신호 캡처 프로세스 기술이 발달함에 따라 그에 수반되는 데이터의 획득에 중국이 상당히 힘쓰고 있습니다
포토닉스가 다양해지는데 있어 그린 레이저가 유용한 수단으로 간주되고있다고 보고 그린 레이저 투사를 이용한 선박의 특징을 데이터화하려는 중국입니다
상대잠수함의 음향특성을 데이터화하려는 각국의 시도와 비슷한 행위라고 보시면 되겠습니다
요즘은 바이오닉스를 이용한 드론, 포토닉스를 이용한 선박정찰이 중국의 미래기술핵심의제사항으로 중국공산당에 어필되고있습니다

선박이나 잠수함 같이 대형이고 느리게 움직이는 물체라면 가능성 있는 얘기죠.
이런 종류는 실시간 감시 안 되고 대기/기상 상태에 따라 띄엄띄엄 감지하더라도 별 문제없고요.

하지만 탄도미사일 같은 경우 크기가 작고 빨라서 빛줄기 사이로 막가식이 될 가능성이 큽니다.
스캐닝 패턴 폭을 좁히면 되긴 하겠지만, 그렇게 하면 감시 영역이 좁아지는 문제가 생기고요.
무엇보다 미사일이 감시 영역안에 있는 짧은 시간내에 포착하는 신뢰성이 문제.

그럼요. 그린레이저는 대미사일/항공기감시용이 아니죠

아래글에서도 이야기 드렸듯이 실시간으로 비행체를 감시하는건 의미가 없습니다.

레이더처럼 입사되는 빔의 입체각이 크면 몰라도 시준(Collimation)되는 빔으로 물체를 탐지추적하겠다는건 그것도 100킬로미터 넘는 상공에서라면 효율이 극악입니다. 무슨 2차세계대전때 폭격기들을 서치라이트로 찾는것도 아니고. 그것도 정지위성처럼 계속 고정된 위치거나 아니면 스타링크처럼 일정간격으로 일렬로 배열시켜서 운영해야 실시간이 가능하죠. 계속해서 상공에서 위치가 바뀌는 저궤도 위성 달랑 한두개로 실시간 모니터링 하겠다는건 쓸모가 없습니다.

단 몇몇 부분을 보충 설명해드리자면

- 빛줄기는 지상에서 관측할수 있느냐 아니냐는 어떤 파장대를 사용하느냐와 얼마만큼의 출력을 사용했느냐를 고려하시면 당연히 출력이 약한 레이저라면 잘 안보일 것입니다만 위에서도 언급했듯이 당장 서치라이트를 생각하시면 됩니다. 출력이 커지면 커질수록 대기산란 때문에 안보일래야 안보일수가 없습니다. 아무리 맑은날씨에 광오염 걱정없는 맑은공기에 습도가 무지낮아도.

아시다시피 지상에서도 저궤도 위성의 경우는 눈으로 볼수 있습니다. 위성플레어라고도 하죠. 위성도 지상에서 볼수 있는데 레이저빔이야. 더군다나 망원경으로 촬영된거라면

https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_flare#/media/File:Flare_Simulation.gif

이건 천체망원경에서 지상에서 대기산란으로 인한 이미지왜곡을 보정하기 위해 개발된 적응광학 기술에서 사용되는 레이저입니다.
https://cdn.eso.org/images/screen/ann15034e.jpg

요건 얼마전에 화제가 되었던 피뢰침의 유도범위를 늘려주기 위해 사용된 레이저
https://media.springernature.com/full/springer-static/image/art%3A10.1038%2Fs41566-022-01139-z/MediaObjects/41566_2022_1139_Fig2_HTML.png?as=webp

그리고 밑에서도 언급했지만 요즘은 레이저로 위성과 통신을 합니다. 무엇보다도 지형학쪽에선 위성을 이용해서 topography기술을 이미 사용합니다. 본문에서도 님이 이미 언급을 하셨던 얘기지만 대기도 마찬가지입니다. 물론 가시광 영역이 일반적인 전파나 적외선대에 비해서 대기중의 반사도(대기자체)가 떨어지긴 합니다만 뭐 레이저야 가시광선대만 있는건 아니죠. 그대신 가시광은 대기중에서 투과도가 좋아서 대기중을 떠도는 물질에서 반사된 또는 산란된 빛을 검출하는데는 더 유리합니다.

