리튬 배터리, 태양광 등 신재생 에너지 기술과 디스플레이 반도체 산업의 급속한 발전은 레이저의 평균 출력, 펄스 에너지, 펄스 폭 등에 대한 더욱 높은 요구를 제기하고 있습니다. 평균 출력이 킬로와트(kW)급, 펄스 에너지가 밀리줄(mJ)급인 펄스 레이저가 연구개발의 주요 초점이 되고 있습니다. 현재 레이저 발진 방식에는 직접 발진(Direct Oscillation)과 주발진-전력 증폭(MOPA, Master Oscillator Power Amplifier) 방식 두 가지가 있습니다.
- 직접 발진 방식은 레이저 발진기의 출력과 에너지를 직접 증가시키는 방식입니다. 디스크(disk) 기반의 반도체 포화 흡수 거울(SESAM, Semiconductor Saturable Absorber Mirror)을 이용한 모드 잠금(locking) 레이저는 평균 출력 275W, 펄스 에너지 80μJ에 도달할 수 있습니다. 하지만 출력과 에너지가 증가할수록 공진기 내부의 손상 위험도 증가하여 추가적인 출력 확장이 제한됩니다.
- MOPA 방식은 고품질 빔을 가진 시드(seed) 펄스를 여러 단계로 증폭하는 방식으로, 직접 발진 방식의 대안으로 연구되고 있습니다. 고출력 고체 레이저에서 발생하는 열 문제를 해결하기 위해, 길이 대비 직경 비율이 100:1인 광섬유 레이저와 직경 대비 두께 비율이 100:1인 디스크 레이저가 연구의 핵심이 되고 있습니다.
현재 광섬유 증폭기를 활용하여 평균 출력 830W, 펄스 폭 640fs, 펄스 에너지 10.6μJ의 레이저 출력이 구현었으며, 디스크 형상의 증폭기는 고출력, 고품질의 레이저 빔 출력을 가능하게 하는 뚜렷한 장점을 갖고 있습니다. 2013년 독일 TRUMPF(Trumpf)사는 평균 출력 300W, 펄스 에너지 30mJ, 펄스 폭 1.6ps의 펄스 출력을 달성했습니다.
재생 증폭기와 비교할 때, 다중 패스 증폭기(multi-pass amplifier)는 광학 스위치를 필요로 하지 않기 때문에, 평균 출력, 펄스 에너지, 반복 주파수의 제한을 피할 수 있습니다. 초기 다중 패스 증폭기는 나노초(ns) 펄스 모드나 저출력 모드에서 주로 사용 했었지만, 2015년 독일 슈투트가르트 대학과 TRUMPF가 협력하여 디스크 기반 다중 패스 증폭 방식을 사용한 이후로는 평균 출력 1.4kW, 펄스 에너지 4.7mJ의 피코초(ps) 레이저 출력을 실현하였습니다. 2017년 뮌헨 대학과 TRUMPF는 평균 출력 1kW, 펄스 에너지 200mJ의 피코초 레이저 출력을 달성했습니다.
그 이후, 2024년 중국과학원 다롄화학물리연구소는 디스크 재생 증폭기를 활용하여 평균 출력 300W, 펄스 에너지 6mJ의 레이저 출력을 달성하였으며, 같은 해 선전기술대학은 평균 출력 1.075kW, 펄스 에너지 1.34mJ의 피코초 레이저 출력을 실현했습니다. 이 연구팀은 자체 개발한 디스크 재생 증폭 모듈과 디스크 다중 패스 증폭 모듈을 통해 최대 출력 1102W, 최대 펄스 에너지 8.23mJ의 피코초 레이저 출력을 확보하였습니다. 디스크 증폭 모듈의 펌프광 흡수율은 약 95%에 도달하였으며, 펌프광의 빔 프로파일과 온도 제어를 통해 디스크 표면 온도를 100°C 이하로 유지할 수 있었습니다. 이러한 고효율 열 방출 특성은 다이아몬드를 열전달 매체로 사용하고, 디스크와 열전달 매체를 정밀 접합하는 공정을 통해 확보되었습니다.
중국의 연구팀은 자국산 광섬유 시드를 기반으로 디스크 기반 MOPA 기술을 적용하여, 1MHz 반복 주파수에서 평균 출력 1102W, 펄스 폭 6.8ps, 광변환 효율 50.1%, 빔 품질 인자(M²) < 1.4의 성능을 달성하였습니다. 또한 100kHz 반복 주파수에서 평균 출력 823W, 최대 펄스 에너지 8.23mJ의 레이저 펄스 출력을 확보했습니다.
디스크 레이저의 원리
디스크 레이저는 얇은 디스크 형태의 고체 레이저 매질을 사용하는 고출력 레이저 기술입니다. 일반적으로 이 매질은 수십 마이크로미터(μm) 두께의 희토류(Yb:YAG) 도핑 결정으로 이루어지며, 기판(보통 다이아몬드 또는 구리)과 접합되어 높은 열전도성을 유지합니다.
