^*원편광: 편광은 여러 방향으로 진동하면서 뻗어가는 빛의 성분 중 특정 방향 성분을 골라낸 것이다. 그 중 원편광은 원형으로 진동하면 뻗어가는 빛 성분이다. 회전방향에서 따라 오른쪽으로 회전하는 우원편광, 왼쪽으로 회전하는 좌원 편광으로 나뉜다.

^*깨진 거울 반전 대칭 구조: 특정 축으로 기준으로 모양이 똑같이 생겼지만 축을 기준으로 접었을 때 데칼코마니처럼 겹쳐지지 않는 구조.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

이차원의 파장보다 매우 작은 구조의 2차원 배열로 이루어진 메타표면(metasurface)1) 은 서브(sub) 파장 크기에서 빛의 위상, 진폭 그리고 편광을 조절할 수 있다. 이 때문에 기존의 큰 부피의 광학기기를 혁신적으로 대체할 수 있는 2차원 평면 광학(flat optics) 이라는 새로운 개념을 떠오르고 있다.

최근 깨진 거울 반전 대칭(broken mirror inversion symmetry)을 가진 메타아톰 구조로 구성된 카이랄 메타표면(chiral metasurface)을 이용해 우원편광 (right circularly polarized light) 빛과 좌원편광 (left circularly polarized light) 빛에 각기 다르게 반응하는 특성(원형이색성)2)을 구현하는 연구가 활발하다. 또한 이를 원형 편광판 및 검출기, 홀로그램 및 데이터 암호화 등 다양한 분야에서 응용 하기 위한 연구가 진행되고 있다.

한편 선형과학에서 더 나아가, 비선형 과학(nonlinear optics)과 카이랄 메타표면을 접목시킨 비선형 카이랄 메타표면에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 비선형 카이랄 메타표면은 두 원편광에 대해 각기 다른 고조파 발생효율을 갖도록 설계된 광소자이다. 그러나 현재까지 연구된 비선형 카이랄 메타표면은 낮은 고조파(진동수가 정수배로 증가한 빛) 발생효율과 낮은 비선형 원형 이색성 (nonlinear circular dichroism)3)등으로 인해 활용까지는 많은 한계를 갖고 있는 상황이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 카이랄 메타원자 구조와 다중양자우물4) 구조를 결합하여 선택적 고효율 비선형 고조파 발생을 일으킴과 동시에 1에 가까운 비선형 원형 이색성을 갖는 비선형 메타표면을 개발하는데 성공했다.

거대 제2차 및 제3차 비선형성을 갖도록 설계한 다중양자우물 구조와 C3 및 C4 회전 대칭성을 갖는 카이랄 플라즈모닉5) 공진구조를 결합하여 선택적으로 우원편광에서는 고효율 제2고조파(진동수가 2배, 파장은 1/2배)6) 발생 및 좌원편광에서는 고효율 제3고조파(진동수 3배, 파장은 1/3배)7) 발생이 일어나는 구조를 설계 및 제작했다. 이를 통해 제2 및 제3고조파 발생에서 동시에 1에 가까운 비선형 원형 이색성을 달성했다. 또한 메타 단위구조가 놓인 각도를 조절함으로써 기하학적 위상을 연속적으로 조절할 수 있는 특성을 이용해 선택적 비선형 고조파 발생 및 발생된 고조파의 빔조향 각도를 조절 가능함을 실험적으로 구현했다.

3. 기대효과

이 연구에서 제안한 비선형 메타표면은 고효율 비선형 고조파 발생과 거대 비선형 원형 이색성을 동시에 유도 가능하며, 이러한 특성을 기반으로 중적외선 광원, 고효율 비선형 홀로그램, 비선형 카이랄 센싱, 비선형 빔 조향 소자, 비선형 광정보처리 소자 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 메타표면(Metasurface)

이차원의 파장보다 작은 메타원자들의 배열로 이루어진 구조체로써, 파장보다 작은 영역에서 산란되는 빛의 진폭, 위상 그리고 편광 등을 조절할 수 있는 특징을 가지고 있다. 물질을 이루는 구조의 배열과 패턴 등이 중요하게 작용해 기존에 나타나지 않던 물리적 특성을 만든다.

2. 원형 이색성(Circular dichroism)

원형 편광 방향에 따라 다른 흡수를 일으킬 때 사용되는 용어다. 좌원편광 및 우원편광은 광자에 대해 가능한 두가지 스핀 각운동량 상태를 나타내므로 원형 이색성은 스핀 각운동량에 대한 이색성이라고도 한다.

3. 비선형 원형 이색성(Nonlinear circular dichroism)

원형 편광 방향에 따라 다른 비선형 고조파 발생 효율을 갖을 때 사용되는 용어다.

4. 다중양자우물(Multi-quantum well)

양자우물은 불연속한 양자화 되어있는 에너지 값만 있는 전위 우물이다. 이러한 양자우물을 여러 개 조합한 구조를 다중양자우물이라고 한다.

5. 플라즈모닉(Plasmonic)

금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 말한다. 금속 나노 입자에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬(surface plasmon)이라 부르기도 한다. 이러한 표면 플라스몬의 설계, 제어, 응용기술을 플라스모닉라고 한다.

6. 2차 고조파 생성(Second harmonic generation)

2차 고조파 생성은 동일한 주파수를 가진 두 개의 광자가 비선형 재료와 상호 작용하고 "결합"되어 초기 광자의 두 배 에너지로 새로운 광자를 생성하여 여기의 일관성을 보존하는 비선형 광학 프로세스

7. 3차 고조파 생성(Third harmonic generation)

3차 고조파 생성은 동일한 주파수를 가진 세 개의 광자가 비선형 재료와 상호 작용하고 "결합"되어 초기 광자의 세 배 에너지로 새로운 광자를 생성하여 여기의 일관성을 보존하는 비선형 광학 프로세스

[붙임] 그림설명

그림1. 메타아톰 구조 및 원편광 반응 선택성 (왼쪽) 개발된 비선형 카이랄 메타표면 개념도. 빛의 편광 방향에 따라 반사되는 빛의 진동수(파장)가 달라진다. 우원편광(RCP)일 때는 진동수가 2배(파장 1/2배, 제2고조파), 좌원편광(LCP)일 때는 진동수가 3배(파장 1/3배, 제3고조파)로 바뀐다. (가운데) 제2고조파 발생 (SHG)에 대한 비선형 원형 이색성 실험 및 시뮬레이션 결과. (오른쪽) 제3고조파 발생 (THG)에 대한 비선형 원형 이색성 실험 및 시뮬레이션 결과.

그림2. 개발된 메타표면의 이미지 및 원형이색성 (왼쪽) 비선형 카이랄 메타표면을 이용한 선택적 고조파 발생 및 고조파 빔 조향(위상 조절을 통해 빛을 원하는 곳으로 보내는 것)개념도. (가운데) 제작한 비선형 메타표면의 주사 전자현미경 이미지. (오른쪽) 두 원편광에 대한 제2 및 제3고조파 빔조향 측정결과.