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문제 정의
- 펄스 늘림기(stretcher)와 펄스압축기 (compressor), 그리고 증폭단을 통해 증폭된 극초단 레이저 펄스를 자체 상관계와 스펙트로미터를 이용해 분석하였다. 본 논문에서는 이득 스위칭과 재생 증폭기의 원리, 재생증폭기의 설계 및 제작, 종자레이저(seed laser)로 사용된 Ti:sapphire 레이저의 출력특성, 이득 스위칭과 재생 증폭기의 동작 및 출력등 증폭기 제작에 고려해야 할 주요 특성에 대해 자세히 논의하고자 한다.
- 본 연구에서는 1kHz의 반복률에서 펨토초 펄스를 방출하는 처프펄스 Ti:sapphire 재생 증폭기를 제작하고 각 구성 단의 특성을 분석하였다. 안정적인 증폭시스템 구현에 따른 다양한 주요 특성을 제시하기 위하여 일차적으로 재생 증폭 단을 이득 스위칭 작동구조로 변환하고 반복률 변화에 따른 출력, 레이저펄스 생성시간, 펄스 길이 등의 증폭기 제작시 고려되어야 할 주요변수를 측정, 분석하였다.
- 제품화된 1kHz 펨토초 Tiisapphire 재생증폭기는 이미 광범위한 응용분야에서 널리 쓰이고는 있지만, 자체 제작된 증폭 시스템의 각 구성 요소가 지닌 세부적인 특성분석 및 시스템 전반에 대한 보고는 아직까지 국내에서 체계적으로 이루어지지 않았으므로, 본 연구에서는 이를 자세히 다루고자 한다. 일차적으로 커렌즈 모드 잠금된(Kerr lens mode-locked) Tiisapphire 레이저 공진기를 제작하고, 방출되는 펄스의 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 특히 이득스위칭 작동구조는 76C)~830nm 의 파장가변 범위를 갖는 펄스폭 150ns 이하인 협대역 레이저로도 다양한 응용 분야에 사용할 수 있음을 제시하였다. 1kHz 반복률에서 측정한 레이저 생성시간을 고려하여 증폭단의 포켈셀 동작 시간을 최적화 하였으며, 증폭 후 펄스를 재압축하여 중심파장 818 nm에서 스펙트럼 반치폭 23nm, 펄스의 길이 85fs, 펄스 에너지 320µj을 지닌 극초단 펄스를 안정적으로 방출하는 1kHz Ti:sapphire 재생 증폭기를 제작하였다. 이 증폭 시스템은 현재 다양한 물질의 광특성 분석에 사용되고 있으며, 증폭 공진기를 구성에 사용된 거울들의 코팅 강도문제로 현재 320nJ 이상의 에너지 방출이 용이하지 않지만, 고강도 코팅 거울 사용을 사용하고 펌프출력을 높이면 500nJ 이상의 펄스 에너지를 손쉽게 얻을 수 있을 것을 예상한다.
- 1kHz 영역의 광대역 파장가변 이득 스위칭 발진을 위해 공진기 내에 복굴절 필터를 브루스터각으로 삽입하고, 그 조절을 통해 방출되는 펄스의 파장변환을 시도하였다. 복굴절 필터를 공진기 내부에 설치하여 스펙트럼 반치폭 24nm의 초기 펄스를 반치폭1~2nm를 갖는 협대역(narrow-band) 펄스로 변환하였으며 , 760~830nm 사이에서 파장조절이 가능하였다 (그림 6).
- 펄스 늘림기로부터 방출된 p 편광 펄스를 재생 증폭 공진기안으로 주입시키기 위해서는 빔의 편광을 S편광으로 바꾸어야 한다. 따라서 펄스를 패러데이 회전자(Faraday rotator)와 A/2 위상 지연판(half wave plate)에 통과시켜 각각 ?r/4의 위상 지연을 추가하여 s편광으로 편광상태를 변환하였다. 이 펄스는 박막 편광자(thin film polarizer)를 통해 포켈셀로 입사되고 포켈셀 작동에 의해 p편광 상태로 펄스를 변환해 공진기 내부에 가두어 에너지 증폭과정을 거치게 되었다.
