레이저 공진

공진기

 

빛의 공명상태를 만든다.

레이저 매질에서 초기에 자발적이나 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 하는데 이를 레이저 공진기라고 한다. 이 공진기는 일종의 파브리-페로 에탈론이라 할 수 있는데 레이저 빛은 그 구조속에서 공명상태의 빛이 부분적으로 빛을 투과하는 한쪽 거울을 통하여 조금씩 빠져나오는 것이라 할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

세로공진 모드

 

양 거울사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 세로방향 진동 모드

공진기의 거울 사이의 거리를 d라고 하면 그 사이에서 뛰노는 정상파는 c/2d의 정수배의 진동수를 가질 수 있어 Δν= 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~십수배 정도 커서 레이저의 스펙트럼은 아주 날카로운 수~십수개의 선 스펙트럼을 가지게 된다.

 

 

 

 

 

 

 

가로공진 모드

 

양 거울 사이에서 잘 뛰놀 수 있는 빛의 가로방향 진동 모드

한편 공진기의 관을 따라 가는 방향의 세로공진 모드도 있지만 그 축에 수직인 방향으로의 가로공진 모드도 있다. 이 모드는 레이저내부의 빛 전기장과 자기장이 가로방향이어서 TEMmn 모드라고 한다. 이 모드의 모양은 레이저 빛 줄기의 단면을 관측하여 알 수 있다. 흔히 보는 실험실의 레이저를 흰 종이에 비추어 보면 가운데가 가장 밝고 가장자리로 갈수록 어두워 진다. 이렇게 하나의 밝은 점을 가지고 있는 진동 모드는 TEM00 로서 이론적인 밝기 분포는 아래 그림과 같다.

 

 

 

아래에 TEM10 ,TEM22 등 여러 공진 모드를 보여주고 있다.