극초단 레이저를 위한 펄스 압축과 분산 보정 기능

극초단 고분산 미러(ultrafast highly-dispersive mirror)는 극초단 레이저 응용 분야에서 펄스 압축 및 분산 보정에 매우 중요한 광학 부품입니다. 극초단 레이저는 지속시간이 피코초, 펨토초, 아토초에 불과한 극히 짧은 펄스를 방출하며, 하이젠베르크 불확정성 원리(Heisenberg uncertainty principle)로 인해 펄스 지속시간 동안 하한에 도달하는 변환 제한 펄스는 상당히 넓은 파장 범위를 커버하는 대역폭을 갖게 됩니다(그림 1). 대물렌즈, 윈도우, 렌즈 등의 광매체를 통해 전달되는 이 광대역폭의 분산은 극초단 펄스의 지속시간을 연장시킴에 따라 극초단 레이저 용도에서는 분산 보정이 매우 중요한 부분을 차지할 수 밖에 없습니다.

그림 1: 극초단 레이저의 파장이 짧을수록 파장의 대역폭은 넓어짐

극초단 레이저: 속도의 중요성

펄스 지속시간이 짧고 피크 파워가 높은 극초단 레이저는 소재 가공, 마이크로머시닝, 생물의학, 비선형 이미징 및 현미경 검사, 방위, 통신 등과 같은 다양한 응용 분야에서 매우 유용하게 사용됩니다. 소재 가공 및 마이크로머시닝의 경우 극초단 레이저를 사용하면 치수 허용오차를 개선하고 주변 부위의 손상을 줄여 후처리 단계를 없앨 수 있습니다.¹ 또한 극초단 레이저의 짧은 지속시간은 살균과 마취의 필요성을 줄이는 동시에 라식 수술과 같은 의료용 레이저 수술 시 트라우마를 감소시켜줍니다(그림 2).²

그림 2: 외과용 칼을 사용하지 않는 라식 수술에는 극초단 레이저가 사용되어 환자의 안전과 정밀도는 증가하고 감염 위험은 감소함

분산: 분산은 무엇이며 왜 중요한가?

색 분산(chromatic dispersion)은 광학적 주파수나 파장에 따라 광매질에서 빛의 위상 속도(또는 빠른 정도)가 가지고 있는 의존성을 가리킵니다. 광학 부품에 사용되는 대부분의 소재는 양의 분산(positive dispersion)을 보이며, 이는 장파장의 위상 속도가 단파장의 위상 속도보다 높다는 것을 의미합니다(그림 3). 이는 양의 처프(positive chirp)로 알려진 공정에서 극초단 펄스의 펄스 지속시간을 연장시키기 때문에 극초단 용도에는 악영향을 미칩니다.

그림 3: 극초단 레이저 펄스의 확장을 유도하는 분산. AOM는 레이저가 펄스 출력을 방출할 수 있도록 하는 구성 요소인 acousto-optic modulator를 가리킴

그러나 이와 같은 단점은 단파장의 위상 속도가 장파장의 위상 속도보다 높을 때 음의 분산을 나타내는 다층 유전체 미러(multilayer dielectric mirror) 등의 광학 부품을 활용하면 보정이 가능합니다. 이처럼 보정용 광학 부품을 사용하면 시스템 운영 초기에 발생하는 양의 분산을 균형있게 조정할 수 있어 펄스 압축을 통해 최적의 성능을 제공하게 됩니다(그림 4).

그림 4: 음의 분산을 이용해 펄스를 압축하면 광매질을 투과하면서 경험하게 되는 극초단 펄스의 양의 분산을 상쇄시킬 수 있음

분산이 극초단 레이저 시스템에 미치는 영향을 고려할 때 group delay와 group delay dispersion (GDD)을 반드시 이해하고 있어야 합니다. 광학 부품의 group delay는 각도 주파수에 따라 전기장의 위상 변화로 파생된 결과물입니다. GDD는 주파수에 따라 group delay에 의해 유도된 결과물 혹은 스펙트럼 위상에 의해 유도된 두 번째 결과물로 정의됩니다. 단위 길이당 GDD는 group velocity dispersion (GVD)으로 알려져 있습니다. GDD는 주로 fs²의 단위로 표기되며 GVD는 fs²/mm 단위로 표기됩니다. 펄스를 압축하는 광학 부품은 양전자에 의해 처프된 펄스를 압축하기 위해 규모가 큰 음의 GDD를 가지고 있습니다. 분산 및 GVD에 관한 더 자세한 정보는 당사의 분산 관련 어플리케이션 노트를 참조하기 바랍니다.

