레이저의원리와응용 - seoul national university · 2018. 1. 30. · fiber laser...

Seoul National University NRL HoloTech

레이저의레이저의 원리와원리와 응용응용

이 병 호서울대 전기공학부

[email protected]


EinsteinEinstein

Albert Einstein(1879-1955)

“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.”


흡수와 자발방출흡수와 자발방출

자발방출

(Spontaneous Emission)

흡수(Absorption)


유도방출(Stimulated Emission)유도방출(Stimulated Emission)


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

12 EE −=ω NNN 21 =+

rate)emission us(spontaneo 21A

( )21 ( , ) stimulated emission rateB u f T

( )12 ( , ) absorptopn rateB u f T


1 2 2 21 1 12 2 21( , ) ( , )dN dt dN dt N A N B u f T N B u f T= − = − +

( ) ( )21

1 2 12 21

( , ) TAu f T W

N N B Bω= =

−

( )( )

1 11 1

2 2 2 2

expexp

expB

B B

g E k TN g hfN g E k T g k T

− ⎛ ⎞= = ⎜ ⎟− ⎝ ⎠

( ) ( )21

1 2 12 21

( , ) exp B

Au f Tg g hf k T B B

=−



212121 BgBg =

( ) 2121323 ABc =πω



Laser의 특성Laser의 특성

• 단색성

• 고휘도

• 지향성

• 가간섭성(Coherency)


LASERLASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

이득매질

거울 거울

이득매질

거울 거울

•양자역학적인광자와물질사이의상호작용을이용한광원


LASER의 개략도LASER의 개략도


CoherencyCoherency

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.

Real laser sources are neither perfectly monochromatic nor perfectly coherent.

A real laser will have a finite linewidth and finite coherency.


Laser의 역사Laser의 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


Laser가 늦게 발명된 이유Laser가 늦게 발명된 이유

“대부분의 물리학자들은 전자공학과 증폭기에 대해서

몰랐었고, 전기공학자들은 대개 양자역학을 배우지않았다. 하지만 제 2차 세계대전으로 인해 레이다(radar) 개발을 위해 공학자들과 자연과학자들이 함께일하게 되었고, 물리학자들이 전자공학에 접근할 수있게 되었다.”

Charles H. Townes (1915-)


최초의 레이저 – 루비 레이저최초의 레이저 – 루비 레이저

• 최초의 레이저 : 1960년, Maiman이 만든 세계최초의 레이저, 루비를 레이저 매질로 사용

Theodore Harold Maiman(1927-2007)


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.


Laser Oscillation (II)Laser Oscillation (II)


발진 회로와의 비교발진 회로와의 비교

• Gain = 이득매질

• Feedback & 주파수선택 = 공진기 (거울)


3-준위 및 4-준위 레이저3-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.


Linewidth BroadeningLinewidth Broadening

• Homogeneous broadening

- Lifetime broadening

- Collision broadening

• Inhomogeneous broadening

- Doppler broadening


Lifetime BroadeningLifetime Broadening

E2

E1

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=Δ

21

1121

ττπν

( )( ) ( )22

0 22

νννπννΔ+−

Δ=g

Lorentzian lineshape function


레이저의 종류레이저의 종류

• 매질의 종류에 따라고체 : 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 따라연속파(cw: continuous wave) 레이저

펄스 레이저: ~ 아토 초까지 가능

• 파장에 따라가시광선, 적외선, 자외선, ~X-ray


He-Ne LaserHe-Ne Laser

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

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

• 0.8 torr의 He과 0.1 torr의 Ne의 혼합기체를 가늘고 긴 관속에 넣어두고 방전시킨다. 헬륨은네온을 들뜨게 하는 매개물질로서 작용하여 실제의 발진은 네온에서 이루어 진다.


Argon Ion Laser의 특징Argon Ion Laser의 특징

• Ar-Ion레이저는 가스레이저로서 He-Ne 레이저와 유사

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

• Blue-green범위에서 100W 이상을 공급할 수 있다.

• 이온레이저는 고전류 방전으로 여기 되는데 높은 전류밀도는 기체를 이온화시키고 이온들을 고준위로 여기 시킨다.

• 상위 레이저 준위가 36 eV로 매우 높다. ⇒ 강력한 여기가 필요하다.


Nd:YAG Laser의 특징Nd:YAG Laser의 특징

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

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

• 외부광원에 의해 여기

• 레이저 용접, 의료용, 핵융합


CO2 LaserCO2 Laser

Carbon dioxide laser cutting system.Normal modes of the carbon dioxide molecule.


Excimer Laser의 내외부Excimer Laser의 내외부


Dye LaserDye Laser

• 색소 레이저는 유기 색소 분자를 알코올 등에 용해 시켜 레이저매질로 사용

• 액체 레이저

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

• 광여기 방법

• 극초단 펄스, 의료용


반도체 레이저(DFB LD) 구조도반도체 레이저(DFB LD) 구조도


광섬유 레이저의 예광섬유 레이저의 예


Schematic of the fiber laserSchematic of the fiber laserDichroic mirror

Diode stack @915nm

Lens

Yb-doped double-clad optical fiber

Dichroic mirror

Dichroic mirror

Beam block

Water Cooling system

Current DriverHR @ 915 nmHT @ ~1um

HR @ 915 nmHT @ ~1um

HR @ 915 nmHT @ ~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

feedback (signal) mirror.


