비선형 감수율은, 비선형 광학 현상을 기술하는 중요한 특성값으로서, 비선형 광학 연구가 시작된 이래 지속적으로 많은 관심을 받아 왔다. 그러나 연구의 주된 범위가 2차 비선형 감수율 $\chi$$^{(2)}$ 와 그 응용에 집중되어 왔으며, 고차 비선형 감수율이 큰 물질의 부족으로 인해, 고차 비선형 광학 효과를 얻기 위하여 직접적인 고차 과정을 이용하기 보다 그림 1(a)와 같이 2차 비선형 광학 효과의 연속적인 과정을 통해 구현하는 방법이 선호되어, 비선형 감수율의 일반적인 특성에 대해서는 충분한 이해가 이루어지지 못하였다. (중략)
초고출력 레이저와 비선형광학에 대한 고찰이다. 초단펄스를 발생하는 광 스위치의 역사, 비선형광학결정에 의한 파라메트릭증폭, 하전입자를 가속하는 상대론광학, 레이저확대법칙의 역사적 전환, 초고출력 레이저에 의한 고에너지물리학 등에 대해서 기술하고 있다. 이것들을 통해 보면 광 강도가 강하게 됨에 따라 최초는 선형응답에서 시작하는 상호작용에서 비선형효과가 발생하고, 그리고 비선형광학이 발전하면 오히려 비선형광학에서 만들어지는 선형상호작용, 예를 들면 상대론광학과 초상대론광학 등에 의해 종래, 비선형에서 소프트한 상태 중에 질서 된 관계가 만들어지듯이 선형${\rightarrow}$비선형${\rightarrow}$선형${\rightarrow}$비선형${\rightarrow}$선형을 반복하는 것을 알 수 있다. 본고는 전기통신대학 레이저신세대연구센터 우에다 켄이치 연구원이 월간 광기술 컨텍트 2012년 5월에 기고한 내용으로서 그린광학의 유정훈 팀장이 번역에 도움을 주었다.
비선형광학은 1962년 Franken과 그 동료진에 의하여 루비 레이저빛을 수정결정에 입사시킨 결과로 루비 레이저파장의 반에 해당하는 자외선빛의 발생을 관찰한 이후 지난 40년간 급속히 발전해온 광학의 한 연구분야로, 물질내에 전기장에 대하여 2차이상에 비례하는 분극이 유도됨으로 인하여 생기는 모든 효과를 통칭 비선형광학효과라고 한다. 그중 제2차 비선형현상은 광전효과를 이용한 빛변조, 제2차고조파 발생 및 합/차 주파수파발생을 통한 다양한 파장의 결맞은 광원으로서 응용되고 있을 뿐 아니라, 제3차 비선형현상으로 Optical bleaching, 자체집광/퍼짐, 광학적 고립파 및 Optical Switching 등 빛을 이용한 빛제어(Light control by light)를 할 수 있는 응용성이 있어 오늘날 까지도 활발한 연구가 진행되고 있다. (중략)
광컴퓨터에 있어서 비선형 물질의 역할은 매우 중요하다. 그러한 비선형 물질들은 빛과 상호작용하고 빛의 성질을 변조시킨다. 광컴퓨터의 몇몇 구성 성분들은 그들이 작용하는데 있어서 중요한 비선형물질을 필요로 한다. 하지만 모든 광학적 장치들의 사용이 사실상 제한되는 것은 현재 이용할 수 있는 비선형 광물질이 비효과적이고 응답과 스위칭에 대해서 많은 에너지를 필요로 하기 때문이다. (중략)
현재까지 많은 자체집광(Self-focusing)현상대한 많은 실험적인 연구와 이론적인 연구가 있어 왔다. 이 대표적인 광학적 비선형 현상중 하나인 자체집광현상은 물질의 종류나 구조에 따라 여러 가지 형태로 나타난다. 특히, 근래들어 비선형 박막에서 일어나는 자체집광 현사을 근접장(near-field)영역에서 관측한 실험이 있어왔다. 회절한계이하의 빔 크기를 형성시키기 위하여 자체집광현상을 이용하려는 이러한 연구는 광 메모리와 같은 응용분야에 효과적으로 응용되리라 예상된다. (중략)
물질에 큰 전기장을 가하였을 때 그 물질의 전기 감수율이 선형이 아닌 비선형관계를 갖게 되는데, 이로 인하여 선형계에서는 볼 수 없는 여러 가지 특이한 현상들이 관측된다. 이러한 비선형적인 현상 중에서 자체집광현상은 Guassian세기 분포를 가지는 빛을 매질에 통과시켰을 때 시료가 얇은 렌즈처럼 작용하는 것으로 설명할 수 있다. 비선형 효과에 의하여 레이저빔이 본래의 특성과 달라질 수 있고 빔의 심각한 변형을 일어난다. (중략)
임계 이중 연계혼합물인 nitroethane 과 cyclohexane 혼합물의 임계온도 근처에서 전기적 감수율 (electric susceptibility)을 전기용량의 온도에 대한 변화를 측정하여 얻었다. 비선형 효과를 관측하기 위하여 자기유도 타원편광축 회전에 의한 제3차 비선형 광학감수율을 측정하여 임계지수를 구하였다. 임계지수는 0.34 였다.
반도체 양자구조에 대한 광특성을 이해하기 위하여 정상상태에서의 흡수 스펙트럼과 광여기 발광측정을 통하여 양자구속효과 등의 선형 광특성에 대해 알아보았다. 또한 반도체 양자 구조를 이용한 광소자 개발에 있어서 매우 중요한 반도체의 비선형 광특성을 이해하기 위하여 비선형성을 일으키는 쿨롱 스크리닝, 띠채움, 밴드갭 재규격화, 그리고 열효과 등에 대해 알아 보았다. 그리고 광여기에 의해 생성되는 운반자들의 동력학에 대해 알아보고 이러한 운반자들의 시간에 따른 움직임을 측정하는 degenerate four-wave mixing과 differential transmission spectroscopy등의 시간 분해 분광학에 대해 소개하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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