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이터븀 첨가 능동형 Q-스위칭 광섬유 레이저에서 Q-스위치 상승 시간이 출력 펄스에 미치는 영향에 대한 이론적 분석
Theoretical Analysis of Impact of Q-switch Rise Time on Output Pulse Performance in an Ytterbium-doped Actively Q-switched Fiber Laser 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.24 no.2, 2013년, pp.58 - 63  

전진우 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부) ,  이준수 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부) ,  이주한 (서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부)

초록
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본 논문에서는 능동형 Q-스위칭 광섬유 레이저에서 Q-스위치 상승 시간이 출력 펄스에 미치는 영향을 이론적으로 분석하였다. Finite Difference Time Domain (FDTD) 방법을 이용해서 비율 방정식과 전파 방정식에 대한 모델링을 수행하였다. Q-스위칭 광섬유 레이저에서 발생하는 Q-스위칭 펄스의 생성에 있어서 Q-스위치의 상승 시간이 출력 펄스 특성에 미치는 영향을 이론적으로 분석하였다. 또한, Q-스위치의 반복률에 따른 출력 펄스의 에너지 변화와 파형 변화를 확인하였다. Q-스위치 반복률이 높아지고, Q-스위치의 상승 시간이 길어질수록 출력 펄스의 멀티 피크 현상이 줄어들고 안정된 가우시안 형태의 펄스 파형이 발생함을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A theoretical analysis of the impact of rise time of a Q-switch on the output pulse performance is carried out in an Ytterbium-doped actively Q-switched fiber laser. The finite difference time domain (FDTD) method is used to numerically simulate the Q-switched fiber laser. It is shown that stable Ga...

주제어

#Q-switching   #Fiber laser   #Ytterbium-doped fiber  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 이터븀 첨가 광섬유기반 Q-스위칭 레이저 내에서 Q-스위치의 상승 시간이 출력 펄스 파형에 미치는 영향에 대한 이론적 분석을 수행하였다. Finite Difference Time Domain(FDTD) 방법을 이용하여 Q-스위칭 이터븀 첨가 광섬유 레이저에서 Q-스위칭 펄스의 생성을 모델링 하였으며 Q-스위칭 레이저에서 발생하는 멀티 피크 현상을 Q-스위치의 상승 시간을 늘리거나 반복률을 높임으로써 억제할 수 있음을 확인하였다.

가설 설정

  • 거울 M1은 공기와 실리카 사이의 4% 반사율을 의미한다. 거울 M2는 AOM 에 의해서 반사율이 조절되며 거울 M2의 반사율은 Q-스위치가 꺼졌을 때 0%, Q-스위치가 켜졌을 때 100% 이었으며 시간에 따라 선형적으로 변한다고 가정하였다. 또한 이터븀 광섬유는 그라운드 상태와 들뜬 상태를 갖는 2-level 시스템으로 가정하였다.
  • 거울 M2는 AOM 에 의해서 반사율이 조절되며 거울 M2의 반사율은 Q-스위치가 꺼졌을 때 0%, Q-스위치가 켜졌을 때 100% 이었으며 시간에 따라 선형적으로 변한다고 가정하였다. 또한 이터븀 광섬유는 그라운드 상태와 들뜬 상태를 갖는 2-level 시스템으로 가정하였다. 공진기 내부에서 Q-스위칭 펄스의 생성과정을 보이기 위해서는 비율 방정식과 전파 방정식을 계산해야 하며 이 방정식들은 식 (1)~(4)에 나타나 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
희토류가 첨가된 고출력 광섬유 레이저의 특징은 무엇인가? 희토류가 첨가된 고출력 광섬유 레이저는 높은 효율, 소형화, 고 품질의 빔 퀄리티 때문에 현재 많은 산업분야에 이용되고 있으며 지속적으로 많은 관심을 받고 있는 연구분야이다.[1, 2] 특히 이터븀이 첨가된 Q-스위칭 광섬유 레이저는 매우 높은 피크파워와 고 에너지를 갖는 펄스를 생성 할 수 있기 때문에 의료, 군사, LIDAR 등 많은 응용분야에 이용되고 있다.
수동형 Q-스위칭 레이저의 한계점은 무엇인가? [5]수동형 방법은 수동 소자를 이용하기 때문에 레이저의 구성이 간단하고 가격이 저렴한 장점이 있다. 하지만 포화흡수체의 물리적 조건에 의해서 레이저의 특성이 결정되기 때문에 한 번 구성된 레이저의 펄스 폭, 반복률, 첨두 파워, 펄스 파형 과 같은 특성을 쉽게 조절 할 수 없는 제한이 있다. 이와는 반대로 능동형 방법에서는 외부 신호를 이용해서 Q-스위칭 소자를 조절하므로 출력 펄스의 특성을 자유롭게 제어할 수 있는 장점을 갖고 있으며 현재 많은 응용분야에 이용되고 있다.
수동형 Q-스위칭 레이저의 동작원리는 무엇인가? [3, 4] Q-스위칭 레이저는 크게 수동형 방법과 능동형 방법에 의해서 구동된다. 수동형 Q-스위칭 레이저는 세기가 약한 빛은 많은 손실을 겪고 세기가 강한 빛은 매우 작은 손실을 갖는 포화흡수체의 포화흡수 효과에 의해서 동작된다.[5]수동형 방법은 수동 소자를 이용하기 때문에 레이저의 구성이 간단하고 가격이 저렴한 장점이 있다.
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참고문헌 (11)

