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문제 정의
- 본 논문에서는 출력 20 W의 반도체 레이저를 여기 원으로 하는 단면 여기 세라믹 Nd:YAG 레이저의 출력 특성과 레이저 출력에 영향을 미치는 열영향에 대하여 분석하였다.
가설 설정
- 3으로 문헌값을 사용하였다. 레이저가 발진되지 않는 상태에서 여기 파워의 30 %가 열로 변환되었다고 가정한 것이다. 표 1에 계산에서 사용된 파라미터를 정리하였다.
제안 방법
- 광섬유 연결반도체레이저를 여기원으로 하는 단면 여기 세라믹 Nd:YAG 레이저의 출력 특성과 레이저 출력에 영향을 미치는 열영향에 대하여 조사하였다.
- 광섬유 연결반도체레이저에서 출사된 광속을 세라믹 Nd:YAG에 효과적으로 집속시키기 위해 상용화된 렌즈 설계프로그램인 Zemax를 이용하여 집속 광학계를 설계하였다. 설계된 렌즈 데이터를 바탕으로 집속 광학계를 제작한 후 성능을 평가하였다.
- 여기 방법은 가장 간단하면서도 여기 효율을 높일 수 있는 단면 여기를 사용하였다. 레이저 매질 단면에 집속된 여기 광과 레이저 발진 모드를 일치시켜 발진이 쉽게 될 수 있도록 하였다.
- 레이저 매질 홀더는 세라믹Nd:YAG에서 발생된 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 열전도도가 좋은 구리를 이용하여 제작하였고, 레이저 매질은 열전도가 좋은 인듐 포일로 둘러싸서 홀더 중심에 장착하였다. 매질에서의 온도는 온도컨트롤러(Newport: Model 350)에 연결된 써미스터(thermistor) 를 홀더에 부착하여 측정하였고, 홀더 아래에 열전소자를 부착하여 매질 온도가 26 ℃로 유지되도록 조절하였다.
- 장치도 이다. 레이저 매질에서 열 영향에 의한 미세한 변화를 측정하기 위하여 탐침광을 레이저 매질에 투과시켰다. 탐침광은 He-Ne 레이저 광을 人/2 판과 632.
- 홀더 중심에 장착하였다. 매질에서의 온도는 온도컨트롤러(Newport: Model 350)에 연결된 써미스터(thermistor) 를 홀더에 부착하여 측정하였고, 홀더 아래에 열전소자를 부착하여 매질 온도가 26 ℃로 유지되도록 조절하였다. 열전소자에 부가된 열은 아래에 부착된 수냉식 방열판으로 회수하였다.
- 설계된 렌즈 데이터를 바탕으로 집속 광학계를 제작한 후 성능을 평가하였다. 초기 설계 목표 값은 초점거리와 초점심도를 길게 하고, 빔직경이 300 ㎛가 되도록 설정하였다.
- 세라믹 Nd:YAG 레이저의 열 특성을 더 알아보기 위하여 여기 파워에 따른 탐침광의 발산각을 측정하였다. 탐침 광의 발산 각은 그림 5에서 보는 바와 같이 레이저 매질을 투과한 탐침 광을 매질 단면 바로 앞과 빛살가르개(BS) 사이에 칼날 (knife-edge)을 삽입하는 방법을 이용하여 탐침광의 빔직 경을 측정한 후발산각을 계산하였다.
- 4 mm/ci/이다. 여기 방법은 가장 간단하면서도 여기 효율을 높일 수 있는 단면 여기를 사용하였다. 레이저 매질 단면에 집속된 여기 광과 레이저 발진 모드를 일치시켜 발진이 쉽게 될 수 있도록 하였다.
- 여기 파워에 따른 간섭 무늬 개수 변화는 횡모드의 강도 분포를 분석하여 구하였다. 여기 파워가 증가할수록 간섭무늬 개수는 증가하며, 열렌즈 초점거리는 급격히 줄어든다.
- 열렌즈 효과를 확인하기 위해 최대 출력 효율을 나타낸 반사율 90.4 %의 출력 거울을 사용하여 공진기 길이에 따른 레이저 출력을 측정하였다. 그림4는 공진기 길이 120 mm, 55 mm 및 35 mm에서 측정한 레이저 출력의 변화이다.
