가우시안 빔 (Gaussian Beam)
한 줄 정의: 빔 단면의 광세기 분포가 가우스 함수 형태를 따르는 이상적인 레이저 빔의 모델로, 대부분의 단일 모드 레이저 출력을 잘 근사합니다.
쉽게 풀면
레이저 포인터의 빛을 벽에 비추면 가운데가 가장 밝고 가장자리로 갈수록 점점 어두워지는 둥근 점이 보입니다. 이렇게 중심이 가장 밝고 바깥으로 갈수록 매끄럽게 어두워지는 종 모양의 밝기 분포를 가우시안 빔이라고 부릅니다. 대부분의 레이저에서 나오는 빛은 이 가우시안 형태에 가깝기 때문에, 레이저 빔을 다루는 대부분의 계산과 설계는 이 모델을 기준으로 이루어집니다.
왜 중요한가
가우시안 빔은 레이저의 빔 크기, 발산각, 초점에서의 최소 지름 등을 수학적으로 정확하게 기술할 수 있는 표준 모델이기 때문에 레이저공학, 광통신, 광가공 등 레이저를 다루는 거의 모든 논문에서 기본 전제로 사용됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"가우시안 빔 전파 이론을 이용하여 렌즈 통과 후 초점에서의 빔 허리 크기를 계산하였다."
가우시안 빔 모델을 이용해 레이저 빔이 초점에서 얼마나 작게 모이는지 계산한 예문입니다.
"측정된 빔 프로파일이 이상적인 가우시안 빔과 얼마나 일치하는지를 나타내는 빔 품질 계수를 산출하였다."
실제 레이저 출력이 이상적인 가우시안 빔에서 얼마나 벗어나는지를 평가하는 방법을 설명하는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
가우시안 빔은 빔 허리라고 부르는 지점에서 가장 좁은 폭을 가지며, 이 지점으로부터 멀어질수록 발산하면서 폭이 넓어지고 파면의 곡률도 함께 변합니다. 실제 레이저는 이상적인 가우시안 빔과 완전히 일치하지 않는 경우가 많아, 그 차이를 나타내는 빔 품질 계수를 사용해 실제 빔의 특성을 평가합니다.
주의할 점
모든 레이저 빔이 완벽한 가우시안 형태를 갖는 것은 아니며, 다중 모드로 동작하는 레이저나 특수한 빔 성형 장치를 거친 빛은 가우시안 모델에서 벗어날 수 있으므로 실제 측정을 통해 확인하는 것이 바람직합니다.