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문제 정의
- 본 논문에서는 광섬유 연결 반도체레이저를 여기원으로 하는 단면여기 세라믹 Nd:YAG 레이저에서 보상렌즈에 의한열렌즈 효과의 보상특성에 대해 기술하였다.
가설 설정
- 이에 대한 실험 결과는 기 발표된 논문에서 확인할 수 있다.[13] 여기파워가 약 13 W 이상에서는 레이저가 발진하지 않는다. 이는 열렌즈 효과에 의해공진기 내에서의 레이저빔이 크게 발산하여 더 이상 공진 모드를 형성할 수 없었기 때문이다.
제안 방법
- 광섬유 연결 반도체레이저에서 출사된 광속을 세라믹 Nd: YAG에 효과적으로 집속시키기 위하여 상용화된 렌즈 설계프로그램인 Zemax를 이용해서 집속광학계를 설계하였다.[13] 집속과학계는 설계된 렌즈 데이터를 바탕으로 제작한 후 그성능을 평가하였다.
- 레이저 출력은 동일한 유효직경을 갖는 보상렌즈를 세라믹 Nd:YAG로부터 25 mm 떨어진 위치에서 초점거리에 따라측정하였다. 그림 5는 보상렌즈의 초점거리와 유효직경에 따른 레이저 출력효율이다.
- 따른 레이저 출력특성이다. 레이저 출력은 매질 단면으로부터 25 mm, 35 mm 및 45 mm 떨어진 위치에서 측정하였다. 보상렌즈의 위치가 45 mm에서 25 mm로 이동함에 따라레이저 출력이 증가한 것은 보상렌즈가 레이저 매질에 가까워질수록 공진기 내에서 크게 발산하는 레이저빔을 모을 수있었기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험에서 사용된 반구형 공진기의 경우 열렌즈 초점거리가 공진기 길이 120 mm보다 짧아지면 공진 모드가 형성되지 않아 레이저가 발진되지 않기 때문에[15] 공진기 길이를 기준으로 레이저 동작 여부를 구분할 수 있다. 레이저가 발진하지 않는 상태에서 열렌즈 현상에 의한 초점거리는 여기 파워 3.2 W, 5.7 W, 12.2 W 및 15.3 W에서 각각 900 mm, 480 mm, 150 mm 및 80 mm로 측정되었다. 여기파워 약 13 W 이싱.
- 레이저의 출력이 높더라도 빔질이 좋지 않으면 그 응용성은 많은 제약을 받게 되기 때문에 열렌즈 효과의 보상 유무에 따른 빔질을 파악하였다. 실험에서는 여기파워 12 W에서최적화된 보상렌즈 사용하였다.
- 여기광의 입사면에는 808 nm와 1064 nm에 대해 무반사 코팅, 반대면에는 1064 nm에 대해 무반사 코팅이 되어 있다. 매질 홀더는 세라믹 Nd:YAG에서 발생된 열을 효율적으로 냉각될 수 있도록 구리를 이용하여 제작하였다. 레이저 매질은 열전도가 좋은 인듐 포일로 둘러싸서 홀더 중심에 장착하였다.
- 전류 변동률을 가져 안정적으로 반도체레이저를 구동할 수 있으며, 최대 100 A에 20 V까지 제공할 수 있다. 반도체레이저와 구동 장치로 구성된 회로에서 일어나는 과도 현상을 억제하며, 역전류로부터 반도체레이저를 보호하기 위하여 구동 장치와 반도체레이저 사이에 안전회로를 설치하였다.
- 열렌즈 효과를 보상할 수 있는 최적 조건을파악하기 위하여 보상렌즈의 초점거 리를 26 mm에서 52 mm, 유효직경을 5 mm에서 30 mm로 초점거리 또는 유효직경이서로 다른 보상렌즈를 교체해 가면서 측정하였다. 보상렌즈의 위치는 레이저 매질 단면으로부터 25 mm에서 45 mm까지 이동해 가면서 레이저 출력특성을 파악하였다. 보상렌즈는 1064 nm에 대해 무반사 코팅을 하였으며, 투과율은 99.
