펄스 레이저 (pulse laser)
정의
펄스 레이저는 연속파(continuous wave, CW) 레이저와 달리, 빛을 일정한 시간 간격으로 짧고 강렬한 펄스(pulse) 형태로 방출하는 레이저를 말한다. 표준국어대사전에 따르면 "피크 파워가 수십 킬로와트 이상이며, 수백 마이크로초의 펄스빛을 발생하는 레이저"로 정의된다. 펄스 레이저는 각 펄스 사이에 에너지를 축적했다가 순간적으로 방출함으로써, 동일한 평균 출력의 연속파 레이저보다 훨씬 높은 최대 출력(피크 파워)을 얻을 수 있다.
펄스 생성 방식
펄스 레이저에서 짧은 펄스를 생성하는 주요 기술은 다음과 같다.
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게인 스위칭 (Gain Switching): 펌프 광원(예: 플래시 램프, 전류) 자체를 펄스 형태로 공급하여 짧은 시간 동안만 레이저 발진이 일어나도록 하는 방식이다. 최초의 루비 레이저가 이 방식에 해당한다. 반도체 레이저에서 전류 변조를 통해 수 나노초에서 수백 피코초의 펄스를 생성할 수 있다.
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Q 스위칭 (Q-switching): 공진기 내부에 일시적으로 높은 손실을 도입하여 에너지가 축적되도록 한 후, 갑자기 손실을 제거하여 축적된 모든 에너지를 단시간에 방출하는 방식이다. 이를 통해 수 나노초 길이의 강력한 펄스(수 mJ ~ 수 J)를 얻을 수 있다. 능동 Q 스위칭(전기광학/음향광학 변조기 사용)과 수동 Q 스위칭(포화 흡수체 사용)으로 나뉜다.
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모드 잠금 (Mode Locking): 공진기 내 여러 세로 모드(longitudinal mode)들의 위상을 동기화하여 극히 짧은 펄스를 생성하는 방식이다. 피코초(ps, 10⁻¹²초)에서 펨토초(fs, 10⁻¹⁵초) 수준의 초단 펄스(ultrashort pulse)를 만들 수 있으며, Ti:사파이어 레이저가 대표적이다.
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공동 반전 (Cavity Dumping): 공진기 내에 축적된 에너지를 출력 결합기를 통해 빠르게 방출하는 방식으로, Q 스위치 레이저와 모드 잠금 레이저 모두에 적용 가능하다.
펄스 특성
펄스 레이저의 주요 특성 변수는 다음과 같다.
- 펄스 폭 (Pulse Width / Pulse Duration): 일반적으로 반치전폭(FWHM)으로 표현되며, 나노초(ns), 피코초(ps), 펨토초(fs) 단위로 측정된다.
- 펄스 에너지 (Pulse Energy, Ep): 하나의 펄스가 가지는 총 에너지.
- 피크 출력 (Peak Power, Pp): 펄스가 방출되는 순간의 최대 출력. Pp ≈ Ep / τp (τp는 펄스 폭)로 계산된다.
- 반복률 (Repetition Rate): 1초당 방출되는 펄스의 개수(Hz 또는 kHz 단위).
- 시간-대역폭 곱 (Time-Bandwidth Product, TBP): 펄스 폭과 주파수 대역폭의 곱으로, 푸리에 변환 한계에 의해 최소값이 결정된다.
연속파 레이저와의 비교
| 구분 | 연속파(CW) 레이저 | 펄스 레이저 |
|---|---|---|
| 출력 형태 | 연속적, 일정한 출력 | 간헐적, 짧고 강한 펄스 |
| 피크 출력 | 평균 출력과 동일 | 평균 출력보다 수백~수천 배 높음 |
| 구조 | 비교적 단순 | Q 스위치, 모드 잠금 등 복잡한 기술 필요 |
| 가격 | 상대적으로 저렴 | 상대적으로 고가 |
| 주요 용도 | 통신, 연속 용접, 치료 | 마킹, 정밀 절단, 드릴링, 과학 연구 |
응용 분야
- 산업 가공: 레이저 마킹, 정밀 절단, 드릴링, 용접, 표면 처리
- 의료: 레이저 문신 제거, 안과 수술, 연조직 수술, 치과 치료
- 과학 연구: 초고속 분광학, 비선형 광학, 펨토초 화학, 양자 광학
- 군사/방위: 레이저 거리 측정기(LIDAR), 표적 지정
- 통신: 광통신, 데이터 전송
참고 문헌
- Siegman, Anthony E. (1986). Lasers, University Science Books.
- Svelto, Orazio (1998). Principles of Lasers, 4th ed., Springer.
- 표준국어대사전, 국립국어원.
