광기술

단일미립자로 된 구상(球狀) 광공진기

矢野哲司 Tokyo Institute of Technology
柴田修一 Tokyo Institute of Technology

1. 구상 광공진기의 발진원리와 연구의 역사
시판되고 있는 레이저에는 2장의 거울을 마주보게 한 파블리 페로타입의 광공진기가 적용되고 있다. 레이저 활성물질을 공진기 속에 설치하고, 이것을 외부로부터 전기적 혹은 광학적으로 여기하여 발생한 빛을 모아서 발진동작을 일으키도록 한다. 한편, 광파이버와 같은 코어 크래드 구조를 갖는 광도파로에 희토류 금속이온 등을 첨가하고, 이 도파로에 빛을 입사·전반시켜 레이저 혹은 광증폭기로서 이용하는 일도 널리 이루어지고 있다. 빛을 모으는 원리는 코어와 크래드의 굴절률을 이용한 ‘전반사(全反射)’이다. 미소한 광디바이스의 성능을 극한까지 높이기 위해서는 ‘미소한 공간에 빛을 효율적으로 모으는’일이 키포인트가 된다. 현재 가장 광집합효율(Q값)이 높은 공진기 구조를 구상으로 Q=108~1010이나 되는 값이 보고되어 있다. 따라서 유리나 폴리머 등 가소성이 높은 재료로 된 마이크로미터 사이즈의 단독 구상미립자에 ‘구상광공진기’로서의 기능을 실현시켜 (1)빛과 재료의 강한 상호작용은 무엇을 일으키는가, (2)어떠한 광 응용에의 길을 열 수 있는가를 밝히려는 시도가 시작되었다.
그림 1에 색소함유 미소구를 예로 하여 미소구 레이저가 발진하고 있는 모습을 모식적으로 나타내었다. 미소구의 굴절률 n1 과 주위를 둘러싼 매질의 굴절률 n2은 (n1>n2)의 관계에 있다. 구상 공진기의 경우도 광집합의 원리는 ‘전반사’이며, 중요한 물성은 미립자의 입경 2r과 미립자 자체와 주위 매체와의 사이의 상대굴절률 nr(nr=n1/n2)이다. 입사한 여기용 레이저 광은 미소구 안에서 활성분자인 색소에서 형광을 발생시킨다. 그 형광이 계면 근방에서 전반사를 반복하면서 미소구의 내면을 여러 번 돌게 된다. 이때, 위상이 일정한 파장의 형광에만 공진이 발생하고, 이것이 레이저 발진광이 된다. 또한 미소구를 구성하는 재료에서 유래하는 라만광도 또 공진광을 발생시킬 수 있어 이것도 발광원으로서 기능한다. 첨가한 활성이온(희토류금속이온)이나 분자(레이저색소)에 의한 형광, 미소구의 재질에 유래하는 라만 산란(스톡스광)은 여기광보다도 긴 파장역에 있어 폭넓은 발광을 보인다. 이 발광하는 파장역에 있어 입경과 굴절률이 결정하는 공진조건(모드)에 합치하는 파장만이 선택 여기되어 발진 피크로 측정된다. 구상 미립자에 의한 광공진은 빛이 구의 계면 근방을 주회함으로써 발생한다는 점에서 ‘속삭임의 복도’에 비교되어 Whispering Gallery Mode(MDR)이라고 불리고 있다(속삭임의 복도는 복도에서 이야기를 하면 작은 목소리라도 둥근 벽에 반사하여 반대 측 사람에게 들리기 때문에 이름이 붙은 것이다).
그 사이즈가 사용하는 빛의 파장 이상일 것이 필수의 요건이 된다. 따라서 단일한 미립자(광공진용 미소구)의 입경은 적어도 1㎛이상일 필요가 있다. 또 일반적으로 이론계산에서는 입경 2r과 상대굴절률 nr이 클수록 집합효율, Q값은 커진다는 것이 알려져 있다.
그림 2에 광공진을 목적으로 한 미소구 연구의 역사를 정리해 보았다. 미소구 레이저에 관한 역사는 오래되어 Maiman의 루비레이저 발진이 1960년, 그리고 그 이듬해에 이미 액체질소 속에서 Sm2+를 첨가한 입경 2mm의 CaF2 고체구에서의 발진이 보고되어 있다. 파블리 페로 타입의 일반적인 각종 레이저가 크게 발전했다는 것을 잘 알려져 있다. 한편, 구상 공진기는 제작이나 발진제어성의 곤란하다는 것이 걸림돌이 되어 오랜 기초검토를 거치게 되었다. 1980년대부터 새로운 전개가 보고되기 시작했다. 연구는 크게 나누어 2종류의 줄거리로 전개되고 있다. 첫 번째 흐름은 색소 등의 활성분자를 첨가하는 방법이다. 1984년, 색소를 첨가한 액적(입경 60㎛), 또한 1990년대, 각종 색소첨가 플라스틱 구에 대한 레이저 발진이 보고되었다. 필자 등은 1995년, 유기·무기 하이브리드 재료로 된 구상 미립자에 레이저 색소를 함유시켜 레이저 발진에 성공했다. 이 경향에 특징적인 것은 구의 입경이 연대(年代)와 함께 작아진다는 점이다. 입경의 감소에 따라 Q값은 당연히 작아지므로 광여기는 곤란해지지만 입경이 작을수록 역치 제로인 구상 레이저의 발전방향으로 간다는 점과 고속응답(psec오더)의 매력 때문인지 점점 입경이 작은 미소구가 시도되었다. 현재 입경 약 4㎛의 색소첨가 미립자로부터의 발진이 가능해졌다.
입경을 작게 하는 경향과는 다르지만 1985년의 입경 약 60㎛에 대한 유도 라망의 발진은 제 2의 흐름을 생각할 때 주목할 만한 보고이다. 이 경향은 높은 Q값을 보증하므로 비교적 큰 입경(수 십 미크론)의 미소구를 대상으로 하여 어떻게 하면 효율적으로 여기할 것인가 하는 연구이다. 광파이버 재료로 낮은 광손실로 알려져 있는 실리카 글라스를 이용한 미소구에서 프리즘 광결합, 테퍼 광파이버에 의한 광결합 등의 각종 여기방법이 시도되었다. 테퍼 광파이버에 의한 미소구와 트로이드(toroid: 원반상의 공진기 구조)의 여기로 Q=107~1010에 달하는 높은 값과 유도 라망의 발진 등이 보고되어 크게 주목되고 있다. 이후에는 항목(2. 색소 . 희토류 첨가 미소구)에서 첫 번째 경향에 대해 (3. 글라스 미소구)에서 두 번째 경향에 대해 이야기해 가겠다.

