9. 레이저 제어기술, Q-스위치

 

 

레이저에는 많은 종류가 있고, 그 특성도 각각 다르다는 것은 포스팅을 본 여러분들은 알고 있을 것이다.

각종 레이저 응용에서 중요하게 작용하는 것이 레이저 제어기술이다.

레이저의 제어를 어떻게 하는가는 레이저 응용면에서 핵심을 이루는 경우가 많다. 즉 각종 레이저를 어떤 분야에 응용하더라도 레이저광의 강도, 파장, 위상, 편광, 편향 및 변조 등의 제어는 빼어 놓을 수 없는 기술이다.

레이저광의 제어는 레이저 발진기 내부에서 레이저광의 강도, 파장 및 발진형태 등을 직접 제어하는 방법과 레이저 발진기에서 방사되는 레이저광을 외부에서 제어하는 방법으로 분류할 수 있다. 이제 그 제어방법과 특성 등에 대하여 알아보자!

 

Q-스위치

 

개념적인 Q- 스위치의 원리

 

레이저매질을 여기시키면 반전분포가 일어나고, 그 양은 점차 증가한다. 그러나 이득이 발진문턱값에 달하면 레이저는 발진하기 시작하고, 포화효과 때문에 반전분포량은 그 이상 증가하지 않는다. 그러므로 정상적인 발진상태에서 레이저매질의 이득은 광공진기에서 출력 축출분을 포함하는 손실을 넘기는 정도의 작은 값이 된다.

 

반전분포량을 크게 하기 위해서는 광공진기의 손실을 크게, 즉 Q값을 작게 하여 발진문턱값을 높이면 된다. 여기서 여기되는 사이에 인의적으로 광공진기의 Q값을 작게 해 두고 반전분포량이 충분히 커졌을 때 갑자기 Q값을 원상태로 높게 만드는 것을 생각할 수 있다. 이같이 하면 반전분포량, 즉 이득계수는 발진문턱값보다 아주 큰 값이 되어 순간적으로 강력한 레이저를 발진시킬 수 있다. 이 같은 기술을 Q-스위치(Q-switch), 얻은 레이저를 Q-스위치 레이저라 한다.

 

Q-스위치 방법

색소 Q-스위치
가포화색소 Q-스위치라고도 하며, 강한 광을 흡수하면 투명하게 되는 가포화색소의 성질을 이용한다.

가포화색소는 레이저발진이 일어나기 시작하면 광을 흡수한다. 광의 강도가 포화흡수에 미치지 않는 범위에서는 색소용액이 광의 손실원으로 작용하여 레이저발진을 억제하는 동작을 한다. 그러나 광의 강도가 더욱 높아지게 되면, 색소에서 광의 흡수량이 포화되어 색소는 투명하게 되고, 공진기의 Q값이 높아져 펄스발진이 일어난다. 이 같은 가포화색소를 사용한 Q-스위치는 구조가 아주 간단하여 경제적인 반면 색소의 성능이 쉽게 떨어진다는 결점이 있다.

전기광학 Q-스위치

전기광학 Q-스위치 동작 상황

 

어떤 물질에 강한 전장을 걸어 주면 그 물질의 광학적 성질이 변화하는 경우가 있다. 광학결정 가운데 KDP, DKDP 및 LiNbO3 등은 복굴절성을 나타내는 광학적 이방성 결정이고, 이들에 외부에서 전장을 걸어 주면 굴절률이 전장의 강도에 따라 변하는 성질을 갖고 있다. 이같이 전장에 의해 굴절률이 변화하는 현상을 전기광학(electro-optic)효과라 한다. 그 가운데 중심 대칭성이 없는 결정에서 전장의 강도에 비례하여 굴절률이 변하는 현상을 1차 전기광학효과, 즉 포켈스 효과라 한다.

전기광학효과는 걸어 준 전장에 의해 유전율 텐서(dielectric tensor) 각 성분의 미소 변화 및 굴절률 타원체(index ellipsoid)의 미소 변형 등을 이용하여 해석한다. 전기광학결정에 전장을 걸어 주었을 때 광파의 변화는 복잡하지만, 대부분의 경우 전장을 걸어 준 방향 및 광의 전파방향을 적당히 선택하면 그 전파방향에 대하여 서로 직교하는 두 개의 고유 직선편광이 결정되고, 각 편광에 대한 굴절률이 걸어 준 전장에 비례하여 미소 변화량을 갖게 된다.

굴절률이 걸어 준 전장에 의해 변하면, 그에 따라 결정을 통과한 광파의 위상도 변하게 된다. 그러므로 입사편광을 X나 Y방향 중에서 정하여 위상을 변조시킬 수 있고 이를 이용한다. 리타디에이션(retardation)은 두 고유편광 사이의 위상차 의미하며, 전기광학소자에 걸어 주는 전장에 비례한다.

음향광학 Q-스위치

    투명하고 굴절률이 큰 결정인 초음파 매질에 주파수가 수십 MHz 이상인 초음파를 전파시키면 초음파 매질 중에는 초음파의 파장과 진폭에 대응하여 굴절률이 일정한 주기로 파의 형상을 취하게 된다. 이렇게 형성된 굴절률의 파형은 위상형의 회절격자로 동작하고, 이것에 레이저광이 입사하면 회절하여 광은 반사하게 된다. 이 회절광은 초음파의 강도나 주파수에 따라 강도나 방향이 변화한다.

 

초음파 매질에 초음파를 가했을 때의 굴절률 분포는

이고, 1차 회절광 강도 Ir, 입사광 강도 Ii일 때 초음파 신호에 따른 회절광의 강도 변화는 아래와 같다.

l은 초음파 매질의 길이, S는 초음파 빛살의 단면적, Ps는 초음파 파워        M2는 브래그 회절의 능률에 대한 성능지수로 매질에 따라 결정