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내부 공진기형 주파수 배가 고출력 녹색 레이저

Title
내부 공진기형 주파수 배가 고출력 녹색 레이저
Other Titles
Intracavity frequency-doubled high power green laser
Author
안상민
Alternative Author(s)
SangMin An
Advisor(s)
김지원
Issue Date
2017-08
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
가시광 대역의 파장을 가지는 레이저, 특히 빛의 삼원색 중 하나인 녹색 대역의 고출력, 좋은 빔질을 가지는 레이저 빔은 과학적, 실용적 목적 등으로 물질 가공, 우주 산업, 의료, 레이저 디스플레이 등 다양한 분야에서 사용되고 있을 뿐 아니라, 다른 레이저 물질을 펌핑하는 광원으로도 사용된다. 이러한 필요성으로 인해 고출력 다이오드 레이저의 개발 이후 지속적으로 연구 및 상용화되어 현장에서 사용 중에 있다. 이를 획득하는 다양한 방법들이 알려져 있으나, 일반적으로 비선형 광학 단결정을 사용하여 근적외선 레이저를 파장 변환하는 방법이 선호되고 있다. 그 중 내부 공진기형 다이오드 레이저 종 펌핑 고체 레이저 시스템은 파장 변환의 고효율성, 시스템 간소성으로 인해 연속 발진 녹색 레이저 빔을 얻기 위해 가장 널리 사용되는 방식이다. 그러나 다이오드 레이저 종 펌핑 고체 레이저 시스템은 고출력 레이저 발진시 발생하는 열렌즈 효과로 인해 공진 조건이 불안해져 출력 및 변환 효율에 한계가 존재하게 된다. 따라서 고출력의 연속 발진 파장 변환 레이저 빔을 획득하기 위해서는 공진기 조건을 최적화하고 열 문제로 인한 영향을 최소화 시켜야만 한다. 본 논문에서는 다이오드 레이저 종 펌핑 내부 공진기형 고체 레이저 시스템에서 고출력 녹색 레이저 빔을 얻기 위한 연구를 수행하였다. 고출력 레이저 빔을 획득하기 위해, 열 효과를 포함하여 Z-모양의 공진기의 최적 조건을 이론적으로 계산한 결과 두 오목 거울 사이의 거리가 중요한 변수임을 확인하였다. 오목 거울 간의 거리가 115 mm 인 경우, 약 250 μm 의 펌프 빔 반경에서 2.6 W 의 열을 견디는 반면, 105 mm 인 경우, 동일한 펌프 빔 반경에서 3.4 W 의 열을 견딜 수 있었으며, 이로부터 더 높은 펌핑 출력에서도 공진 조건이 변하지 않아 고출력의 레이저 빔을 획득할 수 있음을 확인하였다. 또한 기존의 808 nm 펌핑 광원을 대신하여 880 nm 펌핑 광원을 사용함으로써 양자 결함을 약 24%에서 17%로 감소시켜 같은 구조에서 보다 높은 출력의 레이저 빔을 획득할 수 있었다. 이를 통하여 880 nm 펌핑 광원 사용시 14.2 W 의 흡수 펌프 출력에서 7.0 W 의 레이저 출력을 획득하였으며, 이는 808 nm 펌핑 광원을 사용하였을 때와 비교하여 거의 100% 가까운 출력 향상을 획득할 수 있었다. 다른 조건들에 대한 실험 결과 역시 이론 계산 결과와 일치하였다. 구성한 공진기에서 LBO 결정을 오목 거울 사이에 삽입하여 2차 조화파를 생성하였다. 사용한 LBO 결정은 15 mm 길이의 Type I 비임계 위상 정합 결정으로, 위상 정정합 조건을 만족시키기 위해 오븐에 넣어 149℃ 로 온도를 유지하였다. 그 결과 14.2 W 의 흡수 펌프 출력에서 5.1 W 의 녹색 레이저 출력을 획득하였으며, 이 때 광 변환 효율은 25.0%로 측정되었다. 이를 통하여 새로운 공진기의 구성 및 최적화를 통하여 더 고효율, 고출력의 녹색 레이저 빔을 획득 가능할 것으로 기대한다.
High power, high efficiency green lasers at 532 nm employing an intracavity frequency conversion configuration with Nd:YVO4 and LBO is reported. In order to find optimum resonator conditions for high power generation, numerical simulation for a TEM00 resonating mode including a thermal lensing effect was carried out for the Z-type cavity. The calculated results showed that the resonating conditions were sensitive to the distance between the concave mirrors. Considering the experimental feasibility, the optimum distance between the concave mirrors was calculated to be 105 mm, which can stand up to a 3.4 W of heat for a ~250 μm pump radius for TEM00 mode operation. However, for the distance of 115 mm, the maximum available heat was ~2.6 W, which was ~25% less than that for 105 mm, meaning that the former can stands a higher pump power and hence, produce a higher laser output power. Furthermore, we used the diode pump source at 880 nm rather than 808 nm, which can reduce the quantum defect from ~24% to 17%, allowing a higher pump power to the laser crystal. We constructed a Nd:YVO4 laser at 1064 nm, based on the calculated optimum conditions, yielding 7.0W of a cw output for a 14.2 W of absorbed pump power at 880 nm, which is nearly 100% higher than pumping at 808 nm for a 115 mm concave mirror distance, 3.5 W of output for 8.5 W of absorbed pump power. The experimental results for the other conditions were also compared and were in good agreement with the calculated results. Under this condition, we inserted an LBO crystal in the middle of the concave mirrors for second harmonic generation. The used LBO crystal of 15 mm in length was a type I non-critical phase matching crystal and placed it in the oven at 149oC. The laser successfully achieved a green output power of 5.1 W at 532 nm for an absorbed pump power of 14.2 W at 880 nm, corresponding to the optical-to-optical efficiencies of 25.0%. We believe that a new cavity configuration and more optimization in the resonating conditions should offer a higher green laser output with high efficiency.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000102547http://hdl.handle.net/20.500.11754/33524
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > APPLIED PHYSICS(응용물리학과) > Theses (Ph.D.)
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