비평면 고리형 공진기에서의 내부 공진기 주파수 배가를 이용한 단일 모드 Nd:YAG 레이저를 제작하였다. 비평면 고리형 공진기는 두 개의 구면경과 Nd:YAG 결정, KIP 결정으로 구성되어 있다. Nd:YAG 결정의 양단면은 상대적인 비틀림 각을 갖고 있으면서 브루스터 각이 되도록 연마되었으며, 비틀림 각에 의해 형성된 비평면 고리 공진기가 가역적인 편광 회전기 역할을, 자기장이 가해진 Nd:YAC 결정 자체가 비가역적 편광 회전기 역할을, 브루스터 각을 갖고 있는 양단면이 편광자 역할을 각각 담당하여 전체적으로 광 다이오드를 형성하고 있다. 이러한 구조에서 단 방향 발진이 일어날 수 있는 비틀림 각이 이론적으로 추정되었다. 1.2 W, 809 nm 다이오드 레이저로 펌핑하여 532 nm 파장에서 22 ㎽의 단 방향, 단일 모드 출력을 얻었으며, 이것은 약 1.8%의 변환 효율에 해당한다.
비평면 고리형 공진기에서의 내부 공진기 주파수 배가를 이용한 단일 모드 Nd:YAG 레이저를 제작하였다. 비평면 고리형 공진기는 두 개의 구면경과 Nd:YAG 결정, KIP 결정으로 구성되어 있다. Nd:YAG 결정의 양단면은 상대적인 비틀림 각을 갖고 있으면서 브루스터 각이 되도록 연마되었으며, 비틀림 각에 의해 형성된 비평면 고리 공진기가 가역적인 편광 회전기 역할을, 자기장이 가해진 Nd:YAC 결정 자체가 비가역적 편광 회전기 역할을, 브루스터 각을 갖고 있는 양단면이 편광자 역할을 각각 담당하여 전체적으로 광 다이오드를 형성하고 있다. 이러한 구조에서 단 방향 발진이 일어날 수 있는 비틀림 각이 이론적으로 추정되었다. 1.2 W, 809 nm 다이오드 레이저로 펌핑하여 532 nm 파장에서 22 ㎽의 단 방향, 단일 모드 출력을 얻었으며, 이것은 약 1.8%의 변환 효율에 해당한다.
Intracavity frequency doubling of a single-mode Nd:YAG laser by using a nonplanar ring cavity is demonstrated. The nonplanar ring cavity consists of a Brewster-angled Nd:YAG crystal placed in a magnetic field, a KTP crystal, and two spherical mirrors. In this design the Nd:YAG block acts as both a n...
Intracavity frequency doubling of a single-mode Nd:YAG laser by using a nonplanar ring cavity is demonstrated. The nonplanar ring cavity consists of a Brewster-angled Nd:YAG crystal placed in a magnetic field, a KTP crystal, and two spherical mirrors. In this design the Nd:YAG block acts as both a nonreciprocal polarization rotator and a partial polarizer, and the nonplanar portion of the ring cavity, which is formed by a relative twist angle between the Brewster-angled end surfaces of the Nd:YAG block, serves as a reciprocal polarization rotator. An eigenpolarization theory for the cavity configuration is presented and suitable values of the relative twist angle for unidirectional operation are estimated. A single-mode output power of 22 ㎽ at 532 nm and an optical to optical conversion efficiency of 1.8% are obtained with a 1.2 W diode laser at 809 nm.
Intracavity frequency doubling of a single-mode Nd:YAG laser by using a nonplanar ring cavity is demonstrated. The nonplanar ring cavity consists of a Brewster-angled Nd:YAG crystal placed in a magnetic field, a KTP crystal, and two spherical mirrors. In this design the Nd:YAG block acts as both a nonreciprocal polarization rotator and a partial polarizer, and the nonplanar portion of the ring cavity, which is formed by a relative twist angle between the Brewster-angled end surfaces of the Nd:YAG block, serves as a reciprocal polarization rotator. An eigenpolarization theory for the cavity configuration is presented and suitable values of the relative twist angle for unidirectional operation are estimated. A single-mode output power of 22 ㎽ at 532 nm and an optical to optical conversion efficiency of 1.8% are obtained with a 1.2 W diode laser at 809 nm.
