세슘 증기 기반 광 증폭기의 열 분포 및 버퍼가스 조성에 따른 광 증폭 특성 연구

Abstract

대공 방어 등의 목적으로 레이저 무기체계의 도입이 적극적으로 고려되고 있는 가운데, 고출력 조건에서의 열 문제로부터 비교적 자유로운 알칼리 증기를 이득 물질로 사용하는 레이저 및 광 증폭기의 연구가 세계 각국에서 활발히 진행중이다[1,2]. 이 때 광 증폭기란, 들뜬 상태의 이득 물질을 신호광이 지나며 유도방출 과정을 통해 그 세기가 증폭되는 장치를 의미한다. <br>본 연구에서는 세슘의 3-준위 에너지 상태를 기반으로 속도식 (Rate equation)을 풀이하여 알칼리 증기 기반 광 증폭기를 전산 모사하였으며, 광 증폭기의 성능을 증폭 배수 및 추출 효율로써 평가하였다. 이 때 버퍼가스로 사용되는 에테인은 세슘 원자와의 충돌로 펌프광의 효율적인 흡수를 돕고 세슘의 2-3준위간 전이 속도를 높이는 것으로 세슘의 밀도 반전 상태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 에테인의 압력 및 세슘 셀의 온도 등의 변수를 최적화하고 펌프 및 신호광을 가우시안 빔으로 가정한 전산 모사에서, 추출 효율은 최대 82%가 계산되었다. <br>400torr의 에테인이 포함된 상용 세슘 셀을 사용한 실제 광 증폭 실험에서는 최대 56%의 추출 효율을 기록하였고, 입사빔의 크기 및 셀의 온도를 변화시켜가며 증폭 특성을 측정한 결과는 동일한 조건에서 전산 모사한 것과 잘 일치하는 경향을 보였다. 또한 세슘 셀 내에서 방출되는 열 및 복사에너지를 고려하여 신호광의 진행 방향에 따른 에너지 변환 과정을 추적하였고, 이를 통해 실험 결과를 합리적으로 해석하였다. <br>고출력 조건에서는 이득 물질 내부의 온도가 상승하여 광 증폭 출력이 저하되는 효과가 발생한다[11]. 이러한 열 분포를 고려한 전산 모사에서 펌프광의 출력이 10W일 때 세슘 셀 중심부의 온도는 벽면 온도 대비 160°C 상승하였고, 증폭광 출력은 열 분포를 고려하지 않은 경우보다 31% 낮게 나타났다. 또한 열 효과로 인한 출력 저하의 완화를 위해 버퍼가스로 에테인과 헬륨의 혼합을 고려할 수 있는데, 전산 모사를 통해 특정 비율로 두 가스를 혼합하여 사용할 때 광 증폭 성능이 개선될 수 있음을 확인하였다.