광섬유는 빛을 먼 곳으로 실어 나르는 가는 유리 가닥입니다. 빛을 나르던 그 가닥에 빛을 키우는 일까지 맡긴 레이저가 광섬유 레이저(fiber laser)입니다. 제조사 Newport(MKS)의 정의로는 "광섬유 자체가 이득 매질(gain medium)인 레이저"입니다.
레이저에는 세 가지가 있어야 합니다. 빛을 키우는 이득 매질, 에너지를 넣는 펌핑(pumping), 빛을 되먹이는 공진기(optical resonator)입니다. 가는 유리 가닥 하나에서 이 셋은 각각 어디에 있을까요?
세 부분을 찾고 나면 유리에 섞는 원소 이터븀(ytterbium, Yb)과 그 파장(wavelength) 차례입니다. 파장 숫자는 자료마다 조금씩 다르고, 광섬유 레이저의 장점으로 꼽히는 말에는 조건이 붙어 있습니다.
광섬유 레이저의 생김새
광섬유는 본래 빛을 멀리 보내는 데 쓰는 물건입니다. 노벨재단의 2009년 물리학상 보도 자료에 따르면 1966년 찰스 카오(Charles K. Kao)는 광섬유 기술의 돌파구로 이어진 발견을 했습니다. 유리 광섬유로 빛을 먼 거리까지 보내는 방법을 꼼꼼히 계산한 것입니다.
광섬유 레이저의 이득 매질은 대부분의 경우 희토류(rare earth) 이온을 넣은 광섬유입니다. 희토류를 넣으면 광섬유는 빛을 전송만 하던 매질에서 이득이 있는 활성 매질로 바뀝니다. Coherent 사이트에 올라와 있는 2013년 Photonics Media 웨비나 슬라이드가 예로 든 연속파(continuous-wave, CW) 광섬유 레이저와 펄스(pulsed) 광섬유 레이저도 모두 희토류를 넣은 광섬유를 이득 매질로 씁니다.
아래 도표는 가장 단순한 모양입니다. 펌프용 레이저 다이오드(laser diode)의 빛이 광섬유로 들어갑니다. 이득 매질인 첨가 광섬유 안쪽 양 끝에는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG)가 하나씩 있고, 빛은 한쪽 끝으로 나옵니다. 실제 장치에는 부품이 더 있고 도표는 축척이 맞지 않습니다.
광섬유 레이저의 역사는 1961년으로 거슬러 올라갑니다. IEEE 마일스톤 기록에 따르면 엘리아스 스니처(Elias Snitzer)와 동료들이 매사추세츠주 사우스브리지의 옛 아메리칸 옵티컬 단지에서 세계 최초의 광섬유 레이저를 만들어 동작시켰습니다. 3년 뒤 같은 팀은 최초의 광섬유 증폭기(optical fiber amplifier)를 보였습니다.
세 부분은 어디에 있나: 이득 매질, 펌핑, 공진기
레이저의 세 부분을 광섬유 레이저에서 찾으면 다음과 같습니다.
| 부분 | 하는 일 | 광섬유 레이저에서 |
|---|---|---|
| ① 이득 매질 | 지나가는 빛을 키운다 | 희토류 이온을 넣은 광섬유 ("대부분의 경우") |
| ② 펌핑 | 바깥에서 에너지를 넣어 원자를 위 준위로 올린다 | 레이저 다이오드나 다른 광섬유 레이저의 빛으로 넣는 광 펌핑 ("거의 모든" 광섬유 레이저) |
| ③ 공진기 | 빛을 되돌려 이득 매질을 여러 번 지나게 한다 | 광섬유 브래그 격자로 이루는 설계 (높은 출력에서 선호) |
이득 매질에서는 유리에 섞어 넣은 이온이, 위 준위로 올라갔다가 빛을 내놓는 원자에 해당합니다. 펌핑은 펌프 빛을 광섬유에 넣는 일입니다. 거의 모든 광섬유 레이저는 레이저 다이오드나 다른 광섬유 레이저로 광 펌핑(optical pumping)합니다.
