초소형 마이크로 칩 형태의 새로운 레이저 매질인 Nd:LSB(Nd$^{3+}$ :Lasc$_3$(BO$_3$)$_4$/. lanthanum scandium borate)chralski pulling method에 의해 성장하여 광학 특성 조사 및 레이저 발진 실험을 하였다. 광학적, 화학적, 역학적 특성을 모두 그대로 유지한 채 높은 농도로 Nd$^{3+}$ 이온의 도핑이 가능한 Nd:LSB의 결정 특성 및 광학 특성을 기존의 다른 Nd형 레이저 매질과 비교하고, 흡수 및 형광 스펙트럼과 형광 수명 등을 조사하였으며. 결정 구조를 분석하였다. 또한 Ti:sapphi e 레이저를 펌핑 광원으로 하였을 때 레이저 발진 특성을 조사하였다.
초소형 마이크로 칩 형태의 새로운 레이저 매질인 Nd:LSB(Nd$^{3+}$ :Lasc$_3$(BO$_3$)$_4$/. lanthanum scandium borate)chralski pulling method에 의해 성장하여 광학 특성 조사 및 레이저 발진 실험을 하였다. 광학적, 화학적, 역학적 특성을 모두 그대로 유지한 채 높은 농도로 Nd$^{3+}$ 이온의 도핑이 가능한 Nd:LSB의 결정 특성 및 광학 특성을 기존의 다른 Nd형 레이저 매질과 비교하고, 흡수 및 형광 스펙트럼과 형광 수명 등을 조사하였으며. 결정 구조를 분석하였다. 또한 Ti:sapphi e 레이저를 펌핑 광원으로 하였을 때 레이저 발진 특성을 조사하였다.
A new laser material, Nd:LSB $(Nd${3}:LaSc_3(BO_3)_4$, lanthanum scandium borate), of microchip type was grown by the Czochralski pulling method, and tested for optical and lasing properties. Nd:LSB, able to be highly doped with $Nd^{3+}$ ions while maintaining good optical, ch...
A new laser material, Nd:LSB $(Nd${3}:LaSc_3(BO_3)_4$, lanthanum scandium borate), of microchip type was grown by the Czochralski pulling method, and tested for optical and lasing properties. Nd:LSB, able to be highly doped with $Nd^{3+}$ ions while maintaining good optical, chemical, mechanical properties, was compared to another Nd-type laser material. The absorption and fluorescence spectra, and fluorescence lifetime were measured, and the crystal structure was analyzed. The lasing characteristics were investigated by using Ti:sapphire laser as a pumping light source.
A new laser material, Nd:LSB $(Nd${3}:LaSc_3(BO_3)_4$, lanthanum scandium borate), of microchip type was grown by the Czochralski pulling method, and tested for optical and lasing properties. Nd:LSB, able to be highly doped with $Nd^{3+}$ ions while maintaining good optical, chemical, mechanical properties, was compared to another Nd-type laser material. The absorption and fluorescence spectra, and fluorescence lifetime were measured, and the crystal structure was analyzed. The lasing characteristics were investigated by using Ti:sapphire laser as a pumping light source.
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문제 정의
특이한 것은 β-위상인 R32 공간 군의 결정에서 나 타나는데 대칭 중심이 없는 구조로 자체 주파수 증배로 잘 알 려 진 NYAB (neodymium doped yttrium aluminium borate) 와 같은 구조를 가지고 있다. 그러므로 이 구조의 Nd:LSB에서 높은 도핑률을 가질 경우 제2조화파 발생이 보고된 바가 있어 이러한 구조를 가지는 결정에 대한 자체주파수 증배의 가능성을 암시한다.