- 세라믹 Nd:YAG의 열렌즈 초점거리를 ABCD 행렬에 적용하여 열렌즈 효과가 레이저 출력에 미치는 영향 및 열 렌즈 효과의 보상특성을 해석하였다. 열렌즈 초점거리는 공 진기가 구성되지 않은 상태에서 측정하였다.
- 6 %로 측정되었다. 실측 빔직경은 초기 설계 목표값보다 80 |im 정도 컸지만, 레이저 출력효율과 레이저 장치 구성을 고려하였을 때 가장 적당하다고 판단되어 이를 이용하여 실험을 진행하였다.
- 그러나 문헌값을 계산식에 대입하여[13,14] 레이저 발진 유무에 따른 열렌즈 초점거리를 계산한 결과 그 차이는 약 20 %로 이는 열렌즈 효과에 의한 레이저 출력특성을 파악하는데는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 레이저가 발진하지 않는 상태에서 측정한 열 렌즈 초점거리는 레이저에서의 열영향을 해석하는데 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단되었다. 실험에서는 탐침광으로 He-Ne 레이저를 이용하였으며, 탐침광은 공간필터를 이용하여 확대 및 평행광으로 만든 후 집속광학계와 평면거울 사이에 빛살 가르개를 설치하여 레이저 매질에 통과시켰다. 열 렌즈 초점거리는 컴퓨터에 연결된 CCD 카메라를 이용하여 여기 파워에 따라 탐침광의 빔크기가 가장 작은 지점을 확인한 후 이 지점으로부터 매질 단면까지의 거리를 측정하여 구하였다.
- 그리고 빔질을 평가하기 위하여 출력빔의 Nt?를 측정하였다. 실험은 출력거울 앞에 초점거리가 75 mm인 렌즈를 설치한후 렌즈의 초점 위치와 이로부터 100 mm 떨어진 위치에서출력빔의 빔직경을 측정하여 NS값을 구하였다. 열렌즈가 보상되었을 때의 IM값은 2.
- 실험에서는 탐침광으로 He-Ne 레이저를 이용하였으며, 탐침광은 공간필터를 이용하여 확대 및 평행광으로 만든 후 집속광학계와 평면거울 사이에 빛살 가르개를 설치하여 레이저 매질에 통과시켰다. 열 렌즈 초점거리는 컴퓨터에 연결된 CCD 카메라를 이용하여 여기 파워에 따라 탐침광의 빔크기가 가장 작은 지점을 확인한 후 이 지점으로부터 매질 단면까지의 거리를 측정하여 구하였다. 실험에서 사용된 반구형 공진기의 경우 열렌즈 초점거리가 공진기 길이 120 mm보다 짧아지면 공진 모드가 형성되지 않아 레이저가 발진되지 않기 때문에[15] 공진기 길이를 기준으로 레이저 동작 여부를 구분할 수 있다.
- 보상특성을 해석하였다. 열렌즈 초점거리는 공 진기가 구성되지 않은 상태에서 측정하였다. 레이저에서의 열 영향을 정확히 해석하기 위해서는 레이저가 발진되는 상태에서 측정된 열렌즈 초점거리를 이용하여야 한다.
- 열렌즈 효과는 양볼록인 보상렌즈를 공진기 내부에 삽입하여 보상하였다. 열렌즈 효과를 보상할 수 있는 최적 조건을파악하기 위하여 보상렌즈의 초점거 리를 26 mm에서 52 mm, 유효직경을 5 mm에서 30 mm로 초점거리 또는 유효직경이서로 다른 보상렌즈를 교체해 가면서 측정하였다.
- 열렌즈 효과를 보상하는 최적 조건을 파악하기 위하여 보상 렌즈의 위치에 따른 레이저 출력특성을 알아본 후 최적의 위치에서 보상렌즈의 초점거리와 유효직경에 따른 레이저 출력효율을 측정하였다.