Fiber laser characteristicsFiber 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


Yoonchan JeongYoonchan Jeong

“내가 말하는 것이 항상 옳은 것은 아닐지라도, 내가 옳다고 여기는 것이라야 세상에 떳떳이 말할수 있다고 하신 단재 선생님의 말씀을 마음속에 새겨 언제나 부끄럽지 않은 연구를 하고 싶다.”

(과학동아 2004년 8월)


MichelsonMichelson 간섭계간섭계

)( fI

laser

fixed mirror

sample

λ/4

λ

λ/2

+ +max

min

간섭계를 이용한 진동 해석간섭계를 이용한 진동 해석


Laser

Camera, CCD

Observationdirection

MeasuringobjectMeasuring

direction

Illuminationdirection

Referencebeam

Electronic Speckle Pattern Interferometry

ESPIESPI


진동 모드 측정의 예진동 모드 측정의 예


InterferometryInterferometry


Double-Exposure Holographic InterferometryDouble-Exposure Holographic Interferometry

(b)

(a)


HolographyHolography• 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)


Emmett Leith(1927-2005)

Dennis Gabor(1900-1979)

Yuri Denisyuk(1927-2006)

Stephen A. Benton(1941-2003)

Founders of HolographyFounders of Holography


Gabor HologramGabor Hologram

( ) ( )2,, yxaAyxI +=

( ) ( ) ( )yxAayxaAyxaA ,,, 22 ∗∗ +++=


Leith-Upatnieks HologramLeith-Upatnieks Hologram

( ) ( ) ( )yxayjAyxU ,2exp, +−= πα

λθα 2sin

=

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )yjyxAayjyxaAyxaAyxI παπα 2exp,2exp,,, 22 −+++= ∗∗


Requirement of Reference Beam AngleRequirement of Reference Beam Angle

( )λθ B3sin2 1min

−=

(a)

(b)


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

The Seed, an abstract white light transmission hologram by Dan Schweitzer, 1980.

Hologram ExamplesHologram Examples


Optical Storage RoadmapOptical Storage Roadmap


History of Optical Memory TechnologyHistory of Optical Memory Technology

* 2005 Topical Meeting on Nano-Optical Probe


DVD (digital versatile disc) 구조DVD (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 사용DVD Disc Layout and Dimension

DVD Construction

* 출처 : Deluxe Global Media Services Ltd.


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

• What is blu-ray?Blu-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).The 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 coming years, with the transition to HDTV.


Blu-ray 제조 업체Blu-ray 제조 업체

• Blu-ray recordersHitachiJVCLGMitsubishiPanasonicPhilipsPioneerSamsungSharpSonyZenith

• Blu-ray mediaFujifilmJVCMaxellMitsubishiPanasonicSamsungSonyTDK

SAMSUNG

Sony

SAMSUNG

Sony

Fujifilm


• 센서와 신호전달의 역할을 동시수행• 분배형 센서의 실현이 용이• 원격측정가능 (~0.2 dB/km loss)• 기존 센서기술로 불가능한 부분을 커버

광섬유 (Optical Fiber)광섬유 (Optical Fiber)


통신의 역사통신의 역사

• 1830년대 --- Morse : 전신기술의 발명

( 전송속도 : < 10b/s )• 1866 --- 대서양 횡단 전신 케이블

• 1876 --- Bell : 전화의 발명

• 1940년경 --- 3MHz 동축케이블 전송기술

• 1950년대 --- Microwave 무선전송기술( 전송속도 : < 100Mb/s )


광통신의 역사 I광통신의 역사 I

• 1950년대 --- Townes, Schawlow, Basov, Prokhorov : Laser의 원리

• 1960 --- 최초의 laser 개발

• 1966 --- 광섬유 통신의 가능성 발표

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

• 1975 --- 1세대 광전송시스템:0.8µm GaAs 레이저, 다중모드 광섬유

( BL ~ 500Mb/s·km )


광통신의 역사 II광통신의 역사 II

• 1976~1977 ---최초의 현장 적용시험 및 상업화 시도

• 1977 --- 2세대 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

3세대 광전송의 연구 ( 1.55µm ,~10Gb/s )• 현재 --- 4세대: 파장분할다중화(WDM)방식, 광증폭기,

Soliton 연구(5세대)


광통신의 장점광통신의 장점

• 전송용량의 증대

• 고신뢰성

• 무중계 거리의 확대

• 보안성의 증대

• 크기 및 무게의 감소

• 무한한 성장 가능성

• 저가의 시스템


통신의 발전추세통신의 발전추세


광섬유의 종류광섬유의 종류

• 다중모드 광섬유(MMF)– 코어 직경은 50μm – 모드간 분산에 의해

전송거리 제한

• 단일모드 광섬유(SMF)– 코어 직경은 8μm– 색분산에 의해 전송

거리 제한


단일 모드 광섬유의 종류단일 모드 광섬유의 종류

20

10

0

-10

-20


WDM 전송에 요구되는 기술들WDM 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

Operation, Administration, Maintenance Issues...

...

...

...

...


개략적인 계위별 망 구조개략적인 계위별 망 구조

교환국

광섬유망

교환국

광섬유망 광섬유선로구간

평행/동축선로구간

RN

RN

ONU

ONU

ONU

ONU

ONU

FTTO

FTTH

FTTC

기간망 가입자망메트로망

교환국

교환국

교환국

교환국

ONU

ONU

RN


우리나라의 기간망우리나라의 기간망


해저 광케이블 I해저 광케이블 I


해저 광케이블 II해저 광케이블 II


Nonlinear OpticsNonlinear 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-)

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