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  • 새로운 개념의 레이저 기술 검증에 응용하는 Sm:YCOB 결정체 연구등록일 : 2015/12/09
  • 최근 상하이(上海) 자오퉁(交通)대학 `레이저 연구팀`은 중국과학원 상하이 세라믹 연구소 산하 `비 선형 광학 결정체 재료 연구팀`과 공동 연구를 실행하여 Sm:YCOB 결정체를 개발하였으며 새로운 개념의 레이저 기술 원리성 검증 실험을 성공적으로 실행하여 70%에 달하는 펌프 광 손실과 47%에 달하는 신호 광 내부 전환 효율을 실현하여 이슈가 되고 있다.

    연구팀은 이번 연구를 통해 기존의 이미 보도된 처프 펄스(Chirped pulse) OPA(Optical parametric amplification, OPA, 광 매개 변수 확대)의 국제 최고 수준에 도달하는 결과를 취득하였는데, 전통 고효율 2배 주파수와 3배 주파수의 기술 수준에 도달한 것으로 나타났다. 연구팀의 관련 연구 결과는 Optica 학술지에 게재되었다(Optica 2015, 2 (11), 1006-1009).

    레이저 피크 파워는 펄스 광대역(펄스 폭) 효율(에너지)에 의해 확정된다. 때문에 완벽한 강 레이저 확대기는 초 광대역과 높은 효율성을 특징으로 하고 있다. 지금까지 강 레이저 처프 펄스 확대(Chirped-pulse amplification, CPA)는 주로 두 가지 광대역 레이저 확대기에 의존하고 있으며 티타늄 보석을 대표로 하는 에너지 이득 매질과 광 매개 변수 확대 OPA가 포함되어 있는데, 견고하고 효율적인 동시에 초대 광대역 특징을 보유하고 있다. 하지만 동시에 두 가지 강점을 동시에 보유할 수 없는 상황이다.

    초단 초강 레이저 "초월 페타 와트(>1015W)" 극한에 도전하기 위해 상하이 자오퉁 대학 첸례자(錢列加) 교수가 주도하는 레이저 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 처프 펄스 "준 파라 메트릭 증폭(Quasi-parametric amplification, QPA)"의 신개념 기술을 개발하는데 성공하여 이슈가 되고 있다. QPA는 OPA의 일종 변형 및 승화(유일한 개변은 OPA 결정체로 QPA 전문 결정체를 교체한 점임)로 볼 수 있을 뿐만 아니라 에너지 레벨 증폭 장치의 효율적인 OPA의 초 광대역 특징을 보유하고 있기 때문에 처프 펄스를 위해 이상적인 증폭 환경을 제공해 주고 있다.

    연구팀이 새롭게 제시한 QPA 증폭 방안은 전환 효율에 심각한 영향을 끼치고 있는 매개 변수 반대 방향 과정을 차단하고 신호 광 에너지의 비선형 역류 문제를 완전히 제거할 수 있다는 점을 입증하였다. 이것은 일종 에너지 레벨 증폭 장치와 고도로 유사한 준 매개 변수 과정과 고도로 유사하며 여러 분야 유인적인 돌출한 강점을 보유하고 있다. 우선, 초대 광대역과 이론 극한의 높은 효율성을 동시에 보유하고 있다. 다음, 역류 과정이 발생하지 않을 뿐만 아니라 펌프 레이저 및 위상 불일치에 민감하지 않은 것으로 나타났디.

    QPA라는 새로운 개념을 검증하기 위해서는 반드시 QPA가 요구하고 있는 비선형성 광학 결정체 재료에 대한 탐사 및 디자인 작업을 실행해야 하며 구체적으로 아이들러(Idler)를 흡수하는 동시에 펌프 광과 신호 광을 투과한 결정체에 영향을 끼치지 않고 있는 상황이다.

    중국과학원 상하이 세라믹 연구소 산하 비선형 광학 결정체 재료 연구팀은 상하이 자오퉁 대학 레이저 연구팀과 밀접한 협력을 실행하고 전통적인 BBO 및 LBO 등 비선형 광학 결정체를 포기하고 기판 비선형 성능, 구조 호환, 도핑 에너지 레벨, 편석(Segregation) 등 다양한 요소 디자인과 실험을 실행하여 최종적으로 532nm, 800nm에 적합한 높고 투명한 동시에 1,572nm에 달하는 흡수 가능 조절의 목표 시스템을 디자인하거나 최종적으로 완성하였다.

    연구팀이 선택한 기판은 우수한 비 선형 광학 성능을 보유해야 할 뿐만 아니라 구조 호환성이 비교적 큰 YCOB 결정체여야 하며 QPA 주문형 개발을 위해 희토 이온 Sm:YCOB 결정체인 결정체를 주문 개발하였으며 호환성을 공동으로 함유한 최적의 슈퍼 광대역 위상 매칭 조건을 보유하고 있는 상황이다. 이런 아이디어는 비교적 큰 범용 특성을 보유하고 있는 동시에 다양한 매칭 파장 QPA의 결정체 재료 디자인 문제를 해결하였다.

    연구팀의 관련 연구 성과는 CrystEngComm. 학술지에 게재되었다(CrystEngComm. 2013,15, 6244-6248).


    그림 1. 다양한 Sm3+ 도핑 량의 SmxY1-xCOB 결정체 성장(좌측 그림 참조) 및 대응되는 1527nm 부근의 근 적외선 흡수 광 스펙트럼임(우측 그림 참조).

    그림 2. 레이저 실험 장치 원리도 Sm:YCOB 및 BBO과 결정체를 사용하여 QPA 및 OPA의 전환 효율, 매칭 손실 허용, 송출 광파형, 압축 펄스 폭 등 분야 비교임.

    그림 3. QPA 과정에서의 신호 광(정방형)과 아이들러(Idler)(원형) 변환 효율을 측정 테스트한 결과임.
  • 키워드 : 결정체, 레이저 기술, 검증
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