This study aims to realize a diode pumped solid-state continuous wave (CW) intracavity frequency doubling blue laser with high efficiency and high power using a new nonlinear optical crystal bismuth triborate ($BiB_3O_6$, BIBO) which has large second-order nonlinear coefficients and a high transmission coefficient in the UV region.
Firstly, a photoinduced birefringence change was observed in the BIBO crystals during intracavity frequency doubling of the 912 nm wavelength, H5which would cause an adverse effect on efficient intracavity frequency doubling. The birefringence change, which was measured using a Senarmont compensator, was $1.87 \times 10^{-3}$ when irradiated by a focused 488 nm Ar-ion laser beam of 300 mW with a radius of 35 um for an hour. The BIBO crystal was recovered completely from the birefringence change after being annealed at $300\degC$ for 24 hours. This finding was applied to the suppression of the optical damage during intracavity second-harmonic generation.
Secondly, a diode pumped solid-state CW quasi-three-level laser of 912 nm wavelength was demonstrated using neodymium-doped gadolinium vanadate ($Nd:GdVO_4$) as a laser crystal in Z-fold cavity geometry. The internal losses were measured by the Findlay-Clay method to optimize the pump waist position. The maximum output power of 912 nm radiation was 1.28 W at the pump power of 18.7 W. The slope efficiency was 11.6% with respect to the input power. The mechanisms and parameters that affect the performance of the quasi-three-level laser were investigated.
Finally, an efficient CW blue intracavity frequency doubling at the 456 nm wavelength was demonstrated using the BIBO crystal while maintaining its temperature at $150\degC$ to prevent photorefractive damage. The maximum blue laser output power of 1.24 W was achieved at the diode laser pump power of 21.0 W. The slope efficiency was 8.8 %.
본 논문에서는 비선형 광학 결정 $BiB_3O_6$ 의 광굴절 효과의 특성과 그 해결 방안에 대하여 연구하였으며, 광굴절 효과를 성공적으로 억제하여 안정적인 고출력 청색 레이저의 발진에 성공하였다.
우선, Senarmont Compensator를 이용하여 아르곤 레이저에 의한 BIBO결정의 광굴절 효과 발생을 실시간으로 측정하였고, 그 특성을 H6분석하였다. 적외선 영역의 레이저보다는 가시광 영역의 레이저에 의한 굴절률 변화가 컸으며, 300 mW의 488 nm 빔에 의해 $1.87 \times 10^{-3}$만큼의 굴절률 변화가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 발생된 굴절률 변화를 회복시키기 위해 섭씨 300도에서 24시간 동안 열처리 한 결과 원래 상태로 복구된 것을 확인하였다.
두 번째로, 이차조화파 청색 레이저의 기본광이 되는 912 nm의 고출력 적외선 레이저의 여러 요소의 최적화에 대해 연구하였고, 발진에 성공하였다. 펌프 위치에 따른 이득 분포, 업컨버전, 열렌즈 효과, 공진기 구조의 최적화 방식을 연구하였고 그 결과를 이용해 Nd를 0.2% 도핑한 3.0mm 길이의 $GdVO_4$ 결정을 이용하여 18.7 W의 펌프광에서 1.28 W의 출력을 얻었다.
마지막으로, 150도로 유지된 BIBO결정을 이용하여 BIBO의 광굴절 효과를 억제하고 안정적인 고출력 청색 레이저 광원을 얻는데 성공하였다. 21.0W의 펌프광에서 1.24 W의 출력을 얻었으며 입력 펌프광 대비 효율은 5.9%, 기울기 효율은 8.8%를 나타내었다. 이로써, 훌륭한 비선형 광학 성질을 갖고 있었으나 광굴절 효과로 인해 널리 이용되지 못했던 BIBO결정의 안정적인 이용 방법을 최초로 제시하였다.