레이져가 직선으로 쏜다고 직선으로만 간다고 생각하는 무식한 발상이네요.
상큼~ 합니다.

글 내용이나 좀 제대로 읽으세요.

산란하지 않는다면 직선으로 가죠. 물론 아주 조금 미세하게 퍼지기야 하지만요.

뭔 무식 타령이나 하고 있는지.. 혼자 물리학 새로 쓸 생각이신가요 ?

레이저 스캐닝 패턴을 얼마나 촘촘하게 해야 미사일을 감지할 수 있을 것이며,
그렇다 촘촘하게 하고 감지 범위를 넓히려면 어떻게 해야 할지도 생각 좀 해보시고요.

밤하늘 수놓은 녹색 빛줄기…정체는? ( https://sputnik.kr/news/view/6399 )

위 기사에 나온 사진을 보세요.
레이저가 미세하게 퍼지는 것은 물론이고, 대기중 산란이 심해서 사진에 찍일 정도인데도 불구하고
지상까지 와서도 뚜렸하게 직선의 형태를 보이고 있죠.

이 정도면 현실적으로 실용적인 부분에서 충분히 직선이라 할만하죠.

레이저가 직진성이 좋은건 레이저라는 빔의 고유의 특징이라기보다는 레이저를 발생시키는 광학적 세팅이 기여하는 바가 훨씬 큽니다. 쉽게말해 레이저가 아닌 일반적인 광원들도 거의 레이저와 유사한 수준의 직진성을 만들수는 있습니다. 등대나 서치라이트를 생각하시면 됩니다. 단 이 경우는 빔직경이 일반적인 레이저보다는 크다는 것을 감안할 필요는 있습니다.

사실 레이저는 일반적인 빔에 비해 에너지밀도가 높아 더 멀리나갈수 있기 때문에 보다 직진성이 좋은것처럼 보이는 부분도 있습니다.

빔이 거리에 따라 어느정도 퍼지는지 계산하는건 전문적인 영역이고 여러 개념들을 이해해야 합니다. 또한 보통의 계산식은 가우시안임을 감안하는데 이건 이상적인 상황이고 실제는 그렇지 않습니다.

크게 두가지 세부적으로는 네가지 정도가 빔의 퍼짐에 영향을 줍니다.

1. 파동 고유의 성질
- 산란요소가 없는 완전한 진공에서도 빔은 퍼져나갑니다. 그건 빛은 파동이기 때문에 호이겐스-프레넬원리에 따라 공간속을 진행해 나가기 때문입니다. 빔이 퍼지는 근본적인 원리

- 비슷해 보이는 빔이라도 퀄리티라는 것이 있습니다. 거기에는 파장,빔의 크기 그리고 빔이 어떠한 분포로 퍼져있는지(빔 프로파일)들이 영향을 줍니다. 빔이 퍼지더라도 어떻게 얼마나 퍼지는지를 결정


2. 매질자체 및 매질과의 상호작용에 의한 효과
- (매질자체)... 대기중에선 크고작은 요란이 존재하기 때문에 진공에서와 달리 매질이 균질하지가 않습니다. 공간적 위치에 따라 밀도가 달라지기 때문에 굴절률이 바뀌면서 빔의 퍼지게 됩니다.

- (매질과 빛의 상호작용)... 빔에 의한 가열효과도 영향을 줍니다. 이건 레이저같이 에너지밀도가 높은 빔에서나 의미가 있는데 레이저 정도가 되면 공기분자를 가열시켜서 심지어 플라즈마 상태로 만들어주기도 하죠. 아주 좁은 영역이지만 온도를 수천수만도까지 올려서.  다만 특수한 경우엔 오히려 퍼짐을 줄여주는 경우도 있습니다. 위에서 언급한 피뢰침에서 사용하는 레이저의 경우는 이 원리를 이용합니다. 빔주변을 플라즈마 상태로 만들고 필라멘트화되어 그로인한 굴절률변화가 빔이 일반적 방식처럼 퍼지지 않고 Self-Focusing되도록 합니다.



참고로 누가 계산한걸 가져왔는데 초기빔은 직경 2mm짜리에 고품질 빔프로파일의 일반적인 레이저포인터의 경우입니다. 물론 가우시안빔에 위의 1번조건들만 고려한 것이라 실제는 이와 다를수 있습니다만 대략적인 범위를 이해하는데는 도움이 될 것입니다.

1m - 2.1mm
100m - 7.6cm
1km - 76cm
10 km  - 7.6m
500km - 380m

빔이 퍼지는 것은 양방향 모두 적용되는 얘기입니다.

