A flashlamp-pumped Q-switched 2.70-$mu m$ Cr:Er:YSGG laser has been developed in a simple Fabry-Perot type resonator. The emission wavelength of 2.70-$mu m$ is easily selected by a specially designed resonator with a dichroic coated mirror.
The Q-switched giant pulse of 2.70-$mu m$ wavelength is important for medical application because of better transmittance in a low-hydroxyl-fused-silica (LHFS) fiber compared to pulses of 2.79-$mu m$ and 2.94-$mu m$ wavelength. Also it is suitable to ablate soft or hard tissue due to the pulse duration shorter than thermal relaxation time of a tissue. An opto-mechanical method with a frustrated total internal reflection (FTIR) modulator and an electro-optic method with a $LiNbO_3$ Pockels cell are used as Q-switching methods.
In the case of cavity structure with FTIR modulator, the maximum output energy of 88 mJ with a slope efficiency of 0.167% has been achieved in the free-running regime. In the Q-switching regime using an IR-quartz modulator, a Q-switched pulse of 1.3 μs, single-pulse energy of 30 mJ, and a slope efficiency of 0.064% have been achieved in $TEM_{00}$ mode. Good agreement between simulation results by a proposed theoretical model and the experimental results has been obtained. The optimal output for Q-switched 2.70-μm emission Er:Cr:YSGG lasers has been estimated by a theoretical simulation.
In addition, to increase the peak power and to reduce the pulse width, a cavity-dumped cavity structure has been developed with a dichroic coated mirror with high reflectance at 2.70-μm and high transmittance at 2.79-μm, and a comparison between the Q-switched and the cavity-dumped 2.70-μm emission erbium laser system has been performed. For the Q-switched operation, a maximum peak power of 33.5 kW has been achieved, and its pulse width is 1.3 μs. For the cavity-dumped operation, the pulse energy has been optimized by changing the switching time of the FTIR modulator. When the pulse width reducs to 210 ns, the peak power increases to 154 kW.
In the case of cavity structure with $LiNbO_3$ Pockels cell, the Q-switching is possible at a low voltage of 1.4 kV using a $CaF_2$ polarizer and a $LiNbO_3$ Pockels cell with Brewster’s angle cut ends, and a nanosecond pulse has been achieved at 2.70-μm wavelength. The maximum output energy of 21.5 mJ (at 1 Hz repetition rate) has been achieved in $TEM_{21}$ mode using the output coupler with a reflectivity of 55% at 2.70-μm radiation. The generated pulse energy and pulse width are 13.3 mJ and 159 ns in $TEM_{00}$ mode, respectively.
의학분야에서 인체에 주 성분인 물과 뼈의 기본적인 미네랄 성분인 수산화인회석에 흡수가 높은 파장에 대한 연구가 오래도록 관심을 가지고 진행되어 왔다. 3-$mu m$ 대역의 파장은 물과 뼈의 미네랄 성분에 흡수도가 높은 파장이다. 이 파장의 낮은 출력레이저는 외과용 메스등의 수술용 목적으로 사용되고 있으며, 높은 출력의 레이저는 치과용의 단단한 뼈의 천공용으로 사용되고 있다.
그러나 free-running 동작모드 레이저의 긴 펄스 폭 특성은 원하는 수술부위 만의 정확한 메스를 허락하지 않고, 열 효과로 인해 수술 환부외에 그 주변의 피부손상를 일으키게 된다. 따라서, 큐-스위칭 기술을 이용한 나노초의 짧은 펄스로 발진하는 레이저 개발을 필요로 하게 되었다.
기존의 3-$mu m$ 대역의 고체레이저로는 erbium 레이저 군들이 있으며, 그 중에 대표적인 Er:YAG 레이저가 3-$mu m$ 레이저로 연구가 진행되었으며, 현재 시제품으로 개발되고 있다. 하지만, Er:YAG 레이저는 상위레벨에서의lifetime이 매우 짧기 때문에 큐-스위칭된 짧은 펄스동작의 레이저 발진이 어렵고, 문턱 에너지가 높은 단점을 가지고 있다. Er:YAG 레이저가 짧은 펄스를 얻기 어려운 또 하나의 이유는 3-$mu m$ 대역에서는 KD*P와 BBO같은 보편적인 포켈셀은 큐 스위치로서 사용하기 어렵다는데 있다. 이들 물질은 3-$mu m$ 파장에 대한 흡수성이 높고, 수 kV의 높은 전압으로 동작하기 때문에 큐-스위칭 동작시 빔의 왜곡을 유발시키게 된다.
