가 측정되었다. 그림 2.9를 보면 L = 20 mm일 때 반치폭은 2.91 ℃ 이지만 실험 에서는 1.5 ℃가 측정되었다. 이론적으로 결정 길이가 2배 길어질 경우 반치폭 이 2배정도 작아지므로 L = 10 mm 결정을 사용하면 반치폭은 약 3.0 ℃가 측정 될 것으로 예상된다.
144 147 150 153
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
532 nm beam power ( W )
Temperature of 532 nm crystal (
oC )
그림 3.4 온도변화에 따른 녹색 빔의 출력변화.
77 μm가 측정되었고 빛살모양은 그림 3.5(a)에서 볼 수 있다. 그리고 녹색 빔 의 빛살크기는 FWHMX = 52 μm, FWHMY = 61 μm가 측정되었고 빛살모양은 그림 3.5(b)에서 볼 수 있다.
(a) (b)
그림 3.5 파장에 따른 빛살모양. (a) 남은 적외선 빔. (b) 발생된 녹색 빔.
합주파수 발생실험은 먼저 워크오프 보상소자를 두고 단일결정을 사용하여 자 외선 빔 발생 결정을 빔의 진행방향 축에 따라 움직이면서 최대 출력이 나오는 위치를 찾고 고정 후 녹색과 자외선 빔 발생 결정의 온도를 각각 조절하여 출력 이 최대가 되도록 조절하였다. 여기서 워크오프 보상소자의 길이는 1.95 mm을 사용하였다. 다음으로 워프오프 보상소자를 사용하지 않고 녹색과 자외선 빔 발 생 결정의 온도를 각각 조절하여 출력이 최대가 되도록 조절하였다. 그림 3.6에 서 볼 수 있듯이 워크오프 보상소자를 사용한 경우 출력이 최대가 되는 자외선 빔 발생 결정의 온도는 36.6 ℃이고 출력은 0.74 W로 적외선에서 자외선으로 변 환 효율은 약 24.7%가 측정되었다. 워크오프 보상소자를 사용하지 않은 경우 출 력이 최대가 되는 자외선 빔 발생 결정의 온도는 36.4 ℃이고 출력은 0.23 W로 적외선에서 자외선으로 변환 효율은 약 7.7%가 측정되었다. 이 실험 결과로 워 크오프 보상소자를 사용하면 워크오프가 보상이 되어 출력이 향상되는 것을 확 인할 수 있었다. 그림 2.7을 보면 L = 20 mm일 때 반치폭은 2.4 ℃ 이지만 실험
에서는 2.9 ℃가 측정되었다. 이론적으로 결정 길이가 2배 길어질 경우 반치폭 이 2배정도 작아지므로 L = 10 mm 결정을 사용하면 반치폭은 약 5.8 ℃가 측정 될 것으로 예상된다.
33 36 39
0.0 0.4 0.8 1.2
With walk-off compensator Without walk-off compensator
355 nm beam power ( W )
Temperature of 355 nm crystal (
oC )
그림 3.6 단일결정을 사용할 때 워크오프 보상소자 사용여부에 따른 자외선 빔의 출력변화.
자외선 발생결정으로 결정쌍을 사용할 경우 실험은 먼저 자외선 빔 발생 결정 을 빔의 진행방향 축에 따라 움직이면서 최대 출력이 나오는 위치를 찾고 그 후 녹색 빔 발생 결정, 첫 번째와 두 번째 자외선 빔 발생 결정의 온도를 각각 조 절하여 출력이 최대가 되도록 조절하였다. 여기서 워크오프 보상소자의 길이는 0.98 mm을 사용하였다. 결정쌍을 그림 3.7과 같이 첫 번째 결정을 기준으로 두 번째 결정을 이상파 축으로 180도 회전한 배열로 위치시킬 경우 온도에 따른 자 외선 빔의 출력은 그림 3.8에서 볼 수 있다. 그림 3.8(a)는 두 번째 결정을 최 대출력이 나오는 온도로 고정시키고 첫 번째 결정 온도를 변화시켰을 때의 출력 변화를 나타내는 그래프이고 그림 3.8(b)는 첫 번째 결정을 최대출력이 나오는
온도로 고정시키고 두 번째 결정 온도를 변화시켰을 때의 출력 변화를 나타내는 그래프이다. 이 배열에서 첫 번째 결정과 두 번째 결정에서 출력이 최대가 되는 온도는 각각 33.3 ℃, 36.8 ℃이고 최대출력은 1.06 W로 적외선에서 자외선으로 변환 효율은 약 35.3%가 측정되었다. 이 실험으로 단일결정보다 결정쌍을 사용 한 경우 출력이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 본 논문에서는 1.06 W 의 자외선 빔을 발생하였지만 식 2.31을 통해 알 수 있듯이 비선형 계수가 크거 나 길이가 긴 결정을 사용하면 보다 높은 출력의 자외선 빔을 발생할 수 있을 것으로 예상된다.
