필라멘트 전파

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 기체 매질에서 펨토초 레이저의 필라멘트화
- 2.1. 자가 초점 맞춤 (Self-focusing)
- 2.2. 재초점 맞춤 (Re-focusing)
3. 광 반응 시스템에서의 필라멘트 전파
4. 펨토초 레이저 필라멘트화의 응용
5. 한국의 펨토초 레이저 연구 현황 및 전망
참조

1. 개요

필라멘트 전파는 레이저 빔이 매질을 통과할 때 나타나는 현상으로, 특히 펨토초 레이저 펄스에서 관찰된다. 이 현상은 자가 초점 맞춤과 재초점 맞춤을 반복하며 진행되며, 광 반응 시스템에서도 발생할 수 있다. 필라멘트 전파는 플라즈마를 생성하여 협대역 레이저 펄스를 광대역 펄스로 변환하며, 분광학, 라이다(LIDAR), 정밀 가공, 광 도파관, 레이저 피뢰침 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

더 읽어볼만한 페이지

비선형 광학 - 커 효과
커 효과는 외부 전기장에 의해 물질의 굴절률이 변화하는 현상으로, 전기장 세기의 제곱에 비례하는 복굴절 현상을 의미하며, 전기광 커 효과와 광학적 커 효과로 나뉘고 광통신 등 다양한 분야에 응용된다.
비선형 광학 - 동시 계수기

필라멘트 전파
개요
현상	광학적 비선형성으로 인한 빛의 자가 집속 현상
설명	고강도 레이저 빔이 매질을 통과할 때 발생하는 현상으로, 빔의 강도가 특정 임계값을 초과하면 빔 자체의 굴절률 변화를 유발하여 빔이 좁아지면서 필라멘트 형태로 전파됨.
주요 특징	높은 강도, 작은 단면적, 긴 전파 거리
응용 분야	대기 과학, 분광학, 이미징, 레이저 유도 플라즈마 채널 생성 등
물리적 과정
Kerr 효과	강한 레이저 빔에 의해 매질의 굴절률이 변화하는 현상
자가 집속 (Self-Focusing)	Kerr 효과로 인해 빔의 중심부 굴절률이 높아져 렌즈와 같은 역할을 하여 빔이 스스로 집속됨.
플라즈마 생성	집속된 빔의 강도가 매우 높아져 매질 내에서 이온화가 발생하여 플라즈마가 생성됨.
회절 (Diffraction)	집속된 빔의 크기가 파장 수준으로 작아지면 회절 효과가 강해져 빔의 확산을 유발함.
동적 균형	자가 집속과 회절, 플라즈마 생성이 균형을 이루어 필라멘트가 안정적으로 유지됨.
수학적 모델
비선형 슈뢰딩거 방정식 (Nonlinear Schrödinger Equation, NLSE)	필라멘트 전파를 기술하는 데 사용되는 주요 방정식으로, Kerr 효과, 회절, 플라즈마 효과 등을 고려할 수 있음.
Ducting 모델	강렬한 레이저 펄스의 비선형 Kerr 매체에서의 전파를 기술하는 데 사용되는 모델
주요 연구
레이저 유도 손상 (Laser-Induced Damage)	투명 매질에서의 레이저 유도 손상 연구 (Hercher, 1964)
펨토초 펄스 필라멘트 형성 제어	초기 처프 변화를 통한 공기 중 펨토초 펄스 필라멘트 형성 제어 연구 (Xhao et al., 1997)
펨토초 펄스 전파 분석	공기 중 펨토초 펄스 전파의 변동 분석 연구 (Aközbek et al., 2000)

2. 기체 매질에서 펨토초 레이저의 필라멘트화

기체 매질에서 펨토초 레이저 펄스가 전파될 때 필라멘트화 현상이 발생한다. 펨토초 레이저 필라멘트화는 자가 초점 맞춤(Self-focusing)과 재초점 맞춤(Re-focusing) 현상을 포함한다.

2. 1. 자가 초점 맞춤 (Self-focusing)

레이저 빔이 매질을 통과할 때, 매질의 굴절률은 다음과 같이 변한다.^[28]

:

n = { n_0 + \bar{n}_2I}

여기서

n_0

는 선형 굴절률,

\bar{n}_2

는 2차 굴절률,

I

는 레이저의 세기를 나타낸다. 자가 초점 맞춤(Self-focusing)은 커 효과(Kerr effect)로 인한 위상 변화가 가우스 빔의 발산으로 인한 위상 변화를 상쇄할 때 발생한다. 가우스 빔의 회절에 의한 위상 변화(

\Delta z

)는 다음과 같다.

