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문제 정의
- 본 논문에서는 반도체레이저를 여기원으로 사용하여 접힌각 내부공진기형 Nd:S-VAP 레이저의 제2고조파 출력특성을 측정하고 해석하였으며, Nd:S-VAP가 컴팩트한 마이크로칩 레이저 매질로 적합함을 알아보았다.
제안 방법
- 고강도의 레이저 펄스를 생성시키기 위한 Q-스위치는 Q-변환효율이 좋고, 능동적으로 변조할 수 있는 전기광학 방법을 이용하였다. 레이저빔을 선편광(P편광)된 성분으로 만들기 위해 편광자를 사용하였고 광축에 대해 약 56º로 놓았을 때 가장 효율이 좋았으며, 이때 편광된 레이저빔에 대해서 95% 투과율을 갖는 것으로 측정되었다.
- 공진기는 하나의 평면거울과 두 개의 오목거울로 이루어진 접힌각 형태를 이용하였다. 전반사 거울은 평면거울로 크기가 10×10×2mm3이며 808nm에서 무반사, 1064 nm에서 전반사 코팅을 하였다.
- 식 (5)의 Ln은 제2고조파로 변환된 에너지 전부가 출력된다는 것을 의미한다. 그러나 본 연구에 사용된 출력거울의 코팅상태로 볼 때 제2고조파에 대한 반사 손실을 무시할 수 없기 때문에 제2고조파에 대한 공진기내에 잔류하는 손실 즉, 줄력거울과 전반사거울에서의 제2고조파에 대한 반사 손실 및 비선형 결정에서의 손실 등을 측정하여 얻은 10.7%를 Ln에 반영시켜 내부공진기의 제2고조파 출력을 계산하였다.
- 6kV일 때 가장 좋은 레이저 발진특성을 보였다. 레이저 출력 펄스파형은 상승시간 2ns의 특성을 갖는 실리콘 에버란치 포토다이오드(Hamamatsu:S-2382)와 200 MHz의 디지털 오실로스코프(Tekttonix:TDS820)로 측정하였다.
- 반도체 레이저로 단면여기시킨 Nd:S-VAP 레이저의 내부공진기 제2고조파 출력특성을 조사하였다.
- 출력거울은 직경이 1 inch에 곡률반경이 120 mm이며, 입사각도 15º에서 1064 nm와 532 nm에 대해 각각 전반사, 무반사 코팅을 하였다. 비선형 결정에 기본파를 집속 시키기 위한 전반사 거울은 직경 1 inch, 곡률반경이 60 mm로 1065 nm와 532 nm에 대해 모두 전반사 코팅을 하였다. 비선형 결정내에서 기본파의 빔 단면적을 좁게 형성시키기 위하여 출력 거울과 전반사 거울의 곡률반경을 각각 120mm와 60mm로 사용하였고, 전체 공진기 길이는 약 300mm이다.
- 타원형태로 발진하는 여기광을 레이저 매질에 효과적으로 집속시키기 위해 콜리메이터 렌즈와 정형 프리즘 쌍 및 집속렌즈로 이루어진 집속광학계를 사용하였다. 여기 방법은 단면여기를 사용하여 레이저 매질 단면에 집속시켜 여기광과 레이저 발진모드를 일치시켜 쉽게 발진할 수 있도록 하였다.
- 전반사 거울은 평면거울로 크기가 10×10×2mm3이며 808nm에서 무반사, 1064 nm에서 전반사 코팅을 하였다. 출력거울은 직경이 1 inch에 곡률반경이 120 mm이며, 입사각도 15º에서 1064 nm와 532 nm에 대해 각각 전반사, 무반사 코팅을 하였다. 비선형 결정에 기본파를 집속 시키기 위한 전반사 거울은 직경 1 inch, 곡률반경이 60 mm로 1065 nm와 532 nm에 대해 모두 전반사 코팅을 하였다.
- 출력되는 레이저의 빔 특성을 해석하기 위하여 먼저 발산각을 측정하였다. 측정값은 수직, 수평에 대하여 각각 2.
- 2%를 얻었다. 출력되는 제2고조파를 이론을 통하여 계산한 결과 여기에너지 2mJ에서 138μJ의 출력에너지를 얻어 이론적인 해석 근거를 제시하였다. 제2고조파의 Q-스위치 특성은 여기에너지 2mJ에서 출력 펄스폭 26 ns에 펄스당 에너지 15μJ로 첨두출력 577 W인 깨끗한 펄스를 얻었다.
