수동 모드잠금 펨토초 Cr:forsterite 레이저 설계 제작및 특성연구
Development and Characterization of a Passively Mode-Locked Femtosecond Cr:forsterite Laser
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이상민
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
크롬 이온(Cr^(4+))이 도핑된 Cr:forsterite(Cr^(4+):Mg₂SiO₄) 고체 결정은 넓은 방출 스펙트럼 폭을 가지고 있어 근적외선 영역에서 모드 잠금(mode-locking)된 극초단 펄스 레이저 개발의 이득 매질로써 많은 관심을 받고 있다. Cr:forsterite 레이저의 파장 영역은 광섬유에서 분산이 거의 없기 때문에 광통신에 응용될 가능성이 크며, 다른 파장 영역에 비해서 생물 세포 등에서 빛의 산란이 최소이기 때문에 의료용 이미지에도 응용이 가능하며, 금속 표면 이미지 및 공정 등 그 응용 가능 분야가 광범위 하다. 하지만 매질이 지닌 낮은 열전도율 및 작은 FOM(figures of merit)값으로 인해 레이저 제작에 어려움이 동반 된다 본 실험에서는 이 Cr:forsterite 이득 매질을 이용하여 실온영역에서 수동적으로 모드 잠금이 되어 안정적으로 작동하는 펨토초 레이저를 설계 및 제작하였고, 그에 대한 광특성을 측정하였다. 이 매질의 광 펌핑을 위해 최대 출력이 10W인 Yb:fiber 레이저를 사용하였으며, 안정적인 모드 잠금을 위하여 비대칭형 X 형태의 공진기를 제작하였고, 이때 공진기의 구성 성분 등으로 인해 발생하는 비점수차를 보정하기 위해 접힌 각을 고려하였다. 물과 TEC를 통해 이득 매질을 냉각시키고, 레이저가 작동하는 두개의 안정 영역을 찾았다. 연속적으로 레이저가 작동할 때, 복굴절 필터 없이 프리즘와 slit을 이용하여 90nm (1203 ~ 1293nm) 정도 파장 영역에서 손쉽게 조절이 가능함을 확인하였다. 83MHz로 동작하도록 공진기의 길이를 설정하였고, 매질이 4.6W 정도를 흡수하였을 때, 연속발진시(cw:continous-wave) 최대 200mW의 출력을 나타내었다. 공진기에서 발생하는 양분산(positive dispersion)을 보상하기 위하여 공진기의 한쪽팔에 SF10 매질로 제작된 프리즘 쌍을 이용하여 공진기 내에서 발생하는 양분산을 모두 보상하였고, 실험적으로 모드 잠금이 잘된다고 알려진 두 번째 안정영역(stability range) 안정적인 극초단 펄스 방출이 가능함을 확인하였다. 모드 잠금이 되는 지점에서 흡수 파워가 5W일 때 최대 출력은 연속 발진시 185mW, 모드 잠금이 되어 펄스를 방출할 때는 180mW 이였다. 모드 잠금된 극초단 펄스의 폭을 측정하기 위하여 자체 상관계(auto-correlator)를 제작하여 펄스의 반치폭(FWHM: full width at half maximum)이 71fs가 됨을 확인 하였고, 동시에 spectrometer를 이용하여 넓어진 스펙트럼의 중심파장이 1240nm임과 반치폭이 최대 35nm가 됨을 확인 하였다. 이를 통해 출력 방출되는 펄스를 Gaussian 형태로 가정하여 Time-Bandwidth product를 계산하였을 때 펄스가 잘 Fourier-limitation 된 것을 알 수가 있었다.
