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빛의 산란을 이용해 근접장 성분 제어가 가능한 광학기기 개발
빛의 위상을 저장하는 홀로그래피 기술로 복잡한 광학 부품 없이 저렴한 단일 광학기기만으로 원하는 상 만들 수 있어
[422호] 2016년 08월 17일 (수) 김승후 기자 mind9063@kaist.ac.kr
   
▲ 홀로그래피 기술 적용 여부에 따른 차이점
(a) 빛이 산란 매질을 통과해 무작위한 상을 만든다. (b) 공간 광 제어기로 빛의 위상 정보를 저장한 홀로그래픽 필름에 빛을 통과시켜 원하는 상을 만든다.

물리학과 박용근, 조용훈 교수,고려대학교 신소재공학부 이헌 교수 공동 연구팀이 빛의 산란을 이용해 다기능 광학기기 제작 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 학술지 <에이씨에스 나노(ACS Nano)> 6월 29일자 온라인 판에 게재됐다.


굴절과 반사가 아닌 산란을 이용해
이번 연구는 주로 빛의 굴절이나 반사를 이용해 광학기기를 만들던 기존 기술들과 달리, 빛의 산란을 이용했다는 점이 특징이다. 굴절이나 반사는 빛의 진폭 성분만 나타내지만, 산란 현상을 이용하려면 빛의 전체 위상을 알아야 한다. 이를 위해서 공간 광 제어기*(spatial light mo-dulator)와 산란 매질로 구성된 광학기기를 이용한다. 하지만 이 방법에 사용되는 공간 광 제어기는 구조가 복잡하고 크기가 커, 상을 얻기 위한 비용이 많이 드는 단점이 있다.
 
홀로그래피 기술로 빛의 위상을 저장
이에 연구팀은 처음 투과한 빛의 정보를 저장할 수 있는 홀로그래픽 필름을 사용했다. 공간 광 제어기를 이용해 원하는 상을 나타내는 빛의 위상을 찾고, 이를 홀로그래픽 필름에 저장한 것이다. 이 경우 홀로그래픽 필름에 빛의 위상 정보를 저장한 뒤 공간 광 제어기를 제거해도, 광원에서 나온 빛이 홀로그래픽 필름을 통과하면 빛은 홀로그래픽 필름에 저장된 정보대로 진행한다. 필름을 통과한 빛은 산란 매질로 입사한 뒤 산란하며, 산란된 빛은 간섭 현상을 일으켜 상을 나타낸다. 이때 나타난 상은 처음에 홀로그래픽 필름에 저장된 빛이 나타내는 상과 같다.
 
빛의 산란 조절로 근접장 성분 제어해
일반적으로 빛을 조사할 때 생기는 산란 광에는 원격장(remote fi-eld)과 근접장(near field) 두 가지 성분이 존재한다. 원격장은 멀리까지 전파될 수 있는 성분으로, 일반적으로 볼 수 있는 빛을 말한다. 근접장은 빛을 비춘 물체 가까이에 있는 성분으로, 해상도가 높으며 멀리 진행하면 사라진다는 특징이 있다. 이때 아베의 회절한계**에 의해 어떤 물체에 대한 정보는 원격장보다 근접장에서 더 많이 얻을 수 있다.
이번 연구에서 사용한 기술로는 빛의 위상을 조절해 산란 매질을 통과한 빛을 산란 매질과 매우 가까운 한 점에 모을 수 있다. 이 경우 근접장 성분이 남아 있어 해상도가 높은 빛을 얻을 수 있다. 또한, 이번 연구는 기존 광학 부품들로는 구현이  어려웠던 산란 제어를 복잡한 광학적 설계나 제조공정 없이 단일 광학 부품으로 저렴하게 할 수 있다는 의의를 가진다. 산란을 제어하려면 앞서 말한 공간 광 제어기라는 복잡한 기계가 필요하다. 하지만 홀로그래픽 필름에 산란 제어 정보를 기록해 놓으면 공간 광 제어기 없이 간단한 광학기기로 산란을 제어할 수 있다.
 
일반적으로 빛의 산란을 제어하여 원하는 빛을 얻기 위해서는 빛이 투과하는 산란 매질이나 렌즈를 조절해야 한다. 하지만 빛을 모아 글자를 만들거나 파장을 조절해서 다양한 빛을 만드는 것처럼 복잡한 광학 기능을 수행하는 렌즈는 제작하기 어렵다. 연구팀이 개발한 방법은 매질이나 렌즈를 만들 필요 없이 입사하는 빛을 조절해 원하는 상을 만들어 저렴하고 간단하게 산란을 제어할 수 있다는 점에서 큰 의의를 가진다. 연구를 주도한 물리학과 박종찬 학우는 “저렴한 단일 광학 부품만으로 산란 광 제어 같은 복잡한 광 기능의 수행이 가능하다”라고 말했다.
 
공간 광 제어기*
공간적으로 서로 다른 부분에 서로 다른 빛의 위상을 발생 시킬 수 있는 장치다. 입사되는 빛의 성분을 조절해 필름에서 원하는 부분에 특정한 위상의 빛을 통과시킬 수 있다.
 
아베의 회절한계**
전자기파의 파장 길이 절반보다 작은 두 물체 간 거리는 광학 렌즈로 식별할 수 없다는 빛의 회절한계.
 

 

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