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OPSL 이점 관련 백서 시리즈 #3:
모드 노이즈 없음("그린 노이즈")

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique, patented technology that provides lower intrinsic noise than other continuous wave (CW) solid state lasers having UV or visible output, and is the only way to achieve true-CW output at 355 nm in a simple, cost-effective platform. The reason is the absence of mode noise due to the near-zero upper state lifetime of the OPSL gain medium.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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Eliminating the Performance/Cost Trade-off

Demanding visible and ultraviolet applications for CW lasers (e.g., pumping CEP-stabilized laser systems, Brillouin scattering, and semiconductor wafer inspection) need a high quality stable output beam with low amplitude noise. Diode pumped solid state (DPSS) lasers can produce the requisite beam quality, albeit only at a fixed output power1, but their noise performance is often limited by a problem called mode noise or “green noise.” Addressing this noise adds laser complexity. In DPSS visible lasers, there is thus a trade-off between performance (noise) and cost (complexity). This critical noise mechanism is completely absent in visible OPSLs which can thus offer lower noise at a reduced cost. It also enables OPSLs to generate noise free ultraviolet output (e.g., at 355 nm) in a simple format. This is a major reason that OPSLs dominate the use of ultraviolet wavelengths in flow cytometry.

1 See whitepaper #2 in this series.

 

혼돈 모드 동작

육안으로 확인할 수 있는 공동을 기반으로 하는 연속 발진 레이저의 출력은 공동 구성에 따라 크게 달라집니다. OPSL, 레거시 DPSS 레이저 및 대부분의 CW 가스(이온) 레이저가 여기에 해당합니다. 공동 길이가 수십 밀리미터나 심지어 수십 센티미터로 측정되는 이러한 CW 레이저는 다양한 세로 공동 모드를 지원합니다. 일반적으로 이러한 레이저에서 공동 내 빔 강도는 저마다 주파수가 조금씩 다른 여러 세로 모드로 구분됩니다(그림 1 참조).

Figure 1

그림 1: DPSS 레이저 및 OPSL의 세로 모드 역동

그러나 이온 및 DPSS 레이저 같은 레거시 기술의 경우 이러한 개별 모드 간의 전체 공동 내 출력 분할은 대단히 무작위적이고 동적이며, 시간이 지나면서 이러한 레이징 모드가 다양하게 혼합되고 그림 1에서처럼 저장된 가용 이득을 놓고 경쟁하게 됩니다. 하지만 강도 합계가 일정하게 유지되기 때문에 이온 레이저의 다중 모드 작동은 낮은 진폭 노이즈가 필요한 대부분의 응용 분야에 매우 적합했습니다.

이온 레이저 및 DPSS 레이저에서는 활성 레이저 매체가 에너지를 저장하기 때문에 서로 다른 모드 간에 이러한 동적 경쟁이 발생합니다. 간단히 말해 이득 매체의 여기 상태는 광자가 CW 공동 주위를 순환하는 트립 시간보다 수명이 훨씬 더 깁니다. 특히 Nd 기반 DPSS 레이저의 여기 상태 수명은 마이크로초 단위인 반면 공동 트립 시간은 나노초 단위입니다. 저장된 에너지는 매우 짧고 강렬한 펄스를 생성하는 Q-스위칭이라는 메커니즘을 구현하기 때문에 일부 펄스 발진 레이저 응용 분야에서는 실제로 유용합니다. 그러나 레이저의 변조(켜고 끄기) 속도가 제한됩니다. 주파수 변환을 사용하여 기본 파장의 고조파를 생성할 때 노이즈 문제가 발생한다는 점도 중요합니다. 예를 들어 1064nm 기본 파장을 이중화하며 532nm에서 CW 그린 출력이 생성됩니다.

