레이저 기술 개발 동향 - 펨토초 레이저와 단자외선 레이저 국 방 과 학 연 구 소 2015. 11. 26 2015. 11. 26 국 방 과 학 연 구 소 제 5기술연구본부 3부

목 차 1. 레이저 발진 이론 2. 극초단 레이저 3. 단자외선 고체레이저

1. 레이저 발진 이론

LASER HISTORY 1914 A. Einstein 유도방출의 이론적 발견 1950 C. Townes 마이크로파 유도방출 실험 1960 T. Maiman 루비레이저 발진

LASER LASER 공진기 (oscillator) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 유도방출에 의한 광증폭 단색성(monochromacity) 결맞음성(coherent) 직진성(?)(directionality) 이득 물질 (Gain Medium) 레이저 펌핑 에너지 반사경 (High Reflector) 출력경 (Output Coupler) 레이저 빔 공진기 (oscillator)

Emission e Spontaneous emission E2 E=hn E1 E=hn =E2-E1 자발방출 높은 에너지 준위에 있던 원자/분자가 lifetime이 지난 후 낮은 에너지 준위로 내려가면서 광자 방출 임의의 방향, 임의의 위상, 임의의 편광 E2 e E=hn E1 E=hn =E2-E1

Emission e Stimulated emission E2 E=hn E1 E=hn E=hn =E2-E1 유도방출 높은 에너지 준위에 있던 원자/분자가 광자와의 상호작용으로 낮은 에너지 준위로 내려가면서 광자 방출 입사된 광자와 동일한 방향, 동일한 위상, 동일한 편광 입사된 광자와 동일한 광자 획득으로 빛이 증폭되는 효과 E2 e E=hn E=hn E1 E=hn =E2-E1

Population inversion 밀도 반전 Maxwell Boltzmann distribution 반복된 유도방출에 의한 빛의 증폭 높은 에너지 준위 상태의 원자 수가 많아야 함. Maxwell Boltzmann distribution 자연상태의 시스템은 대부분 바닥 상태에 존재 에너지를 가하여 밀도반전 생성

Pumping I 밀도 반전 달성 펌핑 방법 기체 레이저 ⇒ electrical pumping 강한 세기의 펌핑→여기된 원자/분자 수 증가 → 밀도반전 펌핑 방법 기체 레이저 ⇒ electrical pumping 고체 레이저 ⇒ optical pumping Flash lamp, general laser, laser diode etc. I Output coupler High reflector Laser medium

Pumping Two-level system 밀도 반전 불가능 레이저 발진 불가 Three-level system Laser Transition Pump Transition 밀도 반전 불가능 레이저 발진 불가 Three-level system Laser Transition Pump Transition Fast decay Molecules accumulate in this level. 강한 에너지로 펌핑시 레이저 발진 Four-level system Laser Transition Pump Transition Fast decay Level empties fast! 쉽게 레이저 발진

2. 극초단 레이저

LASER HISTORY

Q-switching 연속발진 펄스발진 Voltage Off Voltage On 레이저의 세기가 시간에 대해 일정 낮은 출력 에너지를 축적한 후 짧은 순간(< 10 ns)에 출력 높은 첨두 출력 공진기 내에 셔터를 삽입. 매우 짧은 시간에만 개방 전기광학(Electro-optic), 음향광학(Acousto-optic), 수동적(Passive) 방법 Voltage Off Voltage On High reflector Output coupler Gain medium Polarizing beamsplitter Q-switch

Mode locked laser 다수의 종모드가 일정한 위상 관계를 가짐 1964년 피코초 모드 잠금 레이저 발진 1984년 210펨토초 고체 레이저 발진 1999년 처프거울과 프리즘 쌍을 이용한 5펨토초 레이저 발진 미세 기계 가공, 의학(아이라식), 초고속 분광학, 아토초 물리 연구 등에 널리 이용

Femtosecond Laser 펄스폭이 펨토(10-15)초에 해당하는 극초단(Ultrashort) 펄스 레이저 단색성이 레이저의 주요 특성이나, 펨토초 레이저는 넓은 스펙트럼(반치폭 100 nm)을 가진다. 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)를 이득 물질로 하는 고체레이저가 가장 널리 사용된다. 미세 기계 가공, 의학(아이라식), 초고속 분광학, 아토초 물리 연구 등에 널리 이용

Carrier Envelope Phase 𝐸 𝑡 =𝐴 𝑡 cos⁡( 𝜔 0 𝑡+𝜑 𝑡 + 𝜑 𝑐𝑒 𝑡 ) 𝐴(𝑡) envelope 𝜔 0 carrier frequency Carrier Envelope jce 𝜑(𝑡) chirp 𝜑 𝑐𝑒 (𝑡) CEP CEP의 정의 : carrier의 피크와 envelope의 피크간의 위상차 수주기 펄스를 이용한 빛과 매질의 상호 작용에서 CEP는 중요한 실험인자.

