앞의 두 글은 광섬유 한 가닥이 부딪히는 벽을 차례로 보았습니다. 센 빛이 가는 코어를 길게 지나면 유리가 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS)과 유도 라만 산란(stimulated Raman scattering, SRS) 같은 새 빛을 만들어 냅니다. 평균 출력이 어느 문턱을 넘으면 열 때문에 빔이 흔들리는 횡모드 불안정성(transverse mode instability, TMI)도 시작됩니다. 산란을 피하려고 코어를 키우면 모드라는 다른 숙제가 남았습니다.
한 가닥을 더 키울 수 없다면
초고속 광섬유 레이저(fiber laser) 여러 대의 빛을 합치는 연구를 정리해 2018년에 출판된 리뷰 논문도 같은 벽을 짚습니다. 리뷰가 쓰일 때 펨토초 펄스로 동작하는 광섬유 레이저에서 회절 한계 빔의 평균 출력을 묶고 있던 것은 TMI였습니다. 펄스 에너지와, 펄스가 가장 셀 때의 출력인 첨두 출력을 키울 때는 비선형 효과와, 끝내는 광섬유 안에서 빛이 스스로 모이는 자기 집속(self-focusing)이 상한을 정합니다. 리뷰는 광섬유 레이저가 더 나아질 수는 있어도, 가까운 미래에 광섬유 한 가닥이 훨씬 높은 성능을 내리라고 내다보지 않았습니다.
광섬유만의 사정도 아닙니다. MIT 링컨 연구소가 펴내는 학술지에 2014년 실린 기사는 첫머리에서, 어떤 종류의 레이저든 빔 품질(beam quality)을 떨어뜨리지 않고는 넘기 어려운 출력 수준이 있다고 씁니다. 회절 한계 빔을 지키며 출력을 키우는 데 가장 큰 걸림돌은 이득 매질 안의 열광학 왜곡과 관련되어 왔습니다. 회절 한계 빔은 빔 품질이 가장 좋은, 물리적으로 가능한 만큼만 퍼지는 빔입니다.
한 가닥으로, 한 대로 안 된다면 여러 개를 합치면 어떨까요? 빔 결합(beam combining)의 기본 생각은 그만큼 단순합니다. 레이저 여러 대의 출력을 합쳐, 한 대로는 이를 수 없는 성능에 닿는 것입니다. 2014년 기사는 빔 결합을 빔 품질을 지키면서 출력을 키우는 모듈식 방법으로 소개합니다.
생각 자체는 오래되었습니다. 레이저 배열의 빔을 합쳐 회절 한계 빔 그대로 출력을 키운다는 개념은 일찍부터 있었고, 레이저 기술이 나아지면서 실제로 구현할 수 있게 되었습니다. 2014년 기사가 나올 무렵 빔 결합은 레이저 출력을 키우는 널리 받아들여진 길이었습니다. 빛의 위상을 맞춰 합치는 결합은 이미 1970년에 반도체 발진기 두 대를 합쳐 시연되었습니다.
그렇다면 빛 두 줄기를 하나로 합치면 무엇이 더해질까요? 그리고 결합 방법마다 무엇을 맞춰야 하고, 무엇을 치러야 할까요? 2018년 리뷰가 결맞음(coherence) 결합의 범위를 정할 때 맨 먼저 보는 것이 있습니다. 합칠 빛이 서로 간섭(interference)할 수 있느냐입니다.
빛을 합친다는 것: 세기가 더해질 때와 장이 더해질 때
빛의 파동을 다루는 선형 광학에서는 파동 방정식이 선형이라 중첩 원리(superposition principle)가 성립합니다. 두 파동이 겹치면 두 파동의 장(field)을 더한 것이 그대로 새 파동이 된다는 원리입니다. 그런데 이 원리가 빛의 세기에는 일반적으로 성립하지 않습니다.
두 빛이 서로 간섭할 수 있으면, 겹친 자리의 세기는 두 세기를 그냥 더한 값이 되지 않습니다. 마루끼리 만나는 곳에서는 보강되어 더 밝아지고, 마루와 골이 만나는 곳에서는 상쇄되어 어두워집니다.