 

주파수를 이중화하면 그린(및 자외선) 노이즈가 생성

DPSS 레이저와 OPSL은 모두 근적외선에서 기본 출력을 생성한 다음 가시 출력을 생성하기 위해 주파수를 두 배로 늘리거나, 소위 비선형 결정을 사용하여 자외선 출력을 생성하기 위해 주파수를 세 배로 늘립니다. 이러한 제2 고조파 발생(SHG) 및 제3 고조파 발생(THG) 프로세스는 강도, 즉 SHG 또는 THG 결정의 단위 면적당 출력에 크게 의존합니다. 펄스 발진 레이저의 경우 피크 출력이 평균 출력보다 훨씬 더 높을 수 있으므로 레이저 공동, 즉 엑스트라 캐비티의 다운스트림에서 효율적인 주파수 이중화(및 삼중화)를 쉽게 수행할 수 있습니다. 그러나 CW 레이저를 사용하는 경우 높은 강도를 얻는 유일한 방법은 SHG 및 THG 결정을 공동 내부에 배치하는 것입니다. 여기서 순환력은 출력의 최대 100배에 달할 수 있습니다. 따라서 이전에는 무해했던 모드 노이즈가 문제가 됩니다.

Figure 2

그림 2: CW DPSS 멀티모드 레이저에서 출력은 다양한 세로 모드에 동적으로 분산되는 경우에도 일정하게 유지됩니다. 이중 결정이 DPSS 공동에 삽입되면 총 출력이 무작위로 변경됩니다. 이 노이즈 메커니즘은 OPSL에서는 발생할 수 없습니다.

여러 세로 모드가 있는 DPSS 레이저의 기본 공동 내 빔에 이중 결정을 삽입하면 기본 및 이중 출력 모두에서 혼돈 강도 노이즈가 발생합니다(그림 2 참조). 2차 고조파 발생(단일 세로 모드의 주파수가 두 배로 증가) 및 합계 주파수 발생(서로 다른 두 개의 세로 모드의 주파수 추가)이 모두 가능하기 때문입니다. 합계 주파수 생성은 개별 세로 모드를 결합하며 따라서 세로 모드 간의 직접적인 동적 상호 작용이 가능합니다. 특정 모드의 강도가 다른 모드의 이득에 따라 달라지는 세로 모드의 모든 쌍 위치 상호 작용에서는 일시적 역학이 상당한 강도 노이즈를 생성합니다. 오랫동안 인식되어 온 이 현상을 "그린 문제"라고 합니다. [참조 1] 공동 내 이중화를 사용하는 최초의 대중적인 CW 레이저가 그린 DPSS 레이저였기 때문입니다. 이 레이저는 1064nm의 기본 레이저의 주파수가 두 배가 되어 532nm에서 그린 출력을 생성합니다.

 

CW DPSS 레이저: 성능/비용 중 한쪽을 희생

모드 노이즈 문제를 해결하기 위해 CW DPSS 레이저에서 다양한 방법을 사용하고 있습니다. 초기 접근법은 수많은 세로 모드에 출력을 분할하기 위해 길쭉한 공동을 사용하는 것이었습니다. 수많은 모드의 노이즈 효과를 평균화하여 노이즈 수준을 줄인다는 개념입니다. 이러한 "스미어링" 접근법은 일부 응용 분야에는 효과가 있지만 CEP(Carrier Envelope Phase) 안정화 같이 노이즈에 특히 민감한 응용 분야에는 부적합합니다. 또한 단색성, 즉 좁은 스펙트럼 대역폭에 의존하는 응용 분야에는 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

보다 엄격한 접근법은 소스에서 실제로 그린 노이즈를 제거하는 것입니다. DPSS 레이저에서 이를 수행하는 가장 직접적인 방법은 에탈론 같은 광학 장치를 사용하여 단일 세로 모드에서 레이저를 작동하는 것입니다. 이렇게 하려면 공동의 적극적인 열 안정화와, 피에조 미러 마운트 및 피드백 전자 장치를 사용하여 공동 길이와 에탈론 성능을 함께 고정하는 기능이 필요합니다. 그 결과 비용과 복잡성이 증가합니다.

일부 상용 저노이즈 DPSS 레이저는 다른 능동 피드백 노이즈 감소 전략을 기반으로 합니다. 그러나 어떤 경우에도 소음, 비용 및 복잡성을 어쩔 수 없이 절충해야 합니다.