more초록/요약
Cr^(4+)doped solid-state material such as Cr:forsterite (Cr^(4+):Mg₂SiO₄) is an attractive gain medium for development of mode-locked ultrashort pulse laser in the near-infrared region above 1μm due to its broad emission spectrum. This laser can be applied for both optical communications since the operating wavelengths are near zero-dispersion region of optical fibers and for non-invasive biological imaging since light scattering in biological tissues at this wavelength is significantly reduced compared to other wavelengths. But the Cr:forsterite material has low thermal conductivity and small FOM(figures of merit), which lead to difficulties for development of stable ultrashort pulse laser. In this work, a compact passively mode-locked femtosecond Cr:forsterite (Cr^(4+):Mg₂SiO₄) laser, which is pumped by a cw Yb:fiber laser(max power:10W) and operating stable near room temperature, is developed and its characteristics are studied. Asymmetrical X-type four-mirror resonator is chosen for stable mode-locking. The gain medium is cooled by water and TEC(thermal electric cooler). The maximum output power of the Cr:forsterite laser with a 3.3% output coupler is 200mW for 4.6W absorbed pump power in cw operation. The wavelength of the laser can be tuned about 90nm between 1203 and 1293nm without using birefringence filter. To compensate group velocity dispersion, we used prism(SF10) pairs in the resonator. In optimal mode-locked operation, the laser delivers output energies as high as 180mW and pulse duration of 71fs at 82.7MHz repetition rates. The wavelength is centered at 1240nm. For temporal characterization of the output pulses, we used a self-built auto-correlator, where typeⅠ LBO crystal is used for second harmonic generation. The spectrum of FWHM ?35nm is measured with a VIS-IR spectrometer. Assuming a gaussian pulse shape, the output pulses from the Cr:forsterite laser are nearly Fourier limited.
more목차
목차
국문요약 = ⅴ
그림차례 = ⅷ
표차례 = ⅸ
제 1 장 서론 = 1
제 2 장 Cr:forsterite 매질 특성 및 펨토초 레이저의 응용 = 4
제 2-1 절 Cr:forsterite 매질 특성 = 4
제 2-2 절 Cr:forsterite 펨토초 레이저 개발로 가능한 응용 = 8
제 3 장 접힌 공진기 분석 및 비점수차 보정 = 9
제 3-1 절 접힌 공진기 분석 = 9
제 3-2 절 비점수차 보정 = 16
제 4 장 Kerr 렌즈 모드 잠금 레이저 = 19
제 4-1 절 광학적 Kerr 효과 = 19
제 4-2 절 프리즘 쌍을 이용한 군속도 분산 보정 = 25
제 5 장 Cr:forsterite 연속성 레이저와 Kerr 렌즈 모드 잠금된 펨토초 레이저의 결과 분석 = 31
제 5-1 절 Cr:forsterite 레이저의 연속 발진 특성 = 31
제 5-2 절 Kerr 렌즈 모드 잠김에 의한 극초단 펄스 생성 = 37
제 6 장 결론 = 44
참고문헌 = 45
Abstract = 49
목차
그림 차례
그림 1.1 다양한 극초단 고체 레이저의 펄스 방출 파장 영역 = 2
그림 2.1 실온에서의 Cr:forsterite 매질의 흡수와 방출 스펙트럼 = 5
그림 2.2 Cr^(4+):Mg2SiO4 매질의 에너지 준위 = 5
그림 3.1 X 형태의 연속성 레이저의 개략도 = 9
그림 3.2 두개의 렌즈로 구성된 등가 공진기 개략도 = 10
그림 3.3 오목거울과 이득매질에 의한 비점수차 = 17
그림 4.1 비선형 매질에서의 자체 집속 현상 = 20
그림 4.2 자기 위상 변조 = 23
그림 4.3 프리즘 쌍을 이용한 음분산 = 26
그림 4.4 프리즘에서의 광의 굴절 = 26
그림 5.1 Cr:forsterite 연속성 레이저의 개략도 = 32
그림 5.2 연속 레이저에서 출력 파워 vs 펌프 파워 = 32
그림 5.3 CW Cr:forsterite 레이저에서의 두개의 안정영역 = 34
그림 5.4 연속 레이저에서의 파장 가변 = 34
그림 5.5 비점수차가 보정된 비대칭형 공진기에서 광 매개특성 = 36
그림 5.6 프리즘쌍이 포함된 Cr:forsterite 레이저의 개략도 = 38
그림 5.7 레이저 안정영역과 모드잠금 지점 = 39
그림 5.8 자체 상관계(auto-correlator) = 39
그림 5.9 Spectrometer로 펄스 측정 결과 = 42
그림 5.10 자체상관계로 펄스 측정 결과 = 42
그림 5.11 자체상관계로 펄스 측정 결과 - 분산보상 덜된 경우 = 42
그림 5.12 자체상관계로 펄스 측정 결과 - 분산보상 덜된 경우 = 42
그림 5.13 디지털 GHz 오실로스코프로 측정한 펄스열@82.7MHz = 43
