npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 337-343

Published online March 29, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.337

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Output Characteristics of the 1064 nm Nd:YVO4 Regenerative Amplifier

1064 nm Nd:YVO4 재생증폭기의 출력 특성

Hyuk Jeong1, Dohwan Kwon1, Gyu Ug Kim2*

1Laser Improvement Company, Osan 18111, Korea
2Department of Optical Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 39253, Korea

Correspondence to:*gukim@kumoh.ac.kr

Received: January 12, 2024; Revised: January 30, 2024; Accepted: January 31, 2024

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

We calculated the output power of the seed pulse amplified by the 1064 nm Nd:YVO4 regenerative amplifier using ASLD program. In the absence of seed pulse, it was calculated that the maximum power of the cavity-dumped oscillator is 70.6 W and the radius of the pumping beam is 1.3 mm, when the distance between the focusing lens of the 888 nm pumping laser and the gain medium Nd:YVO4 is 88 mm. And it was calculated that the 1064 nm pulse energy increased linearly as the number of round trips of the seed pulse increased. Based on these results, we constructed the optical system of the regenerative amplifier. We measured the output power, beam quality, and intensity distribution of the 1064 nm laser. The average power and pulse energy of the amplified seed pulse was 24 W and 240 μJ, respectively. The beam quality was measured to be Mx2 = 1.199, My2 = 1.172, and circularity was 93%.

Keywords: Nd:YVO4 laser, Regenerative amplifier, Electro-Optic Effect, Q-switching

ASLD 프로그램을 이용하여 1064 nm Nd:YVO4 재생증폭기에서 씨앗광의 증폭률과 출력을 계산하였다. 씨앗광이 없을 때 공진기 덤핑 발진기의 펌핑광의 사이즈와 출력을 계산한 결과, 888 nm 펌핑광의 집속렌즈와 이득 매질 Nd:YVO4 사이의 거리가 88 mm일 때, 펌핑광의 사이즈는 1.3 mm이었고, 출력은 최대 70.6 W로 나타났다. 그리고 씨앗광의 왕복 횟수가 증가함에 따라 1064 nm 펄스 에너지가 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이 결과를 바탕으로 재생증폭기 레이저의 광학계를 구성하고, 1064 nm 레이저의 출력, 빔의 질, 세기분포를 측정하였다. 증폭된 신호의 평균 출력은 24 W, 펄스 에너지는 240 μJ이었고, 빔의 질은 Mx2 = 1.199, My2 = 1.172, 진원도는 93%로 측정되었다.

Keywords: Nd:YVO4 레이저, 재생증폭기, 전기광학 효과, Q-스위칭

산업용 레이저는 목적에 따라서 다양한 펄스폭을 가지는 레이저가 사용되고 있다[1-8]. 높은 첨두 출력과 고반복률을 가지는 초단 펄스 레이저는 비선형 광주파수 변환[8-11], 정밀 재료가공[12-14], 위성 거리 측정[15,16], 가스 감지[17]와 같은 분야에 사용되고 있다. 특히 피코초 (10 -12 초, ps) 이하의 짧은 펄스폭을 가지는 극초단 펄스 레이저는 가공 중에 발생하는 열이 적어 열적 변형도가 감소하는 장점이 있다[18].

피코초 펄스의 레이저 출력을 발생시키는데 일반적으로 사용되는 방법은 모드 잠금(mode-locking)이다. 모드 잠금 방식은 수십 피코초까지 레이저 펄스를 발생시킬 수 있지만 수 nJ 정도의 낮은 펄스 에너지를 동반하고, 레이저의 산업적 사용에 제한 사항이 된다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 레이저 증폭기를 적용하여 출력을 향상시키는 방법을 사용한다. 재생증폭기 (regenerative amplifier)는 이러한 방법의 하나로 증폭되는 씨앗광 (seed pulse)을 증폭 매질에 다중 통과시킴으로서 높은 증폭 이득, 높은 안정성, 에너지 추출효율, 낮은 시드 에너지 출력 요구 등의 장점이 있으며, 레이저 장치를 소형화할 수 있는 장점이 있다[19,20].

