kHz 반복률의 티타늄 사파이어 이득 스위칭 레이저 발진과 재생 증폭기 제작 및 특성분석

Abstract

극초단 펄스 레이저는 1990년대 레이저 제작 기술의 혁명을 겪으면서 많은 응용 분야에서 사용되고 있다. 이는 ps에서 fs까지 달하는 짧은 시간에 일어나는 물질의 화학적, 동력학적 특성규명을 가능하게 하며, 순간 고출력을 필요로 하는 다양한 응용분야에 유용하게 사용되고 있다. 그러나 공진기로부터 방출된 펄스의 에너지는 nJ 영역에 제한되어 있으며, 그 에너지범위와 응용범위를 확장하기 위해서는 지속적인 극초단 레이저 증폭기술연구가 필요하다. 본 연구에서는 660 ~ 1050 nm 의 넓은 방출영역을 지닌 티타늄 사파이어(Ti:sapphire; Ti:Al2O3)를 증폭 매질로 하여 처프 펄스 증폭법(chirped pulse amplification)을 이용한 재생 증폭기 제작을 시도하였다. 극초단 펄스 증폭법으로 널리 알려진 이 방법을 이용하면 증폭 공진기 내로 입사된 펄스에 에너지를 효율적으로 전이시켜 높은 증폭을 이룰 수 있다. 또한 증폭 매질로 사용된 티타늄 사파이어는 큰 포화에너지(1J/㎠)와 긴 수명시간(3.15㎲)으로 이상적인 이득 매질의 조건을 충족시켜준다. 이를 위해 커 렌즈 모드 잠금(Kerr lens mode-locking) 티타늄 사파이어 레이저 공진기(oscillator)에서 방출된 39 fs 펄스를 seed 펄스로 사용하였으며, 펄스 늘림기를 이용하여 펄스의 길이를 120 ps 로 늘리고 이렇게 늘어난 펄스를 전기광학 소자를 이용하여 증폭 공진기 내부로 입사시켰다. 이 때 펄스의 입사 시점과 증폭된 펄스의 출사 시점은 효율적인 증폭을 위해서 cavity dumping 레이저의 펌프 펄스에 의한 방출 펄스의 build-up 시간을 고려하여야만 한다. 따라서 전기광학 소자의 동작에 필요한 스위치 시간을 결정하기 위하여 전기광학 소자 없이 이득스위치로 발진되는 레이저의 build-up 특성을 분석하여 본 증폭기 제작연구에 적용하였다. 이득 스위치의 동작은 kHz 반복률을 지닌 펌프 펄스의 길이와 관련하여 증폭 매질의 광포화 상태에서 유도방출시간을 결정하는데, 펄스의 에너지가 클수록 build-up 시간이 짧아지는 함수 관계를 지니며, 이는 실험을 통해 확인되었다. 측정분석 결과를 토대로 일차적으로 seed 펄스의 입사 없이 공진기 내에서 이득 스위치만 가지고 전기광학 소자를 삽입하여 cavity dumping을 통한 레이저 발진을 시도하였다. 이 실험을 통해 전기광학 소자의 스위치 시점을 결정할 수 있었으며, 차후 펄스 늘림기에서 출사된 seed 펄스의 편광상태를 바꾸어 박막 편광자를 이용하여 증폭 공진기 내부에 입사시켰다. 이 때 전기광학 소자를 이용하여 seed 펄스를 공진기 내에 가두어 에너지 증폭을 시도하였으며, 충분한 증폭 후 펄스를 다시 외부로 뽑아낼 수 있었다. 본 연구에서는 펄스 증폭이 최적화된 전기광학 소자의 스위치 시작 시점과 종료 시점간의 차이가 ∼200 ns 였으며, 길이 1.5 m로 설계된 공진기에 입사된 seed 펄스는 총 20 번의 왕복을 통해 재생 증폭 되었음을 확인하였다. 증폭 후 중심파장은 ∼818 nm 이고 25 nm 의 스펙트럼 반치폭을 갖는 펄스를 얻을 수 있었으며, 증폭된 펄스는 펄스 압축기를 이용하여 초기의 펄스길이로 재압축을 시도하였다. 이와 같이 압축된 펄스는 Type-I BBO 자체 상관계를 제작하여 측정한 결과 124 fs 의 곡선 반치폭을 얻었으며, 펄스를 가우시안 형태로 가정하여 환산하면 펄스 길이는 88 fs 에 해당된다. 1 kHz 반복률에서 증폭된 후 펄스 압축기에서 재압축된 펄스의 에너지는 펌프 레이저의 출력이 5.6 W 일 때 ∼280 μJ 이었으며, 차후 더 높은 펌프 출력과 레이저 구조의 최적화를 통해 500 μJ 이상의 에너지를 지닌 sub-90 fs 펄스 방출이 가능할 것으로 예상된다.