본 연구에서는 기존 볼록 렌즈 2쌍 구조의 펄스 확대기를 재구성하여 그림 3.7과 같이 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 사용한 갈릴레이식 망원경 구조를 이용하여 소형화 된 펄스 확대기를 구성하였다. 연구에 사용한 회절격자는 1500 g/mm를 사용하였 고 오목 렌즈의 초점 거리는 -50 mm이며 볼록 렌즈의 초점 거리는 75 mm이다.
(a)
(b)
그림 3.7 본 연구에서 사용한 펄스 확대기 모식도(a)와 구성 사진 (b)
그림 3.7과 같이 펄스 확대기를 구성한 후 볼록 렌즈와 오목 렌즈 초점 거리, 렌 즈 사이의 거리를 계산하여 펄스 폭을 확대시켰다. 이러한 구조로 펄스 확대기를 구성할 경우 그림 3.8과 같이 단파장의 빔(Blue)이 장파장의 빔(Red)보다 초록색 선 길이만큼 광 경로차가 발생한다. 단파장 빔은 거울에 의해 반사되면서 한번 더 광 경로를 겪게 되어 추가적인 광 경로차가 발생한다. 이로 인해 최종 출력단에서 펄스는 확대된 폭을 가지게 된다. 광 경로차에 의한 확대 가능한 펄스 폭에 대해 식 3.1과 같이 쓸 수 있다.
그림 3.8 단파장 빔과 장파장 빔의 광 경로차 발생
sin sin costan
(3.1)
위 식에서 L은 회절격자 2에서 Beam size이며 는 회절격자 1에 대한 입사각이 다. 와 는 회절격자 1에 대한 파장 와 의 회절각을 나타내고 식 3.2와 식 3.3으로 쓸 수 있다.
sin
sin
(3.2)
sin
sin
(3.3)
식 3.2와 식 3.3에서 d는 회절격자의 간격이고 m은 회절 차수를 가리킨다. 회절 격자 2의 사용 직경에 따른 펄스 폭 확대 정도에 대한 그래프는 그림 3.9과 같다.
주어진 100 mm 길이의 회절격자 2를 이용해 얻을 수 있는 최대 확대된 펄스폭은 약 1 ns 정도이다. 이 계산에서는 각 파장별 세기가 같다고 가정한 것이다. 파장별 광 세기를 실험적으로 고려하면 최대 확대된 펄스 폭은 약 400 ps 정도이다. 이 때 회절격자 2와 볼록 렌즈 사이의 거리는 약 180 mm 이었다. 설계된 펄스 확대기의 크기는 약 460 mm 정도이다. 원하는 확대된 펄스 폭을 위해 기존에 사용된 방식 으로 볼록 렌즈 2개로 펄스 확대기를 설계한다고 할 경우 필요 공간은 최소 1.2 m 이상이 필요하다. 본 연구에서 설계한 펄스 확대기는 기존의 펄스 확대기와 비교하 였을 경우 약 3배의 공간 규모를 축소시켰음을 알 수 있다.
0 20 40 60 80 100 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Stretched pulse width (ns)
Beam size on a Grating 2 (mm)
그림 3.9 회절격자 2의 빔 사이즈에 따른 펄스 폭 확대 정도
확대된 펄스의 전체 진행 경로는 그림 3.10과 같다. 공진기로부터 나오는 신호광 은 광 고립기(Isolator)와 λ/2 파장판을 지나면서 수평 편광 상태로 펄스 확대기에 입사한다. 펄스 확대기에서 되돌아오는 빔은 다시 λ/2 파장판을 지나 45° 편광 상 태가 되고 광 고립기로 되돌아가 수직 편광 상태가 되어 거울 M3 방향으로 진행 한다. 그리고 시준된 빔은 M3에 의해 광섬유 전단 증폭기에 입사한다.
그림 3.10 본 연구에서 사용한 펄스 확대기의 전체 진행 경로