Development of a Contact Cooling Type Nd:YAG Laser Pumping Module Dohwan Kwon Department of Physics, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 3925

Size: px

Start display at page:

Download "Development of a Contact Cooling Type Nd:YAG Laser Pumping Module Dohwan Kwon Department of Physics, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 3925"

웅인 장
4 years ago
Views:

1 Development of a Contact Cooling Type Nd:YAG Laser Pumping Module Dohwan Kwon Department of Physics, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 39253, Korea Gyu Ug Kim * Department of Optical Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi 39253, Korea Abstract We have fabricated a contact cooling type pumping module, and constructed a Nd:YAG laser pumped by three laser diode bars in series. The 1064 nm output power of the linearly polarized single mode was 17.7 W for the 80 % reflectance of output mirror, when a Nd:YAG laser rod with a diameter of 1.6 mm and a length of 63 mm and having Brewster's angle at both ends was transversely pumped with the 91 W laser diodes. The slope efficiency was measured to be 24.7 %, 20.4 %, and 17.8 % for output coupler reflectivities of 80 %, 90 %, and 95 %, respectively. From this experimental result, the internal loss of the laser oscillator was calculated to be The small-signal gain coefficient and the single-pass gain were estimated to be = /cm and = 1.24 when the reflectivity of the output coupler was 80 %. The far-field intensity distribution of the 1064 nm Nd:YAG laser was Gaussian, and the beam quality factor was measured to be = 1.17, = From the measurement of the fluorescence distribution of 1064 nm, it was found that the laser diode absorbed into the Nd: YAG laser rod was uniformly distributed. PACS numbers : Xi, By, Da Keywords : diode-pumped laser, transverse pumping, contact cooling * gukim@kumoh.ac.kr - 1 -

2 접촉냉각방식의 Nd:YAG 레이저펌핑모듈개발 권도환 금오공과대학교물리학과, 구미 김규욱 * 금오공과대학교광시스템공학과, 구미 초록 접촉냉각방식의 Nd:YAG 펌핑모듈을설계제작하고, 3개의직렬연결된반도체레이저로펌핑하는 Nd:YAG 레이저를구성하였다. 지름이 1.6 mm, 길이가 63 mm이고, 양끝이브루스터각으로된 Nd:YAG 레이저결정을 91 W의반도체레이저로횡펌핑할때선형편광된단일모드의 1064 nm 출력은출력거울의반사율이 80 % 인경우 17.7 W로나타났고, 이때광- 대-광변환효율은 19.5 % 이었다. 출력거울의반사율이 80 %, 90 %, 95 % 일때기울기효율은각각 24.7 %, 20.4 %, 17.8 % 이었고, 이를바탕으로공진기내부손실을추정한결과 = 0.23으로나타났다. 반사율이 80 % 일때의소신호이득계수와단일통과이득은각각 = /cm 와 = 1.24로나타났다. 그리고 1064 nm Nd:YAG 레이저의공간적인 세기분포는가우시안형태이었고, 빔의질은 = 1.17, = 1.20 이었 다 nm 의형광분포를측정한결과 Nd:YAG 레이저결정에흡수되는 반도체레이저가균일하게분포함을알수있었다. PACS numbers: Xi, By, Da Keywords: 반도체펌핑레이저, 횡펌핑, 접촉냉각 * gukim@kumoh.ac.kr - 1 -