세기에도 중첩 원리가 통하는 경우가 있습니다. 두 빛의 전자기장이 간섭 조건을 만족하지 않을 때입니다. 두 파동의 편광(polarization)이 서로 수직이거나, 두 파동이 완전히 비간섭성일 때가 그 예입니다. 이때는 두 빛의 세기가 그냥 더해집니다.
간섭이 없을 때: 합친 빛의 세기 = 빔 1의 세기 + 빔 2의 세기
그네를 미는 두 사람을 떠올려 볼 수 있습니다. 박자가 맞으면 두 사람의 힘이 더해져 그네가 높이 오르고, 엇갈리면 서로의 힘을 깎아 먹습니다. 실제로는 다른 점이 있습니다. 빛에서 더해지는 것은 힘이 아니라 전자기장이고, 서로 간섭할 수 없는 두 빛은 박자와 상관없이 세기만 더해집니다.
결맞음 결합이라는 이름도 여기서 나옵니다. 엄밀한 뜻에서 결맞음 결합이라 부르려면, 빛을 내는 레이저 하나하나, 곧 방출원(emitter)에서 나온 빔들이 서로 간섭할 수 있어야 합니다. 여기서 간섭할 수 있는 빛을 합치는 결맞음 결합과 그렇지 않은 결합이 갈립니다.
어느 쪽이든 공통으로 할 일도 있습니다. 결맞음 결합이든 파장이 다른 빛을 합치는 결합이든, 합칠 빔들을 겹치려면 빔마다 가리키는 방향을 제어해야 합니다. 이것을 지향(pointing) 제어라고 부릅니다. 방향이 맞지 않으면 빔들이 한자리에 포개지지 않습니다.
결맞음이 아닌 결합
결맞음 결합을 정리한 2018년 리뷰는 갈래를 나누면서 가장 먼저 결맞음이 아닌(non-coherent) 빔 결합 기법을 떼어 냅니다. 서로 다른 파장의 빛을 합치는 분광 결합 같은 기술은 그래서 결맞음 결합의 범위 밖에 놓입니다. 리뷰는 이런 개념도 흔히 비슷한 성능 키우기 목표를 좇는다고 덧붙입니다.
갈래를 나누는 틀은 자료마다 다릅니다. 2014년 기사는 빔 결합의 기본 방법을 결맞음 결합과 파장 빔 결합, 두 가지로 나눕니다. 나누는 틀은 달라도 두 자료 모두 파장이 다른 빛을 합치는 방법을 결맞음 결합과 따로 세웁니다.
2014년 기사의 곁글은, 빔을 같은 각도로 모은다면 모은 곳의 세기가 출력만이 아니라 빔의 밝기(brightness)에 비례한다고 설명합니다.
기사는 이 이야기를 다이오드 레이저로 잇습니다. 빔 결합 없이 다이오드 레이저를 늘어놓기만 한 기존 배열은 금속 절단과 용접에 필요한 밝기의 빔을 내지 못합니다. 기사가 든 다이오드 레이저에서는 늘어놓기만 해서는 필요한 밝기에 닿지 못한다는 예입니다.
색으로 나눠 합치기: 분광 빔 결합과 회절격자
프리즘이나 분광기는 한 빔에 섞인 빛을 여러 색으로 펼칩니다. 분광 빔 결합(spectral beam combining, SBC)은 이 일을 거꾸로 합니다. 파장 빔 결합(wavelength beam combining, WBC)이라고도 부르는 이 방법에서는 회절격자(diffraction grating) 같은 분산 광학 소자로 파장이 다른 빔들을 공간적으로 겹칩니다.
회절격자는 파장마다 빛을 다른 방향으로 꺾습니다. 이런 성질을 각분산(angular dispersion)이라 하고, 긴 파장인 빨간빛이 짧은 파장인 파란빛보다 더 크게 꺾입니다. 분광기는 이 성질로 한 빔의 색을 여러 방향으로 나눕니다. 분광 결합은 그 반대로, 서로 다른 방향에서 들어오는 여러 색의 빔을 한 빔으로 겹칩니다.
