브로드밴드 Ho:CALGO 재생증폭기의 다밀리줄 펄스 에너지 스케일업

초록

본 연구는 2.08 µm 파장의 Ho:CALGO(칼고) 재생증폭기(RA)를 고플루언스 시드 레이저와 최적화된 스펙트럼 매칭을 통해 kHz 레벨에서 3.4 mJ까지 에너지를 확대하고, 30 kHz 이상에서는 10 W 평균출력을 안정적으로 구현한 결과를 보고한다. 또한, 연속파 펌프에 의한 빛분열(bifurcation) 불안정성을 수치모델링과 실험으로 규명하고, 고반복률·고에너지 운용 영역을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 2 µm 파장대에서 고에너지·고평균출력을 요구하는 응용(반도체 가공, 고조파 발생, 테라헤르츠 발생 등)에 적합한 레이저 소스를 제공하기 위해, 기존 Ho:CALGO 재생증폭기의 한계를 시드 레이저의 플루언스와 스펙트럼 겹침을 개선함으로써 극복하였다. 기존에 사용하던 Tm,Ho:CLNGG 시드(2093 nm, 1.3 nJ)는 출력 파워와 스펙트럼 매칭이 부족했으나, 새롭게 도입한 Tm:Lu₂O₃ 시드(2085 nm, 3.2 nJ, 300 fs)는 Ho:CALGO의 최대 이득 파장(2077 nm)과 더 가까워 증폭 효율을 크게 향상시켰다. 특히, 시드 플루언스를 2.5배 증가시킴으로써 라운드트립(RT) 수를 28→21로 감소시켜 B‑integral을 낮추고, 빛분열 임계치를 상승시켰다.

수치 시뮬레이션은 스펙트럼 해석 Frantz‑Nodvik 방정식을 기반으로 펌프 강도와 반복률에 따른 네 가지 작동 영역을 도출하였다. 1) 빛분열이 전혀 없는 영역, 2) 초기 RT에서 빛분열이 나타나지만 고에너지 영역에서는 안정, 3) 대부분 RT에서 빛분열이 발생해 저에너지만 안정, 4) 고에너지 추출은 가능하지만 높은 RT에서 빛분열이 시작되는 영역. 실험은 30 kHz, 40 kHz, 50 kHz에서 10 W 평균출력(각 333 µJ, 250 µJ, 200 µJ)을 달성했으며, 1 kHz에서는 14 RT로 3.4 mJ(1.23 ps) 펄스를 얻었다. 30 kHz 이상에서는 시뮬레이션이 예측한 빛분열 임계점(≈41 W 펌프 전력)보다 낮은 펌프 전력에서 안정적인 동작을 확인했고, 펄스‑투‑펄스 변동은 약 2% 수준으로 충분히 낮았다.

열 관리 측면에서 CALGO는 비정질 호스트 중 가장 높은 열전도도를 가지고 있어 고평균출력에서도 결정 손상을 최소화한다. 그러나 1 kHz에서 3.4 mJ를 초과하려는 시도는 결정 표면 손상으로 제한되었으며, 이는 고에너지 펄스 자체에 의한 비선형 효과(자기‑초점, 광학 손상)일 가능성이 있다. 향후 크라이오냉각, 펌프 파워 증대, 또는 다중 부스터 스테이지 도입을 통해 에너지와 펄스 지속시간을 추가로 최적화할 수 있다.

이 연구는 Ho:CALGO라는 넓은 이득 스펙트럼을 가진 비정질 호스트가 고에너지·짧은 펄스(≤1 ps) 레이저 시스템에 적용 가능함을 실증했으며, 시드 레이저 설계와 빛분열 제어가 에너지 스케일링의 핵심 변수임을 명확히 제시한다.