좁은 선폭 레이저 기술 2부

좁은 선폭 레이저 기술 2부

(3)고체 레이저

1960년에 개발된 세계 최초의 루비 레이저는 고출력 에너지와 넓은 파장 범위를 특징으로 하는 고체 레이저였습니다. 고체 레이저의 독특한 공간 구조는 좁은 선폭 출력을 설계하는 데 있어 유연성을 제공합니다. 현재 구현되고 있는 주요 방법으로는 단방향 링 공진기법, 공진기 내 표준 공진기법, 비틀림 진자 모드 공진기법, 체적 브래그 격자법, 시드 주입법 등이 있습니다.

그림 7은 몇 가지 대표적인 단일 종방향 모드 고체 레이저의 구조를 보여줍니다.

그림 7(a)는 공진기 내 FP 표준을 기반으로 하는 단일 종모드 선택의 작동 원리를 보여줍니다. 즉, 표준의 좁은 선폭 투과 스펙트럼을 이용하여 다른 종모드의 손실을 증가시킴으로써, 모드 경쟁 과정에서 투과율이 작은 다른 종모드들을 걸러내어 단일 종모드 동작을 구현합니다. 또한, FP 표준의 각도와 온도를 제어하고 종모드 간격을 변경함으로써 특정 범위의 파장 튜닝 출력을 얻을 수 있습니다. 그림 7(b)와 (c)는 단일 종모드 출력을 얻기 위해 사용되는 비평면 링 발진기(NPRO)와 비틀림 진자 모드 공진기 방식을 보여줍니다. 이 방식의 작동 원리는 공진기 내에서 빔이 한 방향으로만 전파되도록 하여 일반적인 정재파 공진기에서 나타나는 역전 입자 수의 불균일한 공간 분포를 효과적으로 제거하고, 공간적 홀 번닝 효과의 영향을 방지하여 단일 종모드 출력을 얻는 것입니다. 벌크 브래그 격자(VBG) 모드 선택 원리는 앞서 언급한 반도체 및 광섬유 협대역 레이저와 유사합니다. 즉, VBG를 필터 요소로 사용하여 우수한 스펙트럼 선택성 및 각도 선택성을 기반으로 발진기가 특정 파장 또는 대역에서 발진하여 종방향 모드 선택 역할을 수행합니다(그림 7(d) 참조).
동시에, 필요에 따라 여러 종방향 모드 선택 방법을 조합하여 종방향 모드 선택 정확도를 향상시키거나, 선폭을 더욱 좁히거나, 비선형 주파수 변환 등의 방법을 도입하여 모드 경쟁 강도를 높일 수 있으며, 좁은 선폭에서 동작하면서 레이저의 출력 파장을 확장할 수 있는데, 이는 기존 방식으로는 달성하기 어려운 부분입니다.반도체 레이저그리고파이버 레이저.

(4) 브릴루인 레이저

브릴루인 레이저는 저잡음, 좁은 선폭 출력을 얻기 위해 유도 브릴루인 산란(SBS) 효과를 기반으로 하는 기술이며, 그 원리는 광자와 내부 음향장의 상호 작용을 통해 스토크스 광자의 특정 주파수 편이를 생성하고, 이를 이득 대역폭 내에서 연속적으로 증폭하는 것입니다.

그림 8은 SBS 변환의 레벨 다이어그램과 브릴루인 레이저의 기본 구조를 보여줍니다.

음향장의 진동 주파수가 낮기 때문에 물질의 브릴루인 주파수 변화는 일반적으로 0.1~2 cm⁻¹에 불과합니다. 따라서 1064 nm 레이저를 펌프광으로 사용할 경우 생성되는 스토크스 파장은 대개 약 1064.01 nm에 그치지만, 이는 양자 변환 효율이 매우 높다는 것을 의미합니다(이론상 최대 99.99%). 또한, 매질의 브릴루인 이득 선폭은 일반적으로 MHz~GHz 수준(일부 고체 매질의 브릴루인 이득 선폭은 약 10 MHz에 불과함)으로, 레이저 작동 물질의 이득 선폭(약 100 GHz)보다 훨씬 작습니다. 따라서 브릴루인 레이저에서 여기된 스토크스파는 공진기 내에서 여러 번 증폭된 후 뚜렷한 스펙트럼 폭 축소 현상을 보이며, 출력 선폭은 펌프 선폭보다 수십 배 더 좁습니다. 현재 브릴루인 레이저는 광자학 분야에서 연구의 핵심 주제로 떠올랐으며, Hz 및 sub-Hz 수준의 극도로 좁은 선폭 출력을 나타내는 연구 결과가 많이 보고되고 있습니다.

최근 몇 년 동안 도파관 구조를 갖는 브릴루인 소자가 해당 분야에서 주목받고 있습니다.마이크로파 포토닉스브릴루인 레이저는 소형화, 고집적화, 고해상도 방향으로 빠르게 발전하고 있습니다. 특히, 다이아몬드와 같은 신소재 결정 재료를 기반으로 하는 우주용 브릴루인 레이저가 지난 2년간 주목받고 있으며, 도파관 구조 및 캐스케이드 SBS 병목 현상의 혁신적인 돌파를 통해 브릴루인 레이저의 출력을 10W급으로 끌어올려 응용 분야 확장의 토대를 마련했습니다.
일반 교차로
첨단 지식의 지속적인 탐구와 함께, 좁은 선폭 레이저는 탁월한 성능으로 과학 연구에서 없어서는 안 될 필수 도구가 되었습니다. 대표적인 예로, 중력파 탐지를 위한 레이저 간섭계 LIGO는 단일 주파수의 좁은 선폭 레이저를 사용합니다.원자 램프1064nm 파장을 시드 광원으로 사용하고, 시드 광의 선폭은 5kHz 이내입니다. 또한, 파장 가변이 가능하고 모드 점프가 없는 좁은 선폭의 레이저는 특히 코히런트 통신 분야에서 큰 응용 가능성을 보여줍니다. 이는 파장 분할 다중화(WDM) 또는 주파수 분할 다중화(FDM)에 필요한 파장(또는 주파수) 가변성을 완벽하게 충족할 수 있으며, 차세대 이동 통신 기술의 핵심 소자가 될 것으로 기대됩니다.
앞으로 레이저 소재 및 가공 기술의 혁신은 레이저 선폭 축소, 주파수 안정성 향상, 파장 범위 확장 및 출력 향상을 더욱 촉진하여 인류의 미지의 세계 탐험을 위한 길을 열어줄 것입니다.