레이저 공진

레이저 공진

빛의 공명상태

거울속에서 빛이 공명상태로 존재한다.

처음 레이저가 발진할 때 매질에서 자발적으로나 유도방출된 빛의 대부분은 특별한 방향성이 없어 사방으로 퍼져나가 버린다. 이 빠져나간 빛을 매질속으로 되돌려서 아직 들뜬상태로 있는 원자나 분자를 자극시켜 유도방출을 계속 일으켜야 한다. 이를 위하여 양쪽에 거울을 배치하여 계속 되돌려 보낼 수 있도록 하는 데 이를 레이저 공진기라고 한다. 이 공진기는 일종의 파브리-페로 에탈론이라 할 수 있는 데 레이저 빛은 그 구조속에서 공명상태의 빛이 부분적으로 빛을 투과하는 한쪽 거울을 통하여 조금씩 빠져나오는 것이라 할 수 있다.

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선형거울로 된 레이저 공진기_

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오목거울로 된 레이저 공진기_

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세 선형거울로 된 레이저 공진기_

_ 유도방출_ 들뜬상태_ 레이저_ 거울_ 공명

세로방향 진동 모드

공진기의 거울 사이의 거리를 $d$ 라고 하면 그 사이에서 뛰노는 정상파는 $\frac{c}{2d}$ 의 정수 배의 진동수를 갖는다. 따라서

$\Delta \nu= \frac{c}{2d}$ 의 등간격을 갖는 무수히 많은 모드가 존재할 수 있다. 그러나 공진기 내부의 레이저 매질의 원자 방출 스펙트럼의 진동수가 특정한 값을 가지고 있어서 좁은 대역의 빛만 증폭이 이루어진다. 1m의 기체 레이저의 경우 Δν = 150MHz이다. 한편 이득이 손실보다 큰 진동수 대역은 보통의 경우 이보다 수~십수 배 정도로 커서 레이저의 스펙트럼은 아주 날카로운 수~십수개의 선 스펙트럼을 가지게 된다.

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레이저의 세로방향 진동 모드_도플러 효과 등에 의해 레이저 매질이 방출하는 빛의 진동수는 위의 종 모양 그림형태를 하고 있다. 한편 평행한 두 거울로 이루어진 레이저 공진기 내부에서 공명상태로 존재하는 빛의 진동수는 중간의 그림처럼 c/2d 의 간격을 하고 있어 이러한 빛만이 오랫동안 존재할 수 있다. 따라서 실제의 레이저에서 나오는 빛의 진동수 분포는 맨 아래의 그림처럼 가운데가 가장 강하고 띄엄띄엄한 몇 개의 진동수를 포함하고 있게된다.

_ 레이저 공진기_ 실제의 레이저_ 레이저 매질_ 도플러 효과_ 정상파_ 진동수_ 거울_ 공명

[질문1] 두 거울 사이의 거리가 50cm이고, 온도 500 K에서 작동하는 기체 레이저가 출력 중심파장 600nm을 내고 있다. 기체 분자의 질량수를 20이라고 했을 때 이 레이저가 가진 스펙트럼의 형태를 그래프로 그리고, 아울러 이득이 FWHM의 범위에서 발진이 실제로 일어난다고 했을 때 레이저에 포함된 스펙트럼 선의 수는 몇 개인가?

[질문2] '레이저의 세로방향 진동 모드'의 그림에서 표시된 손실(lose)이 일어나는 이유는 무엇일까?