- 재생 증폭기를 구성하였다. 공진기의 10% 출력거울을 100% 반사거울로 대체하고 포켈셀과 박막 편광자를 공진기 내부에 설치하였으며, 종자펄스와 펌프펄스 및 포켈셀 작동 시간 간의 동기화를 최적화 하였다. 종자 펄스의 입사없이 포켈셀의 동작 시점을 펄스 생성시간 부근에서 최적화 하고, cavity dumping에 의해 방출되는 펄스의 출력이 최대가 되는 시간을 광신호 검출기와 오스실로스코프를 통해 확인하였다.
- 종자 펄스를 효과적으로 증폭시키기 위해서는 공진기와 포켈셀의 시간적 동기화를 통해 증폭시키고자 하는 시간에 한 개의 펄스만 선택해 반복적으로 공진기 내에서 증폭을 이룬 다음 펄스의 에너지가 포화되었을때 cavity dumping을 통해 증폭된 펄스를 얻을 수 있다. 본연구에서는 종자 레이저로부터 방출되는 약 10.9ns의 펄스 간격과 3ns의 포켈셀 상승시간을 고려하여 공진기를 설계하였다. 초점거리가 각각 250 mm, 500mm를 가지는 오목거울 (Layertec)과 전반사 거울(CVI)등 3개의 거울을 이용해 증폭 공진기를 구성하였으며, 길이 7mm의 양면이 브루스터 각으로 연마된 타원 막대형 Tiisapphire 결정을 증폭매질로 사용하였다.
- 특성을 분석하였다. 안정적인 증폭시스템 구현에 따른 다양한 주요 특성을 제시하기 위하여 일차적으로 재생 증폭 단을 이득 스위칭 작동구조로 변환하고 반복률 변화에 따른 출력, 레이저펄스 생성시간, 펄스 길이 등의 증폭기 제작시 고려되어야 할 주요변수를 측정, 분석하였다. 이득 스위칭 작동 시 레이저 펄스 생성시간과 펌프에너지와 관계를 측정, 분석하여 이론적 고찰과의 일치를 확인할 수 있었다.
- 안정적인 펨토초 처프펄스 증폭 시스템 제작을 위하여 우선 증폭단에서 사용될 공진기를 이득 스위칭 작동구조로 변환하여 발진시키고, 다양한 특성을 측정하였다. 이득 스위칭레이저로 변환 시 그림 1의 재생 증폭 공진기 구조를 동일하게 유지하되 단지 전반사 거울을 10% 투과 줄력거울 (Layertec)로 교환하여 자유가동 가능하게 구성하였다.
- 그림 5는 10% 투과율을 지닌 출력거울을 사용했을 때 반복률 변화에 따른 레이저 출력의 측정값을 보여준다. 이 때 측정된 흡수 펌프출력에 대한 레이저 기울기 효율(slope efficiency)은 반복률에 따라 20-23% 사이의 값을 얻었으며, 2kHz 일 경우에는 고반복률에 의한 매질내에서 발생하는 열 렌즈 효과에 의해 출력이 다소 포화되는 현상을 관찰하였다.
- 0kHz 반복률 영역에서 측정, 분석하였다. 이득 스위칭 및 레이저 펄스 생성시간(build-up time), 방출 펄스의 길이, 출력 특성 등을 알아보고, 복굴절 필터를 사용하여 1kHz 반복률에서 파장변환이 가능한 협대역(narrowband) 펄스의 특성 [18]을 알아보았다. 이러한 특성을 기반으로 펄스의 동기화, 포켈셀(Pockel's cell) 동작시간 등을 최적화하여 재생증폭기의 증폭단을 제작하였다.
- 이득 스위칭 작동구조에서 분석한 다양한 실험결과를 기반으로 재생 증폭기를 구성하였다. 공진기의 10% 출력거울을 100% 반사거울로 대체하고 포켈셀과 박막 편광자를 공진기 내부에 설치하였으며, 종자펄스와 펌프펄스 및 포켈셀 작동 시간 간의 동기화를 최적화 하였다.
