카메라 셔터는 누군가 단추를 눌러야 열립니다. 레이저 안의 빠른 스위치도 보통은 전기 신호를 받아 움직입니다. 그런데 신호 없이, 지나가는 빛의 세기(intensity)만 보고 스스로 열리는 문이 있습니다.

약한 빛은 많이 흡수(absorption)하고 센 빛은 덜 흡수하는 물질, 포화 흡수체(saturable absorber)가 그 문입니다. 이 성질 하나로 펄스 레이저(pulsed laser)는 바깥 신호 없이 짧고 센 펄스를 만들 수 있습니다.

흡수체를 재는 값과 두 종류의 흡수체, 레이저 안에서 하는 두 가지 일을 먼저 봅니다. 그다음 1966년의 염료 흡수체에서 1992년의 반도체 거울까지 25년 넘게 걸린 길과, 새 재료가 아직 풀지 못한 숙제를 차례로 짚습니다.

약한 빛은 삼키고 센 빛은 내보낸다

포화 흡수체는 빛의 세기와 펄스 플루언스(fluence)가 커질수록 빛을 덜 흡수하는 물질입니다. 펄스 플루언스는 레이저 빔이 닿는 넓이에 실린 펄스 에너지(pulse energy)를 뜻합니다. 빛이 충분히 세서 포화 흡수가 모두 사라진 상태를 탈색(bleaching)이라고 부릅니다.

포화 흡수 자체는 드문 성질이 아닙니다. 대부분의 물질이 어느 정도 보이지만, 흔히 아주 높은 플루언스에서만 나타납니다. 레이저에 쓰려면 레이저 공진기(optical resonator) 안의 보통 세기에서 이 효과를 보여야 하고, 뒤에서 볼 Q-스위칭(Q-switching) 불안정을 일으키지 않아야 합니다.

제목에 쓴 셔터는 비유일 뿐입니다. 실제 흡수체는 딱 열리고 닫히는 문이 아니라, 빛이 셀수록 흡수가 서서히 줄어드는 물질입니다. 다 열린 뒤에도 손실이 조금 남는다는 점도 셔터와 다릅니다.

흡수체를 재는 네 가지 값

흡수체를 고를 때 먼저 정해지는 조건은 파장 범위입니다. 어느 파장의 빛을 흡수하느냐가 맞아야 그 레이저에 쓸 수 있습니다. 그 안에서 흡수체의 성격은 네 가지 값으로 그릴 수 있습니다.

첫째는 포화 플루언스, 곧 흡수가 눈에 띄게 줄기 시작하는 플루언스입니다. 둘째는 회복 시간으로, 탈색된 흡수체가 다시 흡수하는 상태로 돌아오는 빠르기입니다. 흡수체를 거울에 붙여 쓰면 나머지 둘은 반사율 곡선에서 읽습니다. 흡수체가 포화할수록 거울의 반사율이 오르는데, 아주 약한 빛일 때의 반사율과 흡수가 모두 탈색됐을 때의 반사율 사이의 차이가 셋째 값인 변조 깊이입니다.

포화 흡수 거울의 개념 곡선. 가로축은 들어오는 펄스 플루언스(로그 눈금), 세로축은 반사율이다. 약한 빛에서는 반사율이 낮게 머물고, 포화 플루언스 근처에서 S자로 오른 뒤, 센 빛에서는 100% 선보다 조금 아래에서 평평해진다. 오른 폭에 변조 깊이, 100%까지 남은 틈에 포화되지 않는 손실이라고 적혀 있다. 왼쪽 아래 상자에는 약한 빛은 더 흡수된다, 오른쪽 위 상자에는 센 빛에서는 흡수체가 탈색된다고 적혀 있다. 값은 없다
포화 흡수 거울의 반사율 곡선. 빛이 세질수록 흡수가 줄어 반사율이 오르고, 오른 폭이 변조 깊이, 끝까지 남는 손실이 포화되지 않는 손실입니다. 값이 없는 개념도입니다 (도표)(도표)

넷째는 포화되지 않는 손실입니다. 흡수체를 다 탈색시켜도 100%에 못 미치고 남는 손실로, 될 수 있는 대로 작게 해야 합니다. 이 값들은 원리적으로 흡수체 안의 미시적 성질을 몰라도 실험으로 잴 수 있습니다. 그래서 재료가 무엇이든 같은 잣대로 견줄 수 있습니다.

