오늘은 극도로 좁은 선폭을 가진 "단색" 레이저에 대해 소개하겠습니다. 이 레이저의 등장은 레이저의 여러 응용 분야에서 부족했던 부분을 채워주었으며, 최근에는 중력파 탐지, LiDAR, 분산 센싱, 고속 코히런트 광통신 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있습니다. 이는 단순히 레이저 출력을 높이는 것만으로는 달성할 수 없었던 "임무"입니다.
좁은 선폭 레이저란 무엇인가요?
"선폭"이라는 용어는 주파수 영역에서 레이저의 스펙트럼 선폭을 의미하며, 일반적으로 스펙트럼의 반치폭(FWHM)으로 정량화됩니다. 선폭은 주로 여기된 원자 또는 이온의 자발 복사, 위상 잡음, 공진기의 기계적 진동, 온도 변화 및 기타 외부 요인의 영향을 받습니다. 선폭 값이 작을수록 스펙트럼의 순도가 높아지고, 즉 레이저의 단색성이 우수해집니다. 이러한 특성을 가진 레이저는 일반적으로 위상 또는 주파수 잡음이 매우 적고 상대 강도 잡음도 매우 적습니다. 동시에 레이저의 선폭 값이 작을수록 해당 결맞음이 강해지며, 이는 매우 긴 결맞음 길이로 나타납니다.
좁은 선폭 레이저의 구현 및 응용
레이저 작동 물질의 고유한 이득 선폭에 의해 제한되기 때문에, 기존의 발진기 자체만으로는 좁은 선폭의 레이저 출력을 직접 구현하는 것은 거의 불가능합니다. 좁은 선폭의 레이저를 구현하기 위해서는 일반적으로 필터, 회절 격자 등의 장치를 사용하여 이득 스펙트럼에서 종방향 모드를 제한하거나 선택하고, 종방향 모드 간의 순 이득 차이를 증가시켜 레이저 공진기 내에 소수의 종방향 모드 또는 단 하나의 종방향 모드만 발진하도록 해야 합니다. 이 과정에서 레이저 출력에 미치는 잡음의 영향을 제어하고 외부 환경의 진동 및 온도 변화로 인한 스펙트럼 선폭 확장을 최소화해야 합니다. 동시에 위상 또는 주파수 잡음 스펙트럼 밀도 분석을 통해 잡음의 원인을 파악하고 레이저 설계를 최적화하여 안정적인 좁은 선폭 레이저 출력을 얻을 수 있습니다.
이제 서로 다른 여러 종류의 레이저를 사용하여 좁은 선폭 동작을 구현하는 방법을 살펴보겠습니다.
(1)반도체 레이저
반도체 레이저는 소형화, 고효율, 긴 수명 및 경제적 이점 등의 장점을 가지고 있습니다.
전통적인 패브리-페로(FP) 광학 공진기는 다음과 같은 용도로 사용됩니다.반도체 레이저일반적으로 다중 종방향 모드로 진동하며 출력 선폭이 비교적 넓기 때문에 좁은 선폭의 출력을 얻으려면 광 피드백을 증가시켜야 합니다.
분산 피드백(DFB)과 분산 브래그 반사(DBR)는 대표적인 내부 광학 피드백 반도체 레이저입니다. 작은 격자 피치와 우수한 파장 선택성 덕분에 안정적인 단일 주파수의 좁은 선폭 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 두 구조의 주요 차이점은 격자의 위치입니다. DFB 구조는 일반적으로 브래그 격자의 주기적인 구조를 공진기 전체에 분산시키는 반면, DBR 공진기는 일반적으로 반사 격자 구조와 이득 영역이 끝면에 통합된 형태로 구성됩니다. 또한, DFB 레이저는 굴절률 대비가 낮고 반사율이 낮은 내장형 격자를 사용하는 반면, DBR 레이저는 굴절률 대비가 높고 반사율이 높은 표면형 격자를 사용합니다. 두 구조 모두 넓은 자유 스펙트럼 범위를 가지며 수 나노미터 범위에서 모드 점프 없이 파장 튜닝이 가능하지만, DBR 레이저는 DFB 레이저보다 더 넓은 튜닝 범위를 가집니다.DFB 레이저또한, 외부 광학 소자를 사용하여 반도체 레이저 칩의 출력광을 되돌려 보내고 주파수를 선택하는 외부 공진기 광학 피드백 기술은 반도체 레이저의 좁은 선폭 동작을 구현할 수 있습니다.
(2) 파이버 레이저
광섬유 레이저는 높은 펌프 변환 효율, 우수한 빔 품질 및 높은 결합 효율을 가지고 있어 레이저 분야에서 활발히 연구되고 있는 분야입니다. 정보화 시대에 광섬유 레이저는 현재 시판 중인 광섬유 통신 시스템과의 호환성이 뛰어납니다. 특히 좁은 선폭, 낮은 잡음 및 우수한 결맞음성을 특징으로 하는 단일 주파수 광섬유 레이저는 중요한 연구 방향 중 하나로 주목받고 있습니다.
단일 종모드 동작은 좁은 선폭 출력을 구현하는 광섬유 레이저의 핵심이며, 일반적으로 단일 주파수 광섬유 레이저의 공진기 구조에 따라 DFB형, DBR형 및 링형으로 나눌 수 있습니다. 이 중 DFB형과 DBR형 단일 주파수 광섬유 레이저의 동작 원리는 DFB형과 DBR형 반도체 레이저의 동작 원리와 유사합니다.
그림 1에서 보는 바와 같이, DFB(분산 브래그 격자) 광섬유 레이저는 광섬유에 분산 브래그 격자를 새겨 넣는 방식으로 작동합니다. 발진기의 동작 파장은 광섬유 주기에 영향을 받기 때문에, 격자의 분산 피드백을 통해 종방향 모드를 선택할 수 있습니다. DFB 레이저의 공진기는 일반적으로 한 쌍의 광섬유 브래그 격자로 구성되며, 단일 종방향 모드는 주로 좁은 대역폭과 낮은 반사율을 가진 광섬유 브래그 격자를 사용하여 선택됩니다. 그러나 링형 공진기는 긴 공진기 길이, 복잡한 구조, 그리고 효과적인 주파수 판별 메커니즘의 부재로 인해 모드 호핑 현상이 발생하기 쉽고, 일정한 종방향 모드에서 장시간 안정적으로 동작하기 어렵습니다.
그림 1. 단일 주파수의 두 가지 전형적인 선형 구조파이버 레이저
게시 시간: 2023년 11월 27일