eo_logo
  • 국가/지역 선택
  • 안녕하세요, 님! 내 정보
  • cart   
 

극초단 시스템의 온도 하강 지원

 

열렌즈 효과는 고출력 극초단 시스템 성능 저하의 원인

 

이득 매질로 열적 효과를 제거하는 데 한계 존재

 

열렌즈 효과를 최소화하기 위해 공동내 광학(Intracavity optics) 설계 가능

 

최근에는 고분산 미러 제품의 발전으로 이와 같은 문제 극복

극초단 레이저는 펄스 지속시간이 짧고 최대 출력이 높기 때문에 소재 가공 및 의료용 레이저부터 비선형 이미징 및 현미경에 이르는 광범위한 용도에 사용하기 적합합니다. 하지만 극초단 레이저는 열렌즈 효과에 특히 민감하며 이와 같은 열로 인하여 이득 매질(gain medium) 또는 공동내 광학(intracavity optics)에 변형이 일어나거나 굴절률 구배가 나타나기도 합니다. 이는 극초단 시스템에 피해를 입힐 수 있으며 특히 펄스 빔 생성 시 모드 잠금 기능을 방해하기까지 합니다. 다행히도 에드몬드 옵틱스의 협력 업체인 UltraFast Innovations (UFI)의 고분산 공동내 미러가 지속적으로 발전하면서 경미한 수준의 열렌즈 효과를 견딜 수 있는 광학을 개발할 수 있게 되었습니다.

 열렌즈 효과는 왜 큰 화제인가?

열렌즈 효과(Thermal lensing)는 활성 이득 매질이 기타 매질에 비해 빔의 축을 따라 더 많은 열을 갖고 있을 때 발생하며, 이로 인해 횡방향 굴절률 구배(transverse refractive index gradient)가 나타날 수 있습니다. 이 경우 레이저 공진기에 정렬 오류가 일어나거나 레이저 모드 프로파일에 변형이 일어나 빔 포인팅의 이탈로 이어질 수 있습니다. 공진내 미러(Intracavity mirror)는 또한 극초단 발진기 내 주요 부품으로서 열렌즈 효과는 이러한 미러에 왜곡을 일으킬 수 있습니다. 레이저 크리스털에서 빔의 초점을 맞출 때 미러의 곡률 반경에 변화가 생기면서 초점의 위치가 바뀌고 극초단 레이저의 모드-잠금 기능까지 차단함에 따라 극초단 레이저 시스템을 무용지물로 만들어버릴 수 있습니다. 이득 매질이 가지고 있는 고유의 열 속성을 개선할 수 있는 방법이 많지 않더라도 열렌즈 효과를 방지하지 위해 올바른 공동내 미러를 신중하게 선택하면 개선의 가능성은 언제든지 열려있습니다.

 해결책: 특수 설계된 고분산 미러

최근에는 코팅 설계의 발전으로 매우 낮은 수준의 열렌즈 효과를 지닌 저손실 고분산 미러의 개발이 가능해졌으며, 이와 같은 성능을 달성하기 위해서는 광학 코팅의 각종 매개변수를 신중하게 제어하는 방식이 동원되어야 합니다. 고분산 미러는 열적 안정성 외에도 대다수의 광매질에 존재하는 양의 군지연 분산(GDD)을 보정할 수 있도록 여전히 고반사율과 음의 GDD를 제공해야할 필요가 있습니다. 그림 1은 1030nm 극초단 레이저와 사용하도록 설계되고 미미한 열렌즈 효과를 가진 #17-070 (UFI 파트 넘버 HD64) 고분산 미러의 반사율과 GDD를 보여줍니다. 이러한 미러는 특히 Yb:YAG, Nd:YAG, 홀륨, 툴륨 레이저와 같은 고출력 고체 레이저에 큰 이점을 제공합니다.

Spectral and GDD performance of #17-070, or UltraFast Innovations part number HD64, a 1030nm highly-dispersive mirror with negligible thermal lensing
그림 1: 미미한 수준의 열렌즈 효과를 보이는 1030nm highly-dispersive mirror(#17-070 또는 UltraFast Innovations 파트 넘버 HD64)의 스펙트럼 및 GDD 성능

열 성능 시험

이처럼 새로운 유형의 고분산 미러는 열렌즈 효과의 수준을 검증받기 위해 테스트를 거칩니다. 이때 적외선 카메라(FLIR SC305)를 사용해 연속파(CW) 작동 모드에서 Yb:YAG thin-disk laser 내부에 있는 공동내 미러의 온도를 모니터링합니다. 열렌즈 효과 저감 기술이 없고 GDD가 -3,000 fs2인 일반 고분산 미러는 50K이 넘는 온도 상승을 겪습니다(그림 2). 이와 같은 온도 상승은 결과적으로 레이저 모드와 발진기의 안정성을 저하시킵니다. 단, GDD가 각각 -1,000 fs2 및 -3,000 fs2인 고분산 미러는 동일한 설정 하에서 시험을 거쳐 10K 및 20K의 온도 변화를 경험합니다(그림 3과 4). 두 미러 다 레이저 모드나 발진기 안정성에 영향을 미칠만한 열적 효과가 눈에 띄게 나타나지 않았으며 레이저는 의도한 대로 작동할 수 있었습니다.