- 그림 5에는 제2고조파의 출력 스펙트럼을 나타내었다. 출력되는 제2고조파의 파장변화를 측정하기 위하여 0.1 nm의 파장분해능을 갖는 스펙트럼 분석기(Anritsu:MSPO30A)를 사용하였다. 측정된 중심발진 파장은 532.
- 6nm이며 수직, 수평 발산각은 각각 28°, 10º이다. 타원형태로 발진하는 여기광을 레이저 매질에 효과적으로 집속시키기 위해 콜리메이터 렌즈와 정형 프리즘 쌍 및 집속렌즈로 이루어진 집속광학계를 사용하였다. 여기 방법은 단면여기를 사용하여 레이저 매질 단면에 집속시켜 여기광과 레이저 발진모드를 일치시켜 쉽게 발진할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 이용하였다. 본 실험에서는 KD*P(KD2PO4)로 구성된 직경 10 mm의 전기광학소자(Cleveland Crystals :QX1020)와 구동원으로 1~9999㎲까지 지연시간을 조정할 수 있는 고전압 펄스발생기 (Lasermetrics :GP4)를 사용하였다.
- 비선형 결정에 기본파를 집속 시키기 위한 전반사 거울은 직경 1 inch, 곡률반경이 60 mm로 1065 nm와 532 nm에 대해 모두 전반사 코팅을 하였다. 비선형 결정내에서 기본파의 빔 단면적을 좁게 형성시키기 위하여 출력 거울과 전반사 거울의 곡률반경을 각각 120mm와 60mm로 사용하였고, 전체 공진기 길이는 약 300mm이다. 레이저 매질은 809 nm를 중심으로 강력한 흡수 파장영역을 형성하며 중심 파장 1065 nm에서 발진하는 Nd3+이 0.
- Nd:S-VAP 결정과 전반사 거울의 사이는 얇은 종이 한 장 정도의 간격을 유지하고 있다. 비선형 결정은 비선형광학 계수가 크고, 위상정합 허용도와 허용온도 및 손상 문턱값이 큰 5×5×5 mm3 크기의 KTiOPO4(KTP) type Ⅱ를 이용하였다.
- 개략도를 나타내었다. 여기원으로 사용된 반도체레이저는 양자우물 구조의 GaAlAs계 Quasivw 반도체레이저(SDL-2272-P1)로 펄스 당 에너지 1J에 펄스폭을 500 ms까지 가변시킬 수 있다. 동작온도 28.
- 형태를 이용하였다. 전반사 거울은 평면거울로 크기가 10×10×2mm3이며 808nm에서 무반사, 1064 nm에서 전반사 코팅을 하였다. 출력거울은 직경이 1 inch에 곡률반경이 120 mm이며, 입사각도 15º에서 1064 nm와 532 nm에 대해 각각 전반사, 무반사 코팅을 하였다.
- 1 nm의 파장분해능을 갖는 스펙트럼 분석기(Anritsu:MSPO30A)를 사용하였다. 측정된 중심발진 파장은 532.8 nm, 반치폭(FWHM)은 1.22nm로 측정되었다.
이론/모형
- 첨두출력이 큰 레이저 펄스를 생성하기 위하여 Q-변환효율이 좋고, 능동적으로 변조할 수 있는 전기광학 Q-스위치 방법을 이용하였다. 본 실험에서는 KD*P(KD2PO4)로 구성된 직경 10 mm의 전기광학소자(Cleveland Crystals :QX1020)와 구동원으로 1~9999㎲까지 지연시간을 조정할 수 있는 고전압 펄스발생기 (Lasermetrics :GP4)를 사용하였다.
성능/효과
- 그림에서 실선은 측정 데이터를 이용하여 fitting한 것으로 발진 문턱값이 41 μJ까지도 낮아질 수 있다는 것을 알 수 있다. Nd:S-VAP 매질은 유도방출 단면적과 형광수명의 곱이 커 Nd:YAG 매질과 비교하여 기본파 발진에서 뿐만 아니라 내부공진기를 이용한 제2고조파 발생에서도 낮은 발진문턱값을 갖는다[5,11]는 것을 확인할 수 있었다.
- 이것은 Nd:YAG 매질이 통상 펄스폭 300㎲ 부근에서 가장 높은 효율을 보이는 것과 비교하면 Nd:YAG 매질에 비해 Nd:S- VAP 매질이 여기원인 반도체레이저를 3배 더 효과적으로 사용할 수 있음을 의미한다.[5] 여기에너지 2mJ에서 제2고조파에너지 126 μJ를 출력시켜 발진효율 6.3%, 기울기효율 8.2%를 얻었다. 측정한 데이터를 그림에서 •으로 나타내었다.
