스펙트럼 간섭계를 이용한 1kHz로 작동하는 증폭된 펨토초 레이저 펄스의 절대 위상 측정과 안정화 : Measurement and stabilization of carrier-envelope phase of 1kHz amplified femtosecond laser pulses using spectral interferometry원문보기
타이얍, 임란
(Korea Advanced Institute of Science and Technology
Department of Physics
국내박사)
본 논문에서는 kHz로 작동하는 펨토초 고출력 티타늄 사파이어 레이저에서 증폭된 펄스의 절대위상 (carrier-envelope phase; CEP) 변화의 측정과 제어, 그리고 펨토초 광학기기의 군지연 분산 (group-delay dispersion; GDD)을 측정하는 방법에 대하여 논의하였다. 군지연분산과 절대위상은 아토초(attosecond) 물리의 기본 광원인 수주기 (few-cycle)의 짧은 시간폭을 갖는 펨토초 ...
본 논문에서는 kHz로 작동하는 펨토초 고출력 티타늄 사파이어 레이저에서 증폭된 펄스의 절대위상 (carrier-envelope phase; CEP) 변화의 측정과 제어, 그리고 펨토초 광학기기의 군지연 분산 (group-delay dispersion; GDD)을 측정하는 방법에 대하여 논의하였다. 군지연분산과 절대위상은 아토초(attosecond) 물리의 기본 광원인 수주기 (few-cycle)의 짧은 시간폭을 갖는 펨토초 레이저 펄스의 시간적 모양을 결정함에 있어서 매우 중요한 인자이다. 2-4 장에서는 티타늄 사파이어 레이저 공진기 및 증폭단에서 발생된 펄스의 절대위상 측정과 안정화에 대해서 기술하였다. 모드잠금된 공진기에서 발생된 펄스열의 절대위상 변화를 '직접잠금(direct locking)' 방법을 이용하여 안정화하였다. 이 방법은 f-to-2f 자체참고 간섭계 (self-referencing interferometer)를 이용한다는 점에서는 기존의 위상잠금루프(phase-locked loop)에 기초한 방법과 동일하지만 시간 영역에서 절대위상을 직접 안정화하므로 절대위상 변화를 0으로 직접 잠글 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 비교적 간단한 장치를 사용하면서도 절대위상 제어 및 변조 등에 있어서 응용성이 뛰어나다. 증폭된 펄스의 절대위상 변화 측정을 위해서 f-to-2f 주파수 간섭계(spectral interferometer)를 제작하여 사용하였다. 간섭계를 통해서 레이저 펄스의 지연된 단파장 부분과 장파장의 2차 조화파의 간의 주파수 간섭무늬를 생성하였는데 이 간섭무늬는 증폭된 펄스의 절대위상에 대한 정보를 포함하고 있으며 공진기 펄스의 절대위상의 안정화된 경우 수분 동안 안정된 간섭무늬를 유지할 수 있었다. 그러나 공진기 펄스의 절대위상이 안정화된 경우에도 0.1 Hz 미만의 아주 느린 흐름이 관찰되었다. 이러한 느린 변화는 공진기의 펌프 세기를 변조하는 음향광학 변조기에 느린 되먹임(slow feedback)을 통하여 보상되었다. 느린 되먹임이 가해진 경우 증폭된 펄스의 절대위상 떨림은 1.2 rad에서 180 mrad으로 줄어들었다. 또한 전기적 변조 신호를 가해서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상 제어를 수행하였다. 5장에서는 펨토초 광학기기의 군지연 분산을 측정하기 위한 간소한 백색광 마이켈슨 간섭계에 대해서 자세하게 기술하였다. 적절한 지름의 다중모드 광섬유를 이용하여 값싼 백색광 광원을 간섭계에 효율적으로 전달함으로써 강한 신호와 좋은 공간적 결맞음성을 동시에 얻을 수 있었다. 군지연 분산은 간섭계를 통해서 얻어진 자체상관과 교차상관 신호의 푸리에 변환을 통해서 얻어진 각각의 위상 차에 두 번의 미분을 가해서 얻어졌다. Borosilicate 유리 판, 광대역 저분산 거울, 광대역 처프 거울 쌍 그리고 출력 거울의 군지연 분산이 정밀하고도 높은 신뢰도로 측정되었다. 각각의 광학기기에서 측정된 파장에 따른 군지연 분산 곡선은 제조 회사에서 제공된 자료와 잘 일치함을 확인하였다. 특히 처프 거울 쌍의 경우에는 파장에 따른 군지연 분산 곡선에 나타난 진동 곡선이 명확히 측정되었다. 이 실험 장치는 간단하고 펨토초 광학기기의 일상적인 군지연 분산 측정에 이상적이며 군지연 분산의 측정 결과는 극초단 펄스, 특히 10 펨토초 미만의 짧은 펄스를 생성하기 위한 레이저 발진기나 펄스 압축기의 구상에 유용하게 이용될 수 있다 결론적으로 본 논문에서는 고출력 펨토초 레이저 펄스의 절대 위상 안정화와 펨토초 레이저 펄스의 생성을 위한 광학기기의 군 지연 분산 특성의 측정이 성공적으로 이루어졌음을 보고하였다. 절대위상이 제어된 고출력의 펨토초 펄스는 원자 내 전자의 내부 껍질의 역학 연구를 가능하게 하는 아토초 과학의 기본 광원인 아토초 펄스의 재현에 핵심적인 역할을 하고 있다. 절대위상의 안정화 기술을 연구하면서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상의 값을 직접적으로 측정할 수 있는 연구도 같이 진행되었는데 이러한 연구는 레이저 펄스의 절대위상에 민감한 장시간의 측정에 믿을 만한 방법으로 이용될 수 있다. 따라서 본 연구는 아토초 물리의 실험적인 구현에 있어서 또 다른 문을 열었다고 할 수 있다.
