[논문]광음향 분광을 이용한 고체레이저의 방사양자효율 측정

김병태

doi:10.3807/kjop.2015.26.2.098

광음향 분광을 이용한 고체레이저의 방사양자효율 측정
Measurement of the Radiative Quantum Efficiency of a Solid-State Laser Using Photoacoustic Spectroscopy 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.26 no.2, 2015년, pp.98 - 102

초록
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PZT를 검출기로 사용하는 광음향 분광 측정법으로 고체레이저의 방사양자효율을 측정하였다. 반도체레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저에서 레이저가 발진하고 있을 때 약 58.3 %의 양자효율을 얻었다. 방사양자효율의 측정은 레이저 공진기의 최적화를 가능하게 하는 한 방법임을 제시하였다.

The radiative quantum efficiency of a solid-state laser was measured by photoacoustic spectroscopy with a PZT as the detector. The radiative quantum efficiency was about 58.3 % for a laser-diode pumped Nd:S-VAP laser under lasing conditions. The measurement of radiative quantum efficiency was presen...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

검출기로서 PZT의 사용 가능성에 대해서도 확인하였다. 입력 에너지를 변화시키며 조사하였을 때 PZT에서 검출된 광음향 신호의 강도가 선형성을 갖는 것이 확인되었고, 온도 변화에 따른 광음향 신호의 선형성 또한 확인되어 검출기로 충분히 사용할 수 있게 되었다.
본 논문에서는 Nd:S-VAP^[9-11]를 레이저 매질로 하는 레이저 공진기에서 에너지의 변환과정을 PZT를 이용하여 측정하고, 이를 분석하여 계산한 방사양자효율에 대해서 기술한다.

제안 방법

여기원으로 사용한 반도체레이저는 GaAlAs계로 2 W(1 J/ 500 ms)의 정격 출력을 낼 수 있다. PZT와 Nd:S-VAP 매질을 부착할 때에는 PZT에 압력을 주지 않는 범위 내에서 살짝 접촉시켰고, PZT에서 검출된 광음향 신호를 오실로스코프에서 처리하기 위해 반도체레이저의 트리거 신호를 사용하였다. 레이저 공진기에 사용한 반사거울과 출력거울은 1.
매질 내에서 광음향 방법으로 비방사천이를 해석하기 위해서 PZT를 광음향 신호 검출기로 사용하였다. 검출된 광음향 신호로 레이저 공진기내부의 에너지 변환 관계를 해석할 수 있었고, 이를 이용하여 레이저가 발진되고 있을 때의 양자효율을 구했다. 반도체 레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저의 방사양자효율은 약 58.
반도체레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저에서 방사양자효율을 광음향 분광법을 이용하여 측정하였다. 매질 내에서 광음향 방법으로 비방사천이를 해석하기 위해서 PZT를 광음향 신호 검출기로 사용하였다. 검출된 광음향 신호로 레이저 공진기내부의 에너지 변환 관계를 해석할 수 있었고, 이를 이용하여 레이저가 발진되고 있을 때의 양자효율을 구했다.
그림에서 레이저 매질이 음영으로 그려진 것은 여기원인 반도체레이저가 레이저 매질의 단면에서 집속되는 관계로 흰부분처럼 여기광이 매질 내를 퍼져 나가면서 흡수됨을 의미한다. 여기광원으로 10 Hz로 반복 동작하는 반도체레이저는 집속광학계를 통하여 Nd:S-VAP 매질 단면에 직접 조사하였다. 흡수된 광에 의해 매질 내부에서 열이 발생하여 열팽창이 일어나고, 이 열팽창에 의해 발생된 광음향 신호를 민감하고 응답속도가 빠른 PZT로 검출한다.
전술한 일반적인 광음향 분광 측정 실험를 약간 변형시켜 PZT를 사용하고, 직접 광음향 신호를 검출할 수 있는 장치를 Fig. 2와 같이 구성하였다. 그림에서 레이저 매질이 음영으로 그려진 것은 여기원인 반도체레이저가 레이저 매질의 단면에서 집속되는 관계로 흰부분처럼 여기광이 매질 내를 퍼져 나가면서 흡수됨을 의미한다.
여기광원으로 10 Hz로 반복 동작하는 반도체레이저는 집속광학계를 통하여 Nd:S-VAP 매질 단면에 직접 조사하였다. 흡수된 광에 의해 매질 내부에서 열이 발생하여 열팽창이 일어나고, 이 열팽창에 의해 발생된 광음향 신호를 민감하고 응답속도가 빠른 PZT로 검출한다. 여기에 사용된 PZT는 8×8×1^tmm 크기로 초음파 검출기에서 사용하는 것이다.

