용접용 레이저가 반짝이는 금속판을 비춥니다. 빛의 일부는 금속에서 튕겨 왔던 길을 거슬러 레이저 쪽으로 돌아갑니다. 이렇게 돌아온 빛은 그냥 흩어져 사라지지 않고, 때로는 레이저를 흔들거나 망가뜨립니다.
광섬유 레이저(fiber laser)와 그 증폭기(amplifier) 안에는 이런 빛을 막거나, 거꾸로 일부러 되돌리거나, 빛의 상태를 지키는 부품이 여럿 들어 있습니다. 거꾸로 가는 빛이 왜 골칫거리인지부터 보면, 그 부품들이 왜 필요한지가 차례로 보입니다.
거꾸로 가는 빛은 어디서 오나
첫째 출처는 반사입니다. 레이저 장치 안의 다른 광학 부품에서도, 레이저가 비추는 물체에서도 빛이 레이저 쪽으로 되돌아옵니다. 산업용 레이저로 용접하는 반사성 금속이 그런 물체의 흔한 예입니다.
둘째 출처는 증폭기 자신입니다. 증폭기 속 들뜬 원자는 들어오는 빛이 없어도 스스로 광자를 내놓고, 이 광자가 증폭기를 지나며 커집니다. 이 빛을 자연 방출 증폭(amplified spontaneous emission, ASE)이라고 부릅니다.
광섬유 레이저에서 되먹임 빛을 만드는 원인으로는 이 둘이 함께 꼽힙니다. 하나는 뒤쪽 광학 부품에서 생긴 되반사이고, 다른 하나는 증폭 단에서 나온 ASE입니다.
광섬유의 끝면도 빛을 되돌릴 수 있습니다. 교과서의 실험 예에도 광섬유 끝면에서 레이저 공진기로 되돌아오는 남은 반사를 피하려고 아이솔레이터를 넣은 장치가 나옵니다. 광섬유가 아닌 측정 장치에서도, 시료에 수직으로 비춘 빛 일부가 광원으로 되반사되어 모드 잠금을 불안정하게 만드는 예가 나옵니다.
되돌아온 빛이 충분히 세면 레이저를 손상시킬 수 있습니다. 훨씬 약하더라도 잡음이나 출력 흔들림 같은 동작 불안정을 일으킬 수 있습니다.
광섬유에서 더 까다로운 까닭
광섬유는 이득이 큰 매질입니다. 앞으로 가는 빛만 그 이득을 얻는 것이 아니어서, 되먹임 빛도 도핑된 광섬유의 큰 이득으로 그대로 증폭됩니다. 발진기나 증폭기에 뜻하지 않게 들어간 빛은 좋아야 불안정, 나쁘면 손상을 일으키고, 성능을 되돌릴 수 없게 해칠 수도 있습니다.
이득이 얼마나 큰지는 데시벨(decibel, dB)로 적습니다. 데시벨은 몇 배인지를 로그로 나타낸 값으로, 10 dB가 10배이고 20 dB가 100배입니다. 초고속 광섬유 레이저를 다룬 Newport의 응용 노트에 따르면, 광섬유에서 작은 신호가 한 번 지날 때의 이득은 보통 약 20 dB 이상이고 덩어리 모양의 도핑 매질은 약 5 dB로 더 낮습니다.
배수로 바꿔 보면 차이가 더 또렷합니다. 약 20 dB는 100배쯤이고, 약 5 dB는 약 3배입니다. 거꾸로 돌아온 약한 빛도 광섬유 증폭기를 한 번 지나면 그만큼 커질 수 있다는 뜻입니다.
광섬유 끝면도 약점이 됩니다. 큰 이득에 더해, 광섬유 끝의 빔은 덩어리 이득 매질의 빔보다 작아서 끝면의 세기가 높습니다. 이 둘 때문에 광섬유 장치는 더 낮은 출력에서 손상 문턱에 이릅니다.
이런 까닭에 같은 노트는 되먹임이 초고속 광섬유 발진기로 들어가지 않게 막고 뒤따르는 증폭기 사슬을 지키는 장치가 꼭 필요하다고 결론 내립니다. 그 장치가 다음에 볼 아이솔레이터입니다.
광 아이솔레이터: 한쪽으로만 열리는 문
광 아이솔레이터(optical isolator)는 앞 방향의 빛은 거의 그대로 내보내고, 반대 방향에서 들어온 빛은 대부분 막는 광학 부품입니다. 흔히 레이저나 레이저 증폭기의 출력 끝에 두어 되반사된 빛으로부터 지킵니다. 패러데이 회전자(Faraday rotator)로 만드는 부품 가운데 가장 널리 쓰이는 것의 하나가 패러데이 아이솔레이터입니다.
패러데이 아이솔레이터의 중심에는 이 패러데이 회전자가 있습니다. 자기장 속에 놓인 자기광학 결정으로, 그 속을 지나는 빛의 편광 방향을 돌립니다. 이 현상은 마이클 패러데이가 1845년에 발견했습니다.