분광 결합은 광통신에서 광섬유 한 가닥이 실을 수 있는 통신 채널 수를 늘리는 데 쓰는 파장 분할 다중화(wavelength-division multiplexing)와도 닮은 기법입니다.
분광 결합에서 맞춰야 할 것은 둘입니다. 빔마다 가리키는 방향에 더해 파장도 제어해야 합니다. 2014년 기사는 이 방법을 결맞음 결합보다 이루기 쉬운 쪽으로 봅니다. 파장을 제어하는 일이 결맞음 결합에서 해야 하는 위상 제어만큼 어렵지 않기 때문입니다.
늘어나는 것이 출력만도 아닙니다. 파장 빔 결합은 출력과 함께 밝기도 키울 수 있습니다. 방출원 하나하나의 스펙트럼이 아주 좁다고 할 때, 회절 한계인 빔들을 합친 빔도 회절 한계가 됩니다.
한계도 있습니다. 첫째는 파장 폭입니다. 합칠 수 있는 빔의 수는 쓸 수 있는 전체 파장 폭을 빔 하나에 나눠 준 폭으로 나눈 만큼이고, 빔 하나에 줄 수 있는 최소 폭은 빔을 합치는 분산 광학 소자가 정합니다.
둘째는 광학 부품의 표면입니다. 표면에 닿는 빛의 세기를 손상이 생기는 수준 아래로 지켜야 하고, 열광학 효과가 큰 광학 수차를 일으키기 시작하는 점보다도 낮게 지켜야 합니다.
셋째는 빔 하나하나의 선폭(linewidth)입니다. 선폭은 빛의 주파수가 퍼진 폭입니다. 합칠 빔이 늘어 빔 하나에 줄 파장 폭이 좁아지면, 어느 점에서 빔의 선폭이 충분히 좁지 않게 됩니다. 그러면 그 빔 안의 여러 파장 성분이 격자에서 흩어져, 멀리 간 빔이 더는 회절 한계가 아니게 됩니다.
발맞춰 합치기: 결맞음 빔 결합
결맞음 빔 결합(coherent beam combining, CBC)은 서로 간섭할 수 있는 빔들의 위상을 맞춰 하나로 합칩니다. 증폭기 여러 대를 합칠 때는 증폭기들이 공통의 앞단(frontend)에서 씨앗 레이저(seed laser)의 빛을 받게 할 수 있습니다. 앞단은 씨앗 빛을 만들어 증폭기들로 보내는 앞쪽 부분입니다. 그러면 증폭을 마친 출력 빔들 사이에 결맞음의 전제 조건이 생깁니다.
흐름은 이렇게 그려 볼 수 있습니다. 앞단의 빛을 빔 분할기로 여러 증폭 채널에 나누고, 채널마다 따로 증폭한 뒤, 빔 결합기로 다시 합칩니다. 결합기를 어떻게 만들든 빔들이 보강 간섭하도록 위상을 바르게 맞춰야 합니다.
문제는 위상이 가만히 있지 않는다는 것입니다. 동작하는 동안 채널마다 열과 주변 환경 때문에 생기는 흔들림(drift)을 피할 수 없어서, 일반적으로 능동 안정화가 필요합니다. 2014년 기사도 레이저를 결맞게 합치는 일의 어려움으로, 파장이 짧아 능동적인 감지와 제어 없이 수동적으로 위상을 맞추기가 어렵고 성공이 제한적이었다는 점을 꼽습니다. 기사가 나올 무렵에는 위상을 능동적으로 감지하고 제어하는 방법 덕분에 큰 배열로 늘릴 수 있게 되었습니다.
연속파와 펄스 사이에도 차이가 있습니다. 여기서 결맞음 길이(coherence length)는 여러 빔이 서로 간섭할 수 있는 거리를 정하는 값입니다. 연속파 빛을 합칠 때는 출력 빔의 결맞음 길이가 채널 사이의 경로 차보다 길어서 위상 제어로 흔히 충분합니다. 펄스로 동작할 때는 결맞음 길이가 훨씬 짧아서, 위상에 더해 펄스가 지나는 거리까지 정밀하게 맞춰야 합니다.
