구이 위상 (Gouy Phase)
한 줄 정의: 집속된 빔이 초점을 지나면서 평면파와 비교해 추가로 얻는 위상 변화입니다.
쉽게 풀면
레이저 빔을 렌즈로 모았다가 초점을 지나 다시 퍼지게 하면, 같은 거리를 진행한 평면파보다 위상이 조금 더 앞서게 됩니다. 가우시안 빔에서는 초점 앞 먼 곳에서 뒤 먼 곳까지 총 π(반 파장)만큼의 추가 위상이 생기며, 대부분은 초점 근처에서 급격히 일어납니다. 이 추가 위상을 구이 위상이라 합니다.
왜 중요한가
레이저 공진기의 횡모드별 공진 주파수 차이, 고차 빔의 모드 변환, 초단 펄스의 반송파-포락선 위상, 비선형광학에서 집속 빔의 위상정합 조건 계산에 직접 영향을 줍니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"고차 에르미트-가우스 모드는 구이 위상이 (m+n+1)배로 커져 기본 모드와 다른 공진 주파수를 가진다."
모드 차수에 따라 초점 통과 시 추가 위상이 달라져, 공진기에서 모드마다 공진 주파수가 달라진다는 뜻입니다.
조금 더 깊게 보면
가우시안 빔의 구이 위상은 arctan(z/z_R)로 표현되며 z_R은 레일리 거리입니다. 1890년 Gouy가 실험적으로 보고했으며, 불확정성 원리(횡방향 운동량 퍼짐)나 기하학적 위상으로 해석하는 설명이 제시되어 왔습니다. 2차원 집속(원통 렌즈)에서는 총 변화량이 π/2입니다.
주의할 점
구이 위상은 파면 곡률에 의한 위상과 별개의 항이므로 두 효과를 섞어 계산하지 않아야 합니다. 가우시안 빔 전파 항목이 빔 반경·곡률 변화를 넓게 다룬다면, 이 항목은 그중 초점 통과 위상 이동만 자세히 다룹니다.