극초단 레이저 개론

저자: Olivia Wheeler

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휴대폰으로 벌새 사진을 찍으려고 한다고 상상해 보세요. 촬영 버튼을 누르는 순간 벌새는 쏜살같이 날아가 버리고 화면에는 흐릿한 모습만 남을 것입니다. 휴대폰 카메라는 날아가는 벌새의 이미지를 선명하게 포착할 만큼 빠르지 않기 때문입니다.

비슷한 한계와 제한으로 인해 과학계는 펨토초에서 피코초(10^-15 - 10^-12초) 단위의 짧은 펄스 지속 시간을 갖는 극초단 레이저를 개발하게 되었습니다. 날아다니는 벌새를 촬영하는 대신, 이러한 레이저는 분자 진동, 전자 운동, 심지어 양자 현상과 같은 훨씬 빠른 이벤트를 포착하는 데 사용됩니다.^1,2,3 극초단 레이저는 10억분의 1초의 백만분의 1이라는 시간 척도로 근본적인 물리 현상에 대한 접근성을 넓히고 산업 공정을 혁신합니다. 극초단 레이저의 고유한 특징, 이러한 시스템이 직면한 주요 과제, 그리고 그러한 과제를 해결하기 위한 솔루션을 이해하고 있는 시스템 설계자는 적절한 극초단 광학 부품을 선택하고 성공적인 극초단 광학 부품을 만들 수 있습니다.

극초단 레이저의 고유 기능

극초단 레이저의 고유한 특성은 긴 펄스 또는 연속파(CW) 레이저와 구별되는 극초단 펄스 지속 시간입니다. 이러한 짧은 펄스를 생성하려면 넓은 스펙트럼 대역폭이 필요합니다. 특정 지속 시간의 펄스를 생성하는 데 필요한 최소 대역폭은 펄스 모양과 중심 파장에 의해 결정됩니다. 일반적으로 이 관계는 불확정성 원리에서 파생된 시간-대역폭 곱(TBP)으로 설명됩니다. 가우시안 분포를 따르는 펄스의 TBP는 다음과 같이 계산됩니다.

Δτ는 펄스의 지속 시간이고 Δν는 주파수 대역폭입니다.⁴ 기본적으로 이 방정식은 스펙트럼 대역폭과 펄스 지속 시간 사이에 역수 관계가 있음을 나타냅니다. 즉, 펄스 지속 시간이 감소함에 따라 해당 펄스를 생성하는 데 필요한 대역폭이 증가합니다. 그림 1은 여러 가지 다른 펄스 지속 시간을 지원하는 데 필요한 최소 대역폭을 보여줍니다.

넓은 스펙트럼 대역폭 외에도 극초단 펄스 지속 시간의 또 다른 특징은 매우 높은 피크 출력입니다. 이는 많은 어플리케이션에서 매우 유용하지만 몇 가지 특별한 문제점을 야기할 수도 있습니다. 예를 들어, 150fs의 펄스 지속 시간과 80MHz의 반복 속도를 가진 10W CW 레이저와 10W 극초단 레이저의 피크 출력 차이를 살펴보겠습니다. 이론상의 극초단 레이저의 특성은 시판되는 많은 극초단 레이저에서 공통적으로 나타납니다. CW 레이저의 경우 평균 출력과 피크 출력은 동일하며, 레이저는 항상 10W 또는 10J/s를 방출합니다. 극초단 레이저의 경우 평균 출력은 CW 레이저와 마찬가지로 10W입니다. 그러나 극초단 레이저는 매우 짧은 시간 동안만 10W의 평균 출력을 방출합니다. 그림 2는 평균 출력과 피크 출력 간의 상당한 차이를 보여줍니다.

극초단 레이저의 경우, 10W의 평균 출력은 반복 속도에 따라 매초 방출되는 8천만 개의 펄스에 분산됩니다. 언뜻 보면 이 레이저의 펄스 에너지는 마이크로줄(µJ) 미만으로, 매우 작고 미미해 보일 수 있습니다. 그러나 이 에너지가 단 150fs의 시간 동안 집중된다는 점을 고려하면 800,000W가 넘는 엄청난 피크 출력에 도달합니다. 이는 평균 출력보다 4배 이상 높은 수치입니다! 이처럼 엄청나게 높은 피크 출력과 짧은 펄스 지속 시간 덕분에 극초단 레이저는 다양한 어플리케이션에서 혁명을 일으켰지만, 이러한 특성은 극초단 레이저를 다루는 데 있어 몇 가지 고유한 기술적 어려움을 가져오기도 합니다.