  1. J. A. Alvarez-Chavez, H. L. Offerhaus, J. Nilsson, P. W. Turner, W. A. Clarkson, and D. J. Richardson, "High-energy, high-power ytterbium-doped Q-switched fiber laser," Opt. Lett. 25, 37-39 (2000). 

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  2. D. J. Richardson, J. Nilsson, and W. A. Clarkson, "High power fiber lasers: current status and future perspectives," J. Opt. Soc. Am. B 27, 63-92 (2010). 

  3. A. Piper, A. Malinowski, K. Furusawa, and D. J. Richardson, "High-power, high-brightness, mJ Q-switched ytterbiumdoped fiber laser," Electron. Lett. 40, 928-929 (2004). 

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  4. V. Philippov, C. Codemard, Y. Jeong, C. Alergria, J. K. Sahu, and J. Nilsson, "High-energy in-fiber pulse amplification for coherent lidar applications," Opt. Lett. 29, 2590-2592 (2004). 

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  5. M. Laroche, H. Gilles, S. Girard, N. Passilly, and K. Ait-Ameur, "Nanosecond pulse generation in a passively Q-switched Yb-doped fiber laser by $Cr^{4+}$ : YAG saturable absorber," IEEE Photon. Tech. Lett. 18, 764-766 (2006). 

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  6. M. Delgado-Pinar, D. Zalvidea, A. Diez, P. Perez-Millan, and M. V. Andres, "Q-switching of an all-fiber laser by acousto-optic modulation of a fiber Bragg grating," Opt. Express 14, 1106-1112 (2006). 

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  7. Y. M. Chang, J. Lee, and J. H. Lee, "Active Q-switching in an erbium-doped fiber laser using an ultrafast siliconbased variable optical attenuator," Opt. Express 19, 26911-26916 (2011). 

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  8. Y. Wang and C.-Q. Xu, "Understanding multipeak phenomena in actively Q-switched fiber lasers," Opt. Lett. 29, 1060-1062(2004). 

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  9. Y. Huo, R. T. Brown, G. G. King, and P. K. Cheo, "Kinetic modeling of Q-switched high-power ytterbium-doped fiber laser," Appl. Opt. 43, 1404-1411 (2004). 

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  10. S. Adachi and Y. Koyamada, "Analysis and design of Q-switched erbium-doped fiber laser and their application to OTDR," J. Lightwave Technol. 20, 1506-1511 (2002). 

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  11. E.-L. Lim, S.-U. Alam, and D. J. Richardson, "The multipeak phenomena and nonlinear effects in Q-switched fiber lasers," IEEE Photon. Tech. Lett. 23, 1763-1765 (2011). 

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