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문제 정의
비평면 고리형 공진기를 단 방향으로 발진시키고 공간적인 흘버닝 효과를 제거하여 안정한 단일 모드 동작을 실현한다. 단일 모드 단 방향으로 동작하는 공진기 내에 비선형 결정을 삽입하여 매우 안정한 내부 공진기 주파수 배가를 실현하고자 하는 것이다. 기본적으로 본 연구의 레이저 시스템은 참고 문헌 [11]의 레이저 디자인과 유사하며, 참고 문헌 [7]에 보고된 시스템에서 결정 석영판을 제외한 것과 같은 구성을 갖고 있다.
본 논문에서는 비평면 고리형 공진기에서의 내부 공진기 주파수 배가를 이용한 532 nm Nd:YAG 레이저에 대해 기술한다. 비평면 고리형 공진기를 단 방향으로 발진시키고 공간적인 흘버닝 효과를 제거하여 안정한 단일 모드 동작을 실현한다.
[12]에 자세히 소개되어 있다. 본 절에서는 본 논문에서 제작된 비평면 고리형 공진기에서의 반시계 방향(CCW)과 시계방향(CW)으로 진행하는 파에 대한 존스 행렬 및 이를 이용한 두 모드 간의 광 손실 차이 계산에 대한 결과를 기술하도록 하겠다.
가설 설정
좌표계를 각도 α1 만큼 회전시켜야 하므로 실제 계산에서는 존스 벡터에 R(-α1)의 회전을 가해주면 된다. 뒤의 계산에서(α2, α3, α4)는 각각 평면 BCD와 평면 CDA, 평면 CDA와 평면 DAB, 평면 DAB와 평면 ABC 사이의 각도들이며, 모두 양의 값으로 가정하였다. 그림 4는 CCW의 경우 좌표계가 어떻게 변화하는가를 보여준다.
제안 방법
따라서 공진기 내부의 편광자(브루스터 각으로 연마된 NdrYAG 양단면)와 결합하여 복굴절 필터와 같은 역할을 하게 되며, 이 때문에 원하지 않는 광 손실이 추가적으로 발생하게 된다. KTP 레이저 결정의 온도를 능동적으로 제어하여 KTP가 정수배 파장의 위상판과 같이 작용하여 추가적 광 손실이 최소화되도록 하였다. 상온 ±3℃ 내의 KTP 온도에서 출력이 최고가 되는 곳을 찾을 수 있었으며, 실험적으로 위상정합 조건이 크게 바뀌는 것은 관찰하지 못하있다.
주사형 공초점 패브리페로 간섭계를 사용하여 본 연구에서 제작한 레이저 시스템이 단일 모드로 동작하고 있음을 보였다. PZT(piezoelectric transducer}를 이용하여 레이저의 주파수를 가변할 수 있도록 하기 위해 출력경을 선형 스테이지(TLC45013/SPINDLER & HOYER)에 장착시키고, 선형 스테이지를 PZT(PA 1000-16/SPINDLER & HOYER)로 구동할 수 있도록 하였다. 또한 Nd:YAG 레이저 결정의 온도를 능동적으로 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다.
단일 모드임을 확인하기 위해 주사형 공초점 패브리페로 간 설계를 사용하였다. 532 nm 파장에 대한 간섭계를 사용하여야 하나 본 실험에서는 간접적으로 1064 nm 파장에 대한 스펙트럼을 측정하여 단일 모드임을 확인하였다.