펌프 빛이 어디로 지나는지 알려면 광섬유의 단면을 봐야 합니다. 일반적인 광섬유 설계에서 가운데의 코어(core)와 그 둘레의 클래드(cladding)는 둘 다 유리입니다. 코어는 빛과 신호를 나르고, 클래드는 광섬유의 광학적 특성을 정하는 일을 거듭니다.
레이저 다이오드 가운데에는 빛의 공간 모드(spatial mode) 품질이 낮은 것이 있습니다. 그런 다이오드의 빛도 광섬유에 효율적으로 넣으려고 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber)를 자주 씁니다. 이름대로 클래드가 안쪽과 바깥쪽 두 겹입니다. 레이저 빛은 코어를, 펌프 빛은 안쪽 클래드를 지납니다.
공진기 자리에는 첫 도표에서 본 광섬유 브래그 격자가 있습니다. 광섬유 밖 공기 중에 놓는 광학 부품을 자유 공간 광학(free-space optics)이라고 합니다. Coherent 사이트의 슬라이드는 광섬유 레이저가 동작하는 높은 출력에서 공진기 안에 이런 부품을 쓰는 것이 믿을 만하지 못했다고 보고, 그래서 광섬유 브래그 격자로 공진기를 이루는 일체형(monolithic) 설계가 이제 선호된다고 적었습니다.
두 격자는 고반사(high reflector)와 출력 쪽(output coupler)이라고 부릅니다. 격자가 이중 클래드 광섬유의 코어에 있으면 펌프 빛은 격자의 영향을 받지 않고 광섬유를 따라 그대로 지나갑니다.
유리에 섞는 원소: 이터븀을 예로
광섬유에 넣는 희토류 원소가 이터븀 하나만은 아닙니다. Newport는 가장 흔한 첨가 이온으로 이터븀, 어븀(erbium, Er), 툴륨(thulium, Tm)을 꼽습니다. 자료에 따라 네오디뮴, 프라세오디뮴, 홀뮴도 목록에 오릅니다.
그 가운데 이터븀을 예로 고른 데에는 까닭이 있습니다. 2010년 리뷰 논문(Richardson, Nilsson, Clarkson)의 초록은 이터븀 첨가 광섬유(ytterbium-doped fiber, YDF)를 쓰는 레이저를 당시 "광섬유 이득 매질 가운데 첫째로 고르는 것"이자 고출력 성능에서 단연 가장 발전한 것이라고 씁니다. 뉴멕시코대 강의 슬라이드도 고출력 광섬유 레이저를 주로 이터븀 실리카 광섬유 레이저로 소개합니다.
이터븀 광섬유 레이저의 파장을 찾아보면 자료마다 숫자가 조금씩 다릅니다. 펌프 빛의 값도 있고 레이저 빛의 값도 있으며, 무엇을 두고 한 말인지도 자료마다 다릅니다.
| 자료 | 어떤 빛 | 적은 값 | 무엇을 말하는 값인가 |
|---|---|---|---|
| 뉴멕시코대 강의 슬라이드 | 펌프 빛 | 940~980 nm | 고출력 광섬유 레이저 슬라이드에 적힌 다이오드 펌핑 파장 |
| RP Photonics 백과 | 펌프 빛 | 975 nm | 이터븀 예에서 든 펌프 빛 |
| 뉴멕시코대 강의 슬라이드 | 레이저 빛 | 1020~1050 nm | 같은 슬라이드에 적힌 이터븀 실리카 광섬유 레이저의 출력 파장 |
| Newport 표 | 레이저 빛 | 1030 nm | 이터븀 유리(Yb-glass) 광섬유의 공칭값(표시값) |
| IPG Photonics | 레이저 빛 | 1007~1070 nm | 자사 고출력 연속파(CW) 제품군의 파장 요약 |
| Coherent 사이트의 웨비나 슬라이드 | 레이저 빛 | 1030~1100 nm | 이터븀 첨가 광섬유에서 발진·증폭이 일어나는 범위 |
표에서 펌프 빛의 값은 어느 것이나 레이저 빛의 값보다 짧습니다. Coherent 사이트의 슬라이드에 따르면 1030~1100 nm 범위 안의 어느 파장에서 발진·증폭이 일어나는지는 반전(inversion), 곧 에너지가 높은 이온 대 낮은 이온의 비에 따라 달라집니다.
