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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 SESAM을 이용한 모드 잠금된 Yb:YAG 레이저를 구성하고 공진기 길이, 레이저 매질에서 레이저 모드의 크기, 모드 잠금 소자에서 모드 크기가 레이저의 모드 잠금 출력에 주는 영향을 조사하였다. 또한 레이저 공진기는 고조화파 발생에 활용될 수 있도록 레이저 출력 광이 편광된 공진기 구조를 설계하였다[6].
제안 방법
- 의 초점거리가 50 mm일 때 펄스열의 세기가 일정하게 나오고 있음을 보여주고 있다. Figure 2의 안정적인 결과를 얻기 위해 렌즈 L3의 초점 근방에서 마이크로 미터를 이용해 d4를 미세 조정하였다. 절대적인 d4 위치는 렌즈와 SESAM 마운트의 구조상 ±1 mm의 정확도를 가지고 측정하지는 못하고 렌즈의 초점 근방에서 모드 잠금이 안정되는 위치에 SESAM를 정렬하였다.
- 그리고 Yb:YAG의 열 초점거리 fg의 변화에 대한 ωa ⋅ ωg의 크기 변화도 조사하였다[2, 9].
- 그이유는 오실로스코프(1 GHz 밴드 폭)와 포토다이오드의 분 해능(<500 ps)의 제한으로 인해 500 ps 이하의 펄스 폭은 측정할 수 없었다. 따라서 보다 정확한 측정을 위해 OSA(Optical Spectrum Analyzer)를 이용하여 모드 잠금 스펙트럼을 측정 하였다. 렌즈 L3의 초점거리가 50 mm 일 때, 펌프 광 세기에 따른 모드 잠금 스펙트럼은 Fig.
- 또한 레이저 출력파워 P는 LD의 파워와 출력경 투과도 T의 함수이기도 해서 T를 무한정 작게 만들 수는 없다. 따라서 본 연구에서는 참고문헌[7]과 같이 레이저 출력이 최적인 QWP의 회전각을 7도(투과도 T = 0.0585)로 고정하고 실험하였다. 다음으로 식 (1)의 부등식을 만족하도록 조절할 수 있는 변수는 레이저 빔 반경 ωa과 이득매질에서의 레이저 빔 반경 ωg의 곱이다.
- 따라서 본 연구에서는 SESAM을 이용한 모드 잠금된 Yb:YAG 레이저를 구성하고 공진기 길이, 레이저 매질에서 레이저 모드의 크기, 모드 잠금 소자에서 모드 크기가 레이저의 모드 잠금 출력에 주는 영향을 조사하였다. 또한 레이저 공진기는 고조화파 발생에 활용될 수 있도록 레이저 출력 광이 편광된 공진기 구조를 설계하였다[6].
- 렌즈 L3의 초점거리 50 mm와 75 mm에 대한 펌프 광 세기에 따른 모드 잠금된 레이저 출력을 측정하였다. 측정 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 종펌핑된 Yb:YAG 레이저에 SESAM을 적용하여 선편광된 모드 잠금 펄스 발생실험을 수행하였다. 모드 잠금 펄스 발생 효율을 높이기 위해 SESAM에 레이저 광을 집속하는 렌즈 L3의 초점거리를 조정하여 모드 잠금 조건을 구했다. 본 연구에서 설계된 레이저의 모드 잠금 조건은 레이저 공진기 길이와 SESAM에서의 레이저 빔 반경( ωa)과 이득매질에서의 레이저 빔 반경( ωg)의 곱의 크기(ωa ⋅ ωg)에 의해 영향을 받기 때문에 본 연구의 수치 분석은 ωa ⋅ ωg의 크기 변화에 대한 조건 분석으로 이루어졌다.
- 모드 잠금용 공진기로 활용할 수 있는 긴 공진기 구조를 만들기 위해 공진기 내부에 구면경과 렌즈를 삽입하고 출력경의 투과율이 조절이 가능하고 출력 광이 선 편광이 될 수 있도록 Fig. 1과 같이 PBS와 QWP을 이용한 출력경을 구성하여 Yb:YAG 레이저 공진기에 삽입했다[7]. 긴 공진기 구조를 만들기 위해 공진기 내부에 삽입된 구면경 M2의 곡률 반경 R은 300 mm이다.
- 본 실험에서는 렌즈 L3의 초점거리가 50 mm, 75 mm, 125 mm인 경우에 대한 모드 잠금 실험을 수행해 보았다. 거울 M1부터 렌즈 L3까지의 공진기 길이는 3.
- 본 연구에서 설계된 레이저의 모드 잠금 조건은 레이저 공진기 길이와 SESAM에서의 레이저 빔 반경( ωa)과 이득매질에서의 레이저 빔 반경( ωg)의 곱의 크기(ωa ⋅ ωg)에 의해 영향을 받기 때문에 본 연구의 수치 분석은 ωa ⋅ ωg의 크기 변화에 대한 조건 분석으로 이루어졌다.
- 본 연구에서는 종펌핑된 Yb:YAG 레이저에 SESAM을 적용하여 선편광된 모드 잠금 펄스 발생실험을 수행하였다. 모드 잠금 펄스 발생 효율을 높이기 위해 SESAM에 레이저 광을 집속하는 렌즈 L3의 초점거리를 조정하여 모드 잠금 조건을 구했다.