극초단 레이저의 기술적 과제

극초단 레이저의 넓은 스펙트럼 대역폭, 높은 피크 출력, 짧은 펄스 지속 시간을 시스템에서 적절히 관리해야 합니다. 일반적으로, 이 중에서 가장 간단하게 해결할 수 있는 문제는 레이저의 넓은 스펙트럼 출력입니다. 과거에 주로 긴 펄스 또는 CW 레이저를 사용해 왔다면 기존에 보유하고 있는 광학 부품들이 극초단 펄스의 전체 대역폭을 반사하거나 투과하지 못할 수 있습니다. 에드몬드옵틱스는 이러한 까다로운 극초단 시스템에 특화된 다양한 극초단 광학 부품을 제공합니다.

LDT(Laser Damage Threshold)

극초단 광학 부품의 레이저 손상 임계값(LDT)도 기존 레이저 광원에 비해 크게 다르며, 제어하기가 더 어렵습니다(그림 3). 나노초 펄스 레이저용 광학 부품을 선택할 때 LDT 값은 일반적으로 5-10J/cm² 정도입니다. 그러나 극초단 광학 부품의 경우 이처럼 큰 값은 거의 찾아볼 수 없으며, LDT 값은 일반적으로 1J/cm² 미만으로, 보통 0.3J/cm²에 가깝습니다. 펄스 지속 시간에 따른 LDT 값의 이러한 급격한 변화는 펄스 지속 시간에 따라 달라지는 레이저 손상 메커니즘 때문입니다. 나노초 레이저 또는 그보다 더 긴 펄스를 가진 레이저의 경우, 손상을 유발하는 주요 메커니즘은 발열입니다. 광학 부품의 코팅과 기판 소재가 입사 광자를 흡수하여 뜨거워집니다. 이로 인해 소재의 격자가 변형될 수 있습니다. 열팽창, 균열, 용해, 격자 변형과 같은 현상은 이러한 유형의 레이저 광원에서 흔히 발생하는 열 손상 메커니즘입니다.⁵

하지만 극초단 레이저의 경우, 펄스 지속 시간 자체가 레이저에서 소재 격자로 열이 전달되는 시간 척도보다 더 빠르기 때문에 열렌즈 효과는 레이저 유도 손상의 주된 원인이 아닙니다(그림 4). 대신, 극초단 레이저의 높은 피크 출력으로 인해 손상 메커니즘이 다광자 흡수 및 이온화와 같은 비선형 프로세스로 전환됩니다.⁶ 또한 이것이 바로 나노초 펄스의 LDT 등급을 극초단 펄스의 등급으로 단순히 낮출 수 없는 이유입니다. 손상의 물리적 메커니즘이 다르기 때문입니다. 따라서 특정 어플리케이션에 가장 적합한 광학 부품은 파장, 펄스 지속 시간, 반복 속도 등 동일한 사용 조건에서 얻은 LDT 등급이 충분히 높은 부품입니다. 서로 다른 조건에서 테스트한 광학 부품은 시스템에서 동일한 광학 부품의 실제 성능을 대표하지 못합니다.

분산 및 펄스 확산: GDD(Group Delay Dispersion, 군지연분산)

극초단 레이저를 사용할 때 가장 어려운 기술적 과제 중 하나는 레이저에서 처음 방출되는 극초단 펄스 지속 시간을 유지하는 것입니다. 극초단 펄스는 펄스가 길어지는 현상인 시간 왜곡에 매우 취약합니다. 이 영향은 초기 펄스 지속 시간이 짧을수록 더욱 큽니다. 극초단 레이저는 지속 시간이 50fs인 펄스를 방출할 수 있지만 미러와 렌즈를 사용하여 이 펄스를 목표 위치로 전달하거나, 심지어 공기를 통해 펄스를 투과하는 것만으로도 펄스의 지속 시간이 늘어날 가능성이 있습니다.