본 연구에서는 Nd:LSB 결정을 성장하여 구조를 해석하고, 흡수 및 형광 스펙트럼을 조사하였으며, 다른 Nd 형 레이저 매질과 비교하여 마이크로 칩 레이저 매질로서의 가능성을 알 아보았다. 형광 수명 조사와 기본적인 레이저 발진 실험을 통해 초소형 고밀도 집적 레이저 매질로서 새로운 매질인 Nd:LSB의 특성을 분석하고 논하였다.
가설 설정
상대적으로 다른 이온에 비해 높은 펌핑광의 흡수효율 을 가지는 Nd3+ 도핑 고체 매질은 높은 열 전달계수과 함께 광학적, 역학적 성질이 뛰어나 가장 널리 쓰이고 있지만, 원천 적으로 낮은 도핑률 때문에 마이크로 레이저 매질로는 사용되 기가 어렵다.[1] 즉, Nd* 이온은 그 크기가 Y3+ 이온 크기와 비교해 반경이 3% 정도 크므로 YAG(yttrium aluminum garnet) 내의 결정 조직에 원만히 삽입되지를 않는다. 최근의 몇몇 연 구결과는 Nd:YAG도 열숙성법, 플럭스법, 에피탁시얼 박막법, 세라믹 기법 등을 이용할 경우 도핑률을 3.
제안 방법
결정은 레이저 발진시 발생하는 열을 제거하기 위해 구리로 만든 열 제거대 위에 고정 하였으며, 출력경으로는 곡률 반경이 30 mm이며 반사율이 97%인 거울을 사용하였다. Nd:YAG에 비해 낮은 열전달계수 를 가지므로 열전소자를 이용하여 상온을 유지하면서 실험하였다. 펌핑 광원으로는 빔질이 뛰어난 esapphire 레이저 (Spectra-physics, 3900S)를 사용하였다.
그림 6은 10% Nd:LSB를 이용흐}여 레이저 발진 실험한 결 과이다. 레이저 발진 실험 장치에서 공진기 내의 광밀도의 극 대화를 위해 공진기의 길이를 30 mm 정도로 하여 임계조건을 이루도록 하였으며, 808nm에서 32 cm-'의 흡수계수를 가지므 로 두께 1 mm의 결정에 의해 95%의 펌핑광이 흡수되었다. 펌 핑광과 레이저 출력을 분리하기 위해 주파수 분리 필터가 사용 되었고, 레이저 출력은 공진기 변수와 펌핑 파장에 비교적 민 감하였다.
새로운 마이크로 칩 레이저 매질인 Nd:LSB를 전형적인 Czochralski 방법을 이용하여 단결정을 성장하였으며, 결정 구 조 분석에 이어 광학적 특성과 레이저 발진 특성을 조사하였다. 고농도로 도핑이 요구되는 마이크로 칩 레이저는 높은 도 핑 농도로 인해 활성 이온들 사이의 에너지 전달로 인해 비복 사 전이율이 높아질 수 있다.
두께가 1mm이고 가로 세로의 길이가 각각 2 mm인 10% Nd:LSB (a-phaseX 이용하여 레이저 발진 실험을 하였다. 입사면은 펌핑 파장인 808nm에서 높은 투과율을 가지며, 동시에 레이저 발진 파장인 1062 nm에서 높은 반사율을 가지도 록 이색코팅을 하였고 반대 면은 반사 손실을 줄이기 위해 1062 nm에서 무반사 코팅을 하였다. 결정은 레이저 발진시 발생하는 열을 제거하기 위해 구리로 만든 열 제거대 위에 고정 하였으며, 출력경으로는 곡률 반경이 30 mm이며 반사율이 97%인 거울을 사용하였다.
본 연구에서는 Nd:LSB 결정을 성장하여 구조를 해석하고, 흡수 및 형광 스펙트럼을 조사하였으며, 다른 Nd 형 레이저 매질과 비교하여 마이크로 칩 레이저 매질로서의 가능성을 알 아보았다. 형광 수명 조사와 기본적인 레이저 발진 실험을 통해 초소형 고밀도 집적 레이저 매질로서 새로운 매질인 Nd:LSB의 특성을 분석하고 논하였다.