- 절대적인 d4 위치는 렌즈와 SESAM 마운트의 구조상 ±1 mm의 정확도를 가지고 측정하지는 못하고 렌즈의 초점 근방에서 모드 잠금이 안정되는 위치에 SESAM를 정렬하였다.
대상 데이터
- 모드잠금를 위해 사용된 SESAM은 BATOP 사로부터 구매해서 사용하였고 ΔR = 0.6%이고 반응시간 τ = 500 fs의 특성을 가지고 있다.
- 21이다. 펌프 광의 집광용 렌즈는 두 개의 평-볼록 렌즈 L1, L2를 이용하였고 각 렌즈의 초점거리는 35 mm, 25.4 mm이다. Yb:YAG 위치에서 펌프 광의 빔 반경은 약 328 μm이었다.
성능/효과
- 또한 Yb:YAG 레이저는 발진 파장이 1020∼1060 nm 까지 넓어 파장 가변이 가능하고 넓은 발진선폭으로 인해 극초단 펄스를 발생할 수 있다.[4] 극초단 펄스 레이저는 높은 순간 출력과 열 전달 시간보다 짧은 펄스 폭을 이용하여 최근에 정밀가공에 많이 이용한다. 극초단 펄스 발생은 주로 경제적이고 소형 제작이 가능한 수동형 모드 잠금(mode-locking) 기술을 통해서 많이 이루어진다[4].
- 그리고 L3의 초점거리가 75 mm일 때, 약간의 펄스열의 세기 변화가 보였으며 모드 잠금된 펄스 폭은 약 618 ps, 반복률은 약 37.7 MHz이었다.
- 그리고 우리는 수치적으로 Yb:YAG의 열 초점거리 fg와 무관하게 ωa⋅ωg 의 크기가 일정하게 할 수 있는 d4 거리가 있음을 알았다.
- 또한 수치분석을 통해 Yb:YAG의 열 초점거리 fg와 무관하게 ωa ⋅ ωg의 크기가 일정하게 할 수 있는 공진기 길이에 대한 조건이 있음을 알았다.
- 또한 수치분석을 통해 Yb:YAG의 열 초점거리 fg와 무관하게 ωa ⋅ ωg의 크기가 일정하게 할 수 있는 공진기 길이에 대한 조건이 있음을 알았다. 본 연구에서 모드 잠금이 잘 이루어진 공진기의 광로정(Optical Pass Length) 은 약 3.9 m이었고 이때 SESAM에 레이저 광 집속용으로 사용된 렌즈 L3의 초점거리는 50 mm이었다. 이 공진기에서 LD 펌프 광의 세기가 17.
- 그러나 공진기 길이가 너무 길면 레이저의 기계적 안정도가 떨어지게 되므로 가능한 작게 만드는 것이 좋다. 본 연구에서 실험을 통해 얻은 가장 짧은 공진기 길이는 d2= 143 mm, d3는 약 3.69 m이었고 이 공진기 길이에서 렌즈 L3의 초점거리 f = 50 mm, 75 mm, 125 mm에 대한 모드 잠금 특성을 조사하였다.
- 실험과 수치분석을 통해 렌즈 L3의 초점거리가 짧을수록 ωa ⋅ ωg의 크기를 작게 만들어주며 이런 조건하에서 모드 잠금이 잘 됨을 확인 하였다.
- 절대적인 d4 위치는 렌즈와 SESAM 마운트의 구조상 ±1 mm의 정확도를 가지고 측정하지는 못하고 렌즈의 초점 근방에서 모드 잠금이 안정되는 위치에 SESAM를 정렬하였다. 오실로스코프와 포토다이오드로 측정된 모드 잠금된 최소 펄스 폭은 약 525 ps이하, 반복률은 약 38.4 MHz임을 보여 주고 있다. 펌프 광의 세기가 증가할수록 펄스폭이 줄어드는 경향을 보였다.
- 2 W 에서 펄스 폭 보다 약 2배 정도 줄어든다. 이 결과로부터 펌프 광 세기가 17.0 W에서 렌즈 L3의 초점거리가 50 mm에서는 펄스 폭이 525 ps의 절반인 262 ps 이하로 됨을 알 수 있었다.
- 4 MHz임을 보여 주고 있다. 펌프 광의 세기가 증가할수록 펄스폭이 줄어드는 경향을 보였다. 펌프 광의 세기가 12.
후속연구
- 이 소자는 반도체를 이용한 양자 우물 구조를 만들어 포화 흡수가 일어나게 하고 동시에 거울 코팅을 해서 반사 작용을 한다. 모드 잠금 소자 SESAM을 이용해 Yb:YAG 레이저와 같은 고체 레이저에서 안정적인 모드 잠금 펄스가 나오기 위해서는 레이저 공진기 길이, 레이저 매질에서 레이저 모드의 크기, 모드 잠금 소자에서 모드 크기 및 모드 잠금 소자의 물리적 특성 등 여러 가지 매개변수들 간의 상관관계에 대한 연구가 필요하다[5]. 그러나 레이저 구성하기 위해 사용된 레이저 매질, SESAM, 레이저 거울의 물성은 레이저 설계자가 선택할 수 있는 경우 수가 많지 않아 모드 잠금 조건을 찾기 위해 많은 변화는 주기는 어렵다.
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