본 연구에서는 간단한 Farbry-Perot 타입 공진기에서 플래쉬 램프 펌핑된 2.70-$mu m$ Cr:Er:YSGG 큐-스위칭 레이저를 개발하였다. 2.70-$mu m$의 파장 발진은 이색성 코팅 미러에 의해 쉽게 선택되었다. 큐-스위칭된2.70-$mu m$ 파장의 짧은 펄스 레이저는 Low-Hydroxyl-Fused-Silica fiber와 같은 전달 시스템에서 에너지 손실이 2.94-$mu m$와 2.79-$mu m$ 파장에 비교하여 매우 적다. 또한 열 이완 시간보다 짧은 나노초의 펄스는 부드러운 피부나 단단한 피부 치료에 적합하다. 나노초의 짧은 펄스는 부분 내부 전반사 큐 스위칭 또는 $LiNbO_3$ 포켈셀을 이용한 전기광학적 큐 스위칭을 사용하여 얻어졌다. 부분 내부 전반사 큐 스위치는 빔의 편광효과를 기반으로 동작하지 않으며, 낮은 전압에서 동작하고 흡수가 작기 때문에 다른 전기광학적 큐-스위칭 방법들보다 낮은 전압에서 동작이 가능하고, 3-$mu m$ 파장 대역에서 높은 투과도를 보인다. 또한 흡수밴드가 넓은 $Cr^{3+}$ 이온들을 함께 도핑한 것과 $Cr^{3+}$ 이온들에서 $Er^{3+}$ 이온들로 효과적으로 전이되도록 호스트 물질로 YSGG(Yttrium Scandium Gallium Garnet) 결정을 사용하는 시스템은 높은 펌프 효율을 얻을 뿐 아니라, 상위레벨에서의 lifetime이 길기 때문에 짧은 펄스를 얻기에 용이하다. 부분 내부 전반사 큐스위쳐를 포함한 공진기 구조에서 free-running 모드에서 0.167%의 경사효율과 함께 최대 88 mJ의 출력에너지를 얻었으며, IR-quartz 프리즘을 이용한 큐-스위칭 동작모드에서 $TEM_{00}$ 모드에서0.064%의 경사효율과 함께 30 mJ의 출력에너지와 1.3 $mu s$의 펄스 폭을 가지는 단일 펄스를 얻었다. 제안된 이론적 모델과 실험적 결과는 좋은 일치를 보였으며, 최적화된 출력은 이론적 시뮬레이션에 의해 평가되었다. 추가로 펄스 폭을 줄이고, 높은 첨두파워를 얻기 위해서 2.70-$mu m$ 파장에서 높은 반사율과 2.79-$mu m$ 파장에서 낮은 반사율 이색성 코팅 미러를 포함한 cavity-dumping 공진기 구조 레이저가 개발되었고, 큐-스위칭된 구조의 출력과 비교되었다. 큐-스위칭 동작에서 최대 33.5 kW의 높은 첨두파워가 얻어졌으며, 그 펄스폭은 1.3 $mu s$였다. Cavity-dumping 공진기 구조에서는 210 ns의 154 kW로 첨두파워가 증가되었다.
$LiNbO_3$ 포켈셀을 포함한 공진기 구조에서는 $CaF_2$ 편광자와 브루스터 각도를 가진 $LiNbO_3$포켈셀이 이용되었으며, 1.4 kV의 낮은 전압에서 나노초의 펄스가 얻어졌다. 반사율 55% 출력경을 사용하였을 때, $TEM_{21}$ 모드의 1 Hz동작에서 최대 21.5 mJ의 2.70-$mu m$ 파장의 출력을 얻었다. $TEM_{00}$ 모드에서는13.3 mJ의 출력에너지에 159 ns의 펄스를 얻었다.