3 I. 서론 반도체레이저로펌핑하는고체레이저는고출력및높은빔의질, 출력안정성으로인해절단, 드릴링및용접등의여러가지산업분야에서많이활용되고있다. 반도체레이저는섬광등과비교하여높은전기-대-광 (electrical-to-optical) 변환효율과 10,000 시간이상의긴수명, 좁은선폭등의장점이있으며, 지난몇년동안반도체레이저의제조기술향상과가격의하락추세가이어지고있다. 이로인해반도체레이저가섬광등을이용한레이저펌핑시스템을점차대체할것으로전망하고있다 [1]. 한편반도체레이저로펌핑하고능동형 Q-스위칭된레이저는뛰어난빔질과높은첨두출력 (peak power) 을얻을수있어서비선형주파수변환응용에널리사용되고있다 [2-3]. 일반적으로레이저를펌핑하는방법은종펌핑 (longitudinal pumping) 방식과횡펌핑 (transverse pumping) 방식이있다. 종펌핑방식은빔성형광학계 (beam shaping optics) 를사용하고, 횡펌핑방식은반도체레이저막대 (bar), 적층구조 (stacked array) 등의펌핑광을이용한다. 반도체레이저로종펌핑하는레이저는좁은면적에펌핑광을집속시킬수있기때문에발진되는레이저광과공간적모드결합을높일수있어서높은광효율과 TEM 00 의단일모드레이저를쉽게얻을수있다. 하지만종펌핑레이저는우수한빔품질로고출력을얻기위해서는복잡한펌핑광학계와심각한열문제의단점을가지고있다. 이에반해횡펌핑방식은펌핑광을레이저매질측면으로전달하기때문에광학계가간단하다. 큰부피의레이저매질에펌핑광을흡수시킬수있어서종펌핑방식보다는열렌즈효과 (thermal lensing effect) 를감소시킬수있고, 고출력레이저를쉽게얻을수있다. 반도체레이저로횡펌핑하는레이저시스템은종펌핑하는레이저에대한대안을제공하지만단일모드작동에서는광-대-광 (optical-to-optical) 효율이일반적으로 10~15 % 사이로비교적낮다 [4-13]. 횡펌핑방법에서여기광원을이득매질에균일하게흡수시키기위하여 3방향 [14], 5 방향 [15], 12방향 [16] 등여러방향으로펌핑하는구조에대한연구가수행되었다. 그러나이들의구조가복잡하고, 응용분야에서사용할때진동등에취약한단점이있다. 이를개선하기위하여반도체레이저앞단에평면-오목렌즈를사용하여단일방향횡펌핑에관한연구결과가발표되었다 [17]. 횡펌핑방식에서이득매질과반사판사이에냉각수를이용하여이득매질의열을제거하는방법을많이사용하고있다. 이방법은펌핑레이저가냉각수에흡수되어효율이떨어지는단점이있고, 냉각수의추가적인청결관리등의문제가있다. 이러한문제를해결하는방법으로접촉냉각방식에의한이득매질의냉각방법에대한연구가시도되었다 [18, 19]. Jian Dong 등 [20] 은 808 nm의고출력반도체레이저로횡펌핑하는 Nd:YAG 레이저를열전냉각장치 (thermoelectric cooler) 를이용하여냉각시키고, 그동작특성에대한연구결과를발표하였다. 그결과반도체레이저의첨두출력이 15 kw일때펄스폭이 10 ns이고, 에너지가 350 mj인 Q-스위칭된 1064 nm의레이저를얻었고, 이때전기-대-광 - 2 -