1 km 에서 76 cm 나 번진다면. 1 km 거리에서 찍는 사진에서는 피사체들이 76 cm 크기로 번져서 찍힌다는 말이 되고, 망원경도 불가능하다는 얘기가 됩니다.
천체 망원경도 아예 불가능.

그 수치들은 레이저포인터에나 적용되는 얘기일 뿐입니다.

또한 그 정도로 번진다면 레이저 무기들은 모두 헛소리가 되고요.
그렇게 많이 번지는데 레이저 무기가 가능할리가 없죠.
겨우 1 km 거리에서도 미사일 탄두 크기보다 더 크게 번진다 ? 말이 안 됨.

본문에서도 언급한 레이저거리측정기는 그럼 어떻게 거리를 측정할까요?
또한 레이더에서 되돌아오는 반사파를 어떻게 다시 검출할 수 있을까요?
그리고 비록 반사경을 사용하긴 했지만 달까지 거리를 측정하는데 레이저를 사용하기도 했습니다

가시광이나 적외선이나 마이크로파나 라디오파나 전부 전자기파입니다. 검출할때는 당연히 되돌아오는 미약한 반사파를 증폭해서 신호처리를 해야죠

너무 당연한 말씀만 하시니, 어떤 의미로 댓글 남기신 것인지 모르겠군요.
제 댓글에 대한 반론이라 하기에는 너무 이상하고요.

위에 당연한 얘기는
"빔이 퍼지는 것은 양방향 모두 적용되는 얘기입니다."
이 얘기를 하셨기 때문입니다.

그리고

Gaussian Beams Calculator
https://www.edmundoptics.co.kr/knowledge-center/tech-tools/gaussian-beams/

여기서 거리(Axial Distance), 빔의 크기(Beam Waist) 그리고 적당한 가시광 파장을 집어넣고 Half Beam Diameter값을 보시면 됩니다. 참고로 이건 위에 언급한 아주 이상적인 퀄리티의 빔일 경우입니다.

레이저무기를 언급하셨으니 파장은 건들지 마시고 당장 위에서 언급한 2mm,100km와 1m(1000mm),100km를 비교해보시면 흥미로운 결과를 보실수 있을 것입니다. 위에서 분명 등대나 서치라이트를 설명하면서 빔의 크기가 크다는 부분을 언급해드렸습니다.
(아래 첫번째 문서에서 (2),(3)식 부근의 설명을 유심히 보시기 바랍니다)

그리고 현재 레이저무기들의 유효사거리는 아무리 길어봤자 100km 이내라고 봐야 합니다. 현재 배치되거나 배치예정인 것들은 기껏해야 수km수준에서 20km범위내. 이것도 같이 넣어 계산해보시기 바랍니다.


이 계산에 대한 정확한 의미를 알고 싶으시면

Gaussian-Beam-Propagation
https://www.edmundoptics.co.kr/resource-page/application-notes/lasers/gaussian-beam-propagation/

Gaussian Beam - Evolving beam width
https://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_beam#Evolving_beam_width

그리고 간략한 그림
https://www.edmundoptics.co.kr/globalassets/knowledge-center/app-notes/lasers/gaussian-beam-propagation-fig-3.png

특별히 레이저 초점 맞추는 기능이 없는 일반적인 레이저 기기의 경우를 말씀드릴께요.
( 거리에 따라 초점 맞추는 기능이 들어가면 레이저 스팟 직경은 대폭 줄어듭니다. )

21,500 원 짜리 레이저포인터 판매 페이지인데요.
( http://www.tmon.co.kr/deal/17836364674 )
15 미터 거리에서 조사할 경우 1 mm 이하의 스팟 직경을 가진다고 되어 있습니다.

오므론의 레이저 포인터 모듈인데요.
( https://kr.misumi-ec.com/vona2/detail/221005331412/?HissuCode=F39-PTJ )
이거 스펙은 산업용으로 판매되는 제품인만큼 과장일 가능성도 없겠죠.
10 미터 거리에서 스팟 직경 6.5 mm

이 정도만 해도 위에서 말씀하신 거리별 빔 직경보다 훨씬 날카로운 지향성입니다.

거리별로 초점 맞추는 기능은 레이저 무기에서는 기본으로 들어가야 하는 것임을 잘 아실 것이고, 거리별 초점 맞추면 조사 직경 역시 대폭 작아질 수 있다는 것은 두 말하면 잔소리겠죠.

