모드 잠금

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모드 잠금은 광학에서 피코초(10초⁻¹²) 또는 펨토초(10초⁻¹⁵)의 순서로 레이저가 극히 짧은 지속시간의 빛의 펄스를 생성하도록 하는 기법이다. 이런 식으로 운영되는 레이저를 펨토초 레이저라고 부르기도 하는데, 예를 들면 현대의 굴절 수술에서 그러하다. 이 기술의 기본은 레이저 공명 공동의 세로 모드 사이에 고정 위상 관계를 유도하는 것이다. 이러한 모드들 사이의 건설적인 간섭은 레이저 광선이 펄스열로 생성되는 원인이 될 수 있다. 이어 레이저를 "위상 잠금" 또는 "모드 잠금"이라고 한다.

레이저 캐비티 모드

비록 레이저 광선이 아마도 가장 순수한 형태의 빛일지라도, 그것은 단일의 순수한 주파수나 파장의 것이 아니다. 모든 레이저들은 어떤 천연 대역폭이나 주파수 범위에서 빛을 낸다. 레이저의 작동 대역폭은 주로 레이저가 구성되는 이득 매체에 의해 결정되며, 레이저가 작동할 수 있는 주파수 범위를 이득 대역폭이라고 한다. 예를 들어 일반적인 헬륨-네온 레이저의 이득 대역폭은 약 1.5GHz(633nm의 중심 파장에서 약 0.002nm의 파장 범위)인 반면, 티타늄 도핑 사파이어(Ti:sapfire) 고체 상태 레이저의 대역폭은 약 128THz(800nm의 중심에 있는 300nm의 파장 범위)이다.

레이저의 방출 주파수를 결정하는 두 번째 요인은 레이저의 광학 공동(또는 공명 공동)이다. 가장 간단한 경우, 이것은 레이저의 이득 매개체를 둘러싸는 두 개의 평면(평면) 거울로 구성된다(이 배열을 파브리-페로트 공동이라고 한다). 빛은 파동이기 때문에, 충치의 거울 사이를 튕길 때, 빛은 건설적으로 그리고 파괴적으로 자신을 방해하여 거울 사이에 서 있는 파동, 즉 모드를 형성하게 된다. 이러한 입자파는 공동의 세로모드라고 알려진 이산 주파수 집합을 형성한다. 이러한 모드는 자기 재생성되고 공명 공동에 의해 진동할 수 있는 유일한 빛의 주파수로서, 다른 모든 빛의 주파수는 파괴적인 간섭에 의해 억제된다. 단순한 평면 미러 공동의 경우, 허용된 모드는 미러 L의 분리 거리가 빛의 파장의 절반인 λ 파장의 정확한 배수로 L = qλ/2이며 여기서 q는 모드 순서라고 알려진 정수다.

실제로 L은 대개 λ보다 훨씬 크기 때문에 q의 관련 값도 크다(10~10⁵⁶ 정도). 보다 관심 있는 것은 두 개의 인접 모드 q와 q + 1 사이의 주파수 분리다. 이는 Δ³에 의해 (길이 L의 빈 선형 공명기의 경우) 주어진다.

${\displaystyle \Delta \nu ={\frac {c}{2L}},}$

여기서 c는 빛의 속도다( (3×10⁸ m/s).

위의 방정식을 이용하여 거울 분리가 30 cm인 소형 레이저의 세로 모드 간 주파수 분리가 0.5 GHz이다. 따라서 위에서 언급한 두 개의 레이저에 대해 30cm의 공동으로 HeNe 레이저의 1.5GHz 대역폭은 최대 3개의 세로 모드를 지원하는 반면 Ti:sapfire 레이저의 128THz 대역폭은 약 25만 모드를 지원할 수 있다. 둘 이상의 세로 모드가 흥분하면 레이저가 "멀티 모드" 작동에 있다고 한다. 하나의 세로 모드만 흥분하면 레이저가 "단일 모드" 작동에 있다고 한다.

