오늘은 극도로 좁은 선폭 레이저에 더해 "단색" 레이저를 소개하겠습니다. 이 레이저의 등장은 레이저의 다양한 응용 분야에서 발생하는 공백을 메우고 있으며, 최근 중력파 감지, LiDAR, 분산 센싱, 고속 코히어런트 광통신 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이는 레이저 출력 향상만으로는 달성할 수 없는 "과제"입니다.
좁은 선폭 레이저란 무엇입니까?
"선폭"이라는 용어는 주파수 영역에서 레이저의 스펙트럼 선폭을 나타내며, 일반적으로 스펙트럼의 반피크 전폭(FWHM)으로 정량화됩니다. 선폭은 주로 여기된 원자 또는 이온의 자발 복사, 위상 잡음, 공진기의 기계적 진동, 온도 지터 및 기타 외부 요인의 영향을 받습니다. 선폭 값이 작을수록 스펙트럼의 순도가 높아지고, 즉 레이저의 단색성이 더 좋습니다. 이러한 특성을 가진 레이저는 일반적으로 위상 또는 주파수 잡음이 매우 적고 상대 강도 잡음이 매우 적습니다. 동시에 레이저의 선형 폭 값이 작을수록 해당 코히어런스가 강해지며, 이는 매우 긴 코히어런스 길이로 나타납니다.
좁은 선폭 레이저의 구현 및 응용
레이저 작동 물질의 고유 이득 선폭에 의해 제한되기 때문에, 기존 발진기 자체에 의존하여 좁은 선폭 레이저의 출력을 직접 구현하는 것은 거의 불가능합니다. 좁은 선폭 레이저의 작동을 구현하기 위해서는 일반적으로 필터, 회절격자 및 기타 장치를 사용하여 이득 스펙트럼의 종방향 탄성률을 제한하거나 선택하고, 종방향 모드 간의 순 이득 차이를 증가시켜 레이저 공진기에서 종방향 모드 진동이 적거나 하나만 발생하도록 해야 합니다. 이 과정에서 레이저 출력에 대한 노이즈의 영향을 제어하고 외부 환경의 진동 및 온도 변화로 인한 스펙트럼 선의 확장을 최소화해야 하는 경우가 많습니다. 동시에, 위상 또는 주파수 노이즈 스펙트럼 밀도 분석과 결합하여 노이즈 원인을 파악하고 레이저 설계를 최적화하여 좁은 선폭 레이저의 안정적인 출력을 달성할 수 있습니다.
여러 종류의 레이저의 좁은 선폭 동작 구현에 대해 살펴보겠습니다.
(1)반도체 레이저
반도체 레이저는 크기가 작고, 효율이 높으며, 수명이 길고, 경제적 이점이 있다는 장점이 있습니다.
기존에 사용되는 Fabry-Perot(FP) 광 공진기반도체 레이저일반적으로 다중 종방향 모드로 진동하며 출력 선폭이 비교적 넓기 때문에 좁은 선폭의 출력을 얻으려면 광학 피드백을 늘려야 합니다.
분산 피드백(DFB)과 분산 브래그 반사(DBR)는 두 가지 대표적인 내부 광 피드백 반도체 레이저입니다. 격자 피치가 작고 파장 선택성이 우수하여 안정적인 단일 주파수 좁은 선폭 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 두 구조의 주요 차이점은 격자의 위치입니다. DFB 구조는 일반적으로 브래그 격자의 주기 구조를 공진기 전체에 분산시키는 반면, DBR의 공진기는 일반적으로 반사 격자 구조와 끝면에 통합된 이득 영역으로 구성됩니다. 또한, DFB 레이저는 굴절률 대비가 낮고 반사율이 낮은 매립형 격자를 사용합니다. DBR 레이저는 굴절률 대비가 높고 반사율이 높은 표면 격자를 사용합니다. 두 구조 모두 넓은 자유 스펙트럼 범위를 가지며 수 나노미터 범위에서 모드 점프 없이 파장 튜닝을 수행할 수 있습니다. 반면 DBR 레이저는DFB 레이저또한, 외부 광학 소자를 사용하여 반도체 레이저 칩의 출사광을 피드백하고 주파수를 선택하는 외부 공동 광 피드백 기술을 통해 반도체 레이저의 좁은 선폭 동작을 실현할 수도 있습니다.
(2) 파이버 레이저
파이버 레이저는 높은 펌프 변환 효율, 우수한 빔 품질, 그리고 높은 결합 효율을 가지고 있으며, 이는 레이저 분야의 주요 연구 주제입니다. 정보화 시대의 맥락에서 파이버 레이저는 현재 시중에 출시된 광섬유 통신 시스템과의 호환성이 뛰어납니다. 좁은 선폭, 낮은 잡음, 그리고 우수한 가간섭성이라는 장점을 가진 단일 주파수 파이버 레이저는 파이버 레이저 개발의 중요한 방향 중 하나로 자리 잡았습니다.
단일 종방향 모드 동작은 좁은 선폭 출력을 구현하는 파이버 레이저의 핵심이며, 일반적으로 단일 주파수 파이버 레이저는 공진기 구조에 따라 DFB형, DBR형, 링형으로 구분됩니다. 이 중 DFB 및 DBR 단일 주파수 파이버 레이저의 작동 원리는 DFB 및 DBR 반도체 레이저의 작동 원리와 유사합니다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, DFB 파이버 레이저는 분포 브래그 격자를 파이버에 투사하는 방식입니다. 발진기의 작동 파장은 파이버 주기의 영향을 받기 때문에, 격자의 분포 피드백을 통해 종방향 모드를 선택할 수 있습니다. DBR 레이저의 레이저 공진기는 일반적으로 한 쌍의 파이버 브래그 격자로 구성되며, 단일 종방향 모드는 주로 좁은 대역 및 저반사율 파이버 브래그 격자에 의해 선택됩니다. 그러나 링 형태의 공진기는 긴 공진기, 복잡한 구조, 그리고 효과적인 주파수 판별 메커니즘의 부재로 인해 모드 호핑이 발생하기 쉽고, 장시간 일정한 종방향 모드로 안정적으로 동작하기 어렵습니다.
그림 1, 단일 주파수의 두 가지 일반적인 선형 구조파이버 레이저
게시 시간: 2023년 11월 27일