4 (electric-to-optical) 변환효율은 7.5 % 이었다. 본연구에서는 808 nm의반도체레이저막대로횡펌핑하는 1064 nm의 Nd:YAG 레이저를구성하였다. 이때이득매질과반사판사이에냉각수를이용한냉각방법의단점을개선하여이득매질을금속블록에접촉시켜서직접냉각하였으며, 집광렌즈및기타광학전송장치없이반도체레이저가이득매질에직접전달되도록설계한모듈을설계제작하여보다소형의펌핑모듈을구현하였다. 특히반도체레이저막대 3 개를직렬연결하여횡펌핑의장점을극대화하는광원을제작하였다. II. Nd:YAG 레이저펌핑모듈구성 Fig. 1은자체설계제작한접촉냉각방식의 Nd:YAG 레이저펌핑모듈의구조를보여준다. Nd:YAG 결정이들어가는구리블록에는지름이 1.65 mm, 길이가 55 mm인구멍을뚫었고, 반도체레이저가입사하는방향에 350 µm의폭과 200 µm 깊이를가지는슬릿을가공하였다. 구리블록의내부는금으로코팅하여원통형공동 (cavity) 및슬릿내부에서높은반사표면을생성하였다. 그다음지름이 1.6 mm, 길이가 63 mm이고, Nd이 0.5 % 도핑된 Nd:YAG 결정 (Casix) 을투명한광학용에폭시를이용하여천공된구멍에고정하였다. 이때 Nd:YAG 결정의양끝은구리블록의원통형공동외부로 4 mm씩돌출되어있다. [Fig. 1] Nd:YAG 결정을펌핑하는레이저는 19개의반도체레이저가일렬로구성된막대형 (Coherent Inc., CCP-CW-40W) 으로되어있다. 한개의최대출력은 40 W이며 3개를직렬연결하여사용하였다. 사용한반도체레이저는빠른축 (fast axis) 으로 60, 느린축 (slow axis) 로 10 의발산각으로발진한다. 이러한특성때문에반도체레이저막대앞면에원통형렌즈 (cylindrical lens) 나광섬유를이용하여레이저이득매질에펌핑광원을전달하지만, 본연구에서는반도체레이저를이득매질에최대한가깝게두어집속광학계나다른광학적전달장치없이직접 Nd:YAG 결정을펌핑하였다. 또한반도체레이저를보호하고효율적인광전달을위해슬릿이있는측면에 808 nm에대하여무반사코팅된두께가 100 µm인석영창 (quartz window) 을부착하였다. 이때 LD에서석영창까지의거리는약 100 µm이고, LD와슬릿까지의거리는 200 µm이다. 사용한반도체레이저는 0.3 nm/ C의파장이동특성이있어서냉각블록의온도를동작전류에따라 17 C ~ 27 C의범위에서조절하면서발진파장을일정하게유지시켰다. Fig. 2는반도체레이저로부터슬릿을통과하여 Nd:YAG 결정으로흡수되는빔경로를나타내는모식도이다. 구리블록과 Nd:YAG 결정사이에빈공간이있으면 Nd:YAG 결정의열을구리블록으로잘전달하지못하여효과적인냉각을방해한다. 본연구에서는이빈 - 3 -

5 공간을투명한광학용에폭시로얇게채웠으며에폭시에서발생하는거품또한제거하였다. 거품을제거하는방법으로는가열, 원심분리및진공의방법이있으며본연구에서는진공챔버를이용하여거품을제거하였다. 하한치공차를고려한 Nd:YAG의지름이 1.6 mm이고, 상한치공차를고려한냉각블록의구멍의지름은 ( ) mm이어서에폭시의최대두께는약 80 µm이다. 석영창위에에폭시를스핀코팅해서두께가약 80 µm가되도록하고, 위에서설명한방법과같이에폭시의거품을제거한다음 LD의투과율을측정한결과약 98 % 이상이었다. 구리블록측면의슬릿은반도체레이저의방출부 (emitter) 와같은높이에있으며, 이슬릿을통해들어온빔은 Fig. 2의도파관을거처 Nd:YAG 결정에흡수되며, 금으로된코팅면에의해반사되고다시흡수하는과정을반복한다. 이러한과정을통하여펌프광이레이저매질에균일하게흡수된다. 구리블록내부의원통형공동에고정된 Nd:YAG 결정은선형편광된 1064 nm 빔을얻기위해양끝을브루스터각 (Brewster angle) 으로절단하였다. [Fig. 2] Fig. 3은설계제작한접촉냉각방식의펌핑모듈을이용하여 1064 nm 레이저를발진시키기위한공진기구성도이다. Nd:YAG 펌핑모듈은냉각블록위에고정시켰고, 냉각블록은산화를방지하기위하여구리에니켈을도금하였으며, 수냉식냉각기 ( 성시테크, S110-PH100, 온도안정도 ± 0.1 C) 를사용해서 17 C ~ 27 C에서온도조절하였다. 반도체레이저는온도에따라발진파장이변하므로, 동작시키는전류에따라 1064 nm 출력이최대가되도록온도변화를시켰다. 동작전류가높아지면반도체레이저의출력또한높아지고열이많이발생하므로온도가올라간다. 따라서냉각기온도를내리면서실험하였다. [Fig 3] Fig. 3의레이저공진기에서전반사거울은용융석영 (fused silica) 으로된평면-오목거울로, 곡률반지름이 2.0 m인오목한면에 1064 nm에대하여고반사 (HR > 99.5 %) 의코팅을하였다. 출력거울은양면이평면으로되어있으며한쪽면은 1064 nm에대하여반사율이 80±2 % 의부분반사코팅을, 다른한쪽면은 1064 nm에대해서무반사코팅을하였다. 선형편광된단일모드로레이저를발진시키기위하여양면이브루스터각으로된지름이 1.6 mm인 Nd:YAG 결정을사용하였다. 레이저공진기의길이는약 180 mm이며, 레이저몸체는 120 mm (W) x 300 mm (L) x 100 mm (H) 이다. 레이저출력은최대 50 W까지측정할수있는출력측정기 (Coherent Inc, Field MaxII & PM150-50XC) 로측정하였다 nm 레이저세기의공간분포와형광분포는 CCD 레이저빔분석기 (Coherent Inc, LaserCam-HR II) 를사용하여측정하였고, 는 - 4 -

