3'00"읽기
- 두 개의 주파수 빗은 서로 수직으로 정렬, 두 레이저 빔 사이에 간섭 패턴을 생성
- 카메라로 촬영한 이미지는 컴퓨터에서 진폭 및 위상 홀로그램 스택으로 처리

홀로그래피: 둘은 하나보다 낫다
두 개의 주파수 빗을 사용하여 정확한 이미지를 생성하는 신기술

빠르고 다채롭게:
새로운 녹화 기술을 통해 3D 홀로그램을 컬러와 다양한 버전으로 기록할 수 있다.
이를 위해 카메라 센서에서 서로 간섭하는 두 개의 주파수 빗 발생기가 결합된다. 과학자들이 전문 잡지 "Nature Photonics"에 보고한 바와 같이 물체의 3차원 표현 외에도 이 기술은 가스의 정확한 농도 측정을 위해 미래에도 사용될 수 있다. 

▲ 이러한 간섭 패턴은 주파수 콤의 콤 라인마다 생성된다. 이것들은 이미지로 재구성된다. © MPQ

홀로그램, 즉 물체의 3차원 표현은 이미 일상생활에서 매우 일반적이다.
지폐와 여권에서 간단한 버전을 찾을 수 있다. 예를 들어 Star Wars 또는 Star Trek에서와 같이 자유롭게 떠 있는 움직이는 3D 투영은 여전히 ​​공상 과학이다. 연구원들은 이미 이러한 홀로그램 비디오의 첫 번째 변종을 연구하고 있다. 그러나 지금까지는 홀로그래피를 사용하여 최대 3가지 색상으로만 이미지를 기록할 수 있었다.

두 개의 결합된 주파수 빗

막스 플랑크 양자 광학연구소(Max Planck Institute for Quantum Optics)의 나탈리 피케(Nathalie Picqué)가 이끄는 연구팀이 최근 다채롭고 정확한 3D 이미지를 생성하는 방법을 제시했다.

그들은 이미징을 위해 두 개의 서로 다른 방향의 주파수 빗 생성기를 사용한다.
이들은 광선을 개별 파장으로 분할한 다음 빗처럼 나란히 서 있는 장치다. 초기 연구에서 Picqué가 이끄는 팀은 이미 두 개의 결합된 주파수 빗을 사용하여 가스를 감지했다.

새로 개발된 소위 "초분광 디지털 홀로그래피"의 경우 연구원들은 실험실에 이미 있는 장치만 사용했다고 말했다. “구조가 놀라울 정도로 단순해 보인다. 펄스 반복 속도가 약간 다른 두 개의 빗살 생성기, 부분적으로 투명한 빔 스플리터 미러 및 렌즈가 없는 고속 디지털 카메라 센서만 사용된다”고 제1저자인 Edoardo Vicentini가 설명했다.

▲ 그림 5: 이중 빗살 홀로그래피로 관찰한 동전 위상 지도의 재구성된 3D 이미지. 다중 주파수 위상 언래핑은 2π 위상 모호성을 제거하고 동전의 3차원 지도를 렌더링하기 위해 서로 다른 광학 주파수에서 약 40개의 빗살 모양 선으로 수행된다.(출처: Fig 5 Dual-comb hyperspectral digital holography / nature photinics)

간섭 패턴을 통한 이미징

두 개의 주파수 빗은 서로 수직으로 정렬되어 있으며, 소위 기준 빔은 카메라 센서로 직접 이동하고 다른 하나는 먼저 측정 대상에 도달한 다음 부분적으로 투명한 거울에 의해 센서로 향하게 된다. 이것은 두 레이저 빔 사이에 간섭 패턴을 생성한다. 카메라로 촬영한 이미지는 컴퓨터에서 진폭 및 위상 홀로그램 스택으로 처리된다.

측정 대상의 3차원 표현은 이러한 스택에서 재구성될 수 있다.
이미지를 개별 능선으로 축소할 수도 있어 정확한 분석이 가능하다. 그러나 주파수 빗 생성기는 수백만 개의 개별 라인을 생성하기 때문에 분석은 엄청난 양의 데이터를 생성할 수 있다.

주파수 빗을 발명한 공로로 2005년 노벨상을 수상한 Piqué의 동료 Theodor Hänsch는 "메가픽셀 해상도의 더 빠른 카메라를 사용하면 기록된 데이터의 양이 상당히 커질 수 있으므로 데이터 처리가 더 어려워진다"고 말했다.

▲ 홀로그램 기술의 구조는 이렇게 생겼다. © Vicentini et al / Nature Communications / CC-by-sa 4.0

광범위한 적용 분야

물체 재구성 외에도 연구원들은 새로운 기술을 사용해 가스 농도를 측정했다.
이를 위해 그들은 기준을 얻기 위해 먼저 측정 대상(이 경우 1센트 동전)에 대한 직접 분광법을 수행했다. 그런 다음 그들은 물체 앞에 암모니아 구름을 생성하고 다른 측정을 수행했다.

기록된 광 주파수의 진폭 차이로부터 과학자들은 가스의 성질에 대해 설명할 수 있었다.
연구자들은 초분광 디지털 홀로그래피의 광범위한 응용 분야를 찾기를 희망한다. “우리 기술은 아마도 비주사 파면 재구성 및 3차원 측정 기술의 새로운 영역을 정복할 것이다”고 Picqué가 말했다.
(네이처포토닉스, 2021; doi: 10.1038 / s41566-021-00892-x)
출처: 막스 플랑크 양자 광학 연구소 / Max-Planck-Institut für Quantenoptik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]