본 논문에서는 kHz로 작동하는 펨토초 고출력 티타늄 사파이어 레이저에서 증폭된 펄스의 절대위상 (carrier-envelope phase; CEP) 변화의 측정과 제어, 그리고 펨토초 광학기기의 군지연 분산 (group-delay dispersion; GDD)을 측정하는 방법에 대하여 논의하였다. 군지연분산과 절대위상은 아토초(attosecond) 물리의 기본 광원인 수주기 (few-cycle)의 짧은 시간폭을 갖는 펨토초 레이저 펄스의 시간적 모양을 결정함에 있어서 매우 중요한 인자이다. 2-4 장에서는 티타늄 사파이어 레이저 공진기 및 증폭단에서 발생된 펄스의 절대위상 측정과 안정화에 대해서 기술하였다. 모드잠금된 공진기에서 발생된 펄스열의 절대위상 변화를 '직접잠금(direct locking)' 방법을 이용하여 안정화하였다. 이 방법은 f-to-2f 자체참고 간섭계 (self-referencing interferometer)를 이용한다는 점에서는 기존의 위상잠금루프(phase-locked loop)에 기초한 방법과 동일하지만 시간 영역에서 절대위상을 직접 안정화하므로 절대위상 변화를 0으로 직접 잠글 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 비교적 간단한 장치를 사용하면서도 절대위상 제어 및 변조 등에 있어서 응용성이 뛰어나다. 증폭된 펄스의 절대위상 변화 측정을 위해서 f-to-2f 주파수 간섭계(spectral interferometer)를 제작하여 사용하였다. 간섭계를 통해서 레이저 펄스의 지연된 단파장 부분과 장파장의 2차 조화파의 간의 주파수 간섭무늬를 생성하였는데 이 간섭무늬는 증폭된 펄스의 절대위상에 대한 정보를 포함하고 있으며 공진기 펄스의 절대위상의 안정화된 경우 수분 동안 안정된 간섭무늬를 유지할 수 있었다. 그러나 공진기 펄스의 절대위상이 안정화된 경우에도 0.1 Hz 미만의 아주 느린 흐름이 관찰되었다. 이러한 느린 변화는 공진기의 펌프 세기를 변조하는 음향광학 변조기에 느린 되먹임(slow feedback)을 통하여 보상되었다. 느린 되먹임이 가해진 경우 증폭된 펄스의 절대위상 떨림은 1.2 rad에서 180 mrad으로 줄어들었다. 또한 전기적 변조 신호를 가해서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상 제어를 수행하였다. 5장에서는 펨토초 광학기기의 군지연 분산을 측정하기 위한 간소한 백색광 마이켈슨 간섭계에 대해서 자세하게 기술하였다. 적절한 지름의 다중모드 광섬유를 이용하여 값싼 백색광 광원을 간섭계에 효율적으로 전달함으로써 강한 신호와 좋은 공간적 결맞음성을 동시에 얻을 수 있었다. 군지연 분산은 간섭계를 통해서 얻어진 자체상관과 교차상관 신호의 푸리에 변환을 통해서 얻어진 각각의 위상 차에 두 번의 미분을 가해서 얻어졌다. Borosilicate 유리 판, 광대역 저분산 거울, 광대역 처프 거울 쌍 그리고 출력 거울의 군지연 분산이 정밀하고도 높은 신뢰도로 측정되었다. 각각의 광학기기에서 측정된 파장에 따른 군지연 분산 곡선은 제조 회사에서 제공된 자료와 잘 일치함을 확인하였다. 특히 처프 거울 쌍의 경우에는 파장에 따른 군지연 분산 곡선에 나타난 진동 곡선이 명확히 측정되었다. 이 실험 장치는 간단하고 펨토초 광학기기의 일상적인 군지연 분산 측정에 이상적이며 군지연 분산의 측정 결과는 극초단 펄스, 특히 10 펨토초 미만의 짧은 펄스를 생성하기 위한 레이저 발진기나 펄스 압축기의 구상에 유용하게 이용될 수 있다 결론적으로 본 논문에서는 고출력 펨토초 레이저 펄스의 절대 위상 안정화와 펨토초 레이저 펄스의 생성을 위한 광학기기의 군 지연 분산 특성의 측정이 성공적으로 이루어졌음을 보고하였다. 절대위상이 제어된 고출력의 펨토초 펄스는 원자 내 전자의 내부 껍질의 역학 연구를 가능하게 하는 아토초 과학의 기본 광원인 아토초 펄스의 재현에 핵심적인 역할을 하고 있다. 절대위상의 안정화 기술을 연구하면서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상의 값을 직접적으로 측정할 수 있는 연구도 같이 진행되었는데 이러한 연구는 레이저 펄스의 절대위상에 민감한 장시간의 측정에 믿을 만한 방법으로 이용될 수 있다. 따라서 본 연구는 아토초 물리의 실험적인 구현에 있어서 또 다른 문을 열었다고 할 수 있다.