각각의 개별 세로모드는 그것이 작동하는 주파수 범위 또는 좁은 범위를 가지고 있지만, 일반적으로 이 대역폭은 공동의 Q 인자(Fabry-Pérot interferometer 참조)에 의해 결정되며, 모드 간 주파수 분리보다 훨씬 작다.

모드 잠금 이론

단순한 레이저에서 이러한 각각의 모드는 서로간에 고정된 관계 없이, 본질적으로 독립 레이저 세트처럼 독립적으로 진동하며, 모두 조금씩 다른 주파수에서 빛을 발산한다. 각 모드에서 광파의 개별 위상은 고정되지 않으며 레이저 소재의 열 변화 등으로 인해 무작위로 변화할 수 있다. 진동 모드가 몇 개뿐인 레이저에서 모드 간 간섭은 레이저 출력에서 박동 효과를 유발하여 강도의 변동을 초래할 수 있으며, 수천 개의 모드를 가진 레이저의 경우 이러한 간섭 효과는 거의 일정한 출력 강도에 평균하는 경향이 있다.

각 모드는 독립적으로 진동하는 대신에 그것과 다른 모드 사이에 고정된 위상으로 작동한다면, 레이저 출력은 상당히 다르게 동작한다. 무작위 또는 일정한 출력 강도 대신에 레이저의 모드는 주기적으로 서로 구조적으로 간섭하여 강렬한 버스트 또는 빛의 펄스를 생성한다. 그러한 레이저를 「모드 잠금」 또는 「위상 잠금」이라고 한다. 이러한 펄스는 시간 separated = 2 L/c로 분리되어 발생하며, 여기서 τ은 빛이 정확하게 레이저 공동의 한 바퀴를 돌 때까지 걸리는 시간이다. 이 시간은 레이저의 모드 간격과 정확히 동일한 주파수인 Δ = = 1/³에 해당한다.

빛의 각 펄스의 지속시간은 위상에서 진동하는 모드의 수에 의해 결정된다(실제 레이저에서는 레이저의 모든 모드가 위상 잠김이 반드시 사실인 것은 아니다. 주파수 분리 Δ³로 잠긴 N 모드가 있을 경우 전체 모드 잠금 대역폭은 NΔ³이며, 이 대역폭이 넓을수록 레이저로부터의 펄스 지속 시간이 짧아진다. 실제로 실제 펄스 지속시간은 각 펄스의 형상에 의해 결정되며, 이는 각 세로 모드의 정확한 진폭과 위상 관계에 의해 차례로 결정된다. 예를 들어 가우스 시간 형상을 가진 펄스를 생성하는 레이저의 경우 가능한 최소 펄스 지속 시간 Δt는 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle \Delta t={\frac {0.441}{N\Delta \nu }}.}$

0.441 값은 펄스의 "시간대역폭 산물"로 알려져 있으며 펄스 모양에 따라 변화한다. 초음파 펄스 레이저의 경우 쌍곡선-정사각형(sech²) 펄스 형태를 가정하는 경우가 많아 시간대역폭은 0.315이다.

이 방정식을 사용하여 최소 펄스 지속시간을 측정된 레이저 스펙트럼 폭과 일치하도록 계산할 수 있다. 1.5 GHz 스펙트럼 폭을 가진 HeNe 레이저의 경우 이 스펙트럼 폭과 일치하는 최단 가우스 펄스는 약 300 피코초, 128 THz 대역폭 Ti:sapfire 레이저의 경우 이 스펙트럼 폭은 3.4 펨토초일 것이다. 이러한 값은 레이저의 선폭과 일치하는 가우스 펄스를 가장 짧은 값으로 나타낸다. 실제 모드 잠금 레이저에서 실제 펄스 지속 시간은 실제 펄스 모양과 전체 캐비티 분산과 같은 많은 다른 요인에 따라 달라진다.

후속 변조는 원칙적으로 그러한 레이저의 펄스 폭을 더 줄일 수 있지만, 측정된 스펙트럼 폭은 그에 따라 증가하게 된다.

