8. 레이저의 발진모드, 종모드와 횡모드

 

레이저 발진모드

 

레이저발진은 광공진기 안에서 생기는 정재파에 따라 그 모드가 각양각색이다. 현의 진동에서 정재파의 배가 한 개일 때 기본파로 진동하는 것과 배가 두 개 및 네 개일 때 제2고조파 및 제4고조파로 진동하는 것도 있다. 이와 같은 여러 가지 모드를 진동모드라 한다. 광공진기에서도 마찬가지로 여러 가지 진동모드가 존재하게 된다.

 

종모드

광공진기의 공진주파수

 

광공진기에서 만들어지는 정재파의 주파수, 즉 공진주파수는 공진기 간격을 l, 광의 파장을 λ, 그리고 진동수를  ν라 할 때 광이 공진기 안에서 1회 왕복했을 때의 위상 변화량 2kl이 2π의 정수 배가 되는 것이다.

이것은 평면파 근사 공진조건인 kl=qπ이고, k=2π/λ=2πnν/co이 되어 q+1번째와 q번째의 공진주파수 간격  νp는

가 되며, 이를 종(longitudinal, axial)모드 간격이라 한다.

 

종모드 발생

이득 매질 내의 원자 또는 분자들이 가지는 속도 분포로 인해 발생하는 도플러 폭을 볼수 있다. 이 폭은 이득 스펙트럼의 형태로, 원자나 분자들의 속도가 다양함에 따라 이들이 흡수하거나 방출할 수 있는 빛의 주파수가 넓은 범위로 퍼져 있음을 알 수 있다.

 

He-Ne레이저의 경우를 예로 들어보면, 도플러 폭은 약 1,500MHz이고, 이 폭을 갖는 증폭곡선의 한 주파수와 광공진기의 주파수는 일치하게 된다. 이렇게 일치된 주파수만이 유도방출되어 레이저가 발진되는 것이다. 이같이 도플러 폭이 존재하기 때문에 광공진기 간격의 λ∕2 수준에서 미세한 조정은 필요하지 않게 된다. 공진기 길이가 1m인 He-Ne레이저의 경우 도플러 폭 안의 주파수와 일치하는 광공진기에 의한 주파수는 10개 정도 있고, 이들이 각각 발진한다. 이런 관계를 위 그림에서 확인할 수 있다. 

 

일반적으로 레이저광은 스펙트럼이 단 한 개인 단색광이라고 하지만, 실제로는 레이저 발진주파수가 몇 개의 미세한 스펙트럼으로 분리되어 있다. 또 이 같은 발진스펙트럼 분포를 종모드 또는 주파수모드라 부르고, 아래 그림과 같이 미세한 스펙트럼이 한 개만 있을 경우를 단일 종모드, 두 개 이상으로 구성되었을 경우를 다중 종모드라 한다. 단일 종모드의 레이저광이 결맞음이 좋은 것은 당연하지만, 레이저의 사용목적에 따라서 다중모드라 해도 레이저특성을 충분히 겸비하고 있는 것이다.

 

 

횡모드

레이저의 출력거울 바로 앞에서 형성되는 레이저광속의 수직 단면 강도분포를 횡(transverse)모드라 한다. 이는 종모드와는 달리 가시광 영역에서 연속발진하는 레이저광속이라면 직접 그 모양을 관측할 수도 있다. 횡모드는 광공진기의 구조나 특성에 의해 결정되는 경우가 많다.

 

횡모드의 상태가 아주 단순하고, 광 강도분포가 중심부에서 아주 크고, 중심부에서 멀어질수록 확률분포적으로 작게 되는 모드를 단일 횡모드 또는 단일모드라 한다. 그리고 이외의 모드를 다중 횡모드 또는 다중모드라 한다. 한편 일반적으로 횡모드가 다중인 경우는 종모드도 다중으로 되는 것이 많다. 횡모드는 일반적으로 다음과 같이 표현되고 있다. 레이저광은 전자파이고 전장성분과 자장성분으로 구성되는 횡파이기 때문에 Transverse ElectroMagnetic wave의 앞 글자를 따서 TEM파라 부르고 있다. TEM파의 여러 가지 모드를 구별하여 표현하기 위해 TEMmn과 같이 표기한다. 그림 2-38에 낮은 차수의 가우스형 레이저빛살에 대한 횡모드의 무늬를 예로 나타낸다. 그림의 횡모드 무늬에서 인접하는 두 부분은 강도분포가 서로 반대인 상태이다.

 

가장 단순한 단일모드를 TEMoo모드라 하고, 고차로 되는 것은 각각 TEM10, TEM20, TEM30, TEM11, TEM21 …… 이라 부른다. 이들 외에도 횡모드는 더 복잡하게 발생한다. 여기서 횡모드가 복잡하게 나타나는 레이저광은 시간적으로나 공간적으로 결맞음 정도도 낮다.

 

여러 가지 모양의 횡모드