에어리 (Airy) 함수를 기반으로 설계된 파동 묶음은 전파 과정에서 회절 없이 스스로 가속하며 궤적을 형성하는 고유한 물리적 특성을 지닌다. 이를 3차원 시공간 영역으로 확장한 구형 에어리 파동묶음 (Spherical Airy wavepacket)은 공간적 횡단면과 시간적 펄스가 결합하여 구형의 시공간 에너지 분포를 형성하게 되며, 전파 초기에는 낮은 강도를 유지하다가 특정 지점에서 에너지가 급격히 수렴하는 이른바 급격한 시공간 ‘자기 초점화’ (self-focusing) 현상을 일으킨다.

 

이러한 초점 형성 메커니즘은 외부 렌즈의 도움 없이 오직 파동묶음 내부의 정밀한 위상 설계에 의해 실현된다. 초점에서의 빛의 강도가 주변부보다 수십 배 이상 비약적으로 상승하는 초점이 생성된다. 기술적인 관점에서 이 방식은 매질의 손상을 최소화하면서도 표적 지점에 에너지를 집중시킬 수 있다는 이점을 지닌다. 초점 형성 이전 단계에서는 에너지 밀도가 임계치 이하로 분산되어 있어 투명 매질을 통과할 때 발생할 수 있는 원치 않는 비선형 손상을 억제할 수 있기 때문이다. 또한 전파 경로상에 장애물이 나타나더라도 시공간적으로 분산된 위상 정보가 초점 부근에서 다시 결합하며 본래의 파형과 강도를 회복하는 ‘자가 복원성’(self-healing)을 지니고 있어 복잡한 환경에서도 안정적인 빛세기의 전달이 가능하다.

 

Andy Chong 교수는 상해이공대학과의 협업을 통해 Spherical Airy wavepacket 구조광을 생성하였다. 이 시공간 초점화 현상은 빛의 에너지를 시간과 공간 양면에서 정밀 제어하는 고도의 기술적 성과를 보여주며 다양한 고정밀 광학 응용 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다. 예를 들어 비선형 현미경 기술에서는 시료 내부 깊숙한 지점에만 선택적으로 높은 에너지를 전달하여 다광자 흡수 효율을 극대화하며, 초고속 레이저 가공에서는 열 변형이 적은 초정밀 미세 가공을 가능케 한다. 이 연구는 빛의 공간적 구조와 시간적 변조를 결합하여 에너지 전달의 효율을 크게 끌어올림으로써 차세대 광학 제어 기술의 물리적 토대를 마련하였다고 평가된다.

 

본 결과는 Andy Chong 교수가 교신저자로 ‘Full space-time ultrafast self-focusing of spherical Airy wavepackets‘ 의 제목으로 국제학술지 Nature Physics (IF=18.4) 에 게재되었다.

 

논문링크: https://www.nature.com/articles/s41567-026-03237-z

 

본 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단의 중견연구자사업, 교육부의 재원으로 한국연구재단 대학기초연구소지원사업(G-LAMP)의 지원을 받았다.