느린 흡수체와 빠른 흡수체

회복 시간과 펄스의 길이를 견주면 흡수체를 두 갈래로 나눌 수 있습니다. 느린 흡수체는 펄스가 지나는 동안 흡수체가 회복하는 것을 무시할 수 있는 경우입니다. 펄스의 앞부분이 문을 열면, 그 펄스가 다 지나갈 때까지 문이 다시 닫히지 않습니다.

빠른 흡수체는 흡수가 그 순간 들어오는 빛의 출력을 곧바로 따라갑니다. 펄스 꼭대기에서는 덜 흡수하고, 세기가 떨어지는 꼬리에서는 다시 많이 흡수합니다. 문이 펄스의 모양을 따라 열렸다 닫히는 셈입니다.

실제 재료는 두 성격을 함께 지니기도 합니다. 반도체 흡수체에서는 빛에 들뜬 전하가 결함을 어떻게 설계했느냐에 따라 몇 ps에서 몇 ns 사이에 재결합과 포획으로 사라집니다. 100 fs 수준의 펄스에서는 회복 시간을 둘 이상 생각해야 하고, 그 가운데 느린 성분이 처음 펄스가 생기는 것을 보통 돕습니다.

스스로 여는 Q-스위치

Q-스위칭은 공진기의 손실을 높여 에너지를 모아 두었다가 손실을 갑자기 낮춰 짧고 센 펄스를 내보내는 방법입니다. 손실을 바꾸는 문을 전기 신호로 여닫으면 능동 Q-스위칭입니다. 이때는 스위치가 열리는 빠르기가 결국 펄스 폭(pulse duration)을 제한하고, 충분히 빠른 것은 전기광학 스위치와 음향광학 스위치뿐입니다.

수동 Q-스위칭에서는 포화 흡수체가 그 문을 맡습니다. 펄스가 손실 변조를 스스로 만들기 때문에, 포화 흡수체로는 이런 능동 스위치보다 더 빠른 스위치를 만들 수 있습니다. 한 주기는 네 단계로 나눠 볼 수 있습니다.

수동 Q-스위칭 한 주기를 한 시간 축 위 세 줄로 그린 도표. 윗줄 이득은 펌핑하는 동안 천천히 오르다 펄스 때 빠르게 떨어진다. 가운데 줄 흡수체 손실은 높게 머물다 흡수체가 탈색되면 거의 0으로 떨어지고 펄스 뒤 다시 회복한다. 아랫줄 출력은 작은 잡음이 천천히 자라다 짧고 센 펄스 하나가 나온다. 아래에 네 단계가 적혀 있다: 1 흡수체가 탈색되지 않았고 이득이 쌓이며 잡음이 천천히 자람, 2 흡수체가 탈색되어 출력이 빠르게 자람, 3 이득이 다 쓰여 펄스가 줄어듦, 4 흡수체가 회복하고 이득을 다시 펌핑함. 값은 없다
수동 Q-스위칭의 한 주기. 이득이 쌓이는 동안 흡수체가 문을 닫고 있다가, 빛이 흡수체를 탈색시키는 순간 펄스가 터져 나옵니다. 값이 없는 개념도입니다 (도표)(도표)

처음에는 흡수체가 탈색되지 않아 손실이 큽니다. 펌프가 이득을 손실만큼 끌어올리면, 공진기 안의 빛은 자연 방출 잡음에서 천천히 자라다 흡수체를 탈색시킬 만큼 세집니다. 흡수체가 완전히 탈색되면 출력이 훨씬 빨리 자라고, 이득이 손실과 같아질 때 펄스가 가장 셉니다.

