가우스 빔과 공진이론

빛은 회절특성 때문에 진행하면서 기본적으로 퍼지는 성질이 있다. 특히 빔(빛줄기)의 규모가 작으면 작을수록 그 정도가 커져서 파장에 비견할 정도가 되면 회절무늬를 만들면서 넓게 퍼져버린다.

레이저는 어떻게 퍼지지 않고 멀리 진행을 할 수 있을까?

레이저는 가느다란 관 형태의 레이저 매질 양 끝에 거울이 달려 있어 그 속을 수십만번 왕복하면서 서서히 증폭이 이루어진다. 따라서 좁은 관 속을 잘 따라갈 수 있는 빛만이 강하게 살아남을 수 있다. 다음 프로그램은 이러한 빛이 형성되는 과정을 보이기 위한 것이다.

이 프로그램에서 빛은 2차원에서 움직이는 것으로 하였다. 즉 슬릿의 회절에서처럼 창의 특성이 1차원으로 주어지고, 제한된 영역에 존재하는 빛이 어떻게 회절하는가를 보여주고 있다. 그리고 그 빔이 일정한 거리를 진행한 후에 창을 만나서 다시 회절을 하게 된다. 마치 레이저에서 관의 길이만큼 진행을 한 후에 거울을 만나서 반사가 일어나는 것과 비슷하다. 창을 통과하면서 빛은 약간 증폭이 이루어진다. 이런 과정을 수백번 거치게 되면 빔은 그 영역에 잘 길들여진 형태로 만 존재하게 되는 데 이것이 레이저 빔의 형태를 결정하게 된다.

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Java?

빔의 회절과 전파_ 2차원을 진행하는 빛의 회절모양을 순차적으로 보여준다. 처음에 다양한 모양으로 주어지는 빛이 오른쪽으로 진행하면서 회절 때문에 점차 퍼지게 된다. 그리고 끝에 이르게 되면 창을 만나서 그 영역의 빛만이 통과를 하여 진행을 계속하는 데 이를 새로운 화면으로 계속 그려준다. 창의 폭은 'window width'의 슬라이더로 조절할 수 있으며, 화면영역의 탭을 선택하여 여러 측면으로 빛의 특성을 관찰할 수 있게 하였다.

여러 형태의 빔의 회절특성 관찰

1. 빔의 모양으로 'Gaussian', 'Square' 등의 하나를 선택해서 그 진행을 살펴보자. 어느 빔이 비교적 그 형을 유지하면서 멀리 진행을 할 수 있는가?

2. 빔을 'Square'로 선택하고 'initial wave width' 슬라이더로 초기 빔의 폭을 조절하여 폭과 퍼지는 정도의 상관관계를 알아보자.

3. 여기서 관찰할 수 있는 빔의 전파 모양과 프라운호퍼 회절은 어떻게 관련되어 있는지 생각해 보자.

레이저 공진

1. 초기에 넓은 폭의 'Square'를 선택하여 창을 통과하여 다시 회절하는 회수를 수백회 이상 반복해 보자. 그 과정에서 창의 폭에 점차 맞추어지는 과정은 어떠한가? 실제의 레이저에서는 수백만번 이상의 왕복이 이루어지므로 여기서도 왕복 회수를 많이하면 할 수록 그 효과를 더 잘 볼 수 있다. 프로그램을 실행시켜두고 몇시간 그대로 둔 후에 형성된 빔의 형태를 관찰해 보자.

2. 빔이 잘 다듬어진 후에 'window width'로 창의 폭을 최대한 넓혀보자. 이 빔은 이제 잘 퍼지지 않고 상당한 거리를 그 형태를 유지하면서 진행을 할 것이다. 이는 레이저가 관 속을 빠져 나와 먼 거리를 잘 진행할 수 있는 것을 설명해 준다.

3. 초기에 'Hermit'의 빔을 선택하여 같은 실험을 되풀이 하자. 초기에 서로 위상이 어긋난 형태의 빔도 나름대로 다듬어지는 과정을 볼 수 있을 것이다.