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성능/비용 절충 제거

CW 레이저에 대한 까다로운 가시광선 및 자외선 응용 분야(예: CEP 안정화 레이저 시스템 펌핑, 브릴루앙 산란 및 반도체 웨이퍼 검사)에는 진폭 노이즈가 낮은 고품질의 안정적인 출력 빔이 필요합니다. DPSS(다이오드 펌핑 고체) 레이저는 비록 고정된 출력 전력에서만 필요한 빔 품질을 생성할 수 있습니다.¹, 하지만 모드 노이즈 또는 "그린 노이즈"라는 문제로 인해 노이즈 성능이 제한되는 경우가 많습니다. 이 소음을 해결하면 레이저 복잡성이 추가됩니다. 따라서 DPSS 가시 레이저에서는 성능(소음)과 비용(복잡성) 사이에 균형이 있습니다. 이 중요한 노이즈 메커니즘은 가시적인 OPSL에는 전혀 없으므로 저렴한 비용으로 더 낮은 노이즈를 제공할 수 있습니다. 또한 OPSL은 간단한 형식으로 잡음 없는 자외선 출력(예: 355nm)을 생성할 수 있습니다. 이것이 OPSL이 유세포 분석에서 자외선 파장의 사용을 지배하는 주된 이유입니다.

¹참조백서 #2이 시리즈에서.

혼돈 모드 동작

거시적 공동을 기반으로 한 연속파 레이저의 출력은 공동 구성에 크게 의존합니다. 이는 OPSL, 레거시 DPSS 레이저 및 대부분의 CW 가스(이온) 레이저에 해당됩니다. 수십 밀리미터 또는 수십 센티미터 단위로 측정된 공동 길이를 통해 이러한 CW 레이저는 여러 세로 공동 모드를 지원할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 레이저에서 공동 내 빔 강도는 각각 약간 다른 주파수를 갖는 여러 세로 모드로 나뉩니다(그림 1 참조).

그러나 이온 및 DPSS 레이저와 같은 레거시 기술의 경우 이러한 개별 모드 간의 전체 공동 내 전력 분할은 매우 무작위적이고 동적이며, 그림 1에 표시된 것처럼 시간이 지남에 따라 레이저를 발사하고 사용 가능한 저장된 이득을 놓고 경쟁하는 이러한 모드의 다양한 혼합이 있습니다. 그러나 강도 합계가 일정하게 유지되기 때문에 이온 레이저의 다중 모드 작동은 낮은 진폭 잡음이 필요한 대부분의 응용 분야에 매우 적합했습니다.

이온 레이저와 DPSS 레이저에서는 활성 레이저 매질에 에너지가 저장되어 있기 때문에 서로 다른 모드 간의 이러한 동적 경쟁이 발생합니다. 간단히 말해서, 이득 매질의 여기 상태는 광자가 CW 공동 주위를 순환하는 이동 시간보다 훨씬 긴 수명을 갖습니다. 특히 Nd 기반 DPSS 레이저의 여기 상태 수명은 마이크로초인 반면, 공동 이동 시간은 나노초에 불과합니다. 저장된 에너지는 매우 짧고 강렬한 펄스를 생성하는 Q-스위칭이라는 메커니즘을 가능하게 하기 때문에 일부 펄스 레이저 응용 분야에서 실제로 이점이 됩니다. 그러나 레이저가 변조될 수 있는 속도(켜기 및 끄기)는 제한됩니다. 그리고 마찬가지로 중요한 점은 주파수 변환을 사용하여 기본파의 고조파를 생성할 때(예: 1064nm 기본 파장을 두 배로 늘려 532nm에서 CW 녹색 출력을 생성할 때) 잡음 문제를 일으킨다는 것입니다.

주파수 두 배로 인해 녹색(및 자외선) 잡음이 발생함

DPSS 레이저와 OPSL은 모두 근적외선에서 기본 출력을 생성합니다. 그런 다음 주파수를 두 배로 늘려 가시 출력을 생성하거나 주파수를 세 배로 늘려 소위 비선형 결정을 사용하여 자외선 출력을 생성합니다. 이러한 2차 고조파 생성(SHG) 및 3차 고조파 생성(THG) 프로세스는 강도, 즉 SHG 또는 THG 결정의 단위 면적당 전력에 크게 의존합니다. 펄스 레이저의 경우 피크 전력은 평균 전력보다 훨씬 높을 수 있으므로 효율적인 주파수 두 배(및 세 배)는 레이저 공동의 하류, 즉 외부공동에서 쉽게 수행됩니다. 그러나 CW 레이저의 경우 높은 강도를 얻는 유일한 방법은 SHG 및 THG 결정을 공동 내부에 배치하는 것입니다. 여기서 순환 전력은 출력 전력보다 최대 2배 더 클 수 있습니다. 그리고 이제 이전에는 무해했던 모드 소음이 실제 문제가 되었습니다.

복수 결정이 여러 종방향 모드를 갖는 DPSS 레이저의 기본 공동 내 빔에 삽입되면 혼란스러운 강도 노이즈가 생성됩니다.기본 출력과 두 배 출력 모두에서- 그림 2 참조. 그 이유는 2차 고조파 생성(하나의 종방향 모드의 주파수를 두 배로 늘림)과 합주파수 생성(두 개의 서로 다른 종방향 모드의 주파수를 추가)이 모두 가능하기 때문입니다. 합주파수 생성은 개별 세로 모드를 결합하여 세로 모드 간의 직접적인 동적 상호 작용을 가능하게 합니다. 한 모드의 강도가 다른 모드의 이득에 따라 달라지는 세로 모드의 모든 쌍별 상호 작용으로 인한 시간적 역학은 상당한 강도 노이즈를 생성합니다. 오랫동안 인식되어 온 이 현상을 "녹색 문제"라고 부릅니다. [참조 1] 캐비티 내 배가를 사용하는 최초의 널리 사용된 CW 레이저는 녹색 DPSS 레이저였으며, 여기서 1064 nm의 레이저 기본 주파수는 532 nm에서 녹색 출력을 생성하기 위해 주파수가 두 배가 되었습니다.

