그림 3.3은 광 검출기(EOT사, ET-3000)와 오실로스코프(Tektronics사, TDS-715 4B)로 측정한 모드 잠금된 레이저 발진기의 펄스 열이다. 측정하기 위해 사용한 광 검출기의 Rise time/Fall time은 <175 ps이고, 오실로스코프의 측정 가능 밴드 폭 은 1.5 GHz이다. 측정한 펄스 열로부터 모드 잠금된 펄스 간격은 약 37 ns이고, 반 복률은 약 27 MHz로 측정되었다.
그림 3.3 측정된 레이저 발진기 펄스 열
펌프 광 세기에 따른 모드 잠금된 레이저 발진기 출력은 그림 3.4에 나타내었다.
그림 3.4에서 볼 수 있듯이 레이저 다이오드 펌프 파워가 540 mW 이하에서는 모 드 잠금 신호가 발생하지 않았다. 실험에 사용하는 레이저 다이오드의 손실 문턱 값을 고려하여 펌프 세기를 1 W 미만으로 제한하여 측정하였다. 그리고 펌프파워 800 mW 일 때, 레이저 발진기의 출력파워는 약 136 mW로 측정되었고, 이때 레이 저의 펄스에너지는 5 nJ 이었다. 이에 따른 기울기 효율은 약 21.3 %로 측정되었 다. 펌프광 세기가 약 1 W 미만의 범위 에서는 펌프파워를 증가하여도 모드 잠금 된 펄스 열의 불안정성은 관측되지 않았으며, 출력파워가 계속 증가하는 것을 확인 하였다.
그림 3.4 펌프 광 세기에 따른 레이저 발진기 출력
그림 3.5는 모드 잠금된 레이저 발진기의 출력 스펙트럼 특성을 보여주고 있다.
스펙트로미터로 0.1 nm의 분해능으로 측정하였으며, 광 주파수 영역의 반치 폭 (FWHM, Full Width at Half Maximum)기준으로 약 11 nm의 밴드 폭을 가졌고, 레이저 출력에서 펌프 광은 관측되지 않았다. 그리고 펌프 파워를 증가시켜도 스펙 트럼의 형태가 일정하고 안정되게 관측되었다.
그림 3.5 스펙트로미터로 측정한 스펙트럼
위와 같은 출력 특성을 갖는 레이저 발진기의 펄스 폭을 측정하기 위하여 비선 형 결정을 이용한 광세기 자기 상관계를 이용하였고, 그림 3.6은 본 연구에서 사용 한 자기 상관계의 장치를 보여주고 있다.
그림 3.6 본 연구에서 사용한 광 세기 자기 상관계(FR-103XL)
본 연구에서 사용한 자기 상관계는 초기에 레이저 빔이 렌즈를 통해 평행광으로 된 이후 빔 분할기에서 반사된 빔은 평행하게 놓여진 거울(M1)을 통하여 평면으로
놓여진 거울(M3)에서 되반사하여 다시 돌아가게 된다. 동시에 빔 분할기에서 통과 한 빔은 45도 거울(M2)를 통하여 되반사경(Retroreflector)를 통해 5∼6 mm정도의 간격을 두고 되반사 한다. 이후에 빔 분할기에서 다시 반사되고, M3를 통해 되돌 아오는 빔과 집속구면거울(M4)에 의해 비선형 결정에 집속되어 제2고조파 빔이 발 생한다. 실제 측정할 때, M1은 2.5 Hz, 5 Hz, 10 Hz의 주파수에서 한가지로 선택 하여 회전 시킨다. M1이 회전하게 되면 PMT 검출기에서는 제2고조파 빔의 세기 분포를 적분하여 자기 상관 신호(Autocorrealtion signal)가 오실로스코프에서 관측 된다. 그렇게 측정된 자기 상관 신호를 이용해 펄스 폭을 계산하기 위한 교정 (Calibration)과정이 필요하다. 교정 요소(Calibration factor)는 다음 식 (3.1)로 나타 낼 수 있다.
(3.1)
여기서, 는 되반사경의 이동 거리(mm)이고, 는 자기 상관 신호의 최고점 이동 (ms)이다. 오실로스코프에서 되반사경의 이동거리에 따른 자기 상관 신호의 최고점 이동을 통해 펄스 폭 측정을 위한 요소를 교정하고 펄스 폭을 계산한다. 실제로 M1이 2.5 Hz로 회전할 때, 사용하는 레이저 발진기의 자기 상관계의 교정을 반복 측정하고 평균값을 측정한 결과 Calibration factor()는 6.5 ps/ms 이었다.