그림 3.7 이상파 축으로 180도 회전한 배열.
(a) (b)
24 32 40 48
0.0 0.4 0.8 1.2
355 nm beam power ( W )
Temperature of 355 nm crystal #1 ( oC ) T-355 nm crystal #1 = varying,
T-355 nm crystal #2 = 36.8 oC
30 40 50
0.0 0.4 0.8 1.2
355 nm beam power ( W )
Temperature of 355 nm crystal #2 ( oC ) T-355 nm crystal #1 = 33.3 oC,
T-355 nm crystal #2 = varying
그림 3.8 이상파 축으로 180도 회전한 배열에서 온도에 따른 자외선 빔의 출력변화. (a) 첫 번째 결정의 온도를 변화시켰을 경우. (b) 두 번째 결정의 온도를 변화시켰을 경우.
이상파 축으로 180도 회전한 배열과 비교하기 위해 그림 3.9와 같이 두 번째 결정을 빔의 진행방향 축으로 180도 회전한 배열로 두고 실험하였다. 이 배열은 결정 내부에서 워크오프 보상이 되고 다른 부호의 비선형 유효계수를 갖는 배열 이고 온도에 따른 자외선 빔의 출력 변화는 그림 3.10에서 볼 수 있다. 그림 3.8과 그림 3.10을 비교해서 보면 그래프가 반대모양이 되는 것을 알 수 있고 그림 3.10에서는 자외선 빔의 출력이 최소가 되는 부분을 주목해야한다. 이상파 축으로 180도 회전한 배열과 달리 반대의 비선형 유효계수를 갖기 때문에 출력 이 보강이 되지 않고 상쇄가 되어 출력이 감소하게 되는 것을 알 수 있었다. 이 론에서 예상한 것과 동일하게 결정 내에서 워크오프가 보상이 되고 같은 부호의 비선형 유효계수를 갖는 이상파 축으로 180도 회전한 배열이 올바른 배열인 것 을 알 수 있었다.
그림 3.9 빔의 진행방향 축으로 180도 회전한 배열.
30 40 50 0.0
0.4 0.8 1.2
355 nm beam power ( W )
Temperature of 355 nm crystal #2 (
oC ) T-355 nm crystal #1 = 33.4
oC,
T-355 nm crystal #2 = varying
그림 3.10 빔의 진행방향 축으로 180도 회전한 배열에서 온도에 따른 자외선 빔의 출력변화.
최대 출력을 갖는 결정쌍 배열에서 워크오프 보상소자 사용했을 경우와 사용 하지 않을 경우 출력비교는 그림 3.11에서 볼 수 있다. 워크오프 보상소자를 사 용한 경우 출력이 최대가 되는 자외선 빔 발생 결정의 온도는 36.8 ℃이고 출력 은 1.06 W로 적외선에서 자외선으로 변환 효율은 약 35.3%였다. 그리고 워크오 프 보상소자를 사용하지 않은 경우 출력이 최대가 되는 자외선 빔 발생 결정의 온도는 36.9 ℃이고 출력은 0.74 W로 적외선에서 자외선으로 변환 효율은 약 24.7%가 측정되었다. 워크오프 보상소자를 사용하였을 경우와 사용하지 않을 경 우 각 단일결정과 결정쌍에서의 출력비교는 표 3.1에서 볼 수 있다. 실험 결과 결정쌍과 워크오프 보상소자를 같이 사용하면 출력이 더욱 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.
30 40 50 0.0
0.4 0.8 1.2
With walk-off compensator Without walk-off compensator
Temperature of 355 nm crystal #2 (
oC )
355 nm beam power ( W )
그림 3.11 결정쌍을 사용할 때 워크오프 보상소자 사용여부에 따른 자외선 빔의 출력변화.
