전-정상 분산 공진기에서 무색수차 파장판을 이용한
환경적으로 안정한 피코초 이터븀 광섬유 레이저
Environmentally-stable picosecond Yb-doped all-normal
dispersion fiber laser with achromatic waveplate
장광훈, 윤태현 고려대학교 물리학과 [email protected] 우리는 모든 소자가 정상분산을 갖는 선형 공진기에서 무색수차 사분의 파장판(achromatic quarter-wave plate, AQWP)과 포화흡수거울을 이용하여 환경적으로 안정적인 피코초 이터븀 광섬유 레이저를 제작하였다. 단 일 편광으로 발진하는 피코초 레이저를 간섭형 자기상관계로 측정한 펄스폭은 약 2 ps 이며 117 MHz 반복주파 수에 1 nJ의 펄스에너지를 가지고 있다. 특별한 안정화 장비 없이도 기본 RF 신호의 알란 편차는 1 초에 3.8×10-8 수준이고 위상잡음은 10 Hz에서 오프셋 주파수 -95 dBc/Hz 수준으로 환경적으로 매우 안정적이었다. 그림 1과 같이 1010 nm에서 1080 nm 영역에서 반사율 70 %이고 변조 깊이가 20 %인 포화흡수거울과 1055 nm를 중심으로 60 nm 대역에서 15 % 반사율을 갖는 광섬유 브라그 격자를 이용하여 선형 공진기를 제작하였 다. 이득 매질로는 976 nm에서 250 dB/m의 흡수율을 갖는 50 cm 길이의 이터븀 첨가된 광섬유를 이용하였고 광섬유 브라그 격자에 융착결합 하였다. 이터븀 첨가된 광섬유의 반대편 끝단은 FC/APC 커넥터를 제작하여 빛 을 시준하고 포화흡수거울에 집광하였다. 집광용 렌즈의 초점거리는 안정적인 자가발진 모드잠금된 레이저를 발 진하기 위해 필요한 7.8 mm로 선택하였다. FC/APC 커넥터와 포화흡수거울 사이에는 AQWP를 삽입하여 포화 흡수 거울에서 반사되어 돌아가는 빛의 편광을 편광유지 광섬유의 편광축에 맞추었다. 레이저 발진에 가장 중요 한 요소인 AQWP는 편광 조절기능과 함께 공진기 내부에서 복굴절성 필터로써 사용된다. 레이저를 구성하는 모든 소자는 1030 nm에서 정상 분산을 가지며 광섬유들은 +0.023 ps2/m, 광섬유 브라그 격자는 +0.057 ps2으로 전체 분산은 약 +0.1 ps2 이다. 전체 공진기 길이는 88 cm이고 펄스 반복율은 117 MHz 이었다. 그림 1. 환경적으로 안정적인 전 정상 분산 피코초 이터븀 광섬유 레이저 실험 구성도. PZT : piezo-electric transducer, SAM : saturable absorbtion mirror, AQWP : achromatic quarter-wave plate, YDF : ytterbium doped fiber, FBG : fiber Bragg grating, WDM : wavelength division multiplexing coupler, PD : high-speed photo diode, Amp : low-noise amplifier.
그림 2. 무색수차 사분의 파장판 회전각에 대한 광학적 스펙 트럼과 RF 스펙트럼.
AQWP를 편광유지 광섬유 편광축에 대해 회전시켜 45도 마다 안정적인 모드잠금된 레이저가 발진되는 영역 을 확인하였다. 안정적인 모드잠금된 레이저를 발진시키기 위해 AQWP를 회전시켜 광섬유로 되돌아가는 빛의 편광을 편광유지 광섬유의 느린 축(slow axis) 혹은 빠른 축(fast axis)에 일치하도록 조절하였다. 되돌아가는 빛 의 편광이 광섬유의 느린 축에 일치하고 펌프 레이저의 출력이 약 380 mW 일 때, 레이저의 출력이 100 mW 이었다. 이때 모드잠금된 레이저는 그림 2 (b)와 같이 선폭이 26 nm인 광 스펙트럼을 갖고 선형 편광 되어있다. 안정적인 모드잠금된 레이저가 발진되는 조건에서 무색수차 사분의 파장판만을 45도 회전시키면 광섬유의 빠른 축에 편광을 맞출 수 있고 그 때는 그림 2 (a)와 같이 선폭이 15 nm인 광 스펙트럼을 갖는 모드잠금된 레이저 를 발진 할 수 있었다. 되돌아가는 빛의 편광이 빠른축에 맞추어져 있는 경우 방출되는 하나의 펄스의 편광이 느린축에 맞추어져 있을 때 뒤따르는 펄스의 편광이 앞선 펄스에 수직하게 되어 출력되는 레이저는 서로 수직 한 두 선형편광 성분이 동시에 존재하며 실험적으로 서로 수직한 두 편광성분이 있음을 확인하였다. 그 때의 RF 스펙트럼은 117 MHz의 절반인 58.5 MHz 간격으로 관측되었다. AQWP는 넓은 파장영역에서 사용하기 위 해 복굴절성 물질인 crystalline quartz와 MgF2의 조합으로 이루어져있다. 총 두께가 1.83 mm수준인 AQWP는
공진기 내부에서 1030 nm 중심에서 34 nm 대역폭을 갖는 복굴절성 필터로 사용된다(1). 실험에 사용된 광섬유 브라그 격자의 반사율이 1020 nm 근처의 단파장 영역에서 줄어들고 복굴절성 필터의 투과도가 1050 nm 근처에 서 줄어들게 되어 전체 광학적 스펙트럼은 1020 nm에서 1050 nm 사이에서 결정되었다. 결론적으로 우리는 모든 소자가 정상분산을 갖는 선형 공진기에서 AQWP)와 포화흡수거울을 이용하여 환경 적으로 안정적인 피코초 이터븀 광섬유 레이저를 제작하였다. 단일 편광으로 발진하는 피코초 레이저를 간섭형 자기상관계로 측정한 펄스폭은 약 2 ps 이며 117 MHz 반복주파수에 1 nJ의 펄스에너지를 가지고 있다. 단일 편광으로 발진하는 모드잠금된 레이저를 간섭형 자기상관계로 측정한 펄스폭은 약 2 ps 수준이며 117 MHz 반 복주파수에 1 nJ의 펄스에너지를 가지고 있다. 특별한 안정화 장비 없이도 기본 RF 신호의 알란 편차는 1 초에 3.8×10-8 수준이고 위상잡음은 10 Hz에서 오프셋 주파수 -95 dBc/Hz 수준으로 환경적으로 매우 안정적이었다.
1. C. Y. Chong, “Femtosecond fiber lasers and amplifiers based on the pulse propagation at normal ispersion”, Ph.D. Dissertaion, Cornell University, (2008).
