불투명한 물체도 통과 시키는 산란 불변 광모드 개발

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-04-13 16:59:12
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- 특수 광파를 사용해 불투명한 재료를 통해 이미지를 전송
- 재료가 다른 빛의 파형을 어떻게 산란시키는지 미리 결정함으로써 가능
- 세포 내부를 깊숙이 들여다보기 위한 실험, 재료 의학 연구분야에 응용

빛이 어떻게 스스로 불투명한 물체를 통과할 수 있을까?
물리학자들은 특수 광파를 사용해 불투명한 재료를 통해 이미지를 전송한다.


거의 마법에 가깝다.
연구원들은 불투명한 물질도 통과할 수 있는 광파를 생성했다.
이것은 마치 공기처럼 불투명 매체를 통해 이미지를 전송할 수 있게 한다.
재료에 맞게 만들어진 광파(소위 산란 불변 광 모드)를 사용해 가능하다.
전문 잡지 "Nature Photonics"의 연구원에 따르면 완전히 새로운 응용 프로그램을 사용할 수 있다. 

▲ 광선은 무질서하고 강하게 산란되는 매체를 통과하고 매체가 없는 것처럼 여전히 검출기에 선명한 이미지를

생성한다. © Allard Mosk, Matthias Kühmayer / TU Vienna


설탕 덩어리이든 우유 한 잔이든 :
이 물질은 무질서한 구조가 입사광을 강하게 굴절, 산란 및 굴절시키기 때문에 불투명하게 보인다. 광선의 많은 부분이 더 이상 다른 쪽에 도달하지 않도록 광선을 변경한다. 소수의 광자는 방해받지 않고 통과한다. 그러나 이러한 소위 탄도 광자는 매우 드물기 때문에 실제로 사용할 수 없다.

광파 패턴이 중요

그러나 이제 위트레흐트 대학의 프리탐 파이(Pritam Pai)와 함께 일하는 물리학자들은 광선을 조정하는 방법을 발견하여 거의 방해받지 않고 고도로 산란되는 매체를 통과 할 수 있다.
재료가 다른 빛의 파형을 어떻게 산란시키는지 미리 결정함으로써 가능하다.
“이러한 각 광파 패턴은 무질서한 매체를 통해 전송될 때 매우 특정한 방식으로 변경되고 편향된다”고 비인 공대(Vienna University of Technology)의 공동 저자 스테판 로터(Stefan Rotter)는 설명했다.

실험에서 연구원들은 불투명한 테스트 재료로 얇은 층의 백색 산화아연 분말을 사용했다.
그들은 다양한 파형과 모드의 빛을 비추고 그 뒤에 있는 감지기에 어떻게 도달하는지 측정했 다. Rotter의 동료 마티아스 퀴마이어(Matthias Kühmayer)는 “광파가 물체를 통과하는 방식은 파장뿐만 아니라 파동의 모양에 따라 달라진다.

산란 불변 조명 모드

이러한 예비 측정을 통해 연구원들은 파동 산란이 전혀 없는 것처럼 산화아연층에 의해 어떤 파동 패턴이 변경되었는지 계산할 수 있었다. "우리가 보여줄 수 있듯이, 광파가 공기를 통해서만 보내졌는지 여부에 관계없이 감지기에서 정확히 동일한 파동 패턴을 생성하는 소위 '산란 불변 광 모드'라는 매우 특별한 종류의 광파가 있다.

 복잡한 산화 아연층을 관통해야 하는지 여부를 확인한다"고 로테르담(Rotterdam)은 설명했다.

이러한 산란 불변 조명 모드는 다양한 일반 조명 형태에 비해 매우 드물다.
그러나 대상 측정 및 수학적 모델을 통해 재료에 적합한 모드를 식별할 수 있다.
이러한 산란 불변 광 모드 중 여러 가지를 교묘하게 결합하면 산란 매체를 통해 이미지와 같은 광학 정보를 전송할 수 있는 파형을 얻을 수 있다.

파괴적인 레이어를 통해 전송된 북두칠성 이미지

위트레흐트 대학의 공동 저자 제론 보쉬(Jeroen Bosch)는 “실험에서 우리는 별자리의 예인 큰 차를 선택했다. "사실, 광파가 산화아연층에 의해 산란되는지 여부에 관계없이 대형 자동차에서 검출기로 이미지를 보내는 산란 불변 파를 결정할 수 있었다."

별자리의 전형적인 패턴은 실제로 불투명한 산화 아연층 뒤의 검출기에 나타났다.
Bosch의 동료 알라드 모스크(Allard Mosk)는 "실험에서 산화아연이 실제로 이러한 광파의 모양을 변경하지 않는다는 것을 알았다. 전체적으로 약간 약해졌다"고 Bosch의 동료 Allard Mosk는 설명했다.

이미징에도 사용 가능

물리학자들의 설명처럼, 이 방법은 실제로 불투명한 매체를 통해 광학 정보를 전송하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라 새로운 이미징 프로세스를 가능하게 한다.
예를 들어, 세포 내부를 깊숙이 들여다보기 위해 매우 특정한 지점에서 빛을 가져오려는 생물학적 실험의 경우 흥미로울 수 있다. 재료 연구 및 의학 분야에서도 응용이 가능하다.

"산란 불변 광모드의 놀라운 속성은 기본 연구 및 이미징 응용 분야 모두에 매력적인 도구 세트를 제공한다"고 과학자팀은 말했다.
(Nature Photonics, 2021; doi : 10.1038 / s41566-021-00789-9)
출처 : Vienna University of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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