고출력 이터븀 광섬유 레이저 및 라게르-가우시안 LG11 모드 생성

Abstract

광섬유 레이저는 웨이브 가이딩 구조를 가지고 있어 긴 길이의 이득 광섬유를 사용하므로 구조상의 열 조절에 유리하여 고출력 레이저 분야에 있어 각광받고 있다. 또한 출력 빔의 빔질이 레이저의 구조나 외부 영향에 관계없이 일정하게 조절 가능하다. 그뿐만 아니라 높은 광 변환 효율, 구조의 간단함 및 높은 안정성 등의 많은 장점들과 함께 다이오드 레이저의 발전으로 인하여 기존의 고체 및 기체 레이저의 출력 한계를 뛰어넘는 킬로와트 급의 고출력 레이저 구현이 가능하다. 따라서 광섬유 레이저는 지난 십여 년간 눈부신 발전을 하여 산업, 의료, 연구, 군사 등의 다양한 분야에서 응용되고 있다. 본 연구에서는 씨앗빔의 특성을 유지하며 고출력에 도달 가능한 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 구조를 채택하여 국산 이득 광섬유를 통하여 ~45 W의 입력 씨앗빔을 1 kW까지 증폭하는데 성공하였으며 이에 대해 보고하고자 한다. 다음으로 라게르-가우시안 모드는 공간 세기 분포가 동심원 형태인 원형 대칭을 가지는 공진기의 고유 모드이면 원통형 좌표계에서 형성되는 횡모드이다. 또한 일반적인 허마이트-가우시안 모드와 달리 소용돌이 위상 파면을 가지며 방위형/방사형 편광을 가지고 있다. 라게르- 가우시안 모드의 또 다른 특징으로 동일 위상 파면이 소용돌이 모양인, 즉 빔의 포인팅 벡터 방향이 빔의 진행 축을 중심으로 나선형으로 회전하며 진행하는 특이한 공간 전파 성질을 가지고 있는 빔이다. 이 경우 빔 파면의 방위각 위상이 의 의존도를 가지게 되는데 그 모드 빔들의 광자들이 의 궤도 각운동량을 가지게 된다. 이러한 특성을 가지고 있는 라게르-가우시안 모드는 광 집게, 광 트래핑, 대용량 통신 등에 사용 가능하고 최근 중력파 간섭계의 광원으로 고려되고 있다. 방위형과 방사형이 동시에 고차 모드인 LG 모드가 광학부품에서의 열 노이즈 신호 및 간섭을 줄여주어 정밀 측정하는데 유리하다고 보고되고 있다. 하지만 원형 대칭을 유지하면서 방사형, 방위형이 동시에 고차 모드인 라게르-가우시안 모드는 발진시키는 것이 매우 어려워 현재까지 관련된 연구 보고가 거의 이루어지지 않았다. 또한 보고된 결과들도 허마이트-가우시안 모드와 같은 다른 고차 모드 레이저빔 생성에 비해 빔 특성 및 모드의 순도가 매우 떨어진다. 본 연구에서는 Hollow-core fiber를 사용하여 레이저 빔과 펌프빔의 공간 모드 매칭 기술을 통해 겹침 효율을 조절, 라게르-가우시안 모드의 문턱값을 낮춰 우선 발진 가능하게 하였다. 이는 공진기 내부 혹은 외부에 라게르- 가우시안 모드를 발진 시키기 위한 광학기기를 설치할 필요가 없기 때문에 좋은 효율과 빔 특성을 기대할 수 있다. 공진기 내 고차 라게르-가우시안 모드빔의 공간 분포와 맞는 펌프빔을 가하여 선택적으로 발진시킴으로써 고차 라게르-가우시안 모드를 생성하였고 그 특성을 조사하였다.