This thesis is devoted to an investigation of a technique to monitor and actively stabilize the carrier-envelope phase (CEP) of high-power femtosecond laser pulses. The carrier-envelope phase stabilization and electronic control of the CEP of amplified femtosecond laser pulses, generated in a gratin...
This thesis is devoted to an investigation of a technique to monitor and actively stabilize the carrier-envelope phase (CEP) of high-power femtosecond laser pulses. The carrier-envelope phase stabilization and electronic control of the CEP of amplified femtosecond laser pulses, generated in a grating-based chirp-pulse amplification (CPA) kHz Ti-sapphire laser, has been demonstrated. The CEP of a femtosecond laser oscillator was stabilized using the direct locking technique developed in our group. The CEP of amplified laser pulses was monitored using a self- referencing spectral interferometry. The modulation of fringe patterns provided the information on CEP variation. The measurements revealed a very slow CEP drift, at about 0.1 Hz. This slow CEP drift was stabilized by applying an electrical feedback to the acousto-optic modulator controlling the pump power input of the oscillator, adding a slow feedback loop to the fast feedback loop used in the direct locking electronics. The technique to compensate the slow variation in the CEP of the amplified pulses was successfully demonstrated. In the experiments performed, the average CEP drift of the amplified laser pulses was reduced below 0.2 radians. Long term stabilization up to 180 seconds was demonstrated, which will be further extended to several tens of minutes as the oscillator could be stabilized for two hours. In addition, the characterization of femtosecond laser mirrors, necessary for the generation of few-cycle laser pulses, has also been investigated. A compact and practical white-light interferometer was developed for rapid evaluation of the group delay dispersion (GDD) of femtosecond optics. GDD is obtained from the Fourier transform of the cross-correlation interferogram with femtosecond time resolution. The GDD characterization of broadband dielectric mirrors, broadband chirped mirrors and output couplers of different reflectivities has been performed. This study was used to select appropriate mirrors for the experiments conducted. The measurement and analysis procedure for femtosecond optics and the CEP stabilization technique for amplified femtosecond laser pulses, described in this thesis, should contribute to extensive applications of femtosecond lasers to research on ultrafast phenomena.
This thesis is devoted to an investigation of a technique to monitor and actively stabilize the carrier-envelope phase (CEP) of high-power femtosecond laser pulses. The carrier-envelope phase stabilization and electronic control of the CEP of amplified femtosecond laser pulses, generated in a grating-based chirp-pulse amplification (CPA) kHz Ti-sapphire laser, has been demonstrated. The CEP of a femtosecond laser oscillator was stabilized using the direct locking technique developed in our group. The CEP of amplified laser pulses was monitored using a self- referencing spectral interferometry. The modulation of fringe patterns provided the information on CEP variation. The measurements revealed a very slow CEP drift, at about 0.1 Hz. This slow CEP drift was stabilized by applying an electrical feedback to the acousto-optic modulator controlling the pump power input of the oscillator, adding a slow feedback loop to the fast feedback loop used in the direct locking electronics. The technique to compensate the slow variation in the CEP of the amplified pulses was successfully demonstrated. In the experiments performed, the average CEP drift of the amplified laser pulses was reduced below 0.2 radians. Long term stabilization up to 180 seconds was demonstrated, which will be further extended to several tens of minutes as the oscillator could be stabilized for two hours. In addition, the characterization of femtosecond laser mirrors, necessary for the generation of few-cycle laser pulses, has also been investigated. A compact and practical white-light interferometer was developed for rapid evaluation of the group delay dispersion (GDD) of femtosecond optics. GDD is obtained from the Fourier transform of the cross-correlation interferogram with femtosecond time resolution. The GDD characterization of broadband dielectric mirrors, broadband chirped mirrors and output couplers of different reflectivities has been performed. This study was used to select appropriate mirrors for the experiments conducted. The measurement and analysis procedure for femtosecond optics and the CEP stabilization technique for amplified femtosecond laser pulses, described in this thesis, should contribute to extensive applications of femtosecond lasers to research on ultrafast phenomena.
주제어
#스펙트럼 간섭계 펨토초 레이저 펄스 Femtosecond laser pulses
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타이얍, 임란
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