어븀은 이터븀과 파장대가 다릅니다. Newport 표에서 어븀 유리 광섬유는 1530~1560 nm입니다.
다른 레이저와 무엇이 다른가
광섬유 레이저를 따로 떼어 보게 하는 것은 이득 매질의 모양입니다. 가늘고 긴 광섬유는 빛을 좁게 가둔 채 긴 거리를 이끕니다. 이 독특한 성질 때문에 광섬유 레이저는 덩어리(bulk) 고체 레이저와 보통 따로 다룹니다.
이 모양은 열과도 이어집니다. 레이저의 출력을 높이려 할 때 골칫거리가 열이기 때문입니다. 같은 양의 반죽도 둥글게 뭉치면 속이 오래 뜨겁고, 길게 늘이면 겉면이 넓어져 빨리 식습니다. 레이저에서 열의 해법으로 꼽히는 것도 표면적 대 부피 비를 키우는 일이고, 광섬유와 디스크가 그 예입니다.
반죽에서 빌려 온 것은 겉면이 넓을수록 열을 내보내기 쉽다는 생각 하나입니다. 실제 광섬유에서는 열이 코어에서 생기는데, 그 열이 어떻게 흘러 나가는지까지 이 비유가 보여 주지는 않습니다.
2010년 리뷰 논문의 초록은 고출력 분야에서 거둔 성공이 주로 광섬유의 기하(geometry), 곧 가늘고 긴 모양 덕분이라고 봅니다. 이 기하 덕분에 다이오드 펌프 빛을 레이저 출력으로 효율적으로 바꾸기 쉽고, 코어에서 생기는 열의 영향에도 "상당한 내성"이 생긴다는 것입니다. 내성이 생긴다는 말이지, 열 문제가 없다는 말은 아닙니다.
초록은 그때까지 10년의 변화도 돌아봅니다. 희토류 첨가 광섬유 광원의 출력이 극적으로 늘었고, 그것은 클래드 펌핑(cladding-pumped) 광섬유 구조를 써서 이룬 일이라는 것입니다. 이 구조를 쓴 장치들을 두고는 출력, 빔 품질(beam quality, M²), 전체 효율, 동작 파장의 유연성에서 뛰어난 성능을 낸다고 평가했습니다.
작고 튼튼하게 만들 수 있다는 점도 꼽히지만 조건이 붙습니다. 공진기 전체를 광섬유 부품만으로 만든 경우(all-fiber)의 이야기입니다. 높은 출력과 높은 빔 품질을 함께 낸다는 특징도 늘 그렇다는 것이 아니라 자주 그렇다는 것입니다.
어디에 쓰이나
산업 현장에서 광섬유 레이저는 강철을 자르고 용접합니다. IEEE 마일스톤 기록은 그런 광섬유 레이저가 이후 강력한 산업 도구가 되었다고 적었습니다. 가공 일은 절단과 용접에서 끝나지 않습니다. 제조사 IPG Photonics가 자사 광섬유 레이저와 시스템의 분야로 소개하는 것에는 세정과 가열·건조도 있습니다.
가공 밖의 쓰임새도 있습니다. Newport의 레이저 종류 표는 이터븀 유리 광섬유의 쓰임새로 재료 가공과 함께 초단펄스 연구와 라이다(LIDAR)를 적었습니다. 업체의 공식 홈페이지는 제조 업체 페이지에서 볼 수 있습니다.
다음에 읽을 글
- "광섬유는 어떻게 빛을 가두나: 코어와 클래드": 코어와 클래드가 빛을 어떻게 안내하는지를 봅니다.
- "광섬유 레이저는 왜 널리 쓰이게 됐나: 실험실에서 공장까지": 자료들이 광섬유 레이저의 장점으로 꼽는 효율, 열, 빔 품질을 조건과 함께 다른 레이저와 견줍니다.