대상 데이터

반도체레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저 공진기 내부에서의 에너지 변환 관계를 해석하기 위하여 Fig. 1과 같은 레이저 공진기 구성을 이용하였다.^[13]공진기는 안정된 형태로 808 nm에서 무반사, 1064 nm에서 전반사하는 이색성 코팅을 한 10×10×2^tmm인 평면거울과 곡률반경이 120 mm인 출력거울이 반구면(hemispherical) 형태를 취하도록 하였다.
일반적으로 광음향 분광학에서는 파장가변 레이저와 섬광등 등을 광원으로 사용하고 광을 변조시켜 주기적으로 에너지를 광음향 셀이나 고체 등에 입사시킨다. 주기적인 열에 의한 광음향 신호를 PZT나 마이크로폰, 하이드로폰 등의 검출기를 이용하여 측정한다. 측정된 음향신호를 lock-in amp.

이론/모형

광음향 계측 방법 중 트랜스듀서법은 PZT, ZnO 및 TiBaO₃ 등의 검출 소자를 사용한다. 에너지 변환 과정을 측정하고자 하는 매질에 검출소자를 고정시키는 방법과 트랜스듀서 위에 물질을 접착하는 방법을 이용할 수 있다.
그러기 위해서 음→전기 변환의 검출 방법을 사용한다.
반도체레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저에서 방사양자효율을 광음향 분광법을 이용하여 측정하였다. 매질 내에서 광음향 방법으로 비방사천이를 해석하기 위해서 PZT를 광음향 신호 검출기로 사용하였다.

