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.