:

\phi_{diffraction}={k\Delta z\over 2\rho_0^2}r^2

커 효과로 인한 위상 변화는 다음과 같다.

:

\phi_{Kerr}={2\pi\bar{n}_2I_0\Delta z\over \lambda}exp({-2r^2\over w_0^2}) \approx {2\pi\bar{n}_2I_0\Delta z\over \lambda}(1-{2r^2\over w_0^2})

여기서

k={2\pi n_0\over \lambda}

,

\rho_0={\pi w_0^2n_0\over\lambda}

(레일리 범위),

w_0

는 가우스 빔의 너비이다. 자가 초점 맞춤이 일어나려면,

r^2

항이 커 위상과 회절 위상 모두에서 크기가 같아야 한다. 따라서,

:

I_0={w_0^2\over 4\rho_0^2\bar{n}_2}

가우스 빔 너비의 면적이

\pi w_0^2\over 2

이므로, 다음을 얻는다.^[29]

:

P_{c}={\lambda^2\over 8\pi n_0 \bar{n}_2}

여기서,

:

\bar{n}_2 \left({cm^2\over W}\right)=n_2n_0\epsilon_0c

자가 초점 맞춤은 임계 전력

P_{c}

(공기 중에서 기가와트(GW) 단위^[30]) 이상의 레이저 피크 전력이 필요하다. 그러나 피크 전력이 임계 전력보다 높은 적외선(IR) 나노초 펄스에서는 자가 초점 맞춤이 불가능하다. 다광자 이온화, 역 제동 복사, 전자 애벌란시 이온화는 기체와 레이저 상호작용의 세 가지 주요 결과이다. 뒤의 두 과정은 충돌 유형 상호작용이며 완료하는 데 피코초에서 나노초의 시간이 걸린다. 나노초 펄스는 전력이 자가 초점에 필요한 GW 수준에 도달하기 전에 공기 파괴를 일으킬 만큼 충분히 길다. 기체의 파괴는 흡수 및 반사 효과를 갖는 플라즈마를 생성하여 자가 초점을 막는다.^[7]

2. 2. 재초점 맞춤 (Re-focusing)

펨토초 레이저 펄스가 기하학적 초점을 지난 후에도 반복적으로 초점이 맞춰지는 현상을 재초점 맞춤이라고 한다.^[31]^[32] 가우스 빔 전파는 기하학적 초점에서 양방향으로 빔 폭이 증가할 것으로 예측한다. 그러나 레이저 필라멘트화 상황에서는 빔이 빠르게 다시 붕괴된다. 이러한 발산과 재초점 맞춤은 무기한으로 계속된다.^[8]^[9]

3. 광 반응 시스템에서의 필라멘트 전파

필라멘트 형성 및 전파는 포토 폴리머 시스템에서도 관찰될 수 있다. 이러한 시스템은 광반응 기반 굴절률 증가를 통해 커(Kerr) 효과와 유사한 광학적 비선형성을 나타낸다.^[33] 필라멘트는 개별 빔의 자기 포획, 또는 넓은 영역의 빛 프로파일의 변조 불안정성의 결과로 형성된다.^[34] 아크릴^[35], 에폭시 및 에폭시와의 공중합체,^[36] 및 중합체 블렌드를 포함한 여러 광중 합성 시스템에서 관찰되었다.^[37]^[38] 필라멘트 형성 및 전파 위치는 입력 광 필드의 공간 프로파일을 변조하여 제어 할 수 있다. 이러한 광 반응 시스템은 공간적 및 시간적으로 비간섭적인 빛으로부터 필라멘트를 생성할 수 있는데, 이는 느린 반응이 광학 장의 시간 평균 강도에 반응하여 펨토초 변동이 사라지기 때문이다. 이것은 비순시적 반응을 갖는 광굴절 매질과 유사하며, 비일관적이거나 부분적으로 비일관적인 빛으로 필라멘트 전파를 가능하게 한다.^[39]

4. 펨토초 레이저 필라멘트화의 응용

플라스마를 만든 필라멘트는 협대역 레이저 펄스를 광대역 펄스로 바꾸어, 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다. 필라멘트 유도 플라즈마는 광학적 파괴를 방지하는 제한된 전자 밀도를 가지는 특징이 있다.^[40] 이러한 특징은 분광학, LIDAR 공기 모니터링, 정밀 가공, 광 도파관, 레이저 피뢰침 등 다양한 분야에 응용된다.

