NonLinear Crystals(비선형 크리스탈)
비선형 크리스탈이란?
비선형 크리스탈은 빛과 상호 작용하여 주파수(색상), 위상, 편광 및 기타 속성을 변화시키는 특수 물질입니다. 이 효과의 정도는 입력광의 세기에 달려 있습니다. 이는 빛과 재료의 상호작용이 빛의 세기에 따라 달라지지 않는 기존 광학 장치와는 다릅니다.
비선형 크리스탈은 광학 분야에서 중요한 역할을 하는 특수 재료로서 이를 이용해 기존 광학 재료로는 불가능한 방식으로 빛을 조작할 수 있습니다. 이러한 크리스탈은 빛의 주파수, 위상, 편광과 같은 빛의 속성이 크리스탈을 통과하는 빛의 세기에 따라 변할 수 있다는 점에서 '선형' 크리스탈과 다릅니다.
비선형 크리스탈은 다양한 고급 광학 기술과 응용 분야에서 기본이 되는 재료입니다. 레이저 주파수 변환부터 광 통신 시스템에 이르기까지 다양합니다.
비선형 크리스탈에 대한 자세한 설명에는 고급 수학을 사용해야 합니다. 대신에, 이 개요에서는 기본 원리와 주요 응용에 대한 비수학적 내용을 소개하고 가장 일반적으로 사용되는 비선형 크리스탈 재료의 설명에 중점을 둡니다.
비선형 광학 효과란?
재료(고체, 액체 또는 기체)와 빛 사이의 대다수 상호작용은 선형입니다. 즉, 재료가 빛에 미치는 효과의 크기가 빛의 세기에 따라 변하지 않습니다. 따라서 굴절, 반사, 투과, 흡수 및 회절과 같은 빛/재료 상호작용은 일반적으로 세기에 따라 변하지 않습니다.
예를 들어, 굴절에 기반한 렌즈의 초점 거리는 빛이 밝아져도 변하지 않습니다. 거울이 빛을 반사하는 각도는 세기에 따라 달라지지 않습니다.
비선형 광학 효과는 반대가 됩니다. 이 경우에 빛의 세기는 재료가 빛과 상호 작용하는 방법에 영향을 미칩니다. 이 과정을 원치 않는 경우도 있지만, 선형 조건으로 달성할 수 없는 결과를 얻기 위해 활용할 수도 있습니다.
가장 유용한 비선형 효과는 주파수를 바꾸거나, 증폭하거나, 빛의 위상 및/또는 편광을 변경하는 효과입니다. 상당한 비선형 효과를 얻기 위해 필요한 빛의 세기 수준은 비교적 높습니다. 따라서, 대부분의 일반적인 광원에서 이런 효과는 사실상 무시할 수 있는 수준입니다. 그러나 레이저는 필요한 세기 수준에 쉽게 도달할 수 있으므로, 비선형 효과는 비교적 흔하게 발생합니다. 개별적으로 살펴볼 가치가 있는 현상입니다.
Frequency Multiplication(주파수 체배)
거의 모든 고출력 산업용 고체 레이저와 파이버 레이저는 파장이 약 1µm인 근적외선을 방출합니다. 그러나 많은 재료 가공 응용 분야에서는 더 짧은 파장에서 작업하는 것이 유리합니다. 이는 처리 중인 재료, 특히 적외선에서 반사율이 높은 금속의 흡수율에 더 알맞게 만들기 위한 것일 수 있습니다. 또한 더 짧은 파장을 더 작은 스폿으로 집중시킬 수 있습니다. 이를 통해 더 작은 형상을 만들 수 있습니다.
주파수 변환 또는 체배는 이렇게 다양한 적외선 레이저에서 더 짧은 파장 출력을 얻기 위해 널리 사용되는 방법입니다. 예컨대, Nd:YVO₄ 레이저의 1064nm 출력은 주파수를 두 배로 늘려 532nm(녹색) 또는 세 배로 늘려 355nm(자외선)로 만들 수 있습니다. Coherent AVIA LX, AVIA NX, MATRIX 355 레이저에서 바로 이런 방식으로 출력 파장을 확보합니다. 고체 레이저의 주파수를 266nm(자외선에 더 깊이)로 4배로 만드는 것도 가능합니다. 이에 대한 예로는 Coherent HyperRapid NXT와 Azure NX가 있습니다.
작동 원리는 어떻게 될까요? 주파수 2배 또는 2차 고조파 생성(SHG)은 비선형 크리스탈이 통과하는 광선을 정확히 원래 주파수의 2배(또는 파장의 절반)로 변환할 때 발생합니다. 이는 크리스탈의 비선형적 특성으로 인해 광선의 광자(빛 입자)가 쌍으로 결합되어 에너지가 2배인 단일 광자로 변환되기 때문에 발생합니다. 결과적으로 빛의 색상은 2배가 된 주파수에 해당하는 색상으로 변경됩니다.
