[논문 리뷰] Multi-pass oscillator layout for high-energy mode-locked thin-disk lasers

K. Schuhmann, K. Kirch외 1명|ArXiv.org|2016. 03. 01.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 모드-락킹 박막디스크 레이저를 위한 다중 통과 온도계열 레이저 구조를 제안하며, 소프트아퍼처 효과를 갖는 광학적으로 안정된 세그먼트를 연결하여 안정성 영역을 축소하지 않고 펄스 에너지 스케일링을 가능하게 한다. ABCD 행렬에 허수 초점 거리를 갖는 렌즈를 사용해 아퍼처 효과를 모델링함으로써, 기존 4f 기반 설계 대비 안정성 영역이 두 배로 증가하는 결과를 얻었으며, 구성 요소의 최소한의 재배열로도 높은 펌프 파워와 통과 수를 구현할 수 있다.

ABSTRACT

A novel optical layout for a multi-pass resonator is presented paving the way for pulse energy scaling of mode-locked thin-disk lasers. The multi-pass resonator we are proposing consists of a concatenation of nearly identical optical segments. Each segment corresponds to a round-trip in an optically stable cavity containing an active medium exhibiting soft aperture effects. This scheme is apt for energy and power scaling because the stability region of this multi-pass resonator contrarily to the 4f-based schemes does not shrink with the number of passes. Simulation of the eigen-mode of this multi-segment resonator requires considering aperture effects. This has been achieved by implementing effective Gaussian apertures into the ABCD-matrix formalism as lenses with imaginary focal length. We conclude proposing a simple way to double the stability region of the state-of-the-art layouts used in industry achievable by a minimal rearrangement of the used optical components.

연구 동기 및 목표

• 통과 수가 증가함에 따라 안정성 영역이 축소되는 기존 4f 기반 다중 통과 공진기의 한계를 해결한다.
• 다중 통과 동안 강력한 안정성 영역을 유지함으로써 모드-락킹 박막디스크 레이저의 펄스 에너지 및 출력 전력 스케일링을 가능하게 한다.
• 기존 4f 이미징 설계의 열 렌즈 효과에 대한 민감도를 해소하기 위해 재설계된 공진기 구조를 제안한다.
• 실제 비대칭성으로 인한 불안정성 갭을 방지하기 위해 활성 매질의 소프트아퍼처 효과를 ABCD 행렬 형식에 통합한다.
• 기존 4f 시스템의 광학 구성 요소 재배열을 최소화하면서도 산업용으로도 적용 가능한 실용적인 솔루션을 제안한다.

제안 방법

• 활성 매질이 소프트아퍼처 효과를 갖는 거의 동일한 광학적으로 안정된 세그먼트로 구성된 다중 통과 공진기를 설계하며, 각 세그먼트는 활성 매질이 포함된 라운드트립을 포함한다.
• 활성 매질의 소프트아퍼처 행동을 ABCD 행렬 형식에 표현된 허수 초점 거리를 갖는 렌즈로 모델링한다.
• 이 효과적 아퍼처를 통합하여 강도에 의존하는 이득 및 손실 변화를 고려한 다중 세그먼트 공진기의 고유모드 특성을 시뮬레이션한다.
• 제안된 세그먼트 기반 설계의 안정성 영역을 표준 4f 기반 다중 통과 시스템과 비교하여 향상 정도를 정량화한다.
• 4f 이미징 스테이지와 세그먼트화된 안정된 설계를 융합한 레이아웃을 제안하며, 기존 광학 요소의 단순 재배열로도 실현 가능하다.
• 새로운 설계의 안정성 영역이 통과 수 증가에 따라 축소되지 않음을 검증한다. 이는 4f 기반 시스템과는 대조적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 통과 박막디스크 레이저의 안정성 영역을 통과 수 증가와 함께 유지하거나 확장할 수 있는가?
• RQ2 활성 매질의 소프트아퍼처 효과가 다중 통과 공진기의 안정성 및 모드 특성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 기존 광학 구성 요소의 최소한의 재구성으로 표준 4f 기반 시스템 대비 두 배 넓은 안정성 영역을 달성할 수 있는가?
• RQ4 소규모 세그먼트 간 비대칭성이 다중 통과 공진기의 안정성에 미치는 영향은 무엇이며, 효과적 아퍼처 모델링을 통해 이를 완화할 수 있는가?
• RQ5 제안된 레이아웃은 표준 광학 요소를 사용해 산업 현장에서 얼마나 실현 가능한가?

주요 결과

• 제안된 다중 세그먼트 공진기는 통과 수에 관계없이 일정한 안정성 영역을 유지한다. 이는 4f 기반 시스템과는 달리 통과 수 증가에 따라 안정성 영역이 축소되는 경향이 없음을 의미한다.
• ABCD 행렬 형식에 허수 초점 거리를 갖는 렌즈를 사용해 소프트아퍼처 효과를 통합함으로써, 세그먼트 간 미세한 비대칭성으로 인한 불안정성 갭 형성을 방지할 수 있다.
• 4f 이미징 스테이지와 세그먼트화된 안정된 설계를 융합한 융합 레이아웃은 동일한 통과 수에서 표준 4f 시스템 대비 안정성 영역이 두 배로 증가한다.
• 이 설계는 안정성에 영향을 주지 않으면서도 더 높은 펌프 파워 밀도, 더 큰 빔 웨이스트, 더 많은 통과 수를 가능하게 한다.
• 제안된 레이아웃은 4f 기반 시스템에서 사용되는 기존 광학 구성 요소의 최소한의 재배열로 산업 현장에서 실현 가능하다.
• SESAM 기반 모드-락킹을 사용하는 초고속 레이저에 특히 적합하며, SESAM을 한 번의 내부 통과만을 거치는 저강도 미러에 배치할 수 있다.