레이저

대기에서 발사된 레이저는 볼 수 있다

레이저는 다른 우주선 부품들보다 복잡하다.

 

레이저의 종류는 아주 많고, 거의 무한개의 광 펌핑원 중에서 각각의 장점을 고려해서 골라야 하며 레이저의 주파수를 바꾸기 위해서는 비선형 광결정을 넣어야 한다.

선택 가능한 레이저 옵션들

그러면 이제 하위 부품들(렌즈, 거울, 비선형 광결정들)이 광자에 의해 손상되지 않는지 확인해야 한다. 다양한 거리에서 레이저의 초점을 맞추고 싶다면, 줌 렌즈나 변형 가능한 거울을 사용해야 한다.(장거리에서 줌 렌즈는 비효율적이므로 주로 거울을 사용하여야 한다.)

 

레이저에 펄스를 주고 싶다면, Mode Locking, Q Switching,  Gain Switching같은 것들을 해야 한다. 마지막으로 레이저가 받는 열 스트레스를 라디에이터를 통해 방출해야 한다.

Mode Locking: 레이저 거울 사이를 왔다갔다하는 빛들의 진동 모드를 일치시키고 많은 종류의 진동 모드를 발진시켜서 펄스의 폭을 좁게 하는 것, 푸리에 변환과 유사함

Q Switching: 에너지를 저장했다가 다시 방출하는 것.

Gain Switching: 문턱 에너지 바로 전까지 전자를 공급하다가 문턱 에너지 이상이 되면 한 번에 에너지를 방출하는 것.

 

*나도 잘 모르니까 위키피디아 링크 참조

 

레이저를 만드는 것은 질량병기들과 비교해볼 때 생각보다 쉽다. 질량 병기들은 다양한 속도, 온도와 복잡한 탑재체 등을 고려해야 하지만, 레이저는 그저 광자를 쏘기만 하면 된다. 레이저가 연속적인 빛이라 해도 이산적인 신호들의 집합이라 생각하면 된다.

레이저의 파장과 효과

레이저 빔은 빛의 속도로 움직이기 때문에, 계속 피하지 않으면 레이저를 피할 수 없다. 빛의 속도는 우주에서 정보가 이동하는 속도이기 때문이다. 레이저에 맞기 전까지는 레이저가 어디를 가리키고 있을지 결코 알 수 없다. 회절이 없었다면 레이저는 전장을 지배했을 것이다.

 

레이저가 일정한 면적을 비추고 있고, 일정한 양의 에너지와 한 가지의 파동을 가지고 있다면, 불확정성 원리에 의해 파장, 비추는 면적, 에너지 중 최소한 하나는 정해져 있지 않다.(정확히는 일정한 정확도 이상으로는 알 수 없다 이다. $\triangle x \triangle p \>= h$, h는 플랑크 상수, x는 파장, p는 운동량) 그러나 이 효과를 고려하더라도 전체 레이저 신호를 이산적인 묶음으로 보는 더 쉬운 계산법이랑 큰 차이가 없다.

 

레이저에 거시적인 영향을 주는 양자적 효과는 회절 뿐이다.

회절

회절 때문에 레이저 빔이 나가면 레이저의 에너지가 확산된다. 따라서 면적 당 에너지량이 줄어든다.

 

이상적인 레이저는 회절 효과를 겪을 것이고 이 효과를  Diffraction Limited 라 부른다. 그러나 실제 고출력 레이저들은 이런 현상을 겪지 않는다.

 

 Beam Waist는 레이저 빔이 가질 수 있는 최소한의 지름이고, 레이저의 한계를 재는 데 더 효과적이다. 완벽한 레이저는 회절만이 빔의 두께를 제한하겠지만, 그런 레이저는 존재하지 않는다. 또, 레이저의 출력이 커질수록, 레이저는 회정의 영향을 적게 받는다.

Beam Waist

레이저의 Beam Quality를 측정하는 방법은 M Squared를 사용하는 것이다. M^2는 레이저 빔의 품질(?)을 측정하는 척도로 빔 폭의 제곱이다(Beam waist ^ 2). ex) beam waist가 5이면 M^2는 25다. 회절에 의해 제한을 받는 레이저의 5배라는 뜻이다.