회전자에는 특별한 성질이 하나 있습니다. 빛이 어느 쪽에서 들어오든 편광을 언제나 같은 방향으로 돌립니다. 45°를 돌리는 회전자라면 갔다가 돌아오는 동안 모두 90°가 됩니다. 반파장판은 이와 달라서, 같은 왕복에서 편광이 처음 방향으로 돌아와 0°가 됩니다.
회전자의 이 성질을 편광자 두 장과 묶으면 아이솔레이터가 됩니다. 앞으로 가는 빛은 첫째 편광자를 지나 회전자에서 45° 돌고, 그 방향에 맞춘 둘째 편광자를 지나 나갑니다. 되돌아온 빛은 둘째 편광자를 지나 회전자에서 같은 쪽으로 다시 45° 돌아, 처음과 직각인 편광이 되어 첫째 편광자에서 막힙니다. 그래서 패러데이 아이솔레이터는 한 방향의 편광된 빛만 막힘 없이 지나게 합니다.
일방통행 문에 빗대면 결과는 맞습니다. 다만 실제로 닫히는 문은 없습니다. 왕복하는 동안 편광이 90° 돌아가서 편광자를 지나지 못할 뿐입니다. 두 방향의 편광을 그림으로 따라가 보려면 편광: 빛이 흔들리는 방향 글의 아이솔레이터 도표가 도움이 됩니다.
아이솔레이터에도 한계가 있다
아이솔레이터는 달기만 하면 끝나는 부품이 아닙니다. 아이솔레이터의 주요 지표로는 보통 구경 크기, 파장 범위, 앞 방향의 투과, 그리고 돌아온 빛을 막는 정도인 아이솔레이션(isolation)이 꼽힙니다. 고를 때는 들어오는 빔의 크기와 출력, 다음 단으로 넘길 출력, 필요한 아이솔레이션의 양도 따집니다.
출력이 커지면 회전자 결정이 문제가 됩니다. 결정이 빛을 조금이라도 흡수하면 결정 안이 국부적으로 데워지고, 그 열이 성능을 제한합니다. Coherent는 산업용 레이저의 출력이 커지면서 흔히 쓰던 결정의 흡수와 열광학 성질이 점점 불리해졌고, 아주 높은 출력에서는 아이솔레이션 성능, 빔 초점, 빔 품질이 나빠진다고 설명합니다.
짧은 펄스에는 다른 문제가 있습니다. 회전자 물질은 분산이 있어서, 펄스가 아이솔레이터를 지나며 길어질 수 있습니다. 그 정도는 처음 펄스와 응용에 따라 다릅니다.
Newport의 노트는 100 fs보다 짧은 펄스, 곧 대역폭이 넓은 펄스에서는 분산이 더 커져 많은 응용에서 중요한 고려 사항이 된다고 적습니다. 짧은 펄스를 만드는 방법은 Q-스위칭과 모드 잠금 글에 있습니다.
광섬유 브래그 격자: 한 파장만 되돌리는 거울
거꾸로 가는 빛이 언제나 나쁜 것은 아닙니다. 레이저의 공진기는 빛을 일부러 되돌려 이득 매질을 여러 번 지나게 해야 합니다. 광섬유 레이저에서 그 거울 노릇을 하는 대표 부품이 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)입니다.
가장 단순한 브래그 격자는 단일 모드 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로, 영구히 바꿔 놓은 구간입니다. 광섬유를 따라 바뀌는 이 굴절률 분포가 특정한 투과·반사 스펙트럼을 만듭니다. 그래서 격자는 정해진 한 파장을 되돌리고 나머지는 지나가게 하는 거름 소자가 됩니다.
되돌아가는 파장을 브래그 파장이라고 부릅니다. 브래그 파장은 격자의 주기와 광섬유 속 빛이 느끼는 유효 굴절률로 정해집니다. 격자 주기는 보통 동작 파장과 같은 자릿수의 크기입니다.
쓰임은 넓습니다. 파장 분할 다중화, 이득 평탄화 필터, 분산 보상, 광섬유 레이저, 레이저의 주파수 안정화, 음향·변형·온도 감지에 두루 쓰입니다. 격자를 만드는 Exail은 레이저용 격자를 "파장을 고르는 거울"이라고 부르며, 레이저 공진기를 꾸미는 핵심 부품으로 소개합니다.
높은 출력의 광섬유 레이저에서 이 격자가 중요한 까닭이 있습니다. Coherent의 웨비나 자료는 지금 광섬유 레이저가 동작하는 높은 출력에서 공진기 안에 자유 공간 광학을 쓰는 것이 믿을 만하지 못했고, 이제는 브래그 격자로 공진기를 이루는 일체형 설계가 선호된다고 씁니다.