4. 1. 분광학

플라즈마를 만든 필라멘트는 협대역 레이저 펄스를 광대역 펄스로 바꾸어, 완전히 새로운 응용 분야에 적용할 수 있게 한다. 필라멘트 유도 플라즈마의 흥미로운 측면은 광학적 파괴를 방지하는 과정인 제한된 전자 밀도이다.^[40] 이 효과는 낮은 수준의 연속체와 더 작은 선 확장으로 고압 분광법에 탁월한 소스를 제공한다.^[41] LIDAR 공기 모니터링은 또 다른 잠재적인 응용 프로그램이다.^[42]

4. 2. 라이다 (LIDAR)

플라스마를 만드는 필라멘트는 협대역 레이저 펄스를 완전히 새로운 응용 분야를 가진 광대역 펄스로 변환한다. 필라멘트화로 유도된 플라스마의 흥미로운 측면은 전자의 밀도가 제한적이라는 점인데, 이는 광학적 파괴를 방지하는 과정이다.^[40] 이러한 효과는 낮은 수준의 연속체와 작은 선 폭을 가진 고압 분광법에 탁월한 재료를 제공한다.^[41] 대기 중의 LIDAR 감시는 또 다른 잠재적 응용 분야이다.^[42]

4. 3. 정밀 가공

유리 기판이 얇아짐에 따라 기존의 다이아몬드 블레이드 다이싱 기술로는 공정 수율을 개선하기 어려워지고 있다. 이에 대한 대안으로 짧은 레이저 펄스를 사용한 평판 다이싱이 중요한 응용 분야로 떠오르고 있다. 50kHz, 5W 고출력 펨토초 레이저를 사용하여 비알칼리 유리 및 붕규산 유리에서 400mm/s 이상의 다이싱 속도를 성공적으로 입증했다. Kamata et al.^[43]이 개발한 작동 원리는 다음과 같다. 가공물에 투명한 파장을 가진 짧은 펄스 레이저 빔을 가공물의 앞면에서 뒷면으로 향하게 하여 초점을 맞춘다. 빔 허리에서 빔 진행 방향의 필라멘트는 작업에서 레이저 빔 전파로 인한 자동 초점 작용에 의해 형성된다. 필라멘트 내 물질은 레이저 빔에 의해 분해되어 뒷면에서 배출될 수 있으며, 채널에 캐비티가 형성된다. 이후 레이저 빔을 스캔하여 가공된 표면을 형성한 다음 약한 굽힘 응력으로 가공물을 절단할 수 있다.

4. 4. 광 도파관

2014년 7월, 메릴랜드 대학교 연구진은 필라멘트화된 펨토초 레이저 펄스를 정사각형 배열로 사용하여 수 밀리초 동안 지속되는 광학 도파관 역할을 하는 공기 밀도 기울기를 생성했다고 보고했다. 초기 테스트 결과 약 1미터 거리에서 비유도 신호에 비해 50%의 신호 이득이 나타났다.^[21]

4. 5. 레이저 피뢰침

2021년, 124m 높이의 젠티스 통신 타워 근처에 kHz 반복률 1030nm 테라와트 Yb:YAG 레이저를 설치하여 현장 응용 프로그램을 시연했다. 이 레이저를 통해 번개를 타워의 프랭클린 로드로 유도하여, 향후 레이저 피뢰침의 가능성을 제시하였다.^[22]

5. 한국의 펨토초 레이저 연구 현황 및 전망

(이전 출력이 없으므로, 원본 소스가 제공되어야 작업을 수행할 수 있습니다. 원본 소스를 제공해주시면, 지침에 따라 검토 및 수정을 진행하겠습니다.)