모드 잠금 방법

레이저에서 모드 잠금을 생성하는 방법은 "활성" 또는 "수동"으로 분류할 수 있다. 활성 방법에는 일반적으로 외부 신호의 사용을 통해 내부 조명의 변조를 유도하는 것이 포함된다. 수동적인 방법은 외부 신호를 사용하는 것이 아니라 빛의 자체 변조를 일으키는 레이저 공동에 일부 원소를 넣는 것에 의존한다.

능동 모드 잠금

가장 일반적인 활성 모드 잠금 기술은 스탠딩 파형 전기 광학 모듈레이터를 레이저 캐비티 안으로 배치한다. 전기 신호로 구동할 때, 이것은 캐비티 내 빛의 사인 진폭 변조를 생성한다. 주파수 영역에서 이것을 고려할 때, 모드가 광 주파수 ν을 가지고 있고 주파수 f에서 진폭을 변조하는 경우, 결과 신호는 광 주파수 ν - f 및 ν + f에서 사이드밴드를 가진다. 모듈레이터가 캐비티 모드 간격 Δν과 동일한 주파수로 구동되는 경우, 이 사이드밴드는 원래 모드에 인접한 두 개의 캐비티 모드에 해당한다. 사이드밴드는 위상에서 구동되기 때문에 중앙 모드와 인접 모드가 함께 위상 잠금된다. 측면 대역에서 모듈레이터를 추가로 작동하면 ν - 2f 및 ν + 2f 모드의 위상 잠금이 발생하며, 게인 대역폭의 모든 모드가 잠길 때까지 위상 잠금이 발생한다. 위에서 말했듯이, 일반적인 레이저들은 다중 모드로서 루트 모드에 의해 시드되지 않는다. 따라서 다중 모드는 어떤 단계를 사용해야 하는지를 알아내야 한다. 이 잠금이 적용된 수동적 캐비티에서는 원래 독립적 단계에 의해 주어진 엔트로피를 버릴 방법이 없다. 이 잠금 장치는 연결 장치로서 더 잘 설명되어 있어 복잡한 동작으로 이어지며 깨끗한 펄스가 아니다. 커플링은 진폭 변조의 소멸 특성 때문에 소멸할 뿐이다. 그렇지 않으면 위상 변조가 작동하지 않을 것이다.

이 과정은 또한 시간 영역에서도 고려될 수 있다. 진폭 변조기는 캐비티의 거울 사이에서 튕기는 빛에 약한 "셔터" 역할을 하며, "닫힘" 시 빛을 감쇠시키고 "열림" 시 빛이 통과할 수 있도록 한다. 변조 속도 f가 캐비티 왕복 시간 τ과 동기화되면, 하나의 펄스 빛은 캐비티에서 앞뒤로 튕겨진다. 변조의 실제 강도는 클 필요는 없다. "닫힘" 시 빛의 1%를 감쇠하는 모듈레이터는 빛의 동일한 부분이 공동을 통과할 때 반복적으로 감쇠되기 때문에 레이저가 모드 잠긴다.

이 진폭 변조(AM)와 관련하여 능동 모드 잠금은 주파수 변조(FM) 모드 잠금으로, 음향-광학 효과에 기반한 변조기 장치를 사용한다. 이 장치는 레이저 공동에 배치되고 전기 신호로 구동될 때, 그것을 통과하는 빛에서 작고 정현상적으로 변화하는 주파수 이동을 유도한다. 변조의 주파수가 충치의 왕복 시간과 일치하면, 충동의 어떤 빛은 주파수의 반복적인 고단 변속을 보고, 어떤 빛은 저단 변속을 반복한다. 여러 번 반복한 후에, 상향 및 하향 조명은 레이저의 이득 대역폭에서 쓸려 나간다. 영향을 받지 않는 유일한 빛은 유도 주파수 이동이 0일 때 변조기를 통과하는 빛으로 빛의 좁은 펄스를 형성한다.

