Wavefront shaping of terahertz radiation using two-color flying-focus pulses with time-dependent focal velocities

테라헤르츠(Terahertz) 방사선은 와이파이(Wi-Fi)에 사용되는 마이크로파와 피부를 따뜻하게 하는 적외선 사이의 독특한 영역을 차지하고 있습니다. 이 보이지 않는 에너지 대역은 가시광선을 차단하는 의류, 판지, 플라스틱과 같은 많은 물질을 손상시키지 않고 통과할 수 있기 때문에 과학자와 엔지니어들에게 강력한 도구입니다. 이는 패키지 내부를 들여다보거나, 가스의 화학적 조성을 분석하거나, 생물학적 조직의 이미지를 포착하는 데 이상적입니다. 이러한 응용 분야가 가장 잘 작동하도록 하기 위해, 연구자들은 종종 매우 짧고 강렬한 이 방사선의 펄스를 필요로 합니다. 이러한 펄스를 만드는 가장 효과적인 방법 중 하나는 특수 레이저를 가스 속으로 발사하는 것입니다. 레이저가 가스와 충돌하면 원자에서 전자를 분리하여 짧게 움직이는 전류를 생성하고, 이것이 테라헤르츠 파를 방출합니다. 이 파동이 이동할 때 그 형태는 전자의 전류가 얼마나 빨리 이동하느냐에 전적으로 달려 있습니다. 만약 전류가 일정한 속도로 이동한다면, 파동은 물속을 지나가는 보트 뒤에 생기는 V자 모양의 항적처럼 원뿔 형태로 퍼져 나갑니다.

수년 동안 과학자들은 이 전자 전류의 속도를 어느 정도 제어할 수 있었으며, 이를 통해 테라헤르츠 파가 퍼지는 각도를 조절할 수 있었습니다. 그러나 이러한 제어는 속도를 일정하게 유지하는 것에 국한되었기 때문에, 파동은 항상 동일한 원뿔 형태를 형성했습니다. 로체스터 대학교와 브뤼셀 자유 대학교 연구진의 새로운 연구는 전자 전류의 속도를 시간에 따라 변화시킴으로써 파동을 완전히 새로운 형태로 재형성할 수 있음을 보여주었습니다. 원뿔 대신, 그들은 파동을 포물선 형태로 구부려 집중시키고 좁은 빔으로 모으기에 자연스럽게 적합한 모양으로 만들 수 있음을 입증했습니다. 이 발견은 테라헤르츠 펄스를 단순히 강력하게 만드는 것을 넘어, 에너지를 아주 작은 점에 집중시키거나 넓은 영역으로부터 효율적으로 수집하는 것과 같은 특정 작업을 위해 정밀하게 형상화할 수 있는 길을 열어주었습니다.

연구진은 "플라잉 포커스(flying focus)"라고 알려진 기술을 사용하여 이를 달성했습니다. 표준 레이저 설정에서는 가장 높은 강도를 가진 지점이 한 곳에 고정되어 있습니다. 플라잉 포커스에서는 가장 높은 강도를 가진 지점이 연구자들이 선택할 수 있는 속도로 레이저 빔을 따라 이동하도록 만들어집니다. 이를 위해 그들은 레이저를 서로 다른 색상의 고리로 나누고 이들을 약간 지연시켜 빔의 서로 다른 거리에서 초점이 맺히도록 하는 특수 광학 시스템을 사용했습니다. 이러한 지연을 정교하게 배치함으로써, 그들은 밝은 부분이 빔을 따라 특정 속도로 앞으로 이동하는 펄스를 만들어냈습니다. 실험에서 그들은 두 가지 색상의 빛으로 구성된 레이저 펄스를 사용했는데, 이는 가스 내에서 전자 전류를 효율적으로 구동하는 데 필수적입니다. 그들은 이 밝은 부분이 가스를 통과하며 매우 빠르게 시작하여 점차 일정하게 느려지도록 프로그래밍했습니다.