레이저로도 위에 말씀하신 정도로밖에 빔을 집속시키지 못 한다면, 망원경등의 광학기기 모두 불가능하다는 소리밖에 안 됩니다.

이건 초점의 문제가 아니라 얼마나 시준시키느갸 중요합니다. 광학계내에서의 초점은 그 시준을 맞추기 위함이구요 ^^

위에 링크글을 읽으셨다면 알수 있겠지만 얼마나 빔의 발산하느냐는 파장과 beam waist와 관련이 있습니다. 파장이야 뭐 직사광선 수준에서는 거기서 거기라고 한다면 실질적으로는 beam waist를 늘려야 합니다. 그래서 등대나 서치라이트 같은 빔이 직진성이 좋다고 한거고. 당연히 레이저포인트의 경우는 beam waist가 작기 때문에 발산이 잘되는 것입니다.

레이저무기로 활용하려면 일정정도 빔의 크기가 커야 합니다.

어떻게 시준시키느냐는 위에 언급한 아래문서에서
https://www.edmundoptics.co.kr/resource-page/application-notes/lasers/gaussian-beam-propagation/

가장 아랫부분의 가우시안빔의 시준 문서를 보시면 됩니다.

그리고 왜 빔의 크기를 키워야 하는지는 (2),(3)식과 그 아래 설명을 보시면 됩니다.

^^

인용해주신 https://www.edmundoptics.co.kr/resource-page/application-notes/lasers/gaussian-beam-propagation/ 이 페이지 어느 부분을 봐도 레이저 출력과 빔 크기간의 상관관계는 없습니다.

공식 1 에서 유일하게 레이저 출력 P 가 거론되긴 하지만, 이건 가우시안 분포를 설명하기 위한 것이고 그 아래 모든 그림, 공식에서는 P 가 전혀 반영되지 않고요.

또한 빔 웨이스트 크기는 렌즈 크기와도 별 관련이 없습니다.
( 물론 렌즈 크기는 빔 웨이스트 크기보다는 커야 함 )

레이저 출력이 늘어날수록 에너지 밀도 관계로 더 큰 렌즈가 필요할텐데, 빔 웨이스트 크기와 렌즈 크기간에 직접적인 상관관계도 없죠. 빔 웨이스트 직경보다 큰 렌즈를 얼마든지 쓸 수 있으니까요.

레이저 출력 강도, 빔 웨이스트 크기, 렌즈 크기는 서로 관련이 없다고 봐야 맞고,
오로지 렌즈의 물리적 에너지 밀도 한계 때문에 레이저 출력과 관련이 있지만, 여기까지만이고 다른 것에는 관련이 없습니다.

이 부분은 늦게서야 봤네요

분명 (2),(3)번 식과 그 밑 설명을 보시라고 말씀드렸는데

빔웨이스트(w0)는 렌즈크기로 결정되는게 아니라 발진기를 통해 나올때의 빔의 크기를 말하는 것입니다. 광원자체에서 나오는 빔의 크기입니다. 렌즈는 그냥 시준내지 빔의 크기를 키우고 줄이는 등의 도구일뿐이지 그 자체는 중요하지 않습니다. aperture의 개념을 잘 이해를 못하신것 같네요.

빔웨이스트는 카메라로 치면 aperture(조리개 = 입사동,출사동)에 해당합니다. 그리고 이 aperture는 광학계의 회절문제에서 중요한 요소입니다.  물론 렌즈로 빔을 키우고 줄이는 과정에서 빔선속이 변화지만 렌즈자체는 빛파동의 "근원적인" 발산과는 아무런 관계없습니다. 단지 빛을 굴절시켜서 강제적으로 빔의 선속을 변화시키는 것입니다. (물론 이 과정에서 렌즈가 전혀 영향이 없는건 아닙니다.)
 
레이저무기에서 빔의 크기를 키워야 한다는건 렌즈로 빔의 크기를 키운다는게 아니라 발진기에서 나올때의 빔의 크기를 말하는 것입니다. 등대나 서치라이트의 경우도 애초 빛을 발생시키는 광원의 빔웨이스트가 크다는 것을 의미합니다.

그리고 레이저 출력은  펄스레이저같은 추가적인 광학계가 부착되지 않는 이상 기본적으로 gain medium에 대한 펌핑능력이나 공진기와 연관되어 있습니다. 렌즈는 단지 광선속을 원하는 방식으로 변화시키는 도구입니다.
 