이득이 더 줄면 펄스가 사그라들고, 그 뒤 흡수체가 회복하는 동안 이득을 다시 문턱까지 펌핑해야 다음 주기가 시작됩니다. 이 마지막 단계는 흡수체의 회복 시간보다 훨씬 오래 걸립니다.

수동 Q-스위칭은 들뜬 레이저 준위의 수명이 긴 레이저, 예를 들어 고체 레이저에서 훨씬 쉽게 일어납니다. Keller의 교과서가 소개한 가장 짧은 Q-스위칭 펄스는 아주 짧은 공진기에 반도체 포화 흡수 거울을 붙인 Nd:YVO₄ 마이크로칩 레이저에서 나왔습니다. 결정 두께 185 µm에서 37 ps 펄스, 펄스 에너지 53 nJ였습니다.

흡수체가 꼭 반도체여야 하는 것은 아닙니다. Cr⁴⁺:YAG 결정 흡수체로는 훨씬 높은 펄스 에너지를 얻었습니다. 다만 Cr⁴⁺:YAG 같은 덩어리 흡수체는 쓸 수 있는 파장 영역이 정해져 있고, 반도체 흡수체는 흡수층의 띠틈을 레이저 파장에 맞출 수 있습니다.

잡음 하나가 펄스로 자라다: 수동 모드 잠금

모드 잠금(mode locking)은 공진기를 도는 빛을 아주 짧은 펄스 하나로 모으는 방법입니다. 수동 모드 잠금에서는 포화 흡수체가 공진기 안의 빛에 자기 진폭 변조(self-amplitude modulation, SAM)를 겁니다. 바깥에서 변조 신호를 넣을 필요가 없습니다.

짧은 펄스가 흡수체를 지나면, 꼭대기의 센 빛이 약한 가장자리보다 흡수체를 더 세게 포화시킵니다. 펄스 꼭대기는 손실을 덜 받고 가장자리는 더 받습니다. 펄스 밖에서 공진기를 도는 약한 빛은 이득보다 손실이 커서 이어지는 왕복 동안 사라집니다.

그러면 처음 펄스는 어디서 올까요. 이상적으로는 레이저의 보통 잡음 출렁임에서 옵니다. 잡음 가운데 하나가 흡수체의 손실을 크게 줄일 만큼 세면, 그 스파이크는 다음 왕복에서 더 많이 증폭되고 손실을 더 줄이며 자랍니다. 이렇게 자란 연속 모드 잠금 레이저는 공진기를 한 번 왕복할 때마다 펄스 하나를 냅니다.

수동 모드 잠금은 보통 전기 신호로 손실을 바꾸는 능동 모드 잠금보다 훨씬 짧은 펄스를 냅니다. 흡수체의 회복이 아주 빠를 수 있어서 손실도 그만큼 빠르게 바뀌기 때문입니다.

25년 동안 풀리지 않은 문제

수동 모드 잠금은 일찍 나왔습니다. 1960년 첫 레이저가 나오고 6년 뒤인 1966년, De Maria와 동료들이 염료 흡수체를 공진기에 넣어 섬광등으로 펌핑한 Nd:유리 레이저에서 피코초 펄스를 얻었습니다. 첫 수동 모드 잠금이었습니다.

레이저 속 포화 흡수체의 연표. 1960년 첫 레이저. 1966년 염료 흡수체로 첫 수동 모드 잠금, 그러나 펄스가 더 긴 Q-스위칭 덩어리 위에 얹혀 있었다. 1976년 이론이 안정된 모드 잠금은 이룰 수 없다고 예측. 1990년 흡수체가 보이지 않는 Ti:사파이어 레이저의 매직 모드 잠금, 뒤에 인공 흡수체인 커 렌즈 모드 잠금으로 설명됨. 1992년 첫 SESAM이 Nd:YLF 레이저를 3.3 ps 펄스로 안정되게, 스스로 시작해 모드 잠금, 거울 위의 흡수체. 오늘 나노튜브·그래핀 같은 새 재료. 아래에 Q-스위칭 불안정이 고체 레이저의 안정된 수동 모드 잠금을 25년 넘게 막았다고 적혀 있다. 해 사이 간격은 비례가 아니다
염료 흡수체에서 반도체 거울까지. 고체 레이저의 안정된 수동 모드 잠금은 25년 넘게 Q-스위칭 불안정에 막혀 있었습니다 (도표)(도표)