세 번째 능동형 모드 잠금 방법은 동기식 모드 잠금, 즉 동기식 펌핑이다. 이 경우 레이저의 펌프 소스(에너지 소스) 자체가 변조되어 효과적으로 레이저를 켜고 끌 수 있어 펄스가 생성된다. 일반적으로 펌프 공급원은 그 자체로 또 다른 모드 잠금 레이저다. 이 기법은 펌프 레이저와 구동 레이저의 캐비티 길이를 정확하게 일치시킬 필요가 있다.

패시브 모드 잠금

수동 모드 잠금 기술은 펄스를 생성하기 위해 레이저 외부의 신호(모듈레이터의 주행 신호 등)가 필요하지 않은 기법이다. 오히려 그들은 어떤 내성적 요소에 변화를 일으키기 위해 캐비티 안의 빛을 사용하며, 그러면 그 자체로 내성적 빛에 변화를 일으킬 것이다. 이것을 달성하기 위해 흔히 사용되는 장치는 포화성 흡수제다.

포화형 흡수기는 강도에 의존하는 전송을 나타내는 광학 소자로, 그 소자를 통과하는 빛의 강도에 따라 장치가 다르게 동작한다는 것을 의미한다. 패시브 모드 잠금의 경우 포화형 흡수기는 저강도 빛을 선택적으로 흡수하지만, 충분히 높은 강도의 빛을 전송한다. 레이저 캐비티에 놓일 때 포화성 흡수기는 저강도 정전파등(펄스 날개)을 감쇠시킨다. 그러나 비모드 잠금 레이저가 경험하는 다소 무작위 강도 변동 때문에 임의의 강도 스파이크는 포화성 흡수기에 의해 우선 전송된다. 충치 안의 빛이 진동하면서 이 과정이 반복되면서 고강도 스파이크의 선택적 증폭과 저강도 광의 흡수로 이어진다. 많은 왕복 여행 후에, 이것은 일련의 맥박과 레이저의 모드 잠금으로 이어진다.

주파수 영역에서 이것을 고려할 때, 모드가 광 주파수 ν을 가지고 있고 주파수 nf에서 진폭이 변조된 경우, 결과 신호는 광 주파수 - - nf 및 + + nf에서 사이드밴드를 가지고 있고 활성 모드 잠금보다 짧은 펄스 및 더 높은 안정성을 위해 훨씬 강한 모드 잠금을 가능하게 하지만 시동 문제가 있다.

포화성 흡수제는 일반적으로 액체 유기 염료지만 도핑된 결정과 반도체로 만들 수도 있다. 반도체 업소버들은 매우 빠른 응답 시간(~100 fs)을 보이는 경향이 있는데, 이는 수동 모드 잠금 레이저에서 펄스의 최종 지속시간을 결정하는 요인 중 하나이다. 충돌-펄스 모드 잠금 레이저에서 흡수기는 선행 에지를 경사진 반면, 래싱 매체는 맥박의 후행 에지를 경사진 것이다.

강도 의존 흡수를 직접적으로 나타내는 재료에 의존하지 않는 수동 모드 잠금 방식도 있다. 이러한 방법에서는 경내 구성요소의 비선형 광학적 효과를 이용하여 저강도 광의 공동과 감쇠에 있는 고강도의 광을 선택적으로 증폭시키는 방법을 제공한다. 가장 성공적인 계획 중 하나는 커-렌즈 모드 잠금(KLM)으로 불리며, 때로는 "셀프 모드 잠금"이라고도 불린다. 이것은 비선형 광학 과정인 광학 커 효과를 사용하므로 저강도 빛과 다르게 고강도 빛이 집중되게 된다. 레이저 구멍의 세심한 배치로 이 효과를 이용하여 초고속 응답 시간 포화성 흡수기와 동등한 효과를 낼 수 있다.

하이브리드 모델코킹

일부 반도체 레이저에서는 위의 두 가지 기법을 조합하여 사용할 수 있다. 포화성 흡수기가 장착된 레이저를 사용하여 레이저가 잠기는 주파수와 동일한 주파수로 전기 주사를 조절하면 전기 주사에 의해 레이저가 안정화될 수 있다. 이는 레이저의 위상 소음을 안정화시키는 장점이 있으며 레이저에서 나오는 펄스의 타이밍 지터를 줄일 수 있다.

