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맞춤형 “나사모양” 빛을 만드는 레이저가 최초로 설계됐다.
광원의 궤도 각운동량을 완전히 제어."스크류 빛" 레이저는 이산화티타늄으로 만든 600nm(나노미터) 높이의 직사각형 기둥으로 구성.
파장 532nm의 녹색광이 이 기둥을 통과하면, 열은 진동 방향에 따라 광파의 위상을 지연시킨다.

맞춤형 "스크류 모양" 빛을 내는 최초의 레이저.
메타 구조 레이저(Metastructure laser)는 높은 궤도 각운동량을 지닌 슈퍼 스크류 빛을 생성한다.

빛으로 만든 나사 :
연구원들이 맞춤형 “나사형” 빛을 직접 생성하는 데 사용할 수 있는 레이저를 최초로 설계했다. 이 슈퍼 키랄 빛은 스핀에 관계없이 모든 궤도 각운동량을 유지할 수 있다.
"Nature Photonics" 저널에 보고된 것처럼 이전 레이저로는 불가능했던 것을 레이저 내부의 나노 구조화된 메타표면에 의해 가능해진다. 

▲ 새로운 레이저는 임의로 설정할 수 있는 궤도 각운동량으로 빛을 회전시킨다. © University of the Witwatersrand

빛이라고 다 같은 빛이 아니다.

개별 광자의 파장, 편광과 스핀에 따라, 빛 혹은 레이저 빔의 특성과 가능한 응용은 다르다. 연구원들은 심지어 와인병 마개 코르크를 빼는 나사 모양의 빛을 만들어 데이터를 전송하는 데 사용했다.
소위 궤도 각운동량 (OAM; Orbital Angular Momemtum)은 광파가 자신의 축을 중심으로 나선형으로 회전하도록 한다.

임의의 회전 밀도를 가진 스크류 빛

지금까지 이 나사모양 빛은 특정 스핀 의존 궤도 각운동량으로만 생산될 수 있었다.
요하네스버그 Witwatersrand 대학의 헨드 스루르(Prof. Hend Sroor)는 “큰 기술 발전에도 불구하고 회전 운동과 궤도 회전 사이의 대칭성을 깨뜨려 각도 운동량을 생성할 수 없었다”고 설명한다. 이를 달성하기 위해, 빛의 카이랄성(Chiral;비대칭성)을 독립적으로 조정할 수 있는 광원이 필요하다.

연구원들은 최근 정확히 이 광원을 만들었다.
설명과 같이 광원의 궤도 각운동량을 완전히 제어할 수 있는 최초의 레이저다.
결과적으로 거의 모든 회전 밀도와 고순도로 나사형 모양을 생성 할 수 있다.
Sroor와 그의 팀은 “이 레이저는 이전에 레이저에서 관찰되었던 모든 궤도 각운동량 조건뿐만 아니라 이전 레이저에서 관찰된 적이 없는 새로운 형태의 나사 모양 빛을 생성한다”고 말했다.

나노 기둥은 광선을 조작

"스크류 빛" 레이저는 레이저 캐비티 내부의 나노 구조화된 메타 표면에 의해 가능해진다.
이산화티타늄으로 만든 600nm(나노미터) 높이의 직사각형 기둥으로 구성되며 두께와 너비가 다르다. 파장 532nm의 녹색광이 이 기둥을 통과하면, 열은 진동 방향에 따라 광파의 위상을 지연시킨다.
Sroor와 그의 동료들은 “캐비티 내부의 빛은 이 메타 표면을 여러 번 통과한다”고 설명한다. "원래 빛의 두 직교 편광 상태는 임의로 조절 가능한 궤도 각운동량을 사용해 나선형 회전으로 변환된다."

또한 이 레이저는 처음으로 궤도 각운동량이 최대 100인 매우 단단한 조명 나사를 만드는 데 사용할 수 있다. 연구원들은 이것이 레이저에 의해 생산된 최고의 가치라고 보고했다.

마이크로 부품용 빛 드라이버

흥미로운 점은 이러한 레이저의 맞춤형 스크류 빛은 다양한 응용 분야를 가지고 있다.
Sroor의 동료 앤드류 포브스(Andrew Forbes)는 “빛은 궤도 각운동량을 물질에 전달할 수 있다. 이 빛을 광학 드라이버로 생각할 수 있다. 나사를 기계적으로 조이는 대신 이 빛으로 나사를 켤 수 있으며 거의 ​​자체적으로 켜진다"고 설명했다. 스크류 회전이 가까울수록 각운동량이 더 많이 전달된다.

이러한 광학 "드라이버"는 소형 부품의 기계적 조작이 한계에 도달하는 마이크로 범위에서 특히 중요하다. 응용 분야는 마이크로 일렉트로닉스 및 컴퓨터 기술에서 생의학에 이르기까지 다양하다. 포브스는 “예를 들어, 랩 온 칩 (lab-on-a-chip)을 사용하면 회전된 빛으로 셀을 분류하고, 유체 흐름을 제어하거나 원심 분리기를 모방할 수 있다”고 설명했다.

큰 것부터 작은 것까지

이 레이저의 또 다른 장점은 적응성이다.
“우리는 고성능 레이저를 얻기 위해 메타 표면의 수율과 크기를 늘릴 수 있다. 또한 칩에 맞도록 시스템을 축소 할 수 있다”고 Sroor와 그의 동료들은 말한다.
"우리의 연구는 온-칩 장치와 고체 레이저에 대한 연구를 통합하는 중요한 단계를 의미한다."

Nature Photonics, 2020; doi : 10.1038 / s41566-020-0623-z
출처 : Witwatersrand University

 

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