하나의 레이저에서 나오는 두 개의 빔

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-04-02 23:36:38
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- 반대 방향으로 원형 편광되지만 위상 결합돼 일관성 있는 두 개의 빔을 동시에 생성
- 전기장의 도움으로 서로에 대한 두 레이저 빔의 각도도 목표 방식으로 조정
- 새로운 광자 아키텍처는 많은 양의 정보를 고속으로 에너지 효율로 처리
- 양자 통신에 특히 적용 가치 커

하나의 레이저에서 나오는 두 개의 빔
새로운 액정 마이크로레이저는 서로 다른 방향으로 2개의 간섭성 빔을 보낸다.


이중 빔:
물리학자들은 동시에 두 개의 상호 간섭성 빔을 생성할 수 있는 마이크로레이저를 개발했다. 두 빔은 반대 편광이며 서로 비스듬하지만 위상이 고정돼 있다. 이것은 염료 레이저의 공동에 있는 특수 액정에 의해 가능하다. 새로운 이중 레이저는 양자 통신, 레이저 분석 및 컴퓨터 기술의 새로운 응용 분야를 연다. 

▲ 새로 개발된 레이저는 서로 비스듬하고 반대 방향으로 편광된 2개의 간섭성 결합 빔을 생성한다. © Mateusz Krol/ 바르샤바 대학교 물리학부

레이저는 일상생활, 기술 및 연구에서 오랫동안 필수 불가결한 요소였다. 레이저는 가장 작은 구조와 진동을 가시적으로 만들고, 재료를 처리하고, 원자를 냉각시키며, 현대 컴퓨터 기술 및 데이터 전송의 중추를 형성하고 있다. 모든 레이저의 공통점은 고도로 집중된 동기식 진동 광파를 생성한다는 것이다. 이것은 액체나 결정의 분자가 광자의 전체 눈사태를 방출하도록 특별히 자극될 때 발생한다.

일반적으로 레이저의 공진기 챔버는 정렬된 광자의 빔만 방출할 수 있다.
서로 간섭하는 두 개의 레이저 빔이 필요한 경우 반투명 거울의 도움으로 레이저 빔을 분할하고 편향시키는 빔 스플리터를 사용해야 한다.

염료 레이저의 액정

바르샤바 대학의 Marcin Muszynski와 그의 팀이 현재 시연하고 있는 것처럼 다른 방법이 있다. 그들은 반대 방향으로 원형 편광되지만 위상 결합돼 일관성 있는 두 개의 빔을 동시에 생성하는 새로운 유형의 마이크로레이저를 개발했다. 전기장의 도움으로 서로에 대한 두 레이저 빔의 각도도 목표 방식으로 조정할 수 있다.

이것은 유기 안료 분자가 광자의 유도 방출을 생성하는 고전적인 염료 레이저와 액정을 결합해 가능하다. "액정의 특성은 분자가 길다는 것이다"고 Muszynski는 설명했다. 이들은 복굴절이다. 굴절률은 빛이 통과하는지 세로 방향으로 통과하는지에 따라 다르다.

레이저 챔버의 두 정상파

새로운 이중 레이저는 액정 분자와 레이저 염료 피로메텐 580이 함께 혼합되는 두 거울 사이의 길이가 3마이크로미터에 불과한 레이저 챔버로 구성된다. 이 레이저 매체가 입사광에 의해 들뜨면 물리학자들이 설명하는 것처럼 선형 편광이 서로 반대인 빛의 두 정상파가 형성된다. 이를 빛 모드라고 한다.

하이라이트는 액정 분자가 전기장을 사용하여 동일한 방식으로 정렬되고 임의의 방향으로 회전할 수 있다는 것이다. 방향에 따른 굴절률로 인해 결정체는 공진기 챔버의 조명 모드에도 영향을 준다. 정상파는 이 분자 회전을 통해 에너지를 변경하지만 다른 하나는 그렇지 않다.

일관되고 불가분하게 결합된 빔

연구팀이 두 모드가 서로 공명하도록 분자를 회전시켰을 때 예상치 못한 일이 발생했다. 오른손잡이 편파"라고 Muszynski의 동료 Jacek Szczytko는 보고했다. 두 레이저 빔은 또한 서로 다른 방향으로 갔고 서로에 대해 몇 도의 각도를 이루었다.”

결정적인 요인은 이러한 방향의 차이와 반대 편광에도 불구하고 두 레이저 빔은 여전히 ​​일관성이 있다는 것이다. 이것은 레이저 빔의 일종의 줄무늬 패턴인 이른바 영구 스핀 나선으로 식별할 수 있었다. "이론적 계산에 따르면 두 개의 반대 편광된 빔이 위상 일관성 있고 두 광 모드가 분리할 수 없이 결합될 때 이러한 패턴이 형성된다"고 Muszynski는 설명한다. "이 커플링은 양자 물리적 얽힘에 필적한다.“
▲ 레이저의 구조(a)와 액정의 초기 배향(b). 이제 전기장이 인가되고(c) 전압이 증가하면(d-g), 결정은 두 가지 광 모드와 두 개의 원형 편광 및 약간 오프셋 정렬된 레이저 빔이 생성되는 방식으로 정렬된다. © Muszynski et al./ Physical Review Applied, CC-by 4.0

양자 통신 및 공동 응용 분야

따라서 물리학자들은 서로 비스듬한 두 개의 결합되고 일관된 빔을 생성할 수 있는 마이크로레이저를 개발했다. 레이저 빔의 파장은 또한 레이저 챔버에 인가된 전기장의 전압을 통해 조정할 수 있다. 실험에서 연구원들은 파장을 최대 40나노미터까지 변화시켰다.

이것은 수많은 응용 분야를 열어준다.
"정확하게 조정 가능한 이중 레이저는 물리학, 화학, 의학 및 통신의 많은 영역에서 사용될 수 있다"고 공동 저자인 바르샤바 대학의 Barbara Pietka는 말했다. "예를 들어 이 새로운 광자 아키텍처는 많은 양의 정보를 고속으로 에너지 효율로 처리할 수 있다." 이것은 양자 통신에서 특히 가치가 있다.

(Physical Review Applied, 2022; doi: 10.1103/PhysRevApplied.17.014041)
출처: Universität Warschau, Fakultät für Physik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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