세슘 증기 기반 광 증폭기의 열 분포 및 버퍼가스 조성에 따른 광 증폭 특성 연구
Study of Optical Amplification Characteristics with Thermal distribution and Buffer gas composition of a Cesium vapor based Optical Amplifier
- 주제(키워드) 세슘 증기 , 광 증폭기 , 전산모사
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 염동일
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032567
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Recently, the introduction of laser weapon systems for the purpose of anti-aircraft defense is being considered in many countries [1]. Alkali vapor, which has high quantum efficiency and relatively little heat problem, is suitable as a gain medium for high-power lasers, so that research on lasers and optical amplifiers using it is actively underway in the US and China [2]. An optical amplifier refers to a device in which signal(seed) beam passes through a gain medium in excited-state and amplified by stimulated emission process. In this study, an alkali vapor-based optical amplifier was simulated by solving the rate equation based on the 3-level energy state of cesium, and the performance of the optical amplifier was evaluated in terms of amplification factor and extraction efficiency. In the gain cell, Ethane, used as a buffer gas for cesium, has an important role in keeping the population inversion, such as helping absorption of pump sources efficiently and increasing the transition rate between 2-3 states of cesium by intermolecular collisions. In the simulation, the extraction efficiency was calculated up to 82% when variables such as ethane pressure and temperature of the cesium cell were optimized, and the pump and seed beam were assumed Gaussian profile. In an experiment using a commercial cesium cell containing 400 torr of ethane, extraction efficiency was measured up to 56%. The amplification characteristics along the incident beam size and the cell temperature tended to well agree with the simulation under the same conditions. In addition, experimental results were reasonably interpreted by tracing energy conversion process along the beam propagation considering the heat and fluorescence emitted from the cesium. Under high-power conditions, the temperature inside the gain medium rises, resulting degradation of optical output [11]. In the simulation considering the heat distribution, when the pump source is 10 W, the hotspot of the cesium cell rose by 160 °C compared to the wall temperature, and the signal output was 31% lower than when the heat distribution was not considered.
more초록/요약
대공 방어 등의 목적으로 레이저 무기체계의 도입이 적극적으로 고려되고 있는 가운데, 고출력 조건에서의 열 문제로부터 비교적 자유로운 알칼리 증기를 이득 물질로 사용하는 레이저 및 광 증폭기의 연구가 세계 각국에서 활발히 진행중이다[1,2]. 이 때 광 증폭기란, 들뜬 상태의 이득 물질을 신호광이 지나며 유도방출 과정을 통해 그 세기가 증폭되는 장치를 의미한다. 본 연구에서는 세슘의 3-준위 에너지 상태를 기반으로 속도식 (Rate equation)을 풀이하여 알칼리 증기 기반 광 증폭기를 전산 모사하였으며, 광 증폭기의 성능을 증폭 배수 및 추출 효율로써 평가하였다. 이 때 버퍼가스로 사용되는 에테인은 세슘 원자와의 충돌로 펌프광의 효율적인 흡수를 돕고 세슘의 2-3준위간 전이 속도를 높이는 것으로 세슘의 밀도 반전 상태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 에테인의 압력 및 세슘 셀의 온도 등의 변수를 최적화하고 펌프 및 신호광을 가우시안 빔으로 가정한 전산 모사에서, 추출 효율은 최대 82%가 계산되었다. 400torr의 에테인이 포함된 상용 세슘 셀을 사용한 실제 광 증폭 실험에서는 최대 56%의 추출 효율을 기록하였고, 입사빔의 크기 및 셀의 온도를 변화시켜가며 증폭 특성을 측정한 결과는 동일한 조건에서 전산 모사한 것과 잘 일치하는 경향을 보였다. 또한 세슘 셀 내에서 방출되는 열 및 복사에너지를 고려하여 신호광의 진행 방향에 따른 에너지 변환 과정을 추적하였고, 이를 통해 실험 결과를 합리적으로 해석하였다. 고출력 조건에서는 이득 물질 내부의 온도가 상승하여 광 증폭 출력이 저하되는 효과가 발생한다[11]. 이러한 열 분포를 고려한 전산 모사에서 펌프광의 출력이 10W일 때 세슘 셀 중심부의 온도는 벽면 온도 대비 160°C 상승하였고, 증폭광 출력은 열 분포를 고려하지 않은 경우보다 31% 낮게 나타났다. 또한 열 효과로 인한 출력 저하의 완화를 위해 버퍼가스로 에테인과 헬륨의 혼합을 고려할 수 있는데, 전산 모사를 통해 특정 비율로 두 가스를 혼합하여 사용할 때 광 증폭 성능이 개선될 수 있음을 확인하였다.
more목차
1장 서론 1
1-1. 알칼리 원자의 물리적 특성 2
2장 알칼리 증기의 광 증폭 전산 모사 5
2-1. Rate equation 5
2-2. 에너지 변환 및 보존 11
2-3. 가우시안 빔의 모사 14
2-4. 이득물질 내부의 열 분포 18
2-5. 버퍼가스의 혼합의 효과 26
3장 알칼리 증기 셀을 이용한 광 증폭 특성 측정 30
3-1. 실험 기기의 구성 30
3-2. 실험 결과 및 전산 모사와의 비교 33
4장 결론 39
참고문헌 40
