[논문 리뷰] A study of enhancing the power of a CW Ti:sapphire laser by cryogenic cooling

Simai Jia|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 12.

Solid State Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 티타니움 도핑된 사파이어 레이저 결정의 극저온 냉각이 열렌즈 효과를 억제함으로써 안정적이고 고출력 작동을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 가우시안 펌프 빔으로부터의 열렌즈 효과를 분석적으로 모델링하고 캐비티 파arameter를 최적화함으로써, 저자들은 100 K 이하로 냉각할 경우 열렌즈 초점거리가 0.5 m 이상 유지되어 상호 수직 방향 간 경로 길이 불일치가 0.1% 미만인 안정적인 100 W 출력이 가능하다고 밝혔다.

ABSTRACT

In this article, we explore how cryogenic cooling of the Ti:sapphire laser crystal greatly reduces thermal lensing by over an order of magnitude because of two factors: (i) the increase in the thermal conductivity of the crystal, and (ii) the decrease in the temperature dependence of the refractive index. We obtained analytical expression of the focal length of thermal lens for the pump inside the laser crystal being a Gaussian beam. Through analysis of the laser cavity stability, we found that in order for the relative difference between the optimal laser cavity path lengths in the horizontal and vertical directions to be less than 0.1%, the focal length of thermal lens should be longer than 0.5 m. Such a requirement can be met if the laser crystal is cooled to temperatures below 100 K while being pumped at a power that is enough to produce 100 W output. Therefore, it is very likely that an output power of 100 W can be achieved on a single Ti:sapphire laser by cryogenic cooling of the laser crystal.

연구 동기 및 목표

• 단일 티타니움 도핑 사파이어 레이저에서 연속파 100 W 출력을 달성하기 위한 극저온 냉각의 가능성을 조사하기 위해.
• 티타니움 도핑 사파이어 결정에서 원형 및 타원형 가우시안 펌프 빔으로부터의 열렌즈 효과를 모델링하기 위해.
• 열렌즈 조건 하에서 캐비티 안정성 조건을 도출하고, 산란 보정을 위한 파arameter를 최적화하기 위해.
• 열렌즈 안정성의 임계 조건을 설정하여 수직 방향 간 경로 길이 불일치를 최소화하기 위해.
• 단일 모드, 협대역 작동을 유지하면서 티타니움 도핑 사파이어 레이저를 고출력으로 확장하는 실용성 평가하기 위해.

제안 방법

• 결정 중심에서의 이阶 온도 도함수를 사용하여 축대칭 및 산란 조건 하에서의 열렌즈 초점거리에 대한 분석적 표현을 유도하였다.
• ABCD 행렬 기법을 사용하여 열렌즈 효과를 포함한 레이저 캐비티 전이 행렬 및 안정성 조건을 수립하였다.
• 열렌즈로 인한 산란을 보완하기 위해 거울 반지름, 경로 길이, 입사 각도 등의 캐비티 파arameter를 최적화하였다.
• 열렌즈 초점거리에 따른 레일리 거리 및 최적 작동 영역 분석을 통해 캐비티 안정성을 평가하였다.
• 열로딩 변화에 따른 캐비티 반응을 모델링하기 위해 열렌즈 초점거리의 역수(1/f_T)를 사용하였다.
• 기준 조건 설정: x- 및 y-방향 간 상대적 경로 길이 차이 < 0.1%, 이는 f_T > 0.5 m를 요구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 티타니움 도핑 사파이어 결정의 극저온 냉각이 열렌즈 효과를 충분히 억제하여 안정적인 100 W 출력을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 수직 방향 간 경로 길이 불일치를 0.1% 이하로 유지하기 위해 필요한 열렌즈 초점거리는 얼마인가?
• RQ3 펌프 빔 형상(원형 대비 타원형 가우시안)과 열렌즈 효과가 캐비티 안정성 및 산란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 거울 반지름 R, 입사 각도 φ, 결정 길이 l 등의 캐비티 파arameter는 열로딩 조건 하에서 안정성과 산란 보정을 최적화하기 위해 어떻게 선택되어야 하는가?
• RQ5 펌프 전력이 500 W 이하일 경우, 어느 극저온 온도에서 열렌즈 초점거리가 0.5 m를 초과하는가?

주요 결과

• 100 K 이하로 냉각할 경우 열렌즈 초점거리가 0.5 m를 초과하여 x- 및 y-방향 간 상대적 경로 길이 불일치가 0.1% 미만으로 유지됨을 보장한다.
• 펌프 전력이 500 W 이하일 경우, 티타니움 도핑 사파이어 결정이 100 K 이하로 냉각되면 열렌즈 초점거리가 여전히 0.5 m 이상 유지된다.
• 열렌즈 초점거리(f_T)가 감소함에 따라 레이저 캐비티의 최적 작동 영역이 이동하고 변형되지만, 더 큰 거울 반지름(예: 20 cm 대비 10 cm)을 사용할 경우 x- 및 y-방향 간 상대적 차이가 감소한다.
• 거울 반지름 R, 입사 각도 φ, 결정 길이 l 등의 캐비티 파arameter를 신중히 선택함으로써 산란 보정이 가능하다.
• 극저온 조건에서 열렌즈 효과가 억제됨에 따라 레이저 캐비티의 안정성이 크게 향상되며, 캐비티는 안정한 작동 영역 내에 유지된다.
• 이 연구는 열렌즈 초점거리가 0.5 m를 초과할 경우 단일 티타니움 도핑 사파이어 레이저에서 100 W 출력이 가능하다는 것을 확인하였다.