 

OPSL – 저노이즈 가시 출력 제공

OPSL을 사용하면 이득 역학이 완전히 달라집니다. 이득 매체는 펌프 빛이 양자 우물 내부에 구멍과 전자를 생성하는 반도체입니다. 이러한 전하 운반자의 복사 및 비복사 재결합은 모두 매우 빠르게 진행됩니다. 따라서 OPSL에서 유효 상위 상태 수명은 공동 트립 시간의 시간 척도인 몇 나노초 이하입니다. 여기에는 두 가지 이점이 있습니다. 먼저 OPSL은 최대 100kHz의 속도로 직접 변조될 수 있습니다. 더 중요한 점은 상위 상태 수명이 짧아 레이저 모드 시간 척도에 저장된 에너지가 없으며 순간적인 이득만 있다는 것입니다. 따라서 OPSL이 여러 세로 모드에서 작동하는 경우 이러한 공동 모드의 동작은 공동에 의해서만 결정되고 이득은 생성되기만 합니다. 그 결과 이러한 모드 간의 출력 분배는 시간이 지날수록 안정화됩니다.

출력 분배가 완전히 안정적이기 때문에 공동 내 이중 결정을 사용하여 가시 출력을 생성할 때 세로 모드 간의 비선형 결합으로 인한 노이즈가 발생하지 않습니다. 그린 문제는 상위 상태 수명이 짧기 때문에 OPSL에서는 발생하지 않습니다. 비용 및 복잡성이 관련되는 노이즈 억제 메커니즘이 필요하지 않기 때문에 성능과 복잡성(비용, 잠재적 실패 모드)을 절충하지 않아도 됩니다. 물론 OPSL은 단일 모드에서 작동하도록 설계할 수 있으며, Coherent는 간섭계 등의 응용 분야에서 이러한 기능을 제공합니다. 그러나 OPSL을 사용할 때 단일 모드는 저노이즈의 전제 조건이 아니라 이러한 고간섭성 응용 분야를 위한 선택지입니다.

 

실제 CW 자외선 출력을 제공하는 OPSL

주파수 삼중화를 DPSS 및 OPSL과 함께 사용하여 자외선 출력을 생성할 수 있습니다. 가시 레이저처럼 Q-스위치 DPSS 레이저도 공동 외 고조파 생성을 매우 효율적으로 사용할 수 있습니다. Coherent에서 정밀 재료 가공 응용 분야를 위해 생산하는 다양한 산업용 나노초 레이저는 바로 이 원리를 기반으로 합니다. 그러나 CW 작동에서는 효율 삼중화가 집중된 강도의 3승에 의해 결정되기 때문에 그린 노이즈 문제가 더욱 심각한 UV 문제로 나타납니다. 인쇄 회로 기판의 레이저 직접 이미징같이 준연속 발진 출력이 허용되는 응용 분야에서는 DPSS 레이저의 모드를 수십 MHz의 반복 속도로 잠금 수 있습니다. 예를 들어 Paladin 시리즈 레이저는 피코초 펄스의 피크 출력이 높아 공동 외 삼중화가 매우 효율적입니다. 그러나 데이터 저장 및 살아 있는 셀 정렬 같은 응용 분야에서는 펄스 출력 및/또는 준연속 발진 작동의 높은 피크 출력이 문제가 될 수 있습니다. 여기서도 OPSL 기술은 안정화된 단일 모드 작동과 같은 노이즈 억제 메커니즘 없이도 최적의 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 현재 Genesis 355 레이저는 DNA에서 내인성 형광을 여기하기 위해 UV 출력을 필요로 하는, 점점 수요가 증가하는 유세포 분석 응용 분야에서 표준으로 인정받고 있습니다.

Figure 3

그림 3: Genesis 355는 유세포 분석 같은 응용 분야에서 매우 낮은 노이즈로 실제 CW 출력을 제공하는 저 노이즈 자외선(355nm) OPSL입니다.

Summary

First generation, continuous wave solid-state lasers utilized DPSS technology. Obtaining visible and ultraviolet output with this technology is compromised by a phenomenon called green noise, leading to a trade-off between performance (low noise) and complexity (cost, and potential failure modes). The underlying mechanism responsible for this noise is completely eliminated in OPSLs. As a result, multimode visible and ultraviolet OPSLs provide superior noise characteristics without incurring any extra complexity or cost.

References

1. T. Baer, Large amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers, J. Opt. Soc. Am. B, vol 3, 9, pp 1175-1180 (1986).

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