We demonstrate creation of optical vortex generator using self-assembled liquid crystal domain which is called Toric Focal Conic Domain (TFCD) with continuous torus-like fast-axis variation. Optical vortex or ‘twisted light’ has been intensively studied since the first discovery from the bottom of Antarctic ice cap. Huge importance in micro optics, quantum computing, and astronomical imaging propelled the research for several decades. Experimental verification of topological charge of TFCD vortex generator is carried out by rotation of linear polarizer. Polarization properties of propagation-invariant vectorial vortex beam are also studied with laser interferometry. Strong self-organizing tendency enables production of hexagonally arranged and micro-sized optical vortex generator array, giving many potential applications.
위상면이 나선 형상을 하고 있는 빛들을 광보텍스라 칭한다. 광보텍스는 양자컴퓨터, 천체 이미징, 파티클 트래핑 등 첨단산업에 앞장서서 사용되고 있다. 위상면이 나선형상이 되기 위해서는 빛이 비균일한 편광분포를 지니고 있어야 하기 때문에, 현재까지 이러한 비균일 편광 혹은 위상분포를 실현시키기 위하여 많은 방법들이 개발되었다. 그 중에서도 최근에는 액정분자를 비균일하게 배향시켜 액정시스템을 통과하는 빛이 비균일 편광분포를 갖게 하는 방법이 활발이 연구되고 있다. 대표적으로 네마틱 액정을 비균일하게 rubbing된 기판에 배향시키는 방법이 있으며, rubbing 대신 광학적 방법으로 액정을 배향하시키는 기술도 발표된 바 있다. 그러나 액정을 패턴처리된 기판에 배향하는 방법은 공정상으로나 경제적으로 한계점은 실정이다. 패턴을 처리하기 위해서 시간과 비용이 드는 단점이 있기 때문이다. 이런 문제점을 해결하기 위해서 Etienne Brasselet 연구팀은 네마틱 액정이 자가조립하여 얻어진 방울형태의 구조체를 만들어, 기판의 패턴 선처리 없이 광보텍스를 만든 연구를 2009년 Phys. Rev. Lett.에 발표하였다. 그럼에도 불구하고, 광보텍스를 패턴처리 없이 대량으로 만드는 기술은 아직까지 해결하지 못한 난제로 남아있다.
본 연구는 패턴처리가 필요 없이 자가조립 성질을 띠면서 동시에 대량의 구조체가 만들어지는 현상인 TFCD 어레이를 이용함으로써, 매우 간단한 공정으로 대면적 광보텍스 어레이를 구현하였다. TFCD가 광보텍스를 만들어내는 ‘보텍스 디바이스’임을 간단한 실험을 통하여 증명하였고, 일련의 물리적인 과정들을 시뮬레이션과 실험을 비교하여 분석적으로 입증하였다. TFCD 광보텍스 어레이는 대면적에 질서있게 배열하는 강점을 지니기 때문에, 산업으로나 학문적으로나 매우 뛰어난 응용가능성이 존재한다. 파티클 트래핑 응용에 있어서는 대량의 파티클을 규칙적으로 트래핑할 수 있다는 이점이 있으며, 양자 컴퓨팅에 있어서는 대면적 어레이의 특성으로 인하여 양자 병렬 컴퓨팅 기술에 쓰일 수 있을 것으로 기대되는 바이다.
