[논문 리뷰] A 1 W injection locked cw titanium:sapphire laser

E. A. Cummings, M. Hicken외 1명|ArXiv.org|2001. 12. 05.

Solid State Laser Technologies참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 846 nm에서 연속파, 단일 모드, 1 W의 주입 잠금된 티사플라이어 레이저를 구현한 바, 고출력 티사플라이어 온디레이터를 저출력, 주파수 안정화된 다이오드 레이저에 잠금함으로써 달성되었다. 이 시스템은 몇 mW의 주입 전력으로도 단일 모드 작동을 달성하여, 높은 출력, 테이블러블, 좁은 스펙트럼 폭의 출력을 실현하며, 뛰어난 주파수 안정성과 낮은 노이즈를 확보한다.

ABSTRACT

We report an injection-locked cw titanium:sapphire ring laser at 846 nm. It produces 1.00 W in a single frequency when pumped with 5.5 W. Single frequency operation requires only a few milliwatts of injected power.

연구 동기 및 목표

• 비틀림 필터나 광학 이솔레이터와 같은 복잡한 주파수 안정화 부품을 피하는 고출력, 단일 모드 티사플라이어 레이저의 개발.
• 특정 파장에서 고출력 단일 모드 다이오드 레이저의 비용 증가와 부족 현상을 해결하기 위해 주입 잠금을 활용한 비용 효율적인 대안 제공.
• 주입 잠금이 이전에 보고되지 않은 구성인 연속파 티사플라이어 레이저에서 안정적이고 고출력, 단일 모드 작동을 달성할 수 있음을 입증.
• 상용화된 테이블러블 다이오드 레이저를 메인 오실레이터로 활용하여 티사플라이어의 증폭 대역폭 전역에서 테이블러블, 좁은 스펙트럼 폭의 출력을 가능하게 함.

제안 방법

• 532 nm 펌프 레이저(최대 5.5 W)를 4-미러 접합 루프 캐비티에 10 mm 길이의 브류스터 컷 티사플라이어 크리스탈에 집중시킴.
• 티사플라이어 캐비티는 96.6% 반사율의 출력 커퍼와 99.5% 이상 반사율을 지닌 거울을 갖으며, 크리스탈에 의한 아스테이티즘을 보완하기 위해 114 mm의 짧은 팔과 1020 mm의 긴 팔을 가짐.
• 846 nm에서 작동하는 확장 캐비티 다이오드 레이저(ECDL)가 푸운-드레벌-홀 기법과 37.15 MHz 변조를 통해 주파수 안정화되어 메인 오실레이터로 기능함.
• 메인 레이저 출력(최대 30 mW)은 단일 모드 섬유로 커플링되고, 75%의 효율로 티사플라이어 캐비티의 TEM₀₀ 모드에 모드 매칭됨.
• 한 캐비티 거울에 부착된 피에조 전기 변환기로 약 8 GHz의 연속적인 주파수 조정이 가능하여, 주입 잠금 후 정밀한 파장 제어가 가능함.
• 잠금 피드백은 출력 빛에서 코ating되지 않은 퀸츠 평판에서 약간의 반사광을 검출하는 광다이오드를 사용한 이중 단계 적분기 회로를 통해 실현됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주입 잠금이 연속파 티사플라이어 루프 레이저에서 단일 모드, 고출력 작동을 성공적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 단일 모드 작동을 유지하기 위해 필요한 최소 주입 전력은 얼마인가?
• RQ3 주입 잠금된 레이저의 임계 펌프 전력과 경사 효율은 자유 작동 상태와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 주입 잠금된 레이저는 메인 다이오드 레이저의 스펙트럼 순도와 주파수 안정성을 어느 정도 유지하는가?
• RQ5 캐비티 설계(예: 거울 곡률 반경과 캐비티 길이)는 안정적인 잠금을 위한 최소 주입 전력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주입 잠금된 티사플라이어 레이저는 846 nm에서 최대 출력 1.00 W를 달성하였으며, 경사 효율은 23%로 이론적 예측과 밀도로 일치함.
• 주입 잠금 작동의 임계 펌프 전력은 약 1.2 W이며, 이는 0.3 W의 이론적 추정치보다 높음. 이는 열 렌즈 효과와 빔 웨이스트 불일치로 인한 것으로 보임.
• 낮은 펌프 수준에서 단지 3 mW의 주입 전력으로도 단일 모드 작동이 유지되며, 최대 출력 수준에선 15 mW까지 증가함.
• 스캐닝 파이브리-퍼트(FSR = 2 GHz, 편밀리티 = 400)로 측정한 증폭된 레이저의 옵티컬 스펙트럼은 명백한 사이브랜드를 보이지 않아 높은 스펙트럼 순도를 나타냄.
• 파이브리-퍼트 캐비티와 티사플라이어 레이저 사이의 상대 주파수의 파wer 스펙트럼은 메인 레이저의 스펙트럼과 구분되지 않아 뛰어난 주파수 안정성을 확인함.
• 더 작은 캐비티(360 mm 루프-트립 길이, 곡률 반경 50 mm)는 더 큰 캐비티 대비 최소 주입 전력을 3배 감소시켜 더 높은 잠금 효율을 나타냄.