회절 레이져 실험

목차

광부품의 이해
1. 서론
2. 평면파의 전파 특성
3. 편광
4. 반사와 굴절
5. 간섭
6. 회절
7. 광검출기

레이저의 이해
1. 서론
2. 빛의 증폭
3. 밀도반전 방법
4. 레이저의 구성 3 요소
5. 레이저의 발진 모드
6. 레이저의 종류
7. 비선형 주파수 변환

본문내용

시킨다. 광의 입사 방향은,
rm ω_3 -> 2ω
,
rm ω_1 = ω_2 = ω
,
rm n_3 -> n_e ^{2ω}
,
rm n_1 -> n_o ^ω
,
rm n_2 -> n_e ^ω
로 하면
rm n_e ^{2ω} (θ_m ) = {1 over 2} [n_o ^ω + n_e ^ω (θ_m ) ]
(19)
를 만족하는 각
rm theta_m
이 된다.
비선형 결정을 레이저 공진기 외부 또는 내부에 놓고 사용할 수 있다. 내부에 놓는 경우, 공진기내의 광자 밀도가 대단히 밀하기 때문에 비록 연속광이라 하더라도 전환효율이 높다. 물론 펄스광일 때는 전환효율이 극대화된다. 이때 레이저의 출력경은 기본광에 대해서는 반사율이 1이고, 2차 조화파에 대해서는 투과율이 1인 거울을 사용한다.
가시광선 또는 근적외선 레이저광을 SHG하기 위해서 BBO, LBO, KTP, KDP, KD*P, CDA, CD*A, 등을 사용한다. CO 또는 CO2 레이저인 경우, CdGeAs2와 같은 반도체를 사용한다. 다른 결정을 사용하여, SHG 된 광을 다시 한번 SHG하였을 때, 이를 4차 조화파(fourth harmonic generation, 4HG 또는 FHG)라 한다. 표 1은 여러 결정들의 적용 분야를 정리한 것이다.
표 1. 비선형 결정체.
결정
적 용 분 야
BBO
OPO, Nd:YAG 레이저의 SHG, 3HG, 4HG
LBO
OPO, Nd:YAG 레이저의 SHG, 3HG
KTP
SHG
KNbO3
다이오드 레이저의 SHG
LiIO3
SHG
LiNbO3
SHG, Nd:YAG 레이저의 OPO, E-O 변조기
Urea
OPO, SHG
KDP
Nd:YAG 레이저의 SHG, 3HG, 4HG
E-O 변조기
KD*P
ADP
CDA
CD*A
CO, CO2 레이저 SHG
CdGeAs2
나. 합주파수(sum-frequency)
낮은 주파수의
rm ω_1
을 높은 주파수
rm ω_3
로 전환할 수 있다. 이때 주파수가
rm ω_2
인 강한 펌프광이 필요하다. 그림 18은 합주파수를 수행하는 과정을 보여주고 있다. 주파수 전환효율
rm I({ω_3})/I({ω_1})
는
rm I(ω_2 )
에 비례한다. 그런데 이 과정은 양자역학적 측면에서
rm ω_1
광자와
rm ω_2
광자의 쌍소멸에 의해서
rm ω_3
광자가 생성되는 과정으로 설명할 수 있어서,
rm ω_3
광자 밀도는
rm ω_1
광자 밀도를 초과할 수 없다. 합주파수를 이용한 예를 한 가지 들어보자. 현재 원적외선 파장대에서는 고속으로 감응하는 광검출기가 없으나 합주파수 방법을 사용하여 실시간으로 원적외선 펄스광을 관측하는 것이 가능하다. 파장이 10.6
rm μm
의 탄산가스 레이저광을 기본광으로 하고, 1.06
rm μm
파장의 Nd:YAG 레이저광을 펌프광으로 한다면 합주파수 파장은 0.96
rm μm
이 된다. 이 파장에서는 일반적인 광다이오드를 사용하여 고속 측정이 가능하다. 따라서 합주파수광의 profile은 기본광의 그것과 같기 때문에 곧 탄산가스 레이저광 세기의 시간 특성을 관측하는 것이 가능하다. 이때
rm Ag_3 As S_3
라는 결정을 사용한다.
3차 조화파(third harmonic generation, THG 또는 3HG)는 이 과정의 특별한 경우이다. 기본광과 기본광의 2차 조화파를 혼합하여 기본광의 주파수를 3배 증가시키는 과정이다. 이 때 SHG에서 사용한 정합 종류에 의해서 그림 19와 같이 두 가지 형태의 정렬이 가능하다. SHG에서 제 1 종 정합 조건을 사용한 경우, 기본광과 3HG광의 편광 방향이 일치하고 SHG광의 편광 방향은 그들과 수직이다. SHG에서 제 2 종 정합 조건을 사용하였을 때는 기본광의 편광 방향은 SHG광과 3HG광의 편광 방향에 대해 45°를 이룬다.
그림 18. 합주파수를 얻는 방법.
(a) (b)
그림 19. 3차 조화파 발생에서 각 광파의 편광 방향. SHG에서 (a)제 1 종, (b)제 2 종 정합 조건을 사용한 경우.
다. 광맺음변수 진동(optical parametric oscillation, OPO)
이 과정은
rm ω_3
의 펌프광을
rm ω_1
과
rm ω_2
광으로 전환하는 것이다. 만약에
rm ω_1
=
rm ω_2
라면 SHG의 역과정이며, 이를 축퇴 맺음변수 증폭(degenerate parametric amplification)이라고 한다. 그림 20과 같이 구성하고,
OPO 문턱 이상의 펌프광을 입사시킨다. OPO 문턱은 맺음변수 이득이 신호광
rm ω_1
과
rm ω_2
광으로의 손실과 균형을 이루는
rm ω_3
입사광 세기를 의미한다. 단위 면적당 문턱 광세기는 거울의 반사율과 관계가 있다.
그림 20. OPO를 위한 광학계 구성.
rm left[{{I(ω_3 )} over A}right]_th ~∝~ (1- R_1 ) (1-R_2 )
(20)
따라서 반사율이 높을수록 문턱 광세기를 줄일 수 있다. 위상 정합을 위한 식 (17)을 만족시켜야 한다. 만약 부단축 결정을 사용한다면, 펌프광은 이상광선이 되도록 하고, 신호광은 정상 광선이 되도록 하면,
rm n_e ^ ω_3 (theta_m ) = 1 over ω_3 left( ω_1 n_o ^ ω_1 + ω_2 n_o ^ ω_2 right)
(21)
가 되는 전파 방향에서 세 광의 위상 정합이 가능하게 된다. 여기서
rm theta_m
은 결정체의 광축과 전파 방향 사이의 각이다. 결정체의 방향 또는 결정체의 온도를 변화시킴으로써, 신호광의 주파수를 변화시킬 수 있다.
실험결과 :
1. 측정 Data
KV
r1
r2
3.1
0.021
0.035
3.4
0.020
0.034
3.7
0.020
0.033
4.0
0.019
0.032
4.3
0.019
0.032
2. 계산식
= 1 over l · d_1,2 ·r_1,2
3. 계산결과
(r1)
(r2)
3.31 10-11
2.93 10-11
3.16 10-11
2.85 10-11
3.16 10-11
2.76 10-11
3.00 10-11
2.68 10-11
3.00 10-11
2.68 10-11

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