극초단 시스템의 열렌즈 효과 최소화하기

극초단 시스템의 온도 하강 지원

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.

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.

그림 2: 신규 저열렌즈 효과 코팅을 하지 않은 고분산 미러는 57K의 온도 변화를 겪으면서 시스템의 성능 저하를 일으킴.

그림 3: GDD가 -1,000 fs²인 저열렌즈 미러는 10K의 온도 변화를 경험하지만 감지할 수 있는 정도의 열로 인한 성능 저하는 발생하지 않음.

그림 4: GDD가 -3,000 fs²인 저열렌즈 미러는 20K의 온도 변화를 경험하지만 감지할 수 있는 정도의 열로 인한 성능 저하는 발생하지 않음.