PZT(piezoelectric transducer}를 이용하여 레이저의 주파수를 가변할 수 있도록 하기 위해 출력경을 선형 스테이지(TLC45013/SPINDLER & HOYER)에 장착시키고, 선형 스테이지를 PZT(PA 1000-16/SPINDLER & HOYER)로 구동할 수 있도록 하였다. 또한 Nd:YAG 레이저 결정의 온도를 능동적으로 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다. PZT 및 온도 제어를 통한 파장 가변 특성을 측정할 계획이며, 이 결과를 바탕으로 532 nm 파장의 광주파수 표준기로서의 응용 가능성에 대한 연구를 진행할 예정이다.
공진기가 비평면적으로 구성되어 있으므로 반사 혹은 굴절면에서의 입사평면이 서로 다르게 된다. 본 논문에서는 굴절 혹은 반사면에서의 존스 행렬이 참고문헌 [12]에서와 같은 형태로 표현되도록 하기 위해 입사평면이 변하게 되는 지점에서 좌표계를 z축에 대해 회전시켜, 항상 X축 방향으로의 편광과 y축 방향으로의 편광이 각각 p 편광과 s 편광에 해당하도록 만들어 주도록 하겠다. 예를 들면 CCW의 경우 B지점에서 굴절에 대한 입사평면은 평면 ABC인데, C지점에서 굴절에 대한 입사평면은 평면 BCD이다.
참고 문헌 [11]과 같은 디자인의 경우 쐐기 각이 커질수록 쐐기 각을 준 결정면으로의 레이저 입사각은 브루스터 각으로부터 벗어나지만, 본 연구와 같은 디자인의 경우 비틀림 각이 커지더라도 결정면으로의 입사각은 브루스터 각을 유지하게 된다. 본 연구에서 제안된 비평면 고리형 공진기 구조에서의 고유 편광에 대한 이론적 연구를 수행하였고, 단일 모드 출력 특성을 측정하였다.
Nd:YAG 결정의 양단면은 상대적인 비틀림 각을 갖고 있으면서 브루스터 각이 되도록 연마하였고, 비틀림 각에 의해 형성된 비평면 고리 공진기가 가역적인 편광 회전기, 자기장이 가해진 Nd:YAG 결정 자체는 비가역적 편광 회전기, 브루스터 각을 갖고 있는 양단면은 편광자 역할을 각각 담당하여, 전체적으로 광 다이오드를 형성하고 있다. 이러한 구조에서 단방향 발진이 일어날 수 있는 비틀림 각을 이론적으로 추정하였다. 1.
2W GaAlAs 다이오드 레이저(SDL-2362-PI)를 사용하였다. 조리개수가 0.5, 초점거리 8 mm인 렌즈로 펌프빔을 평행광으로 만들고, 배율 3을 갖는 프리즘 쌍을 이용해 펌프빔의 공간적 비대칭성을 바로잡고, 초점거리 25 mm인 렌즈로 Nd:YAG 결정에 집속시켰다. KTP는 제 2 종 위상정합 조건을 만족시키는 비선형 결정이므로, 공진기 내부에서 위상판(waveplate)과 같이 작용한다.
본 연구의 레이저 시스템과 참고 문헌 [11]의 레이저 시스템은 결정 석영판을 제외하는 대신 Nd:YAG 결정의 단면을 특별히 가공하여 비평면 고리형 공진기가 형성되도록 하면서 Nd:YAG 결정면이 편광자로서 작용하는 구조를 갖고 있다. 참고 문헌 [11]에서는 브루스터 각으로 연마된 Nd:YAG 의 결정면 중 한 쪽에 쐐기 각을 주어 비평면으로 공진이 일어나도록 하였는데, 본 연구에서는 브루스터 각으로 연마된 Nd:YAG의 두 결정면들이 상대적으로 비틀림 각을 갖도록 연마하여 비평면으로 공진이 일어나도록 하였다. 참고 문헌 [11]과 같은 디자인의 경우 쐐기 각이 커질수록 쐐기 각을 준 결정면으로의 레이저 입사각은 브루스터 각으로부터 벗어나지만, 본 연구와 같은 디자인의 경우 비틀림 각이 커지더라도 결정면으로의 입사각은 브루스터 각을 유지하게 된다.
