Mode spectra of a hexapolar deformed liquid-jet microcavity formed by a nozzle fabricated with focused ion beam technique

Abstract

비대칭 광 공진기(Asymmetric optical resonant cavity)는 특정 방향으로의 방출 방향성을 보이며 모드의 품위값(quality factor) 또한 높으므로, 레이저로 이용하기 쉽고 광소자로 활용할 수 있다. 원형 공진기와 달리 비대칭 공진기에서는 변형도가 증가함에 따라 공진기 내부 빛의 선 역학(ray dynamics)이 점차 무질서해지며 모드 간의 상호작용(interaction)이 나타난다. 비대칭 공진기의 한 종류인 변형된 액체제트 미소 공진기(deformed liquid-jet microcavity)는 분출시킨 액체제트의 단면을 공진기로 이용하는 것이다. 이 때 분출구 모양의 초기조건에 의해 제트의 단면 모양이 달라진다. 변형된 액체제트 미소 공진기를 얻기 위한 노즐 제작 시 이전에는 유리 피펫에 열과 압력을 가하여 노즐 분출구를 변형시켰으나, 이러한 방식으로는 육중극자(hexapolar) 성분을 부여할 수 없었기에 사중-팔중극자(quadru-octapolar) 공진기만을 얻을 수 있었다. 본 연구에서는 집속이온빔(focused ion beam)을 이용한 노즐 제작 방법을 통해 삼각형 분출구를 제작하여 육중극자 성분이 들어있는 공진기를 구현하였으며, 모드 스펙트럼 분석을 통해 얻은 육중극자 공진기의 모드 양상과 경계요소법(boundary element method)으로 계산한 모드 양상을 서로 비교하여 두 결과가 일치함을 확인하였다. 결과에 따르면 미소 공진기의 모양은 사중극자, 육중극자, 팔중극자 성분의 조합으로 나타나며 육중극자와 팔중극자 성분이 비슷한 크기였다. 또한 육중극자 공진기 내부 모드 간 상호작용이 공명 보조 터널링(resonance-assisted tunneling)에 의한 것임을 Poincaré surface of section (PSOS)와 공명 모드의 후시미 함수(Husimi function)를 이용해 추론할 수 있었다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 추후 다양한 형태의 액체제트 미소 공진기로의 접근을 가능하게 하며, 광소자 연구에 이용할 수 있는 공진기에 대한 선택의 폭을 넓게 할 수 있을 것이다. 또한 후속 연구로 육중극자 성분량에 따른 공진기의 방출방향 특성의 변화를 조사할 수 있을 것이며 나아가 둥근 삼각 공진기(rounded triangular cavity)와 같은 단일 방출방향성(uni-directional)의 공진기 구현을 시도할 수 있을 것이다.