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펌프광 크기 조절을 위한 QCW 레이저 공진기 구성 및

문서에서 저작자표시 (페이지 41-45)

식 (25)에서 는 평균 펌프 파워에 대한 열 변환율, 는 온도 변화에 대한 매질의 굴절률 변화량, 은 레이저 매질의 굴절률, 는 열팽창계수, 은 광탄성계수,  는 포아 손 비, 는 레이저 매질에서 펌프광 크기 이다.[28] 열 초점 길이를 계산하기 위해 렌즈를 이용하여 레이저 출력경에서 빔 분포가 측정용 카메라 센서에 상이 맺히도록 하여 출력경 에서 레이저 모드 빔 크기를 측정하였다. 이 측정 결과를 식 (23), 식 (24)를 이용해 분석 하여 열 초점 길이 및 매질에서 레이저 모드 크기를 계산하였다.

2.1 펌프광 크기 조절을 위한 QCW 레이저 공진기 구성 및 출력

10 15 20 25 30 35 40 45 0.00

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

Wp0 (mm)

d2 (mm)

f2= 25 mm f2= 30 mm f2= 40 mm f2= 50 mm f2= 75 mm f2= 100 mm

그림 22.  초점길이와 거리변화에 따른 매질내 펌프광 크기 계산

와 의 길이에 따른 매질내 펌프광 크기 계산을 위해 의 거리는 20 mm로 고정하 였다. 그림 22의 계산에 사용된 렌즈()의 초점길이에 대응하는 매질내 펌프광 크기는 각각 56, 63, 74, 83, 98, 108  이었다. 레이저 공진기 길이가 35 mm일 때 다양한 펌프 광 크기에 대한 Er:Yb:Glass 레이저 출력특성은 그림 23과 같다.

50 100 150 200 250 300 350 400

0 5 10 15 20 25 30 35 40

45 Wp0 = 56 um Wp0 = 63 um Wp0 = 74 um Wp0 = 83 um Wp0 = 98 um Wp0 = 108 um

Output Energy (mJ)

Pump Energy (mJ)

그림 23. 펌프광 크기 변화에 따른 Er:Yb:Glass 레이저 출력 특성

31

-그림 23의 출력 특성은 펌프 펄스폭이 20 ms, 1 Hz의 반복률에서 펌프 에너지를 증가시 킴에 따라 수행되었다. 출력 특성을 분석한 결과 펌프광의 크기가 클수록 Er:Yb:Glass 레 이저 출력은 향상되었으며 최대 기울기 효율은 15%였다. 이는 펌프광의 크기와 레이저 모드 크기간의 정합이 잘 이루어진 결과로 생각된다. 펌프광의 크기와 레이저 모드 크기 의 정합은 그림 24와 같이 설명할 수 있다.

그림 24. 펌프광과 레이저 모드 크기간의 관계

그림 24로부터 펌프광의 크기가 작으면 펌프광이 매질의 중심에서 강한 흡수를 하기 때 문에 펌프 에너지가 증가하더라도 효율은 떨어지는 것을 알 수 있다. 반면 펌프광의 크기 가 크면 레이저 매질 표면과 중심사이의 빔 크기 차이가 적어 매질의 광축을 따라 넓은 흡수를 하여 출력이 향상된다. 즉, 펌프광과 레이저 모드 크기의 정합이 잘되어 높은 효율 을 갖는다. 렌즈()의 초점 거리변화에 대한 매질 표면()에서의 펌프광 크기와 매질내 () 펌프광 크기 계산 결과는 그림 25와 같다. 계산 결과로부터 초점거리()가 짧을 경 우 레이저 매질 중심부의 펌프광 크기와 레이저 매질 표면에서의 펌프광 크기가 많이 차 이가 나서 모드 정합이 어려움을 알 수 있었다. 펌프광 크기변화에 대한 Er:Yb:Glass 레 이저의 빔질()은 빔 허리를 중심으로 광축을 따라 측정한 빔 크기를 식 (26)을 이용해 커브 피팅해서 얻었고 그 결과는 그림 26과 같다.

    

 

  

 

(26)

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 50

100 150 200

250 Wp0 _Center

Wp1 _Surface

Beam waist (um)

Focal length (mm)

그림 25. 렌즈()의 초점거리 변화에 따른 매질표면과 매질내 펌프광 크기변화

50 60 70 80 90 100 110

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

M2

Wp0 (um)

그림 26. 펌프광 크기변화에 대한 Er:Yb:Glass 레이저의 빔질()

그림 26에서 펌프광 크기 변화에 대한 레이저의 빔질()은 평균 펌프 에너지가 약 371 mJ일 때 측정하였다. 펌프광 크기에 따른 Er:Yb:Glass 레이저의 는 1.1∼1.6 사이값으 로 측정되었다. 레이저 빔질의 오차값이 큰 이유는 1 Hz의 반복률을 측정하는데 레이저 빔과 CCD 장비간의 동기화하기 어려워 빔 크기 측정값에 오차가 포함된 것으로 보인다.

레이저 파장 = 1535 nm

펌프광 크기  0.2 mm

레이저 공진기 길이 = 40 mm

평균 펌프파워 = 70∼150 mW

펌프광 펄스폭(Δtp) 및 반복률(fp) Δtp =8 ms, fp=1 Hz Er:Yb:Glass 매질의 열전도도 = 0.7 W/m.K Er:Yb:Glass 매질의 굴절률 = 1.52

온도 변화에 대한 매질의 굴절률 변화량 =   ×  ℃

포아손 비 = 0.24

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