^^

물론 렌즈 크기는 빔 웨이스트 크기보다는 커야 함 --- 이 말을 괜히 추가해서 댓글만 늘렸네요. ^^; 이건 다른 사람들을 위해서 추가한 얘기인데..

말씀하신 사항은 잘 알고 있습니다.

레이저 출력 강도와 빔 웨이스트 크기는 상관없다는 얘기를 하는 것이고요.

근접 거리 용도라면 레이저 출력이 MW 단위라도 빔 웨이스트 크기는 몇 mm 가 될 수 있죠. 빔 웨이스트 크기는 목표물과 거리와 더 큰 관계가 있다는 얘기.

서치라이트 등에서 빔 웨이스트 크기가 큰 것은 빛이 강해서라 아니라, 광원이 크기 때문입니다. 빛이 단일 파장이 아닌 것은 덤.

레이저 광원의 크기가 큰 경우 첫번째 렌즈를 통과해서 나온 출력 빔 웨이스트가 두 번째 렌즈로 들어가는 입력 빔 웨이스트가 되게 하면 두 번째 렌즈의 입력/출력 빔 웨이스트 크기는 최적의 크기가 되게 조정할 수 있거든요.

따라서 광원의 크기가 얼마인가 역시 전혀 방해가 되지 않습니다. 광원의 크기가 크면 광학계가 커지기만 할 뿐이고, 얼마든지 위의 계산식들에서 나오는 최적 빔 웨이스트 크기로 작게 만들 수 있으니까요.

레이저 조사 거리에 따라 줌 렌즈 식으로 초점거리 바꾸고 최적 빔 웨이스트 크기를 만들어내면 이론적 공식에서 나오는 목표물 도달시 최소 빔 직경을 실현할 수 있겠고요.

서치라이트 부분까지는 이해하셨다고 하니 넘어가겠습니다.

빔웨이스트 부분을 렌즈를 가지고 원하는대로 조정할 수 있고 광원의 크기가 문제가 안되는 부분을 설명 드리겠습니다.

우리가 눈으로 볼수 있는 범위의 광학시스템을 이해할 때는 보통 기하광학적인 관점에서 바라봐도 크게 상관없습니다. 쉽게 말해 빛을 그냥 광선(Ray)의 경로 및 변화로만 놓고보면 됩니다. 하지만 그런식으로 잘 설명이 안되는 현상들이 존재합니다.

과잉무지개 (Supernumerary Rainbows) (빛을 파동의 관점에서)
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Supernumerary_Rainbows.jpg
https://qph.cf2.quoracdn.net/main-qimg-71172dc3f68d4a579cf7057a94ba3073.webp

이건 일반적인 기하광학에서의 무지개 설명 (빛을 광선의 관점에서)
https://nigerianscholars.com/assets/uploads/2018/10/Figure2026_05_04.jpg

해당문서의 가우시안 빔에서 나타나는 빔웨이스트 w0는 대략 회절한계를 고려해서 가장 작은 w0를 가정한 것입니다. 이런 경우에는 단순히 기하광학적으로 설명한 것이 아니라 파동방정식에서 다룬뒤 계산해 낸 것들입니다.

기하광학 관점에서라면 그냥 얼마든지 빔의 크기를 키우고 줄이고 한계가 없습니다. 전파되는 과정에서 왜곡이 없죠. 물론 현실적인 렌즈의 경우 완전한 원형,포물선,쌍곡선들이 아니고 또한 빛이 단일 파장이 아니기 때문에 수차라는게 발생하기는 합니다만 이걸 고려하지 않는다면 이상적으론 왜곡이 없습니다.

하지만 빔과 관련해서 파동성이 중요해져서 회절을 고려해야 할 경우엔 기존의 기하광학에서 예상하는 것처럼 행동하지  않습니다. 당장 w0를 무한정 줄일수가 없습니다. 또한 w0는 가우시안 빔이라는 가정을 한 것입니다만 회절한계내에서 w0를 넘어 w'를 키우게 되면 더이상 가우시안 빔이 아니게 됩니다. 이때 beam quality facter M^2가 변하게 됩니다. 쉽게말해  빔 프로파일이 변하게 된다는 것입니다. 빔 프로파일이 변하게 되면 다시 발산특성이 변하게 되요. 익히 알고 있는 가우시안 빔처럼 행동하지 않는다는 뜻이 됩니다