해결책: 극초단 고분산 미러

극초단 분산 보정 용도에는 회절격자와 프리즘 등과 같은 다양한 유형의 펄스 압축 광학 부품을 이용할 수 있습니다. 하지만 크기가 작고 손실이 낮은 고분산 미러는 넓은 대역폭에서 음의 분산을 제공하기 때문에 펄스 압축에 더욱 유용하며 3차 및 고위 분산 뿐만 아니라 GDD 보정을 위해 정렬이 매우 중요한 pulse compressor에도 사용할 수 있습니다.³

극초단 고분산 미러가 어떻게 작동하는지를 이해하기 위해서는 이외에도 기타 두 가지 유형의 미러(Gires-Tournois interferometer (GTI) mirror 및 chirped mirror)에 대해 알고 있어야 합니다. GTI mirror는 극초단 레이저의 intracavity 분산을 제어할 때 각도의 영향을 받는 음의 GDD를 제공할 수 있도록 공명(resonance)을 이용합니다. 단, GTI mirror는 매우 한정된 대역폭에서 음의 GDD를 제공하기 때문에 다소 높은 수차의 분산을 유발합니다.

반면에 chirped mirror는 파장의 영향을 받는 레이저 펄스의 투과 깊이를 통해 음의 GDD를 제어할 수 있습니다. 빛이 코팅을 투과함에 따라 유전체 코팅 레이어의 두께는 증가할 수 밖에 없습니다. 이로 인해 단파장은 장파장보다 코팅 내부로의 투과 깊이가 더 짧아지면서 근본적으로 장파장이 단파장을 따라잡아 더 큰 group delay를 경험하게 됩니다(그림 5). 하지만 이와 같이 단순 다층 구조의 유전체 코팅에서 각기 다른 레이어 두께 간의 불연속 전환은 파장과의 상관관계에 따라 GDD의 변동을 유도하는 데 이는 Febry-Perot resonator에서 경험하는 변동과 유사합니다.

그림 5: Chirped mirror는 단파장보다 장파장이 코팅 내부로 더 깊이 침투할 수 있도록 음의 분산을 일으키는 가변형 레이어 두께 보유

극초단 고분산 미러는 기존의 chirped mirror의 속성과 유사한 파장 의존형 투과 효과와 multi-GTI로 알려진 다중 공명 효과를 결합하여 이러한 문제에 대응합니다.³ 투과 효과와 공명 효과를 가장 적절히 조합하면 다층 코팅 구조의 두께를 증가시키지 않고도 광대역 대역폭에 걸쳐 높은 수치의 GDD와 낮은 손실을 제공할 수 있습니다.

회절격자나 분산 프리즘과 같은 일반적인 펄스 압축 광학 부품 또한 극초단 펄스 압축과 분산 보정에 사용될 수 있습니다. 하지만 고분산 미러는 이들보다 크기가 작고 손실이 낮으며 넓은 대역폭에서 수치가 높은 음의 GDD를 제공하는 등 더 많은 이점을 가지고 있습니다(그림 6 및 7). 이러한 고분산 미러를 모든 미러 및 정렬에 민감한 pulse compressor와 함께 사용할 경우 3차 및 고위 분산 뿐만 아니라 GDD까지 보정할 수 있습니다.

그림 6: 1030nm Highly-Dispersive Ultrafast Mirror의 반사율 곡선

그림 7: 1030nm Highly-Dispersive Ultrafast Mirror의 group delay dispersion (GDD) 곡선

과도한 비선형 펄스 왜곡 또는 게인 매개체(gain medium)의 손상을 방지하면서 최대 광 강도까지 극초단 펄스를 증폭시키는 대표적인 chirped pulse amplification (CPA) laser는 증폭 전후에 펄스 연장 및 압축의 영향을 받습니다. 따라서 CPA 레이저에는 극초단 고분산 미러와 같은 압축 광학 부품이 절대적으로 중요한 역할을 합니다.