대구경 광섬유를 이용한 레이저의 특성 분석 = Characterization of extra-large mode area fiber lasers

국문 초록 (Abstract)

XLMA 광섬유는 약 50 um 이상 수백 um 정도의 대구경 코어를 가지는 광섬유로 비선형 효과를 감소시킬 수 있고 bulk damage threshold를 높일 수 있는 장점이 있지만 고차 모드를 가져서 빔질이 크다는 단점이 있다. 하지만 최근 들어 빔
질이 다이오드 레이저보다 작으면서도 출력은 다이오드 레이저 출력에 버금가는 고출력 레이저에 대한 필요가 생김에 따라 XLMA 광섬유를 사용한 고출력 광섬유 레이저에 대한 관심이 커지고 있고, 일부 회사는 이를 이용하여 상용 제품을 출시하였다. 그러나 Yb 첨가 XLMA 광섬유를 이용한 레이저에나 증폭기에 대한 연구 보고는 일부만 보고되고 있다.
본 연구에서는 XLMA 광섬유를 사용하여 레이저 및 증폭단 시스템을 구축하고 연속 발진 레이저 및 펄스 레이저 동작 특성을 연구하였다. 사용한 XLMA Yb 광섬유는 Yb 이 도핑된 코어 크기가 100 um로 0.1 NA 값을 가지고 있으며, 펌프빔 가이딩을 위한 내부 클래딩의 직경은 400 um로 NA 값은 0.2 이다. 흡수율은 915 nm에서 6.5 dB/m이다.
XLMA Yb 광섬유의 발진 특성을 알아보기 위해 광섬유의 양쪽 끝을 평평하게 자른 후 915 nm 펌프 다이오드 레이저를 이용하여 펌핑을 하였다. 그 결과 XLMA Yb 광섬유 레이저는 1036 nm의 중심 파장에서 최고 출력 60.9 W를 생성하였고 기울기 효율은 78.2%로 측정되었다. 다음으로 XLMA Yb 광섬유를 사용하여 최종 증폭단을 구축하고 일반 Yb 광섬유로 제작한 1064 nm의 시드빔을 사용하여 레이저 신호를 증폭시켰다. 반복률 200 kHz의 사각파 펄스 형태에서 최고 평균 출력 106.6 W, 펄스 에너지는 533.0 uJ를 얻을 수 있었다.
회절격자를 이용하여 파장 선택 Yb 첨가 XLMA 광섬유 레이저 시스템을 구성하였다. 1008 nm에서 1090 nm까지 발진 파장 선택이 가능하였다. 1008 nm이하의 파장에서 레이저 발진이 연속적으로 일어나지 않았으나, 980 nm 부근에서 ASE가 생성되어 이를 이용하여 980 nm 레이저를 생성하였다. 발진된 980 nm 레이저 빔은 흡수된 펌프가 44.8 W일 때 최고 출력 10.9 W였으며, 기울기 효율은 60.4%로 계산되었다.

목차 (Table of Contents)

• 차례
• 그림 차례
• 표 차례
• 국문 요지
• 제 1장 서론
• 제 2장 배경 이론
• 제 1절 레이저의 기본원리
• 1.1 에너지 준위와 천이
• 1.2 볼츠만 통계(Boltzmann’s Statistics)
• 1.3 아인슈타인 계수(Einstein’s Coefficients)
• 1.3.1 흡수(Absorption)
• 1.3.2 자발방출(Spontaneous emission)
• 1.3.3 유도방출(Stimulated emission)
• 1.4 밀도반전(Population inversion)
• 1.5 준위계
• 1.5.1 3-레벨 준위계 (3-level system)
• 1.5.2 4-레벨 준위계 (4-level system)
• 1.6 레이저의 구성
• 1.7 MOPA 구조
• 1.8 펄스 레이저
• 1.8.1 음향 광학 변조기(AOM, Acousto-optic modulator)
• 1.9 회절격자(Diffraction grating)
• 제 2절 광섬유 레이저
• 2.1 광섬유 및 광섬유 레이저 구조
• 2.2 이터븀 첨가 광섬유 레이저(Yb doped fiber laser)
• 2.3 980 nm 레이저 빔
• 2.4 초대구경(Extra-large mode area, XLMA) 광섬유
• 제 3장 실험 및 결과 분석
• 제 1절 연속발진 Yb 첨가 XLMA 광섬유 레이저
• 1.1 실험 구조
• 1.2 실험 결과 및 분석
• 제 2절 Yb 첨가 XLMA 광섬유를 이용한 MOPA 펄스 레이저
• 2.1 씨앗빔 실험 구조
• 2.2 결과 및 분석
• 2.3 증폭단 실험 구조
• 2.4 실험 결과 및 분석
• 제 3절 980 nm 발진 고출력 Yb 첨가 XLMA 광섬유 레이저
• 3.1 실험 구조
• 3.2 결과 및 분석
• 제 4장 결론
• 참고 문헌
• 영문 요지
• 감사의 글
• 연구윤리 서약서(국문)
• 연구윤리 서약서(영문)