대상 데이터
결정 성장에 있어서는 다른 결정과 마찬가지로 Czochralski method로 가능하며, 99.99%의 순도를 가진 LaQa, Nd2O3, SC2O3, H3BO3를 이용하여 합성하였다. 조성비는 #의 조성식에서 x=0~l.
입사면은 펌핑 파장인 808nm에서 높은 투과율을 가지며, 동시에 레이저 발진 파장인 1062 nm에서 높은 반사율을 가지도 록 이색코팅을 하였고 반대 면은 반사 손실을 줄이기 위해 1062 nm에서 무반사 코팅을 하였다. 결정은 레이저 발진시 발생하는 열을 제거하기 위해 구리로 만든 열 제거대 위에 고정 하였으며, 출력경으로는 곡률 반경이 30 mm이며 반사율이 97%인 거울을 사용하였다. Nd:YAG에 비해 낮은 열전달계수 를 가지므로 열전소자를 이용하여 상온을 유지하면서 실험하였다.
두께가 1mm이고 가로 세로의 길이가 각각 2 mm인 10% Nd:LSB (a-phaseX 이용하여 레이저 발진 실험을 하였다. 입사면은 펌핑 파장인 808nm에서 높은 투과율을 가지며, 동시에 레이저 발진 파장인 1062 nm에서 높은 반사율을 가지도 록 이색코팅을 하였고 반대 면은 반사 손실을 줄이기 위해 1062 nm에서 무반사 코팅을 하였다.
하소(calcination)는 2단계로 건조는 800℃에서 한 시간 정도로, 소결(sintering)은 135CTC에서 다섯 시간 동안 진행되었다. <001> 방향의 LaSc3(BC)3)4 단결정이 종자 로 사용되었고, 직경과 높이가 각각 50 mm인 이리듐 도가니 가 사용되었다. 결정은 질소를 3#의 속도로 흘리는 가운 데 성장되었고, 결정을 끌어올리는 속도는 시간당 1.
Nd:YAG에 비해 낮은 열전달계수 를 가지므로 열전소자를 이용하여 상온을 유지하면서 실험하였다. 펌핑 광원으로는 빔질이 뛰어난 esapphire 레이저 (Spectra-physics, 3900S)를 사용하였다. Tirsapphire 레이저 출 력 빔의 직경은 600nm이었으며, NF는 1.
성능/효과
97%의 반사율을 가진 출력경을 이용하였으며, 펌핑광을 Ti:sapphire 레이저로 하였을 경우에 대한 결과를 제시하였다. Ti:sapphire 레이저를 펌핑광원으로 하였을 경우 기울기 효율이 55%로 높았으며, 흡수된 펌핑광의 출력이 618 mW일 때 1062 nm에서의 레이저 출력이 342 mW였으며, 문지방 에너지는 20 mW 였다.
이러한 upconversion이나 down- conversion과정은 들뜬 상태인 4F3/2S] 밀도감쇠에 기여하게 되어 전체적인 레이저 효율을 떨어뜨리게 된다.[15] Nd:LSB는 고 농도로 Nd3+ 이온이 도핑되었을 경우에도 광학적 특성이 거의 변하지 않았으며, 10% Nd:LSB를 이용하여 마이크로 칩 형태로 상온에서 레이저 발진을 시도하였을 경우 55%의 비교적 높은 기울기 효율을 보여준 것은 주목할 만하다. 고농도로 인해 발생하는 선폭 확대와 레이저 발진시 다중모드 발진 둥 소형 화에 따른 부정적 경향에도 불구하고 출력과 편의성에서 많은 가능성을 가지고 있어 향후 지속적인 연구로 좀 더 분석이 필요하다.
