광주입 잠금 방법을 이용한 좁은 선폭을 갖는 결맞음 노란색
광원의 발생
Coherent Yellow Light Generation with Narrow Linewidth
Using Injection Locking Method
김억봉*, 이원규, 박창용, 유대혁, 이선경, 유한영, 문종철, 박상언 한국표준과학연구원 * [email protected] 가시광 영역에서 노란색 광원은 지구 대기권 측정 분야 및 생물의학 분야에서 많은 응용성을 내포하고 있기 때문에 많은 관심을 받아왔다. 최근에는 원자나 이온 (ion)을 기반으로 하는 시계 표준 (metrology) 연구 분야에 서 광시계 전이선 분광을 위한 좁은 선폭을 갖는 결맞음 노란색 광원이 주목을 받고 있다. 하지만 레이저에 사 용되는 고체 물질 특성의 한계 때문에 가시광 영역에서 노란색 광원의 직접 발생은 어렵거나 불가능하기 하다. 현재 직접 노란색 광원을 얻는 유일한 방법은 bulky dye 레이저와 copper vapor 레이저 같은 기체 레이저를 사 용하는 것이다(1). 하지만 이 레이저들은 조작 및 유지 관리가 어렵고 선폭 축소를 위한 많이 노력이 필요하다. 이러한 기체 레이저를 대체하기 위하여 Cr:forsterite 레이저, Nd:YVO4 레이저, Yb:YAG disk 레이저, 그리고 다 양한 Raman-shifted 레이저들과 비선형 물질을 함께 사용하여 주파수를 배가 시키거나 합주파수 합성을 유도하 여 노란색 광원을 얻는다(2). 또는 Optical parametric oscillator 공진기와 비선형 물질인 PPLN을 사용하여 파장 가변이 가능한 노란색 광원을 생성 하기도 한다(3). 최근에는 선폭이 좁은 Yb-fiber레이저와 비선형 물질을 이용 하여 주파수 배를 배가 시키거나 좁은 선폭을 갖는 Nd:YAG 레이저와 Yb-fiber 레이저 사이의 합주파수 발생을 이용한다(4). 보다 작고 간단한 시스템을 구현하기 위하여 높은 예리도 (high-finesse)를 갖는 공진기에 선폭이 축소된 quantum dot laser와 비선형 물질이 포함된 증폭 공진기 (enhancement cavity)를 이용하여 노란색 광원 을 얻거나, 선폭이 축소된 507 nm의 ECLD의 출력을 tapered amplifier를 이용하여 파워를 직접 증폭한 후 비선 형 물질을 이용하여 주파수 배가 시키는 방법을 사용하기도 한다.
본 논문에서는 높은 예리도를 갖는 공진기에 의해 선폭이 축소된 레이저로부터 광주입 잠금된 반도체 레이 저를 직접 비선형 물질인PPLN 을 통과하도록 하여 이차 조화파에 의한 결맞음 노란색 광원을 얻는 새로운 방 법을 제안한다.
그림1은 광주입 잠금 방법을 이용한 노란색 광원 발생 실험 장치도를 보여주고 있다. 본 실험에서 사용된 지 배레이저는 Littrow 형식의 외부공진기 다이오드레이저 (ECDL)로 grating feed-back과 전류 조절에 의하여 파 장 선택이 가능 하며 단일 모드 발진으로 최대 12 mW 출력을 갖는다. 지배 레이저의 선폭 축소 및 주파수 안 정화를 위하여 공진기 길이 변화가 가능한 Fabry-Perot 기준 공진기를 ULE (ultra low expansion)의 재질을 가 지고 제작하였고, 공진기의 예리도 (finesse)는 약 10,000이다. ECDL을 기준 공진기에 안정화하기 위하여 Pound-Drever-Hall (PDH) 방법을 사용하였다. 상대적으로 높은 파워를 갖는 종속 레이저의 선폭 축소 및 주파 수 안정화를 위하여 광주입 잠금 방법을 사용하였다. 기준 공진기에 안정화된 ECDL의 출력 중 일부는 단일 모 드 파이버를 통하여 종속 레이저로 사용된 DFB레이저로 입사하게 된다. 일반적으로 광주입 잠금의 잠김 영역
(locking range)은 입사되는 광의 세기와 편광에 의존한다. 최적의 잠김 영역을 설정하기 위하여 편광 및 광주입 되는 광의 세기를 조절하였고 약 53 ㎼의 파워가 광주입 되었다. 광주입 잠금을 확인하기 위하여 지배레이저의 일부 파워와 AOM에 의하여 80 MHz주파수 편이된 종속 레이저 사이의 맥놀이 신호를 RF 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정하였다. 광주입 잠금된 종속레이저의 주파수를 배가 시키기 위하여 비선형 물질인 PPLN을 사용하 였다. 약 34 mW의 종속 레이저의 출력은 초점 거리가 약 7 mm인 렌즈를 통과하여 PPLN에 입사하게 되고 주 파수 배가 된 578 nm의 최대 파워는 약 2.4 mW 였다. 기준 공진기에 안정화된 ECDL의 선폭은 PHD 오차 신 호로부터 Allan 분산을 구한 후 자기 상관 함수의 Fourier transform을 사용하여 추정하였으며 그 결과는 약 230 Hz 였다. 생선된 결맞음 노란색 광원을 이용하여 선폭이 좁은 전이선을 가지고 있는 요도드 분자의 전이선 을 분광하였다. 광주입 잠금 방법을 이용한 노란색 광원 생성 방법은 앞선 연구방법들과 비교해 전체 시스템의 크기가 작고 이동성이 용이 하며 효율이 좋기 때문에 이터븀 원자의 광시계 전이선 분광과 같은 고분해 분광뿐만 아니라 생 물 의한 분야 등 에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다. Controller Temperature controller PPLN O.I. A.P. DFB M λ/2 λ/2 Servo λ/4 λ/2 λ/2 Spectrum analyzer Pol. AOM ECDL O.I. M PD M Controller EOM H.C. PD λ/2 Oscilloscope 그림 1 선폭이 좁은 결맞음 노란색광원을 생성하기 위한 실험 장치도. 참 고 문 헌
1. S. Behrouzinia, R. Sadighi, and R. Parvin, “Pressure dependence of the small-signal gain and saturation intensity of a copper vapor laser”, Appl. Opt. 42, 1013 (2003).
2. A. J. Lee, H. M. Pask, T. Omatsu, P. Dekker, J. A. Piper, “All-solid-state continuous-wave yellow laser based on intracavity frequency-doubled self-Raman laser action”, Appl. Phys. B 88, 539 (2007).
3. O. B. Jensen, M. B.-Larsen, O. B.-Petersen, T. Skettrup, “Yellow nanosecond sum-frequency generating optical parametric oscillator using periodically poled LiNbO3”, Appl. Phys. B 91, 61 (2008).
4. F.-L. Hong, H. Inaba, K. Hosaka, M. Yasuda, and A. Onae, “Doppler-freee spectroscopy of molecular iodine using a frequency-stable light source at 578 nm”, Opt. express 17, 1652 (2009).
