광공진기

3. 공진기 유형

가장 흔한 형태의 광 공진기는 두 개의 마주보는 평면(평평한) 또는 구면 거울로 구성된다. 가장 단순한 형태는 두 개의 평면 거울로 구성된 파브리-페로 공진기이다.^{[3][4][5][6][7][8][9]} 단순하지만 정렬이 어려워 대규모 레이저에는 거의 사용되지 않는다. 거울은 몇 각초 이내로 평행하게 정렬해야 하며, 그렇지 않으면 공진기 내부 빔이 "워크오프"되어 공진기 측면에서 쏟아져 나온다. 그러나 이 문제는 거울 간 거리가 짧은(''L'' < 1 cm) 매우 짧은 공진기에서는 훨씬 줄어든다. 따라서 평행 평면 공진기는 마이크로칩 및 마이크로공진기 레이저 및 반도체 레이저에서 일반적으로 사용된다. 이 경우 별도의 거울을 사용하는 대신 반사 광학 코팅을 레이저 매체 자체에 직접 적용할 수 있다. 평행 평면 공진기는 파브리-페로 간섭계의 기본이 된다.

곡률 반경이 ''R''₁ 및 ''R''₂인 두 개의 거울을 가진 공진기의 경우, 여러 가지 일반적인 공진기 구성이 있다. 두 반경이 공진기 길이의 절반과 같으면(''R''₁ = ''R''₂ = ''L''/2) 동심 또는 구형 공진기가 생성된다. 이 유형의 공진기는 공진기 중앙에 회절 제한된 빔 허리를 생성하며, 거울에서 큰 빔 직경을 가지며, 전체 거울 구경을 채운다. 이와 유사하게, 반구형 공진기는 평면 거울 하나와 공진기 길이와 같은 반경을 가진 거울 하나를 갖는다.

일반적이고 중요한 디자인은 공진기 길이와 동일한 반경을 가진 거울을 사용하는 공초점 공진기이다(''R''₁ = ''R''₂ = ''L'').^{[10][11][12][13][14][15]} 이 디자인은 주어진 공진기 길이에 대해 공진기 거울에서 가능한 가장 작은 빔 직경을 생성하며, 횡단 모드 패턴의 순도가 중요한 레이저에서 자주 사용된다.

오목-볼록 공진기는 음의 곡률 반경을 가진 볼록 거울 하나를 갖는다. 이 디자인은 빔의 공진기 내 초점을 생성하지 않으므로, 빛의 강도가 초점에 맞춰지면 공진기 내부 매체에 손상을 줄 수 있는 매우 고출력 레이저에 유용하다.

액체 방울과 같은 투명한 유전체 구체도 광학 공진기를 형성할 수 있다. 1986년 Richard K. Chang 외 연구진은 로다민 6G 염료를 도핑한 에탄올 마이크로 방울(반경 20–40 마이크로미터)을 사용하여 레이저 발진을 시연했다.^[16] 이러한 유형의 광학 공진기는 구체의 크기, 광학 파장, 또는 굴절률이 변경될 때 광학 공진을 나타낸다. 이 공진은 형태 의존 공진으로 알려져 있다.

4. 안정성

''R''₁, ''R''₂ 및 ''L''의 특정 값 범위에서만 내부 공동 빔의 주기적인 재집속을 생성하는 안정적인 공진기가 생성된다. 공동이 불안정하면 빔 크기가 제한 없이 커져서 결국 공동 거울 크기보다 커지고 손실된다. 광선 전달 행렬 분석과 같은 방법을 사용하면 안정성 기준을 계산할 수 있다.^[1]

:$0\; \backslash leqslant\; \backslash left(\; 1\; -\; \backslash frac\{L\}\{R\_1\}\; \backslash right)\; \backslash left(\; 1\; -\; \backslash frac\{L\}\{R\_2\}\; \backslash right)\; \backslash leqslant\; 1.$

부등식을 만족하는 값은 안정적인 공진기에 해당한다.

안정성은 각 거울에 대한 안정성 매개변수 ''g''를 정의하여 그래픽으로 표시할 수 있다.

:$g\_1\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{L\}\{R\_1\}\; ,\backslash qquad\; g\_2\; =\; 1\; -\; \backslash frac\{L\}\{R\_2\}$

''g''₁을 ''g''₂에 대해 플로팅하면, ''g''₁ ''g''₂ = 1 선과 축으로 경계가 정해진 영역은 안정적이다. 선 위에 정확히 있는 지점의 공동은 약간 안정적이다. 공동 길이의 작은 변화는 공진기를 불안정하게 만들 수 있으므로 이러한 공동을 사용하는 레이저는 실제로 안정성 선 바로 안쪽에서 작동하는 경우가 많다.

간단한 기하학적 진술은 안정성 영역을 설명한다. 공동은 거울과 곡률 중심 사이의 선분이 겹치지만 하나가 다른 하나 내에 완전히 놓여 있지 않으면 안정적이다.