그런데 펄스열이 고르지 않았습니다. 피코초 펄스들이 훨씬 긴 Q-스위칭 펄스 덩어리 아래에 얹혀 있었고, 레이저가 일정한 간격으로 스스로 꺼지는 셈이었습니다. 이것을 Q-스위칭 모드 잠금이라고 부릅니다. 수동 모드 잠금 고체 레이저는 이 문제를 20년 넘게 안고 갔습니다.

이론도 낙관적이지 않았습니다. 초기 이론은 이런 자기 Q-스위칭 없이 고체 레이저를 연속으로 수동 모드 잠금하는 일이 어렵거나 불가능하다고 보았습니다. 1976년 Haus의 이론 모형은 "안정된 모드 잠금은 이룰 수 없다(stable modelocking is unachievable)"고 예측했습니다.

그 사이 앞자리는 염료 레이저가 지켰습니다. 수동 모드 잠금 염료 레이저는 중심 파장 620 nm에서 27 fs 펄스까지 냈습니다. 하지만 염료 액체는 짧은 시간 안에 화학 조성이 바뀌어 비선형 성질이 빨리 나빠졌고, 그래서 주로 연구실에서 쓰였습니다.

1980년대에 다이오드로 펌핑하는 고체 레이저가 다시 주목받았지만 흡수체가 따라오지 못했습니다. 쓸 수 있던 흡수체는 공진기 안의 센 빛에 망가지거나 손실이 너무 컸습니다. 이 분야 전문가들은 고체 레이저를 수동 모드 잠금할 수 없다고 여겼고, 능동 모드 잠금을 썼습니다.

흡수하지 않는 흡수체: 커 렌즈 모드 잠금

돌파구 하나는 뜻밖의 곳에서 나왔습니다. 1990년 Sibbett 연구진이 Ti:사파이어 레이저에서 짧은 펄스를 얻었는데, 공진기 안에 포화 흡수체가 보이지 않아 처음에는 "매직 모드 잠금"이라고 불렸습니다. Ti:사파이어는 이득 대역이 넓어 10 fs보다 짧은 펄스를 받칠 수 있는 재료입니다.

이 연구진은 우연히 새로운 빠른 포화 흡수체를 찾은 것이었습니다. 빛이 세지면 결정의 굴절률이 커지는 커 효과(Kerr effect) 때문에 빔이 지나는 물질이 렌즈처럼 작동합니다. 공진기를 이 커 렌즈가 센 빛의 모드 넓이를 조리개 자리에서 줄이도록 설계하면, 센 빛은 덜 잃고 약한 빛은 더 잃는 빠른 흡수체가 됩니다. 이것이 지금 커 렌즈 모드 잠금(Kerr lens mode locking, KLM)이라 부르는 방법입니다.

커 효과만으로는 흡수가 일어나지 않아서 이런 흡수체를 "인공" 흡수체라고 부릅니다. 반응 시간은 어림으로 1 fs 수준이라 빠른 흡수체의 조건을 채웁니다. KLM Ti:사파이어 레이저는 평균 출력 약 300 mW에서 5.8 fs 펄스까지 냈습니다.

한계도 뚜렷했습니다. KLM은 보통 스스로 시작하지 않고, 부품 위치의 허용 오차가 아주 작은 까다로운 공진기 설계가 필요합니다. 산업에서 중요한 피코초 펄스에는 효과가 아주 약합니다. 그래서 고체 레이저에 쓸 다른 흡수체를 찾는 일이 계속됐습니다.

거울에 심은 반도체: SESAM

1992년, 반도체 포화 흡수 거울(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)이 나왔습니다. 첫 논문은 AT&T 벨 연구소의 U. Keller 등이 Optics Letters 1992년 17권에 실었습니다. 공진기 안에 넣어도 손실이 적은 반도체 흡수체로 연속파 펌핑 Nd:YLF 레이저의 안정된 모드 잠금을 시작하고 유지했고, 초록에 적힌 결과는 펄스 폭 3.3 ps, 반복률(repetition rate) 220 MHz, 평균 출력 700 mW였습니다.

