극초단 레이저 및 응용 연구는 수 펨토초에서 수 피코초의 펄스폭을 갖는 다양한 출력과 파장의 레이저 개발, 이를 활용하는 정밀 가공이나 표면 개질 기술 개발, 물질의 초고속현상을 연구하는 시분해 펌프-프로브 또는 분광 연구, 상대론적 플라즈마와 고에너지 입자 발생 연구, 우주환경 모사연구, 아토초 극초단 광원 발생 및 물성 연구 등이 있음.
비선형광학 연구는 물질의 이차 혹은 삼차 비선형계수를 이용한 주파수 변환이 자유롭게 진행되어 합(차)주파수 변환은 새로운 미지의 주파수 대역을 확장하는 결과를 선보여 레이저 개발은 물론이고, 입력광을 씨앗광으로 하는 에너지 증폭도 이루어지고 있음. 원자나 분자의 구조나 배열을 인위적으로 바꾸고 제어하는 기술에 힘입어 기존에 사용할 수 없었던 비선형계수를 선택적으로 활용하는 기술도 선보여 에너지 변환의 효율성과 자유도가 증가하고 있는 추세임
광섬유 레이저 및 고체 레이저는 출력과 효율을 높이는 동시에 소형화 및 동작 특성을 자유도를 높이는 방향으로 연구 및 개발이 진행되고 있음. 최근 들어 반도체, 디스플레이 등의 첨단 산업의 요구를 바탕으로 수백 와트급 이상의 고품질 고출력 나노/피코/펨토초 레이저 및 수 킬로와트에서 수십 킬로와트급 연속 발진 레이저의 연구 개발 및 응용이 활발히 이루어지고 있음. 아울러 양자 광학 및 양자 컴퓨터, 물질과의 상호 작용 연구를 위해 광소용돌이 벡터 레이저빔에 대한 연구도 큰 관심을 끌고 있음.
나노포토닉스는 고전광학의 여러 난제인 (i) 파장 이하 공간 내 빛의 국소화, (ii) ‘느린 빛’ 현상을 포함한 군속도 제어, (iii) 나노스케일 해상도를 가지는 빛의 위상 제어, (iv) 자발방출광 특성(자발방출률, 편광, 방향성, 방출 스펙트럼 등) 제어, (v) 나노스케일 입자의 산란 단면적 제어 등을 해결하고 있음. 이와 더불러 최근 저자원 물질 합성 기술의 발전에 따라 비균일 유전율 특성을 연구하는 양자 플라스몬 현상이 새로운 난제로 인식되고 있음. 따라서 나노포토닉스는 업무 관점에서 구조 설계 및 결과 해석을 위한 전자기학 시뮬레이션 기법 개발, 나노스케일 광학 구조의 제작 및 합성 기술 개발, 비정상 광학물성의 정밀 측정 시스템 구축 등으로 구분할 수 있음.
테라헤르츠 포토닉스(THz Photonics)는 전자기파 대역에서의 기술 미개척지역인 테라헤르츠 갭을 채울 여러 핵심기술들로 분류할 수 있는데, (i) 테라헤르츠 광원 기술, (ii) 분광 및 이미징 기술, (iii) 테라헤르츠 소재 및 소자 기술, (iv) 화학, 생물, 의료, 보안, 통신 등에 적용 가능한 테라헤르츠 응용 연구로 크게 나눌 수 있음. 특히, 영상 및 분광 기술의 발전, 수백 GHz 대역 통신 모듈 개발 등으로 차세대 정보전달, 센싱, 비파괴 검사 등 다양한 응용 기술로 그 범위를 확대하고 있음. 앞으로 초소형, 고효율, 실시간, 저가격의 장점을 갖는 포토닉스 기반 테라헤르츠 기술이 발전할 것으로 기대함.
바이오포토닉스는 생체조직, 세포, 세포구조체 및 생체분자 등 생물학적 물질이 빛과 상호작용하는 것을 통하여 대상 객체의 물리적/화학적 특성을 측정하고 더 나아가 그 구조적 특성을 탐구하고자 하는 이미징 분야가 있음. 이미징 분야는 최근 형광물질 지시자를 통하여 세포 동력학 및 약물 전달 과정을 모니터하는 영역으로 발전하고 있음. 또한, 체액, 세포 및 생체조직과 관련된 임상 진단을 위한 응용 분야의 연구가 활발해지고 있으며, 이에 더하여 광 민감 물질의 개발로 광열, 광역학 반응을 이용한 광치료 분야의 연구도 발전하고 있음. 이에 광학기술을 이용한 진단/치료 목적의 의료기기 개발 연구가 바이오포토닉스의 중요한 연구 분야로 자리잡고 있음.
양자광학 분야는 광-물질 상호작용을 기반으로 하는 원자, 분자 및 광물리학 분야로 분류하고, 최근 양자정보과학 분야로의 확장을 통해 양자광원 생성, 양자상태 제어 및 측정에 대한 연구분야로 범위를 확대함. 원자, 분자 및 광물리학과 광자 기반 양자정보과학은 서로 밀접하게 관계를 맺고 있음. 예를 들면, 원자, 분자 및 광물리학에서 생성된 광자를 이용하여 얽힘과 중첩상태를 갖는 시스템을 구축하는 연구가 이뤄졌고, 양자 센싱에 원자, 분자 및 광물리학의 기반 기술이 접목되어 연구되어옴. 광자기반 양자정보과학의 응용분야로 양자컴퓨팅, 양자이미징, 양자 센싱, 양자 시뮬레이션, 양자통신, 양자네트워크 등이 있음.
렌즈나 반사경은 전통적인 크기에서 벗어나 수 마이크로미터 이내의 초소형화, 수 미터 이상의 초대형화가 진행되고 있고 모양도 원형에서 사각형, 육각형등 다양해지며 품질도 옹스트롱 수준의 거칠기와 나노미터 이하 수준의 형상 오차를 요구하고 있어서 설계, 제작, 가공, 조립, 시험 평가 등 전 분야에 걸쳐 많은 연구가 필요함. 특히 이러한 특수 광학부품들은 첨단산업분야와 방산제품등에 많이 사용되어 해외로부터의 기술이전이 자유롭지 않으므로 국내에서 많은 연구가 진행되어야 함
