(3) 광학 공진기(Optical resonator)

 사진 3-6-C-11. 큐스위치 엔디야그레이저 공진기

 주어진 펌핑시스템과 밀도반전을 만들 레이저 매질에 이어 세 번째 필수적인 요소는 레이저 매질을 통해 광자가 왔다 갔다 할 수 있도록 전환시키는 광학적 피드백 소자인 광학 공진기이다. 가장 기본적인 형태의 광학 공진기(optical resonator, optical cavity)는 정밀하게 배열된 평면 또는 곡면 형태의 거울의 짝들로 구성되는데, 이것들은 레이저시스템의 광축을 따라 정렬된다. 하나의 거울은 가능한 반사율이 100%에 가깝도록 선택하며, 나머지 거울은 반사율이 100%보다 다소 작아서 일부 투과된 빛이 레이저 출력 빔이 되도록 한다. 즉, 레이저 공진기 내부의 거울 중 하나는 레이저 출력을 발생시키기 위해 부분적 투과가 가능해야 한다.

 레이저의 공진기는 두 가지 점에서 중요한데, 하나는 레이저 매질의 증폭을 강화하는 것이고, 다른 하나는 빛을 결맞는(코히런트) 상태로 만든다는 점이다. 거울의 배열을 조정하거나 거울 사이의 간격을 늘림으로써 빛을 평행 광선으로 만들어 아주 작은 한 점에 집중시킬 수 있다.

 반사율이 큰 두 개의 거울을 마주 보게 한 형태의 것을 파브리-페로(Fabry-Pérot) 공진기라 하고, 그 거울이 평면인지 구면인지에 따라 또는 구면의 곡률 반지름과 거울 사이의 거리와의 관계에 따라 평면평행형(plane-parallel), 공중심형(concentric), 공초점형(confocal), 반구형(hemispherical) 또는 반공중심형(hemiconcentric), 오목볼록형(concave-convex) 등으로 분류된다.

회절 손실을 크게 하여 거울의 측면으로부터 출력을 얻는 것을 불안정형 공진기, 거울의 한 부분에 구멍 등 투과율이 좋은 부분을 설치하여 출력을 얻도록 한 것을 결합공형 공진기라고 한다. 세 개 이상의 거울을 써서 광로를 고리 모양으로 한 고리형 공진기, 여러 개의 공진기를 결합한 복합 공진기, 도파관으로 가로 방향의 빛을 가두어 두는 도파관 공진기도 있다. 또한, 진행파형 공진기는 반사면 하나로 빛을 한 방향으로 진행시키기만 함으로써 가간섭성 빛을 얻도록 한 고이득 레이저로, ASE(amplified spontaneous emission)형이라 하며, 파장선택 공진기는 공진기의 한쪽 반사 거울 대신 파장선택용의 광소자, 즉 프리즘이나 회절격자를 사용한 것을 말한다.

결과적으로 공진기는 정상파 주파수 근처의 선폭 좁은 주파수를 공급하게 되므로, 레이저 공진기는 피드백 소자로 작용할 뿐만 아니라 주파수 필터로도 작동하게 된다. 레이저 거울은 대개 구면거울로서, 반복적으로 나타나는 안정적인 전자기장의 패턴(공진기 모드)은 평면거울에 의해 생성되는 평면 정상파보다 훨씬 복잡하다. 거울의 기하학적 모양과 분리 거리는 레이저 공진기 내부의 전자기장의 모드 구조를 결정지으며, 출력되는 레이저 빔의 파면에 나타나는 전기장 패턴의 정확한 분포(빔의 횡방향 복사조도)는 공진기 구조와 거울의 표면 상태에 의존한다.

레이저 모드는 공진기 내 전자기파의 진동 상태를 말한다. 광학적 피드백 소자인 공진기 내에 갇힌 빛은 양쪽의 거울 사이를 여러 번 왕복하게 되면서 서로 간섭을 하게 되어 결국은 주어진 공진기에서 특정한 모양과 주파수의 빛만이 계속 존재할 수 있게 되고, 다른 모양과 주파수의 빛은 상쇄간섭을 통하여 사라지게 된다. 이렇게 왕복운동을 하면서 계속 재생산될 수 있는 빛의 방사 패턴은 공진기 내에서 안전하게 존재하게 된다. 이처럼 두 장의 거울로 구성된 공진기에서 전자기파는 특정한 고유 모드를 형성하여 두 가지의 모드, 즉 종모드(longitudinal mode)와 횡모드(transverse mode)를 갖는다. 종모드는 공진기 축과 평행한 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 같다. 횡모드는 공진기 축과 직교하는 진동이며, 진동 방향과 진행 방향이 수직이다. 종모드와 횡모드에 의해 레이저의 결맞음과 레이저빔의 퍼짐이 결정되므로 이러한 성질들은 레이저를 활용하는 데 있어서 매우 중요하다.

또한, 레이저는 여러 가지 기술을 적용하여 출력을 증가시키거나 모드 변조를 할 수 있는데, 예컨대 공진기 덤핑(cavity dumping), 큐스위칭(Q-switching), 모드 잠금(mode locking) 및 펄스 압축(CPA) 등이 있으며 이를 위해서는 레이저 발진기에 여러 가지 광학 소자를 첨가하여 공진기를 구성한다.

 

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레이저의 구조와 원리