고출력 고체 레이저의 출력빔 모양 조절 및 효율적 파장 변환에 관한 연구

Abstract

오늘날 레이저는 분광학, 의료, 산업 및 군사 분야 등 다양한 분야에서 중요한 부분이 되었고, 각각의 응용분야에 따라 레이저 출력, 파장, 선폭뿐만 아니라 가장 중요한 요소 중 하나인 공간 세기 분포 등 고유한 빔 특성을 필요로 하고 있다. 그 중에서 공간세기분포는 레이저의 중요한 특성중 하나로 일반적으로 레이저 빔의 공간세기분포는 레이저 횡 모드에 의해 결정되는데 대표적인 공진모드에는 허마이트-가우시안(Hermite-Gaussian, HG) 모드와 라게르-가우시안(Laguerre-Gaussian, LG) 모드가 있다. 레이저로부터 어떤 형태의 횡 모드로 발진되는가는 펌프 및 공진기 조건에 의해 결정이 되는데 고차모드로 갈수록 빔 특성이 나빠지기 때문에 대부분의 레이저는 근본모드인 TEM00 모드를 발진시키기 위해 노력해왔다. 그러나 고차모드중 하나인 라게르-가우시안 모드는 일반적인 레이저 공진기 구조가 가질 수 있는 근본 모드로 HG 모드 빔과 비교해서 여러 가지의 빔 특성 차이를 보이고 있는데 빔의 세기가 도넛 모양의 공간 출력 분포를 가지고 있고, 방위형/방사성 편광 등 HG 모드 빔이 가질 수 없는 편광 특성을 가질 수 있으며, 동일 위상 파면이 소용돌이로 회전하며 진행하는 특이한 공간 전파 성질을 가질 수 있다. 특히 소용돌이 모양으로 회전하는 파면은 LG 모드 레이저빔이 알짜 궤도각운동량(orbital angular momentum)을 가지고 있을 때 나타나는 현상으로써 어떠한 조건 하에서 LGpl 모드 빔 파면의 방위각 위상이 만큼의 의존도를 가지도록 조절하면 그 모드 빔들의 광자들은 모두 의 궤도각운동량을 가질 수 있다. 이를 이용하여 소용돌이 파면 빔은 광학 트위저, 광학 스패너, 원자/이온의 포획 및 가이딩, 나노 입자의 정밀 조절 등 다양한 분야에 이미 응용되고 있으며 최근 들어서는 물질 구조에 궤도 각운동량을 전달, 그 값에 따라 초미세 가공 구조를 조절함과 동시에 양자 광학에서도 이를 응용하여 주목할 만한 결과들을 보고하고 있다. 이처럼 각각의 공간모드는 그 공간분포에 따라 다양한 응용분야를 가지고 있어, 자유로이 변환시킬 수 있으면 아주 유용하게 사용가능할 것이다. 본 연구에서는 두 개의 공진기가 결합된 새로운 형태의 고체 레이저 시스템을 제안하고 이로부터 하나의 레이저 시스템으로부터 고품질, 고효율의 TEM00, LG 모드뿐만 아니라 임의의 빔 세기분포를 가지는 다중 모드 중 하나를 선택 발진함을 보이고자 한다. 이와 더불어 생성된 LG 모드 빔의 공간세기 분포 및 각 종 모드에 대한 파면의 헬리시티 등과 같은 레이저 빔 특성을 연구하였으며, 레이저 공진기에 에탈론을 삽입하고 조절하는 것만으로 쉽게 소용돌이 파면의 회전 방향이 결정된 소용돌이 파면 빔 생성이 가능함을 확인하였다. 고출력 펨토초 펄스 레이저는 산업, 분광학, 의료 등과 같은 많은 분야에서 응용되고 있다. 특히 가시광 영역의 고출력 펨토초 펄스 레이저는 미세 기계 가공, 안구 수술, 통신, 분광기 등 수많은 응용 분야에서 요구되어지고 있다. 고출력 극초단 가시광 레이저 빔을 생성하기 위하여 근적외선 레이저 빔을 비선형 광학 결정에 통과시켜 파장변환을 하는 기술이 가장 표준적인 기술로 알려져 있으나, 극초단 레이저의 넓은 파장 선폭으로 인해 효율적인 파장 변환을 위해서 ns 펄스 레이저 시스템이나 연속발진 레이저 시스템과 같이 무조건 긴 길이의 비선형 광학 물질을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 즉 위상정합 조건이 파장에 의존하고 비선형 물질의 복굴절로 인한 워크-오프(walk-off) 효과 때문에 넓은 선폭의 펨토초 레이저빔의 효율적 파장 변환에는 많은 제한 조건이 있는데, 특히 비선형 광학 결정 길이의 최적화는 효율적 파장 변환을 위해 매우 중요하다. 지금까지 극초단 레이저의 효율적인 파장변환에 대한 많은 연구들이 보고되어 왔지만 펄스 폭, 선폭 및 변환 효율과 같은 파장 변환 과정에서의 결정 길이의 영향에 대한 많은 연구는 부족한 형편이다. 본 연구에서는 다양한 조건에서 펨토초 레이저 빔에 대한 LBO와 BBO 결정의 SHG 변환을 수치적으로 계산하였으며, 펨토초 레이저 빔의 효율적인 SHG는 밀집된 빔으로 비교적 짧은 결정 길이를 사용하여 달성 할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 모드-잠금 Yb:KGW 레이저 빔을 이용하여 2차 조화파를 생성하였으며, 변환 효율 및 출력 스펙트럼에 대한 수치 계산 된 값을 실험 결과와 비교하여 고효율의 파장변환 펨토초 레이저를 얻는 연구에 대해 보고하고자 한다.; This thesis presents the study of beam profile tailoring and efficient frequency conversion of high power solid state lasers including the theoretical calculation and the experimental results. Laser beams are used in a great number