잔류 캐비티 장에 의한 모드 잠금

나노와이어 레이저에서도 후속 레이저 펄스 사이의 일관된 위상 정보 전달이 관찰되었다. 여기서 위상 정보는 캐비티 내 일관성 있는 라비 진동의 잔류 광자장에 저장되었다. 그러한 발견은 칩 스케일 광자 회로와 온칩 램지 콤비 분광기 같은 용도에 통합된 광원의 단계적 잠금을 위한 길을 열어준다.^[1]

푸리에 도메인 모드 잠금

푸리에-도메인 모드 잠금(FDML)은 연속파, 파장-스위프트 광 출력을 생성하는 레이저 모드 잠금 기법이다.^[2] FDML 레이저의 주요 적용 분야는 광학 일관성 단층 촬영이다.

실용적인 모드 잠금식 레이저

실제로 여러 설계 고려사항은 모드 잠금 레이저의 성능에 영향을 미친다. 가장 중요한 것은 프리즘 압축기 또는 캐비티에 배치된 일부 분산 거울로 제어할 수 있는 레이저 광학적 공명기의 전체적인 분산과 광학적 비선형성이다. 레이저 공동의 과도한 순 그룹 지연 분산(GDD)의 경우, 공동 모드의 위상은 큰 대역폭을 통해 잠글 수 없으며, 매우 짧은 펄스를 얻기가 어려울 것이다. 커 비선형성과 음(비열성)의 (비열성) 네트 GDD의 적절한 조합의 경우, 솔리톤 유사 상호작용은 모드 잠금을 안정화시키고 더 짧은 펄스를 생성하는데 도움이 될 수 있다. 가능한 최단 펄스 지속 시간은 일반적으로 제로 분산(비선형성 없음) 또는 일부 약간 음의(열성) 분산(솔리톤 메커니즘 설명)에 대해 달성된다.

최단 직접 생성된 광학 펄스는 일반적으로 커-렌즈 모드 잠금 Ti-sapfire 레이저에 의해 생성되며 약 5페모초 길다. 또는 유사한 지속시간의 증폭 펄스는 중공 코어 섬유에서 자기 위상 변조에 의해 또는 필라멘테이션 중에 더 긴 (예를 들어 30 fs) 펄스의 압축을 통해 생성된다. 그러나 최소 펄스 지속 시간은 반송파 주파수(Ti:sapfire 시스템의 경우 약 2.7fs)의 기간에 의해 제한되므로, 짧은 펄스는 더 짧은 파장으로 이동해야 한다. 일부 고급 기술(femtossecond 레이저 펄스가 증폭된 고화질 생성)을 사용하여 극자외선 스펙트럼 영역(예: <30nm)에서 100attsecond의 짧은 지속 시간을 갖는 광학적 특징을 생성할 수 있다. 특히 레이저 애플리케이션에 중요한 다른 성과들은 레이저 다이오드로 펌핑할 수 있는 모드 잠금식 레이저의 개발, 매우 높은 평균 출력 전력(와트 수 턴스)을 발생시킬 수 있거나 많은 GHz의 반복률이 극히 높은 펄스 트레인을 발생시킬 수 있다.

약 100 fs 미만의 펄스 지속 시간은 광전자 기법(즉, 광다이오드)을 사용하여 직접 측정하기에는 너무 짧으며, 따라서 자기 상관, 주파수 분해 광학 게이트, 직접 전기장 재구성을 위한 스펙트럼상 간섭 측정 또는 멀티호턴 내 간섭 위상 스캔과 같은 간접적인 방법을 사용한다.d

