접촉 냉각 방식을 이용한 micro-chip Yb:YAG 레이저의 발진특성 연구 = Output Characteristics End-Pumped Micro-chip Yb:YAG Laser by Contact Cooling

국문 초록 (Abstract)

접촉 냉각 방식을 이용한
종 여기 micro-chip Yb;YAG 레이저의 발진특성 연구


준안정 3준위로 발진하는 Yb;YAG 레이저는 Nd;YAG 레이저를 대체할 고 출력 레이저로서 우수한 특성을 가지고 있다. 하지만 발진을 위해서는 강한 여기가 필요하기 때문에 작은 양자 결함 (quantum defect)에도 많은 열이 발생하게 되고, 결정내부에서 발생하는 열의 정도에 따라 발진 효율과 발진 문턱 값 등이 크게 달라지기 때문에 열을 효율적으로 제거하여 주는 것이 매우 중요하다..
이 논문에서는 간단한 형태의 구리판과 사파이어 창을 이용한 접촉 냉각 방식을 사용하여 종 여기 micro-chip Yb:YAG 레이저를 발진시키고 발진특성을 연구하였다. 구리판의 창의 구멍 크기를 달리하여, 구리판으로 직접 열이 전달되어지는 경우와 구리판과 결정 사이에 사파이어 창을 부착하여 표면으로부터 발생되는 열이 사파이어 창을 통하여 구리판으로 전달되는 경우의 레이저 발진 특성을 비교하였다.
800 μm 두께를 가진 Yb3+ 이온이 20 at% 도핑 된 microchip Yb:YAG 결정을 사용하였고,. 여기 광원으로는 파장이 940 nm cw fiber coupled LD ( core diameter = 600μm NA=0.22 ) 를 사용하였다. 효과적이 여기를 위하여 110 μm 크기로 빔을 집광하여 종 여기를 통해 레이저를 발진시켰다. 레이저 발진 문턱 값은 접촉냉각 조건에 따라 다르게 측정되었고, 최소 발진 문턱 값은 7 KW/cm2 로 측정 되었다.
구리판의 창의 구멍 크기를 달리하여 결정에서 여기위치와의 거리에 변화를 주었을 때, 발진 특성을 조사 하였다. 구리판으로 직접 결정의 열이 전달되는 경우와 사파이어 창을 통하여 구리판으로 열이 전달되어지는 경우의 발진 특성을 비교한 결과, 사파이어 창을 부착하여 열을 제거하였을 때에 가장 높은 발진 효율과 출력 값을 얻을 수 있었다. 발진 레이저의 최대 기울기 효율은 16 % 로 측정되었고, 출력값은 2 W 여기 시켰을 때 200 mW 정도로 측정 되었다.
접촉 냉각 방식을 사용하여, Yb:YAG의 도핑율과 출력경의 반사율 등의 레이저 변수를 최적화 시킨다면, 50 W 이상의 초소형 고출력 종 여기 microchip Yb:YAG 레이저의 개발이 가능할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 2. Yb:YAG micro-chip 레이저 3
• 2-1. 마이크로칩 레이저 3
• 2-2. Yb:YAG Crystal 6
• 2-3. 준안정 3준위 레이저 10
• 2-4. 준안정 3준위 레이저의 CW 발진 모델링 17
• 3. Collimating & Focusing 렌즈의 제작 26
• 3-1 렌즈의 구성 및 시뮬레이션 26
• 3-2. 렌즈의 설치 30
• 3-3, Yb:YAG 홀더의 제작 32
• 4. Yb:YAG 레이저 발진 실험 34
• 4-1. 복합렌즈를 이용한 Yb:YAG 레이저 발진 실험 34
• 4-2. 광섬유를 이용한 Yb:YAG 레이저 발진 실험 36
• 4-3. 두 개의 복합렌즈를 이용한 Yb:YAG 레이저 발진 실험 45
• 5. 결 론 54
• 참 고 문 헌 60
• ABSTRACT 63