레이저의 원리와 응용

(1)

레이저의 레이저의 원리와 원리와 응용 응용

이 병 호

서울대 전기공학부

[email protected]

(2)

Einstein Einstein

Albert Einstein

“Imagination is more

important than knowledge.

For knowledge is limited to all we now know and understand, while imagination embraces the entire world, and all there ever will be to know and

understand.”

(3)

흡수와 자발방출 흡수와 자발방출

자발방출

흡수(Absorption)

(4)

유도방출 (Stimulated Emission)

(5)

Einstein’s A,B Coefficients Einstein’s A,B Coefficients

1

2

E

E −

ω =

= N

₁

+ N

₂

= N

rate) emission

us (spontaneo

A

21

( )

21

( , ) stimulated emission rate B u f T

( )

12

( , ) absorptopn rate

B u f T

(6)

1 2 2 21 1 12

( , )

2 21

( , ) dN dt = − dN dt = N A − N B u f T + N B u f T

( ) (

1 2

)

²¹12 21

( , )

_T

A

u f T W

N N B B ω

= =

−

( )

1 1

2 2 2 2

exp exp

exp

B

B B

g E k T

N g hf

N g E k T g k T

− ⎛ ⎞

= − = ⎜ ⎝ ⎟ ⎠

(

1 2

) (

²¹

)

12 21

( , )

exp

_B

u f T A

g g hf k T B B

= −

Einstein’s A,B Coefficients

(7)

21 2 12

1

B g B

g =

( )

21 21

3 2

3

π c B = A

ω

=

Einstein’s A,B Coefficients

(8)

Laser 의 특성 Laser 의 특성

• 단색성

• 고휘도

• 지향성

• 가간섭성(Coherency)

(9)

LASER LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

이득매질

거울 거울

이득매질

거울 거울

• 양자역학적인 광자와 물질사이의 상호작용을 이용한 광원

(10)

LASER 의 개략도

(11)

Coherency Coherency

An ideal monochromatic source of light has a group of photons with exactly one frequency.

An ideal coherent source of light has a group of photons with the same relative phase.

(12)

Laser 의 역사 Laser 의 역사

• 1917 Einstein – Stimulated Emission

• 1940s Fabrikant – 박사학위 논문

• 1950s Townes, Weber, Prokhorov, Basov - MASER

• 1954 Gordon, Townes, Zeiger – 최초의 maser

• 1957 Gould – LASER 특허출원

• 1958 Schawlow, Townes – “Intrared and Optical Masers” 논문

• 1960. 5. 16. Maiman – 최초의 레이저 동작 (Ruby laser)

• 1960. 12. 12. Javan, Bennett, Herriott – 최초의 cw 레이저 동작 (He-Ne laser)

laser flood

(13)

Laser 가 늦게 발명된 이유 Laser 가 늦게 발명된 이유

“대부분의 물리학자들은 전자공학과 증폭기에 대해서 몰랐었고, 전기공학자들은 대개 양자역학을 배우지 않았다. 하지만 제 2차 세계대전으로 인해 레이다

(radar) 개발을 위해 공학자들과 자연과학자들이 함께 일하게 되었고, 물리학자들이 전자공학에 접근할 수 있게 되었다.”

Charles H. Townes (1915-)

(14)

최초의 레이저 – 루비 레이저 최초의 레이저 – 루비 레이저

• 최초의 레이저 : 1960 년 , Maiman 이 만든 세계 최초의 레이저 , 루비를 레이저 매질로 사용

Theodore Harold Maiman (1927-2007)

(15)

Laser Oscillation (I) Laser Oscillation (I)

A laser can only lase at those wavelengths (longitudinal modes) for which an integral multiple of half-wavelengths fit into the cavity.

(16)

Laser Oscillation (II)

(17)

발진 회로와의 비교 발진 회로와의 비교

• Gain = 이득매질

• Feedback & 주파수선택 = 공진기 ( 거울 )

(18)

3- 준위 및 4- 준위 레이저 3- 준위 및 4- 준위 레이저

A three-state laser consists of a ground state(0), an upper laser state(2), and a pumping state or states(3).

