Cr:forsterite 광매개 처프 펄스 증폭기 제작 및 광대역 위상정합 증폭 특성 분석
Design and Characteristics of a broadband Cr:forsterite Optical Parametric Chirped Pulse Amplifier at kHz repetition rates
- 주제(키워드) Cr:forsterite , 광매개 처프 펄스 , optical parametric chirped pulse amplification
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이상민
- 발행년도 2006
- 학위수여년월 2006. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
근래의 극초단 펄스의 발생과 증폭된 펄스의 방출은 초고속 분광학, 이미징 기술, 재료 가공의 여러 분야의 응용 가능성을 보여주고 있다. 특히 새로운 극초단 펄스 증폭 방법인 광매개 처프펄스 증폭법은 매우 효율적인 극초단 펄스의 증폭법으로 최근 큰 주목을 받고 있다. 이 증폭법은 시간적으로 늘어난 씨앗펄스를 나노초 또는 나노초 미만의 펌프펄스의 와 시간적 공간적 동기화를 이루며 비선형 단결정내에서 에너지 전이를 일으켜 펄스를 증폭 하는 것이다. 이런 광매개 처프 펄스 증폭법은 넓은 이득 선폭, 높은 잡음 대 신호 비율, 낮은 열에 의한 효과, 증폭시에 발생하는 비선형 현상에 의한 파형 왜곡의 적음, 그리고 전기광학 소자가 필요치 않은 간단한 실험구성이라는 여러 이점을 지니고 있어, 현재 널리 사용되는 regenerative 증폭법과 multi-pass 증폭법을 대체할 새로운 방법으로 제시되고 있다. 현재까지의 광매개 처프 펄스 증폭법은 크게 두 가지의 방향으로 연구 되어 왔다. 그 중 첫번째는 Ti:sapphire 레이저에서 방출되는 1μm 부근의 펄스를 씨앗펄스로 사용하여 수 Hz정도의 반복률을 지닌 테라와트급 에너지를 방출하는 아주 높은 첨두출력 레이저 증폭연구이다. 그리고 두번째 방향은 일반적인 regenerative증폭법과 multi-pass증폭법을 대체할 수 있는 kHz의 반복률을 지닌 안정적이고 간단한 구성의 광매개 처프펄스 증폭 연구이다. 본 연구에서는 Cr:forsterite 레이저를 사용한 kHz의 반복률을 지닌 광매개 처프 펄스 증폭기를 제작하고 그 특성을 보고한다. 이는 국내,외에서 처음 보고 되는 것이다. 최근에 여러 증폭단을 통한 광대역 Cr:forsterite 광매개 처프 펄스 증폭법연구가 보고된 바가 있지만, 이는 2Hz의 낮은 반복률에서의 연구이다. 본 연구에서는 kHz의 반복률과 10ns의 펄스 폭을 지닌 다이오드로 펌핑되어 이차조화파를 방출하는 Nd:YVO4 펌프 레이저를 사용하여 kHz의 반복률을 지닌 Cr:forsterite 광매개 처프 펄스 증폭기를 최초로 제작하였다. 극초단 펄스 증폭기 제작 연구에 있어서 이득매질의 선정은 매우 중요하다. 그래서 본 연구에서는 널리 사용되는 증폭매질인 DKDP, BBO, KDP 이득 매질 중에서 본 연구에 가장 적절한 이득매질을 선정하였다. 이는 각각의 매질에서의 위상정합 분석을 통하여 연구 되었는데, 특히 증폭 매질내에서 상호작용는 펄스들의 기하학적 구성을 collinear한 방법과 noncollinear한 방법을 사용하여 가장 넓은 이득 선폭을 방출하는 매질을 이론적 계산을 토대로 선정하였다. 본 연구에서 행한 이론적 계산을 통하여 본 실험에 가장 적절한 이득 매질로는 DKDP 매질이 선정되었고, 이렇게 선정된 매질을 사용하여 하나의 증폭단을 collinear한 방법으로 구성하고, 이를 토대로 행한 실험결과로서 935nm와 1235nm 부근의 증폭된 펄스 방출을 성공하였고 이를 보고하고 분석한다.
