YAG/Nd:YAG/YAG 복합 결정 로드는 고출력 종단 펌핑 레이저 시스템의 중요한 열 관리 문제를 해결하기 위해 설계된 고급 광학 부품입니다. 중앙에는 도핑된 Nd:YAG 활성 영역이 있고 양쪽 끝에는 도핑되지 않은 순수 YAG 캡이 접합되어 있습니다.
핵심 통찰: 이 복합 구조의 주요 기능은 도핑되지 않은 끝 부분을 방열판으로 사용하여 열 왜곡을 극적으로 줄이는 것입니다. 이 설계를 통해 빔 품질을 희생하거나 결정면에 치명적인 손상을 일으킬 위험 없이 레이저를 더 높은 펌핑 출력으로 구동할 수 있습니다.
열 관리의 물리학
방열판 메커니즘
이 구조의 근본적인 이점은 결정 조각의 특정 배열에 있습니다.
중앙 부분에는 광학 이득을 제공하는 네오디뮴(Nd)이 도핑되어 있으며, 끝 부분은 순수한 비도핑 YAG로 구성됩니다.
비도핑된 끝 부분은 펌프 빛을 흡수하지 않기 때문에 열 발생이 최소화됩니다. 대신, 효과적인 방열판 역할을 하여 로드의 뜨거운 활성 중심에서 열 에너지를 끌어냅니다.
열 끝 효과 완화
전통적인 종단 펌핑 레이저에서는 펌프 빛이 결정면을 통해 들어가 입사 지점에 강렬한 국부적 가열을 유발합니다.
이 열 집중은 종종 온도 구배가 가장 가파른 상당한 "끝 효과"를 초래합니다.
이러한 입사 지점에 비도핑 YAG를 배치함으로써 복합 로드는 이 열 부하를 더 효과적으로 분산시킵니다. 이는 일반적으로 결정면에 축적되는 열 응력을 크게 완화합니다.
성능 향상
열 렌즈 효과 감소
레이저 결정이 불균일하게 가열되면 굴절률 구배가 생성되어 로드가 렌즈처럼 작동하게 됩니다.
이 "열 렌즈 효과"는 빔을 왜곡시켜 품질과 초점을 저하시킵니다.
복합 구조는 로드를 따라 온도 분포를 개선합니다. 이 열 구배 감소는 열 렌즈 효과를 최소화하여 빔 품질 및 안정성을 향상시킵니다.
출력 한계 증가
열 균열은 고체 레이저 설계에서 주요 제한 요인입니다.
표준 결정을 너무 강하게 펌핑하면 끝 부분의 응력으로 인해 물리적 재료가 갈라지거나 부서질 수 있습니다.
복합 구조는 결정 끝 부분의 응력 손상 위험을 줄이기 때문에 펌핑 출력의 상한선을 높입니다. 이득 매질을 파괴하지 않고 더 높은 출력을 달성하기 위해 시스템을 더 강하게 구동할 수 있습니다.
절충점 이해
제조 복잡성
광학적으로는 우수하지만 복합 로드는 단일 결정보다 제조하기가 더 어렵습니다.
이 공정은 도핑된 부분과 비도핑된 부분을 접합하기 위해 고정밀 확산 접합이 필요합니다. 이로 인해 부품 비용과 리드 타임이 증가합니다.
인터페이스 무결성
로드의 성능은 부분 간의 접합 품질에 전적으로 달려 있습니다.
인터페이스의 모든 결함은 광학 산란 또는 기계적 약화를 유발할 수 있습니다. 복합 구조의 이점을 실현하려면 제조업체가 완벽하고 매끄러운 접합을 보장해야 합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
복합 결정 로드 사용 여부는 특정 출력 및 품질 요구 사항에 따라 결정해야 합니다.
- 주요 초점이 빔 품질인 경우: 열 렌즈 효과 감소는 정밀 응용 분야에 중요한 보다 안정적이고 기본 모드 출력을 제공합니다.
- 주요 초점이 고출력인 경우: 추가적인 열 보호 기능을 통해 결정 파손 위험 없이 펌프 출력을 크게 늘려 에너지 출력을 극대화할 수 있습니다.
가장 중요한 곳에서 열을 효과적으로 관리함으로써 복합 YAG/Nd:YAG/YAG 구조는 고체 레이저의 내구성과 성능 잠재력을 변화시킵니다.
요약표:
| 특징 | 단일 Nd:YAG 로드 | 복합 (YAG/Nd:YAG/YAG) |
|---|---|---|
| 열 관리 | 면의 높은 응력 | 비도핑된 끝 부분이 방열판 역할 |
| 열 렌즈 효과 | 상당한 왜곡 | 최소화; 빔 품질 개선 |
| 출력 임계값 | 열 균열로 제한됨 | 더 높은 펌핑 출력 용량 |
| 끝 효과 | 높은 국부적 가열 | 입구의 열 구배 감소 |
| 복잡성 | 낮음 / 표준 | 높음 (확산 접합 필요) |
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참고문헌
- Tingting Lu, Weibiao Chen Weibiao Chen. Highly efficient single longitudinal mode-pulsed green laser. DOI: 10.3788/col201311.051402
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