초고출력 레이저와 비선형광학에 대한 고찰이다. 초단펄스를 발생하는 광 스위치의 역사, 비선형광학결정에 의한 파라메트릭증폭, 하전입자를 가속하는 상대론광학, 레이저확대법칙의 역사적 전환, 초고출력 레이저에 의한 고에너지물리학 등에 대해서 기술하고 있다. 이것들을 통해 보면 광 강도가 강하게 됨에 따라 최초는 선형응답에서 시작하는 상호작용에서 비선형효과가 발생하고, 그리고 비선형광학이 발전하면 오히려 비선형광학에서 만들어지는 선형상호작용, 예를 들면 상대론광학과 초상대론광학 등에 의해 종래, 비선형에서 소프트한 상태 중에 질서 된 관계가 만들어지듯이 선형${\rightarrow}$비선형${\rightarrow}$선형${\rightarrow}$비선형${\rightarrow}$선형을 반복하는 것을 알 수 있다. 본고는 전기통신대학 레이저신세대연구센터 우에다 켄이치 연구원이 월간 광기술 컨텍트 2012년 5월에 기고한 내용으로서 그린광학의 유정훈 팀장이 번역에 도움을 주었다.
레이저 출력은 20w에서 100w까지 연속적으로 조절이 되고 노출시간은 0.01초에서 수초 사이로 조절이 가능 하다. 펄스동작은 레이저 빔을 주기적으로 차단할 수가 있고 슈퍼펄스는 0.1$\sim$1ms사이에서 방전을 이루어지며, 순간적인 레이저 출력은 5$\sim$10 까지 증가된다. 특히, 자궁암의 경우 자궁구 내벽에서 악성세포를 제거해야 하므로 펄스에 대한 튜브출력의 안정이 매우 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 영전압 스위칭동작을 확보하여 컨버터 1 차측 주 회로에 고주파 변압기 누설인덕턴스($L_1$) 증가 및 직렬 인덕터 없이 안정된 소프트 스위칭 동작영역이 확보, 인덕터($L_f$)전류의 순환전류 경로차단 컨버터 1차측 주회로 스위칭소자와 고주파 변압기의 도통손실이 크게 줄어, 고주파 2차측 정류부($D_5,\;D_6$)도 소프트 스위칭 되고, 스위칭손실 흡수분을 부하로 회생할 수 있는 특징을 갖고, 튜브안정화가 되어 설계 및 제작하여 실험한 결과, 기존장비에 비해 10%의 향상된 결과를 가져왔고, 추후 시스템적으로 보완을 하면 우수한 결과가 될 것으로 사려 된다.
이득 선폭이 넓고 가공이 쉬원 고출력 제이저의 증폭 이득 매질로 유리한 Nd:glass 이득 매질의 소신호 이득 계수를 측정하고 이 Nd:glass를 이용하여 제작한 cavity-dumping형 레이저의 출력 특성을 조사하였다. 소신호 이득 계수를 측정하기 위해 Nd:glass, Pockels cell, 편광분할기 등을 포함하는 공진기를 구성하였으며, 측정된 소신호 이극 계수는 전기 입력 에너지가 100J일 때 $0.088 cm_{-1}$ 공진기의 왕복 내부 손실은 56%였다. Cavity-dumping형 레이저 공진기는 곡률반경이 2m인 두개의 전반사경과 Nd:glass, Pickels cell, 편광분할기, $\lambda/4$ plate 등으로 구성되었으며 제작된 레이저의 출력 에너지는 전기 입력 에너지가 140J일 때, 최대 0.85J이었고 출력 레이저 펄스폭은 8ns였다.
반도체 포화 흡수거울 (Semiconductor Saturable Absorber Mirror:SESAM)을 이용하여 Cr:LiSAF 레이저를 제작하고 이를 모드록킹 시켰다. 펌핑 레이저는 파장이 667 nm이고, 출력이 500mW인 두 대의 고출력 레이저(Coherent S-67-500C-100-H)가 사용되었으며, 레이저 결정은 Brewster-Brewster 모양인 $Cr^{+3}$의 농도가 1.5%이고 길이가 6mm인 것을 사용하였다. 공진기는 X-형 구조로, 곡률반경이 10cmdls 오목거울과, 군속도 보상을 위한 SF10 프리즘, 투과율이 1%의 출력거울을 사용하였다. 포화흡수체로 사용되는 SESAM의 구조는 맨위층에 10nm의 $AlAs/Al_{0.15}Ga_{0.85}As$ 양자우물과 30쌍의 $AlAs/Al_{0.15}Ga_{0.85}As/GaAs/Al_{0.15}Ga_{0.85}As$반사경으로 구성되어 있다. 펌핑 레이저의 출력이 800mWdlfEo 레이저 출력은 3mW였고, 중심파장은 833nm이었으며 스펙트럼 대역폭은 4nm, 레이저 펄스폭은 220fs 였다.
본 연구의 목표는 고 에너지원이 고 출력 펄스 레이저를 이용하여 금속 표면에서 발생하는 충격파를 분석하고 이를 다른 분야에 적용하는 것이다. 금속 표면 일정 단면에 펄스 레이저를 조사시키면 충격파가 발생하며 이 충격파는 음향 임피던스에 의해 레이저가 조사된 반대 방향으로 극 초음속(4000m/s 이상)으로 매우 짧은 시간동안 진행하며 다른 표면에서도 고 에너지에 의해 충격파가 발생한다. 이와 함께 얇은 금속은 순간 탄성변형을 일으킨다. 짧은 시간에 발생하는 모든 현상은 ICCD카메라를 통해 확인 할 수 있다. 이 실험의 목적은 고 에너지에 의해 발생한 충격파를 이용하여 미립자를 매우 빠른 속도로 가속하는데 있다.
본 연구에서는 능동형 모드록킹 방식을 이용하여 10 GHz의 고반복률을 가지는 초단펄스 광섬유 고리형 레이저를 제작하였다. 레이저 공진기의 모든 부분을 편광유지 광섬유로 구성하여 편광변화에 의한 불안정성이 없는 비교적 안정된 펄스를 얻을 수 있었으며, 투과 대역폭 2.4 nm의 파장가변 필터를 공진기 내부에 삽입하여 발진파장을 1530 nm에서 1560 nm 까지 조절할 수 있었고, 0.4 nm 파장 선폭과 8 psec 펄스폭, 그리고 1.2mW평균출력을 갖는 펄스를 발생시킬 수 있었다. 또한, 여기광의 세기에 따른 relaxation oscillation 주파수 변화를 측정함으로써 레이저 공진기의 손실을 알 수 있는 방법을 제안하였다.
이차 추진제로 많이 쓰이는 알루미늄을 고출력 레이저를 이용하여 공기 중의 산소와 반응시켜 발생되는 rich 및 stoichiometric 상태의 알루미늄-산소 연소 현상에 대해 레이저 분광분석법을 이용하여 연구하였다. 7ns의 펄스 주기와 1064nm의 주파수를 가진 Q-switched Nd:YAG 레이저로 40 - 2500mJ의 에너지가 공급되었으며, 플라즈마 빛은 echelle 회절 분광기와 ICCD 카메라로 감지하였다. 레이저 분광분석을 통하여 연료인 알루미늄과 산화제인 산소의 원자 신호를 얻었을 뿐만 아니라, 현상이 일어나는 환경인 플라즈마 온도와 전자밀도가 계산되었다. 특정 전자 밀도비 비교를 통하여, 고출력 레이저를 통해 일어나는 알루미늄과 산소의 연소 및 폭발 현상 변화에 대한 분석이 가능하다는 것에 본 논문의 중요성이 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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