광여기 반도체 레이저의 장점 관련 백서 시리즈 #2:
불변 빔 속성

독립 전원 조정의 장점

레이저 출력 전력을 변경하거나 최대 출력보다 낮은 출력으로 레이저를 작동하는 기능은 종종 중요한 역할을 합니다. 대부분의 경우, "전원 노브"를 사용하는 것은 검출기 포화 또는 샘플 손상 방지와 같은 프로세스 또는 실험을 최적화하는 데 필수적입니다. 또한 손상 위험을 최소화하고 최대한 눈을 안전하게 하기 위해 출력 감소를 통해 시스템을 정렬하고 테스트를 수행하는 것이 좋습니다. 또한 STED와 같은 초해상도 현미경 기술은 나노미터 단위 해상도를 최적화하기 위해 미세한 출력 조정이 필요합니다. 따라서 출력 전력을 원활하게 줄이는 옵션이 사용 편의성과 설정 단순성을 위해 일부 유형의 감쇠기에 의존하는 것보다 더 바람직합니다.

안타깝게도 대부분의 다른 고체 레이저에서 제조업체가 지정한 최적 값에서 출력을 줄이면 빔 속성, 특히 빔 발산, 빔 직경, 모드 품질 및 빔 포인팅 속성도 손상됩니다. 그 이유는 Nd:YVO₄와 같은 벌크 재료를 기반으로 한 고체 레이저에 흔히 볼 수 있는 열 렌즈라는 현상 때문입니다.

열 렌즈의 문제

레이저 이득 결정 또는 유리가 광학적으로 펌핑되면 펌프 출력의 일부는 불가피하게 열로 변환됩니다. 또한 레이저 빔의 자가 재흡수는 결정의 활성 부피를 가열합니다. 성능을 안정화하고 손상을 방지하기 위해 이득 결정은 어떤 식으로든 냉각됩니다. 이득 결정은 수동 방열판, 수냉식, 열전(TE) 냉각 및 극저온 냉각의 형태를 취할 수 있습니다. 열 제거는 냉각 유형에 관계없이 하나 이상의 결정 표면을 통해 이루어집니다. 정상 상태 작동하에서, 이것은 이득 결정에서 열 구배를 설정합니다.

이 열 구배로부터 두 가지 결과를 얻을 수 있습니다. 첫째, 레이저 매질의 온도 분포에 따라 굴절률이 변합니다. 또한 결정은 가열되면서 팽창하여 광학 표면의 곡률에 변화를 일으킵니다. 가장 간단한 엔드 펌핑된 원통형 레이저 막대의 경우, 이러한 효과는 출력이 결정의 길이와 펌프 출력에 비례하는 구면 렌즈를 생성합니다. 게다가 렌즈 성능은, 특히 이득 결정이 한쪽 끝에서만 펌핑되는 경우에 렌즈 종방향 구배의 영향을 받을 수도 있습니다.

고품질 가우스 빔 프로파일(TEM₀₀)에서 출력 전력을 최적화하려면 펌핑된 부피와 레이저 모드의 최적의 공간 일치 등 공진기의 세심한 설계가 필요합니다. 광학 표면의 곡률 또는 동등하게 작동 중인 굴절률의 공간 구배가 변경되면 이러한 "열 렌즈" 효과로 인해 모드 품질 또는 효율성이 떨어집니다. 물론 이 열 렌즈의 정도는 레이저 매체에 적용되는 펌프 출력에 따라 다릅니다.

고체 레이저에서 열 렌즈는 출력 빔의 발산과 직경을 변화시킵니다. 예를 들어 Coherent의 AVIA^™ 제품군의 산업용 다이오드 펌핑 고체 레이저와 같은 고성능 레이저에서 ThermaTrak^™이라는 피드백 기능은 출력이 조정될 때 전동 공동 내 렌즈를 움직여 이 문제를 해결합니다. 반대로, 저성능 다이오드 펌핑 고체 레이저에서는 열 렌즈가 제어되지 않으며, 펌프 출력 변화에 따른 열 렌즈의 변화는 빔 매개변수의 변화, 효율의 감소 및 사용 가능한 전력 범위의 제한을 초래합니다. 대부분의 상용 다이오드 펌핑 고체 레이저에는 가변 보정이 포함되어 있지 않기 때문에 출력 빔 매개변수는 지정된 출력 전력에서만 보장됩니다.

