사진: 대기에서 발사된 레이저는 볼 수 있다
레이저는 다른 우주선 부품들보다 복잡하다.
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.
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.
사진: 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. △x△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 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.
가운데 얇은 부분이 Beam waist이다.
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.
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.
사진: 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/
*잘 모르는 내용이 많이 나와서 번역이나 내용이 틀릴 수 있음
우주선 한쪽에 빨간색 판은 뭐임
라디에이터 -우주비행 갤러리