이청현, 김요셉, 임동길, 김유신, Vincenzo Tamma, 김윤호(포항공대), Phys. Rev. Lett. 131, 223602 (2023).

빛을 이용한 거리 측정 기술인 라이다(light detection and ranging, LIDAR)는 빠른 측정 속도와 비접촉 방식이라는 장점을 가지고 있다. 라이다 기술을 구현하는 여러 가지 접근법 중 빛의 간섭을 활용하는 방식을 코히어런트 라이다(coherent LIDAR)라고 한다. 코히어런트 라이다는 하나의 레이저 빔을 두 경로로 나누어, 하나의 빔은 기기 내에서 진행하고 다른 한 빔은 물체에 반사되어 돌아오게 한다. 두 빛이 측정기에서 다시 만나면 물체의 거리에 따라 달라지는 간섭 패턴이 발생하며, 이를 통해 물체와 측정기 사이의 거리를 측정할 수 있다. 이러한 방식으로 동작하는 코히어런트 라이다는 높은 정확도와 해상도를 가지고 있어 자율주행 자동차와 드론 등의 여러 분야에서 활용되고 있다.

코히어런트 라이다의 핵심적 동작 원리인 빛의 간섭은 두 빛이 서로 유사한 특성을 가질 때 발생한다. 예를 들어, 두 빛이 같은 편광과 주파수를 가질 때 간섭 현상은 더욱 선명하게 발생한다. 이렇게 간섭 현상을 일으키는 두 빛은 결맞음(coherence)을 가졌다고 말한다. 그러나 처음에는 결맞음을 가졌던 두 빛도 서로 다른 거리를 진행한 후에는 결맞음을 잃어버리고 간섭 현상이 일어나지 않게 될 수 있다. 두 빛이 각자 다른 거리를 지나 결국 결맞음을 잃어버리게 되었을 때, 이 거리 차이를 결맞음 길이(coherence length)라고 말한다.

예를 들어, 결맞음 길이가 1 m인 레이저에서 나온 빛을 두 개의 경로로 분할한 후, 한 빛은 1 m를 왕복하고, 다른 한 빛이 3 m를 왕복하여 다시 만나는 경우를 생각해볼 수 있다. 이때, 두 빛이 진행한 거리의 차이는 결맞음 길이인 1 m보다 긴 2 m가 됨으로, 두 빛은 서로 간섭하지 않게 된다. 반면, 한 빛이 1 m를 왕복하고, 다른 한 빛이 1.5 m를 왕복하였다면, 두 빛이 진행한 거리의 차이는 결맞음 길이인 1 m보다 짧은 0.5 m가 됨으로, 두 빛은 서로 간섭할 수 있게 된다.

▲ (a) 코히어런트 이광자 라이다 셋업 (b) 측정된 이광자 간섭 패턴.

코히어런트 라이다의 경우, 한 빛은 기기 내에서 짧은 거리를 진행하는 반면, 다른 하나는 기기 밖에서 물체에 반사되어 돌아오는 긴 거리를 진행하게 된다. 이 경우, 물체가 멀리 떨어져 있을수록 두 빛이 진행한 거리 차이가 커지게 되고, 레이저의 결맞음 길이보다 멀리 떨어져 있는 물체에 대해서는 결국 결맞음을 잃게 되어 거리를 측정할 수 없게 된다. 따라서 장거리의 물체를 측정하기 위해서는 긴 결맞음 길이를 가진 레이저의 준비가 필수적이며, 이는 코히어런트 라이다가 가지는 치명적인 단점이다.

한편, 두 빛이 같은 측정기에서 만나지 않아도 두 개의 다른 측정기를 이용해 빛의 세기를 측정할 수 있다. 양자 광학의 한 발견에 따르면, 이렇게 각기 다른 경로를 따라 진행한 두 빛의 세기를 비교 분석함으로써 새로운 간섭 현상을 관찰할 수 있다. 이를 이광자 간섭(two-photon interference)이라고 부른다.

이광자 간섭은 두 개 이상의 확률 진폭에 의해 발생한다. 확률 진폭 (1)은 광자 A가 검출기 1에, 광자 B가 검출기 2에 각각 검출되는 경우를 의미한다. 확률 진폭 (2)는 광자 A가 검출기 2에, 광자 B가 검출기 1에 각각 검출되는 경우를 의미한다. 이 두 확률 진폭의 중첩에 의해 이광자 간섭이 생성된다.

햇빛이나 전구와 같은 열광원을 사용하면, 일반적인 결맞음 길이를 초과하는 상황에서도 이광자 간섭 현상이 관찰된다. 이는 각 확률 진폭의 위상이 두 광자가 지나간 거리의 총합에 의해 결정되기 때문이다. 예를 들어, 앞서 설명한 확률 진폭 (1)의 경우에서 광자 A가 1 m를 이동한 후 검출기 1에 측정되고, 광자 B는 3 m를 이동한 후 검출기 2에 측정될 수 있다. 마찬가지로 확률 진폭 (2)의 경우에 광자 A는 3 m를 이동한 후 검출기 2에 측정되고, 광자 B는 1 m를 이동한 후 검출기 1에 측정될 수 있다. 각 광자끼리 서로 지나간 거리의 차이는 2 m이지만, 확률 진폭 (1)과 (2)의 위상은 비슷한 값을 지닌다. 이 경우, 광자 A와 B가 나온 열광원의 결맞음 길이가 1 m보다 짧아도 이광자 간섭이 관측될 수 있다.

포항공과대학교 김윤호 교수 연구팀은 이광자 간섭 현상을 이용해 코히어런트 이광자 라이다를 구현했다. 이 연구는 이광자 간섭에서 두 빛이 진행하는 경로의 차이가 결맞음 길이보다 더 긴 경우에도 간섭 패턴이 나타나는 것을 이용해 물체의 거리를 측정하였다.

연구에 따르면, 이광자 간섭 패턴은 여러 평행선으로 나타나며, 물체가 멀어질수록 이 선들의 기울기가 증가한다. 이러한 특성을 통해서 거리를 측정하였으며, 광원의 결맞음 길이가 5.2 mm인데도 불구하고, 최대 1,379.5 mm 거리를 측정하여 해당 코히어런트 이광자 라이다가 결맞음 길이에 제한받지 않음을 보였다.