고해상도 비선형 광 특성 분석 기법 개발 및 응용

Abstract

빛과 물질의 상호작용으로 인하여 물질 내에 유도되는 분극은 크게 빛의 전기장과의 선형적 상호작용과 비선형적 상호작용으로 구분할 수 있으며, 이 중 비선형적 상호작용으로부터 나타나는 현상을 비선형 현상이라 한다. 이러한 비선형 현상 중 하나인 포화흡수 현상은 입사하는 빛의 세기가 강해짐에 따라 흡수가 감소하는 특성으로 이를 기반으로 한 소자는 레이저 Q-스위칭 및 모드잠금의 유도에 널리 사용된다. 특히 고체레이저용 모드잠금 소자는 1% 미만의 변조깊이를 지니며 그 외의 중요한 특성으로 매우 빠른 광학적 스위칭 특성을 나타내는 것으로 보고된 바 있다. 기존에 이러한 소자가 지닌 포화흡수현상과 광학적 스위칭 특성을 측정하기 위한 방법은 측정 분해능의 한계로 인해 명확한 현상을 측정하는 것에 다소 한계를 가지며 저차원 탄소 나노물질 기반의 포화흡수체와 같은, 광대역에서 활용 가능한 초고속 소자에 한해서는 넓은 파장대역에서 동작 가능한 고해상도 측정 장비가 필수적이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 광대역에서 동작 가능한 여기-탐침 분광 장치와 고해상도 비선형 투과 측정 장치를 고안하였다. 또한 비균일한 샘플에서의 명확한 광특성 분석을 위해 앞서 언급한 독립된 두 시스템을 한 번의 시료삽입으로 전송자 동역학 및 비선형 흡수에 대한 정보를 모두 얻을 수 있는 고해상도 하이브리드 시스템을 개발하고 응용하였다. 측정 시스템의 해상도는 비선형 측정의 경우 근적외선 영역에서 0.05 % 이하이며 여기-탐침 분광법은 그 해상도가 펄스폭과 밀접한 관련이 있기 때문에 150 펨토초의 시간 분해능을 지닌다. 본 연구에서 사용된 광원은 710 nm부터 950 nm까지 파장 변환이 가능한 Ti:sapphier 펨토초 모드-잠금 레이저와 1080 nm부터 1600nm의 넓은 파장 대역에서 동작 가능한 광 매개 공진기를 사용하였다. 이를 이용하여 이번 연구에서는 다양한 파장에서 단일 벽 탄소나노튜브기반의 포화흡수체와 단층 그래핀에서의 고해상도 비선형 투과 특성 그리고 전송자 동역학 정보를 개발된 광 특성 분석 장치를 통해 확인하였다.