극초단 레이저는 화학, 기계, 재료 등의 타 분야에서 연구 및 기술개발을 위한 유용한 도구로 점차 확대 사용되고 있으며, 4세대 방사광이나 극초단 전자빔 등 첨단 과학 도구들과 함께 사용함으로써 물질의 근원을 구성하는 미시세계의 동역학을 연구하는 데도 활용되고 있음. 그 외에도 테라헤르츠 발생, 비선형 광학 등의 광학의 타분야에서도 핵심도구로 활발히 활용되고 있음
비선형 현상을 이용한 광원은 시간적 특성이나 스펙트럼 제어가 선택적으로 가능하여 매우 넓은 주파수 대역에서 널리 이용되고 있음. UV나 DUV 대역에서는 반도체 소자의 제작이나 미세패턴을 형성하는 리소그라피 공정에 접목되고 있으며, 가시광대역에서는 고출력 고해상도 대면적의 영화관이나 옥외 광고 등에 적용이 가능한 디스플레이분야에, 1550nm 대역에서는 광통신에, 적외선파장 대역의 광원개발은 low-level laser therapy라는 주제로 의료분야에서 선택적 흡수를 갖는 피부재생에도 이용이 확대되고 있음. 특히 비선형계수가 높은 물질을 이용한 300㎛ 이상의 파장대역인 테라헤르츠파 광원 발생은 새로운 주파수 광원으로 활발히 이용되고 있음
광섬유 및 고체 레이저의 연구 개발은 분광학, 비선형광학, 레이저 가공, 측량학, 양자 광학 등 레이저 빛을 사용하는 모든 분야와 연관이 되어 있음. 더 나아가 가스, 반도체 레이저 등 다른 레이저 광원 대비 탁월한 성능을 바탕으로 첨단 산업, 의료, 국방 분야의 응용에 있어 기존 레이저 광원들을 빠르게 대체하면서 관련 분야의 발전을 이끌고 있음.
나노포토닉스는 실생활 기기의 성능 및 효율을 개선하는 응용성이 상대적으로 두드러지는 분야임. 예를 들어, 파장 이하 공간 내 빛의 국소화 현상은 문턱값이 낮은(혹은 거의 없는) 초소형 레이저의 실현을 가능하게 함으로써 새로운 양자 통신의 광원 역할을 수행할 수 있고, ‘느린 빛’ 현상을 포함한 군속도 제어 기능은 분광기, 광검출기 등의 민감도를 극적으로 증대할 수 있음. 나노스케일 해상도를 가지는 빛의 위상 제어 현상은 3차원 디스플레이의 실현 및 Lidar의 성능 개선을 도모하고, 자발방출광 특성 제어는 AR/VR을 포함한 디스플레이 후면 광원의 효율 향상에 활용될 수 있음. 마지막으로 광학 안테나 효과라고 일컫는 나노스케일 산란 단면적 제어 효과를 통해 태양광 활용 소자의 광변환 효율을 개선할 수 있음.
이와 함께 나노포토닉스는 맥스웰 방정식과 슈뢰딩거 방정식의 수학적 동질성을 기반으로 하여 응집물질물리 영역에서 다루었던 다양한 물리적 난제를 광학 영역의 문제로 변환하고, 이를 실험적으로 검증하는 노력을 병행하고 있음. 광결정 구조의 밴드 가장자리 상태, 광학 위상부도체(Floquet 모드), 광학 Fano 공명, Bound states in the continuum 등이 대표적인 예임.
테라헤르츠 포토닉스(THz Photonics)는 앞서 언급하였지만, 다양한 분야와 연관성을 가지며 기초연구부터 응용, 사업화 단계까지 다방면으로 응응되고 있음. 특히 분광 기술의 발전으로 화학 물질의 검지 및 위약 감별에 사용될 수 있으며, DNA부터, 단백질, 바이러스, 세포의 검지부터 동역학, 실시간 모니터링까지 가능한 기술로 적용되고 있음. 보안 분야에서는 공항에서의 대규모 스크리닝 및 폭발물 검지와 같은 분야에 적용되고 있으며, 최근 covid-19 시국에서는 극미량 바이러스의 검지 또한 고려되고 있음. 통신 분야에서도 5G/6G 분야의 주파수 대역이 sub-테라헤르츠 영역이라 이미 각종 모듈 및 시스템이 개발되고 있음. 그 외 전천후 사물 식별이 가능한 이미징 및 영상 기술을 통하여 미래 모빌리티 자율 주행 구현을 위한 기술로도 활용될 예정임.
바이오포토닉스 분야는 대표적 다학제적 연구분야임. 광원확보를 위하여 다양한 종류의 레이저, LED, 열광원 등이 필요하며 측정을 위하여 카메라, 광다이오드, PMT 등 다양한 광 측정 소자가 필요함. 또한, 생체분자 측정을 위해서는 양자광학적 개념과 측정 기술이 필요함. 형광 측정 및 나노입자를 통한 생체 신호 측정 및 증폭을 위해서는 재료과학/나노포토닉스 분야와의 연계가 필수이며 의료기기 개발을 위해서는 의학, 전기/전자, 기계 등 더욱 폭넓은 공동 연구가 요구됨.
양자광학 분야는 광-물질 상호작용을 양자역학적으로 이해하는 분야이기에, 타 분야 중 특히 분광학과 비선형광학과 밀접한 연관이 있음. 비선형 현상에 의한 양자상태를 갖는 광자가 생성이 되고, 원자 및 분자의 가장 기본적인 에너지 상태의 양자화를 관찰할 수 있으며, 다양한 비선형 현상을 이용하여 생성된 광자의 상태를 조절하는 것이 가능함. 또한 최근에 나노포토닉스 기술을 이용하여 소형화, 안정화, 속도, 확장성이 가능한 양자광집적회로에 대한 연구가 활발히 이루어지기 때문에, 양자광학과 나노포토닉스를 이용한 양자광학에 대한 연구도 활발히 개발되고 있음.
렌즈 및 반사경등은 위에서 언급한 테라헤르즈, 레이저, 나노포토닉스, 비선형 광학등 광학 전분야에 걸쳐 필수적으로 사용되는 광학부품으로 원하는 모양과 품질을 만족할 수 있도록 제작하고 측정할 수 있는 기술개발이 필수적임
