미세한 광학적 소용돌이와 그 응용 (1999/07/14) |
테크니온-이스라엘 공과 대학 (이스라엘 하이파 소재) 의 연구진이, 작은 레이저에 의해 미세한 광학적 소용돌이 (vortex) 들로 이루어진 복잡한 패턴이 형성될 수 있음을 발견하였다. 사이언스 7월 9일자에 게재된 이 연구는 고속 데이타 전송이나 처리에 있어서의 새로운 방법을 위한 기초가 될 것으로 기대되고 있다.
테크니온의 Meir Orenstein 박사와 Jacob Scheuer 박사는, VCSEL (vertical cavity surface-emitting lasers: 수직공동표면방출레이저) 이라는 레이저를 사용하여 한면이 20 마이크로미터 정도인 표면 상에 레이저 광을 형성시켰다. 이 레이저는 유리섬유를 통한 광통신 등에 주로 쓰이는 것으로서, 단일하며 완만한 빔을 만들도록 보통 디자인된다. 연구진은 레이저의 크기를 평소의 두 배로 늘이고 주입되는 전류도 세배 내지 여섯 배 가량 증가 시키는 방법으로 레이저의 특성을 바꾸었고, 이에 따라 평탄했던 레이저 빔이 붕괴하면서 복잡한 패턴이 관찰되었다.
다른 레이저와 마찬가지로, VCSEL 은 빛을 증폭시키는 성질을 가진 물질의 양쪽에 장착된 두 거울 사이에서 빛을 반사 시킨다는 작동 원리를 이용한다. 이번 실험에 있어서 특이한 점은, 빛의 양이 증폭의 정도를 변화 시키고 이것이 다시 빛의 양을 변화 시켰다는 것이다. 이러한 과정에 의해 레이저 물질이 자체적으로 명암 패턴을 형성시키는데, 실제적으로 규칙적인 배열 상태를 가진 광학적 소용돌이들이 관찰되었다.
소용돌이 현상은 우리 주변에서 종종 목격이 되는데, 목욕통 배수구로 물이 빠질 때나 돌풍 등을 예로 들 수 있다. 이처럼 물이나 공기 대신 빛으로 이루어진 경우를 광학적 소용돌이 (optical vortex) 라고 한다. 잘 알려진 대로 빛은 전자기 파동이며, 광학적 소용돌이에서는 그 파동 운동의 방향이 중심 축 주위를 회전한다. 배수구에서와 마찬가지로 중심 축과의 거리가 가까울수록 회전의 속도가 빠르다. 하지만 유체 소용돌이와는 달리 광학적 소용돌이는 중심 축에 접근할수록 회전 속도가 한없이 증가한다.
테크니온의 연구진이 행한 실험에서, 입력 전류를 증가 시킴에 따라 3, 5, 7 개의 소용돌이들로 이루어진 패턴이 순간적으로 생성되었다. 다른 연구진에 의해 이루어졌던 기존의 실험에서도 광학적 소용돌이가 만들어지긴 했지만, 상대적으로 훨씬 크고 복잡한 장비들을 필요로 했다. 그럼에도 불구하고, 형성된 패턴이 그리 복잡하지 않았었다.
소용돌이는, 기체, 액체, 플라즈마 뿐 아니라 DNA 나선에서와 같은 생명체 등 다양한 자연계에서 폭넓게 일어나는 현상으로, 이론적으로 매우 흥미로운 대상이다. 이러한 소용돌이가 레이저에서 발생하는 과정은 테크니온의 연구진에 의해 이해되었다고 볼 수 있지만, 이러한 특이한 현상이 그처럼 다양한 곳에서 일어나는 이유는 사실 아직도 명확하지 않다.
미세한 광학적 소용돌이는 실질적인 적용 가치가 지니고 있다. 레이저 밖으로 보내져 공중이나 광섬유를 통해 전달되더라도 소용돌이 구조와 회전 방향이 그대로 유지되기 때문이다. 이 때문에 빠른 속도와 장거리로 정보를 전송하고자 할 때 유용하게 쓰일 수 있다. 뿐만 아니라, 원자들을 중심부에 밀집 시켜 부동화 시킴으로써 매우 낮은 온도로 냉각 시키는 효과를 발휘할 수도 있다. |