Tm 광섬유 레이저를 펌핑광원으로 이용한 Ho 광섬유 레이저

Abstract

2 의 파장 영역에서 발진하는 고출력 레이저는 폴리머, 플라스틱 등의 특수 재료 가공 등 산업적 응용 뿐 아니라, 높은 수분 흡수율로 인해 결석 제거, 의료 분야의 수술 등에 널리 사용되고 있다. 더 나아가 2 파장 대역은 보안 파장 대역에 속해 있어 미사일 회피, 라이다, 원거리 센싱 등 국방 분야에도 필수적으로 고출력 레이저가 요구되고 있는데 광섬유 레이저는 이와 같은 다양한 용도와 목적을 만족시키는데 가장 적합한 레이저 구조이다. 광섬유 레이저는 광도파로 구조로 발열 부피 대비 냉각 면적이 아주 큰 구조를 가지고 있어 레이저 발진시 발생하는 열 제거에 탁월한 성능을 발휘하므로 고출력 레이저 발진에 있어 매우 유리한 조건을 가지고 있다. 또한 광섬유 레이저빔의 빔 질은 도파로 구조의 특성상 레이저의 출력이나 외부 영향에는 관계없이 항상 일정하며, 높은 레이저 효율, 소형 및 경량화 가능 등의 많은 장점으로 인해 최근 들어 가장 각광받고 있는 레이저 구조이다. 2 파장 대역에서 발진하는 광섬유 레이저는 툴륨(Thulium, Tm)과 홀뮴(Holmium, Ho)이 첨가된 광섬유를 이득물질로 사용한다. Tm 광섬유 레이저는 1600-2100 nm의 넓은 파장 영역에서 레이저 발진이 가능하고 고출력 다이오드 레이저로 펌핑을 할 수 있고 고출력 연속발진 레이저 제작이 가능하여 2 um 파장 영역의 레이저 발진에 적합하다. 한편 Ho 광섬유 레이저는 2000-2200 nm 파장 영역에서 레이저 발진이 가능하고, 고체 레이저 기반으로 이미 여러 분야에서 사용되고 있다. Ho 광섬유 레이저의 경우 펌핑 가능한 고출력 다이오드 레이저가 존재하지 않아 고출력 연속발진 레이저빔 생성에는 한계가 있지만 최근 들어 고출력 Tm 광섬유 레이저의 개발이 이루어지고 난 후 이를 이용하여 2 um 파장 영역에서 고에너지 펄스 레이저 발진이 가능하다고 알려져 있어 이에 대한 연구가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 Tm 광섬유 레이저를 펌핑 광원으로 사용한 Ho 광섬유 레이저 시스템을 구축하였다. 우선 단일 공진기 시스템의 고출력 Tm 광섬유 레이저를 제작하고 발진 특성을 알아보았다. 그리고 이를 이용하여 펌핑한 Ho 광섬유 레이저 시스템을 제작하고 그 특성을 분석하였다. 더 나아가 반사형 회절 격자를 사용하여 Ho 광섬유 레이저의 파장을 선택할 수 있는 시스템을 구축하고 광섬유 레이저 공진기 내부의 음향 광학 변조기(AOM)를 설치, Q 스위칭 작동을 유도하여 Ho 광섬유 펄스 레이저 빔을 발진시키고 이에 대한 연구 결과를 보고하고자 한다.