광여기 반도체 레이저 – 얇은 이득 칩 – 열 렌즈 없음

광여기 반도체 레이저에서 이득 매체는 유전체 층이 후면 전반사체 역할을 하는 반도체 양자 우물의 매우 얇은(<10μm) 디스크입니다. 후면은 차례로 능동적으로 냉각되는 방열판에 결합되어 반도체 구조를 효율적으로 냉각시킵니다. 방사형 열 구배는 여전히 레이저 작동으로 인해 발생하지만 전체 구조가 너무 얇아서 열 렌즈는 무시할 수 있습니다. 실제로 이득 물질의 경로 길이는 일반적인 다이오드 펌핑 고체 레이저보다 약 1000배 더 짧습니다.

무시할 수 있는 열 렌즈의 가정을 확인하기 위해 Coherent 엔지니어는 열 구배를 의도적으로 생성하고 간섭계측을 통해 측정한 광여기 반도체 레이저 이득 칩의 광학 속성을 모니터링하기 위한 일련의 테스트를 수행했습니다. 또한 테스트 구배는 최대 광여기 반도체 레이저 출력 전력에서도 일반 레이저 작동에서 개발될 수 있는 것보다 훨씬 크게 설계되었습니다.

그림 2는 이러한 테스트에 사용된 설정을 표시합니다. 여기에서 광여기 반도체 레이저 공동은 다양한 양의 펌프 출력에 의해 동시에 조사될 때 테스트 빔이 광여기 반도체 레이저 칩을 프로브할 수 있도록 하는 쐐기형 빔 스플리터로 수정되었습니다. 특히, 980nm에서의 일관된 단일 모드 레이저 빔이 첫 번째 빔 스플리터에 의해 분할되어 그 강도의 일부는 광여기 반도체 레이저 칩에서 반사되고 일부는 슈퍼 평면 기준 미러에서 반사됩니다. 두 번째 빔 스플리터는 이러한 반사 빔을 Mach-Zehnder 간섭계라고 불리는 구성으로 재결합합니다. 그런 다음 재결합된 빔이 확장되고 CCD 카메라를 사용하여 관찰됩니다.

만약 광여기 반도체 레이저 칩이 열 렌즈 없이 평평하게 유지되면 카메라의 이미지가 프로필 전체에서 균일할 것입니다. 반대로 모든 열 렌즈는 어둡고 가벼운 간섭 프린지로 나타나며, 그 간격은 렌즈나 다른 빔 왜곡의 범위를 정량적으로 측정합니다. 광여기 반도체 레이저 이득 칩 대신에 가열된 거울을 사용하여 이 테스트 장치를 주의 깊게 평가한 결과, 980nm 테스트 파장에서 λ/50의 작은 파장 왜곡을 식별할 수 있었습니다.

테스트에서 광여기 반도체 레이저의 펌프 레이저는 직경이 420μm인 지점에 초점을 맞췄습니다. 이 펌프 레이저의 출력은 0와트에서 9와트까지 다양했습니다. 이러한 극단적인 열 부하에도 불구하고 총 파면 왜곡은 λ/40까지는 거의 감지되지 않았습니다.

실제 레이저 성능 데이터

실제 작동에서 중요한 것은, 물론 실제 레이저 성능입니다. 이러한 열 렌즈의 부재를 최대한 활용하려면 다른 모든 광학 장치 또는 광역학이 펌프 출력의 변화에 민감하지 않은 견고한 모놀리식 공동 설계가 필요합니다. 열 렌즈 현상이 발생하면 출력 빔에 대한 가장 두드러진 변화가 빔 발산 및 빔 직경에서 관찰됩니다. 또한 이것은 레이저 기반 이미징 및 펌핑 티타늄 사파이어 레이저와 같은 까다로운 응용 분야에서 가장 중요한 매개변수입니다.

Coherent 엔지니어는 출력 전력의 함수로서 이러한 매개변수의 변화를 직접 찾기 위해 일련의 포괄적인 실험을 수행했습니다. 특히, 8와트 Verdi G 레이저의 532nm 출력은 수백 밀리와트에서 8와트까지의 크기에 걸쳐 단계적으로 변경되었습니다. 이렇게 엄청난 출력 전력의 변화에도 불구하고 빔 직경과 빔 발산은 그림 3과 4의 일반적인 데이터 세트에서 볼 수 있듯이 모두 매우 일정하며 사양 내에서 잘 유지됩니다.