워크오프 보상소자 사용한 경우 자외선 빔의 출력
워크오프 보상소자 사용하지 않은 경우 자외선 빔의 출력
결정쌍 1.06 W 0.74 W
단일결정 0.74 W 0.23 W
표 3.2 워크오프 보상소자를 사용하였을 경우와 사용하지 않을 경우 각 단일결정과 결정쌍에서의 출력비 교
합주파수 발생 결정으로 20 mm 단일결정과 10 mm 결정쌍을 각각 사용한 경우 자외선 빔의 빛살모양은 그림 3.12에서 볼 수 있다. 20 mm 단일결정을 사용하여 발생된 자외선 빔의 빛살모양인 (a)의 경우 빛살크기가 FWHMX = 650 μm, FWHMY
= 970 μm로 타원인 것을 확인할 수 있었고 10 mm 결정쌍을 사용하여 발생된 자
외선 빔의 빛살모양인 (b)의 경우 빛살크기가 FWHMX = 840 μm, FWHMY = 960 μm 로 20 mm 단일결정을 사용한 경우보다 원에 가까운 걸 확인 할 수 있었다.
(a) (b)
그림 3.12 자외선 빔의 빛살모양. (a) 20 mm 단일결정을 사용한 경우. (b) 10 mm 결정쌍을 사용한 경우.
결과적으로 워크오프 보상소자를 사용하고 결정쌍에서 두 번째 결정을 이상파 축으로 180도 회전한 배열이 올바른 배열인 것을 알 수 있었다.
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 합주파수와 2차조화파의 발생과정을 이론적으로 알아보고 합주 파수와 2차조화파의 위상정합은 어떤 조건을 갖는지 그리고 왜 복굴절 물질을 사용하여 위상정합을 하는지에 대해 알아보았다. 또한 발생된 각 빔의 세기에 대해 이론적으로 기술하였고 최대 효율이 나오게 하는 워크오프 보상소자의 길 이를 선택해 실험을 진행하였다. 발생 물질로는 자외선에 대해 높은 투명도와 작은 워크오프를 갖는 LBO 결정을 사용하였다. 실험을 통해 1064 nm 파장의 적 외선 빔을 갖는 고체 레이저를 이용하여 2차조화파 과정으로 532 nm 파장의 녹 색 빔을 발생하였고 남은 적외선 빔과 발생된 녹색 빔을 합주파수 과정을 통해 355 nm 파장의 자외선 빔을 발생하였다. 그리고 워크오프 보상소자를 사용하여 워크오프 때문에 발생되는 효율 감소를 1차적으로 보상하였고 합주파수 발생 결 정으로 가장 높은 효율이 나오는 결정쌍 배열(결정 내에서 워크오프가 보상이 되고 비선형 유효계수가 같은 부호를 갖는 배열)을 찾아 위치시킴으로써 2차적 으로 보상하여 자외선 빔의 출력 효율을 향상시키는 연구하였다. 결과적으로 3.00 W의 출력을 갖는 적외선 빔으로 2차조화파 발생 과정을 통해 1.53 W의 출 력을 갖는 녹색 빔을 발생시켰고 적외선 빔에서 녹색 빔으로의 변환효율은 51%
가 측정되었다. 남은 적외선 빔과 발생한 녹색 빔을 이용하여 합주파수를 발생 하는 실험으로 워크오프 보상소자를 사용하였을 경우 사용하지 않을 경우보다 자외선 빔의 출력이 약 1.4 배정도 향상되었고 합주파수 발생 결정으로 결정쌍 을 사용할 경우 단일결정보다 최대 1.4 배정도 출력이 향상되었다. 워크오프 보 상소자를 사용하고 최대출력이 나오는 결정쌍 배열에서 적외선 빔에서 자외선 빔으로의 변환효율은 약 35.3%정도 측정되었다. 또한 이중으로 워크오프를 보상 하였을 때 빛살크기는 FWHMX = 840 μm, FWHMY = 960 μm로 단일결정을 사용했을 경우보다 결정쌍을 사용했을 경우에 발생된 자외선 빔의 빛살모양이 원에 가까 운 것을 알 수 있었다.
주파수 변환을 이용한 고출력 자외선레이저는 효율적인 변환 기술을 필요로 하는데 효율적으로 변환하기 위해서는 워크오프 문제를 해결해야 한다. 본 논문 에서는 워크오프 보상소자와 결정쌍을 사용하여 출력 효율을 높이고 자외선 빔
의 빛살모양도 원에 가까운 실험 결과를 얻었다. 따라서 우리가 연구한 이중으 로 워크오프를 보상하는 방법이 고출력 자외선 레이저 개발에 아주 유용할 것으 로 기대된다.
【참고문헌】
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