- 4F3/2 → 4Il1/2 천이에서 유도방출 단면적(5×10-19cm2)과 형광수명(230㎲)의 곱이 Nd:YVO4를 포함하는 그 어느 결정보다도 크기 때문에 보다 낮은 발진 문턱값을 가져 컴팩트한 마이크로칩 레이저에 적합한 매질로 평가된다.[5] 컴팩트한 마이크로칩 레이저의 여기원으로서 반도체 레이저는 발진파장과 레이저 매질의 흡수파장이 잘 일치하여 열부하도 적고, 고품질의 레이저를 실현시킬 수 있게 되었으며, 레이저의 수명도 여기원으로 램프를 사용할 때 보다 더 길어지게 되어 기존의 램프류를 대체할 수 있게 되었다. 결과적으로 고출력 반도체레이저를 여기원으로 하는 고체레이저는 전 고체레이저 장치로서 고효율, 고품질, 긴 수명 및 소형화 등을 가능하게 하였다.
- [5] 컴팩트한 마이크로칩 레이저의 여기원으로서 반도체 레이저는 발진파장과 레이저 매질의 흡수파장이 잘 일치하여 열부하도 적고, 고품질의 레이저를 실현시킬 수 있게 되었으며, 레이저의 수명도 여기원으로 램프를 사용할 때 보다 더 길어지게 되어 기존의 램프류를 대체할 수 있게 되었다. 결과적으로 고출력 반도체레이저를 여기원으로 하는 고체레이저는 전 고체레이저 장치로서 고효율, 고품질, 긴 수명 및 소형화 등을 가능하게 하였다.
- 레이저빔을 선편광(P편광)된 성분으로 만들기 위해 편광자를 사용하였고 광축에 대해 약 56º로 놓았을 때 가장 효율이 좋았으며, 이때 편광된 레이저빔에 대해서 95% 투과율을 갖는 것으로 측정되었다. 전기광학소자에 주어지는 인가전압은[9] 약 3kV로 계산되었으나 실제 실험에서는 3.
- 따라 결정된다. 반도체레이저의 구동 펄스폭을 900μs로 고정시킨 후 고전압펄스의 시간지연을 10μs씩 변화시켜가며 측정하여 지연시간이 890μs 일 때 가장 좋은 결과를 얻게 되었다. 그림 6에 전기광학소자의 인가전압 3.
- 측정한 데이터를 그림에서 •으로 나타내었다. 실선은 본 실험조건을 대입하여 계산한 값으로 여기에너지 2 mJ에서 제2고조파 출력에너지는 138μJ이었으며 발진효율 6.9%, 기울기 효율은 8.7%로 나타났다. 실험에서 얻은 레이저출력 에너지와 계산 결과 사이에 발생한 약간의 차이는 사용된 모든 식에서 위상차 Δk가 0으로 가정된 상태에서 계산하였기 때문에 KTP의 온도 상승 및 기본파의 발산각 등에 의해 발생하는 위상차의 영향을 적용시키지 못했고, 접힌각 공진기 구조에 의한 수차 등이 레이저 출력에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 7%로 나타났다. 실험에서 얻은 레이저출력 에너지와 계산 결과 사이에 발생한 약간의 차이는 사용된 모든 식에서 위상차 Δk가 0으로 가정된 상태에서 계산하였기 때문에 KTP의 온도 상승 및 기본파의 발산각 등에 의해 발생하는 위상차의 영향을 적용시키지 못했고, 접힌각 공진기 구조에 의한 수차 등이 레이저 출력에 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 81 μJ로 측정되었다. 이것으로 Nd:S-VAP 매질은 내부공진기를 이용한 제2고조파에서도 쉽게 발진됨을 알 수 있었고, 컴팩트한 마이크로 칩 레이저 매질로서 가능성을 확인하였다. 제2고조파의 출력은 여기에너지 2 mJ에서 126 μJ로 측정되어 발진 효율 6.
- Nd:S-VAP 매질은 여기광의 펄스폭이 900㎲일 때 가장 높은 출력효율을 보인다. 이것은 Nd:YAG 매질이 통상 펄스폭 300㎲ 부근에서 가장 높은 효율을 보이는 것과 비교하면 Nd:YAG 매질에 비해 Nd:S- VAP 매질이 여기원인 반도체레이저를 3배 더 효과적으로 사용할 수 있음을 의미한다.[5] 여기에너지 2mJ에서 제2고조파에너지 126 μJ를 출력시켜 발진효율 6.