대상 데이터
532 nm 파장에 대한 간섭계를 사용하여야 하나 본 실험에서는 간접적으로 1064 nm 파장에 대한 스펙트럼을 측정하여 단일 모드임을 확인하였다. 본 논문에서 제작한 532 nm NdfYAG 레이저의 출력에는 532 nm 뿐만 아니라 1064nm의 레이저도 함께 존재한다. 532 nm 파장의 레이저만을 선택하기 위해 출력경 다음에 제 2 차 조화파 분리기를 놓아 두었는데 입사각을 45º로 하였을 때, 이 제 2차 조화파 분리기는 532 nm 파장의 레이저는 투과 시키고 1064 nm 파장의 레이저는 반사하도록 유전체 코팅이 되어 있다.
본 연구에서 제작한 532 nm Nd:YAG 레이저는 두 개의 구면경과 Nd:YAG 결정, KTP 결정으로 구성되어 있다. Nd:YAG 결정의 양단면은 상대적인 비틀림 각을 갖고 있으면서 브루스터 각이 되도록 연마하였고, 비틀림 각에 의해 형성된 비평면 고리 공진기가 가역적인 편광 회전기, 자기장이 가해진 Nd:YAG 결정 자체는 비가역적 편광 회전기, 브루스터 각을 갖고 있는 양단면은 편광자 역할을 각각 담당하여, 전체적으로 광 다이오드를 형성하고 있다.
비평면 고리형 공진기에서의 고유편광 이론과 내부공진기 주파수 배가를 이용한 532nm Nd:YAG 레이저에 대한 실험을 수행하였다. 본 연구에서 제작한 532 nm Nd:YAG 레이저는 두 개의 구면경과 Nd:YAG 결정, KTP 결정으로 구성되어 있다.
입력경과 출력경의 평평한 뒷면은 각각 809 nm와 532 nm 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있다. 영구 자석 2개를 사용하여 Nd:YAG 결정에 자기장을 가하였는데, 영구 자석 1개의 크기는 20mm(직경)×10mm(두께)이다. 그림 7은 영구 자석에 의해 만들어진 자기장 세기의 분포를 보여주고 있는데, 평균 자기장의 세기는 약 0.
532 nm 파장의 레이저만을 선택하기 위해 출력경 다음에 제 2 차 조화파 분리기를 놓아 두었는데 입사각을 45º로 하였을 때, 이 제 2차 조화파 분리기는 532 nm 파장의 레이저는 투과 시키고 1064 nm 파장의 레이저는 반사하도록 유전체 코팅이 되어 있다. 제 2차 조화파 분리기에서 반사된 광을 주사형 공초점 패브리페로 간섭계의 입력광으로 사용하였다. 그림 9는 측정된 스펙트럼을 보여준다.
25 T임을 알 수 있다. 펌프 레이저로는 1.2W GaAlAs 다이오드 레이저(SDL-2362-PI)를 사용하였다. 조리개수가 0.
성능/효과
입력경과 출력경의 곡률 반경은 모두 70 mm이며, 구면경을 이루고 있는 면들은 532 nm와 809 ran 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있으며, 1064 nm 파장에 대해 고반사 코팅이 되어 있다. 1064 nm 파장에 대한 반사율은 입사각도 16.2°에서 s 편광에 대해서는 99.8%, p 편광에 대해서는 99.6%를 갖고 있는 것으로 측정되었다. 입력경과 출력경의 평평한 뒷면은 각각 809 nm와 532 nm 파장에 대해 무반사 코팅이 되어 있다.
계를 사용하였다. 532 nm 파장에 대한 간섭계를 사용하여야 하나 본 실험에서는 간접적으로 1064 nm 파장에 대한 스펙트럼을 측정하여 단일 모드임을 확인하였다. 본 논문에서 제작한 532 nm NdfYAG 레이저의 출력에는 532 nm 뿐만 아니라 1064nm의 레이저도 함께 존재한다.