- 보상하였다. 열렌즈 효과를 보상할 수 있는 최적 조건을파악하기 위하여 보상렌즈의 초점거 리를 26 mm에서 52 mm, 유효직경을 5 mm에서 30 mm로 초점거리 또는 유효직경이서로 다른 보상렌즈를 교체해 가면서 측정하였다. 보상렌즈의 위치는 레이저 매질 단면으로부터 25 mm에서 45 mm까지 이동해 가면서 레이저 출력특성을 파악하였다.
- 6 %로 측정되었다. 열렌즈 효과의 보상에 따른 세라믹 Nd: YAG 레이저빔의 횡모드 변화는 CCD 카메라를 이용하여 촬영하였고, 레이저 출력은 파워 미터(Melies Griot: 13PEM003) 를 사용하여 측정하였다.
- 보상하기 위한 공진기를 구성하였다. 열렌즈 효과의 보상특성을 이론적으로 분석하고, 실험적으로 확인하였다. 여기파워 약 13 W 이싱.
- 측정된 열렌즈 초점거리를 바탕으로 G-parameter를 계산하여 세라믹 Nd:YAG 레이저의 열영향을 이론적으로 해석하는데 활용하였다. G-parameter의 계산식[8]은 다음과 같다.
대상 데이터
- 공진기는 모드정렬의 어려움이 거의 없는 안정된 반구면공진기로 구면거울과 구면거울의 곡률 중심에 위치한 평면거울로 구성하였다. 모드는 구면거울에서 반사되어 평면거울에 집속되어진다.
- 광섬유 연결 반도체레이저 여기 세라믹 Nd:YAG 레이저의열렌즈를 보상하기 위한 공진기를 구성하였다. 열렌즈 효과의 보상특성을 이론적으로 분석하고, 실험적으로 확인하였다.
- 따른 빔질을 파악하였다. 실험에서는 여기파워 12 W에서최적화된 보상렌즈 사용하였다. 그림 7은 레이저빔의 횡모드와 강도변화이다.
- 설계 . 제작된 집속광학계는 유효초점거리 10.9 mm에서 집속여기광의 빔직경은 380 |im이며, 투과율은 91.6 %로 측정되었다. 실측 빔직경은 초기 설계 목표값보다 80 |im 정도 컸지만, 레이저 출력효율과 레이저 장치 구성을 고려하였을 때 가장 적당하다고 판단되어 이를 이용하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 그림 7은 레이저빔의 횡모드와 강도변화이다. 그림 7(a)는 보상렌즈를 사용하지 않은 결과로 낮은 여기파워에서 나타나지 않았던 고주파 성분은 여기파워가 증가하면서 열렌즈 효과에 의해 매우 많이 나타났다. 레이저빔의 고주파 성분은 고출력 레이저 시스템에서 레이저 매질을 파손시킬 수 있기 때문에 최대한 제거되어야 한다.
- 흰색 영역에서는 레이저 동작 조건을만족하며, 검은색 영역에서는 만족하지 않는다. 그림 3(a)는초점거리가 10 mm인 보상렌즈의 계산 결과로 레이저 매질단면으로부터 16 mm 이내에서만 열렌즈 효과가 보상된다. 이 경우는 레이저 동작 조건이 매우 제한적이기 때문에 실험에 적용하기에는 적당하지 않은 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과를 미루어보아 유효직경을 22 mm 이상으로 증가시켜도 출력효율은 크게 향상되지 않을것으로 판단되었다. 결과적으로 열렌즈 효과는 유효직경 22 mm, 초점거리 30 mm인 보상렌즈를 레이저 매질로부터 25 mm 떨어진 위치에 설치하였을 때 가장 잘 보상되어 29 %의최대 출력효율을 나타내었다.
- 광섬유 연결 반도체레이저의 코어와 개구가 크기 때문에 렌즈매수가 적을 경우 초점거리 10 mm 이상에서는 빔직경이 매우 커져 레이저 출력효율이 작게 나타났다. 구면렌즈 6 개로 구성된 경우 가장 효율적으로 여기광을 레이저 매질에 집 속 시킬 수 있었다. 설계 .