군속도와 위상속도의 차이 » 펄스와 펄스간의 CEP 미끄러짐 발생 Femtosecond Laser 군속도와 위상속도의 차이 » 펄스와 펄스간의 CEP 미끄러짐 발생 𝜙 𝑐𝑒,𝑛 =𝑛Δ 𝜙 𝑐𝑒 + 𝜙 0 시간영역 (a) F.T 주파수 영역 𝐸 𝜔 = e 0 𝑖𝜙 𝐸 (𝜔− 𝜔 0 ) 𝑚 𝛿(Δ 𝜙 𝑐𝑒 −𝜔𝜏−2𝜋𝑚) (b) 𝑓 𝑐𝑒𝑜 = Δ 𝜙 𝑐𝑒 2𝜋 𝑓 𝑟𝑒𝑝 𝑓 𝑚 =𝑚 𝑓 𝑟𝑒𝑝 + 𝑓 𝑐𝑒𝑜 (a) 펄스열 (b) 주파수 빗살 이상적인 경우, Djce 는 상수. 그러나 공기의 흐름, 기계적 진동, 에너지 및 온도의 요동으로 인해 Djce 에도 요동이 생긴다.

광주파수 빗살을 이용한 광주파수 측정 광주파수 빗살 fn = nfrep+fceo funknown fbeat Frequency

f-2f 간섭계 fn = nfrep+fceo f2n = 2nfrep+fceo 2fn = 2(nfrep+fceo) 광주파수 빗살 Frequency 광주파수 빗살 fn = nfrep+fceo f2n = 2nfrep+fceo Octave spectrum 2fn = 2(nfrep+fceo) 공진기 내 물질의 길이나 분산을 바꿔서 CEP의 값을 변화시킬 수 있다. PZT를 이용한 프리즘 삽입량 변화 ▶ 길이 제어 AOM을 이용한 펌프 출력 변화 ▶ 분산 제어 (광학적 커 효과 : n(l)=n0+n2I)

Phase Locked Loop 2fn fceo f2n

The direct locking method 2 𝑓 𝑛 𝐼 1 𝐼 2 𝑓 2𝑛

광주파수 측정 아세틸렌 안정화 레이저 : 광통신에서의 표준 1542 nm 아세틸렌 안정화 레이저 : 광통신에서의 표준 국제도량형위원회(International Committee for Weights and Measures: CIPM)에 의해 고시된 불확도는 ±5 kHz

광주파수 측정: 결과 알란편차의 기울기: t-1/2 → 주파수 잡음 측정된 광주파수는 고시된 불확도 내에 있음. fmeasured = 194 369 569 386.5 ± 0.2 kHz fCIPM = 194 369 569 384 ± 5 kHz 알란편차의 기울기: t-1/2 → 주파수 잡음 측정된 광주파수는 고시된 불확도 내에 있음. 직접 잠금 방법은 표준 측정에 충분히 사용 가능함

LASER HISTORY

High Power Laser Attributes LLNL Petawatt(1998) THALES ALPHA XS Energy 660 J 25 J Pulse width 440 fs 25 fs Peak Power 1.5 PW 1 PW Size Building 23.52 m2 Rep. Rate Few shots / day 1 Hz Gain material Nd:glass Ti:sapphire

Chirped Pulse Amplification

한국의 펨토초 PW 레이저

고출력 극초단 레이저 Gain-narrowing 현상으로 증폭 후 스펙트럼 폭이 좁아짐.

고출력 극초단 레이저 Hollow-core fiber에 Ar, Ne 가스를 채우고 레이저를 집속 시킴 Self phase modulation 현상에 의해 스펙트럼이 넓어짐. 처프 거울을 사용하여 분산 보상