400W 평균 전력 Q

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16918(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 음향 광학 Q 스위치 Yb:YAG 박형 디스크 레이저(TDL)에서 직접 최대 403W의 평균 전력을 생산하는 방법을 보고합니다. 이 전력을 달성하기 위해 출력 커플러 투과율을 엔지니어링함으로써 레이저 안정성 경계가 더 높은 반복률 쪽으로 이동될 수 있다는 것이 이론적 및 실험적으로 나타났습니다. 이를 통해 더 높은 주파수에서 레이저의 안정적인 작동이 가능하고 활성 매체에서 전력 추출이 더욱 증가합니다. 반사율 93%의 출력 커플러를 사용하여 12.0kHz의 반복률에서 최대 평균 전력 403W를 기록했으며, 1220W의 펌프 전력에서 기록되었습니다. 또한 1.00 kHz 및 520 W의 펌프 전력. 다양한 Q-스위칭 속도 및 펌프 전력에서 레이저의 특성이 조사되었습니다. 또한 실험 결과를 뒷받침하기 위한 수치적 연구가 여기에 제안되었습니다. 우리가 아는 한, 달성된 평균 전력과 펄스 에너지는 Q 스위치 Yb:YAG TDL에서 현재까지 보고된 가장 높은 값입니다. 결과는 솔리드 스테이트 Q 스위치 발진기의 전력 확장을 위한 길을 열었습니다.

TDL(박형 디스크 레이저)은 비교적 저렴하고 평균 출력이 높은 레이저 소스의 한 종류입니다1. 이러한 레이저의 출력 및 빔 품질에 대한 고유한 사양으로 인해 CW 및 펄스 레이저 시스템을 생산하는 데 매우 매력적이었습니다2. 80%의 유망한 광학 효율성을 달성하면 산업용 애플리케이션에 더욱 유리해집니다3. µs ~ ns 펄스 지속 시간4,5, 초고속 펄스6,7 및 높은 평균 전력 녹색 TDL8을 갖는 높은 평균 전력 TDL이 보고되었습니다. CW 모드에서 평균 전력이 10kW 이상이고 펄스 작동에서 수백 와트를 제공하는 TDL 장치가 상용화되었습니다9.

고전력 작동에서 Q-스위칭, 캐비티 덤핑 및 오실레이터-증폭기 설정은 µs 또는 ns 영역10의 세 가지 주요 펄스 생성 방법입니다. TDL에서 이러한 방법11,12,13을 활용하려는 초기 노력에도 불구하고 캐비티 덤핑은 이 영역의 펄스 생성에 일반적으로 사용되었으며 평균 전력은 최대 수백 와트5,14,15,16입니다. 그러나 고전압 구동, 상대적으로 높은 덤핑 요소 비용, 넓은 스펙트럼17 등 몇 가지 중요한 단점이 있습니다. 반면, Q-스위칭은 AO(Acousto-Optical) 또는 EO(Electro-Optical) 변조기를 사용하여 펄스형 고체 레이저를 생성하는 일반적인 방법입니다. EO Q-스위칭 및 캐비티 덤핑에 비해 AO Q-스위칭은 공진기에 고전압 및 분극 요소가 필요하지 않아 덜 복잡하고 경제적이기 때문에 매력적입니다10.

펄스 레이저의 평균 출력은 처리 속도18,19를 직접 결정하기 때문에 산업 응용 분야에서 매우 중요합니다. 막대 발진기에서 최대 평균 전력은 활성 매체20,21의 파괴 한계에 의해 제한됩니다. 한편, 열 효과는 레이저 빔 품질을 파괴하므로 더 높은 평균 출력을 달성하려면 다양한 증폭 단계가 필요합니다. 또는 비선형 효과와 섬유 손상은 펄스 광섬유 레이저의 전력 스케일링에 문제가 되는 주요 요인입니다. 그러나 활성 매체 형상으로 인해 TDL은 위에서 언급한 제한 요소의 영향을 덜 받고 일정한 펌프 전력 밀도에서 평균 전력의 확장이 실현됩니다1.

눈에 띄게 Q 스위치 TDL에서는 두 가지 주요 요인이 출력 평균 전력의 확장을 제한합니다. 이 두 가지 요소는 모두 활성 매체의 낮은 이득 계수에서 비롯됩니다. 출력 커플러(OC) 반사율은 일반적으로 1에 가까우므로 공동 내부 에너지는 수백 mJ 정도의 출력 펄스에 대해서도 디스크를 손상시킬 만큼 충분히 높습니다. 따라서 평균 출력을 높이려면 레이저 반복률을 높여야 합니다. 그러나 이는 강한 출력 펄스 에너지 변동과 펄스 불안정의 출현으로 이어질 수 있습니다. 이러한 불안정성은 Q 스위치 레이저의 역학에서 비롯되며 다른 종류의 레이저에서도 여전히 실험적, 이론적 연구의 주제입니다. 펄스 불안정성은 Q 스위치 레이저의 고유한 특성이지만 이득 계수가 낮기 때문에 TDL에서 더 뚜렷하게 나타날 것으로 예상됩니다. 능동 피드백 제어 기술을 구현하면 이 영역의 레이저 출력을 안정화할 수 있지만 레이저에 복잡성을 더하고 유연성을 제한할 수 있습니다16,30.