그림 11은 Nd:YAG 결정에 자기장을 가해주는 영구 자석을 제거하여 532 nm Nd:YAG 레이저가 양방향으로 발진하도록 하였을 때 관측된 레이저 출력의 흔들림을 보여준다. 규칙적인 출력의 흔들림을 보이지 않고 측정할 때마다 다른 매우 불규칙한 모습을 보였으며, ±10% 이상의 흔들림 폭이 관측되었다. 단 방향 발진에 의해 출력의 흔들림이 10배가량 안정화 되었음을 알 수 있다.
두 모드 간의 광 손실 차이를 계산한 결과이다. 두 모드 사이의 광 손실 차이가 충분히 크면 단 방향 발진이 일어나게 되는데, 실험적으로 0.01% 이상이어야 한다는 것이 알려져 있다[12,15] 계산 결과에 의하면 θtw≡0.5°일 때 두 모드 간 광 손실 차이가 약 0.01% 정도이므로, θtw>0.5°로 선택하면 단방향 발진을 실현할 수 있을 것으로 기대된다. Nd:YAG의 가공회사(CASIX)에서 제시한 가공 허용오차(±0.
위의 실험 조건에서 항상 단방향 발진이 안정하게 일어났으며, 자기장의 방향을 반대로 가해 주면 단방향 발진의 방향도 역전되었다. 그림 8은 펌프 세기에 대한 532nm파장에서의 단일 모드 출력을 보여 준다.
본 논문에서 제작된 레이저 시스템의 경우에는 양단면이 브루스터 각을 갖고 있는 Nd:YAG 결정을 사용하고 있음으로 해서 발생하는 구조적인 이유 때문에 KTP에서의 빔 크기가 항상 Nd:YAG 결정에서의 빔 크기보다 크게 된다. 제 2 조화파 변환 효율을 높이기 위해 공진기를 구성하는 구면경들의 곡률반경을 줄여 KTP에서의 빔 크기를 줄이게 되면, Nd:YAG 결정에서의 빔 크기도 함께 줄어들게 되는데, 펌프 빔의 집속된 크기보다도 Nd:YAG 결정에서의 빔 크기가 작아지게 되면 전체적인 변환효율은 증가할 수 없게 된다. 구면경들의 곡률반경을 변화시키며 변환 효율을 측정하지 않았으므로 현재 상태가 최적의 상태인지는 확인할 수는 없었으며, 공진기 길이 또한 최적화를 고려하여 설계하지는 않았다.
8%의 변환 효율에 해당한다. 주사형 공초점 패브리페로 간섭계를 사용하여 본 연구에서 제작한 레이저 시스템이 단일 모드로 동작하고 있음을 보였다. PZT(piezoelectric transducer}를 이용하여 레이저의 주파수를 가변할 수 있도록 하기 위해 출력경을 선형 스테이지(TLC45013/SPINDLER & HOYER)에 장착시키고, 선형 스테이지를 PZT(PA 1000-16/SPINDLER & HOYER)로 구동할 수 있도록 하였다.
후속연구
또한 Nd:YAG 레이저 결정의 온도를 능동적으로 제어할 수 있도록 시스템을 구성하였다. PZT 및 온도 제어를 통한 파장 가변 특성을 측정할 계획이며, 이 결과를 바탕으로 532 nm 파장의 광주파수 표준기로서의 응용 가능성에 대한 연구를 진행할 예정이다.
참고문헌 (11)
Baer, T..
Large-amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers.
Journal of the Optical Society of America. B, Optical physics,
vol.3,
no.9,
1175-.
Nagai, H., Kume, M., Ohta, I., Shimizu, H., Kazumura, M..
Low-noise operation of a diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG laser using a Brewster plate.
IEEE journal of quantum electronics,
vol.28,
no.4,
1164-1168.
Roberts, D.A..
Simplified characterization of uniaxial and biaxial nonlinear optical crystals: a plea for standardization of nomenclature and conventions.
IEEE journal of quantum electronics,
vol.28,
no.10,
2057-2074.
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