일체형 YAG/Yb:YAG/Cr:YAG 레이저의 Q–스위칭 펄스 에너지 안정화에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 일체형 YAG/Yb:YAG/Cr:YAG 레이저의 Q-스위칭 펄스 출력 안정화에 대한 연구를 수행했다. 출력 안정화를 위해 먼저 출력경 반사율, 공진기 길이 및 펌프 빔 크기 등 다양한 공진기 설계 변수 조건에 대한 출력 특성 분석 연구를 수행하였다. 레이저 출력 분석을 통해 일체형 YAG/Yb:YAG/Cr:YAG 레이저 매질을 이용한 Q-스위칭 펄스 레이저 공진기 설계 파라미터를 구할 수 있었다. 그리고 Q-스위칭 레이저의 불안정한 출력의 원인이 되는 공진기 내부의 초기 노이즈 신호 크기 변동을 최소화하기 위해 Fabry-Pérot etalon을 공진기에 삽입하는 구조의 레이저 공진기를 제안하였다. Fabry-Pérot etalon의 두께와 삽입된 기울기에 대한 레이저 출력 안정성 분석을 수행하였다. Fabry-Pérot etalon의 두께가 1 mm이고 기울기가 출력경의 표면에 대해 1～2.5 도 영역에서 펄스 출력 에너지 안정화가 가장 잘 이루어졌다. 공진기 최적 조건은 출력경 반사율 30%, 펌프 빔 직경 0.279 mm, 공진기 길이 25 mm에서 가장 높은 피크파워(0.629 MW)가 발진되었다. 이때 펄스 폭은 1.73 ns, 펄스에너지는 1.089 mJ이며, 빔질은 1.53이다. 출력 에너지 평균 표준편차는 Fabry-Pérot etalon 유무에 따라 2.2%에서 0.38%로 감소하였다. | In this study, we investigated the stabilization of the Q–switching pulse output of a composite YAG/Yb:YAG/Cr:YAG laser. To stabilize the output, first, a study was conducted to analyze the output characteristics of various resonator design parameters such as the reflectance of the output mirror, length of the resonator, and size of the pump beam. Through the laser output analysis, the design parameters of the Q–switching pulse laser resonator using the composite YAG/Yb:YAG/Cr:YAG laser medium were obtained. In addition, a laser resonator with a structure in which a Fabry–Pérot etalon is inserted into the resonator was proposed to minimize the fluctuation of the initial noise signal amplitude inside the resonator, which caused the unstable output of the Q–switching laser. Laser power stability analysis was performed for the thickness and insertion slope of Fabry–Pérot etalon. Its thickness was 1 mm, and the pulse output energy was best stabilized in the range of 1 to 2.5 degrees with respect to the surface of the output mirror. The optimum conditions for the resonator were an output mirror reflectance of 30%, a pump beam diameter of 0.279 mm, and a resonator length of 25 mm, and the highest peak power (0.629 MW) was oscillated. At that time, the pulse width was 1.73 ns, the pulse energy was 1.089 mJ, and the beam quality was 1.53. The average standard deviation of the output energy was 2.2% and 0.38%, respectively, with and without inserting a Fabry–Pérot etalon inside the resonator.