이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기 글에서 본 이중 클래드 광섬유와도 잘 맞습니다. 격자를 코어에 새기면 펌프 빛은 격자의 영향을 받지 않고 광섬유를 따라 지나갑니다.
편광 유지 광섬유: 흔들리는 방향을 지키는 길
편광 유지 광섬유(polarization-maintaining fiber, PM)는 선편광된 빛의 편광을 지키도록 만든 광섬유입니다. 광섬유 안에 넣은 응력봉으로 복굴절(birefringence)을 일부러 키워 편광을 유지합니다. 복굴절은 편광 방향에 따라 굴절률이 다른 성질입니다.
이런 광섬유는 선편광 출력이 필요한 곳을 위해 설계됩니다. 한 제조사는 대면적 편광 유지 광섬유의 쓰임새로 산업·의료·국방 레이저 체계를 꼽습니다. 광섬유 증폭기에서도 편광 유지 광섬유를 쓰면 선편광 출력을 낼 수 있습니다.
편광이 고정되어야 하는 대표적인 곳이 빔 결합입니다. 2016년의 한 리뷰 논문은 여러 증폭기의 빛을 결맞게 합칠 때 증폭기 출력의 편광 상태도 고정되어야 하며, 편광 유지 광섬유로 이를 보장할 수 있다고 덧붙입니다. 한 제조사의 지향성 에너지 레이저 소개에는 출력이 수 kW인 광섬유 광원 여럿을 광학적으로 결합해 수십~수백 kW를 내는 구조를 만들 수 있다고 적혀 있습니다. 결합의 원리는 결맞음 빔 결합의 원리 글에 정리되어 있습니다.
편광 유지형은 광섬유에만 있는 것이 아닙니다. 펌프 결합기, 클래드 빛 제거기, 엔드 캡에도 편광 유지형이 따로 있습니다.
광섬유를 잇는 그 밖의 부품
높은 출력의 광섬유 레이저에서는 여러 광섬유 부품을 이어 붙여 하나의 긴 빛의 길로 만드는 일체형 설계가 선호됩니다. 이런 설계는 자유 공간 광학과 재정렬이 필요 없어 신뢰성에 크게 도움이 되고 정비할 일도 줄입니다. 그 길에 들어가는 대표 부품과 쓰임은 다음과 같습니다.
- 펌프 결합기(pump combiner): 펌프 레이저 다이오드에서 온 여러 광섬유를 출력 광섬유 하나로 합치는 부품입니다. 광섬유 레이저와 증폭기를 펌핑하는 데 씁니다.
- 클래드 빛 제거기(cladding light stripper): 이름 그대로 클래드로 흐르는 빛을 뽑아내는 부품입니다. 고출력 레이저와 증폭기, 빔 전달에 쓰며, 빔 품질과 편광을 유지하도록 만듭니다. 출력이 높은 일부 제품은 물로 식히는 방열판이 필요하다고 적혀 있습니다.
- 엔드 캡(end cap): 광섬유 끝에 붙여 끝을 안정되게 고정하는 부품입니다. kW급 빔 전달과 대면적 광섬유 증폭기에 쓰입니다.
- 모드 필드 어댑터(mode field adapter): 서로 다른 광섬유를 이을 때 빛이 지나는 영역의 크기를 맞추는 부품입니다. 대면적 광섬유를 쓰는 증폭기와 레이저에 들어갑니다.
- 탭 결합기와 파장 결합기(WDM): 빛의 일부를 따로 떼어 내는 부품과 파장이 다른 빛을 합치는 부품입니다. 광 출력 감시, 코어 펌핑, 파장 거르기 같은 일에 씁니다.
이 부품들에서도 거꾸로 가는 빛은 따라다닙니다. 한 제조사의 펌프 결합기 설명에는, 펌프 빛을 신호와 반대 방향으로 넣으면 신호의 클래드 빛이 결합기와 레이저 다이오드를 손상시킬 수 있다는 주의가 붙어 있습니다.
부품 제조사 가운데에는 온도 변화, 진동, 충격 같은 극한 조건을 시험한다고 밝히는 곳도 있습니다. 레이저가 무기 체계 안에서 맡는 자리는 레이저 무기는 레이저만으로 되지 않는다 글에서 볼 수 있습니다.
다음에 읽을 글
- "한 가닥의 한계 ②: 열과 모드 불안정성": 출력이 커질 때 광섬유 자체가 부딪히는 열 문제를 봅니다.
- "이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기: 레이저 빛과 펌프 빛의 길을 나누다": 펌프 결합기가 펌프 빛을 넣는 길을 자세히 봅니다.
- "결맞음 빔 결합의 원리: 공개 리뷰 논문으로 읽기": 편광 유지 광섬유가 왜 필요한지 결합의 쪽에서 봅니다.
- "빛을 재는 장비: 파워미터, 빔 프로파일러, 스펙트럼 분석기": 부품이 제대로 일하는지 재는 장비를 봅니다.