비선형 광학 (Nonlinear Optics)
한 줄 정의: 빛이 매우 강할 때 매질의 편광이 전기장에 비례하지 않고 제곱·세제곱 항까지 반응하면서 나타나는 광학 현상을 연구하는 분야입니다.
쉽게 풀면
보통의 빛에서는 유리 같은 물질이 빛의 세기에 비례해 반응합니다. 그런데 레이저처럼 아주 강한 빛을 쪼이면 물질의 반응이 비례 관계에서 벗어나고, 새로운 색의 빛이 생기는 등 특이한 일이 일어납니다. 이런 현상을 다루는 분야가 비선형 광학입니다.
왜 중요한가
녹색 레이저 포인터의 주파수 변환, 파장 가변 광원, 초단 펄스 측정, 광통신 신호 처리 등 레이저 기술의 많은 부분이 비선형 광학에 기대고 있습니다. 다광자 현미경처럼 생물 영상 기술에도 쓰입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"주기적 분극반전 결정을 이용한 제2고조파 발생으로 1064 nm 레이저를 532 nm 녹색광으로 변환하였다."
비선형 광학의 대표 응용 예시입니다.
조금 더 깊게 보면
매질의 편광은 P=ε₀(χ⁽¹⁾E+χ⁽²⁾E²+χ⁽³⁾E³+…)로 전개되며, χ⁽²⁾·χ⁽³⁾를 비선형 감수율이라 합니다. 2차 효과로 제2고조파 발생, 합·차주파수 발생, 광학매개변수 증폭이 있고, 3차 효과로 커 효과, 자기위상변조, 4파 혼합이 있습니다. 2차 효과는 반전 대칭이 없는 결정에서만 나타나며, 효율적인 변환에는 위상정합 조건이 필요합니다. 1961년 프랭컨 등이 레이저로 제2고조파를 관측한 것이 분야의 출발점으로 꼽힙니다.
주의할 점
비선형 감수율 텐서와 제2고조파 발생은 이 분야의 정식화와 개별 현상이고, 비선형 광학은 그 전체를 아우르는 분야입니다. 수학의 비선형 방정식 일반과 혼동하지 않아야 합니다.