- 발진시키고, 다양한 특성을 측정하였다. 이득 스위칭레이저로 변환 시 그림 1의 재생 증폭 공진기 구조를 동일하게 유지하되 단지 전반사 거울을 10% 투과 줄력거울 (Layertec)로 교환하여 자유가동 가능하게 구성하였다. 이 때 출력 거울의 투과율은 차후 증폭 공진기 내부에 설치될 박막 편광 자와 포켈셀의 손실을 고려하여 선택하였다.
- 증폭 공진기 내부로 종자 펄스를 입사시키고 펌프 펄스와의 동기화가 이루어지면 에너지 전이가 일어나므로, 종자 펄스가 증폭 공진기 내부에서 왕복하면서 재생증폭의 과정을 거치게 된다. 이때 증폭 시작시점은 cavity dumping 동작 모드에 비해 훨씬 앞당겨지므로 포켈셀의 고전압 인가 종료 시점을 앞당겨 조절해 증폭 펄스의 에너지가 최대인 시점에서 포켈셀을 동작하도록 하였다. 이 때 포켈셀의 시작 시점과 종료 시점간의 차이는 약 200ns였으며, 공진기 길이로 환산해보면 종자 펄스는 총 20번의 왕복을 통해 재생 증폭 되었을 때 최대 출력을 지님을 확인하였다.
- 이득 스위칭 및 레이저 펄스 생성시간(build-up time), 방출 펄스의 길이, 출력 특성 등을 알아보고, 복굴절 필터를 사용하여 1kHz 반복률에서 파장변환이 가능한 협대역(narrowband) 펄스의 특성 [18]을 알아보았다. 이러한 특성을 기반으로 펄스의 동기화, 포켈셀(Pockel's cell) 동작시간 등을 최적화하여 재생증폭기의 증폭단을 제작하였다. 펄스 늘림기(stretcher)와 펄스압축기 (compressor), 그리고 증폭단을 통해 증폭된 극초단 레이저 펄스를 자체 상관계와 스펙트로미터를 이용해 분석하였다.
- 한다. 일차적으로 커렌즈 모드 잠금된(Kerr lens mode-locked) Tiisapphire 레이저 공진기를 제작하고, 방출되는 펄스의 특성을 분석하였다. 처프펄스 증폭에 사용될 재생 증폭 공진기 제작을 위해 증폭매질의 이득 스위칭[17] 특성을 0.
- 공진기의 10% 출력거울을 100% 반사거울로 대체하고 포켈셀과 박막 편광자를 공진기 내부에 설치하였으며, 종자펄스와 펌프펄스 및 포켈셀 작동 시간 간의 동기화를 최적화 하였다. 종자 펄스의 입사없이 포켈셀의 동작 시점을 펄스 생성시간 부근에서 최적화 하고, cavity dumping에 의해 방출되는 펄스의 출력이 최대가 되는 시간을 광신호 검출기와 오스실로스코프를 통해 확인하였다. 증폭 공진기 내부로 종자 펄스를 입사시키고 펌프 펄스와의 동기화가 이루어지면 에너지 전이가 일어나므로, 종자 펄스가 증폭 공진기 내부에서 왕복하면서 재생증폭의 과정을 거치게 된다.
- 이 때 방출된 펄스 에너지는 회절격자 및 거울 반사에 따른 손실에 의해 ~InJ 이며, 이는 전체 펄스 늘림기의투과효율 40% 에 해당된다. 증폭 시 증폭 매질 내에서의 원활한 모드 정합(mode matching)을 위해 증폭단 앞쪽에 볼록렌즈와 오목 렌즈로 구성된 시준기 (collimator)를 구성하였다. 펄스 늘림기로부터 방출된 p 편광 펄스를 재생 증폭 공진기안으로 주입시키기 위해서는 빔의 편광을 S편광으로 바꾸어야 한다.
- 일차적으로 커렌즈 모드 잠금된(Kerr lens mode-locked) Tiisapphire 레이저 공진기를 제작하고, 방출되는 펄스의 특성을 분석하였다. 처프펄스 증폭에 사용될 재생 증폭 공진기 제작을 위해 증폭매질의 이득 스위칭[17] 특성을 0.8kHz에서 2.0kHz 반복률 영역에서 측정, 분석하였다. 이득 스위칭 및 레이저 펄스 생성시간(build-up time), 방출 펄스의 길이, 출력 특성 등을 알아보고, 복굴절 필터를 사용하여 1kHz 반복률에서 파장변환이 가능한 협대역(narrowband) 펄스의 특성 [18]을 알아보았다.