A four-state laser consists of a ground state 0, a pumping state(or band of states) 3, an upper laser state 2, and a lower laser state 1.

(19)

Linewidth Broadening Linewidth Broadening

• Homogeneous broadening

- Lifetime broadening - Collision broadening

• Inhomogeneous broadening

- Doppler broadening

(20)

Lifetime Broadening Lifetime Broadening

E₂ E₁

⎟⎟ ⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

= Δ

2 1

1 1

2 1

τ τ

ν π

( ) ν = ( ν − ν

₀

Δ ) (

²

ν + 2 π Δ ν 2 )

²

g

Lorentzian lineshape function

(21)

레이저의 종류 레이저의 종류

• 매질의 종류에 따라

고체 : 루비 레이저, Nd:YAG 레이저,

Ti:Sapphire 레이저, 광섬유 레이저, … 기체 : 탄산가스 레이저, 헬륨-네온 레이저,

아르곤 이온 레이저, 엑시머 레이저, … 기타 : 색소 레이저, 자유전자 레이저

• 발진 종류에 따라

연속파(cw: continuous wave) 레이저

펄스 레이저: ~ 아토 초까지 가능

(22)

He-Ne Laser He-Ne Laser

• 1961년 Javan, Bennett, Herriott 세 사람은 헬륨(He)과 네온(Ne)의 혼합기체를 이용하여 최초로 1152.3nm의 적외선의 연속발진에 성공

• 오늘날에는 이 레이저는 수 밀리와트의 가시광선(632.8nm)을 발진하게 하여 실험실에서 간섭 을 이용한 측정, 홀로그래피의 제작등에 널리 쓰고 있다.

• 0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다. 헬륨은

(23)

Argon Ion Laser 의 특징 Argon Ion Laser 의 특징

• Ar-Ion레이저는 가스레이저로서 He-Ne 레이저와 유사

• Ar-Ion 레이저는 전리(ionization)와 여기(excitation)을 위하여 대단히 높은 전류가 인가되어야 한다.

• Blue-green범위에서 100W 이상을 공급할 수 있다.

• 이온레이저는 고전류 방전으로 여기 되는데 높은 전류밀도는 기체를 이온화

(24)

Nd:YAG Laser 의 특징 Nd:YAG Laser 의 특징

• YAG(yttrium aluminum garnet) 결정 안의 Nd가 레이저 물질

• Nd:YAG 레이저는 100W 이하의 연속파 혹은 수 MW의 짧은 펄스를 만들어내므로 응용범위가 상당히 넓다.

• 외부광원에 의해 여기

• 레이저 용접, 의료용, 핵융합

(25)

CO 2 Laser

(26)

Excimer Laser 의 내외부

(27)

Dye Laser Dye Laser

• 색소 레이저는 유기 색소 분자를 알코올 등에 용해 시켜 레이저 매질로 사용

• 액체 레이저

• 색소의 종류나 농도를 변화시켜, 0.3㎛∼1.2㎛ 범위의 근자외선, 가시광, 근적외선의 넓은 범위에 걸쳐 연속 파장가변이 되는

레이저가 가능하다.

(28)

반도체 레이저 (DFB LD) 구조도

(29)

광섬유 레이저의 예

(30)

Schematic of the fiber laser Schematic of the fiber laser

Dichroic mirror

Diode stack

@915nm

Lens

Yb-doped double-clad optical fiber

Dichroic mirror

Beam block Water Cooling

system

Current Driver

HR @ 915 nm HT @ ~1um

HR @ 915 nm HT @ ~1um HR @ 915 nm

HT @ ~1um

Remaining pumping bema

Beam block Signal Lens

Lens Mirror

• End-pumping scheme

• Two dichroics protect the pump source by blocking signal.