이러한 시간 왜곡은 GDD(Group Delay Dispersion, 군지연분산)라는 지표를 사용하여 정량화되며, 이를 2차 분산이라고도 합니다. 실제로는 극초단 레이저 펄스의 시간적 프로파일에 영향을 미칠 수 있는 고차 분산 항도 존재하지만, 실제적으로는 대개의 경우 GDD의 영향만 살펴보는 것만으로도 충분합니다. GDD는 주파수에 따라 달라지는 값으로, 특정 소재의 경우 두께에 선형적으로 비례합니다. 렌즈, 윈도우, 대물렌즈 어셈블리와 같은 투과형 광학 부품은 일반적으로 양의 GDD 값을 가지며, 이는 압축된 펄스가 레이저 시스템에서 방출될 때보다 더 긴 펄스 지속 시간을 가지고 투과형 광학 부품을 통과할 수 있음을 나타냅니다. 펄스의 저주파(즉, 장파장) 성분은 고주파(즉, 단파장) 성분보다 빠르게 이동합니다. 펄스가 점점 더 많은 소재를 통과할수록 펄스 내 파장은 시간적으로 점점 더 벌어지게 됩니다. 펄스 지속 시간이 짧고 대역폭이 넓을수록 이러한 효과는 더욱 증폭되어 펄스에서 상당한 시간 왜곡을 초래할 수 있습니다.

나노초 또는 피코초 펄스 지속 시간을 갖는 긴 펄스의 경우, GDD는 큰 문제가 되지 않습니다. 그러나 이보다 짧은 펨토초 펄스의 경우, 빔 경로에 10mm 두께의 N-BK7 조각 하나만 있어도 800nm를 중심으로 하는 50fs 펄스의 폭이 12% 이상 넓어질 수 있습니다! 이는 빔 경로에 두 개의 윈도우나 필터가 있는 것과 거의 같은 효과입니다.

GDD가 어플리케이션에 미치는 영향은 입력 펄스 지속 시간(τ_input), 중심 주파수(또는 파장), 펄스가 전파되는 소재 등 여러 요인에 따라 달라집니다. GDD로 인해 늘어나는 시간은 다음과 같이 계산됩니다.

방정식 1에서 볼 수 있듯이, GDD 값이 같다면 짧은 펄스 지속 시간이 긴 펄스 지속 시간보다 더 큰 영향을 받습니다. 이것이 바로 나노초 또는 피코초 펄스에서는 GDD를 논의하지 않는 이유입니다. 예를 들어, 1ps 펄스의 폭을 0.2%만 넓히려 해도 20,000fs²의 GDD가 필요합니다. 다음 문단의 예에서 보이듯이, 이는 1030nm 펄스가 1m 이상의 용융 실리카를 통과하는 것과 동일한 효과에 해당합니다.

소재의 굴절률은 소재를 통과하는 빛의 주파수에 따라 달라지며, GDD도 굴절률에 비슷한 영향을 받습니다. 극초단 시스템에 사용할 투과형 및 굴절형 광학 부품을 선택할 때는 VIS 및 NIR 파장 대역에서 GDD 값이 가장 낮은 소재 중 하나인 용융 실리카를 사용하는 것이 일반적으로 권장됩니다. 예를 들어, 1mm의 용융 실리카에 1030nm 펄스를 통과시키면 19fs² 이하의 GDD가 발생하지만, 동일한 파장에서 1mm의 SF11는 125fs² 이상의 GDD를 발생시킵니다.^7,8 refractiveindex.info와 같은 굴절률 데이터베이스는 광학 부품에 가장 적합한 소재를 판단하고 빔 경로에서 누적되는 GDD 값을 계산하는 데 유용한 자료입니다.

양의 GDD 및 시간 왜곡이 발생하는 이러한 경향 때문에, 추가적인 GDD를 최소화하거나 전혀 발생시키지 않아 펄스 지속 시간이 늘어날 가능성을 줄이는 특수 극초단 광학 부품을 사용할 것을 적극 권장합니다.

펄스 압축이 필요한지 어떻게 알 수 있나요?