펄스 폭 측정 및 계산은 자기 상관계 자체 Calibration factor와 오실로스코프에서 측정한 자기상관 신호의 반치 폭 ∆ (FWHM of Autocorrelation signal), 펄 스 Shape factor (Gaussian or Hyperbolic secant)를 곱하면 레이저 발진기의 펄 스 폭이 계산된다. 자기 상관계 Calibration factor는 M1이 회전하는 주파수에 의해 결정되며, 앞에서 교정과정을 통해 구하였다.
펄스 폭 측정은 ∙ ∙ ∆ 이며, 식 (3.2)로 나타낼 수 있다.
∙ ∙ ∆
∙ ∙ ∆sech ∙ ∙ ∆ (3.2)
그림 3.7은 광 세기 자기상관계(Intensity Autocorrelator)와 오실로스코프를 이용
하여 측정한 레이저 발진기의 펄스 폭이며, 가우시안 형태라고 가정하였을 때, 약 4.5 ps, sech2라고 가정하였을 때, 약 4 ps로 측정되었다.
그림 3.7 광 세기 자기 상관계로 측정한 레이저 발진기의 펄스 폭
3. 1/4 파장판 회전각()에 따른 레이저 발진기 출력 특성
본 연구에서 제작한 광섬유 레이저 발진기는 그림 3.8과 같이 광 고립기 뒷쪽에 1/4 파장판이 삽입되어 있다. 이 1/4 파장판의 회전값에 따라 NPR에 의한 비선형 투과 특성이 다르기 때문에 1/4 파장판의 회전각()에 대한 레이저 출력 특성을 조 사하였다.
그림 3.8 레이저 발진기의 1/4 파장판 회전
그림 3.9는 오실로스코프로 측정한 에 따른 모드 잠금된 레이저 발진기의 펄스 열 이다. 각각 측정한 펄스 열로부터 모드 잠금된 펄스 간격은 모두 37 ns이고, 반 복률은 약 27 MHz로 측정 되었다. 28°∼56°까지 모드 잠금된 펄스로 발진되었다.
그리고 레이저 발진기의 펌프 파워를 점점 증가시켜 오실로스코프로 측정하였을 때, 모두 모드 잠금 출력이 안정적으로 관측되었다. 그리고 레이저 발진기의 펌프 파워에 따른 모드 잠금된 펄스 출력은 가 52°와 56°에서는 펌프 파워가 600 mW 이상에서 모드 잠금된 펄스가 관측되었고, 나머지 회전각()에서는 동일한 펌프 파 워 540 mW에서 모드 잠금 출력이 발진되었다.
그림. 3.9 오실로스코프로 측정한 레이저 발진기 펄스 열
그림 3.10은 에 따른 레이저 발진기 출력 특성을 나타내고 있다. 펌프 파워에 따 른 출력 특성의 경향을 보았을 때, 각각의 각도에서 일정한 비율로 펄스 에너지가 증가함을 알 수 있었다. 그리고 레이저 발진기의 펌프 파워 대비 출력 펄스 에너지 는 모두 가 44° 일 때 가장 높은 에너지로 측정되었다.
그림 3.10 1/4 파장판 회전각()에 따른 레이저 발진기의 출력 특성
그림 3.11은 가 28°∼56° 에서 모드 잠금된 레이저 발진기의 출력 스펙트럼과 그 에 해당하는 펄스 폭을 나타내고 있다. 회전각이 작아질수록 스펙트럼 폭이 넓어지 며 짧은 펄스 폭을 갖는 경향이 있었다. 그리고 레이저 발진기에서 최대 11 nm의 스펙트럼 폭과 약 4.5 ps 펄스 폭, 최소 4 nm 의 스펙트럼 폭과 약 13 ps 의 펄스 폭을 갖는 것을 알 수 있었다.
그리고 그림 3.12는 그림 3.11에서 얻은 펄스 폭과 스펙트럼 폭에 대한 반치폭을 정리한 것이다. 스펙트럼 폭과 펄스 폭이 서로 반비례 관계 임을 알 수 있다.
그림 3.11 변화에 따른 레이저 발진기 스펙트럼 및 펄스 폭 변화
그림 3.12 변화에 따른 레이저 발진기 스펙트럼 및 펄스 폭 경향