• Gain medium: Yb-doped double-clad fiber (DCF)

• Laser cavity is composed of the flat-cleaved facet and the bulk

(31)

Fiber laser characteristics Fiber laser characteristics

• Yb-doped double-clad fiber – Core diameter: 9 μm – NA: 0.11

– Inner-cladding diameter: 150 μm – Low index coating: outer cladding – Cladding pump absorption: 0.8 dB/m – Fiber length: 10 m

(32)

Yoonchan Jeong Yoonchan Jeong

“내가 말하는 것이 항상 옳은 것 은 아닐지라도, 내가 옳다고 여기 는 것이라야 세상에 떳떳이 말할 수 있다고 하신 단재 선생님의 말 씀을 마음속에 새겨 언제나 부끄 럽지 않은 연구를 하고 싶다.” (과학동아 2004년 8월)

(33)

Michelson

Michelson 간섭계간섭계

) (f I

laser

fixed mirror

sample

λ/4

λ

+ +

max

간섭계를 이용한 진동 해석

(34)

Laser

Camera, CCD

Observation

Measuring object Measuring

direction Illumination

direction

Reference beam

Electronic Speckle Pattern Interferometry

ESPI ESPI

(35)

진동 모드 측정의 예

(36)

Interferometry

(37)

Double-Exposure Holographic Interferometry Double-Exposure Holographic Interferometry

(a)

(38)

Holography Holography

• Dennis Gabor (1948, 1949, 1951) ••• Nobel Prize in Physics (1971) holography

“whole recording”

- On-axis hologram

• E. N. Leith and J. Upatnieks (1962, 1963) - Off-axis hologram

• Y. N. Denisyuk (1962, 1963, 1965)

(39)

Yuri Denisyuk (1927-2006)

Stephen A. Benton

Founders of Holography

(40)

Gabor Hologram Gabor Hologram

( )

^x^, ^y ^A ^a

( )

^x^, ^y ²

I = +

( )

x y A a

( )

x y Aa

( )

x y a

A² + , ² + ^∗ , + ^∗ ,

=

(41)

Leith-Upatnieks Hologram Leith-Upatnieks Hologram

( )

x y A

(

j y

) ( )

a x y U , = exp − 2πα + ,

λ α = ^sin²θ

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

(42)

Requirement of Reference Beam Angle Requirement of Reference Beam Angle

( λ )

θ

sin 3B 2 _min = ⁻¹

(a)

(b)

(43)

Bird and Train, by Emmett N. Leith and Juris Upatnieks, 1960, one of the earliest laser transmission images.

Hologram Examples

(44)

Optical Storage Roadmap

(45)

History of Optical Memory Technology

(46)

DVD (digital versatile disc) 구조 DVD (digital versatile disc) 구조

• 외형은 CD와 동일

• 직경120mm, 두께 1.2mm의 얇은 알루미늄

• 원판에 플라스틱 막이 보호막으로 덮여 있음.

• 내부구조

• 옆면을 자세히 보면 2장의 디스크가 겹쳐 있음.

• ‘용량 늘리기’를 위해 0.6mm 원판 2장 사용

DVD Disc Layout and Dimension DVD Construction

(47)

Blu-ray (blue-violet laser to read and write data) Blu-ray (blue-violet laser to read and write data)

• What is blu-ray?

¾Blu-ray, or Blu-ray Disc (BD) is the name of a next-generation

optical disc format jointly developed by the Blu-ray Disc Association (BDA).

¾The format was developed to enable recording, rewriting and playback of high-definition video (HD), as well as storing large amounts of data.

• A single-layer Blu-ray Disc can hold 25GB, which can be used to record over 2 hours of HDTV or more than 13 hours of standard-definition TV.

There are also dual-layer versions of the discs that can hold 50GB.