주파수 3배는 주파수 2배의 효과와 빛의 원래 주파수를 3배로 늘리는 추가 과정이 결합하여 개념을 한 단계 더 발전시킵니다. 이 과정은 일반적으로 두 단계로 진행됩니다. 첫째, 빛의 주파수가 두 배로 된 다음, 2배로 늘어난 빛을 같은 또는 다른 비선형 크리스탈 내에서 더 많은 원래 빛과 혼합합니다. 이러한 상호 작용으로 원래 빛의 에너지(주파수)보다 3배 큰 빛을 생성합니다.
이 과정이 성공적으로 이루어지려면 여러 가지 조건이 반드시 충족되어야 합니다. 첫째, 물론 재료 자체가 들어오는 빛과 비선형 상호 작용을 지원하는 데 필요한 능력을 가지고 있어야 합니다. 둘째, 입력 레이저 광이 충분한 세기를 가져야 합니다. 세기가 클수록 비선형 효과가 더 효율적으로 작동합니다.
주파수 체배를 위한 또 다른 중요한 조건은 ‘위상 정합’입니다. 비선형 크리스탈 내의 분산으로 인해 더 긴 파장의 입력 광과 생성된 고조파 광이 서로 다른 속도로 전파되기 때문에 이러한 요구가 발생합니다. 이 속도 불일치는 둘 사이에 파괴적인 간섭을 일으켜 고조파 생성의 효율을 저하시킬 수 있습니다.
위상 정합은 분산으로 인한 문제를 극복합니다. 기본파와 고조파의 위상을 정렬하여 동일한 유효 속도로 전파되도록 하여, 크리스탈 전체에 보강 간섭을 유지합니다. 이 정렬을 통해 기본파에서 고조파로 에너지 변환이 최대화됩니다.
온도 제어는 일부 비선형 크리스탈에도 유용합니다. 이는 온도가 크리스탈 굴절률에 영향을 미치고, 이는 다시 위상 정합 조건에 영향을 미치기 때문입니다. Coherent 등 많은 제조업체가 바로 이런 이유로 고조파 크리스탈 오븐에 통합된 제품을 만들고 있습니다.
Sum Frequency Generation and Difference Frequency Generation(합계 주파수 생성 및 차등 주파수 생성)
합계 주파수 생성(SFG)과 차등 주파수 생성(DFG)은 레이저 광의 파장을 변경할 수 있는 두 가지 다른 비선형 프로세스입니다. 이러한 경우 두 개의 입력 광파가 결합되어 원래 빔과 다른 주파수를 갖는 세 번째 광파를 생성합니다. SFG의 주요 작동 원리는 새로운 광파의 주파수가 두 입력 주파수의 합이라는 것입니다. 반대로 DFG에서 새로운 광파 주파수는 두 입력 주파수의 차이입니다.
광 파라메트릭 증폭기(OPA)는 신호가 흡수되어 매질에 의해 재방출될 필요 없이 레이저 빔을 증폭하는 데 사용되는 DFG의 특별한 전형입니다. OPA에서 두 개의 광 빔이 비선형 크리스탈로 들어갑니다. 하나는 더 높은 주파수, 높은 세기의 '펌프 빔'이고 다른 하나는 더 낮은 주파수, 낮은 전력의 '신호 빔'(증폭될 빔)입니다. 비선형 크리스탈의 속성으로 인해 펌프 빔의 에너지를 신호 빔으로 전달할 수 있습니다. 이 프로세스를 파라메트릭 하향 변환이라고 합니다.
![sfg-dfg-opa-schematic.jpg sfg-dfg-opa-schematic.jpg](/content/dam/coherent/site/en/images/diagrams/glossary/sfg-dfg-opa-schematic.jpg)
SFG, DFG 및 OPA의 개략도와 각각의 입력 및 출력 광 주파수 간의 관계.
OPA는 기존 증폭기에 비해 많은 이점을 제공합니다. 낮은 노이즈, 일반적으로 더 좋은 빔 품질, 펄스 형성 기능, 매우 높은 피크 전력을 처리하는 기능, 초단파 펄스로 작업하는 기능 등의 이점이 있습니다.
증폭된 신호 빔 외에도 OPA는 '아이들러 빔'도 출력합니다. 이것은 DFG에서 생성된 빔이므로 주파수는 펌프 빔 주파수와 신호 빔 주파수의 차이입니다.
이 관계로 인해 파장 조정 가능성도 지원합니다. 즉, 신호 빔을 증폭하고 주파수를 선택할 수 있습니다. 그런 다음 DFG 조건을 충족하기 위해 아이들러 빔 주파수도 변경해야 합니다.
이것은 매우 광범위한 조정 가능성을 가진 레이저 시스템을 만들어 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Coherent OPerA Solo는 정확히 구성 방식에 따라 240nm에서 20µm의 엄청난 스펙트럼 범위를 조정할 수 있습니다.
![레이저 게인 크리스탈 바나듐산염](/content/dam/coherent/site/en/images/diagrams/glossary/opera-solo-tuning-range.jpg)
OPA는 Coherent OPerA Solo와 같이 엄청난 조정 범위를 제공합니다.