그래서 w0를 w'로 자유자재로 조절하면 광원의 크기가 문제가 되지 않는다는 성립이 안되는 것입니다. 괜히 w0를 못박아넣고 거기에서 출발하는 것이 아닙니다. 만약 이걸 고려하지 않으면 님 말씀처럼 w0를 렌즈를 이용해서 맘대로 재정의 시킬수가 있죠. 하지만 그건 위에서 언급했듯이 빔의 크기만 늘어난다고 생각하면 안됩니다. 물론 애초 광학시스템이 일정이상 큰 경우를 다룰땐 이런 회절특성을 무시할 수 있는 수준으로 줄어듭니다.

w0는 어떠한 방정식에서 더이상 유래를 밝힐수 없는 초기값에 해당합니다. 가공되지 않은 값입니다. 이걸 w'로 변경해서 또 다른 초기값으로 만든다면 방정식에서 초기값이 w0일때  특정파라미터가 1이였던 것이 더이상 1이 아니게 됩니다. 애초 방정식내에서 w값의 함수인 파라미터가 존재합니다. 단지 이상적인 조건일때 1로 고정되는 것 뿐인거죠. 애초 w0가 현실에선 완전한 가우시안일수조차 없습니다.

이건 아래 문서를 참고하시기 바랍니다
https://www.edmundoptics.co.kr/knowledge-center/application-notes/lasers/beam-quality-and-strehl-ratio/

https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_beam_quality

휴.. 옛날에 개인적으로 필요해서 레이저 광학계를 만들어본 적이 있는데, 그 때는 이 앞에 링크해주신 수준 정도만으로도 가능했었는데 지금은 거의 다 까먹은 상태고요.

그 당시 썼던 광학계 시뮬레이션 프로그램이 뭐였는지도 까먹음. ㅠㅠ

대형 광원을 다뤄보진 않았으니, 지금 링크해주신 것들을 천천히 읽어봐야겠군요.

감사드리면서, 이 글과 댓글은 이쯤에서 문 닫으려 합니다.

어차피 실험실내 광학테이블 수준에서는 적당히 시준만 잘 시킨다면 레이저빔의 발산특성까지 크게 고려할 필요는 없습니다. 어차피 발산해도 다시 맞춰주면 되니까요. 그것보다는 실제 실험실 수준에서 골치아픈 부분은 빔 프로파일입니다. 빔을 최대한 가우시안 형태의 대칭적인 형태를 맞춰여야 하는데 렌즈라든지 빔스플리터라든지 미러를 통과하면서 왜곡된 형태로 프로파일이 변합니다. 복잡한 시스템이라면 이거 맞추는것이 정말 성격테스트라고 할정도로 인내심을 요구합니다.

하지만 지금까지 이야기한 레이저무기라든지 장거리 탐지 및 추적과 관련해선 발산특성이 매우 중요해집니다. 이건 굳이 설명을 할 필요도 없는 부분이고 이것 때문에 길게 이야기를 한 것입니다.

군용 레이저 무기의 경우 빔 직경이 얼마인지 나온 것을 찾기가 어렵네요.

지향성 에너지 빔 무기(Directed Energy Beam Weapon) 체계
( https://m.blog.naver.com/mc341/70047273309 )

위에 보니 ATL 의 경우 빔 직경이 보통 10 ~ 30 cm 라 하는군요.
사거리는 수 km 짜리인 그냥 비살상 소형 전술 레이저.

한번 계산식에 입력을 해보세요 ^^

엑셀에 넣어서 하려다가 검증도 해야 하고 더블체크도 체크해야 하니
더블체크하기 위한 도구로서

말씀해주신
Gaussian Beams Calculator
https://www.edmundoptics.co.kr/knowledge-center/tech-tools/gaussian-beams/
이 계산 페이지를 먼저 써봤고요.

위 계산 페이지에서

Axial Distance, z (mm): 는 1000000 넣었고 ( 1 km )
Wavelength, λ (μm): 는 디폴트로 나온 0.633 그대로 했고요.
Beam Waist, ω0 (mm): 를 축차비교법으로 최상의 결과를 뽑으니 대강 14.2 mm 가 나오는군요. 따라서 렌즈 통과전 빔 웨이스트의 반경을 14.2 mm 로 함.