Stemmed Mirrors were shown to maintain surface flatness better than conventional mirrors by a factor of 2.
그림 2: 신규 저열렌즈 효과 코팅을 하지 않은 고분산 미러는 57K의 온도 변화를 겪으면서 시스템의 성능 저하를 일으킴.
Stemmed Mirrors were shown to maintain surface flatness better than conventional mirrors by a factor of 2.
그림 3: GDD가 -1,000 fs2인 저열렌즈 미러는 10K의 온도 변화를 경험하지만 감지할 수 있는 정도의 열로 인한 성능 저하는 발생하지 않음.
Stemmed Mirrors were shown to maintain surface flatness better than conventional mirrors by a factor of 2.
그림 4: GDD가 -3,000 fs2인 저열렌즈 미러는 20K의 온도 변화를 경험하지만 감지할 수 있는 정도의 열로 인한 성능 저하는 발생하지 않음.

에드몬드 옵틱스의 Low Thermal Lensing Ultrafast Mirror 제품

UFI

UltraFast Innovations (UFI) 1030nm Highly-Dispersive Ultrafast Mirrors with Reduced Thermal Lensing

  • 열렌즈 감소 효과가 있는 극초단 고분산 코팅
  • 5° AOI에서 최대 -1000 fs2에 이르는 높은 수치의 네거티브 GDD
  • 50nm 대역폭에 걸쳐 99.5%가 넘는 최소 반사율(P-편광)
  • 고출력 극초단 레이저 펄스 생산에 적합
UFI

Custom Mirrors with Low Thermal Lensing

이외 파장이나 GDD가 다른 미러가 필요하세요? 요건에 맞는 사양을 말씀해주시면 에드몬드 옵틱스와 UltraFast Innovations는 협업을 통해 고객의 용도에 맞는 맞춤형 미러를 제작해드릴 수 있습니다.

참고 문헌

  1. O. Pronin “Towards a Compact Thin-Disk-Based Femtosecond XUV Source”, Dissertation an der Fakultät für Physik der Ludwig–Maximilians–Universität, München, 2012.

자주 묻는 질문(FAQ's)

Vladimir Pervak 박사는 UltraFast Innovations에서 활약 중인 세계적으로 저명한 극초단 코팅 전문가로서 고객분들이 자주 하는 몇 가지 질문에 대한 답변을 아래와 같이 제시하였습니다.

FAQ  Ti:sapphire 레이저에 low-thermal lensing mirror가 필요합니까?
아니요, 그렇지 않습니다. 열렌즈 효과가 문제가 될 정도로 Ti:sapphire 레이저의 평균 출력이 충분히 높지 않기 때문에 열적 안정 기술이 적용되지 않은 고분산 미러를 사용하는 것이 가능합니다. 단, Er:YAG, Nd:YAG, 홀륨, 툴륨 레이저와 같은 고출력 고체 레이저에는 저열렌즈 효과가 반드시 필요합니다.
FAQ  광섬유 레이저에 low-thermal lensing mirror가 필요합니까?

아니요, 그렇지 않습니다. 열적 효과가 발생할 수 있는 고체 상태의 공진기가 광섬유 레이저에는 없기 때문에 열적 안정 기술이 적용되지 않은 고분산 미러를 사용하는 것이 가능합니다. 단, Yt:YAG, Nd:YAG, 홀륨, 툴륨 레이저와 같은 고출력 고체 레이저에는 저열렌즈 효과가 반드시 필요합니다.

FAQ  에드몬드 옵틱스에서 low-thermal lensing mirror를 구입할 수 있습니까?

네, 그렇습니다. 에드몬드 옵틱스는 즉시 출하가 가능한 low-thermal lensing mirrors의 기성품을 취급합니다. UFI 파트 넘버 HD73 또는 기타 사양의 미러 제품이 필요한 경우 맞춤형 설계를 위해 당사로 문의 바랍니다.

FAQ  에드몬드 옵틱스의 고분산 미러 모든 제품에는 미미한 수준의 열렌즈 효과가 있습니까?

아니요, 그렇지 않습니다. Low-thermal lensing mirror 제조에는 코팅 매개변수의 정확한 제어와 기타 사양과의 적절한 절충이 요구됩니다. 고객의 어플리케이션에 열적 효과가 중요한 경우 해당 조건에 맞게 특수 설계된 광학 부품을 사용해야 합니다.

기타 자료

어플리케이션 노트

이론적 설명, 연관 공식, 그래픽 삽화 등 기타 내용을 포함한 기술적 정보와 어플리케이션.

Ultrafast Dispersion
읽어보기  

Highly-Dispersive Mirrors
읽어보기  

초고속 레이저의 LIDT
읽어보기  

극초단 레이저 – 극초단 결맞음(Ultrafast Coherence)의 기본 원리
읽어보기  

광학 기판의 열적 특성
읽어보기  

동영상

간단한 조언부터 어플리케이션을 기반으로 제품의 이점까지 보여주는 데모 영상.

분산 보정 용도를 위한 Highly-Dispersive Ultrafast Mirror 
시청하기  

웨비나

광학 및 이미징 관련 다양한 주제를 가지고 에드몬드 옵틱스의 광학 전문가가 설명하는 웨비나 영상 녹화본

Ultrafast Optics: Challenges and Solutions 
시청하기 h  

본 콘텐츠가 도움이 되었습니까?
 
영업 & 기술 지원
 
혹은 지사별 연락처 확인
사용이 간편한
견적 도구
재고번호 입력 후 바로 시작
×