레이저 펄스를 (재)압축해야 하는 경우는 언제일까요? 다광자 현미경과 같은 극초단 이미징 어플리케이션에서 이미지가 흐릿하게 나타나는 것은 펄스 지속 시간이 늘어나고 있음을 나타냅니다. 극초단 레이저 가공에서 펄스 늘어짐은 커팅 정확도와 정밀도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 펄스 지속 시간이 길어지면 다광자 상호작용 가능성이 낮아져 극초단 시스템의 효율이 저하됩니다. 모든 상황에 맞는 명확한 규칙을 제시하는 것은 불가능하지만, 아래의 계산 예시는 펄스 압축이 필요한지 판단하는 몇 가지 사례를 보여줍니다.

그림 5에 보이는 빔 경로가 있는 다광자 현미경 셋업을 고려해 보세요.

펄스 늘어짐의 1차 근사값은 레이저가 시료에 도달하기 전 시스템 내 모든 요소의 GDD 기여도를 합산하여 구할 수 있습니다. 분산에 가장 크게 기여하는 요소는 빔 익스팬더, 다이크로익 필터, 초점 대물렌즈라고 가정해 보겠습니다. 스캐너 미러는 일반적으로 GDD가 낮은 금속 코팅으로 제작되므로, 그 영향은 무시하겠습니다. 펄스가 1030nm의 파장을 중심으로 할 경우, 이 시스템은 손쉽게 600fs² 이상의 GDD를 더할 수 있습니다.

시스템에서 펄스를 압축해야 하는지 여부는 입력 펄스 지속 시간과 어플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 달라집니다. 150fs 펄스로 시작하는 경우에는 광학 부품을 통과해도 펄스 지속 시간에 미치는 영향이 미미합니다. 그러나 10fs 레이저 펄스에서만 얻을 수 있는 시간 분해능이 필요한 어플리케이션의 경우, 이 정도의 GDD는 초기 펄스를 약 167fs까지 늘립니다. 그럴 경우에는 재압축이 필요합니다. 세세한 부분은 특정 빔 경로 및 어플리케이션에 따라 크게 달라집니다. 펄스 지속 시간 및 어플리케이션에 가장 적합한 광학 부품을 선택하는 데 도움이 필요하면 당사에 문의해 주세요.

펄스 압축 방법

극초단 레이저 펄스를 (재)압축해야 하는 경우, 여러 가지 접근 방식이 있습니다. 아래 섹션에는 펄스 (재)압축에 흔히 사용되는 몇 가지 기술의 장점과 단점이 요약되어 있습니다.

프리즘 및 그레이팅 압축기(compressor)

프리즘은 분산, 즉 서로 다른 파장이 겪는 굴절률 차이로 인해 주파수에 따른 지연을 펄스의 다양한 주파수 성분에 적용함으로써 극초단 펄스 지속 시간을 압축합니다(그림 6). 이로 인한 광경로 차이는 펄스의 서로 다른 파장을 시간에 따라 정렬합니다. 그레이팅 압축기는 비슷한 메커니즘을 사용하여 펄스를 압축하지만, 굴절이 아닌 회절을 이용하여 파장을 다르게 처리하고 펄스를 재압축합니다. 그러나 프리즘과 그레이팅 압축기 모두 정렬이 어려울 수 있으며, 펄스에 고차 분산을 적용하여 시간 프로파일을 더욱 왜곡할 수 있습니다.

펄스 압축 미러: 처프 미러

처프 미러는 앞으로 설명할 두 가지 유형의 펄스 압축 미러 중 하나입니다. 처프 미러는 미러 코팅에서 투과 깊이가 파장에 따라 달라지는 방식으로 작동합니다(그림 7). 프리즘 및 그레이팅 압축기의 원리와 비슷하게, 처프 미러는 일부 파장을 상대적으로 다르게 지연시킵니다. 이러한 효과는 일부 파장이 코팅 내부로 더 깊이 투과되기 때문에 발생합니다. 초기의 양의 분산은 보정되어, 모든 파장이 동시에 코팅에서 나오게 됩니다. 이때 펄스가 재압축됩니다. 처프 미러는 일반적으로 GDD 진동이 높기 때문에 비교적 평탄한 GDD 출력을 얻으려면 상보형 처프 미러 쌍으로 사용해야 합니다.

