【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀이 메타표면을 이용해 모든 빛에 작동하는 소용돌이 빔을 개발했다.

▲ 연구 관련 그림  © 포스텍

9일 POSTECH에 따르면 소용돌이 빔은 빛이 진행하면서 이동축을 중심으로 소용돌이 형태의 모양을 갖는 빛을 일컫는데, 같은 주파수에서도 더 많은 정보를 저장할 수 있어 5G를 넘어서 6G 기술 등의 초고용량 광통신 기술 개발에 활용되고 있다.

POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·기계공학과 석박사통합과정 김주훈 씨 연구팀이 자외선부터 가시광선 영역까지 광대역 파장에 대해서 두 직교 편광 상태를 독립적으로 제어할 수 있는 메타표면을 제시했다. 또한, 이 메타표면을 이용해 각각 다른 위상전하(topological charge)를 가지는 소용돌이 빔을 만들거나 감지할 수 있는 메타편광판을 제작하고 실험으로 검증했다.

빛이 진행하면서 소용돌이 형태의 모양을 그리는 것을 ‘궤도 각 운동량(OAM: Orbital Angular Momentum)’이라고 부르고, 이러한 궤도 각 운동량을 가진 빛을 쉽게 ‘소용돌이 빔’이라고 부른다. 이 운동량은 똑같은 주파수나 편광 상태를 가지고 있어도 더 많은 정보를 저장할 수 있다.

광학 소용돌이 빔은 광학 트위저 등 다양한 응용으로 광학에서 필수적인 존재가 되어 왔다. 광학 소용돌이 빔은 각자 독립적인 소용돌이 빔를 가지고 있으며, 이러한 특성은 홀로그램 비디오를 만드는 등 다양하게 활용할 수 있다. 지금까지 광학 소용돌이 빔을 만들기 위해서는 공간광변조기(spatial light modulator, SLM)이라는 아주 부피가 크고 무거운 장비를 사용해야 했고, 자외선 영역에서 작동하는 SLM이 없어 자외선 광학 소용돌이 빔 제조는 난제로 꼽혀왔다.

메타표면은 위상, 진폭, 편광과 같은 많은 빛의 특성을 원하는 대로 변조할 수 있다. 최근 나노 제조 기술의 발전과 연구자들의 지속적인 노력으로 고효율, 광대역, 다기능 메타표면이 실현됐지만, 자외선 영역의 빛을 조절하는 것은 여전히 어려움이 있었다.

연구팀은 부피가 크고 무거운 SLM 대신에 얇고 가벼운 메타표면을 이용해 자외선 빛이 들어왔을 때 광학 소용돌이 빔을 만들 수 있는 편광판을 개발했다. 연구팀은 자외선에서 흡수가 없으면서 굴절률이 높은 질화규소(silicon nitride) 물질을 사용했다.

또한, 메타표면은 한번 공정이 되면 그 기능이 영구적으로 고정되고, 바뀌기 힘들기 때문에 수동적인 한계가 있었는데, 이번 연구에서는 메타표면의 회전 대칭을 깨트림으로써 빛의 입사 편광에 따라서 다른 기능을 가지도록 설계했다. 이는 소용돌이 빔의 정보량을 단일 메타표면에 더 많이 저장할 수 있는 방법론으로 다양한 곳에 응용될 수 있다.

노준석 교수는 “이번 연구를 통해 메타표면은 편광 상태에 따라서 다른 위상전하의 광학 소용돌이 빔을 만들어낼 수 있는 다기능성까지 가지고 있음을 확인했다”며, “자외선 광학 소용돌이 빔을 만들어냄으로써 광학 소용돌이 빔의 응용을 자외선까지 넓힐 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다.

한편, 이 연구는 포스코 산학연 융합연구소 사업, 과학기술정보통신부 미래융합기술파이오니아 사업, 미래기술연구실 사업, 글로벌프론티어 사업, 중견연구자지원 사업, 지역혁신선도연구센터 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 나노 재료 분야 최고 권위의 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 게재됐다.

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

 POSTECH Professor Jun-Seok Noh's team develops a 'vortex beam' that works for all light

  A research team at POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) developed a vortex beam that operates on all light using a metasurface.

According to POSTECH on the 9th, a vortex beam refers to light that has a vortex shape around the axis of movement as the light travels. As more information can be stored at the same frequency, it is expected to go beyond 5G and develop ultra-high-capacity optical communication technologies such as 6G technology. It is being utilized.

POSTECH Department of Mechanical Engineering, Department of Chemical Engineering Professor Jun-Seok Noh, Department of Mechanical Engineering Combined Master's and Doctoral Program Joo-Hoon Kim's research team presented a metasurface that can independently control two orthogonal polarization states for a broad wavelength range from ultraviolet to visible light. In addition, using this metasurface, a metapolarizer that can create or detect vortex beams with different topological charges was fabricated and verified through experiments.

The fact that light draws a vortex-like shape as it travels is called ‘Orbital Angular Momentum (OAM)’, and light with this orbital angular momentum is simply called a ‘vortex beam’. This momentum can store more information even if it has the same frequency or polarization state.

Optical vortex beams have become essential in optics for a variety of applications, such as optical tweezers. Each optical vortex beam has independent vortex beams, and this characteristic can be used in various ways, such as creating a holographic video. Until now, in order to create an optical vortex beam, a very bulky and heavy equipment called a spatial light modulator (SLM) had to be used.

Metasurfaces can modulate many properties of light, such as phase, amplitude, and polarization, at will. Although high-efficiency, broadband, and multifunctional metasurfaces have been realized through the recent development of nanofabrication technology and the continuous efforts of researchers, it is still difficult to control light in the ultraviolet region.

Instead of a bulky and heavy SLM, the research team developed a polarizer that can create an optical vortex beam when ultraviolet light enters it using a thin and light metasurface. The research team used a silicon nitride material that does not absorb ultraviolet light and has a high refractive index.

In addition, the metasurface has passive limitations because its function is permanently fixed and difficult to change once it is processed. designed This is a methodology that can store more information of a vortex beam in a single metasurface and can be applied to various places.

Professor Rho Jun-seok said, “Through this study, we have confirmed that the metasurface has the versatility to create optical vortex beams with different phase charges depending on the polarization state.” It is of great significance in that the application can be extended to ultraviolet rays,” he said.

Meanwhile, this research was carried out with the support of the POSCO Industry-University-Institute Convergence Research Center Project, Ministry of Science and ICT Future Convergence Technology Pioneer Project, Future Technology Lab Project, Global Frontier Project, Mid-level Researcher Support Project, Regional Innovation Leading Research Center Project, etc. was published in 'Nano Letters', the most prestigious international journal in the field of nano materials.