Comparative study of second harmonic generation at 1030 nm in BiBO and LBO crystals using a 100 W-class picosecond laser

기술 요약: BiBO 및 LBO 결정에서의 2 차 고조파 발생 비교 연구

문제 제기
1030 nm 부근에서 작동하는 고평균 파워 피코초 및 아피코초 레이저 시스템 (예: 박판, 광섬유, 슬랩 구조) 의 급속한 발전은 녹색 스펙트럼 영역에서 높은 효율, 우수한 빔 품질, 장기 안정성을 제공할 수 있는 비선형 주파수 변환 단에 대한 중요한 수요를 창출했습니다. 높은 손상 임계값과 낮은 워킹오프 (walk-off) 로 인해 고출력 2 차 고조파 발생 (SHG) 의 표준으로 오랫동안 자리 잡은 리튬 트리보레이트 (LBO) 와 달리, 비스무트 트리보레이트 (BiBO) 는 훨씬 더 큰 유효 비선형 계수를 제공하여 이론적으로 훨씬 짧은 결정 내에서 효율적인 변환을 가능하게 합니다. 그러나 BiBO 는 알려진 바와 같이 낮은 손상 임계값, 2 차 고조파 (SH) 파장에서의 높은 흡수, 그리고 더 큰 공간적 워킹오프를 보입니다. 이러한 알려진 트레이드오프에도 불구하고, 동일한 고평균 파워 (50+ W) 피코초 구동 조건 하에서 BiBO 와 LBO 를 체계적으로 실험적으로 비교한 연구는 현저히 부족했습니다. 본 연구는 차세대 고조파 발생 모듈의 비선형 결정 선택을 안내하는 데 필요한 정량적 벤치마크의 부재를 해소합니다.

연구 방법
저자들은 1030 nm 에서 작동하는 1.3 ps, 91 kHz, 평균 파워 57 W 의 Yb:YAG 박판 레이저를 사용하여 BiBO 및 LBO 결정의 단일 통과 SHG 를 체계적으로 실험적으로 비교했습니다.

• 결정 구성: YZ 평면에서 Type I $e+e \to o$로 컷된 1.5 mm 길이의 BiBO 결정과 XY 평면에서 Type I $o+o \to e$로 컷된 6 mm 길이의 LBO 결정을 비교했습니다. 더 긴 LBO 길이는 낮은 비선형 계수를 보상하여 동등한 출력을 목표로 선택되었습니다. 두 결정 모두 1030 nm 및 515 nm 를 위한 듀얼 밴드 반사 방지 코팅이 적용되었으며, 능동적인 열적 안정화 없이 주변 온도에서 작동되었습니다.
• 특성 분석: 연구는 SH 출력 파워 의존성, 장기 파워 안정성 (>1 시간), 빔 품질 ($M^2$), 펄스 지속 시간, 스펙트럼 특성 및 각도 수용 대역폭을 측정했습니다.
• 열 분석: 열 효과는 입력 파워에 따른 위상 정합 각도 변화를 모니터링하고 IR 카메라를 사용하여 표면 온도 상승을 측정함으로써 조사되었습니다. 각도 수용 대역폭을 검증하고 열적 위상 정합 드리프트를 모델링하기 위해 mlSNLO 소프트웨어를 사용한 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다.

주요 결과

• 출력 파워 및 효율: 두 결정 모두 최대 입력 파워 57 W 에서 515 nm 의 최대 SH 출력 32 W를 달성하여 변환 효율이 **56%**였습니다. 이는 박판 Yb:YAG 레이저를 사용하여 녹색 스펙트럼 영역에서 BiBO 로 보고된 가장 높은 SH 출력 파워입니다.
• 파워 의존성: LBO 는 명확한 효율 포화를 보인 반면, BiBO 의 효율은 입력 파워가 증가함에 따라 계속 증가하여 아직 최대 잠재력에 도달하지 않았음을 시사했습니다. 그러나 BiBO 의 낮은 손상 임계값으로 인해 추가적인 스케일링은 피했습니다.
• 빔 품질: SH 빔은 회절 한계에 근접한 품질 ($M^2 \approx 1.3–1.8$) 을 나타냈습니다. BiBO 로 생성된 빔은 기본 빔의 가우시안 강도 분포로 인한 열적으로 유도된 위상 정합 변화로 인해 LBO 빔보다 면적이 약 25% 작았습니다.
• 펄스 지속 시간 및 스펙트럼: BiBO 결정은 LBO (1.2 ps) 에 비해 약간 더 짧은 펄스 (1.1 ps) 와 더 넓은 스펙트럼 대역폭 (0.48 nm 대 0.42 nm) 을 생성했습니다. 이는 BiBO 의 더 넓은 스펙트럼 수용 대역폭과 더 짧은 결정 길이로 인한 군속도 불일치 (GVM) 축적 감소 때문입니다.
• 열적 안정성 및 위상 정합:
  • BiBO: 상당한 열적 민감성을 보였습니다. 1 시간 이상의 연속 작동 동안 열적으로 유도된 위상 불일치로 인해 SH 출력이 약 8% (2.5 W) 감소했습니다. 결정의 틸트를 재최적화하여 안정성을 회복했습니다. IR 이미징은 약 7°C 의 표면 온도 상승을 확인했으며, 이는 약 2.5 mrad 의 내부 각도 이동에 해당합니다.
  • LBO: 515 nm 에서의 낮은 흡수로 인해 동일한 기간 동안 약 2.5% 의 파워 감소만 보여주어 우수한 안정성을 입증했습니다.
• 각도 수용: BiBO 의 단위 길이당 본질적으로 더 좁은 수용에도 불구하고, 1.5 mm BiBO 결정은 저전력에서 6 mm LBO 결정과 비교 가능한 각도 수용 대역폭을 보였으며, 풀 파워에서는 더 컸습니다. 이는 BiBO 의 높은 비선형성이 각도 허용 오차를 희생하지 않고 더 짧은 결정을 가능하게 함을 확인시켜 줍니다.

의의 및 주장
본 논문은 고평균 파워 피코초 조건 하에서 BiBO 와 LBO 를 비교하는 최초의 직접적이고 정량적인 성능 벤치마크를 제공한다고 주장합니다. 저자들은 BiBO 가 훨씬 더 컴팩트한 footprint(1.5 mm 대 6 mm) 에서 효율적인 변환을 가능하게 하며 약간 더 나은 펄스/스펙트럼 특성을 제공하지만, 열적으로 유도된 위상 불일치 드리프트에 더 취약하다고 주장합니다. 반면, LBO 는 장기적이고 손이 덜 가는 작동을 위한 더 열적으로 견고한 선택지로 남아 있습니다.

본 연구는 1030 nm 부근의 100 W 급 피코초 레이저에서 녹색 빛을 생성하는 데 두 결정 모두 유효한 해결책이라고 결론지었습니다. 최적의 선택은 특정 응용 요구 사항에 달려 있습니다: BiBO 는 (능동적인 온도 제어와 함께 잠재적으로) 컴팩트하고 고효율 시스템에 유리한 반면, LBO 는 장기적인 열적 안정성과 최소 파워 드리프트를 우선시하는 응용에 선호됩니다. 이 결과는 차세대 주파수 변환 모듈 설계용 비선형 결정 선택을 위한 가이드 역할을 합니다.