2.09 µm 파장에서 6 mJ·4 ns 펄스 생성, 다이오드 펌프 Ho:YAG 얇은 디스크 레이저

초록

Ho:YAG 얇은 디스크를 1.9 µm LD로 직접 펌프하여 Q‑스위칭과 캐비티‑덤핑을 구현했다. 캐비티‑덤핑으로 2090 nm 파장에서 3.8 ns 펄스, 6 mJ 에너지, 1.6 MW 피크 파워를 달성했으며, M²≈1.6의 준회절 제한 빔 품질을 보였다. LIBS 실험에 적용해 실용성을 입증하였다.

상세 분석

본 연구는 2 µm 파장대의 고출력 나노초 레이저 소스로서 Ho:YAG 얇은 디스크(두께 400 µm, 도핑 1.5 at.%)를 선택한 점이 핵심이다. 얇은 디스크 구조는 고열 전도성 SiC 히트싱크에 직접 결합해 효율적인 열 방출을 가능하게 했으며, 72회 통과 펌프 설계는 1.9 µm 인밴드 LD(최대 50 W)로부터 충분한 흡수를 확보한다. 그러나 LD는 파장 안정화가 없고 12 nm FWHM의 스펙트럼 폭을 가지며, 온도 상승에 따라 중심 파장이 변동한다는 한계가 있다. 이러한 비안정성은 Q‑스위칭 시 펄스 에너지 롤오버와 출력 변동을 야기했으며, 특히 고전력 구동 시 디스크와 RTP 포켈스 셀의 온도가 약 100 °C까지 상승하면서 ETU(에너지 전달 업컨버전)와 ESA(여기 상태 흡수) 손실이 증가한다.

Q‑스위칭에서는 상향된 이득으로 펄스 폭이 292 ns까지 감소했지만, 얇은 디스크의 제한된 순이득으로 인해 피크 파워는 최대 18 kW에 머물렀다. 반면 캐비티‑덤핑은 고반사 미러와 포켈스 셀을 이용해 저장된 에너지를 한 라운드 트립 내에 방출함으로써 펄스 폭을 3.8 ns(광학 경로 114 cm에 해당)로 압축하고, 이로 인해 1.6 MW의 피크 파워를 구현했다. 빔 품질은 M² ≈ 1.5–1.7로 준회절 제한 수준이며, 이는 고집속이 요구되는 LIBS와 같은 응용에 충분히 적합하다.

에너지 스케일링 방안으로는 (1) CVD 다이아몬드 히트싱크 교체를 통한 열 저항 감소, (2) 파장 안정화된 고출력 1.9 µm LD 또는 1907 nm 파장을 갖는 Tm‑파이버 레이저를 이용한 펌프 효율 향상, (3) 다중 통과(패스) 수 증가에 따른 이득 증대, (4) 도핑 농도와 디스크 두께의 최적화가 제시되었다. 특히 다이아몬드 히트싱크는 SiC 대비 열전도도가 3배 이상 높아 디스크 온도 상승을 억제하고 ETU 손실을 최소화할 수 있다.

전체적으로 본 논문은 Ho:YAG 얇은 디스크를 이용한 2 µm 나노초 레이저의 실용성을 입증했으며, 캐비티‑덤핑이 얇은 디스크 레이저에서 고피크 파워를 얻는 가장 효율적인 방법임을 보여준다. 향후 CVD 다이아몬드 기반 고출력 펌프와 CPA(Chirped Pulse Amplification) 구성을 결합하면 피코초·밀리줄레벨 펄스까지 확장 가능할 것으로 기대된다.