- 이러한 특성을 기반으로 펄스의 동기화, 포켈셀(Pockel's cell) 동작시간 등을 최적화하여 재생증폭기의 증폭단을 제작하였다. 펄스 늘림기(stretcher)와 펄스압축기 (compressor), 그리고 증폭단을 통해 증폭된 극초단 레이저 펄스를 자체 상관계와 스펙트로미터를 이용해 분석하였다. 본 논문에서는 이득 스위칭과 재생 증폭기의 원리, 재생증폭기의 설계 및 제작, 종자레이저(seed laser)로 사용된 Ti:sapphire 레이저의 출력특성, 이득 스위칭과 재생 증폭기의 동작 및 출력등 증폭기 제작에 고려해야 할 주요 특성에 대해 자세히 논의하고자 한다.
- 펌프 레이저의 출력이 5.5W (이는 흡수펌프출력 3.9W에 해당) 일 때, 증폭 후 박막편광자에서 반사되어 공진기로부터 방출된 최대 출력은 960mW였으며, 펄스 압축기를 통해펄스늘림기와 증폭 매질에서 발생하는 분산을 보정하여 펄스 재압축을 시도하였다. Type-P BBO 결정을 이용하여 자체상관계를 구성하였으며, 이를 통해 측정된 곡선의 반치폭은 120fs이다.
대상 데이터
- 레이저 공진기는 3mm Ti:sapphire결정을 레이저 매질로 사용하여 X자 형태로 제작되었으며, 펌프 레이저로는 연속발진형 2차 조화파 Nd:YVO4 레이저(Spectra-Physics, Millennia Pro 5i)를 사용하였다. 공진기내에 프리즘 쌍을 설치하여 레이저 매질에서 발생하는 분산을 보상하여 펨토초 방출이 가능하였다.
- 9ns의 펄스 간격과 3ns의 포켈셀 상승시간을 고려하여 공진기를 설계하였다. 초점거리가 각각 250 mm, 500mm를 가지는 오목거울 (Layertec)과 전반사 거울(CVI)등 3개의 거울을 이용해 증폭 공진기를 구성하였으며, 길이 7mm의 양면이 브루스터 각으로 연마된 타원 막대형 Tiisapphire 결정을 증폭매질로 사용하였다. 증폭 시 매질 지지대의 온도는 냉각순환기를 이용하여 14도로 유지하였다.
이론/모형
- [15] 첫째, 종자 펄스가 포켈셀에 의해 선택된 한 개의 펄스가 증폭공진기 내로 주입되고, 둘째, 이와 동시에 증폭 공진기의 작동은 공진기내의 포켈셀 작동 시간을 주입된 펄스와 적절히 동기화시켜 Q-스위치 방법으로 변환한다. 셋째, 종자 펄스를 공진기 내에서 증폭 매질을 왕복 운동하게 함으로써 주입된 펄스가 펌프 펄스의 이득스위칭에 의한 이득 곡선을 따라 에너지가 전이되도록 한다.
성능/효과
- 5i)를 사용하였다. 공진기내에 프리즘 쌍을 설치하여 레이저 매질에서 발생하는 분산을 보상하여 펨토초 방출이 가능하였다. 안정된 모드 잠금 시 공진기로부터 방출되는 펄스의 평균 출력은 펌프 레이저의 출력이 3.
- 작용한다. 그림 4 에서와 같이 이득 스위칭 동작 시 펄스 생성 시간은 반복률 증가에 따라 증가함을 볼 수 있으며, 흡수 펌프 출력이 증가함에 따라 거의 일정한 값에 도달함을 관찰하였다. 한편으로 레이저 발진문턱 부근으로 펌프레이저의 출력이 감소함에 따라 펄스생성시간은 급격하게 증가함을 볼 수 있다.
