[김동언 교수 연구실] Complete characterization of ultrafast optical fields by phase-preserving nonlinear autocorrelation

caption : Concept of the unbalanced-intensity nonlinear interferometric autocorrelation (IAC).

제목:  Autocorrelation now reveals the complete electric field of  the shortest pulses of light

극고속 광원의 급속한 발전과 무수한 과학 및 산업 응용 분야에서의 엄청난 성공은 극고속 레이저 펄스의 전기장의 정확한 측정으로 가능했다. 극고속 레이저 펄스의 시간 특성 측정은 더 짧은 샘플링 과정없이 극고속 전기장 파형을 추적해야 하는 역설적인 문제를 안고 있다.  지금까지 비선형 자기 상관 측정에서 펄스를 자체 게이트(또는 "샘플") 로 사용하여 시간 정보를 간접적으로 얻었는데, 이 방법은 펄스 모양이 알려져 있다고 가정할 때 펄스 시간을 측정하는 데 유용하다.  이 측정 방법에서는 펄스 스펙트럼 위상이 손실되기 때문에 실제 펄스의 구체적인 정보를 확보할 수 없었다. 손실된 스펙트럼 위상을 재구성하거나 직접 감지하기 위해 추가적인 분광 측정 등 다양한 정교한 광학 계측 방법이 개발되었고, FROG 또는 SPIDER 방법이 가장 널리 알려진 방법이다. 그런데 이 방법 등은 자기 상관 측정 장치에 비해 실험적 복잡성을 추가될 뿐만이 아니라 분광학적으로 접근할 수 있는 광학 필드의 경우에만 사용될 수 있다. 따라서 좀더 보편적이고, 간단한 정밀 측정이 요구되고 있다.

포항공과대학교, 막스플랑크 POSTECH/Korea Res., 부산대학교 연구팀은 추가적인 분광 측정 없이 스펙트럼 위상 정보를 보존하는 간단한 불균형 비선형 간섭계 자기 상관 기술을 개발하고, 극고속 레이저 전기장의 완전한 재구성이  가능하다는 것을 실험적으로 구현하고, Light: Science & Applications  9월호 발표하였다, . 

“기존의 자기 상관 측정에서는 광 펄스 의 두 개의 동일한 복사본을 사용하여 펄스를 자체적으로 게이트합니다. 두 펄스는 구별할 수 없으므로 시간 영역에서 대칭성이 유지되고, 주파수 영역에서 스펙트럼 위상 정보가 손실됩니다. 펄스 중 하나를 약하게 함으로써 이 동일성을 깨게 되면, 스펙트럼 위상 정보를 보존할 수 있습니다.” 라고 Gliserin 박사는 설명한다. 김승철 교수는 “흔히 사용되는 극고속 펄스의 경우에는, 스펙트럼 위상 정보가 보존된 불 균형  자기 상관 신호를 간단하고 빠른 수치 알고리즘으로 풀 수 있다. 극고속 광학 계측 방법을 명명 하는 전통에 따라, 이 새로운 기술을 PENGUIN(Phase-Enabled Nonlinear Gating with Unbalanced INtensity )이라고 부릅니다.”   수 주기 (~6-fs) 레이저 펄스에 대해서, 잘 확립된 FROG 기술로도 측정하고 상호 비교하여 매우 우수한 일치를 확인함으로써 새로운 기술을 실험적으로 벤치마킹하고 검증했다.

“사실상 기존의 모든 비선형 간섭계 자기 상관 시스템은 이제 PENGUIN 기술을 사용하면 완전한 광학 필드 특성 분석에 사용될 수 있습니다.  분광계가 필요 없고 FROG 또는 SPIDER와 같이 복잡할 필요가 없습니다. 원래 우리의 목표는 분광학적으로 접근할 수 없는 광학 전기장에 대한 뛰어난 계측 기술을 개발하는 것이었습니다. 이러한 좋은 예는 나노구조의 극고속 플라즈몬 근거리장이며, 이는 비방사성이므로 이전 분광학 기반 특성 분석방법으로는 접근이 어려우나, 비선형 광전자 방출을 통해 쉽게 얻을 수 있습니다. PENGUIN 기술을 도입하면, 지금까지 불가능했던 극고속 비방사 전기장을 정확하게 측정할 수 있게 됩니다.  따라서 PENGUIN 기술은 빛 물질 상호 작용의 새롭고 영역을 탐구하는 문을 여는 것입니다.”라고 김동언 교수는 말했다.