펄스 (물리학)

물리학에서 펄스(pulse)는 매질을 통해 이동하는 단일 교란을 설명하는 일반적인 용어이다. 이 매질은 진공(전자기파의 경우) 또는 물질일 수 있으며, 무한히 크거나 유한할 수 있다. 펄스의 이동과 변화는 특정 교란 유형에 해당하는 쌍곡선 PDE 또는 포물선 PDE와 같은 편미분 방정식(PDE)으로 설명될 수 있다.

파동형 펄스의 반사

탄성 매질을 통해 움직이는 변형 펄스를 생각해보자. 이 매질은 밧줄이나 슬링키일 수 있다. 펄스가 매질의 끝에 도달했을 때, 매질이 공간에 고정되어 있는지 또는 끝에서 자유롭게 움직일 수 있는지에 따라 펄스에 어떤 일이 일어날지 결정된다. 예를 들어, 펄스가 밧줄을 통해 움직이고 밧줄의 끝이 사람이 단단히 잡고 있다면, 펄스가 고정된 끝에 접근하고 있다고 말한다. 반면에 밧줄의 끝이 막대기에 고정되어 펄스가 끝에 도달했을 때 막대기를 따라 위아래로 자유롭게 움직일 수 있다면, 펄스가 자유로운 끝에 접근하고 있다고 말한다.

자유로운 끝

그림 1: 펄스가 매질의 끝에 도달하며, 끝점은 자유롭다. 펄스의 연속적인 위치는 검정색, 빨간색, 초록색, 파란색, 검정색, 빨간색, 초록색으로 그려져 있다. 최종 초록색 곡선은 그림 2의 초기 곡선이다.

그림 2: 펄스의 반사. 펄스의 연속적인 위치는 초록색, 파란색, 검정색, 빨간색, 초록색, 파란색으로 그려져 있다. 초기 초록색 곡선은 그림 1의 최종 곡선이다.

펄스는 자유로운 끝에서 반사되어 반사 전과 동일한 변위 방향으로 돌아온다. 즉, 위쪽 변위를 가진 펄스는 끝에서 반사되어 위쪽 변위로 돌아온다.

이는 파동 방정식의 수치 통합을 통해 얻은 그림 1과 2로 설명된다.

고정된 끝

그림 3: 펄스가 매질의 끝에 도달하며, 끝점은 고정되어 있다. 펄스의 연속적인 위치는 검정색, 빨간색, 초록색, 파란색, 검정색, 빨간색, 초록색으로 그려져 있다. 최종 초록색 곡선은 그림 4의 초기 곡선이다.

그림 4: 펄스의 반사. 펄스의 연속적인 위치는 초록색, 파란색, 검정색, 빨간색, 초록색, 파란색으로 그려져 있다. 초기 초록색 곡선은 그림 3의 최종 곡선이다.

그림 5: 그림 3과 4에 해당하는 애니메이션.

펄스는 고정된 끝에서 반사되어 반대 방향의 변위로 돌아온다. 이 경우 펄스는 반전되었다고 말한다. 즉, 위쪽 변위를 가진 펄스는 끝에서 반사되어 아래쪽 변위로 돌아온다.

이는 파동 방정식의 수치 통합을 통해 얻은 그림 3과 4로 설명된다. 또한 그림 5의 애니메이션으로 설명된다.

매질을 가로지르기

다른 덜 무겁거나 덜 밀도가 높은 매질에 연결된 매질에 펄스가 존재할 때, 펄스는 자유로운 끝에 접근하는 것처럼 반사될 것이다(반전 없음). 반대로, 펄스가 더 무겁거나 더 밀도가 높은 매질에 연결된 매질을 통해 이동할 때, 펄스는 고정된 끝에 접근하는 것처럼 반사될 것이다(반전).

광학 펄스

암흑 펄스

암흑 펄스^[1]는 더 강한 연속파 배경에 비해 강도가 국부적으로 감소하여 형성되는 특징이 있다. 스칼라 암흑 솔리톤(선형 편광 암흑 솔리톤)은 비선형 편광 회전 방법을 통해 모드 잠금된 모든 정상 분산 섬유 레이저에서 형성될 수 있으며 상당히 안정적일 수 있다. 벡터 암흑 솔리톤^[2][3]은 두 편광 구성 요소 간의 교차 상호 작용으로 인해 훨씬 덜 안정적이다. 따라서 이 두 편광 구성 요소의 편광 상태가 어떻게 진화하는지 조사하는 것이 흥미롭다.

2008년, 양자점 다이오드 레이저에 포화 흡수체를 사용하여 최초의 암흑 펄스 레이저가 보고되었다.^[4]

2009년, 암흑 펄스 광섬유 레이저는 공동 내 편광자를 포함하는 모든 정상 분산 에르븀 도핑 광섬유 레이저에서 성공적으로 달성되었다. 실험 결과, 밝은 펄스 방출 외에도 적절한 조건에서 광섬유 레이저는 단일 또는 다중 암흑 펄스를 방출할 수 있음이 밝혀졌다. 수치 시뮬레이션을 기반으로, 레이저에서의 암흑 펄스 형성은 암흑 솔리톤 형성의 결과이다.^[5]

2022년, 고체 레이저 내부에 비선형 결정를 사용한 최초의 자유 공간 암흑 펄스 레이저가 시연되었다.^[6]

같이 보기

• 펄스 (신호 처리)
• 솔리톤