- 이때 증폭 시작시점은 cavity dumping 동작 모드에 비해 훨씬 앞당겨지므로 포켈셀의 고전압 인가 종료 시점을 앞당겨 조절해 증폭 펄스의 에너지가 최대인 시점에서 포켈셀을 동작하도록 하였다. 이 때 포켈셀의 시작 시점과 종료 시점간의 차이는 약 200ns였으며, 공진기 길이로 환산해보면 종자 펄스는 총 20번의 왕복을 통해 재생 증폭 되었을 때 최대 출력을 지님을 확인하였다. 그림 8은 공진기 내부에서 종자펄스가 증폭매질을 왕복운동을 하며 증폭되는 과정과 증폭이 최고점일 때 포켈셀 동작으로 인해 공진기 외부로 빠져 나온 펄스를 측정한 예를 보여준다.
- 안정적인 증폭시스템 구현에 따른 다양한 주요 특성을 제시하기 위하여 일차적으로 재생 증폭 단을 이득 스위칭 작동구조로 변환하고 반복률 변화에 따른 출력, 레이저펄스 생성시간, 펄스 길이 등의 증폭기 제작시 고려되어야 할 주요변수를 측정, 분석하였다. 이득 스위칭 작동 시 레이저 펄스 생성시간과 펌프에너지와 관계를 측정, 분석하여 이론적 고찰과의 일치를 확인할 수 있었다. 특히 이득스위칭 작동구조는 76C)~830nm 의 파장가변 범위를 갖는 펄스폭 150ns 이하인 협대역 레이저로도 다양한 응용 분야에 사용할 수 있음을 제시하였다.
- 현재 펄스압축기를 이용하여 증폭 시 매질에서 발생하는 분산 보상이 완전히 이루어지지 않아 변환 한계 펄스를 다소 넘었으나, 이는 지속적인 증폭 시스템 최적화를 통해 해결 될 수 있다. 증폭 후 펄스길이를 재압축하여 320 vJ 의 에너지:를 지닌 레이저 펄스를 얻었으며, 펄스와 펄스 간의 안정성을 확인하기 위해 그 변화를 1시간 이상 측정한 결과 5% 미만의 요동을 보여 안정된 레이저 펄스 증폭 및 재압축을 확인하였다.
- 이 때 파장가변 영역은 공진기를 구성하는 거울의 코팅에 의해 제한되었다. 측정된 레이저의 출력은 Ti:sapp- hire 이득값이 가장 큰 790nm 근처에서 가장 높은 값을 보였다. 그림 7은 흡수 펌프출력이 ~1.
후속연구
- 레이저 펄스 길이는 펌프출력의 증가에 따라 150ns 미만까지 하향조절이 가능하였다. 이로써 본 연구에서 제작된 이득스위칭 Ti:sapp- hire 레이저는 독립적인 협대역 파장가변 나노초 레이저로서 다양한 응용연구에 사용이 가능함을 제시하였다.
- 이득 스위칭 작동 시 레이저 펄스 생성시간과 펌프에너지와 관계를 측정, 분석하여 이론적 고찰과의 일치를 확인할 수 있었다. 특히 이득스위칭 작동구조는 76C)~830nm 의 파장가변 범위를 갖는 펄스폭 150ns 이하인 협대역 레이저로도 다양한 응용 분야에 사용할 수 있음을 제시하였다. 1kHz 반복률에서 측정한 레이저 생성시간을 고려하여 증폭단의 포켈셀 동작 시간을 최적화 하였으며, 증폭 후 펄스를 재압축하여 중심파장 818 nm에서 스펙트럼 반치폭 23nm, 펄스의 길이 85fs, 펄스 에너지 320µj을 지닌 극초단 펄스를 안정적으로 방출하는 1kHz Ti:sapphire 재생 증폭기를 제작하였다.
- 일반적으로 극초단 펄스 레이저의 매질로 가장 널리 사용되는 Ti:sapphire는 1982년 Moulton[8]에 의해 처음으로 연구된 넓은 방출 파장영역에서 비교적 높은 이득 특성을 보이는 레이저 매질이며, 모드 잠금 기술[9]을 통해 상온에서 안정적인 극초단 펄스 방출을 가능하게 한다. 하지만 공진기로부터 방출되는 펄스의 에너지는 nJ 영역에 제한되어 있으므로 그 에너지 범위와 응용 범위를 확장하기 위해서는 극초단펄스 증폭기술에 관한 지속적인 연구가 필요하다.
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