- 레이저빔을 선편광(P편광)된 성분으로 만들기 위해 편광자를 사용하였고 광축에 대해 약 56º로 놓았을 때 가장 효율이 좋았으며, 이때 편광된 레이저빔에 대해서 95% 투과율을 갖는 것으로 측정되었다. 전기광학소자에 주어지는 인가전압은[9] 약 3kV로 계산되었으나 실제 실험에서는 3.6kV일 때 가장 좋은 레이저 발진특성을 보였다. 레이저 출력 펄스파형은 상승시간 2ns의 특성을 갖는 실리콘 에버란치 포토다이오드(Hamamatsu:S-2382)와 200 MHz의 디지털 오실로스코프(Tekttonix:TDS820)로 측정하였다.
- 일자형 공진기에서 공진기를 최적화시킨 조건인 곡률반경 120 mm, 반사율 73%를 갖는 줄력거울을 사용하였을 때 Q-스위치된 기본파의 출력에너지는 33μJ이었다[10]. 접힌각 공진기에서 Q-스위치된 제2고조파의 출력에너지 15μJ은 일자형 공진기에 비해 공진거리가 약 2배 이상 길어졌고, 접힌각에 의한 수차의 영향 등을 감안할 때 저출력에서 비교적 효율 높게 제2고조파 에너지가 얻어졌음을 알 수 있다.
- 제2고조파의 Q-스위치 특성은 여기에너지 2mJ에서 출력 펄스폭 26 ns에 펄스당 에너지 15μJ로 첨두출력 577 W인 깨끗한 펄스를 얻었다. 제2고조파의 스펙트럼 반치폭은 1.22 nm, M2는 수직, 수평에 대해 가각 1.1, 1.9로 평균 1.47을 나타내어 우수한 결과를 보였다.
- 이것으로 Nd:S-VAP 매질은 내부공진기를 이용한 제2고조파에서도 쉽게 발진됨을 알 수 있었고, 컴팩트한 마이크로 칩 레이저 매질로서 가능성을 확인하였다. 제2고조파의 출력은 여기에너지 2 mJ에서 126 μJ로 측정되어 발진 효율 6.3%, 기울기 효율 8.2%를 얻었다. 출력되는 제2고조파를 이론을 통하여 계산한 결과 여기에너지 2mJ에서 138μJ의 출력에너지를 얻어 이론적인 해석 근거를 제시하였다.
- 빔 질을 평가하는 M2는 M2= πrsθ/λ로부터 구할 수 있는데, 여기서 rs는 집속 빔 반지름, θ는 발산각, 그리고 λ는 레이저 발진파장을 의미한다. 집속된 빔의 반지름은 수직, 수평에 대하여 각각 68 μm, 75μm로 측정되어 M2는 수직, 수평에 대하여 각각 L1, 1.9이고, 평균값은 L47로 우수한 빔 특성을 얻었다. 그림 5에는 제2고조파의 출력 스펙트럼을 나타내었다.
- 측정하였다. 측정값은 수직, 수평에 대하여 각각 2.7mrad, 4.3 mrad으로 수직 발산각에 대해 수평 발산각이 1.6배 큰 타원 형태를 나타내었다. 이것은 반도체레이저로부터 나오는 광을 집속광학계로 집속시켰을 때 측정한 수평 스폿 직경이 수직에 대해 1.
- 여기에너지 2 mJ에서 Q-스위치된 제2고조파 출력 에너지 15μJ을 얻었고, 펄스폭 26 ns로 첨두출력은 577 W였으며 이 때의 펄스 형태를 그림 7에 나타낸다. 펄스 형상은 낮은 에너지에서도 비교적 깨끗한 형태를 보이고 있어 공진기가 잘 구성되었음을 간접적으로 알 수 있었다. 일자형 공진기에서 공진기를 최적화시킨 조건인 곡률반경 120 mm, 반사율 73%를 갖는 줄력거울을 사용하였을 때 Q-스위치된 기본파의 출력에너지는 33μJ이었다[10].
후속연구
- 반도체레이저를 여기원으로 하는 Nd:S-VAP 레이저는 적외선 영역 뿐만 아니라 가시광 영역에서도 마이크로칩 레이저로 충분한 가능성을 보였으며 보다 많은 분야에서 효과적으로 이용될 수 있으리라 판단된다.
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