 

현실에서 레이저는 전력도 회절도 아닌 이 M^2값이 레이저의 한계를 조절한다.

 

작은 레이저들은 M^2가 거의 1이지만 큰 레이저들은 M^2값이 수십만이다. M^2값은 레이저 출력과 비례한다.

 

레이저의 모든 요소들이 M^2값에 영향을 준다. 특히 변형 가능한 거울을 써서 레이저 초점을 아주 먼 거리(100km)에 맞출 때 M^2값은 1.5에서 3까지 줄어든다.

군용 레이저

가장 중요한 문제는  Thermal Lensing이다. 레이저에 의해 가열된 여러 가지 레이저 구성요소들이 빔의 초점을 흐뜨려놓는다.

 

Thermal lensing은 M^2값을 레이저 출력과 비례하게 늘린다. 예시를 들어보자면, 레이저 출력이 1KW일때 M^2가 1.5라면, 1MW일 때 M^2는 1500이다.

 

거꾸로 작동하는 렌즈를 만들어보려는 시도도 있었지만, 열 렌즈 효과는 완벽한 렌즈가 만들어내는 효과가 아니다. 열 렌즈 효과는 빔 품질 저하의 주요 원인이다.

 

광섬유 레이저는 열 렌즈 효과의 해결책으로 알려져있다. 극단적인 경우를 제외하면 이 효과에서 벗어날 수 있다고 한다. 그러나 수백 메가와트의 레이저 빔을 전달하는 것은 극단적인 경우에 속한다. 그리고 광섬유 레이저들도 일반적인 레이저들과 비슷한 열 렌즈 효과를 겪는다.

자유 전자 레이저는 열 렌즈 효과를 특정 부품들로 줄일 수 있다.

열 렌즈 효과에 대한 해결 방법 중 가장 큰 발전은 역 열 렌즈 효과이다. 대부분의 물질은 양의 열팽창 계수를 갖고 있지만, 이 물질들은 음의 열팽창 계수를 갖고있고, 열 렌즈 효과를 상쇄할 수 있다. 이론적으로는 열 렌즈 효과를 없앨 수 있지만, 실제로는 M^2값이 여전히 문제가 된다.

 

따라서 레이저를 냉각시켜 주는 것이 중요하다. 레이저를 더 잘 냉각시키려면 레이저의 크기가 커져야 한다.

 

레이저의 비율을 동일하게 유지하면 레이저의 효율이나 출력 전력의 변화를 최소화하면서 레이저의 크기를 늘리거나 줄일 수 있다. 건물 크기의 100 MW 레이저와 손바닥만한 레이저는 효율과 성능 면에서 대략 같은 빔을 생산한다. 다른 점이라면, 손바닥만항 레이저는 발사하면 녹아버린다는 것이다.

 

레이저 크기는 레이저의 열을 얼마나 분산시킬 수 있는지의 문제이다. 열 렌즈 문제를 해결하고 싶다면 커다란 레이저가 필요할 것이다. 레이저의 크기는 냉각과 관련있으며, 레이저가 차가울수록 M^2값은 증가한다.

 

크기는 질량과 관계가 있고, 질량은 우주선에서 중요한 요소이다. 우주에서 레이저의 제한 요소는 일정한 전력이 있을 때 어느 정도의 M^2값을 가질 것인가에서 온다. 라디에이터의 무게 또한 생각해봐야 한다.

열 렌즈 효과를 해결하는 또 다른 방법은 여러 개의 레이저를 합치는 것이다. 이 방법은 beam waist를 선형적으로 늘린다.  Filled Aperture Techniques라는 방법을 사용하면 beam waist를 늘리지 않으면서 레이저 여려 개를 합칠 수 있다. 그러나 이 방법은 최종 레이저 빔에 더 큰 비효율을 만든다. 레이저를 결합하는 이상적인 방법은 여러 개의 레이저를 한 점에 비추는 것이다.

 

하나의 큰 레이저를 사용하는 것과 여러개의 작은 레이저를 사용하는 것은 각각의 장단점이 있다.

 

 

출처: childrenofadeadearth.wordpress.com/2016/07/02/the-photon-lance/

*내가 잘 모르는 내용이 많이 나와서 번역이나 내용이 틀릴 수 있음