빔을 합치는 모양은 크게 둘로 나뉩니다. 나란히 놓는 방식(tiled aperture)은 여러 빔을 붙여 놓아 더 큰 빔 하나를 만들고, 빔들은 나아가며 저절로 퍼져 먼 곳에서 겹칩니다. 결합 소자가 없어도 된다는 장점이 있지만, 빔 사이의 틈을 줄이기 어렵습니다. 합친 빔의 세기가 단면에서 고르지 않아 먼 곳에서 곁가지(side lobe)로 출력을 크게 잃고, 그만큼 결합 효율이 떨어집니다.
한 빔으로 겹치는 방식(filled aperture)은 빔들을 가까운 곳과 먼 곳 모두에서 포갭니다. 빔들의 공간 위상과 모양이 같다면, 합친 빔은 하나하나의 빔과 구별되지 않아 빔 품질이 유지됩니다. 대신 빔을 실제로 포개 줄 결합 소자가 있어야 합니다.
결합이 얼마나 잘 되었는지는 결합 효율로 잽니다. 2018년 리뷰는 결합에서 가장 중요한 성능 수치로 출력 효율을 꼽습니다. 공간 결합 효율은 합친 빔의 출력을 채널들이 낸 출력의 합으로 나눈 비입니다.
결합 효율이 높을수록 합친 빛의 성질은 채널 하나하나에 가까워집니다. 그래서 결맞음 결합으로 만든 레이저는 빔 품질 같은 성질을 하나하나의 증폭기에서 대체로 그대로 지닙니다.
리뷰에는 앞 글과 이어지는 비유도 있습니다. 이 공간 결합 기법은 빔 품질이 나빠지는 것 같은 해로운 효과 없이 광섬유의 모드 지름을 인공적으로 키우는 것으로 생각할 수 있습니다. 「한 가닥의 한계 ①」에서 산란을 피하려고 코어를 키우면 모드라는 숙제가 남는다고 했던 것과 견주어 볼 만합니다.
왜 하필 광섬유일까요? 결맞음 결합의 개념은 증폭기 구조와 상관없어서, 증폭기들이 서로 결맞는 빔을 내기만 하면 구현할 수 있습니다. 그래도 리뷰가 쓰일 때까지 결맞음 결합은 주로 광섬유 레이저에 쓰였습니다. 리뷰가 드는 까닭 가운데 하나는, 광섬유 레이저가 품질이 좋고 재현성 있는 빔을 내서 높은 결합 효율을 얻을 수 있다는 점입니다.
대가도 따릅니다. 2018년 리뷰는 증폭 채널 수를 늘리면서도 시스템의 복잡성과 비용을 다스리는 일이 여전히 개발의 초점이라고 봅니다. 초고속 레이저 교과서는 같은 고민을 이렇게 씁니다. 결맞음 빔 결합은 더 높은 에너지와 평균 출력으로 가는 길을 열지만, 전체 시스템은 한층 더 복잡해집니다.
오늘날 결맞음 결합은 구현 방식이 아주 다양합니다. 2018년 리뷰의 결론은 결맞음 빔 결합이 원리 증명 실험에서 출발해 실제로 쓸 만한 레이저 성능 키우기 방법으로 자랐다는 문장으로 시작합니다.
분광 결합과 결맞음 결합을 한 표로
공개 자료가 자세히 풀어 둔 두 방법을 나란히 놓고, 무엇을 맞추고 무엇을 치르는지 견주었습니다.
