광자결정 합금에 기반한 무작위 레이저의 개념도© 뉴스1

차세대 광학 산업에 활용될 가능성은 높지만 조절하기가 어려웠던 '무작위 레이저'(random laser)를 국내 연구진이 제어하는 데 성공했다. 광자결정 합금구조를 활용해 제어에 성공한 것인데, 이로써 무작위 레이저를 이용한 차세대 광소자 개발이 탄력을 받을 전망이다.

전헌수 서울대 물리천문학부 교수 연구팀은 무작위 레이저에 '광자결정 합금 구조'를 접목해 무작위 레이저를 제어할 수 있도록 구현하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

무작위 레이저는 한 방향으로 레이저 빔이 발사되는 대신에 무질서한 입자들에 의해서 모든 방향으로 빛이 산란돼 나가는 레이저다. 일반 레이저와 다른 특성을 가져 고기능성 레이저로 활용이 가능하다는 기대가 높다.

하지만 사실상 무질서한 발광 특성을 제어할 수 있는 수단은 전무했고 전기장·열·압력과 같은 외부 요인으로 제어하기에는 비용과 소형화 측면에 한계가 있었다.

이에 연구진은 광학계의 근본적인 이해를 통해 제어 방법을 개발하고자 했다. 무질서한 광학계는 일정 수준 이상의 무질서도에서는 결정구조가 파괴된다는 것에 주목해 무질서도에 관계없이 결정구조가 유지되는 '광자결정 합금 구조'를 개발했다. 개발된 광자결정 합금 구조는 빛의 정교한 제어에 필요한 충분한 수준의 자유도가 보장되면서도 안정적으로 광모드를 유지할 수 있다.

또 연구진이 개발한 광자결정 합금 구조는 무작위 레이저는 2개 이상의 광을 동시에 방출하는 다중모드 레이저로만 존재한다는 통념을 깨버렸다. 이 구조를 이용하면 1개 광만을 방출하는  단일모드 레이저로 발진시키는 데 성공했다.

전 교수는 "이번 성과는 무작위 레이저의 특성을 인위적으로 제어할 수 있음을 처음으로 증명한 것"이라면서 "앞으로 무작위 레이저의 성능과 활용성을 현저히 개선하는 기반 기술로 자리매김하고, 앞으로 차세대 광소자 개발에 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 9일 '네이처 포토닉스'(Nature Photonics)에 실렸다.