- 여기 파워가 커질수록 간섭무늬 개수가 증가하며, 간섭 무늬 간격도 더욱 촘촘해진 것을 볼 수 있다. 이 결과를 토대로 열렌즈 초점거리와 간섭무늬 개수의 변화를 분석하였다.
- 여기 파워가 6 W 이상 되면 출력 거울의 반사율에 관계없이 출력 감소 현상이 나타났으며, 12 W 부근에서 레이저가 발진되지 않은 것으로 생각된다. 이와 같은 현상을 규명하기 위하여 여기 파워에 따른 레이저 광의 횡 모드와 공진기 길이에 따른 레이저 출력을 측정하였다.
- 탐침 광의 발산 각은 그림 5에서 보는 바와 같이 레이저 매질을 투과한 탐침 광을 매질 단면 바로 앞과 빛살가르개(BS) 사이에 칼날 (knife-edge)을 삽입하는 방법을 이용하여 탐침광의 빔직 경을 측정한 후발산각을 계산하였다.
- 레이저 매질에서 열 영향에 의한 미세한 변화를 측정하기 위하여 탐침광을 레이저 매질에 투과시켰다. 탐침광은 He-Ne 레이저 광을 人/2 판과 632.8 nm 파장에 P 편광과 S편광의 소광비가 1000:1 이상인 편광빛살 가르개 (PBS)를 사용하여 P편광으로 만들었다. 빛살 확대기를 사용하여 빔 크기를 매질직경과 유사하게 하였다.
- 빛살 확대기를 사용하여 빔 크기를 매질직경과 유사하게 하였다. 탐침광을 레이저 매질에 입사시키기 위해 집속 광학계와 평면 거울 사이에 빛살 가르개를 설치하였다. 빛살가르개의 입사 각도는 45 ° 이고 632.
- 1 %의 이색 성 코팅을 하였다. 탐침광의 강도 변화는 광 검출기(Thorlab:DET110)를 X-Y 기록계에 연결하여 기록하였으며, 횡모드 변화는 컴퓨터에 장착된 프래임 그래버에 CCD를 연결하여 측정하였다.
- 횡모드는 컴퓨터에 장착된 프래임 그래버에 CCD (Sony:ST-50)를 연결하여 측정하였다. 여기 파워가 3.
대상 데이터
- 공진기는 모드 정렬의 어려움이 거의 없는 안정된 반구면 공진기로 808 nm에서 무반사, 1064 nm에서 전반사의 이색성코팅을 한 10x20乂2’인 평면 거울과 곡률 반경이 120 mm인 출력 거울을 사용하였다. 세라믹Nd:YAG는 5.
- 측정흐! 였고, 레이저 출력은 파워 미터(Melies Griot: 13PEM003) 를 사용하였다.
성능/효과
- 실험 결과 여기 파워가 증가함에 따라 레이저 출력이 감소하는 것은 공진기 내에 형성된 공진모드가 조금씩 벗어났기 때문이다. 공진기 길이가 짧아짐에 따라 여기 광을 더 공급할 수 있어 레이저의 최대 출력은 2.21 W, 3.06 W 및 3.92 W로 증가하였으며, 공진기 길이 120 mm보다 35 mm일 때 약 1.8 배 향상되었다. 공진기 길이가 짧아질수록 레이저 출력이 증가하는 것은 공진기 내부 손실이 줄어들고 여기 파워에 의 한 열 렌즈 현상이 크게 나타나더라도 공진기 내에 공진 모드가 형성되기 때문이다.
- 여기 파워에 따른 레이저 광의 횡 모드와 공진기 길이에 따른 레이저 출력을 측정한 결과 세라믹Nd:YAG의 열렌즈 현상 때문에 출력 감소가 나타난 것으로 판단되었다. 레이저 매질의 열 렌즈 초점거리는 여기 파워가 증가할수록 지수 함수적으로 감소하였다. 여기 파워 6 W 이상에서 발생한 열렌즈 현상은 레이저 출력에 영향을 주었으며, 12 W~13 W 사이에서 발생한 열렌즈 초점거리는 공진기 길이보다 짧아졌다.