결과는
Half Beam Diameter, ω(z) (mm): 20.07437
Half Angle Divergence, θ (mrad): 0.01419

**** 결론은 사거리 1 km 에서 빔 직경을 4 cm 로 억제 가능하다입니다.

렌즈 직경이 4 cm 보다는 무조건 클테니
https://www.edmundoptics.co.kr/resource-page/application-notes/lasers/gaussian-beam-propagation/

위 페이지에 나온 그림 9 의 첫번째 그림과 유사하며, 그림 8 과 거의 같은 형태가 되겠군요.

Axial Distance, z (mm): 100000000 ( 100 km )
Wavelength, λ (μm): 0.633
Beam Waist, ω0 (mm): 142

위와 같이 넣으니
Half Beam Diameter, ω(z) (mm): 200.75270
Half Angle Divergence, θ (mrad): 0.00143

**** 결론은 사거리 100 km 에서 빔 직경을 40 cm 로 억제 가능하다입니다.

저 위 댓글에서 말씀하신 것에 비해 엄청나게 날카로운 빔 직경이 가능한데요.

위에서 오류가 있는지 살펴봐주시기 바랍니다.

Axial Distance, z (mm): 500000000 ( 500 km )
Wavelength, λ (μm): 0.633
Beam Waist, ω0 (mm): 317

위와 같이 넣으니
Half Beam Diameter, ω(z) (mm): 448.87728
Half Angle Divergence, θ (mrad): 0.00064

**** 결론은 사거리 500 km 에서 빔 직경을 90 cm 로 억제 가능하다입니다.

다잇글힘님께서 500 km 에 무려 380 미터라고 적어주신 것에 비해 1/423 밖에 안 됩니다.

고도 500 km 궤도 인공위성에서 쏠 경우 빔이 380 미터 직경(반경 ?)으로 퍼진다 할 경우 도저히 실용적으로 쓸 수 없죠.

위에 링크한 페이지에 찍혔듯이 인공위성에서 쏜 레이저가 빛줄기로 보이려면 레이저 빔이 380 미터 직경(반경 ?)으로 퍼져서는 불가능합니다. 그리고 그 빛줄기가 지상 물체에서 반사한 빛이 인공위성으로 돌아갈 때면 엄청나게 약한 신호가 될 수밖에 없고요.

------------

지구에서 달로 레이저 쏠 경우를 가정해서 고도 38 만 km 의 경우

Axial Distance, z (mm): 380000000000 ( 38 만 km )
Wavelength, λ (μm): 0.633
Beam Waist, ω0 (mm): 8750

위와 같이 넣으니
Half Beam Diameter, ω(z) (mm): 12374.67262
Half Angle Divergence, θ (mrad): 0.00002

**** 결론은 지구와 달의 거리 38 만 km 에서 빔 직경을 약 25 미터로 억제 가능하다입니다. ( 물론 이론상 한계 )

이거보다 조금 더 번지는 정도라야 지구와 달 사이 레이저 통신도 가능하겠고, 달에 있는 거울에 레이저 쏴서 지구와 거리 측정도 가능하겠고요.

그냥 숫자 넣다보니 Beam Waist, ω0 (mm) 를 무려 8750 으로 넣었네요.
이러면 렌즈 크기가 너무 커지니 비현실적.

렌즈 크기가 2 미터 좀 넘는 정도가 되도록 Beam Waist, ω0 (mm) 를 1000 으로 했더니
Half Beam Diameter, ω(z) (mm): 76572.79004
Half Angle Divergence, θ (mrad): 0.00020

빔 직경이 153 미터가 되네요. 이 정도면 나쁘지 않은 수준.

위의 계산 과정을 보면 알 수 있듯이 빔 직경의 제곱과 사거리가 비례합니다.
빔 직경의 제곱은 빔이 닿는 부분 면적과 같습니다. 즉 목표물에 닿는 면적과 사거리가 비례.
이 말은 목표물에 닿는 면적당 에너지를 동일하게 하려면 거리에 비례하는 레이저 출력이라야 한다는 얘기고요.
1 km 거리에서 목표물 파괴에 50 KW 가 필요했다면, 10 km 거리에서는 500 KW 가 필요하다는 뜻.

10 km 정도면 이론적으로도 빔 직경이 12.6 cm 이상이라야 합니다. 현실적으로 직경 25 cm 까지도 퍼질 수 있다 봐야죠.

이 말은 레이저 무기로는 사거리 10 km 가 넘으면 작은 목표물의 경우 에너지가 목표물에 전달되는 비율이 급격히 하락한다는 의미고요.

