| 상하이광학정밀기계연구소, 자기부상과 광구동 회전 디스크 레이저 개발 | ||
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 최근, 중국과학원 상하이광학정밀기계연구소 정보과정실험실 리젠랑(李建郎) 연구과제팀은 자기부상과 광구동에 의해 회전하는 디스크 고체 레이저를 성공적으로 연구 개발하였다. 이는 새로운 레이저 기술의 탄생을 의미한다. 관련 연구 성과는 Chinese Optics Letters 잡지 표지기사로 게재되었다(Chin.Opt.Lett.,13,121403,2015). 고체 레이저에서의 폐열 축적은 레이저의 성능에 심각한 영향을 미친다. 레이저 이득 매질(gain medium) 디스크의 회전을 통하여 고체 레이저 내부의 열 축적을 효과적으로 감소시키고 레이저의 출력과 빔 품질을 뚜렷하게 향상시킬 수 있다. 기존의 회전 디스크 레이저(rotating disk laser)에서 이득 매질 디스크의 회전은 전기구동(모터) 방식 등을 이용해야 하기 때문에 서보 시스템(servo system)을 추가하여 이득 매질의 흔들림을 해결해야 하므로 레이저 구조의 복잡성을 초래한다. 또, 열분해흑연 등과 같은 반자성체는 마이너스(-) 자화율을 갖고 있으므로 외부 자기장 환경아래에서 역방향 자기장을 생성하며 실온 조건에서 자기부상을 형성한다. 레이저 빔이 자기부상 상태에 있는 열분해흑연 박편의 가장자리를 비출 때, 열로 인한 투자율(magnetic permeability)의 국부적인 변화는 회전 토크를 형성하여 열분해흑연 박편의 회전을 유발한다. 상기와 같이 자기부상 기반의 광구동 회전은 정밀 제어가 쉬우므로 양호한 안정성을 가지고 있다. 이를 기반으로 연구팀은 회전 디스크 레이저 기술과 자기부상 광구동 회전 기술을 결합하여 자기부상과 광구동 회전 레이저의 개념을 제안했다. 해당 방안은 반자성체를 통하여 레이저 이득 매질 디스크를 자기장 속에 떠 있게 하여 레이저 이득 매질이 입사된 펌프 광(pump light)의 일부 출력을 흡수하게 하고, 나머지(미흡수된) 펌프 광은 반자성체 표면에 도달한 후, 회전에 필요한 에너지를 제공하게 하였다. 실험 과정에서 연구팀은 열분해흑연 박편과 지름이15mm이고 두께가0.5mm인 Nd:YAG 결정을 함께 NdFeB 영구자석 윗부분에서 약1mm 의 높이로 떠 있게 했다. Nd:YAG 결정의 아래 윗표면에 모두 유전체막을 입혀 공진 공동(resonant cavity)을 형성하였다. 또한, 808nm인 반도체 레이저로 해당 레이저 결정을 펌핑했다. 서스펜션(suspension)의 무게가 과중할 경우, 해당 레이저 결정의 옆면에 기체를 보조로 회전을 추진시켰다. 펌프 광 출력이 450mW, 서스펜션의 회전 빈도가 4Hz에 달할 때, 출력이 17.7mW이고 변환 효율(slope efficiency)이 8.3%인 단일 가로 모드(single transverse mode) 레이저 출력을 획득하였다. 해당 연구에서 나머지(미흡수된) 펌프 광으로 자기부상을 구동하여 열분해흑연을 회전시키는 방법은 레이저 결정의 폐열 영향을 효과적으로 억제함으로써 고광도 레이저 출력을 획득하였다. 서스펜션(레이저 이득 매질과 반자성체 포함)에 대한 심층 최적화에 따라 자기부상과 광구동 회전 디스크 레이저는 더욱 쉽게 구현될 전망이며, 또한 고출력 레이저와 평판형 도파관 레이저(planar waveguide laser) 두 가지 분야에서 핵심 기술을 확보할 것으로 예정된다. 자기부상과 광구동 회전 디스크 레이저 관련 연구는 중국 국가 발명 특허를 신청했다. 정보출처 : http://www.stcsm.gov.cn/xwpt/kjdt/343228.htm |
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