모드록킹 (Mode Locking)

한 줄 정의: 레이저 공진기 안의 여러 종모드들의 위상을 서로 고정시켜 보강간섭을 일으킴으로써, 매우 짧은 시간폭의 광펄스 열을 만들어내는 기법입니다.

쉽게 풀면

여러 사람이 각자 다른 박자로 손뼉을 치면 소리가 산만하게 흩어지지만, 모두가 정확히 같은 타이밍에 손뼉을 치면 짧고 강한 소리가 한 번에 터져 나옵니다. 모드록킹도 이와 비슷해서, 공진기 안에 존재하는 여러 종모드들의 위상을 서로 맞춰 놓으면, 이 모드들이 겹치는 순간에만 빛이 강하게 보강되고 나머지 시간에는 서로 상쇄되어 거의 사라집니다. 그 결과 매우 짧은 광펄스가 공진기를 왕복 주기마다 반복해서 튀어나오게 됩니다.

왜 중요한가

모드록킹은 피코초에서 펨토초 수준의 극초단 펄스를 만들 수 있는 거의 유일한 방법으로, 초고속 분광학, 정밀 가공, 광주파수 빗(optical frequency comb) 생성 등 정밀 광학 연구에서 핵심적으로 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Mode locking was achieved through a semiconductor saturable absorber mirror, producing femtosecond pulses at a fixed repetition rate."

반도체 가포화흡수체 거울을 이용해 모드록킹을 달성하고 일정한 반복률로 펨토초 펄스를 만들었다는 설명으로, 초단펄스 레이저 연구에서 흔히 등장합니다.

"The number of locked longitudinal modes determines the minimum achievable pulse duration in the mode-locked laser."

고정된 종모드의 개수가 모드록킹된 레이저에서 얻을 수 있는 최소 펄스 폭을 결정한다는 뜻으로, 펄스폭과 모드 수의 관계를 설명할 때 쓰입니다.

조금 더 깊게 보면

모드록킹은 공진기 손실이나 이득을 주기적으로 변조하는 능동 방식과, 가포화흡수체처럼 강한 빛에서 손실이 자동으로 줄어드는 재료 특성을 이용하는 수동 방식으로 나뉩니다. 일반적으로 더 넓은 이득 대역폭을 가진 이득매질일수록 더 많은 종모드를 록킹할 수 있어 더 짧은 펄스를 만들 수 있는 경향이 있습니다.

주의할 점

모드록킹은 Q스위칭과 목적과 결과가 다르며, 모드록킹은 훨씬 짧은 펄스폭(피코초~펨토초)을 만드는 대신 첨두 출력은 Q스위칭보다 낮은 경우가 일반적입니다. 안정적인 모드록킹을 유지하려면 공진기의 정렬과 분산 관리 등 정밀한 조건이 요구됩니다.