다이오드펌프 고체상태 레이저

Diode-pumped solid-state laser

다이오드펌프 고체상태 레이저(DPSSL)는 루비나 네오디뮴 도포 YAG 결정과 같은 고체 이득 매체를 레이저 다이오드로 펌핑하여 만든 고체 상태의 레이저다.

DPSSL은 다른 종류에 비해 콤팩트함과 효율성에 장점이 있으며, 고출력 DPSSL은 많은 과학적인 응용에서 이온 레이저와 플래시 램프 점핑 레이저를 대체했으며, 현재 녹색 및 기타 컬러 레이저 포인터에 일반적으로 나타나고 있다.

커플링

레이저 다이오드의 파장은 온도에 의해 조정되어 결정의 흡수계수와 에너지 효율(가장 낮은 펌프 광자 에너지) 사이에 최적의 절충을 만든다. 폐에너지는 열렌즈에 의해 제한되므로, 이는 고강도 방전 램프에 비해 높은 출력 밀도를 의미한다.

고출력 레이저는 단일 결정체를 사용하지만 많은 레이저 다이오드가 스트립(한 기질에 서로 옆에 있는 다중 다이오드)이나 스택(기판 스택)으로 배열돼 있다. 이 다이오드 그리드는 렌즈를 이용하여 수정체에 이미징할 수 있다. 더 높은 밝기(더 나은 빔 프로파일 및 더 긴 다이오드 수명을 유도함)는 냉각 및 전류 전달에 필요한 다이오드 사이의 어두운 영역을 광학적으로 제거함으로써 달성된다. 이 작업은 다음 두 단계로 수행된다.

  1. "고속 축"은 원통형 마이크로 렌즈의 정렬된 그링으로 시준된다.
  2. 부분적으로 시준된 빔은 축소된 크기로 수정 속으로 이미징된다. 결정문은 양쪽 끝면에서 종방향으로 펌핑하거나 세 개 이상의 측면에서 가로로 펌핑할 수 있다.

또한 다중 다이오드의 빔은 각 다이오드를 광섬유로 결합하여 결합할 수 있으며, 광섬유는 다이오드 위에 정확하게 위치한다(단, 마이크로렌즈 뒤에 위치한다. 섬유다발의 반대쪽 끝에는 섬유들이 융합되어 수정 위에 균일하고 간격이 없는 둥근 종단을 형성한다. 이것은 또한 원격 전원 공급 장치의 사용을 허용한다.

일부 숫자

고출력 레이저 다이오드는 여러 개의 단일 스트립 레이저 다이오드가 서로 옆에 있는 막대로 제작된다.

각 단일 스트립 다이오드는 일반적으로 다음과 같은 활성 볼륨을 가진다.

1µm 2mm 100µm
높이 깊이 폭
고속 축 광축 저속 축

그리고 다음 레이저 다이오드까지의 전체 바(100 ~ 200) µm 거리에 대한 냉각 기술에 따라 달라진다.

고속 축을 따라 다이오드의 끝면은 1µm 높이의 스트립에 이미징할 수 있다. 그러나 느린 축을 따라가는 끝면은 100µm보다 작은 영역에 이미징될 수 있다. 이는 깊이 대 너비의 비율로 주어지는 작은 차이(이름: '저속 축') 때문이다. 위의 숫자를 사용하여 5µm 폭의 지점에 고속 축을 이미징할 수 있다.

따라서 양쪽 축에서 등분산 빔을 얻기 위해 5개의 레이저 다이오드로 구성된 바의 끝면은 각각 5mm x 1mm 크기의 점 5개가 있는 이미지 평면에 4개의 (아실린틱) 실린더 렌즈를 사용하여 이미징할 수 있다. 이 큰 크기는 낮은 발산 빔에 필요하다. 낮은 발산성으로 근축광학(paraxial optics)이 가능해 값도 싸고 점뿐만 아니라 레이저 크리스털 안쪽에 긴 빔 허리(길이 = 50 mm)가 있어 끝면을 통해 펌핑한다.

