정상분산영역에서 동작하는 탄소나노튜브 포화흡수체 기반의 고출력 극초단 광섬유 레이저

Abstract

극초단 광섬유 레이저는 기존의 고체레이저와 비교하여 미세한 광 정렬이 필요하지 않으며 이득매질 특성, 온도 안정성 및 출력 빔 특성 등에서 뛰어난 성능을 보이며 최근 활발히 연구되어 오고 있다. 흔히 펨토초의 짧은 펄스를 발생시키기 위하여 수동 모드 잠금(passive mode locking) 방법이 이용되어 오고 있는데, 안정적인 레이저 발진을 위하여 비선형 흡수 특성을 가지고 있는 포화 흡수체(saturable absorber)가 주로 사용되고 있다. 현재 SESAM(semiconductor saturable absorber mirror)이라 불리는 반도체 기반의 포화 흡수체가 펄스레이저 제작을 위하여 널리 쓰이고 있으나 이는 상대적으로 동작 영역이 좁고, 복잡하고 까다로운 제작공정을 가지는 등 단점을 가지고 있다. 최근, 높은 Kerr-비선형 효과를 가진 것으로 알려진 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT)를 이용하여 광 스위치나 포화흡수체 등의 광소자로 응용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있는데, 특히 피코초 근처의 짧은 비선형 반응시간, 소자 제작의 용이성 및 넓은 파장 대역에서의 동작 특성 등은 기존의 SESAM과 비교하여 포화흡수체로서 많은 장점을 가지고 있어, 이를 이용한 극초단 광섬유 및 고체 레이저에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 광섬유 펄스레이저 분야의 한편에서는 비정상분산영역(anomalous dispersion regime)에서 동작하는 솔리톤 광섬유 레이저가 가지는 낮은 출력 특성을 극복하고자 하는 연구가 최근 활발히 진행되고 있는데 주로 레이저 공진기 내부의 분산조절을 통하여 정상분산영역(normal dispersion regime)에서 동작하는 similariton laser 및 all-normal dispersion fiber laser 등이 발표되고 있다. 본 연구에서는 SWCNT를 포화흡수체로 이용하고 레이저 공진기 내부에 분산 조절을 통한 고출력 극초단 광섬유 레이저를 제안하였다. 분산 보상 광섬유(dispersion compensating fiber, DCF)를 이용하여 1550 nm 대역에서 정상분산특성을 가진 dissipative soliton 광섬유 레이저 공진기를 새롭게 설계하고, 측면 연마된 광섬유에서 SWCNT와 evanescent field의 안정적이고 효율적인 비선형 상호작용을 통하여 평균출력 50 mW 이상(펄스 에너지 2 nJ 이상)의 전광섬유(all-fiber) 고출력 극초단 광섬유 레이저를 제작하였다.