티타늄사파이어 레이저의 이론적 분석 및 발진 특성분석

Abstract

티타늄 사파이어 이득 매질은 근적외선영역(650-1100nm)에서 넓은 발진 대역을 지니고 있어 가변형 레이저 매질로 많이 사용되고 있으며, 우수한 열특성으로 고출력 레이저의 증폭 매질로 사용되고 있다. 또한 Kerr 렌즈 모드록킹 등을 이용한 극초단 펄스 레이저의 이득 매질로 사용되어 각광을 받고 있다. 본 연구에서는 실험에 앞서 티타늄사파이어 레이저 공진기 구조에 대한 다양한 이론적 계산을 수행하였다. 우선 레이저매질의 Kerr 효과를 고려하지 않은 경우를 계산하고 티타늄 사파이어 레이저의 연속발진상태에서 각각의 거울에서의 빔의 지름과 intra cavity의 길이를 변화시켜 변하하는 beam waist 의 크기와 위치 그리고 misalignment sensitivity를 구하였다. 그리고 Kerr 효과를 고려한 경우, Split-step method를 이용하여 두개의 안정영역에서 각 거울에서 빔의 지름과 매질의 위치를 변화시켜 beam waist 변화, 크기 및 위치 그리고 misalignment sensitivity를 구하여 공진기내에서의 빔 크기 변화를 전산시늉을 통해 관찰하였다. 그 후 이론적 계산을 기반으로 비대칭 X-자 형으로 접힌 연속 발진 공진기를 제작하여 두개의 안전공진 영역을 측정하였으며 이론적 계산을 통한 예측과 일치함을 확인하였다. 레이저 발진 시, 펌프 파워 대 출력 파워 측정을 통해 27 %의 높은 slope efficiency를 얻을 수 있었다. 또한 공진기 자체의 구성 요소의 조절만으로 가능한 파장 가변 영역을 확인하기 위해 레이저를 조절하여 스펙트럼을 측정한 결과, 연속 레이저 발진 시 735-880nm 사이에서 파장조정이 가능하였다. 모드 잠금을 시도하여 자체상관계로 펄스폭을 측정한 결과 최적화된 방출펄스의 길이는 29fs 임을 확인하였다. 스펙트럼분석기를 이용하여 측정한 결과 이 때 중심파장은 800nm이고 스펙트럼의 반치폭은 30nm 로 푸리에변환한계에 근접함을 확인하였다.