Yb 도핑 극대구경 광섬유를 이용한 레이저 발진

Abstract

광섬유 레이저는 공진기 구조에 필요한 소자를 광섬유 형태로 제작하는 것이 가능해 고체 레이저에 비해 낮은 손실로 양자 효율에 근접한 기울기 효율을 얻는 것이 가능하다. 뿐만 아니라 광섬유의 원통형 구조와 긴 길이로 인해 열 분산이 뛰어나 고출력에도 매우 유리하다. Yb이 첨가된 광섬유는 넓은 방출 스펙트럼을 가져 다양한 파장의 레이저 발진이 가능해 현재까지도 많은 연구가 진행되고 있다. 그중에서도 980 nm 대역의 레이저는 이터븀(Yb) 혹은 어븀이(Er) 첨가된 광섬유의 펌핑 광원으로 사용이 되며 청색 레이저 파장 변환 소스로도 사용이 된다. 또한 현재 가공, 디스플레이등의 산업분야, 분광학, 의료등으로 응용분야가 넓어지고 있기 때문에 980 nm 대역의 레이저 발진을 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 기본적으로 980 nm 대역의 레이저는 Yb이 첨가된 광섬유를 통해서 얻을 수 있지만 높은 밀도 반전을 위한 강한 펌핑과 단파장에 대한 재흡수, 1030 nm 대역의 ASE(Amplified spontaneous emission) 및 기생발진(Parasitic lasing)을 억제해야한다는 어려움이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광섬유의 길이를 극단적으로 짧게 사용하거나 특수한 구조를 가지는 광섬유를 사용하여 980 nm 대역의 레이저를 발진시킨 연구가 있다. 하지만 짧은 길이로 인한 출력의 한계 및 특수 광섬유의 구조상 제작 및 비싼 비용이 단점으로 작용한다. 이에 대한 해결책으로 본 연구에서는 상용화되어있는 초대구경 광섬유(Extra large mode area)를 사용하는 방법을 고안하였다. 초대구경 광섬유는 클래딩 대비 코어의 크기가 매우 크기 때문에 여기된 이터븀 비율의 값을 크게 가져갈 수 있어 980 nm 대역의 레이저 발진에 매우 유리하다. 뿐만 아니라 짧은 길이의 사용이 가능하기 때문에 비선형 효과가 감소하고 큰 코어의 크기로 인해 데미지 문턱값이 높아 고출력의 레이저 발진에 적합하다. 본 연구에서는 Yb이 첨가된 초대구경 광섬유의 발진 특성을 알아보고 효율적인 980 nm 대역 레이저 시스템을 구축하였다. 그 결과 최고출력은 38 W의 980 nm 대역 레이저를 발진 시킬 수 있었다. 또한 반사형 회절격자를 이용하여 파장 변조가 가능한 시스템을 구축하였고 이 때 파장 변조 범위는 1023 nm에서 1037 nm이었다. 이 후 더 높은 출력의 시스템을 얻기 위해서 1018 nm 및 980 nm MOPA 시스템을 구축하였다. 1018 nm MOPA 시스템에서 증폭된 최고 출력은 98.8 W였고 이때의 기울기 효율은 55.7%로 측정되었다. 980 nm 대역 MOPA 시스템의 경우 증폭된 최고 출력은 77 W였으며 이때의 기울기 효율은 75%로 ASE 및 기생발진 없이 안정적으로 발진되는 것을 확인하였다. |During the last decade, fiber lasers have experienced a rapid growth. Especially, Yb doped fiber lasers have significant interest recently for their low quantum defect, broad emission cross section and numerous application. Laser sources at 980 nm have attracted much interests for blue laser generation source, application such as processing, display, and spectroscopy. For these reasons, many experiments is going on to generate 980 nm laser. In this thesis, we reported a characterization of XLMA fiber laser and operation of 978 nm MOPA system. First, the Yb doped XLMA fiber laser in a free-running system was built to investigate a characterization of XLMA. The maximum output was 28 W of CW at 978 nm, and slope efficiency was 82.1%. In a 4%-HR system, we obtained 38 W output and slope efficiency was 84%. Using a reflective diffraction grating, a system capable of wavelength modulation was built. The range of modulation was from 1023 nm to 1037 nm. The wavelength with the highest output was 1029 nm. Furthermore, to generate more high power, MOPA system was constructed. In 1018 nm MOPA system, the input seed beam power was about 52 W and amplified power was 98.8 W. The slope efficiency was measured to be about 55.7%. There was no parasitic lasing at maximum output. Using the characteristic of high gain in XLMA fiber at 978 nm, we constructed 978 nm MOPA system. The Yb doped XLMA MOPA system using the laser diode as a seed source successfully yielded 77 W of CW output with no ASE or parasitic lasing at maximum power. Measured slope efficiency was about 75% and beam quality was 41. As a result we experimentally demonstrated an high efficiency system using Yb doped XLMA fiber.