6 CCD 레이저빔분석기 (Gentec EO, M2DU) 를사용하여측정하였다. III. 실험결과 본연구에서구성한접촉냉각방식의 Nd:YAG 레이저를펌핑하는반도체레이저의동작전류에따른출력을조사한결과, 반도체레이저막대 3개를직렬연결했을때 808 nm 의출력이나오기시작하는문턱전류는 6.5 A이었고, 30 A에서 91 W의출력을얻었다. 이때전류에대한출력의기울기효율은약 1.3 W/A이다. 반도체레이저막대를각각따로측정하였을때 3개모두거의같은출력특성을보였다. 그리고반도체레이저막대 3개모두약 38 A에서최대출력 41 W가나왔으며, 직렬연결하였을때에는 123 W의출력을얻을수있었다. 한편반도체레이저의출력이 91 W일때 Fig. 1(b) 에서 Nd:YAG 결정의돌출부와냉각블록의온도를적외선열감지기 (IR thermometer, SKM 전자, SK-650C) 를사용하여비접촉식으로측정한결과 26.9 와 26.5 이어서본연구에서제작한펌핑모듈에의한 Nd:YAG 결정의냉각이효율적으로이루어지고있다고생각할수있다. Fig. 4는출력거울의반사율 이 80 %, 90 % 와 95 % 인경우, 반도체레이저의펌핑출력에따른 1064 nm Nd:YAG 레이저의출력변화를측정한결과이다. 이때레이저발진이일어나는반도체레이저출력의문턱값 은 이 80 % 일때 19.3 W, 90 % 일때 16.0 W, 95 % 일때 11.8 W로측정되어서출력거울의반사율이높을수록발진문턱값은낮게나타났다. 그러나레이저의효율을결정하는기울기효율 (slope efficiency) 은 = 80 %, 90 %, 95 % 인경우각각 24.7 %, 20.4 %, 17.8 % 로측정되어서, 반사율이 80 % 인경우가가장높은효율을가졌다. 그리고 808 nm 반도체레이저가 1064 nm Nd:YAG 레이저로변환되는광-대-광 (optical-to-optical) 변환효율은출력거울의반사율이 80 %, 90 %, 95 % 에대하여각각 19.5 %, 16.8 %, 15.5 % 로나타났다. [Fig. 4] Fig. 4 의결과와아래의식을이용하여 Nd:YAG 레이저공진기안의손실 (internal loss) 을추정할수있다 [21]. ln (1) 여기에서 은출력거울의반사율, 는발진문턱값, 은공진기의내부손실이다. Fig. 4에서여러가지출력거울의반사율과이에따른발진문턱값을위의식 (1) 에따라그래프를그린후외삽 (extrapolation) 하면그직선의기울기를구할수있으며, 그기울기가식 (1) 의 이고, ln 축상의절편이공진기의손실 이다. Fig. 5는 Fig. 4의결과를식 (1) 에따라그린것으로, 이결과로부터 = /W과공진기손실 = 0.23을 - 5 -