2. 색소·희토류 첨가 미소구(입경 4~10㎛)
‘연구의 흐름(1)’에 관하여 필자 등의 최근의 연구 성과에 대해 기술하도록 하겠다. 그림 3에 색소를 첨가한 유기·무기 하이브리드 미소구(입경 5㎛)의 현미경 사진을 제시했다. 이것은 ‘진동 올피스법’에 의해 하이브리드 재료로 제작한 시료인데, 종래 이용되어 왔던 에멀션법 등과 비교하면 입경이 아주 일정하다는 것이 놀랍다. 그림에 진동 올피스법의 원리를 모식도로 나타내었다.
원료인 실란커플링제(劑)를 가수분해·축중합하여 올고마를 제작해 두고, 이것을 알코올 용매로 희석하여 일정한 주파수로 초음파 진동시킨 작은 구멍(올피스 : 공경 10~20㎛)을 통해 분출시킨다. 분출액은 진동에 의해 방울(液滴)이 되는데, 이것을 건조가스로 수송할 때 어느 정도 건조·수축되고, 마지막으로 암모니아 수용액으로 포집하여 고화된다. 원료액의 분출속도, 용질 농도, 올피스의 진동수 등의 파라미터를 선택함으로써 방울의 입경을 정밀하게 제어할 수 있다. 이 제작법은 ‘잉크젯 프린터’와 같은 원리로 이루어진다는 것을 깨달았으리라 생각한다.
그림 5에는 로더민6G를 첨가한 단일 미소구(입경 6.2㎛, 농도 1×10-6mol/g)에서의 발진광의 스팩트럼을 제시했다. 펄스 Nd : YAG레이저의 제2고주파(파장 532nm)을 여기광으로 이용하여 미소구를 직접 조사하고 있다. 여기광 강도를 증가시킴에 따라서 다수 파장에서의 발진이 실현되었음을 알 수 있다. 발진의 역치는 1펄스, 1개의 미립자당 0.1~0.2nJ이 낮은 값이 된다.
색소첨가 미소구는 라망 산란이나 희토류 금속이온 등에 비교하여 색소의 고감도성으로 발진이 용이하다는 이점을 갖는 반면, 고강도의 여기용 레이저광의 조사로 열화가 현저하다는 것이 알려져 있다. 본 실험의 색소첨가 미소구에서는 약 21만발(發) 펄스광을 조사(10Hz의 펄스로 약 7시간 조사)함으로써 초기 발진강도의 약 50%까지 강도가 감소한다. 높은 Q값으로 발진 역치가 저하하여 열화가 억제되어 색소로서는 경이적인 안정성을 나타낸 것이 되지만 물론 실용으로서는 만족할만한 값이 아니다.
실용을 의식하여 광파이버와 광도파로에 의해 미소구를 여기하는 시도도 진행되고 있다. 그림 6에는 졸-겔법과 포토리소그래피로 제작한 광도파로를 사용하여 색소첨가 미소구를 여기했을 때의 현미경 사진을 나타내었다.
(a)는 도파로에 접한 미소구의 사진, (b)는 도파로를 매개로 하여 여기한 미소구의 발진광을 (여기광을 필터로 제거하고) 촬영한 현미경 사진이다. 링 모양으로 발진광이 관측되어 확실하게 구상 공진기로서 기능하고 있다는 것이 실증되었다.
필자 등의 연구팀에서는 진동 올피스법을 이용하여 다시 고굴절률 미소구(nD=2.0~2.6)제작에 관한 연구를 하고 있다. Ti를 고농도로 포함하는 하이브리드 재료로 입경 4~6㎛의 미소구를 제작하고, 가열처리로 굴절률을 증대시키고 있다. 가열처리에 의해 수축은 하지만 진구성(眞球性)은 유지되어(공진광의 발생을 확인했다), 새로운 응용을 낳을 소재로서 기대하고 있다. 물론 색소는 고온에서는 소실하므로 기능성의 발현에는 희토류 금속이온에 의한 형광이나 라망 산란광 등 고온처리를 거쳐도 문제가 없는 발광원을 이용하게 된다.

