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고출력 Nd:YVO4 MOPA 레이저 시스템에 관한 연구

Title
고출력 Nd:YVO4 MOPA 레이저 시스템에 관한 연구
Author
노승현
Advisor(s)
김지원
Issue Date
2018-02
Publisher
한양대학교
Degree
Master
Abstract
레이저는 단색성, 직진성, 가간섭성의 특징을 갖고 있어 빔 집속이 용이하며 효율적인 빔(=에너지)전송이 가능하다. 이러한 특징을 바탕으로 광범위한 분야에서 두루 사용되고 있다. 특히 레이저 빔의 전파 특성 및 공간 세기 분포를 결정하는 레이저 공간 모드는 레이저 시스템이 처음 개발된 이후 이를 선택 조절하기 위해 많은 노력과 연구가 이루어져 왔다. 공간 모드 중 허마이트-가우시안 모드는 가장 기본적인 발진 모드로서 특히 TEM00 모드를 가장 많이 사용하며 산업, 의료, 군사, 학문 연구 등 일반적인 모든 레이저 응용 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 라게르-가우시안 모드는 도넛 모양의 공간세기 분포를 갖고 나선형 파면을 갖고 있어 입자의 광학조작, 정확한 미세 기계 가공, 고해상도 현미경등에 적용되어지고 있다. 하지만 열 렌즈, 출력에 따른 이득 분포 및 손실의 변화 등으로 인해 선택된 모드와 공간 세기 분포를 갖고 >1 W급 이상의 고출력을 얻는 것이 매우 어렵다. 따라서 이를 해결하고자 이중 공진기를 씨앗 빔으로 사용하는 MOPA 시스템을 구축하여 고출력 레이저 빔을 생성하는 연구를 수행하였다. 본 연구 그룹에서는 최근 공진기 내 조리개의 간단한 조작으로 생성되는 레이저 빔의 공간모드를 선택할 수 있을 뿐만 아니라 그 비율을 임의로 조절할 수 있도록 해주는 이중 공진기 시스템을 개발하였다. 본 연구에서는 이중 공진기로 씨앗 빔을 생성하였으며 Nd:YVO4 결정들이 삽입된 3단 증폭단을 구축하여 고출력 레이저 빔을 생성하였다. 측정된 결과를 바탕으로 씨앗 빔의 공간 세기 분포에 따른 증폭된 레이저 빔 특성 및 증폭 효율, 빔 모양을 측정 및 분석하고자 하였고 같은 증폭단 시스템에서 씨앗 빔의 공간세기 분포에 따른 펄스 모듈레이션을 통해 증폭된 레이저 빔의 첨두 출력, 펄스 당 에너지를 측정한 결과를 보고하고자 하였다. 또한 피코 초 광원을 생성하는 주발진기와 rod 타입 결정들을 사용한 증폭단으로 구축된 MOPA 시템을 구축하여 고출력, 고효율 피코초 레이저를 생성하여 그 결과를 보고하고자 한다.; A laser has directional, coherent and monochromatic characteristics, offering a tight beam focusing and efficient light-energy transfer, and has used in a lot of application areas including industry, defence, medicine, and so on. Among the excellent properties of the laser beams, the diffraction-limited propagation and spatial intensity distribution of the laser beam are determined by the transverse modes of the laser resonator and hence, a lot of efforts has been devoted to select and control them. A Hermite-Gaussian (HG) mode is the most basic resonating mode in the cavity with a rectangular symmetry and its lowest mode, TEM00 mode, is mostly used for all applications due to its excellent properties. When the cavity has a cylindrical symmetry, the basic resonating mode becomes a Laguerre-Gaussian (LG) mode, which has a donut-shaped spatial intensity distribution. This mode is attracting much interest recently since it can possess a helical wavefront and a radial/azimuthal polarization, which are not allowed in the HG modes. However, it is very difficult to obtain a high output power of >1 W with the selected mode and spatial intensity distribution due to thermal lens, gain distribution and cavity loss. In order to solve this problem, we constructed the MOPA system using a dual-cavity resonator as a master oscillator and investigated its performance. The MOPA can produce the maximum output powers of 36.6 W, 40.5 W, and 45.4 W with extraction efficiencies for the three-stage amplifier of 31.2%, 34.6%, and 38.8% for the TEM00, LG01, and quasi-top-hat mode beams, respectively. Furthermore we also constructed the MOPA system with high power and high efficiency using a fiber master oscillator with a pico-second pulsed output. The MOPA yielded 23 W of the average output with the pulse width of 8.5 ps for absorbed pump power of 69 W in a repetition of 400 kHz, corresponding to the pulse energy of 59 uJ and the peak power of 7.4 MW. The beam quality of the final output beam was measured to be ~1.2, which has the diffraction limited beam quality and its slope efficiency was 24%. Our experiments demonstrates flexibility and simplicity of the MOPA system using a dual-cavity master oscillator, offering adaptive beam profiles, temporal modulation of the spatial intensity distribution, and good extraction efficiency of the stored energy. We will improve this laser configuration for pulsed operation with high peak power.
URI
https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/68391http://hanyang.dcollection.net/common/orgView/200000432315
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > APPLIED PHYSICS(응용물리학과) > Theses (Master)
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