기계/재료

상해규산염연구소 마이크로칩 초고속 레이저결정체 개발

발행일 : 2014 / 01 / 03

전통적으로 반도체를 펌핑으로 고체 레이저에서 열렌즈효과 (thermal lens effect)가 일어나기 때문에 레이저빔의 질이 떨어지고 출력이 제한된다. 마이크로칩 레이저 매질 두께는 일반적으로 100-300 μm 정도이며, 균일한 펌핑과 냉각 상황에서 매질 열흐름이 칩표면과 수직되게 일차원 전도에 가깝기에, 최대한으로 열렌즈효과로 인한 열변형 영향을 줄일 수 있다.

마이크로칩 레이저는 높은 빔 품질[TEM00 가우시안 모드 (Gaussian mode)]을 출력하고 단색성이 좋은[단일 종축 모드 (single longitudinal mode), 선폭 < 5 kHz] 레이저를 출력하기 때문에 통신, 측정, 의료, 공업가공, 과학연구 및 군사응용 등에서 널리 응용되고 있다.

중국과학원 상해규산염연구소 인공결정체센터 레이저광학결정체 과제팀은 “강자기장 결합 Yd 3+ 이온 준4에너지준위체계”라는 새로운 개념을 도입해 강자기장 결합작용에 의한 Yb 3+이온의 에너지준위분할 (energy level splitting)을 증가하고, 레이저 조사조건에서 에너지준위의 열배치비율을 줄이는 방법으로 Yb 3+이온 준4에너지준위 레이저 운행을 실현하였다.

규산염/메타규산염 계열 결정체가운데서 최고 열전도율 (7.5 Wm-1K-1)과 유일하게 음의 굴절률 (negative refractive index) 온도계수 (dn/dT=-6.3´10-6K-1)를 지닌 Yb:Sc2SiO5 (Yb:SSO로 약칭)결정체를 선별했는데, 그 기저상태의 에너지준위 분할이 1027 cm-1에 달하였고, 초크랄스키법 (Czochralski method)으로 Φ 25mm×52mm 지름의 결정체를 성장시켰다.

이 과제팀은 상해광학기기연구소의 량샤오옌(梁晓燕) 연구원, 산동사범대학의 류제(刘杰)교수, 싱가포르 남양이공대학의 D.Y.Tang교수와 독일 Stuttgart대학의 T.Graf교수와 협력연구를 통해 결정체 레이저의 출력과 초고속 레이저출력의 최초 실현에 성공하였고 [Appl. Phys. B 91 (2008)443, Optics Express 18 (2010) 16739], 그 후 140 μm/150μm 두께의 Yb:SSO 마이크로칩을 채택하여 75 W (M2<1.1)과 280 W의 높은 빔품질, 고출력 연속 레이저 출력과[Optics Letters. 37 (2012) 37],298 fs, 평균 출력이 27.6 W (M2<1.1)에 달하는 모드동기(mode locking) 초고속 레이저 출력을 실현하였다[Optics Letters 37 (2012) 4750].

최근에 또 결정체로 73fs 모드동기 초고속 레이저 출력을 실현하였다[Optics Communications 294 (2013) 237].