성능/효과

레이저 매질의 흡수파장 영역과 여기원의 발진파장 영역이 일치되어감에 따라 양자효율도 증가하고 있음을 알 수 있다. Nd:S-VAP 결정의 흡수파장 영역과 여기원의 발진파장 영역이 일치하는 곳에서는 출력거울의 반사율에 관계없이 약 58.3 %의 방사 양자효율을 나타내었고, 그 관계를 Fig. 6에서 확인 할 수 있다. 일반적으로, 양자결손(quantum defect)을 고려한, GaAlAs 계 반도체레이저를 여기원으로 사용하고 Nd³⁺ 이 첨가된 매질을 사용하는 고체레이저의 양자효율이 약 75 % 정도^[15]로 알려진 것에 비하면 약 17 %나 작게 나온 결과이다.
광음향 신호를 검출하는 방법에는 크게 마이크로폰(microphone)법과 트랜스듀서(transducer)법으로 나눌 수 있다.^[2] 트랜스듀서법은 감도가 좋고, 배치가 용이하며 응답속도가 빠른 PZT를 이용하여 고체 내부에서의 에너지 흡수를 측정할 수 있으며 진공 중에서도 측정이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 그러나 트랜스듀서법은 신호가 물질의 형태와 트랜스듀서 배치에 의존하기 때문에 정량적인 해석이 곤란하고, 여기광의 산란 등에 의한 영향을 받기 쉬운 등 문제점도 내재해 있다.
출력거울의 반사율을 73 %, 82 % 및 90 %로 바꾸어 가며 측정했을 때 매질에서 흡수된 에너지는 출력거울의 반사율에 관계없이 거의 같았다. 그러나 공진기 내부의 손실 에너지는 출력거울의 반사율이 커질수록 증가하고, 출력거울의 반사율이 낮아질수록 발진되는 레이저 에너지가 증가함을 알 수 있었다. 이 결과는 반도체 레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저의 정상발진 특성과 일치한다.
5에 나타낸다. 레이저 매질의 흡수파장 영역과 여기원의 발진파장 영역이 일치되어감에 따라 양자효율도 증가하고 있음을 알 수 있다. Nd:S-VAP 결정의 흡수파장 영역과 여기원의 발진파장 영역이 일치하는 곳에서는 출력거울의 반사율에 관계없이 약 58.
검출된 광음향 신호로 레이저 공진기내부의 에너지 변환 관계를 해석할 수 있었고, 이를 이용하여 레이저가 발진되고 있을 때의 양자효율을 구했다. 반도체 레이저 여기 Nd:S-VAP 레이저의 방사양자효율은 약 58.3 %를 나타냈고, 공진기 내부에서의 손실 에너지와 발진 에너지의 관계를 이용하여 레이저 출력 및 효율의 최대화를 위한 출력거울의 최적 반사율 결정 즉, 공진기의 최적화를 가능하게 하는 효과적인 방법임을 제시하였다.
이는 이론적 계산 결과와 실제 레이저가 발진하고 있는 과정에서 이론으로 계산할 수 없었던 공진기의 손실 및 에너지 준위간의 천이 손실 등이 포함된 측정 결과의 차이라고 판단된다. 이상과 같이 레이저 공진기에서 에너지 변환 관계를 해석할 수 있다면 방사양자효율 측정은 레이저 공진기의 최적화^[13]를 가능하게 하는 효과적인 방법임을 보여주었다.
검출기로서 PZT의 사용 가능성에 대해서도 확인하였다. 입력 에너지를 변화시키며 조사하였을 때 PZT에서 검출된 광음향 신호의 강도가 선형성을 갖는 것이 확인되었고, 온도 변화에 따른 광음향 신호의 선형성 또한 확인되어 검출기로 충분히 사용할 수 있게 되었다.
이렇게 줄어든 신호의 강도는 다른 파장 영역에서는 발진 조건이 성립하지 않기 때문에 1065 nm 로 발진되는 양으로만 간주했다. 출력거울의 반사율을 73 %, 82 % 및 90 %로 바꾸어 가며 측정했을 때 매질에서 흡수된 에너지는 출력거울의 반사율에 관계없이 거의 같았다. 그러나 공진기 내부의 손실 에너지는 출력거울의 반사율이 커질수록 증가하고, 출력거울의 반사율이 낮아질수록 발진되는 레이저 에너지가 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광음향 분광이란?	광음향 분광은 물질의 비방사천이를 다루며, 물질의 분광 측정 및 표면과 내부 특성 측정에 응용되는 계측 기술이다.[1-7] 광음향 분광 계측의 장점은 광음향 신호가 물질 내에 축적되는 열에 의한 것으로 물질 표면의 산란이나 반사되는 빛의 영향을 받지 않는다는 것이다.
	광음향 분광 계측의 장점은 무엇인가?	광음향 분광은 물질의 비방사천이를 다루며, 물질의 분광 측정 및 표면과 내부 특성 측정에 응용되는 계측 기술이다.[1-7] 광음향 분광 계측의 장점은 광음향 신호가 물질 내에 축적되는 열에 의한 것으로 물질 표면의 산란이나 반사되는 빛의 영향을 받지 않는다는 것이다. 이런 이유로 광음향 분광은 물질의 흡수스펙트럼을 얻는 것이 가능하여 물질 내에서 방사와 비방사천이 과정 사이의 관계를 알 수 있게 한다.
	광음향 신호 검출법 중 transducer법의 장단점은?	광음향 신호를 검출하는 방법에는 크게 마이크로폰(microphone)법과 트랜스듀서(transducer)법으로 나눌 수 있다.[2] 트랜스듀서법은 감도가 좋고, 배치가 용이하며 응답속도가 빠른 PZT를 이용하여 고체 내부에서의 에너지 흡수를 측정할 수 있으며 진공 중에서도 측정이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 그러나 트랜스듀서법은 신호가 물질의 형태와 트랜스듀서 배치에 의존 하기 때문에 정량적인 해석이 곤란하고, 여기광의 산란 등에 의한 영향을 받기 쉬운 등 문제점도 내재해 있다. PZT 등의 압전소자를 이용하는 직접적인 방법은 물질 내에서 발생한 열에 의해 왜곡되는 것을 물질에 밀착시킨 검출기로 측정하는 것이다.

참고문헌 (15)

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K. Naito, Ph. D. Thesis, Osaka University, Osaka, Japan (1993).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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