[논문 리뷰] Passively mode-locked diode-pumped Nd:YVO4 oscillator operating at ultra-low repetition rate

Dimitris N. Papadopoulos, Sébastien Forget외 4명|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 10.

Solid State Laser Technologies참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 덤프 없이 안정적인 장기 작동이 가능한 수동 모드-락킹, 다이오드 펌프된 Nd:YVO4 레이저 오실레이터를 보고하며, 초저주기 1.2 MHz에서 16.3 ps 펄스, 평균 출력 470 mW, 피크 출력 24 kW를 달성하였다. 이는 두 개의 평면 거울을 사용한 새로운 다중통과 캐비티(MPC) 구조를 통해 이루어졌으며, 이로 인해 캐비티 길이와 왕복 횟수를 정밀하게 제어할 수 있어 1 MHz 이하의 작동이 가능해졌고, 높은 빔 품질과 효율적인 주파수 제곱화(532 nm에서 50% 효율)를 유지하였다. MPC는 캐비티 길이 조절과 왕복 횟수 제어를 가능하게 하여, 고성능 및 안정적인 작동을 가능하게 하였다.

ABSTRACT

We demonstrate the operation of an ultra low repetition rate, high peak power, picosecond diode pumped Nd:YVO4 passively mode locked laser oscillator. Repetition rates even below 1 MHz were achieved with the use of a new design multiple-pass cavity and a semiconductor saturable absorber. Long term stable operation at 1.2 MHz, pulse duration of 16.3 ps and average output power of 470 mW corresponding to 24 KW peak power pulses is reported. This is, to our knowledge, the lowest repetition rate high peak power pulses ever generated directly from a picosecond laser resonator without cavity dumping.

연구 동기 및 목표

• 플루오레스센스 수명 영상 측정 등에 적합한, 초저주기 1 MHz 이하에서 안정적이고 고피크 출력의 피코초 레이저 소스를 개발하기 위해.
• 캐비티 덤프나 복잡한 증폭 단계 없이도 저주기 모드-락킹 레이저에서 저주기 작동을 달성하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 두 개의 평면 거울을 사용한 다중통과 캐비티(MPC) 구성 구조를 설계하여, 왕복 횟수와 캐비티 길이에 대한 탄력적이고 안정적인 제어를 가능하게 하기 위해.
• 고품질 빔과 고내부 파wer를 유지하면서도, 1.2 MHz에서 장기적으로 안정된 작동이 가능하며, 가시광역으로의 효율적인 주파수 제곱화에 적합한 조건을 확보하기 위해.
• 초저주기에서 안정적인 모드 락킹을 위해 충분한 조절 깊이와 손상 임계값을 갖춘 반도체 포화 흡수 거울(SESAM)의 사용을 검증하기 위해.

제안 방법

• 56회 왕복을 거쳐 약 121 m의 효과적인 캐비티 길이를 확보하기 위해, 두 개의 곡률 반경 2 m인 오목 거울과 두 개의 평면 거울을 사용한 접힌 다중통과 캐비티(MPC)를 활용하였다.
• 808 nm에서 15 W의 섬유 커플드 다이오드 레이저로 펌프되는 5 mm 길이, 0.1% 도핑된 Nd:YVO4 결정을 사용하여 증폭을 생성하였다.
• 수동 모드 락킹을 달성하기 위해 6.1% 조절 깊이를 갖춘 반도체 포화 흡수 거울(SESAM)을 구현하였다.
• 안정적인 빔 전파와 다중 통과 시 빔 매개변수의 최소한의 악화를 확보하기 위해 ABCD 행렬 분석을 사용하여 캐비티 설계를 최적화하였다.
• 평면 거울과 오목 거울의 정렬 조절을 통해 통과 횟수와 반복률을 제어하였으며, 이로 인해 2.3 MHz에서 1.2 MHz로의 조정이 가능하였다.
• 펌프 빔에 대해 1:1 이중 렌즈 집광 시스템(Aeff,L ≈ 1.3×10⁻³ cm²)과 SESAM에 대해 2 m 집광 거울(Aeff,A ≈ 4.7×10⁻³ cm²)을 사용하여 모드 오버랩과 최적의 모드 면적을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 캐비티 덤프나 외부 증폭 없이도, 수동 모드 락킹된 Nd:YVO4 오실레이터가 1 MHz 이하의 반복률에서 안정적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 초장거대 효과 캐비티 길이를 유지하면서도 빔 품질과 안정성을 확보하기 위해 다중통과 캐비티 설계를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ3 초저주기에서 Q-스위칭 모드 락킹 및 다중 펄스 불안정성을 방지하기 위해 SESAM의 핵심 설계 매개변수와 캐비티 구성 조건은 무엇인가?
• RQ4 거울 정렬을 통해 MPC 내 통과 횟수를 얼마나 정밀하게 제어할 수 있으며, 이로 인해 반복률 조절이 가능할까?
• RQ5 고품질 빔과 효율적인 주파수 변환을 유지하면서도 초저주기에서 도달 가능한 최대 평균 및 피크 출력은 얼마인가?

주요 결과

• 레이저는 캐비티 덤프 없이도 안정적인 연속파 작동을 1.2 MHz 반복률에서 달성하였으며, 펄스 길이는 16.3 ps로, 자동상관도에서 FWHM 23 ps에 해당하였다.
• 측정된 평균 출력은 470 mW로, 이는 펄스 에너지 392 nJ와 피크 출력 24 kW에 해당하였다.
• 빔 품질은 거의 회절한계 수준이었으며, M² 값은 1.1보다 약간 높아 고공간 정합성을 나타내었다.
• 수주일에 걸친 장기 안정성 테스트에서 명백한 드리프트나 모드 이격 현상이 관찰되지 않았다.
• 10 mm 주기적으로 도핑된 KTP 결정에서의 주파수 제곱화는 532 nm에서 최대 50%의 변환 효율을 달성하였으며, 이는 가시광역 응용에 적합함을 확인하였다.
• MPC 구성은 884 kHz와 650 kHz에서도 안정적인 작동을 가능하게 하였지만, 다중 펄스 불안정성이 발생하여 장기 작동은 불가능하였다.