Nd:YVO4 결정은 1064 nm 레이저 공진기를 구성하는데 충분한 이득 대역폭과 넓은 방출 단면적을 가지고 있어서 종펌핑 피코초 재생증폭기에 널리 사용된다. 펌핑용 광원으로는 광섬유 결합된 고출력 반도체 레이저가 작은 크기와 상대적으로 저렴한 비용으로 산업용 레이저 제작에 좋은 선택지가 되고 있다. 888 nm 반도체 레이저로 펌핑할 경우 808 nm 반도체 레이저로 펌핑하는 것에 비해서 열응력에 의한 변형이 적어서 Nd:YVO4 레이저를 안정적으로 레이저를 동작시킬 수 있다[21,22]. 또한, 808 nm로 펌핑할 경우 흡수계수는 높지만, Nd:YVO4의 결정축에 따른 흡수계수에 차이가 커서 펌프광의 편광 제어가 없이는 높은 효율의 광대광 변환 효율을 얻기 힘들다. 888 nm로 펌핑할 경우 808 nm 대비 낮은 흡수계수는 높은 출력의 펌핑 광원을 사용하고, 이에 따른 열 문제는 이득 매질의 길이를 증가시켜 최적화시킬 수 있다[23].

그러나 재생증폭기를 설계할 때 기존의 연구를 바탕으로 이득 매질의 특성에 대한 분석과 펌핑용 광원을 최적으로 설정하여도 재생증폭기와 같은 레이저 공진기의 재현은 쉽지 않은 일이다. 산업용 레이저의 제작에 있어서 중요한 점은 제작의 재현성인 만큼 전체 증폭기에 큰 영향을 미치는 광학 부품의 설치 위치와 출력의 연계성에 대한 시뮬레이션을 미리 해볼 수 있다면, 설계 단계에서 재현성이 높은 공진기를 구성할 수 있을 것이다. 하지만 레이저 공진기의 시뮬레이션은 공진기의 구조 및 광학 부품의 위치에 따른 공진기 내부 모드의 변화보다는 운반자 동역학을 해석하는 것[24,25]에 치중되어 있어서 그 결과를 산업용 레이저 제작에 직접적으로 적용하기에는 힘든 점이 있다.

레이저 공진기를 구성하는 광학 부품은 크게 부분반사 거울, 전반사 거울과 집광렌즈로 구성되어 있다. 각 거울의 반사면의 곡률 반지름에 따라서 공진기 내부의 방사 특성이 달라지고[26], 이득 매질에서 발생하는 열렌즈 효과에 대한 보상을 할 수 있다. 그리고 펌핑 광원의 집광렌즈는 펌핑 광원을 이득 매질에 집속시켜서 이득 매질의 광대광 변환 효율과 공진기 출력에 큰 영향을 주기 때문에 산업용 레이저 제작을 위한 설계에서 집광렌즈의 위치는 중요한 변수이다.

본 연구에서는 ASLD (Advanced Simulation for Laser Design v5.4)[27] 프로그램을 이용하여, 재생증폭기의 설계 단계에서 간단한 공진기 구조를 바탕으로 펌핑단의 집광렌즈 거리에 따른 공진기 출력을 최적화하였고, 이를 기반으로 재생증폭기의 증폭단을 구성하였다. 재생증폭기의 설계 이후 포켈셀 (Pockels cell, PC)의 게이트 열림 시간을 씨앗광의 공진기 왕복 횟수로 치환하여 출력되는 펄스 에너지를 계산하고 실험 결과와 비교하였다.

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 888 nm의 반도체 레이저 (nLight, Pearl P4)로 종펌핑하는 재생증폭기를[28] 구성하였다. 씨앗광으로는 20 mW의 출력, 6 ps의 펄스폭을 가지는 중심파장 1064 nm의 광섬유 레이저 (TOPTICA, PicoFYb 1064 Eco)를 사용하였다. 씨앗광은 λ/2 파장판과 편광 광속 분할기 (polarization beam splitter; PBS)를 통해서 출력 손실이 거의 없는 상태로 만들어 패러데이 회전자 (Faraday rotator, FR), λ/2 파장판과 PBS로 구성된 광차단기 (optical isolator) 1을 거치게 된다. 이렇게 편광 상태를 정렬한 씨앗광은 거울 M1과 λ/4 파장판을 통해서 편광이 90 회전하여 거울 M2로 향한다. M2에서 반사된 씨앗광은 다시 한번 λ/2 파장판에 의해서 편광이 90 회전하여 광차단기 2와 박막 편광자 (thin film polarizer, TFP) 2를 통과하여 증폭을 위한 광학계로 입력된다. 이때, TFP2를 통과한 씨앗광의 출력은 14 mW이었다.

Figure 1. (Color online) Schematic diagram of the experimental setup for 1064 nm Nd:YVO4 regenerative amplifier system.