3. 글라스 미소구(입경 30~100㎛)
최근 입경은 수 십 ㎛으로 크고 높은 Q값의 단일한 유리 광공진용 미소구의 연구가 크게 진전했다(그림 2의 ‘연구의 흐름(2)’를 참조). 자릿수가 다른 높은 광의 집합 효율을 갖는 광공진용 미소구에 관해서는 역으로 ‘어떻게 구 내부에 빛을 도입할 것인가’가 어려운 문제이다. 시도되고 있는 광결합 방법의 몇몇을 그림 7에 제시하였다. ⒜프리즘 카플라, ⒝광파이버를 수 미크론까지 연신한 테파 화이버, ⒞편면(片面)을 연마와 화학에칭으로 제거한 ‘반할(半割) 광파이버’등이 실리카 글라스구를 대상으로 적용되고 있으며 여기실험이 실시되고 있다. 이들 여기방법이나 발진 실험에 대해서는 이미 우수한 총설이 보고된 바 있다.
Q=108~1010에 달하는 광 집합은 희토류 금속이온이나 유도 라망에 대해 낮은 파워에 의한 여기를 가능케 하고 있으며 그 진보는 현저한데, 그러면 실용이라는 관점에서 보았을 때 정말로 만족할만한 광학소자는 실현될 것인가.
최대의 문제점은 (1)주위의 매체와의 사이에 높은 상대굴절률 차(差)를 얻기 위해 실리카 글라스구를 노출시켜서 (공기중) 이용하고 있다는 점, (2)지름 수 미크론의 광파이버가 구면을 따라 붙어 있다는 점이다. 불안정성을 고려할 때 이러한 방법은 연구용으로서는 허용되지만 실용과는 동떨어져 있다고 말할 수 있다.
필자 등의 연구팀에서 시도하고 있는 유리 미소구의 제작과 여기실험에 대해 소개하겠다. 가장 매끄러운 구면은 유리 융액의 표면장력을 이용함으로써 얻을 수 있다. 유리는 전이온도 이상에서 표면 에너지에 따라서 형상변화를 일으킨다. 이것을 카본 기판 위에서 실시하면 유리 융액은 표면장력과 기판과의 관계(젖는 성질)에 의해 기판과 접하고 있는 구의 일부가 평면이 되는 ‘초반구(超半球)’를 제작할 수 있다. 그림 8에 이들 초반구 유리의 현미경 사진을 제시하였다. (a)는 소다라임 볼로실리케이트 글라스, (b)는 테르라이트글라스의 초반구 글라스이다. 얹은 기판에 초반구 글라스의 상이 비쳐 마치 이중으로 겹쳐져 있는 듯이 보인다. 유리의 성분과 조성이 다르면 기판과의 접촉각도 변화하기 때문에 조성의존성을 이용하여 평면부의 비율을 바꿀 수 있도록 형상을 제어할 수 있다. 이들은 솔리드 이머전 렌즈(Solid Immersion Lens : SIL)로서 적용함으로써 빛의 회절한계를 넘어서 분해능을 올릴 수 있다. 그러나 동시에 구면을 이용하여 빛을 집합시킴으로써 초반구형의 광공진기로서의 기능도 갖고 있다.
필자 등의 연구팀의 또 하나의 토픽은 유리구를 하이브리드 재료로 피복하는 시도에서 생겨났다. 그림 9에 굴절률 nD=1.93, 약 30㎛ 입경의 유리 미소구에 굴절률 nD=1.49의 피복을 실시한 특수한 형상의 광공진용 유리구(‘테라스 구조 글라스 미소구’라고 명명했다)를 Ar이온레이저(파장 514.5㎚)로 여기했을 때의 발진광(유도 라망광)의 스펙트럼 (a)와 SEM사진 (c)를 나타내었다.
그림 9(b)에 나타난 A~E는 여기광의 조사장소(스포트 사이즈 1㎛)을 나타내고 있고, 그림 9(a)의 각 스펙트럼의 지시와 일치하고 있다. 그림에 나타난 것과 같은 방향 B에서 레이저광으로 여기할 때에 강한 공진광이 발행한다는 것을 밝혀냈다. B점 조사에서의 발진강도의 여기파워 의존성을 그림 10에 나타내었다. 약 4mW(조사 레이저의 파워)에 역치가 존재하고 있고, 유도 라망 발진을 하고 있다는 것을 확인했다. 왜 테라스 구조에 B점이 이렇게 여기에 적합한 것일까. 수십 ㎛의 유리 미소구는 높은 Q치를 갖고, 구와 주위 매체와의 경계면에 빛이 주회한다. 따라서 입사광은 구에 대해 접선 방향으로부터 주어지는 것이 가장 효율적이다. 그러나 이 방향에서는 빛과 구가 접하는 부분은 극히 작기 때문에 빛은 금세 빠져나가 버린다. 테라스 구조를 마련함으로써 접선 방향으로부터 입사한 빛은 테라스를 매개로 하여 효율적으로 미소구에 빛은 도입하는 것이라고 생각된다.
이 방법에서는 유리 미소구에 그것보다도 굴절률이 낮은 피복층을 부여하는 ‘실용적인 요청’에 대응할 수 있고 게다가 테라스 구조를 광도입에 이용할 수 있다. 특성적으로는 실리카 글라스 미소구와 비교할 수 있는 단계는 아니지만 실용적 관점에서는 광파이버와 광도파로와 테라스 구조 글라스 미소구의 결합을 용이하게 실현할 수 있는 기대를 갖게 한다. 앞으로의 진전의 견인차가 될 연구 사례이다.