예를 들어, 처프 미러 쌍은 소량의 GDD를 보정하거나 Ti:Sapphire 레이저와 Yb-doped 레이저처럼 서로 다른 셋업 간에 전환할 때 좋은 선택이 될 수 있습니다. 그림 8은 상보형 처프 미러 쌍의 샘플 GDD 플롯을 보여줍니다. 여기서 'L'과 'S'는 쌍을 구성하는 개별 요소의 응답을 나타내고, '∑'는 이들의 결합된 응답을 나타냅니다.

펄스 압축 미러: 고분산 미러

고분산 미러는 주파수에 따라 다른 처프 미러의 투과 깊이와 다중 공진 효과를 결합하여 진동을 줄이면서 더 큰 GDD를 생성합니다. 고분산 미러가 다루는 대역폭은 위에서 언급한 방법보다 다소 좁을 수 있지만, 많은 고분산 미러 설계는 지정된 대역폭 전반에서 매우 높은 반사율을 얻을 수 있습니다(그림 9).

고분산 미러는 고정 시스템에서 높은 GDD를 보정하는 데 적합한 옵션입니다. 고분산 미러의 샘플 반사율 및 GDD 곡선이 그림 10 및 그림 11에 나와 있습니다.

극초단 레이저 펄스를 언제 어떻게 재압축할지는 어플리케이션에 따라 크게 달라지지만, 다양한 방법과 그 장단점에 대한 기본적인 지식이 있으면 큰 도움이 됩니다. 시스템에 가장 적합한 펄스 압축 방법을 결정하는 데 도움이 필요하면 당사에 문의해 주세요.

극초단 레이저 어플리케이션

분광

극초단 레이저 광원이 도입된 이래, 분광법은 그 주요 어플리케이션 중 하나였습니다. 펄스 지속 시간을 펨토초, 심지어 아토초까지 단축함으로써 과거에는 관찰이 불가능했던 물리학, 화학, 생물학 분야의 동적 과정을 관찰할 수 있게 되었습니다. 이러한 핵심 과정 중 하나는 원자 운동이며, 이를 관찰함으로써 분자 진동, 분자 해리, 광합성 단백질의 에너지 전달 같은 기초 과정에 대한 과학적 이해가 향상되었습니다.^9,10

생물학적 이미징

극초단 레이저의 높은 피크 출력은 다광자 현미경과 같은 생물학적 이미징에서 해상도를 향상시키는 비선형 프로세스를 지원합니다(그림 12). 다광자 시스템에서는 두 개의 광자가 공간과 시간 모두에서 겹쳐야 생체 매질이나 형광 타깃으로부터 비선형 신호가 생성됩니다. 이러한 비선형 메커니즘은 단광자 프로세스를 사용하는 연구에서 문제가 되는 배경 형광 신호를 크게 줄임으로써 이미징 해상도를 향상시킵니다.¹¹ 그림 13은 이러한 신호 배경 감소를 보여줍니다. 또한 다광자 현미경의 작은 여기 영역은 광독성을 방지하고 샘플 손상을 최소화합니다.

레이저 소재 가공

극초단 펄스가 소재와 상호작용하는 독특한 방식 덕분에 극초단 레이저 광원은 레이저 미세 가공 및 소재 가공 분야에 혁신을 가져왔습니다. 앞서 LDT에 대해 설명할 때 언급했듯이, 극초단 펄스 지속 시간은 소재 격자로의 열 확산 시간보다 훨씬 짧습니다. 나노초 펄스 레이저와 비교했을 때, 극초단 레이저는 열 영향을 받는 영역이 훨씬 작기 때문에 절삭 손실을 줄이고 더욱 정밀한 가공이 가능합니다.¹² 이러한 원리는 의료 어플리케이션에도 적용되어, 향상된 극초단 레이저 커팅 정밀도는 레이저 수술에서 주변 조직의 손상을 줄이고 환자의 경험을 개선하는 데 도움이 됩니다.¹³

아토초 펄스: 극초단 레이저의 미래

극초단 레이저 연구가 계속 발전함에 따라, 펄스 지속 시간이 더욱 짧아진 새롭고 향상된 광원이 개발되고 있습니다. 더 빠른 물리적 과정을 이해하기 위해 많은 연구자들은 XUV(Extreme UV) 스펙트럼에서 10^-18초 단위의 펄스에 해당하는 아토초 펄스를 생성하는 데 집중하고 있습니다. 아토초 펄스는 전자의 움직임을 추적하고 전자 구조 및 양자 역학에 대한 이해를 증진시키는 데 도움이 됩니다.¹⁴ XUV 아토초 레이저를 산업 공정에 통합하는 것은 아직 큰 진전을 이루지 못했지만, 이 분야에서 지속적인 연구와 발전이 이루어지고 있기 때문에 펨토초 및 피코초 레이저 광원과 마찬가지로 이 기술 역시 분명 실험실 밖으로 나와 제조 현장에서 활용될 것입니다.