of application areas such as industry, medicine, defence, telecommunication, and so on. Each area requires unique beam properties, e.g. the spatial intensity distribution, laser frequency, etc., depending on its application. Especially, the spatial intensity distribution of the laser beam, which is determined by a transverse mode in an optical resonator, is one of the most important characteristics for lasers. There are two kinds of transverse laser resonator modes, a Hermite-Gaussian (HG) mode in a rectangular configuration and a Laguerre-Gaussian (LG) mode in a cylindrical configuration. Recently the LG mode laser beam attracts lots of interests for many application in areas such as optical tweezer and manipulation of particles, high capacity telecommunication, precise laser material processing, and so on. First, this thesis reports study the characteristics of the LG mode output, including the intensity profile and the wavefront helicity. I have demonstrated generation of the LG mode optical vortex beam with well-determined handedness simply by inserting and tilting an etalon in the laser resonator and propose the selection mechanism of the wavefront helicity based on the theoretical and experimental results. Moreover this thesis proposes a simple and alternative way for controlling the transverse mode in a solid state laser employing a dual-cavity laser resonator configuration, which is invented and demonstrated for the first time in the world by this research activity. Using this approach, I have not only selected and switched a resonating mode in a simple way but also generated the laser beam with a targeted intensity profile by controlling the ratio of two resonating modes. Second, this thesis includes the study of high-power femtosecond pulsed lasers and its frequency conversion. Femtosecond pulsed lasers systems are attractive for a lot of application areas such as industry, spectroscopy, medicine and so on. Femtosecond laser beams in the visible wavelength region can be obtained by frequency conversion of Nd-doped or Yb-doped IR laser beams using a nonlinear optical crystal. In this thesis, efficient second harmonic generation (SHG) of a Yb:KGW laser with the femtosecond pulsed output is reported. Using LBO and BBO crystals as nonlinear optical crystals, I have numerically calculated SHG conversion of the femtosecond laser beam under the various conditions. The numerical calculation is applied to a mode-locked Yb:KGW femtosecond laser constructed in house, which is in a very good agreement with experimental results.