7 얻을수있다. [Fig. 5] 한편공진기의소신호이득계수 (small signal gain coefficient) 와단일통과이득 (single pass gain) 를아래와같은관계식을이용하여구할수있다 [21]. ln (2) 여기에서 는단일통과이득, 는소신호이득계수, 은활성매질의길이이다. Fig. 4 에서구한출력거울의반사율 에따른발진문턱값 와 Fig. 5에서구한 값을위의식 (2) 에대입하면 에따른소신호이득계수및단일통과이득을구할수있다. 그결과 = 80 % 의경우 = /cm, = 1.24; = 90 % 의경우 = /cm, = 1.19; =95 % 의경우 = /cm, = 1.14의값을얻었다. Fig. 6(a) 는 Nd:YAG 레이저의출력거울에서약 1 m 이상떨어진곳에서 1064 nm 레이저의공간적인세기분포를측정한결과를 2차원으로나타낸것이고, Fig. 6(b) 는 3차원으로나타낸것이다. Fig. 7은 1064 nm 레이저빔의질 를측정한결과로 = 1.17, = 1.20 로나타났다. Fig. 8 은 Nd:YAG 레이저결정의길이방향으로발생하는 1064 nm 형광의공간적분포를측정한결과이다. 위의 Fig. 6, Fig. 7 및 Fig. 8의결과로부터 Nd:YAG 레이저가가우시안형태로발진하고있고, 본연구에서설계제작한펌핑모듈에의해 808 nm의반도체레이저가 Nd:YAG 결정에균일하게흡수분포되는것으로판단할수있다. [Fig.6] IV. 결론및토의 본연구에서는접촉냉각방식의펌핑모듈을설계제작하고, 3개의반도체레이저막대를직렬연결해서 Nd:YAG 결정을펌핑하여 1064 nm의레이저를발진시켰다. 펌핑용반도체레이저의동작전류가 30 A일때반도체레이저출력은 91 W이었다. 출력거울의반사율에따른발진문턱값을측정하여 Nd:YAG 레이저의기울기효율및공진기안의손실을측정하였다. 그결과출력거울의반사율 이 80 %, 90 %, 95 % 일때기울기효율은각각 24.7 %, 20.4 %, 17.8 % 이었고, 이로부터공진기내부손실을추정한결과 = 0.23 으로나타났다. 이들결과를바탕으로소신호이득계수 와단일통과이득 는 = 80 % 일때 = /cm, = 1.24; = 90 % 일때 = /cm, = - 6 -

8 1.19; =95 % 일때 = /cm, = 1.14 로나타났다. 한편 1064 nm 레이저 빔의질은 = 1.17, = 1.20 으로측정되었다 nm 레이저의공간적인세기분 포는단일모드의가우시안형태를나타내고있으며, 이는펌핑반도체레이저를선형으로배치한구조로도 Nd:YAG 결정에균일하게광을흡수시킬수있다고판단할수있다. 본연구에서얻은선형편광된단일모드레이저의 2차고조파발생 (second harmonic generation) 및 3차고조파발생 (third harmonic generation) 에대한연구를지속적으로진행할예정이다. 감사의글 본연구는금오공과대학교학술연구비지원에의하여수행되었습니다