공초점 공동에서 광선이 공동 중간에서 원래 방향에서 벗어나는 경우 한 거울에서 반사된 후의 변위는 다른 모든 공동 설계보다 크다. 이렇게 하면 증폭된 자발 방출을 방지하고 우수한 빔 품질의 고출력 증폭기를 설계하는 데 중요하다.

5. 실용적인 공진기

실용적인 레이저 공진기는 3개 또는 4개의 거울을 사용한 "접힌 공진기" 형태가 일반적이다. 한 쌍의 곡면 거울로 하나 이상의 공초점 섹션을 형성하고, 나머지 부분은 평면 거울을 사용하여 준-평행광 상태로 만든다. 레이저 빔의 모양은 공진기의 유형에 따라 달라진다.^[18]

접힌 섹션에는 음향 광학 변조기를 이용한 공동 덤핑이나 진공 공간 필터를 이용한 횡 모드 제어와 같은 요소가 배치되기도 한다. 저전력 레이저에서는 레이저 이득 매질 자체가 빔 웨이스트에 배치될 수 있다. 필터, 프리즘, 회절 격자 등은 큰 준 평행광 빔이 필요할 때 사용된다.

이러한 설계는 공동 내 브루스터 각도 절단 요소에 의해 발생하는 빔의 비점수차를 보상한다. Z자형 배치는 코마를 보상하지만, '델타' 또는 X자형 공동은 그렇지 않다.

평면 밖 공진기는 빔 프로파일을 회전시켜 안정성을 높인다. 이득 매질에서 발생하는 열은 주파수 드리프트를 유발하므로, 비활성 공진기로 주파수를 능동적으로 고정할 수 있다. 광섬유를 이용한 공간 필터링으로 포인팅 안정성을 개선할 수도 있다.

5. 1. 정렬

6. 광학 지연선

광학 공진기는 다중 통과 광 지연선으로도 사용될 수 있으며, 빛을 접어 작은 공간에서 긴 경로 길이를 얻을 수 있다. 평행 평면 거울을 사용한 공진기는 평평한 지그재그 광 경로를 생성하지만, 기계적 방해와 워크오프에 매우 민감하다. 곡면 거울을 거의 공초점 구성으로 사용하면 빔이 원형 지그재그 경로로 이동한다. 후자를 헤리엇형 지연선이라고 한다. 고정된 삽입 거울은 곡면 거울 중 하나 근처의 축에서 벗어나 배치되고, 이동식 픽업 거울은 다른 곡면 거울 근처에 유사하게 배치된다. 평면 거울의 경우 하나의 픽업 거울이 있는 평평한 선형 스테이지가 사용되고, 헤리엇형 지연선의 경우 두 개의 거울이 있는 회전 스테이지가 사용된다.

공진기 내부의 빔 회전은 빔의 편광 상태를 변경한다. 이를 보상하기 위해 선형 스테이지 상단에 3차원 또는 2차원 역반사 구성의 세 개 또는 두 개의 거울로 구성된 단일 통과 지연선도 필요하다. 빔 발산을 조정하기 위해 두 개의 렌즈가 있는 선형 스테이지의 두 번째 캐리어를 사용할 수 있다. 두 개의 렌즈는 가상 엔드 미러에서 가우시안 빔의 평평한 위상 전면을 생성하는 망원경 역할을 한다.

참조

_[1] 간행물 "''Q'' Factor" https://www.rp-photo[...] RP Photonics
_[2] 논문 The scalar theory for optical resonators and beam waveguides.
_[3] 논문 Resonant modes in a maser interferometer http://www.nature.co[...]
_[4] 논문 Fabry-Pérot resonator: spectral line shapes, generic and related Airy distributions, linewidths, finesses, and performance at low or frequency-dependent reflectivity http://kth.diva-port[...]
_[5] 논문 The Fabry-Perot resonator Part I
_[6] 논문 The Fabry-Perot resonator Part II
_[7] 논문 The Fabry-Perot resonator. Part III
_[8] 논문 The Fabry-Perot resonator. Part IV
_[9] 논문 The Fabry-Perot resonator Part V
_[10] 논문 Confocal multimode resonator for millimeter through optical wavelength masers
_[11] 논문 Generalized confocal resonator theory
_[12] 논문 The confocal resonator system I
_[13] 논문 The confocal resonator system II
_[14] 논문 The confocal resonator system III
_[15] 논문 The confocal resonator system IV
_[16] 논문 Lasing Droplets: Highlighting the Liquid-Air Interface by Laser Emission 1986-01-31
_[17] 서적 Quantum Electronics Wiley
_[18] 논문 Laser optics: Fractal modes in unstable resonators
_[19] 웹사이트 Metrology System for Inter-Alignment of Lasers, Telescopes, and Mechanical Datum http://www.plxinc.co[...]