| 항목 | 분광 빔 결합(SBC) | 결맞음 빔 결합(CBC) |
|---|---|---|
| 겹치는 빔 | 파장이 서로 다른 빔들 | 서로 간섭할 수 있는 빔들 |
| 빔들 사이의 결맞음 | 결맞음 결합의 범위 밖(2018년 리뷰) | 있어야 함. 증폭기를 합칠 때는 공통 앞단에서 씨앗 빛을 받게 해 전제 조건을 만듦 |
| 맞춰야 할 것 | 빔마다 방향(지향)과 파장 | 빔마다 방향(지향)과 위상. 펄스라면 지나는 거리까지 |
| 겹치는 데 쓰는 것 | 회절격자 같은 분산 광학 소자 | 한 빔으로 겹치면 결합 소자가 필요하고, 나란히 놓으면 필요 없음 |
| 자료가 든 장점 | 파장 제어가 위상 제어만큼 어렵지 않아 이루기 더 쉬움(2014년 기사). 출력과 함께 밝기도 키움 | 결합 효율이 높으면 빔 품질 같은 성질을 하나하나의 증폭기에서 대체로 그대로 지님(2018년 리뷰) |
| 자료가 든 한계와 대가 | 쓸 수 있는 전체 파장 폭, 광학 부품 표면의 세기와 열, 빔마다의 선폭 | 열과 환경에 따른 흔들림 때문에 능동 안정화가 필요함. 채널이 늘수록 복잡성과 비용. 나란히 놓으면 곁가지로 출력 손실 |
결맞음 결합은 앞 글의 SBS와도 얽힙니다. 여러 레이저 빔이 서로 간섭할 수 있는 거리를 정하는 결맞음 길이는, 다시 레이저의 선폭이 정합니다. 선폭을 넓히면 결맞음 길이가 줄어듭니다.
「한 가닥의 한계 ①」에서 본 것처럼 SBS는 선폭이 아주 좁은 빛을 키우는 단일 주파수 증폭기에서 특히 골칫거리입니다. 이런 증폭기를 다뤄 arXiv에 사전 공개된 2026년의 리뷰 장은 선폭 넓히기가 SBS 억제에 아주 효과적이고 어떤 쓰임에는 쓸 만한 결맞음을 남긴다고 봅니다. 다만 그렇게 넓힌 빛은 보통 말하는 단일 주파수 레이저의 범위를 넘습니다. 한 가닥에서 SBS를 누르려고 선폭을 넓히면, 그만큼 빔들이 서로 간섭할 수 있는 거리도 짧아집니다.
어디에 쓰이나
2018년 리뷰가 다룬 쪽은 초고속 레이저입니다. 반복률이 높은 초고속 레이저 시스템은 재료 가공에서 아주 센 빛의 장을 다루는 고강도장 물리 탐구까지, 여러 산업과 과학 쓰임을 떠받치는 기술로 자리 잡았습니다. 이런 쓰임이 점점 더 높은 성능을 요구하고, 2018년 리뷰는 결맞음 빔 결합을 그 요구에 답하는 한 방법으로 듭니다.
분광 결합 쪽은 산업 가공을 내다봅니다. 2014년 기사는 파장 빔 결합 기술이 금속 절단과 용접 같은 산업 쓰임에서 다이오드 레이저가 다른 레이저를 대신하게 할 수 있다고 씁니다. 기사의 맺음말은 이 기술을 쓴 직접 다이오드 레이저가 언젠가 까다로운 재료 가공에서 광섬유 레이저와 디스크 레이저 등을 대신할지도 모른다고 내다봅니다.
같은 기사의 앞날 전망에는 다른 쓰임도 있습니다. 레이저를 하나하나 켜고 끌 수 있다면 여러 분광 감지를 위해 파장을 맞추는 새 쓰임이 가능할 수 있고, 파장을 여럿 쓰는 광(적외선) 레이저 통신에도 쓸 수 있다는 것입니다.
국방 분야를 위한 빔 결합 연구도 있습니다. 2014년 기사를 낸 MIT 링컨 연구소의 레이저 기술·응용 그룹은 과학과 국방 분야를 위한 고체·광섬유·다이오드 레이저 기술을 개발해 왔다고 스스로 소개하면서, 고에너지 레이저(high-energy laser) 체계를 위한 빔 결합 기법을 함께 적습니다.
다음에 읽을 글
- "결맞음 빔 결합의 원리: 공개 리뷰 논문으로 읽기": 이 글에서 개념만 짚은 결맞음 결합을 공개 리뷰 논문으로 한 걸음 더 들어가 읽습니다.
- "빔 품질이란: M², 발산각, 밝기": 이 글에서 "회절 한계 빔"과 "밝기"라고만 한 것을 M²와 발산각으로 재는 법을 풉니다.