4. 앞으로의 전개
단독 미립자로 된 마이크로미터 사이즈의 광공진용 미소구에 대해 두 가지 연구의 경향을 따라서 기술해 왔다. 긴 기초연구 후에 미소구 레이저는 지난 10년 동안 급속하게 주목되기 시작했다. 단독 미소구뿐 아니라 복수 개를 연결하는 형상의 미소구 응용도 조금씩 보고되기 시작하고 있는데 ‘고차광학기능’은 여전히 단일 미립자가 주된 연구대상이다.
실용적 응용의 관점에서도 도 높은 광 집합 환경 하에서의 물리현상의 해명이라는 관점에서도 연구해야 할 사항은 산적해 있는 상태이다. ‘구극의 광 집합’을 목표로 한 앞으로의 눈부신 진전을 기대한다.                             (Ceramics Japan)

그림 1. 미소구에서 발생된 레이저 발진을 나타내는 모식도
그림 2. 광공진용 미소구 연구의 역사
연구의 역사
그림 3. 색소첨가 하이브리드 미소구의 현미경 사진
그림 4. 진동 올피스법에 의한 미립자의 제작
그림 5. 색소첨가 하이브리드 미소구에서 나온 발진 스팩트럼
         그림 속, 피크에 부기한 숫자는 발진파장(㎚)을 나타낸다.
         스팩트럼 오른쪽 끝의 7.1nJ 등은 여기를 위한 조사 에너지를 나타낸다.

               

                                            (a)                                        (b)
그림 6. 광도파로에 의한 색소첨가 미소구의 여기 ⒜는 도파로에 접한 미소구, ⒝는 도파로를 매개로 하여 여기한 미소구의 발진광을(여기광을 필터로 제거하고) 촬영한 현미경사진이다.

                         (a)프리즘 커플러   (c)반할 화이버 커플러  (b)테이퍼화이버

그림 9. 테라스 구조 글라스 미소구의 레이저 여기와 레망 공진기의 발진

(a)Ar이온레이저(파장 514.5nm)로 여기했을 때의 발진광(유도 라망광)의 스팩트럼
(b)여기광이 조사 장소 A-E(스포트사이즈 1㎛) (c)테라스 미소구의 SEM사진

 

                      ⒜소다라임 볼로실리케이트 글라스           ⒝테르라이트 글라스
그림 8. 각종 초반구 글라스의 현미경 사진  ⒜소다라임 볼로실리케이트 글라스, ⒝테르라이트 글라스, 얹은 기판에 초반구 글라스의 상이 비쳐 마치 2중으로 겹쳐져 있는 듯이 보인다.

그림 10. 미소구에서 발생된 레이저 발진을 나타내는 모식도