)’이라고 하며, 빛을 분석해 파장에 따른 빛의 세기·에너지 등을 측정하거나 구성성분을 확인하는 것을 ‘분광 측정’이라고 한다. 

** 간섭계(interferometer): 빛의 간섭 현상을 이용해 변위를 측정하는 광학계.

*** 자기상관(autocorrelation): 시간 또는 공간적으로 연속된 일련의 관측치들 간에 존재하는 상관관계를 측정하는 원리. 

지난 수십 년 동안 극고속 레이저 광원이 빠르게 발전함에 따라, 극고속 레이저 펄스* 전기장의 정확한 시간 특성 측정으로 자연 시간 척도에서 가장 빠른 광물질 상호작용을 직접 관찰하고 제어할 수 있게 되어 다양한 과학 및 산업 분야에서의 응용이 가능해졌다. 

* 레이저 펄스(Laser Pulse): 레이저의 에너지가 연속적으로 발진되는 것이 아니라 아주 짧은 시간동안 지속되는 출력형태를 갖는 레이저.

지금까지는 비선형 자기상관 측정에서 펄스를 자체 게이트(또는 샘플)로 사용해 시간 정보를 간접적으로 얻었는데, 이 방법은 레이저 펄스 모양이 알려져 있다고 가정할 때 펄스 시간을 측정하는 데 유용하다. 하지만 이 측정 방법에서는 펄스 스펙트럼 위상이 손실되기 때문에 실제 펄스의 구체적인 정보(정확하고 완벽한 펄스의 파형)를 알아낼 수 없었다. 

여기에, 손실된 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하기 위해 추가적인 분광 측정 등 다양하고 정교한 광학 계측 방법이 개발됐다. FROG(Frequency-Resolved Optical Gating) 또는 SPIDER(SPectral Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction)라 불리는 측정 방법이 가장 널리 알려져 있다. 그런데, 이 방법들은 자기상관 측정 장치에 비해 실험적으로 복잡하고 분광학적으로 접근할 수 있는 광학 필드의 경우에만 사용될 수 있어 좀 더 보편적이고 간단한 방법이 요구되어왔다.

이에 연구팀은 추가적인 분광 측정 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 간단한 ‘불균형 비선형 간섭계 자기상관 기술’을 개발하고, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이 가능함을 실험적으로 구현하는 데 성공했다. 이번 연구결과는 국제학술지 『Light: Science & Applications』 9월호에 발표됐다.

- 논문 제목: Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation(위상 보존 비선형 자기상관을 통한 극고속 광학 필드의 완전한 특성화)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1038/s41377-022-00978-3 

논문의 제1저자인 광메카트로닉스공학과 알렉산더 글리세린(Alexander Gliserin) 박사는 “기존의 자기상관 측정에서는 두 개의 동일한 광 펄스 복사본을 사용해 펄스를 자체적으로 게이트한다. 두 펄스는 구별할 수 없으므로 시간 영역에서 대칭성이 유지되고, 주파수 영역에서 스펙트럼 위상 정보가 손실된다. 펄스 중 하나를 약하게 함으로써 이 동일성을 깨게 되면, 스펙트럼 위상 정보를 보존할 수 있다”고 설명했다. 

교신저자인 김승철 교수는 “이번 연구에서는 흔히 사용되는 극고속 펄스의 경우 스펙트럼 위상 정보가 보존된 불균형 자기상관 신호를 간단하고 빠른 수치 알고리즘으로 풀 수 있었다. 극고속 광학 계측 방법을 명명하는 전통에 따라, 우리는 이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity)이라고 부른다”고 밝혔다. 

연구팀은 수 주기(~6-fs) 레이저 펄스에 대해 새로 개발한 기술과 함께 잘 확립된 FROG 기술로도 측정, 상호 비교해 매우 우수한 일치를 확인함으로써 새로운 기술을 실험적으로 검증했다.

※ fs: 펨토초. 1,000조분의 1초.

PENGUIN 기반의 자가상관 광학 시스템의 모식도(왼쪽)
이 시스템을 통해 극고속 펄스의 스펙트럼과 위상값을 정확하게 추출해 내어(오른쪽 위), 

극고속 레이저 펄스의 파형을 측정할 수 있다(오른쪽 아래).

향후 이 기술을 활용하면 분광계가 사용되지 않기 때문에 FROG 또는 SPIDER와 같이 복잡할 필요가 없으며, 분광학적으로 접근할 수 없는 광학 전기장에 대한 계측도 가능할 수 있다. 예를 들어 나노구조의 극고속 플라즈몬 근거리장의 경우, 이는 비방사성이므로 이전 분광학 기반 특성 분석방법으로는 접근이 어려우나, 비선형적인 광전자 방출을 광전자 현미경으로 정확하게 측정해 이를 이번에 연구팀이 개발한 ‘PENGUIN’ 기술로 분석하면 지금까지 불가능했던 극고속 비방사 전기장을 세계 최초로 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 

연구팀은 이번 연구가 빛과 물질 간의 상호 작용에 대한 미지의 영역을 탐구하는 하나의 통로가 될 것으로 기대하고 있다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단(NRF)과 한국기술진흥원(KIAT) 역량개발사업을 통해 수행됐다.

* 인물사진: 왼쪽부터 김승철 교수와 알렉산더 글리세린 박사

[Abstract]

Nonlinear autocorrelation is widely used for ultrafast optical pulse characterization and provides basic temporal information such as the pulse duration. Despite its popularity, it was believed to be insufficient for the measurement of arbitrary pulse shapes due to its inherent loss of spectral phase information. Researchers from South Korea have now shown that an unbalanced-intensity nonlinear autocorrelation preserves spectral phase information, which enables the complete reconstruction of ultrafast optical fields without any additional spectroscopic measurement.

- Paper Title: Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation. Light Sci Appl 11, 277 (2022).

- Authors: Alexander Gliserin, Soo Hoon Chew, Seungchul Kim(Pusan National University) et al. 

- URL: https://doi.org/10.1038/s41377-022-00978-3