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