[테크월드=배유미 기자] KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다. 이에 따라 더욱 정밀한 모니터링과 측정이 가능해질 전망이다.

레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간이나 주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학뿐만 아니라 거리 측정, 형상 이미지나 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정한다.

광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술. (자료제공=KAIST)

작년 5월 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 광도)에 대한 기본단위가 재정의됐다. 이는 모두 주파수를 기반으로 정의되기에, 광주파수의 안정도를 확보하는 것이 초정밀 측정∙센서 분야에서 매우 중요한 이슈였다.

기존에는 여러 개의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후, 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 그러나 이와 같은 방식을 사용할 시, 장비의 크기가 커서 많은 공간을 차지하고, 고가이기 때문에 소수의 표준 연구소에서만 사용됐다.

이와 같은 한계점을 극복하고자 연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했다. 그 결과, A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또한, 주파수 안정도도 기존에 비해 대폭 개선했다.

해당 기술은 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 특히 대기 유해물질 모니터링 등에 사용되는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있다.

김정원 교수는 “이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 한국표준과학연구원 시간표준센터와 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 27일 자에 게재됐다.

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