또한 근축 케이스에서는 금이나 구리 거울이나 유리 프리즘을 사용하여 점들을 서로 위로 쌓고 5 x 5 mm 빔 프로필을 얻는 것이 훨씬 쉽다. 두 번째 (구형) 렌즈는 레이저 결정 내부의 사각형 빔 프로필을 이미지화한다.

결론적으로, 레이저 다이오드의 0.001 mm³ 활성 볼륨은 Nd:YVO4 크리스털.

공통 DPSSL 프로세스

다양한 유형의 이온 결정체 및 안경에서도 네오디뮴 이온은 레이저 이득 매개체로 작용하며, 일반적으로 외부 공급원에서의 흥분으로 "펌프"된 후 네오디뮴 이온의 특정 원자 전환으로부터 1,064nm의 빛을 방출한다. 946nm 전환등 선택 가능

가장 일반적으로 사용되는 DPSSL은 532nm 파장 녹색 레이저 포인터다. 강력한 (>200mW) 808nm 파장 적외선 GaAlAs 레이저 다이오드가 네오디뮴 도포 이티움 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 또는 네오디뮴 도포 이티움 정형외과(Nd:YVO4) 결정으로, 네오디뮴 이온의 주 스펙트럼 전환으로부터 1064 nm 파장 빛을 생성한다. 이 빛은 KTP 결정에서 비선형 광학 프로세스를 사용하여 주파수가 2배로 증가하여 532nm의 빛을 생성한다. 녹색 DPSSL은 보통 20% 정도 효율적이지만 일부 레이저의 효율은 최대 35%에 이를 수 있다. 즉, 2.5W 펌프 다이오드를 사용하는 녹색 DPSSL은 약 532nm의 조명에 대해 500~900mW가 출력될 것으로 예상된다.

최적의 조건에서 Nd:YVO는4 전환 효율이 [1]60%인 반면 KTP는 전환 효율이 80%[2]에 이른다. 즉 녹색 DPSSL은 이론적으로 전체 효율이 48%에 이를 수 있다.

매우 높은 출력 전력의 영역에서, KTP 결정체는 광학적 손상에 취약해진다. 따라서 고출력 DPSSL은 일반적으로 빔 직경이 더 큰데, 이는 1064nm 레이저가 KTP 결정체에 도달하기 전에 확장되어 적외선 광선의 방사조도를 감소시키기 때문이다. 낮은 빔 직경을 유지하기 위해 리튬 트리뷴(LBO)과 같이 손상 문턱이 높은 크리스털을 대신 사용한다.

파란색 DPSSL은 808nm 조명이 Nd에 의해 변환되는 것을 제외하고 거의 동일한 프로세스를 사용한다.YAG 결정에서 946nm의 빛(동일한 Nd 도핑 결정에서 네오디뮴의 이 비주파 스펙트럼 라인을 선택)으로, 그 다음 베타 바륨 붕산염(BBO) 결정 또는 LBO 결정으로 473nm까지 주파수를 증폭한다. 재료의 이득이 낮기 때문에 블루레이저는 상대적으로 약하고 효율이 3~5% 정도에 불과하다. 2000년대 후반 비스무트 트리뷰트(Bismuth Trivate, BBO) 크리스탈이 BBO나 LBO보다 효율이 높고 습기에 노출되면 크리스탈이 저하되는 [3]저온증이라는 단점이 없다는 사실이 밝혀졌다.

노란색 DPSSL은 훨씬 더 복잡한 프로세스를 사용한다. 808nm 펌프 다이오드는 1,064nm와 1,342nm의 빛을 발생시키는 데 사용되며, 이 다이오드는 병렬로 합쳐서 593.5nm가 된다. 대부분의 황색 DPSSL은 복잡하기 때문에 효율이 1% 정도에 불과하며 일반적으로 전력 단위당 더 비싸다.

