레이저 공진기 구조 최적화를 통한 다양한 종류의 펨토초 광섬유 레이저 광원 개발

국문 초록 (Abstract)

극초단 광섬유 레이저는 미세한 광 정렬이 필요하지 않고, 효율적인 열 분산 및 품질 높은 빔 특성을 가지고 있다. 또한 소형화, 경량화가 가능하며 매우 저렴한 가격으로 레이저를 구성할 수 있다는 장점을 바탕으로 기존의 고체레이저와 비교해서 실제 산업 현장의 응용에 있어서 경쟁력을 가지고 있다. 통상적으로 수백 펨토초~수 피코초의 짧은 펄스를 발생시키기 위하여 수동 모드 잠금(Passive mode-locking)방법이 이용되어 오고 있는데, 특히 레이저 공진기 내부의 분산 조건에 따라 다양한 종류의 펄스 레이저를 구현 할 수 있다.
본 연구에서는 비선형 편광 회전 방식을 이용한 고출력 솔리톤 광섬유 레이저, 넓은 스펙트럼 폭을 가진 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저 및 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 제작하여 다양한 분야에서 응용할 수 있는 레이저 광원을 개발하여 최적화했다.
기존의 솔리톤 레이저의 출력 보다 더 높은 출력을 얻기 위해 90 %의 출력 비율을 가지는 커플러로 공진기를 구성하였다. 또한 이득 물질인 어븀 첨가 광섬유 뒤에 바로 출력 커플러를 삽입하여 출력의 손실을 겪지 않도록 해서 출력 효율을 높였다. 최종적으로 52.9 mW의 출력을 가진 솔리톤 광섬유 레이저를 개발했다.
또한 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 레이저 공진기를 설계했다. 공진기의 분산 영역 별로 스펙트럼을 비교하였고 정상 분산 영역에서 발진하는 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저에서 가장 넓은 스펙트럼을 얻었다. 더 넓은 스펙트럼을 얻기 위해 isolator, 파장다중분할 커플러, 출력 커플러의 세 가지 역할을 하는 하이브리드 소자를 이용하여 간단한 공진기를 구성했다. 결과적으로 0.028 ps2의 분산 값에서 68 nm의 스펙트럼을 얻었다. 추가적으로 스펙트럼 폭이 공진기 내 손실에 영향을 받는지 확인하기 위해 삽입 손실이 2.37 dB인 Dispersion compression fiber(DCF)를 공진기에 삽입하였고 0.05 ps2의 공진기 분산 값에서 30.7 nm의 스펙트럼 폭을 얻었다. 이 연구를 통해 Dissipative 솔리톤 광섬유 레이저에서 손실에 의한 스펙트럼 폭의 변화를 확인했고 68 nm의 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 레이저를 개발했다.
마지막으로 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 설계했다. 604.2 fs의 펄스폭과 2.6 mW 출력을 가진 솔리톤 레이저를 오실레이터로 하는 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 개발 및 최적화했다. 오실레이터인 솔리톤 레이저와 같은 비정상 분산을 가지는 단일모드 광섬유를 이용하여 펄스를 늘렸고 정상 분산을 가지는 이득 물질인 어븀 첨가 광섬유를 이용하여 증폭과 펄스의 압축을 동시에 이루어 시스템을 간단히 했다. 50-100 mW의 출력과 transform limited pulse을 얻기 위해 단일모드 광섬유와 어븀 첨가 광섬유의 길이 조절을 최적화하였다. 최종적으로 6.27 m의 어븀 첨가 광섬유에서 33 mW 출력과 726.2 fs 펄스폭을 가지는 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템을 제작했다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 ................................................................. 1
• 제 2 장 기본이론
• 제 1 절 광섬유에서 빛의 진행 ...................................... 5
• 2. 1. 1 맥스웰 방정식에 의한 빛의 전파 ........................ 5
• 2. 1. 2 광섬유에서 광 펄스의 진행 ............................... 8
• 제 2 절 수동 모드 잠금 광섬유 레이저 ......................... 22
• 2. 2. 1 비선형 편광 회전을 통한 수동 모드 잠금 ............ 22
• 2. 2. 2 공진기 분산에 따른 광섬유 펄스 레이저 특성 ...... 32
• 2. 2. 3 처프 펄스 증폭 시스템 .................................... 37
• 제 3 장 솔리톤 및 Dissipative 솔리톤 레이저
• 제 1 절 고출력 솔리톤 레이저 ....................................... 39
• 3. 1. 1 솔리톤 레이저 기본 공진기 구성 ........................ 39
• 3. 1. 2 레이저 공진기 최적화에 의한 고출력 솔리톤 레이저 구현 .. 40
• 제 2 절 넓은 스펙트럼을 가지는 Dissipative 솔리톤 레이저...... 43
• 3. 2. 1 Dissipative 솔리톤 레이저 기본 공진기 구성 ........ 43
• 3. 2. 2 다양한 포화 흡수체에 따른 스펙트럼 특성 분석 ..... 45
• 3. 2. 3 단순한 공진기 구조에서의 스펙트럼 특성 분석 ...... 49
• 제 4 장 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템
• 제 1 절 처프 펄스 증폭 시스템 구현을 위한 레이저 공진기 제작 ....... 56
• 제 2 절 고출력 전광섬유 처프 펄스 증폭 시스템 구현 ........ 58
• 4. 2. 1 처프 펄스 증폭 시스템을 위한 펄스의 확장기 ........ 59
• 4. 2. 2 처프 펄스 증폭 시스템에서의 증폭 및 압축 특성 .... 61
• 4. 2. 3 입력 광세기에 따른 처프 펄스 증폭 시스템의 출력 특성 .... 64
• 제 5 장 결론 ............................................................... 66
• 참고문헌 .................................................................... 68
• 영문요약