응집성 빔 조합이란 무엇입니까?
응집성 빔 조합은 고출력 레이저 빔을 결합하여 빔 품질이 보존되고 밝기가 증가하며 출력이 향상된 단일 빔을 얻는 유용한 기술입니다.1 단일 레이저의 출력이 섬유 레이저의 경우 유도 라만 산란(SRS)을 포함하되 이에 국한되지 않는 비선형 효과에 의해 제한되기 때문에 과학자들은 레이저 빔을 결합합니다.2 이 기술을 통해 연구원들은 이러한 제한을 우회하여 공간적 또는 시간적으로 여러 빔을 결합하여 빔 품질을 유지하면서 연속 레이저의 평균 출력과 펄스 레이저 시스템의 최대 출력을 높일 수 있습니다.3
연구자들이 간섭성 빔 조합을 사용하는 이유는 무엇입니까?
코히어런트 빔 조합은 레이저 기반 방어, 지상-위성 통신, 파워 빔, 청정 에너지 생성, 재료 처리 등과 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다.4 예를 들어, 성간 탐사를 위한 지향성 추진 장치(DEEP IN)그림 1에 표시된 는 지향성 에너지 추진을 사용하여 다른 세계를 탐험할 것을 제안하며 잠재적으로 우주선이 광속의 최대 30%로 이동할 수 있도록 합니다. 이렇게 하면 220kg(100lb) 탐사선이 광자 추진을 통해 단 XNUMX일 만에 화성에 도달할 수 있습니다. 광자 추진은 일관성 있는 빔 조합을 활용하여 태양 돛처럼 작동하는 반사 표면에 레이저를 발사하여 반사될 때 표면에 소량의 운동 에너지를 전달합니다.5
그림 1: DEEP IN 프로브의 그래픽 표현. NASA.gov
위상 일관성 이해
일관성이란 무엇입니까?
일관성은 고정된 위상 관계를 가지며 "동위상"인 두 개의 전자기파를 나타냅니다. 예를 들어, 두 개의 간섭성 레이저 빔은 이러한 위상 관계로 인해 서로 건설적으로 간섭할 수 있습니다.6 이를 통해 그림 2에 표시된 것처럼 레이저 채널의 최대 출력이 단일 레이저 소스 또는 비간섭성 소스에서 전통적으로 가능한 출력을 초과할 수 있습니다.7
그림 2: 레이저 채널이 일관성(모두 동위상)이거나 비간섭(위상이 다름)일 때의 피크 전력 비교.
일관된 빔 조합을 어떻게 달성합니까?
과학자들은 위상계와 같은 장비를 사용하여 여러 레이저 빔을 서로 위상 고정함으로써 여러 레이저 빔 간의 위상 일관성을 달성할 수 있습니다. 이 장치는 신호의 위상을 µcycle까지 정확하게 측정하여 매우 고정밀도 잠금을 가능하게 합니다. 그런 다음 사용자는 입력에 대해 위상 고정된 신호를 출력하도록 선택할 수 있습니다. 위상계와 같은 장비는 과학자들이 정확한 광학 위상 제어를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
위상계를 사용한 위상 측정 및 잠금
위상계는 위상을 측정하는 장비입니다. 디지털로 구현된 모쿠 위상계 기준 클록을 기준으로 최대 6개의 입력 신호의 위상을 XNUMX µradian 이상의 정밀도로 측정합니다. 내장된 라이브 그래프를 통해 이 다목적 FPGA 기반 계측기를 사용하여 입력 채널의 일관성을 측정하고 실시간으로 데이터를 볼 수 있습니다. 빔 간의 위상 일관성을 달성하는 한 가지 방법은 한 빔에서 다른 빔으로 주파수 및 위상 특성을 전송하는 기술인 광학 위상 고정을 사용하여 달성할 수 있습니다.
빔 간의 위상 일관성을 얻으려면 먼저 레이저 간의 위상차를 측정합니다. 다음으로, 안정적인 위상차를 유지하기 위해 레이저 중 하나의 주파수를 수정하는 피드백 시스템을 도입합니다. 단순화된 광학 오프셋 위상 잠금 시스템이 그림 3에 나와 있으며 참조 레이저와 제어 레이저가 자세히 설명되어 있습니다. 레이저가 결합되어 광검출기를 비춥니다. 이로 인해 두 레이저의 서로 다른 주파수에서 진동하는 신호(비트 노트)가 생성됩니다.
그림 3: 단순화된 광학 오프셋 위상 잠금 시스템.8
이 예에서 Moku Phasemeter는 비트 노트에서 위상 정보를 추출하고 이를 제어된 레이저에 다시 공급하여 레이저 간의 차이를 제거하고 빔 간의 안정적인 위상 잠금을 달성합니다.
맺음말
레이저 성능의 실질적인 한계에 도달함에 따라 우리는 계속해서 발전할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 일관성 있는 빔 조합, 즉 지향성 에너지를 사용하면 밝기와 전력 측면에서 단일 레이저의 성능을 능가할 수 있습니다. 과학자들은 위상계를 사용하여 레이저 소스의 위상을 측정하고 효과적으로 고정하여 위상 일관성을 달성하고 빔이 건설적으로 간섭할 수 있도록 할 수 있습니다.
에 대한 자세한 내용을 보려면 모쿠 위상계, 일정을 계획하다 데모 엔지니어와 함께.
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참고자료
[1]
R. Paschotta, “Coherent Beam Combining”, 2007년 10.61835월, doi: https://doi.org/89/XNUMXt. 사용 가능: https://www.rp-photonics.com/coherent_beam_combining.html. [접속일: 21년 2024월 XNUMX일]
[2]
B. He et al., "두 개의 파이버 레이저로부터의 고출력 간섭성 빔 조합", Optics express, vol. 14, 아니. 7, pp. 2721–2721, 2006년 XNUMX월, doi: https://doi.org/10.1364/oe.14.002721
[3]
A. Klenke 외, "초고속 광섬유 레이저의 응집성 빔 조합", 양자 전자 분야에서 선정된 주제를 다룬 IEEE 저널, vol. 24, 아니. 5, pp. 1–9, 2018년 XNUMX월, doi: https://doi.org/10.1109/jstqe.2018.2808540
[4]
"Coherent Beam Combining - PowerPhotonic", 25년 2023월 XNUMX일. 이용 가능: https://www.powerphotonic.com/coherent-beam-combining/. [접속일: 22년 2024월 XNUMX일]
[5]
J. Bennett, "광자 추진으로 3일 만에 우주선을 화성으로 보낼 수 있습니다", Popular Mechanics, 24년 2016월 XNUMX일. 이용 가능: https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a19604/nasa-physicists-say-photonic-propulsion-could-send-a-spacecraft-to-mars-in-3-days/
[6]
TL GmbH, "레이저 빔의 일관성 또는 위상 균형", Trotec Laser GmbH. 사용 가능: https://www.troteclaser.com/en-us/learn-support/helpcenter/coherence-or-phase-balance-laser-beam. [접속일: 21년 2024월 XNUMX일]
[7]
응집성 빔 조합에 대한 설명. Qinetiq. 사용 가능: https://www.qinetiq.com/-/media/1a948172dcd9419e9976e2f246a0e7fa.ashx?ver=7e99a5c1492549cb92190b5e67ea134f
[8]
"레이저 주파수 오프셋 잠금", Liquid Instruments, 02년 2021월 XNUMX일. 사용 가능: https://liquidinstruments.com/laser-frequency-offset-locking/. [접속일: 11년 2024월 XNUMX일]