레이저의 밝은 지점이 가스를 통과함에 따라 원자를 이온화하여 전자의 궤적을 만들었습니다. 레이저 지점이 느려짐에 따라, 그들이 만든 전자의 궤적 또한 느려졌습니다. 연구진은 이 감속되는 궤적이 테라헤르츠 파를 방출하는 이동하는 광원 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 광원이 속도가 변하고 있었기 때문에, 파동이 방출되는 각도도 계속해서 변했습니다. 모든 파동이 동일한 각도로 이동하여 원뿔을 형성하는 대신, 과정 초기에 방출된 파동은 넓은 각도로 이동했고, 나중에 방출된 파동은 더 가파른 각도로 이동했습니다. 이 파동들이 결합했을 때, 하나의 곡선인 포물선형 파면을 형성했습니다. 연구진은 고급 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 이 과정을 모델링했으며, 감속하는 이온화 전선(ionization front)이 포물선형 파면을 생성하는 반면, 일정한 속도의 전선은 전통적인 원뿔을 생성한다는 것을 확인했습니다.

시뮬레이션 결과, 생성되는 파동의 모양은 속도가 얼마나 변하는지와 직접적으로 연결되어 있음이 드러났습니다. 초기 레이저 초점의 속도와 그것이 느려지는 속도를 조정함으로써, 팀은 파동의 곡률을 제어할 수 있었습니다. 더 빠르게 시작하여 더 급격히 느려질수록 더 타이트한 곡선을 만들고, 더 느리게 시작하면 더 완만한 곡선을 만듭니다. 이러한 수준의 제어는 매우 중요한데, 왜냐하면 포물선형 파동은 원뿔형 파동보다 집중시키기가 훨씬 쉽기 때문입니다. 원뿔형 파동은 고리 모양으로 퍼져나가 에너지를 단일 지점에 집중시키기 어렵지만, 포물선형 파동은 자연스럽게 수렴하므로 에너지를 훨씬 더 효율적으로 수집하고 집중시킬 수 있습니다. 이는 입자를 가속하거나 극도로 정밀하게 물질을 조사하는 것과 같이 높은 강도가 필요한 응용 분야에서 큰 장점이 될 수 있습니다.

연구는 또한 이러한 파동을 만드는 데 있어 실질적인 과제들도 살펴보았습니다. 깨끗하고 균일한 포물선 형태를 얻으려면 레이저가 전체 경로를 따라 일정한 전자 흐름을 만들어내야 합니다. 연구진은 레이저 강도가 변동하거나 두 색상 사이의 타이밍이 맞지 않으면 전자 흐름이 불균일해지고 파동의 모양이 왜곡된다는 것을 발견했습니다. 그들은 광학 시스템에 중앙 구멍을 설계하고 레이저 속도가 경로의 시작과 끝에서 일정하도록 보장함으로써, 전자 생성이 더 균일한 영역을 만들 수 있다는 것을 알아냈습니다. 이러한 균일성은 예측된 깨끗한 포물선 형태를 얻는 데 매우 중요합니다. 시뮬레이션은 이러한 조정을 거쳤을 때, 결과물인 테라헤르츠 펄스가 일정한 속도의 레이저에서 보이는 고리 모양 패턴과 달리 매끄럽고 고른 에너지 분포를 가짐을 보여주었습니다.

이 작업은 단순히 전자 전류의 속도를 제로 제어하는 것에서 나아가, 그 속도가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 제어하는 것으로의 전환을 의미합니다. 연구진은 이온화 전선의 속도를 프로그래밍 가능한 변수로 취급함으로써, 테라헤르츠 광원 설계에 새로운 자유도를 추가했습니다. 이 연구 결과는 자연이 기본적으로 제공하는 형태에 국한되지 않고, 특정 응용 분야의 요구에 맞춰 파면의 모양을 설계하는 것이 가능하다는 것을 시사합니다. 제시된 결과는 컴퓨터 시뮬레이션에 기반하고 있지만, 그 기저의 물리학은 빛과 물질이 상호작용하는 확립된 원리에 기초하고 있습니다. 연구진은 적절한 광학 부품이 있다면 이러한 형상화된 펄스들을 실제 실험실에서 생성할 수 있다고 믿습니다. 이러한 능력은 빔을 조밀하게 집중시키는 능력이 광원의 출력만큼이나 중요한 이미징 및 센싱 분야에서 더 효율적인 테라헤르츠 시스템을 만드는 데 기여할 수 있습니다.