표준 극초단 광학 부품

• 펄스 압축 광학 부품(예: 고분산 미러, 처프 미러, 그레이팅, 프리즘)
• 렌즈, 필터, 폴라라이저 등
• 반사 대물렌즈 및 빔 익스팬더

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맞춤형 극초단 광학 제조

• 고분산 미러, GDD가 낮은 광학 부품, 빔 익스팬더
• 고출력 극초단 레이저에 적합한 Intra-Cavity 및 Extra-Cavity 광학 부품
• -2,500fs³ 혹은 0fs³인 TOD(Third Order Dispersion)
• 일반적인 극초단 파장 대역에서 R>99%이고 GDD가 0±20fs²로 낮으면서 가격도 합리적인 Ultrafast-Enhanced Silver 코팅

더 알아보기

참고 문헌

1. Bredenbeck et al. “Labeling Vibrations by Light: Ultrafast Transient 2D-IR Spectrosocpy Tracks Vibrational Modes during Photoinduced Charge Transfer.” J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5, 990-991
2. Camargo et al. “Visualizing Ultrafast Electron Transfer Processes in Semiconductor-Metal Hybrid Nanoparticles: Toward Excitonic-Plasmonic Light Harvesting.” Nano Lett. 2021, 21, 3, 1461-1468.
3. Maiuri et al. “Ultrafast Spectroscopy: State of the Art and Open Challenges.” J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 3-15.
4. Lazaridis et al. “Time-bandwidth product of chirped sech2 pulses: application to phase-amplitude-coupling factor measurement.” Opt. Lett. 1995, 20, 10, 1160-1162.
5. Wood, R. “Laser-Induced Damage by Thermal Effects.” Laser-Induced Damage in Optical Materials. 2014, 9-24.
6. Jing et al. “Calculation of femtosecond pulse laser induced damage threshold for broadband antireflective microstructure arrays.” Optics Express. 2009, 17, 26, 24137-24152.
7. I. H. Malitson. Interspecimen comparison of the refractive index of fused silica, J. Opt. Soc. Am. 55, 1205-1208 (1965).
8. SCHOTT Zemax catalog 2017-01-20b (obtained from http://www.schott.com)
9. Geßner et al. “Femtosecond Multidimensional Imaging of a Molecular Dissociation.” Science Reports. 2006, 311, 219-222.
10. Zigmantas et al. “Ultrafast laser spectroscopy uncovers mechanisms of light energy conversion in photosynthesis and sustainable energy materials.” Chem. Phys. Rev. 2022, 3, 041303.
11. Sheppard, C. J. R. “Multiphoton microscopy: a personal historical review, with some future predictions.” J. Biomed. Opt. 202, 1, 014511.
12. Phillips et al. “Ultrafast laser processing of materials: a review.” Advances in Optics and Photonics. 2015, 7, 4, 684-712.
13. Hoy et al. “Clinical Ultrafast Laser Surgery: Recent Advances and Future Directions.” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014, 20, 7100814.
14. Li et al. “Attosecond science based on high harmonic generation from gases and solids.” Nature Comm. 2020, 11, 2748.

기타 참고 문헌

• 극초단 분산 어플리케이션 노트
• 고분산 미러 어플리케이션 노트
• 극초단 레이저 어플리케이션: 짧은 펄스 혁명 웨비나 녹화 영상
• 극초단 현미경에 적합한 레이저 및 광학 부품 선택 웨비나 녹화 영상
• 극초단 광학: 직면 과제 및 솔루션 웨비나 녹화 영상
• 극초단 레이저 – 극초단 간섭의 기본 원리 어플리케이션 노트
• 극초단 레이저의 LDT 어플리케이션 노트