반도체가 맞았던 까닭은 흡수의 크기에 있습니다. 반도체가 빛을 흡수하는 단면적은 염료보다 약 100배 크고, 그만큼 흡수체를 포화시키는 데 드는 에너지가 낮습니다. 포화 에너지가 낮으면 고체 레이저를 안정되게 모드 잠금하는 데 크게 유리합니다.

거울과 한 몸으로 만들 수 있다는 점도 컸습니다. 반도체 결정을 층층이 키우는 에피택시 성장으로 흡수층을 반사율이 높은 거울 구조 안이나 위에 웨이퍼 단위로 만들 수 있고, 이 거울을 공진기 한쪽 끝 거울로 씁니다. 재료와 구조를 바꿔 작동 파장, 변조 깊이, 포화 플루언스, 회복 시간을 넓은 범위에서 맞춰 설계할 수 있고, 같은 소자로 수동 Q-스위칭과 모드 잠금을 모두 할 수 있습니다.

표준 반도체 재료로 기를 수 있는 SESAM은 800 nm에서 1.5 µm의 적외선을 덮습니다. 이 소자를 연구해 온 ETH 취리히의 초고속 레이저 물리 연구실은 2~2.4 µm에서 쓰는 GaSb 바탕 SESAM 연구도 공개하고 있습니다.

SESAM 이후의 변화는 교과서 지은이의 말로 남아 있습니다. Keller는 자신의 교과서에서 SESAM이 다이오드 펌핑 고체 레이저를 안정되게 수동 모드 잠금하는 25년 된 과제를 풀었고, 초고속 레이저가 복잡한 실험 장치에서 산업용의 믿을 만한 턴키 장치로 옮겨 가게 했다고 적었습니다. 같은 책은 오늘날 상용 초고속 레이저의 대부분, 어쩌면 전부가 SESAM 기술을 쓰고, 이 방식이 광섬유 레이저(fiber laser)와 광펌핑 반도체 레이저로도 퍼졌다고 봅니다.

이런 레이저가 쓰이는 곳으로 교과서는 정밀 재료 가공, 다광자 영상, 시력 교정 수술의 조직 절제, 정밀 측정을 꼽습니다. 공장의 초단 펄스 가공은 「초단 펄스 레이저 가공: 열이 덜 남는 이유」에서 따로 다뤘습니다.

새 재료와 남은 숙제

새 포화 흡수 재료를 찾는 연구는 지금도 이어집니다. 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT)와 그래핀이 특히 관심을 받습니다. 그러나 지금까지 다른 재료는 SESAM만큼의 작동 값을 내지 못했고, 대부분 포화되지 않는 손실이 크거나, 포화 플루언스가 높거나, 손상 문턱이 낮은 문제를 안고 있습니다.

Keller 연구진이 거울에 붙인 단일벽 탄소 나노튜브 흡수체는 회복 시간이 600 fs로 빨랐습니다. 하지만 변조 깊이 0.5%에 산란으로 생긴 포화되지 않는 손실이 1.1%나 되어 초고속 고체 레이저에는 너무 컸습니다. 거울에 그래핀 한 층을 올린 시험에서는 손상 문턱이 소자의 포화 플루언스를 한 번도 넘지 못했습니다. 다 포화시키기 전에 망가질 수 있다는 뜻입니다.

레이저 종류에 따라 이 숙제의 무게는 다릅니다. 초고속 광섬유 레이저는 출력으로 내보내는 빛의 비율이 훨씬 커서 포화되지 않는 손실이 커도 덜 민감합니다. 광섬유 레이저보다 이득이 훨씬 작은 다이오드 펌핑 고체 레이저에서는 같은 손실도 부담이 큽니다. 흡수체는 결국 그 흡수체를 넣을 레이저와 짝을 맞춰야 하는 부품입니다.

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