적용들

• 핵융합(내부구속융합)
• 2차 고조파, 파라메트릭 다운-변환기, 광학 파라미터 오실레이터 및 테라헤르츠 방사선 생성과 같은 비선형 광학.
• 광학 데이터 저장은 레이저를 사용하며, 3D 광학 데이터 저장의 신흥 기술은 일반적으로 비선형 광화학 기술에 의존한다. 이러한 이유로, 많은 예들은 모드 잠금 레이저를 사용한다. 왜냐하면 그것들은 매우 높은 초음파 펄스 반복률을 제공할 수 있기 때문이다.
• 펨토초 레이저 나노마칭 – 짧은 펄스는 많은 종류의 물질에서 나노마친에 사용될 수 있다.
• 피코와 펨토초 마이크로마치의 한 예는 잉크젯 프린터의 실리콘 제트 표면을 시추하는 것이다.
• 투포톤 현미경 검사.
• 각막 수술(굴절 수술 참조). 펨토초 레이저를 사용하여 각막에 거품을 만들 수 있다. 라식 수술(때로는 인트라라식 수술 또는 올레이저 수술이라고 한다)에서 플랩을 생성하기 위해, 예를 들어, 미세 케라톰을 대신하여 각막의 절단을 생성하기 위해 한 줄의 거품을 사용할 수 있다. 거품도 여러 겹으로 만들어 이 층들 사이에 있는 각막조직의 한 조각을 제거할 수 있다(작은 절개 렌티쿨레 추출법이라고 알려진 절차).
• 금속 표면을 진한 검정색으로 렌더링하는 레이저 기술이 개발됐다. 펨토초 레이저 펄스는 금속 표면을 변형시켜 나노구조를 형성한다. 엄청나게 늘어난 표면적은 그 위에 떨어지는 모든 빛을 사실상 흡수할 수 있고, 따라서 그 빛을 짙은 검은색으로 보이게 한다. 이것은 검은 금의^[3] 한 종류다.
• 전자 시계에서 레이저의 높은 정확도를 사용하여 전자 ADC의 샘플링 오류를 감소시키는 광학적 샘플링.

참고 항목

• 섬유레이저
• 디스크레이저
• 레이저 구조
• 솔리톤
• 벡터솔리톤
• 방산용리톤
• 포화성 흡수
• 솔리드 스테이트 레이저
• 펨토테크놀로지
• 주파수 빗
• 초고속 광학
• Q-스위치

참조

추가 읽기

• Andrew M. Weiner (2009). Ultrafast Optics. Wiley. ISBN 978-0-471-41539-8.
• H. Zhang 외, "유인 용해제는 2중성 캐비티 섬유 레이저에서 교차 양극화 커플링에 의해 형성된다", Opt. 레트, 33, 2317–2319. (2008)
• D.Y. 탕 외 연구진, "섬유 레이저에서 고차 양극화-잠금 벡터 솔리톤 관찰", 물리 리뷰 레터, 101, 153904(2008).
• H. Zhang 외, "섬유 레이저에서 벡터 솔리톤 성분들 사이의 일관성 있는 에너지 교환", 광학 익스프레스, 16,12618–12623(2008).
• H. Zhang 외, "Erbium 도핑 섬유 레이저의 다중 파장 분산 용해 작업", 광학 익스프레스, 제17권, 제2호, 페이지 12692–12697호
• L.M. 자오 외, "섬유 링 레이저에서 벡터 솔리턴의 극성 회전 잠금", 광학 익스프레스, 16,10053–10058(2008).
• 치아오량 바오, 한장, 유왕, 전화 니, 용리 옌, 제샹 셴, 키안 핑 로, 고급 기능성 소재 딩위안 탕,"초고속 펄스 레이저를 위한 포화성 흡수기로서의 아톰 레이어 그래핀"
• Zhang, H.; et al. (2010). "Graphene mode locked, wavelength-tunable, dissipative soliton fiber laser" (PDF). Applied Physics Letters. 96 (11): 111112. arXiv:1003.0154. Bibcode:2010ApPhL..96k1112Z. doi:10.1063/1.3367743. S2CID 119233725. Archived from the original (PDF) on July 16, 2011.

외부 링크

• 모드 잠금 및 모드 잠금 레이저의 레이저 물리학 및 기술 백과사전