레이저 펌프광은 디스크 표면에서 다중 반사되어 에너지를 흡수하며, 이를 통해 얇은 매질에서도 높은 펌핑 효율과 출력 안정성을 얻을 수 있습니다. 이러한 구조 덕분에 디스크 레이저는 높은 출력과 뛰어난 빔 품질을 동시에 달성할 수 있습니다.
이득 매질 (Gain Medium)
- 디스크 레이저에서 사용되는 이득 매질은 일반적으로 얇은 Yb:YAG (이테르븀 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷)로 구성됩니다.
- 얇은 형태의 이득 매질은 열 방출을 용이하게 하여 높은 출력에서도 안정적인 동작을 유지할 수 있습니다.
펌핑 시스템 (Pumping System)
- 고출력 다이오드 레이저(diode laser)를 사용하여 이득 매질을 효율적으로 여기시킵니다.
- 디스크 형태의 이득 매질이 넓은 표면적을 가지므로, 펌핑된 에너지가 균일하게 분포하며 열적 렌징(Thermal Lensing) 효과를 최소화할 수 있습니다.
다중 패스 증폭기 (Multi-Pass Amplifier)
- 레이저 빔이 이득 매질을 여러 번 통과하면서 증폭되는 구조를 가집니다.
- 이는 단일 통과 방식보다 높은 이득을 제공하며, 빔 품질을 유지하면서 고출력 레이저 출력을 얻는 데 기여합니다.
열 관리 시스템 (Thermal Management System)
- 디스크 레이저의 핵심 장점 중 하나는 효과적인 열 방출 시스템이다.
- 이득 매질의 얇은 두께로 인해 펌프된 에너지가 빠르게 열 싱크(Heat Sink)로 방출된다.
- 일반적으로 다이아몬드 또는 구리 기반의 냉각판이 사용되어 열을 빠르게 분산시킨다.
공진기 (Resonator)
- 디스크 레이저의 공진기는 고출력 및 높은 빔 품질을 유지할 수 있도록 설계된다.
- 일반적으로 외부 공진기 구조를 채택하여 높은 품질의 모드(Q-switched, mode-locked)를 유지할 수 있다.
디스크 레이저의 기술 현황
디스크 레이저는 고출력, 고품질 빔이 요구되는 응용 분야에서 주목받고 있습니다. 특히 1kW 이상의 고출력 펄스 레이저 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 최신 연구에서는 1102W 출력과 8.23mJ 펄스 에너지를 가진 피코초 레이저를 성공적으로 구현하였습니다. 기술적 발전의 핵심 요소는 다음과 같습니다.
- 펌프 광 흡수: 다이오드 레이저에서 방출된 펌프 광이 이득 매질을 여기시켜 준다.
- 여기 상태의 전자 방출: 이득 매질에서 여기된 전자가 특정 조건에서 광을 방출하며 레이저 증폭이 시작된다.
- 다중 패스 증폭: 레이저 빔이 공진기 내에서 여러 번 반사되며 추가적으로 증폭된다.
- 출력 및 열 방출: 증폭된 레이저 빔이 최종적으로 출력되며, 동시에 열 관리 시스템을 통해 이득 매질의 온도가 안정적으로 유지된다.
- 광섬유 시드와 결합한 MOPA 방식: 초기 신호를 광섬유 레이저에서 생성하고, 이를 디스크 증폭기로 증폭하여 최적의 출력을 확보된다.
다른 발진 방식과의 차이점
디스크 레이저는 기존의 고출력 레이저 방식과 몇 가지 중요한 차이점을 갖고 있습니다.
디스크 레이저의 장점
- 높은 빔 품질(M² 값이 낮음)
- 우수한 열 관리 능력
- 높은 평균 출력 및 효율성
- 확장 가능성 (멀티 디스크 방식 적용 가능)
광섬유 레이저와 비교
- 광섬유 레이저는 긴 광섬유를 사용하여 빔 품질이 우수하지만, 높은 출력에서 비선형 효과(라만 산란, SBS 등)가 발생하여 출력 확장이 어려움
- 디스크 레이저는 이러한 비선형 효과의 영향을 받지 않으며, 높은 출력에서도 안정적인 빔 품질 유지
봉형(Rod) 레이저와 비교
- 봉형 레이저는 열 렌즈 효과로 인해 빔 품질이 저하될 가능성이 있음
- 디스크 레이저는 넓은 방열 면적을 가져 열적 효과를 효과적으로 제어 가능
판형(Slab) 레이저와 비교
- 판형 레이저는 열 확산을 위해 얇은 구조를 가지지만, 높은 출력을 구현하는 데 한계가 있음
- 디스크 레이저는 다중 패스 구조와 결합하여 열 제어와 출력 증가를 동시에 달성 가능
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