CW DPSS 레이저: 성능/비용 절충

CW DPSS 레이저에서는 모드 노이즈 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 초기 접근 방식은 더 많은 수의 세로 모드에 걸쳐 전력을 분할하기 위해 길쭉한 캐비티를 사용하는 것이었습니다. The idea is that the noise level is reduced by averaging the noise effect of many more modes. 이 "스미어링" 접근 방식은 일부 응용 분야에서는 충분하지만 CEP(Carrier Envelope Phase) 안정화와 같이 특히 잡음에 민감한 응용 분야에서는 부적절한 것으로 입증되었습니다. 물론 이는 단색성, 즉 좁은 스펙트럼 대역폭에 의존하는 애플리케이션에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

더 엄격한 접근 방식은 실제로 녹색 노이즈를 소스에서 제거하는 것입니다. DPSS 레이저에서 이를 수행하는 가장 직접적인 방법은 에탈론과 같은 광학 장치를 사용하여 레이저가 단일 세로 모드에서 작동하도록 만드는 것입니다. 이를 위해서는 캐비티의 활성 열 안정화뿐만 아니라 피에조 미러 마운트 및 피드백 전자 장치를 사용하여 캐비티 길이와 에탈론 성능을 함께 고정하는 기능이 필요합니다. 이로 인해 비용과 복잡성이 추가됩니다.

일부 상업용 저잡음 DPSS 레이저는 다른 능동 피드백 소음 감소 전략을 기반으로 합니다. 그러나 모든 경우에 소음, 비용, 복잡성 간에는 필연적인 균형이 있습니다.

OPSL – 저잡음 가시 출력 제공

OPSL을 사용하면 이득 역학이 완전히 다릅니다. 이득 매질은 펌프 빛이 양자 우물 내부에 정공과 전자를 생성하는 반도체입니다. 이러한 전하 캐리어의 방사성 및 비방사성 재결합은 모두 매우 빠른 과정입니다. 따라서 OPSL에서 효과적인 상위 상태 수명은 캐비티 트립 시간의 시간 척도로 볼 때 몇 나노초 이하입니다. 여기에는 두 가지 이점이 있습니다. 먼저 OPSL은 최대 100kHz의 속도로 직접 변조될 수 있습니다. 그리고 더 중요한 것은 상위 상태 수명이 짧다는 것은 레이저 모드 시간 척도에 저장된 에너지가 없고 순간적인 이득만 있다는 것을 의미합니다. OPSL이 여러 종방향 모드에서 작동하는 경우 이러한 캐비티 모드의 동작은 캐비티에 의해서만 결정되며 이득은 따라옵니다. 따라서 이러한 모드 간의 전력 분배는 시간이 지남에 따라 안정적입니다.

전력 분포가 완전히 안정적이기 때문에 공동 내 배가 수정을 사용하여 가시적 출력을 생성하는 경우 세로 모드 간의 비선형 결합으로 인한 잡음이 없습니다. 상위 상태 수명이 짧기 때문에 OPSL에는 녹색 문제가 존재하지 않습니다. 관련 비용 및 복잡성을 수반하는 잡음 억제 메커니즘이 필요하지 않기 때문에 성능과 복잡성(비용, 잠재적인 오류 모드) 간의 균형이 없습니다. 물론 OPSL은 단일 모드 작동을 위해 설계될 수 있으며 바카라 카지노는 간섭계와 같은 응용 분야에 이러한 기능을 제공합니다. 그러나 OPSL의 경우 단일 모드는 저잡음의 전제 조건이 아니라 이러한 높은 일관성 애플리케이션을 위한 옵션입니다.

트루 CW 자외선 출력을 제공하는 OPSL

자외선 출력을 생성하기 위해 DPSS 및 OPSL과 함께 주파수 3배를 사용할 수 있습니다. 가시광선 레이저와 마찬가지로 Q 스위치 DPSS 레이저는 탁월한 효율성으로 외부공동 고조파 생성을 사용할 수 있습니다. 이는 바카라 카지노가 정밀 재료 가공 응용 분야를 위해 생산한 여러 산업용 나노초 레이저의 기반입니다. 그러나 CW 작동의 경우 녹색 잡음 문제는 심각도가 증가하는 UV 문제로 나타납니다. 왜냐하면 3배 효율성은 집중된 강도의 3승에 의해 결정되기 때문입니다. 인쇄 회로 기판의 레이저 직접 이미징과 같이 준 CW 출력이 허용되는 응용 분야의 경우 DPSS 레이저는 수십 MHz의 반복 속도로 모드 잠금될 수 있습니다. 예를 들어 Paladin 레이저 시리즈는 피코초 펄스의 높은 피크 출력으로 인해 외부공동 삼중화가 매우 효율적이라는 것을 의미합니다. 그러나 데이터 저장 및 라이브 셀 정렬과 같은 애플리케이션의 경우 펄스 출력 및/또는 의사 CW 작동의 높은 피크 전력이 문제가 될 수 있습니다. OPSL 기술은 안정화된 단일 모드 작동과 같은 잡음 억제 메커니즘에 의존하지 않고도 최적의 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, Genesis 355 레이저는 이제 DNA의 내인성 형광을 자극하기 위해 UV 출력이 필요한 유동 세포 계측법 응용 분야의 수요 증가에 따라 표준으로 채택되었습니다.