- 레이저에서의 열 영향을 정확히 해석하기 위해서는 레이저가 발진되는 상태에서 측정된 열렌즈 초점거리를 이용하여야 한다. 그러나 문헌값을 계산식에 대입하여[13,14] 레이저 발진 유무에 따른 열렌즈 초점거리를 계산한 결과 그 차이는 약 20 %로 이는 열렌즈 효과에 의한 레이저 출력특성을 파악하는데는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 레이저가 발진하지 않는 상태에서 측정한 열 렌즈 초점거리는 레이저에서의 열영향을 해석하는데 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단되었다. 실험에서는 탐침광으로 He-Ne 레이저를 이용하였으며, 탐침광은 공간필터를 이용하여 확대 및 평행광으로 만든 후 집속광학계와 평면거울 사이에 빛살 가르개를 설치하여 레이저 매질에 통과시켰다.
- 레이저 출력효율은 여기파워 12 W 에서 측정하였다. 레이저 출력효율은 유효직경이 12 mm인보상렌즈를 사용한 경우 초점거리 26 mm에서 24 %를 나타내었고, 30 mm에서 28 %의 높은 값을 나타낸 후 초점거리가 더 길어질수록 서서히 감소하였다. 이는 그림 3에서 기술한 내용과 일치하고, 초점거리 30 mm에서 유효직경에 따른출력효율은 5 mm와 22 mm 에서 각각 24 %와 29 %를 나타내었다.
- 이는 공진기 길이를 짧게 하였을 경우와 유사한 출력특생[13]을 나타낼 것이다. 보상렌즈의 유무에 따른 레이저 출력효율을 비교하면 열렌즈 효과가 보상되지 않은 경우에는 여기파워 6 W에서 약 36 %이며, 보상되었을 경우에는 여기파워 6 W와 12 W에서 레이저 출력효율은 각각 27 %와 29 %로 나타났다. 보상렌즈에 의한 손실 때문에 출력효율의 차이가 7 % 정도 발생한 것으로 판단된다.
- 본 논문의 실험 결과에 의하면 보상렌즈는 세라믹 Nd:YAG 레이저의 출력효율을 조금 떨어뜨리는 단점이 있지만, 기존의 실험장치를 바꾸지 않고도 열렌즈 효과를 효과적으로 보상하여 레이저 출력 및 빔질을 크게 향상시킬 수 있는 큰 장점을 나타내었다. 레이저 출력효율을 좀더 향상시키기 위하여 보상렌즈를 사용하지 않고 공진기 구조를 변화시켜 열 렌즈 효과를 보상하는 연구가 진행되고 있다.
- 그림 7(b)는 보상렌즈를 사용한 결과로 열렌즈 효과가 보상되어 고주파 성분이 완전히 제거되었다. 실험 결과 보상렌즈는 레이저 출력과 빔질을 함께 향상시키는 역할을 하였다. 그리고 빔질을 평가하기 위하여 출력빔의 Nt?를 측정하였다.
- 4로 좋은 빔질을 나타내었다. 열렌즈 보상렌즈는 기존의 실험장치를 바꾸지 않고도 열렌즈 효과를 효과적으로 보상하여 레이저 출력 및 빔질을 크게 향상시킬 수있는 큰 장점을 나타내었다. 레이저 출력효율을 좀더 향상시키기 위해서는 보상렌즈 대신 공진기 구조에 따른 열렌즈 보상특성에 대한 연구가 필요하다.
- 5배 커서 공진 기내에서 발산하는 레이저빔을 더 효과적으로 보을 수 있었기 때문인 것으로 판단된다. 열렌즈 효과는 초점거리 30 mm인 보상 렌즈를 매질로부터 25 mm 떨어진 위치에 설치하였을 때 가장 잘 보상되었다. 이와 같은 실험 결과는 계산값을 바탕으로 예상한 내용과 잘 부합한다.
- 초점거리가 80 mm 이상으로 긴 보상렌즈의 경우 열렌즈 초점거리가 긴 영역에서는 레이저 동작 범위가 좁기 때문에 오히려 낮은 여기파워에서 공진하는 레이저빔이 보상렌즈에 의해 발산되어레이저 출력에 영향을 미칠 것이다. 위에서 계산한 결과를실험에 적용하면 초점거리가 30 mm에서 40 mm 사이인 보상렌즈를 레이저 매질에 최대한 가까이 위치시켰을 경우 열렌즈 효과가 효과적으로 보상될 것으로 예상된다.