9 참고문헌 [1] S. Fujikawa, K. Furuta and K. Yasui, Opt. Lett. 26, 602 (2001). [2] X. Yan, Q. Liu, H. Chen, X. Fu, M. Gong and D. Wang, Laser Phys. Lett. 7, 563 (2010). [3] X. P. Yan, Q. Liu, M. Gong, D. S. Wang and X. Fu, Laser Phys. Lett. 6, 93 (2009). [4] X. Zhang, F. Li, R. Peng, Y. Lu and Q. Cui et al., Opt. Commun. 282, 1847 (2009). [5] R. Kandasamy, S. Raghavachari, P. Misra and S. Nathan, Appl. Opt. 43, 5855 (2004). [6] Z. Sun, R. Li, Y. Bi, C. Hu and Y. Kong et al., Opt. Laser Technol. 37, 163 (2005). [7] H. Wang, W. Huang, Z. Zhou and H. Cao, Opt. Laser Technol. 36, 69 (2004). [8] S. G. Grechin and P. P.Nikolaev, Quantum Electronics 39, 1 (2009). [9] K. Furuta, T. Kojima, S. Fujikawa and J. Nishimae, Appl. Opt. 44, 4119 (2005). [10] H. Wang, W. Huang, Z. Zhou and H. Cao, Chinese Opt. Lett. 1, 541 (2003). [11] D. Golla, M. Bode, S. Knoke, W. Schone and A. Tunnermann, Opt. Lett. 21, 210 (1996). [12] D. Golla, S. Knoke, W. Schone, G. Ernst and M. Bode et al., Opt. Lett. 20, 1148 (1995). [13] Y. Hirano, Y. Koyata, S. Yamamoto, K.Kasahara and T. Tajime, Opt. Lett. 24, 679 (1999). [14] H. J. Moon, S. Lee, H. S. Kim, D. K. Ko and B. Cha et al., J. Opt. Soc. Korea 11, 434 (2000). [15] B. J. Le Garrec, G. J. Raze, P. Y. Thro and M. Gilbert, Opt. Lett. 21, 1990 (1996). [16] F. Brioschi, E. Nava and G. C. Reali, IEEE J. Quant. Electron. 28, 1070 (1992). [17] J. Yi, Y. Kim and K. Lee, J. Korean Phys. Soc. 57, 355 (2010). [18] Y. Hirano, T. Yanagisawa, S. Ueno and T. Tajime, Opt. Lett. 25, 1168 (2000). [19] K. Mizutani, T. Itabe, S. Ishi, M. Aoki and K. Asai et al., Appl. Opt. 54, 7865 (2015). [20] J. Dong, X. Liu, C. Peng, Y. Liu and Z. Wang, Appl. Sci. 5, 1837 (2015). [21] W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 5th ed (Springer-Verlag, New York, 1999), pp

10 Figure Captions Fig. 1. (a) Schematic of a contact cooling type pumping module. (b) Schematic of a pumping module mounted with laser diode bars and Nd:YAG laser rod. Fig. 2. Ray tracing of the laser diode beams in the Nd:YAG laser rod. Fig. 3. Experimental setup for 1064 nm Nd:YAG laser using a contact cooling type pumping module. Fig. 4. Output power of the 1064 nm Nd:YAG laser with respect to the laser diode output power. Fig. 5. Measurement of the resonator loss by the extrapolation of straight-line plot of ln versus threshold pumping power. Fig. 6. Far-field intensity distribution of the single-mode 1064 nm Nd:YAG laser. (a) 2-dimensional profile and (b) 3-dimensional profile. Fig. 7. Beam quality ( ) measurement about x-axis and y-axis of the 1064 nm Nd:YAG laser. Fig. 8. Distribution of 1064 nm fluorescence from the Nd:YAG laser crystal

11 (a) (b) Fig

12 Fig

13 Fig

14 Fig

15 Fig

16 (a) (b) Fig

17 Fig

18 Fig

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA 특집 레이저 50주년특집 - 레이저의 발전과 응용 1. 파이버 레이저(Fiber LASER)란? 1.1 레이저의 구성 및 원리 LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRa 그림 2. rod-type 고체레이저의 열 영향 문제 diation)란, 외부의 자극에 의해 매질로부터 빛을 방출하게 하고, 공진기에 의해 증폭된