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분광계 없이 찰나의 빛 포착 가능해졌다

POSTECH·MPK·부산대 공동연구팀, 펨토초(1,000조분의 1초) 단위 레이저 펄스 파헤치는 측정 기술 개발

박영재 기자 | 기사입력 2022/10/05 [10:25]

분광계 없이 찰나의 빛 포착 가능해졌다

POSTECH·MPK·부산대 공동연구팀, 펨토초(1,000조분의 1초) 단위 레이저 펄스 파헤치는 측정 기술 개발

박영재 기자 | 입력 : 2022/10/05 [10:25]

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환)은 물리학과·막스플랑크 한국-포스텍연구소(MPK) 김동언 교수, 부산대 광메카트로닉스공학과 김승철 교수·알렉산더 글리세린(Alexander Gliserin) 박사 공동연구팀이 분광계 없이 펨토초 찰나 빛의 특성을 정확히 알 수 있는 펄스 측정 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

  

▲ POSTECH 김동언 교수 연구 관련 이미지  © 포스텍


POSTECH에 따르면 이 연구는 한국연구재단과 한국기술진흥원 역량개발사업의 지원을 받아 수행됐으며 국제 학술지 ‘빛: 과학과 응용 (Light: Science & Applications)’에 최근 게재됐다.

  

이번 연구의 결과로 비용이 많이 드는 분광계를 사용하지 않아도 돼, 측정 비용과 절차를 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

  

기존에는 찰나의 빛의 특성을 알기 위해 하나의 펄스를 균일하게 둘로 쪼갬으로써 시간 정보를 간접적으로 확인하는 방법이 사용됐다. 다만 동일한 펄스 복사본을 사용하는 과정에서 펄스 스펙트럼 위상이 손실돼 구체적인 정보를 얻기 어려웠다.

  

이 때문에 추가적인 분광 측정 등으로 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하는 다양한 광학 계측 방법이 개발됐다. 현재는 FROG 또는 SPIDER 방법이 가장 널리 사용된다. 하지만 여전히 실험 과정이 복잡하고 분광계를 사용해야 해, 더욱 간단한 측정법의 개발은 숙제로 남아 있었다.

  

연구팀은 두 개의 펄스 중 하나를 약하게 만들어 동일성을 깨는 전략을 세웠다. 펄스의 세기를 불균형하게 만들어 동일성을 깨면, 위상 정보가 보존됨을 보이고, 이 위상 정보를 추출하여 완벽한 펄스 특성을 파악할 수 있음을 보였다. 이 기술로 6 펨토초의 레이저 펄스에 대한 측정 결과와 기존 FROG 기술로 측정한 값과 비교하여, 일치성이 매우 높은 것을 증명했다.

 

이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity, 불균형세기 위상활용 비선형 추출)이라고 명명하였다. 이 새로운 기술을 도입하면 극고속 비방사 전기장을 정확히 측정할 수 있다. 극고속 비방사 전기장은 스펙트럼 정보를 알기 어려운 현상으로, 지금까지 정확한 측정이 불가능했다. 즉, 이번 연구성과는 스펙트럼 정보 없이도 찰나의 빛의 시간적 특성을 알 수 있도록 한 획기적인 결과로 이목을 끈다. 

 

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

Instantaneous light capture without a spectrometer becomes possible

 

  POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Kim Moo-hwan) is a joint research team led by Professor Dong-eon Kim of the Department of Physics, Max Planck Korea-Postek Research Institute (MPK), Seung-cheol Kim, Professor of Optical Mechatronics Engineering, Pusan ​​National University, and Dr. Alexander Gliserin It announced on the 5th that it has developed a pulse measurement technology that can be seen.

 

According to POSTECH, this research was carried out with support from the National Research Foundation and the Korea Advanced Institute of Technology's competency development project, and was recently published in the international journal 'Light: Science & Applications'.

 

As a result of this study, it is expected that the use of an expensive spectrometer will be eliminated, which will dramatically reduce the measurement cost and procedure.

 

  In the past, a method of indirectly checking time information was used by evenly splitting one pulse into two in order to know the characteristics of instantaneous light. However, in the process of using the same pulse copy, the pulse spectrum phase was lost, making it difficult to obtain specific information.

 

  For this reason, various optical metrology methods have been developed to directly detect or reconstruct the spectral phase by means of additional spectral measurements. Currently, the FROG or SPIDER method is the most widely used. However, the experimental process is still complicated and the use of a spectrometer is required, so the development of a simpler measurement method remains a challenge.

 

  The team devised a strategy to break identity by weakening one of the two pulses. It was shown that the phase information is preserved when the uniformity is broken by making the intensity of the pulse unbalanced, and that perfect pulse characteristics can be grasped by extracting the phase information. Comparing the measurement results of 6 femtosecond laser pulses with this technology and the values ​​measured with the existing FROG technology, it was proved that the agreement was very high.

 

  This new technique was named PENGUIN (Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced Intensity). The introduction of this new technology enables accurate measurement of extremely high-speed non-radiative electric fields. The ultra-fast non-radiative electric field is a phenomenon in which it is difficult to obtain spectral information, and accurate measurement has not been possible until now. In other words, this research result draws attention as a groundbreaking result that allows us to know the temporal characteristics of instantaneous light without spectral information.

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