증폭단의 구성은 이득 매질과 이것을 펌핑하기 위한 888 nm의 반도체 레이저, 그리고 게이트 조절을 위한 포켈셀 (PC)을 사용하여 공진기 덤핑 발진기 (dumped-cavity oscillator)를 구성하였다. 이득 매질로는 Nd이 0.5% 도핑된 4 mm × 4 mm × 30 mm 크기의 Nd:YVO4 결정을 사용하였고, 양 끝은 888 nm와 1064 nm에 대하여 무반사 코팅을 하였다. 이득 매질을 펌핑하기 위한 888 nm 반도체 레이저는 코어 지름이 400 μm인 광섬유로 전달하고, Fig. 1의 렌즈 L1과 L2의 결합 렌즈로 집속시켰다. L1, L2의 초점거리는 각각 100 mm, 30 mm로 결합 렌즈의 초점에서 빔의 지름은 1.3 mm가 되도록 하였다. 1064 nm에 대한 전반사 거울인 M7의 곡률 반지름은 1000 mm이고, 평면거울인 M5, M6는 888 nm에 대하여 무반사, 1064 nm에 대하여 전반사 코팅을 하였다. M4는 입사각이 45인 평면거울을 사용하였고, 게이트 조절을 위한 포켈셀로 광경로를 접어주었다. 포켈셀과 λ/4 파장판에 의해서 편광이 바뀌어 출력된 1064 nm 파장의 레이저 신호는 광차단기 2와 거울 M3에 의해서 Fig. 1의 빨간색 화살표로 표시된 경로를 따라 출력된다. 이렇게 출력된 레이저 신호에 대해서 빔 프로파일 (bema profile)과, 빔의 질 (beam quality) 및 펄스 증폭 특성에 대하여 측정하였다.

재생증폭기를 구성하기 전에 ASLD 프로그램을 이용하여 재생증폭기 구성을 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 우선 펌핑광과 이득 매질 사이의 거리에 따른 1064 nm의 출력에 대해서 시뮬레이션하였다. 공진기 덤핑 발진기의 이득 매질 펌핑부를 파장 888 nm, 지름 400 μm 가우시안 빔과 초점거리 30 mm (L2), 100 mm (L1)인 렌즈로 구성하였다. 이때, 펌핑광이 전달되는 광섬유로부터 렌즈 L2까지의 거리는 L2의 초점거리인 30 mm로 고정하였다.

Figure 2Fig. 1에서 집속 렌즈 L1에서 이득 매질 Nd:YVO4 결정까지의 거리 (A)의 변화에 따른 출력 특성을 계산한 결과이다. A가 78 mm에서 96 mm까지 변화할 때 1064 nm의 최대 출력은 A가 88 mm일 때 70.6 W으로 계산되었다. 이 계산 결과를 바탕으로 Fig. 1과 같은 재생증폭기의 증폭단을 구성할 때 이득 매질과 렌즈 L1 사이의 거리를 설정하였다.

Figure 2. Calculated output power of the regenerative amplifier versus distance between lens L1 and Nd:YVO4 gain medium.

Figure 3(a)는 재생증폭기의 증폭단 시뮬레이션을 위한 공진기 덤핑 발진기 구조의 모델이고, Fig. 3(b)는 씨앗광 및 씨앗광의 증폭 조건 등의 입력 창을 보여주고 있다. 공진기 덤핑 발진기에 대한 시뮬레이션을 위해서 Fig. 3(a)와 같이 포켈셀, λ/4 파장판, 그리고 TFP를 구성하였다. Figure 3(a)의 양 끝에는 반사율 99.9% 이상의 거울로 설정하여 포켈셀이 동작할 때만 발진기 내부의 빔이 s-편광으로 정렬되어 출력되도록 하였다. 포켈셀의 반복률은 100 kHz, 게이트 열림 시간은 100 ns으로 설정하였다. 씨앗광으로 사용된 펄스는 Fig. 3(b)의 설정 입력창에서 씨앗광의 펄스 특성, 펄스폭 늘리기 (pulse stretcher)와 펄스폭 압축기 (pulse compressor) 셋업 특성, 증폭단에서 씨앗광의 왕복 횟수 등을 설정할 수 있다. 설정 창의 ‘Input pulse’에서 씨앗광 펄스의 펄스 에너지를 0.7 nJ로 설정하고, 반치폭 (FWHM)은 6 ps, 반복률은 20 MHz로 설정하여, 실험에서 사용한 재생증폭기의 씨앗광과 조건을 일치시켰다. 펄스폭 늘리기와 펄스폭 압축기의 설정은 실험에는 구성하지 않았기 때문에 GDV, TOD 값을 각각 ‘0’으로 입력하여 동작하지 않도록 설정하였다. 설정 창의 ‘Resonator’는 공진기 덤핑 발진기에 입력된 씨앗광의 움직임을 설정하는 것으로 증폭단 내부에서 왕복 횟수와 입력 지연 시간에 대해 설정하였다. 씨앗광의 입력을 지연하는 특별한 셋업은 없기 때문에 입력 지연 시간은 ‘0’으로 설정하고, 왕복 횟수는 씨앗광 증폭에 관련되어 횟수를 변경시키면서 시뮬레이션하였다.