전통적인 이론에 따른 레이저 무기로는 단거리 공격/방어만 의미있다는 얘기.

위에 나온 전통적 이론에 의한 렌즈를 쓰는 방식은 전파로 치면 접시 안테나를 쓰는 것과 비슷합니다.

이미 레이저 무기들은 레이저 발신기를 다수 동시 발사하는 방식으로 되어 있고, 이 발신기들의 위상을 각각 제어하면 AESA, PESA 레이더의 위상 배열 안테나와 비슷한 역할을 할 수 있습니다.

즉 위상배열레이더가 접시 안테나에 비해 지향성을 극도로 높였듯이 ( 빔 직경 축소 ) 레이저 무기에서도 같은 변화가 일어나는 것이 가능하죠. 위에 나온 전통적 이론보다 훨씬 더 빔 직경을 좁혀서 같은 출력으로도 더 강력한 효과를 낼 수 있다는 얘기.

레이저 발신기 각각의 위상제어도 이미 시작된 분야입니다.

각각의 개별적인 용도의 무기로서의 실용성을 고려해서 가용가능한 출력범위를 어느정도로 잡을것이냐에 그리고 대기산란과 흡수 또는 날씨를 고려한 빔출력의 감쇄 이에 따른 적절한 파장대의 레이저선택 그리고 어떠한 크기나 재질을 고려해서 어떠한 타겟을 대상으로 할것이냐 등 어떤 빔프로파일과 크기를 선택할 것이냐를 위해 고려할 것은 많을 것입니다. 그리고 꼭 빔을 시준시킬 필요는 없습니다. 의학기기나 커팅기계들에서처럼 포커싱을 할 경우 다시 고려할 수 있는 부분이 생기죠.

위상배열레이더 이야기를 하셨는데 굳이 레이저를 언급하지 않아도 마이크로파 영역의 메이저(Maser)가 있습니다. 군사적으로 특정대상의 움직임을 탐지추적하는 것이 목적이라면 굳이 가시광을 선택할 이유는 없습니다.

만약 메이저가 다른 전문분야에서처럼 군사용으로도 사용된다면 안테나 방식에 비해서는 노이즈라든지 날씨영향을 덜 받는다든지 해상도라든지 탐지거리라든지 부분에서는 잇점이 있을 것입니다만 글쎄요 당연히 안테나 방식에 비해선 탐지범위는 좁혀질 수밖에 없기 때문에 시스템의 특성상 안테나 방식보단 높은 출력을 요구하고 거기에 탐지범위를 넓혀야 하니 에너지 소비가 커질 것입니다. 소형화 한다면 특수목적이거나 일반적인 목적이라면 안테나 방식보다는 시스템이 거대해져야 합니다.

하지만 이걸 위상배열방식으로 사용한다면.. 글쎄요. 메이저쪽은 모르겠고 찾아보니 레이저 다이오드를 이용한 거리측정방식의 광위상배열 LADAR(또는 LIDAR)는 이미 연구가 되고 있습니다. 단지 광기반이다보니 기술적인 부분을 고려하지 않더라도 에너지소모를 고려하면 군사용보다는 현재까지는 주로 상업적인 용도로 개발이 되고 있는 것으로 보입니다. 메이저보단 레이저를 사용하는건 기술적인 면에서 이미 널리 쓰이는 기술이고 에너지 소모가 적기 때문일 것입니다.

레이저 무기에서도 반도체 레이저를 쓰기도 하는 모양이더군요.

AESA 레이더마냥 반도체 레이저를 수천 수만개를 쓰는 식으로 한다면 장거리 공격/방어 체계로 쓰는 것도 가능할걸로 봅니다. 물론 지금 당장은 아니지만.. ( 반도체 레이저는 위상 제어하기도 훨씬 간편 )

레이저 무기에서 쓰는 광선의 파장은 AESA 레이다에 비해 매우 작죠.
즉 AESA 레이다에 비해 훨씬 작게 만들 수 있는 잠재력이 있다는 얘기입니다.

잠재력이 있다고만 하는 이유는 냉각장치 문제 등 아직은 AESA 레이더보다 훨씬 작게 만들기에는 좀 난점이 있기 때문.

ps. 레이저를 탐색추적에 쓰는 것 얘기와 목표물을 무력화하는 레이저 무기 얘기가 뒤섞이기 시작했네요. 뭐 둘 다 그리 동떨어진 얘기는 아니니 별 상관은 없겠네요.