수동 모드잠금 펨토초 Cr:forsterite 레이저 설계 제작및 특성연구

Abstract

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.