- 028 이하가 되면 레이저 출력이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 이 결과를 보상렌즈를 사용한 경우에 적용하면 레이저 출력이 나타나지 않는 G-parameter값 1에서 0.028을 뺀 0.972 이상이 되면 레이저 출력은 감소할 것으로 예상되며, 0.972와 1 이 되는 여기파워는 약 32 W와 33 W이다. 이와 같은 결과에 의하면 보상렌즈를 사용하였을 경우 여기파워에 따라 레이저 출력이 선형적으로 증가하다가 32 W 근처에 도달하게 되면 출력은 매우 급격히 감소하며, 33 W에서는 발진하지 않을 것으로 예상된다.
- 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이 실험결과는 초점거리가 30 mm이고, 유효직경이 22 mm인 보상렌즈를 세라믹 Nd:YAG의 단면으로부터 25 mm 떨어진 곳에 설치하여 열렌즈 효과가 가장 잘 보상된 것이다. 열렌즈 효과가 보싱되었을 때 G-parameter는 그림 2에서와 같이 여기파워 12 W에서 약 0.
- 유효직경 12 mm에 비해 약 1/2로 좁아진 경우 출력효율이 4 % 감소하였고, 약 2 배 증가한 경우 1 %밖에 향상되지 않았다. 이와 같은 결과를 미루어보아 유효직경을 22 mm 이상으로 증가시켜도 출력효율은 크게 향상되지 않을것으로 판단되었다. 결과적으로 열렌즈 효과는 유효직경 22 mm, 초점거리 30 mm인 보상렌즈를 레이저 매질로부터 25 mm 떨어진 위치에 설치하였을 때 가장 잘 보상되어 29 %의최대 출력효율을 나타내었다.
- 972와 1 이 되는 여기파워는 약 32 W와 33 W이다. 이와 같은 결과에 의하면 보상렌즈를 사용하였을 경우 여기파워에 따라 레이저 출력이 선형적으로 증가하다가 32 W 근처에 도달하게 되면 출력은 매우 급격히 감소하며, 33 W에서는 발진하지 않을 것으로 예상된다. 이는 공진기 길이를 짧게 하였을 경우와 유사한 출력특생[13]을 나타낼 것이다.
- 3 m'보다 커지게 되어 G-parameter가 레이저 동작 조건을 벗어났다. 초점거리가 30 mm 근처인 보상렌즈를레이저 매질 최대한 가까이에 위치시켰을 경우 열렌즈 효과가 잘 보상될 것으로 계산되었다. 보상렌즈가 없는 경우 레이저 출력은 열렌즈 효과에 의해 여기파워 6 W 이상에서 급격히 감소하였으며, 13 W 부근에서는 레이저가 발진되지 않았다.
- 69 W로 약 40 %의 큰 변화율을 나타내었고, 보상 렌즈의 위치 35 mm 및 45 mm에서의 출력은 초점거리 30 mm, 설치위치 25 mm에서 측정된 최대 출력에 약 50 % 밖에 미치지 못하였다. 초점거리가 30 mm인 보상렌즈에서는 각 위치에 따른 출력 변화율이 약 17 %로 가장 안정되게 나타났으며, 25 mm 위치에서 3.44 W의 최대 출력값을 나타내었다. 초점거리 52 mni에서 출력이 감소할 것으로 예상하였으나, 초점거리 38 mm에서의 측정값보다 조금 상승하였다.
후속연구
- 레이저 출력효율을 좀더 향상시키기 위해서는 보상렌즈 대신 공진기 구조에 따른 열렌즈 보상특성에 대한 연구가 필요하다. 열렌즈 효과가 보상된 세라믹 Nd:YAG 레이저는 그 특성을 충분히 발휘할 수 있게 되어 응용분야도 확대될 것으로 기대된다.
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