- 19 W로 나타났다. 반사율이 90.4 % 인 출력거울을 사용하였을 경우 6.54 W의 여기 파워에서 2.21 W의 출력 파워가 측정되어 약 33.8 % 의 최대 출력 효율을 얻었고, 레이저 출력이 감소하기 전까지의 기울기 효율은 39.3 %를 나타내었다. 이때의 발진문턱값은 0.
- 본 논문의 실험 결과에 의하면 열렌즈 효과에 의한 영향이 YAG 결정보다 세라믹Nd:YAG가 상당히 크며, 이는 레이저 출력에 직접적으로 작용하였다. 세라믹 Nd:YAG 레이저의 출력을 향상시키기 위해서는 열렌즈 현상을 보상할 수 있는 보상용 렌즈를 공진기내에 삽입하거나, 불안정 공진기를 구성하여야 한다.
- 레이저 매질의 열 렌즈 초점거리는 여기 파워가 증가할수록 지수 함수적으로 감소하였다. 여기 파워 6 W 이상에서 발생한 열렌즈 현상은 레이저 출력에 영향을 주었으며, 12 W~13 W 사이에서 발생한 열렌즈 초점거리는 공진기 길이보다 짧아졌다. 이때 공진모드가 형성되지 못하여 레이저 발진이 이루어지지 않은 것으로 판단되었다.
- 열렌즈 초점거리는 공진기가 구성되지 않은 상태에서 레이저 매질로부터 빔 직경이 가장 작게 측정된 지점까지의 거리이다. 열렌즈 초점거리는 여기 파워3.15 W 에서 0.90이 이었으나, 여기 파워가 증가할수록 지수 함수적으로 감소하였다. 특히, 여기 파워 12.
- 24 W 이상에서 레이저는 발진되지 않았다. 위의 결과를 미루어 보아 열 렌즈 효과가 레이저 출력에 미치는 영향은 YAG 결정체보다 세라믹 Nd:YAG가 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
- 광섬유 연결 반도체 레이저의 코어와 개구가 크기 때문에 집 속 광학계의 렌즈 매수가 적을 경우 초점거리 10 mm 이상에서는 빔직 경이 매우 커져 레이저 출력 효율이 작게 나타났다. 최초구면렌즈 3 개로 구성된 집속 광학계부터 렌즈 매수를 변화시켜가면서 광학계 설계 및 측정한 결과 구면 렌즈 6개로 구성된 경우 가장 효율적으로 여기 광을 레이저 매질에 집 속 시킬 수 있었다 설게 제작된 집속 광학계는 유효초점거리 10.9 mm에서 빔 직경 380 ㎛이며, 투과율은 91.6 %로 측정되었다. 집속광학계를 투과한 여기 광은 39 A에서 15.
- 나타내었다. 출력 거울의 반사율을 81.7 %, 86.1 %.90.4 % 및 95.4 %로 교환해 가면서 측정한 결과 각각의 최대 출력은 L85 W, 2.06 W, 2.21 W 및 2.19 W로 나타났다. 반사율이 90.
- 탐침광의 횡 모드를 분석한 결과 여기 파워 12 W 이상에서는 열렌즈 현상 때문에 간섭 무늬 개수가 21개 이상 증가하였으며, 간섭 무늬 간격도 더욱 촘촘해졌다. 탐침광의 발산각은 여기 파워 12.23 W 입사 시 초기발산 각보다 약 23배로 크게 증가하였다.
- 이때 공진모드가 형성되지 못하여 레이저 발진이 이루어지지 않은 것으로 판단되었다. 탐침광의 횡 모드를 분석한 결과 여기 파워 12 W 이상에서는 열렌즈 현상 때문에 간섭 무늬 개수가 21개 이상 증가하였으며, 간섭 무늬 간격도 더욱 촘촘해졌다. 탐침광의 발산각은 여기 파워 12.
후속연구
- 레이저 출력에 크게 작용하였다. 본 연구에서 사용한 실험 장치에 열렌즈 효과를 보상할 수 있는 보상용 렌즈를 공진기 내에 삽입하거나, 불안정 공진기를 구성한다면 세라믹 Nd:YAG 레이저의 출력을 향상시킬 수 있을 것이다.
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