more초록/요약
Recent advances in the generation and amplification of ultrashort laser pulses are remarkable due to broad applications in many areas such as ultrafast spectroscopy, imaging and material processing. Recently, optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA) turned out to be an efficient method to amplify ultrashort pulses. Using this technique, energies of intensive ns or sub-nanosecond (sub-ns) pump pulses can be efficiently transferred to the spatially and temporally synchronized stretched low-energy seed pulses in a suitable nonlinear crystal. OPCPA is a promising alternative to widely used regenerative and multi-pass amplifiers. It offers some advantages such as extremely broad gain bandwidth, high contrast ratio, low thermal effect, low nonlinear wavefront distortion and compact experimental performance without electro-optic modulators. Looking at the recent progress in OPCPA, it was divided in two directions. The first trend was concentrated on the development of exceptionally high peak power (TW-level) laser systems at low repetition rates between single short to 10 Hz. Such high-energy OPCPA’s were seeded by pulses from Ti:sapphire laser at the degenerate point near 1 m. The second tendency was related to the development of more compact and stable fs OPCPA systems operating in kHz repetition rates with intermediate powers as alternative of regenerative and multi-pass amplifiers. In this work, we report on experimental design and characteristics of a Cr:forsterite based OPCPA, what we believe to be the first demonstration in kHz repetition rates. Recently, a complex multi-cascade broadband Cr:forsterite OPCPA was demonstrated with slightly different pump and seed wavelengths to generate J-energies, but at a low repetition rate of 2 Hz. In this work, a kHz diode-pumped frequency-doubled Nd:YVO4 laser was used as pump laser delivering the shortest ns pulses (≤10 ns), up to now. Suitable gain medium was carefully selected by performing theoretical analysis of phase matching properties of different nonlinear crystals such as DKDP, KDP and BBO. Both collinear and noncollinear phase matching geometries were considered and characterized for broadband parametric process. The bandwidth broadening is a prior condition for generation of ultrashort pulses. It turned out that DKDP seems to be the best candidate for Cr:forsterite based OPCPA. Subsequently, first experiment results of the non-degenerate single-pass OPCPA delivering pulses near 935 nm and 1235 nm, respectively, were presented and discussed.
more목차
목 차
국문요약 ⅰ
그림차례 ⅴ
표 차 례 ⅷ
1. 서론 1
1.1 역사 1
1.2 고출력 극초단 펄스 응용 3
1.3 광매개 처프 펄스 증폭법 5
1.4 연구 목적 8
2. 기본 이론 10
2.1 펄스압축기와 펄스늘임기 10
2.1.1 GVD(Group Velocity Dispersion) 11
2.1.2 프리즘 쌍 13
2.1.3 회절격자 쌍을 이용한 펄스압축기 16
2.1.4 회절격자 쌍을 이용한 펄스늘임기 19
2.2 광매개 이득 22
2.2.1 Noncollinear 위상정합 23
2.2.2 광매개 이득 25
2.2.3 군속도 부정합 26
3. 광매개 처프 펄스 증폭기 제작 28
3.1 공진기 특성 29
3.2 펄스늘임기와 펄스압축기 제작 32
3.2.1 펄스늘임기 수차분석을 위한 광경로 추적 32
3.2.2 펄스늘임기 37
3.2.3 펄스압축기 43
3.3 광매개 증폭기 구성 47
3.3.1 시간적 동기화 실현 47
3.3.2 비선형 단결정의 증폭 가능성 분석 50
3.3.3 DKDP를 이용한 증폭실험 61
4. 결론 및 향후 연구 방향 64
참고문헌 66
Abstract 71