Figure 3. (Color online) (a) Schematic diagram of the Nd:YVO4 regenerative amplifier for simulation with ASLD program. (b) Input window of ASLD program for seed pulse, resonator and etc.

Figure 4는 씨앗광의 왕복 횟수에 따른 출력 특성을 계산한 것이다. 그 결과 출력 펄스 에너지는 왕복 횟수가 10번일 때 18.8 μJ이었지만, 30번일 경우에는 614.8 μJ로 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다.

Figure 4. Calculated output pulse energy of the regenerative amplifier versus number of round trip of the seed pulse.

Figure 5에서 (a)는 씨앗광의 펄스열, (b)는 씨앗광이 입력되지 않은 공진기 덤핑 발진기가 100 kHz로 동작할 때 발생하는 출력 펄스 신호, (c)는 100 kHz로 동작하는 재생증폭기에서 증폭된 출력 펄스 신호이고, (d)는 100 Hz로 동작하는 재생증폭기에서 증폭된 출력 펄스 신호를 관찰한 것이다.

Figure 5. (Color online) Oscillogram of (a) seed pulse train, (b) output pulse from cavity-dumped oscillator without seed pulse (100 kHz), (c) amplified output pulse from regenerative amplifier (100 kHz), and (d) amplified output pulse from regenerative amplifier (100 Hz).

TFP2를 통과하여 공진기 덤핑 발진기에 입력된 씨앗광은 공진기 내부에 머물다가 포켈셀에 입력되는 펄스폭 변조 (Pulse Width Modulation, PWM) 신호에 의해서 포켈셀이 λ/4 파장판으로 동작하면 게이트가 열리고, 증폭되어 출력된다. 씨앗광이 입력되지 않은 상태에서 공진기 덤핑 발진기의 펄스폭은 7.45 ns이었다. 이때 20 MHz의 반복률을 가진 Fig. 5(a)와 같은 씨앗광이 입력되면 Fig. 5(c), (d)와 같이 공진기 덤핑 발진기에서 증폭된 결과를 보인다[29,30]. 포켈셀이 100 kHz로 동작할 때 최대 펄스폭은 5.94 ns이었고, 100 Hz로 동작할 때 최대 펄스폭은 5.32 ns이었다. 재생증폭기에서 증폭된 펄스폭은 펄스폭 늘리기 또는 펄스폭 압축기를 사용하지 않는다면 일반적으로 씨앗광의 펄스폭과 큰 차이를 보이지 않는다[27,30]. 그러나, 본 연구에서는 증폭된 펄스폭은 5–6 ns 사이의 값이 측정되었다. 이유는 측정 및 신호 분석에 사용된 장비의 반응시간이 씨앗광 펄스를 감지하는데 충분히 빠르지 않기 때문이다. 펄스 신호를 측정하는데 사용된 광검출기 (EOT-2070)의 상승시간 (rising time)과 하강시간 (falling time)는 3 ns이다. 그리고 신호를 분석하는데 사용된 오실로스코프는 Tektronix 사의 MDO3104와 MDO34이고 반응시간은 각각 400 ps이다. 펄스 신호 검출기와 오실로스코프의 반응속도가 씨앗광의 펄스폭에 비해서 느렸다.

