실리카 미세 공진기에서 광 카콤과 유도 라만 산란의 이득 경쟁

사광파 혼합 및 유도 라만 산란은 3차 비선형 광학 효과의 일종으로, 단위 부피당 빛의 밀도가 높아지는 미세 광 공진기에서 자주 관찰되는 현상입니다. 이들은 에너지 보존 법칙을 만족하는 조건 하에서 '새로운 파장의 빛을 생성하는 과정'으로 생각할 수 있습니다. 유도 라만 산란은 펌프광과 물질 고유의 분자 진동과의 공명(산란)에 의해 새로운 파장의 빛이 발생하는 현상이다. 이번에 사용한 공진기의 재료인 실리카 유리는 매우 넓은 파장대역에서 라만 이득을 갖는 것으로 알려져 있으며, 이는 다양한 파장의 빛이 발생할 가능성이 있다는 것을 의미한다. 한편 사광파 혼합은 어떤 단일 파장의 펌프광을 입력했을 때 파장이 다른 새로운 광자가 생성되는 현상이다. 이렇게 생성된 빛은 단색성, 지향성이 우수하여 칩 스케일로 동작하는 광 주파수 콤 광원으로의 응용도 기대되고 있다.

본 연구에서는 실리카 미세광 공진기에서 발생하는 사광파 혼합과 유도 라만 산란 사이의 이득 경쟁을 이론적으로 예측하고 실험적으로 관찰하는 데 성공하였다. 앞서 언급한 바와 같이 사광파 혼합과 유도 라만 산란은 전혀 다른 물리현상이지만, 둘 다 같은 펌프광에서 발생하기 때문에 어느 쪽이 우선적으로, 지배적으로 발생할 것인가에 대한 의문이 남아있었다. 해결의 열쇠는 '이득(게인)'에 대한 분석이다. 사광파 혼합과 유도 라만 산란의 발생 용이성(=이득)을 이론적 분석을 통해 비교한 결과, 사광파 혼합과 유도 라만 산란을 선택적으로 얻을 수 있는 조건이 있다는 것을 발견했다.
아래 그림은 레이저의 파장을 미세하게 조정하여 1-FSR(펌프의 한 개 옆의 모드), 유도 라만 산란, 2-FSR(펌프의 두 개 옆의 모드)의 동적 상태 변화를 관찰한 실험 결과입니다. 시뮬레이션 결과와도 잘 일치하며, 지금까지 관찰되었지만 깊이 이해되지 않았던 메커니즘을 밝혀냈다고 할 수 있습니다. 이러한 성과는 향후 광카컴 및 라만 레이저의 응용을 위한 중요한 지식이 될 것으로 기대됩니다.