또 다른 방법은 589nm로 집계된 1,064nm와 1,319nm의 빛을 생성하는 것이다.[4] 이 공정은 펌프 다이오드 전력의 약 3%가 황색 조명으로 변환되어 더욱 효율적이다.[5]

다이오드 레이저와 비교

DPSSL과 다이오드 레이저는 솔리드 스테이트 레이저의 가장 흔한 두 가지 유형이다. 그러나 두 종류 모두 장단점이 있다.

DPSSL은 일반적으로 더 높은 빔 품질을 가지고 있으며 상대적으로 좋은 빔 품질을 유지하면서 매우 높은 파워에 도달할 수 있다. 다이오드에 의해 펌핑된 결정체가 자체 레이저 역할을 하기 때문에 출력 빔의 품질은 입력 빔의 품질과 무관하다. 이에 비해 다이오드레이저는 다중 횡방향 모드에서 작동하지 않는 한 수백 밀리와트밖에 도달하지 못한다. 이러한 다중 모드 레이저의 경우 빔 직경이 크고 차이가 커 바람직하지 않은 경우가 많다. 실제로 광학 드라이브와 같은 일부 애플리케이션에서는 단일 모드 작동이 필수적이다.[6]

반면 다이오드레이저는 가격이 저렴하고 에너지 효율이 높다. DPSSL 결정은 100% 효율적이지 않기 때문에 주파수를 변환하면 일부 전력이 손실된다. DPSSL은 또한 온도에 더 민감하며 작은 범위 내에서만 최적으로 작동할 수 있다. 그렇지 않으면 레이저가 모드 간 뜀박질이나 출력 전력의 큰 변동과 같은 안정성 문제로 인해 문제가 발생할 수 있다. DPSSL은 또한 더 복잡한 구조를 필요로 한다.

다이오드 레이저도 DPSSL보다 큰 주파수로 정밀하게 변조할 수 있다.

네오디뮴 도포 고체 상태 레이저가 산업용 레이저로 계속 선택되고 있다. 상부의 Nd 레이저 레벨을 885-nm(더 전통적인 넓은 808-nm 대역에서보다)로 직접 펌핑하면 라싱 양자 결함의 감소를 통해 성능이 개선되어 시스템 효율이 향상되고 냉각 요구사항이 감소하며 추가적인 TEM00 전력 스케일링이 가능하다. Nd의 좁은 885-nm 흡수 기능 때문에:YAG, 특정 시스템은 이 흡수 기능에 밀접하게 일치하도록 펌프 방출 스펙트럼을 좁히고 안정화하는 역할을 하는 파장 잠금 다이오드 펌프 선원의 사용으로 이익을 얻을 수 있다. 현재까지 내부 분산 피드백 브래그 그라팅, 외부 정렬 볼륨 홀로그래픽 그래팅 광학, VHG 등 고출력 다이오드 레이저 잠금 방식은 기술의 비용 증가와 성능 저하를 가정한 것으로 인해 널리 구현되지 못하고 있다. 그러나 최근 외부 파장 잠금을 활용하는 안정화된 다이오드 펌프 원천 제조의 발전은 전력과 효율에 거의 영향을 미치지 않으면서 향상된 스펙트럼 특성을 제공한다.[7] 이 접근방식의 이점은 레이저 효율성, 스펙트럼 선폭 및 펌핑 효율의 개선을 포함한다.

참조

  1. ^ "Nd:YVO4 Properties". www.unitedcrystals.com.
  2. ^ "KTP Properties". www.unitedcrystals.com.
  3. ^ "BIBO Crystal for Blue Laser". www.redoptronics.com.
  4. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2011-07-22. Retrieved 2010-11-17.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  5. ^ 2.5W 펌프 다이오드가 있는 노란색 레이저가 최대 80mW에 도달함
  6. ^ Fu, R. J.; Hwang, C. J.; Wang, C. S. (16 July 1986). "Single Mode Diode Laser For Optical Scanning And Recording". Scientific and Engineering Applications of Commercial Laser Devices. 0610. SPIE: 138–141. doi:10.1117/12.956398. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  7. ^ Leisher, Paul. "Commercial High-Efficiency 885-nm Diode Lasers" (PDF). nLIGHT. Retrieved 18 May 2012.

외부 링크