Figure 5에서 (c)와 (d)의 경우 포켈셀이 동작하는 반복률이 다르고, 포켈셀의 게이트가 열려있는 시간에 차이가 있다. 게이트가 열려있는 동안 편광이 맞는 레이저 빔이 공진기 덤핑 발진기로부터 출력된다. 100 kHz에서 펄스 에너지는 240.0 μJ이었고, 100 Hz에서는 0.6 μJ로 측정되었다. 공진기 덤핑 발진기로 입력된 씨앗광은 게이트가 열려있는 동안 증폭되어 출력된다. Figure 5(c)의 경우 게이트가 열려있는 시간은 100 ns이었고, Fig. 1에서 M7과 M8 사이의 광학적 길이를 고려하여 씨앗광이 M7과 M8 사이를 왕복하는 데 걸리는 시간은 4.8 ns이었다. 따라서 게이트가 열려있는 시간 동안 씨앗광은 공진기 내부를 20번 왕복할 수 있다. 출력되는 펄스 에너지의 세기는 Fig. 4와 같이 공진기 내부 왕복 횟수에 비례하여 증가한다. 100 kHz로 동작하는 재생증폭기에서 측정된 출력 펄스 에너지는 240.0 μJ이다. 그리고 ASLD를 이용해서 20번 왕복할 때 계산한 값인 281.0 μJ과는 약 14%의 오차를 보인다. 계산 결과와 실험 결과의 차이는 시뮬레이션에서 적용하지 않은 반사 거울과 같은 광학 부품에 의한 손실로 판단된다.

Figure 4의 결과를 따르면 Fig. 5(d)의 출력은 Fig. 5(c)의 출력보다 더 높은 값을 보여야 한다. 하지만 실제 측정값은 그렇지 않다. 씨앗광은 공진기 내부에 입력된 순간부터 출력되는 순간까지 왕복하여 지속적으로 증폭될 것이다. 따라서 왕복 횟수가 증가하면 증폭률이 증가하고, 출력광의 에너지는 증가할 것이다. 그러나 공진기 내부의 에너지가 증폭되기 위해 모두 소모되면 이후부터는 출력광의 증폭률은 한계에 다다르게 될 것이다. 이것은 Dörring가 보고한 재생증폭기 시뮬레이션 모델에 잘 설명되어 있다[31]. 이러한 현상을 바탕으로 시뮬레이션의 결과를 고려하였을 때, 본 연구에서 설정한 게이트 오픈 시간은 증폭 효율이 충분히 증가 가능한 영역으로 시뮬레이션에서 지속적으로 증가하는 형태로 보이는 것이지, 어느 정도 이상의 왕복 횟수에서는 증폭되지 않을 것이다. 하지만 ASDL 프로그램상 가능한 왕복 횟수인 99번에서도 증폭이 지속되는 결과가 나타나 더 이상의 시뮬레이션은 진행하지 않았다.

Nd:YVO4 결정을 펌핑하는 888 nm 반도체 레이저의 출력이 100 W이고, 포켈셀을 100 kHz로 동작시켰을 때 1064 nm의 평균 출력은 24.0 W로 측정되었다. Figure 6(a)는 Fig. 1의 거울 M3로 출력되는 1064 nm의 공간적인 세기 분포를 측정한 결과를 2차원으로 나타낸 것이다. 이때 빔의 크기는 가로 1.763 mm, 세로 1.896 mm로 진원도는 93%이었다. 한편 빔의 질은 Fig. 6(b)와 같이 Mx2 = 1.199, My2 = 1.172로 나타나서 1064 nm 레이저가 가우시안 분포를 하고 있음을 알 수 있다.

Figure 6. (Color online) (a) 2-dimensional far-field intensity distribution of the regenerative amplifier and (b) beam quality (M2) measurement about x-axis and y-axis.

본 연구에서는 산업용 레이저 개발을 위해서 ASLD 프로그램을 사용하여 재생증폭기 제작을 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션은 재생증폭기 설계를 위하여 펌핑광과 이득 매질 사이의 거리를 계산하였으며, 최적 거리는 88 mm으로 계산되었다. 또한, 재생증폭기 내부에서 씨앗광의 왕복 횟수가 증가함에 따라서 출력 펄스 에너지가 선형적으로 증가함을 확인하였다. 이러한 계산을 바탕으로 제작한 재생증폭기에서 포켈셀의 게이트 열림 시간에 대하여 시뮬레이션을 하였으며, 계산한 결과가 실제 실험과 잘 부합됨을 확인하였다. 이렇게 구성한 재생증폭기에서 출력되는 1064 nm 빔의 진원도는 93%, 빔의 질은 각각 Mx2 = 1.199, My2 = 1.172이었다. 이러한 시뮬레이션을 병행한 레이저의 설계와 제작은 레이저를 제작하기 전에 특성을 예측하여, 제작비용 및 시간을 단축할 수 있기에 다양한 산업용 레이저 제작에 적용이 가능할 것으로 예상된다.

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