참조

_[1] 논문 Describing the propagation of intense laser pulses in nonlinear Kerr media using the ducting model
_[2] 논문 Laser-induced damage in transparent media https://books.google[...]
_[3] 서적 CLEO '97., Summaries of Papers Presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics IEEE
_[4] 논문 Femtosecond pulse propagation in air: Variational analysis 2000
_[5] 서적 Nonlinear optics Academic press
_[6] 서적 Ultrashort laser pulse phenomena 2006
_[7] 논문 Advances in intense femtosecond laser filamentation in air https://stars.librar[...]
_[8] 논문 Dynamic spatial replenishment of femtosecond pulses propagating in air 1998
_[9] 논문 Re-focusing during the propagation of a focused femtosecond Ti: Sapphire laser pulse in air 1999
_[10] 논문 Self-focusing and self-trapping of optical beams upon photopolymerization https://authors.libr[...] 1996-01-01
_[11] 논문 Spontaneous Pattern Formation Due to Modulation Instability of Incoherent White Light in a Photopolymerizable Medium 2007
_[12] 논문 Tunable Nonlinear Optical Pattern Formation and Microstructure in Cross-Linking Acrylate Systems during Free-Radical Polymerization 2016-03-03
_[13] 논문 Spontaneous Emergence of Nonlinear Light Waves and Self-Inscribed Waveguide Microstructure during the Cationic Polymerization of Epoxides 2015-09-03
_[14] 논문 Optical Autocatalysis Establishes Novel Spatial Dynamics in Phase Separation of Polymer Blends during Photocuring 2016-11-15
_[15] 논문 Control of Morphology in Polymer Blends through Light Self-Trapping: An in Situ Study of Structure Evolution, Reaction Kinetics, and Phase Separation 2017-05-09
_[16] 서적 Spatial Solitons https://www.springer[...] Springer
_[17] 논문 Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: road to new spectroscopic source 2000
_[18] 논문 Spectroscopy of the gases interacting with intense femtosecond laser pulses 2001
_[19] 논문 LIDAR-Monitoring of the Air with Femtosecond Plasma Channels
_[20] 특허 Laser machining method, laser cutting method, and method for dividing structure having multilayer board https://patents.goog[...]
_[21] 웹사이트 Creating optical cables out of thin air https://esciencenews[...] (e) Science News 2014-07-22
_[22] 논문 Laser-guided lightning 2023-01-16
_[23] 논문 Advances in intense femtosecond laser filamentation in air https://stars.librar[...]
_[24] 논문 Describing the propagation of intense laser pulses in nonlinear Kerr media using the ducting model
_[25] 논문 Laser-induced damage in transparent media
_[26] 서적 CLEO '97., Summaries of Papers Presented at the Conference on Lasers and Electro-Optics IEEE
_[27] 문서
_[28] 서적 Nonlinear optics https://archive.org/[...] Academic press
_[29] 서적 Ultrashort laser pulse phenomena https://archive.org/[...] 2006-10-05
_[30] 논문 Advances in intense femtosecond laser filamentation in air https://stars.librar[...]
_[31] 문서
_[32] 문서
_[33] 논문 Self-focusing and self-trapping of optical beams upon photopolymerization https://authors.libr[...] 1996-01-01
_[34] 논문 Spontaneous Pattern Formation Due to Modulation Instability of Incoherent White Light in a Photopolymerizable Medium 2007-04-01
_[35] 논문 Tunable Nonlinear Optical Pattern Formation and Microstructure in Cross-Linking Acrylate Systems during Free-Radical Polymerization 2016-03-03
_[36] 저널 Spontaneous Emergence of Nonlinear Light Waves and Self-Inscribed Waveguide Microstructure during the Cationic Polymerization of Epoxides 2015-09-03
_[37] 저널 Optical Autocatalysis Establishes Novel Spatial Dynamics in Phase Separation of Polymer Blends during Photocuring 2016-11-15
_[38] 저널 Control of Morphology in Polymer Blends through Light Self-Trapping: An in Situ Study of Structure Evolution, Reaction Kinetics, and Phase Separation 2017-05-09
_[39] 서적 Spatial Solitons {{!}} Stefano Trillo {{!}} Springer https://www.springer[...] Springer
_[40] 간행물 Focusing limits of intense ultrafast laser pulses in a high pressure gas: road to new spectroscopic source 2000
_[41] 간행물 Spectroscopy of the Gases Interactingwith Intense Femtosecond Laser Pulses 2001
_[42] 간행물 LIDAR-Monitoring of the Air with Femtosecond Plasma Channels 2006
_[43] 간행물 Laser machining method, laser cutting method, and method for dividing structure having multilayer board 2008

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com