1700 nm 부근에서 동작하는 툴륨-홀뮴이 첨가된 광섬유 레이저 개발

Abstract

광섬유 레이저는 정밀한 광 정렬이 필요하지 않고 뛰어난 공간모드 빔 품질과 효율적인 열 분산 특성, 그리고 소형화 및 경량화에 유리한 장점으로 인하여 다양한 분야에서 응용되고 있다. 1980년대 초반 희토류 첨가 광섬유 이득 매질이 개발되면서 광섬유 레이저에 대한 연구가 본격적으로 진행되었으며, 2000년대 중반 이중 클래딩 구조 기반의 kW급 평균출력을 가진 광섬유 레이저가 최초로 보고된 이후, 광섬유 레이저는 다양한 기초연구, 산업 및 군사용 목적으로 활발한 응용이 되고 있다. 그러나 현재 활용되는 희토류 원소의 종류와 광섬유의 재질의 한계로 인해 광섬유 레이저를 통해 구현할 수 있는 동작 파장 영역은 특정 근적외선 영역으로 제한되고 있다. 1700 nm 영역의 파장을 가지는 광원은 피부 시술 및 지방제거, 폴리머 가공 및 용접, 비선형 바이오 이미징 등 다양한 분야에 응용이 가능하며, 이로 인해 해당 영역에서 작동하는 레이저 광원에 대한 개발이 주목받고 있다. 특히 해당 파장 영역의 광원은 지방성분에 대한 높은 흡수율과 상대적으로 낮은 물의 흡수 특성으로 인해 지방 제거 시술용 레이저에 매우 적합한 특성을 가지고 있다. 그러나 희토류 원소의 에너지 준위 특성으로 인하여 1700 nm 부근에서 동작하는 광섬유 레이저의 개발은 매우 제한적으로 이루어지고 있다. 본 학위논문에서는 툴륨과 홀뮴이 첨가된 광섬유 이득 매질을 이용하여 선형 광섬유 레이저 공진기를 구성하고 그 특성을 최적화함으로써 1700 nm 부근에서 발진하는 높은 출력의 광섬유 레이저를 개발하였다. 툴륨과 홀뮴이 첨가된 광섬유에서 1700 nm 영역의 방출 효율이 낮다는 점을 극복하기 위해 높은 출력의 펌프를 이용, 효율적으로 코어 펌핑을 시켰으며, 툴륨과 홀뮴이 첨가된 광섬유에서 일어날 수 있는 신호 재흡수를 방지하기 위해 비교적 짧은 길이의 이득 매질 광섬유를 이용하였다. 또한 1700 nm 부근에서 높은 반사율을 가지는 광섬유 브래그 격자를 이용하여 효과적으로 1700 nm 영역에서 레이저가 발진할 수 있도록 공진기를 설계하였다. 전산 모사를 통해 설계한 공진기에서 1700 nm의 파장을 가지는 레이저 발진 특성을 분석한 후 이를 바탕으로 실제 공진기를 실험적으로 제작하였다. 초기 제작된 레이저에서 반사율이 높은 두개의 광섬유 브래그 격자를 거울로 활용하였으며 이때 1706.3 nm에서 레이저가 발진하는 것을 확인하였으며 측정된 출력은 4.8 mW이었다. 또한 현재 사용되는 의료용 레이저를 대체할 수 있도록 출력을 향상시키는 연구를 진행했다. 툴륨과 홀뮴이 첨가된 광섬유 이득 매질의 길이를 0.5 m에서 1.4m까지 조절하며 레이저 출력 특성을 살펴보았으며, 이때 1.3 m 길이의 이득 매질을 사용할 때 최대 249 mW의 레이저 출력을 얻을 수 있었다. 추가적으로 광섬유 브래그 격자의 반사 중심파장을 기계적으로 조절하며 변화하는 레이저의 출력 특성을 살펴보았다. 이러한 방식으로 1706.5 nm의 레이저 발진 파장에서 최대 382 mW의 출력을 얻을 수 있었다. 마지막으로 한 쪽의 광섬유 브래그 격자를 상대적으로 낮은 반사율을 가지는 브래그 격자로 교체하여 서로 다른 반사율을 가지는 공진기 거울로 이루어진 레이저를 제작함으로써, 최종적으로 레이저 기울기 효율이 37.3 %, 레이저 문턱값 1.29 W, 최대 출력 1.01 W의 세기를 가지며 1706.5 nm에서 작동하는 광섬유 레이저를 성공적으로 개발하였다.