광학이란 고전적으로 전자기파 혹은 양자역학적으로 광자(photon)로 표현되는 빛의 본성에 관한 연구뿐만 아니라 다양한 광원과 첨단 레이저를 이용한 분광실험에서 측정된 광물성량을 분석하여 물질내부의 에너지 구조와 빛과 물질과의 상호작용을 이해하고 나아가 광소자, 발광소자, 광통신과 같은 첨단 광기술 분야에 응용을 추구하는 학문분야이다.

다양한 고체 매질의 빛에 대한 비선형 상호작용을 연구한다. 한 예로 광 조화파 발생(optical harmonic generation)을 들 수 있다. 조화파는 우리 주변에서 매질을 매우 강한 힘으로 진동시킬 때 수 옥타아브 높은 음이 나오는 음파에서도 흔히 관찰되는데 빛은 전자기파이므로 음파와 마찬가지로 조화파를 관찰할 수 있다. 양자역학적으로 보면 2 개(혹은 그 이상)의 광자가 합해져서 에너지가 2 배(혹은 그 이상)인 한 개의 광자를 생성하는 것이다.

왼쪽 그림은 오른쪽으로부터 적외선 레이저 광(광자 에너지 hν)을 유기물 박막 시료에 집광시킬 때 왼쪽으로 나오는 녹색의 3차 조화파(광자 에너지 3hν)를 보여주고 있다. 이 과정은 속박전자의 운동을 매개로 하므로 10-15 초 정도로 거의 순간적인 반응을 보이는 것이 특징이다. 따라서 광 조화파 발생은 기계적인 셔터나 전기광학 스위치 등과 비교할 수 없을 정도로 빠른 스위치를 구현하는데 응용할 수 있으며, 기존의 전기 회로를 광회로(Optical IC)로 대체할 것으로 기대된다.
최근 우리는 가시광-근적외선 영역에서 매우 큰 비선형 광학 효과를 보이는 니오븀산리튬(LiNbO3) 결정을 이용하여 2차 조화파 발생 등 여러 가지 재미있는 실험을 수행하고 있다. 특히 이 결정은 초고속 광통신 신호 처리를 위한 전기광학 스위치로 IT 산업에서 현재 많이 쓰이고 있고, 가까운 미래에 다채널 전광(all-optical) 주파수 변환기로 응용될 가능성이 있다. 그러나 광 조화파 발생은 응답 속도가 빠른 반면 효율이 매우 낮아서 실용적인 소자응용에 항상 장애가 되어왔다. 본 연구실의 가장 최근 관심사는 효율이 크면서 그렇게 빠르지 않아도 되는 광응답(optical response)에 적합한 물질을 개발하고 이를 통해 빛과 응집 물질의 기초적인 상호작용을 규명하고 나아가 이것을 광스위치로 응용하는 소자개념을 개발하는 것이다.

외부공진형 반도체 레이저를 이용하여 알카리족 원자(루비듐, 세슘)들에 대한 고분해 레이저 분광, 원자결맞음 분광 (전자기유도투과, 전자기유도흡수), 원자간섭계, 느린 빛과 빠른 빛, 광저장 등 다양한 연구를 진행하고 있다. 고분해 원자분광학은 원자의 핵 스핀에 의한 초미세구조와 자기부준위을 확인할 수 있는 정밀한 고분해 분광으로 고분해 레이저 분광 기술은 원자의 에너지 구조를 이해할 수 있을 뿐 아니라 레이저의 주파수를 원자 전이선에 안정화시키는데 응용된다. 레이저 주파수 안정화 기술은 최근에 노벨 물리학상을 수상한 레이저 쿨링과 Bose-Einstein Condensation을 위한 핵심기술이며 오늘날 우리가 가장 정밀하게 측정할 수 있는 물리량인 시간과 주파수의 표준을 위한 원자시계 개발 연구에 필수적이다. 3준위 이상의 다중원자계와 레이저와의 상호작용으로 원자결맞음 현상에 대한 연구를 수행하고 있다. 원자결맞음에 의해서 나타나는 대표적인 현상으로 전자기유도투과 (Electromagntically Induce Transparency; EIT), 원자밀도포획 (Coherent Population Trapping; CPT)이 있다. 좁은 분광 스펙트럼은 분광학적인 측면에서도 흥미롭지만, 많은 응용연구가 가능하다.