The Kerr Effect(Kerr 효과)
Kerr 효과는 비선형 광학 현상으로 재료의 굴절률이 통과하는 빛의 세기에 따라 변합니다. 빛이 강할수록 변화도 커집니다. Kerr 효과는 빛의 세기에 따라 실시간으로 빛을 변조할 수 있게 하며, 많은 응용 분야에서 사용됩니다.
예를 들어, Kerr 효과는 통신에 중요한 광 스위치 및 변조기에 사용됩니다. 광 스위치는 빛의 세기(및 따라서 재료의 굴절률)를 변경하여 광섬유 네트워크에서 빛의 방향을 제어하며, 전기 신호로 변환하지 않고도 고속으로 정보를 전달할 수 있습니다.
Kerr 효과의 또 다른 용도는 레이저 펄스를 형성하는 것입니다. 구체적으로, Kerr 효과를 이용하여 위상 변조를 생성하여 펄스의 시간 및 스펙트럼 특성을 모두 수정할 수 있습니다. 이는 레이저 펄스 지속 시간과 주파수를 정밀하게 제어해야 하는 응용 분야에서 필수적입니다. 응용 분야는 특정 유형의 현미경에서 재료 처리에 이르기까지 다양합니다.
Kerr 효과는 또한 광 솔리톤의 형성을 용이하게 합니다. 광 솔리톤은 분산되지 않고 장거리에서 형상을 유지하는 광 펄스입니다. 이러한 특성은 솔리톤이 최소한의 손실이나 왜곡으로 광대한 거리에 정보를 전달할 수 있기 때문에 장거리 광통신에 특히 유용합니다.
Important Nonlinear Crystals(중요한 비선형 크리스탈)
현재 다양한 비선형 크리스탈이 사용되고 있습니다. 각각은 특정 응용 분야(SHG 또는 OPA 등) 또는 특정 작동 조건에 주로 사용되는 경향이 있습니다. 그러나 일반적으로 가장 인기 있는 재료는 높은 비선형 광학 계수, 넓은 투명도 범위, 우수한 위상 정합 기능과 함께 다양한 실용적 특성(이용 가능한 크기, 전력 처리 기능, 비용 등)으로 구별됩니다. 가장 널리 사용되는 재료는 다음과 같습니다.
리튬 삼붕산염(LBO): LBO는 높은 손상 임계값과 넓은 투명도 범위로 알려져 있어, 고출력 주파수 배가 및 OPO 응용 분야에 적합합니다. 넓은 파장 범위에서 고체 및 기타 레이저 소스의 효율적인 SHG에 사용할 수 있습니다.
베타 바륨 붕산염(BBO): BBO는 넓은 투명도 범위(자외선에서 근적외선까지), 높은 손상 임계값 및 높은 비선형 광학 계수로 인해 선호됩니다. 자외선 영역을 포함한 광범위한 파장에 걸쳐 주파수 배가, 3배 및 기타 비선형 광학 프로세스에 널리 사용됩니다.
칼륨 티타닐 인산염(KTP): KTP는 종종 고체 레이저(1064nm)의 주파수를 배가하여 532nm에서 녹색 광을 생성하는 데 사용됩니다. 우수한 비선형 광학 특성과 비교적 높은 손상 임계값을 제공하며, OPO 응용 분야에서 효과적입니다. KTP는 또한 위상 정합 유연성으로도 중요합니다. 게다가 KTP는 주기적으로 분극될 수 있습니다. 즉, 전기 분극 방향에 주기적인 변화를 만듭니다. 주기적 분극으로 광 파라메트릭 변조(OPM) 및 더 효율적인 비선형 상호 작용이 가능합니다.
칼륨 이수소 인산염(KDP) 및 칼륨 이중수소 인산염(KD*P): 이러한 크리스탈은 높은 비선형 광학 계수와 넓은 투명도 범위, 특히 고출력 레이저의 주파수 배가와 변조에 사용됩니다. 또한 대형 크기로 성장하기 쉽기 때문에 대구경 크리스탈이 필요한 응용 분야에도 선택됩니다.
리튬 니오베이트(LiNbO₃): 강력한 전기 광학 효과로 유명한 리튬 니오베이트는 변조기와 근적외선의 주파수 배가에 광범위하게 사용됩니다. 넓은 투명도 범위를 가지며 고출력을 처리할 수 있지만, 비교적 낮은 비선형 광학 계수로 인해 효율적인 SHG를 위해 고강도 레이저가 필요합니다. LiNbO₃도 주기적으로 분극될 수 있습니다.
갈륨 셀레나이드(GaSe): GaSe는 중적외선부터 테라헤르츠 범위에서 강력한 비선형 광응답으로 유명하여, 테라헤르츠파 생성 및 중적외선 응용 분야에서 주로 사용되는 크리스탈입니다.
AgGaS₂ 및 AgGaSe₂:갈륨 황화물과 셀레나이드 크리스탈은 중적외선 응용 분야에서 중요한 소재이며, 중적외선까지 확장되는 광범위한 투명도 범위를 제공합니다. 특히 파라메트릭 오실레이터 및 중적외선 출력을 생성하기 위한 주파수 혼합에 유용합니다.
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