• Blu-ray is expected to replace VCRs and DVD recorders over the

(48)

Blu-ray 제조 업체 Blu-ray 제조 업체

• Blu-ray recorders Hitachi

JVC LG

Mitsubishi Panasonic Philips Pioneer Samsung Sharp Sony Zenith

• Blu-ray media Fujifilm

JVC Maxell Mitsubishi Panasonic Samsung Sony TDK

SAMSUNG

Sony

SAMSUNG

Sony

Fujifilm

(49)

• 센서와 신호전달의 역할을 동시수행

• 분배형 센서의 실현이 용이

• 원격측정가능 (~0.2 dB/km loss)

• 기존 센서기술로 불가능한 부분을 커버

광섬유 (Optical Fiber)

(50)

통신의 역사 통신의 역사

• 1830 년대 --- Morse : 전신기술의 발명 ( 전송속도 : < 10b/s )

• 1866 --- 대서양 횡단 전신 케이블

• 1876 --- Bell : 전화의 발명

• 1940 년경 --- 3MHz 동축케이블 전송기술

• 1950 년대 --- Microwave 무선전송기술

( 전송속도 : < 100Mb/s )

(51)

광통신의 역사 I 광통신의 역사 I

• 1950 년대 ---

Townes, Schawlow, Basov, Prokhorov :

Laser 의 원리

• 1960 --- 최초의 laser 개발

• 1966 --- 광섬유 통신의 가능성 발표

• 1970 --- 저손실 광섬유의 가능성 ( 20dB/km ) 상온에서의 cw 반도체레이저

• 1975 --- 1 세대 광전송시스템 :

0.8µm GaAs 레이저 , 다중모드 광섬유

(52)

광통신의 역사 II 광통신의 역사 II

• 1976~1977 --- 최초의 현장 적용시험 및 상업화 시도

• 1977 --- 2 세대 광전송 시대의 개막 : 1.3µm InGaAsP 레이저

• 1980 --- 0.2dB/km 광섬유 개발

• 1981 --- 1.5µm InGaAsP 레이저 개발

• 1988 --- 최초의 대서양 횡단 광케이블 1.55µm 양자우물레이저 개발

3 세대 광전송의 연구 ( 1.55µm ,~10Gb/s )

• 현재 --- 4 세대 : 파장분할다중화 (WDM) 방식 , 광증폭기 ,

Soliton 연구 (5 세대 )

(53)

광통신의 장점 광통신의 장점

• 전송용량의 증대

• 고신뢰성

• 무중계 거리의 확대

• 보안성의 증대

• 크기 및 무게의 감소

• 무한한 성장 가능성

• 저가의 시스템

(54)

통신의 발전추세

(55)

광섬유의 종류 광섬유의 종류

• 다중모드 광섬유 (MMF)

– 코어 직경은 50μm – 모드간 분산에 의해

전송거리 제한

• 단일모드 광섬유 (SMF)

– 코어 직경은 8μm

(56)

단일 모드 광섬유의 종류 단일 모드 광섬유의 종류

20

10

0

-10

-20

(57)

WDM 전송에 요구되는 기술들 WDM 전송에 요구되는 기술들

•Source types

•Laser λ control

•Laser aging

•Standard λ

•Channel spacing

•Gain flattening

•Dynamic gain control

•Gain bandwidth •Demultiplexer

•Demux λ control

•Bandwidth

•Crosstalk

•Dispersion compensation

•Nonlinearities

...

... ...

...

(58)

개략적인 계위별 망 구조 개략적인 계위별 망 구조

교환국 광섬유망

교환국

광섬유망 광섬유

선로구간

평행/동축 선로구간

RN

ONU ONU ONU

ONU ONU

FTTO

FTTH FTTC

기간망 메트로망 가입자망

교환국

교환국 교환국

교환국

ONU ONU

RN

(59)

우리나라의 기간망

(60)

해저 광케이블 I

(61)

해저 광케이블 II

(62)

Nonlinear Optics Nonlinear Optics

“… The future always belongs to the younger generation. Since the field continues to attract bright students, it may be expected that unexpected new developments will occur. Generally, history is highly nonlinear, and the course of

revolutions and the rise and fall of empires is difficult to predict. The future course of nonlinear optics is also unpredictable. …”

Nicolaas Bloembergen (1920-)