그림 5는 Nd" 이온의 도핑 농도에 따른 형광 수명의 변화이다. 대부분의 무기질 결정에서 볼 수 있듯이 Nd3+ 이온의 도핑 농도의 증가는 형광 수명의 단축을 유발하였으며, 도핑 농도를 10-40% 까지 변화시켜가며, 조사한 결과 형광 수명은 10% 도핑 농도에서 1143에서 40% 도핑 농도에서는 그 절 반 수준인 53 3까지 급격하게 단축되었다.
펌 핑광과 레이저 출력을 분리하기 위해 주파수 분리 필터가 사용 되었고, 레이저 출력은 공진기 변수와 펌핑 파장에 비교적 민 감하였다. 펌핑광의 흡수가 가장 큰 파장을 광 스펙트럼분석기 (Advantest, Q8381A)로 측정한 결과 808.0 nm이었으며, 이때 Ti:sapphire레이저의 출력 선폭은 1 nm 정도였다. 펌핑광의 출력을 조절하기 위하여 편광기와 위상 회전자를 이용하였는데 이것은 펌핑광인 Ti:sapphire 레이저의 출력을 조절하고자 알곤 레이저의 출력을 높일 경우 펌핑광의 파면의 출력분포가 변화할 수 있으며, 이것은 Nd:LSB 결정 내에서 펌핑 출력 밀 도의 왜곡된 정보를 초래할 수 있기 때문이다.
후속연구
8%까지도 높일 수 있으며, 그 광학특성이 기존의 Czochralski method에 의해 성장된 결정에 비해 같거나 더 우수하다고 하지만 여전히 결정 성장의 어려움과 성장된 결정의 크기에 있어 제한이 있다.[2-4] 그러므로 Nd형 마이크로 칩 레이저를 만들기 위해 높은 도핑 률에도 불구하고 광학적 특성과 높은 효율성을 유지할 수 있는 새로운 결정에 대한 연구가 필요하다.
[15] Nd:LSB는 고 농도로 Nd3+ 이온이 도핑되었을 경우에도 광학적 특성이 거의 변하지 않았으며, 10% Nd:LSB를 이용하여 마이크로 칩 형태로 상온에서 레이저 발진을 시도하였을 경우 55%의 비교적 높은 기울기 효율을 보여준 것은 주목할 만하다. 고농도로 인해 발생하는 선폭 확대와 레이저 발진시 다중모드 발진 둥 소형 화에 따른 부정적 경향에도 불구하고 출력과 편의성에서 많은 가능성을 가지고 있어 향후 지속적인 연구로 좀 더 분석이 필요하다.
참고문헌 (10)
Chen, Wenzhi, Wang, Guofu, Lin, Zhoubin, Hu, Zushu.
Spectral parameters of Nd3+ ion in β-Nd3+:LaSc3(BO3)4 crystal.
Optics communications,
vol.162,
no.1,
49-52.
Ikesue, Akio, Kinoshita, Toshiyuki, Kamata, Kiichiro, Yoshida, Kunio.
Fabrication and Optical Properties of High‐Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid‐State Lasers.
Journal of the American Ceramic Society,
vol.78,
no.4,
1033-1040.
Sardar, Dhiraj K., Castano, Francisco, French, Joey A., Gruber, John B., Reynolds, Thomas A., Alekel, Theodore, Keszler, Douglas A., Clark, Benjamin L..
Spectroscopic and laser properties of Nd3+ in LaSc3(BO3)4 host.
Journal of applied physics,
vol.90,
no.10,
4997-5001.
Gruber, John B., Reynolds, Thomas A., Keszler, Douglas A., Zandi, Bahram.
Spectroscopic properties of nonlinear NdSc3(BO3)4.
Journal of applied physics,
vol.87,
no.10,
7159-7163.
Kutovoĭ, S A, Laptev, V V, Matsnev, S Yu.
Lanthanum scandoborate as a new highly efficient active medium of solid-state lasers.
Soviet journal of quantum electronics,
vol.21,
no.2,
131-132.
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