광 증폭기 응용을 위한 세슘 셀 제작 및 특성분석

Abstract

다양한 종류의 기체를 이득물질로 사용하는 레이저를 기체레이저라고 명명한다. 기체레이저는 버퍼가스 등을 통하여 레이저 동작 시 발생하는 열을 효율적으로 분산 시킬 수 있고, 이득물질에 대한 광학적, 기계적 손상이 거의 없다는 장점을 가지고 있다. 기체레이저는 중성 기체 레이저, 이온화 기체 레이저, 금속증기 레이저 등으로 분류할 수 있는데[15], 이중에서 알칼리 금속 증기를 이득물질로 사용하는 레이저를 알칼리 레이저라고 한다. 알칼리 레이저는 고체레이저와 비교하여 높은 양자효율 (95~99.5%), 낮은 광 비선형성 특성 및 낮은열적 문제 등의 장점을 가지고 있어[5] 잠재적으로 고출력 레이저 발진이 가능하다. 최근 미국 국방부 중 한 부서인 MDA(Missile Defense Agency)에서는 알칼리 레이저 시스템을 광섬유 결합 레이저(Fiber combined laser)와 더불어 차세대 레이저 무기 시스템으로 지목하여 연구개발 중에 있으며[28] 이밖에 중국, 일본, 이스라엘 등에서도 알칼리 레이저의 기초연구 및 응용에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다[29-31]. 본 학위논문에서는 알칼리 금속 중 세슘(Cesium)을 이득물질로 사용해 셀을 직접 제작하고 그 셀을 이용한 알칼리 증기 광 증폭기 시스템 개발에 대한 연구를 진행하였다. 광증폭기가 동작하는 영역에서 무반사 코팅된 창이 포함된 알칼리 증기 셀을 제작하고 비활성 가스 환경의 글로브 박스에서 알칼리 금속을 셀에 삽입하는 방식으로 세슘 알칼리 셀을 제작하였다. 또한 수백 Torr 까지 버퍼가스를 세슘셀에 주입할 수 있고 온도조절이 가능한 진공시스템을 설계하고 제작하였다. 이후 광 증폭 시스템 구성을 위한 광학부를 개발하였다. 증폭을 위한 펌프 광원은 중심 파장이 852 nm 인 DBR(Distributed Bragg Reflector) Laser를 Tapered amplifier 로 증폭한 광원을 사용하였으며, 시드 광원은 중심 파장이 894 nm 인 DBR Laser를 사용하였다. 펌프와 시드광원에 대한 정밀한 온도 조절을 통하여 제작한 세슘 셀에서 펌프와 시드 광원이 흡수되는 것을 확인 한 후 펌프 광출력을 증가시키며 광 증폭특성을 측정하였다. 펌프 빔과 시드 빔을 공간 결합의 최적화를 통하여 자유공간 결합의 경우 0.1 mW 및 1 mW 출력의 시드 빔에 대하여 120℃의 셀온도에서 각각 193배 및 61배의 시드빔 광증폭을 구현하였다. 시드빔 및 펌프빔을 광섬유를 통하여 공간적 결합을 하였을 경우 1 mW의 시드 빔에 대하여 125℃의 셀 온도에서 102배의 시드빔 증폭을 구현하였다. 이때 최대 펌프광 최대 추출효율은 34%를 달성하였다.