Gaussian beam propagation

 오랜동안 레이저를 이용한 광학계를 설계하고 제작했지만, 가우시안 빔의 전파에 대해 제대로 이해한 것은 그리 오래되지는 않았습니다. 레이저 피코 프로젝터를 설계할 때부터 심각하게 공부했으니 그래도 십여년은 되가네요. 기초가 되는 자료는 많이 있지만,  Melles Griot에서 정리해 놓은 것이 간단하면서도 전체 모습을 잘 파악할 수 있는 좋은 자료인 것 같습니다. 

experimentationlab.berkeley.edu/sites/default/files/MOT/Gaussian-Beam-Optics.pdf

 

 최근에 고객사로부터 50~100m 거리에서도 beam size가 15mm이내로 들어오는 레이저다이오드 광모듈을 제작의뢰 받았습니다. 아래 그림은 위의 자료에 있는 것인데요.  100m거리에서 15mm정도 유지하려면 초기빔은 10mm정도여야 한다는 것을 보여줍니다. 초기빔이 너무 작은 경우,  예로 대략 2mm일 경우는 100m에서 40mm로 늘어나는데,  대부분의 레이저 포인터가 이런 제품입니다. 물론 laser의 발광포인트가 렌즈의 초점거리에 정확하게 일치할 때 해당해서 실제 제품은 이보다는 훨씬 많이 퍼지는 경향이 있습니다. 

Source : CVI Melles Griot

 설계에서는 초기 beam size가 truncated 형태(잘린 형태)이고 시작점에서의 wavefront의 R이 평행광이 아니기 때문에 결과에 차이가 날 수 있으므로 반드시 레이저 모델링을 통한 simulation으로 확인해야 합니다. 광효율과 광분포를 고려하여 초점거리 50mm인 렌즈를 사용해서 simulation을 해보면, 중간에 조금 작아지다가 커지는 것을 알 수 있습니다. 전형적인 Gaussian beam propagation이죠.

 

실제로 대략 50m거리에서 측정해 보면, 1/e2 기준으로 6mm정도 되고 전체가 16mm 이내에 들어와서 거의 일치하는 것을 볼 수 있습니다. 광학이론이 얼마나 정교하게 잘 예측해 주는 지를 보여주는 또 하나의 예라고 할 수 있습니다.  이럴 때 좀 감동이 오지요.

 고객사에서 용도에 맞게 잘 사용되길 바라며, 고이 보내드렸습니다~~