간섭법 기반의 정밀 광 측정을 위한 고출력 광섬유 펨토초 레이저 개발

Abstract

광섬유 펨토초 레이저는 간결한 구성, 턴키(turkey) 방식의 쉬운 작동, 높은 장기 안정도, 높은 빔 품질 및 출력 확장성의 산업적 장점으로 인해 정밀 응용분야에 활발히 적용되고 있다. 특히 우주 및 대기 중의 정밀 장거리 측정, 산업적 시편에 대한 정밀 형상 측정, 대기 흡수선 분광, 천문 분광기 보정의 간섭법 기반 정밀 광 측정 분야의 확대와 고 정밀도 요구에 따라 고기능의 광섬유 펨토초 레이저가 요구되고 있다. 본 연구에서는 이러한 요구에 대응하기 위해 광원이 갖추어야 할 특성인, 측정 범위 확장을 위한 고출력 특성, 측정 분해능 향상을 위한 좁은 펄스 폭 특성, 측정 신뢰성 및 정밀도 향상을 위한 고 안정도, 측정분야 확장을 위한 넓은 주파수 대역폭, 측정 정밀도 향상을 위한 고 가간섭성 특성들을 다 갖춘 간섭법 기반 정밀 광 측정을 위한 광섬유 펨토초 레이저 개발을 목표로 하였다. 본 연구의 목표를 위해 비선형 편광회전 방식과 포화흡수체 방식을 결합한 하이브리드 모드잠금 방식의 광섬유 펨토초 공진기를 개발하므로 154 mW의 출력과 146 fs의 폭을 갖는 고출력, 극초단의 단일 펄스를 생성하였으며, 전체 펄스 에너지 3.13 nJ의 98.5 %가 320 fs 폭의 주 펄스에 집중 된 고 에너지 집중도의 펄스를 생성하였다. 또한 10 Hz 이하의 선 폭을 갖는 고차 반복률의 생성과, 외부 CW 광원과의 beat 신호가 35 dB이상의 높은 S/N 비를 가짐을 확인하므로 낮은 위상잡음을 갖는 광 빗 생성에 대한 검증을 수행하였고, 자동 모드잠금 장치 개발 및 공진기 시스템 안정화, 반복률 주파수 안정화를 수행하여 1달 이상의 안정적인 모드잠금 상태 유도와 0.061 %의 출력 안정도, 8.7X10-12의 주파수 안정도를 갖는 고 안정도의 광 빗 생성을 수행하였다. 또한 본 연구에서는 증폭시스템 없이 고출력 극초단의 하이브리드 모드잠금 된 펄스와 고 비선형 광섬유 만을 사용하므로 높은 효율의 주파수 대역 확장을 통해 1120 nm 에서 2400 nm 이상의 주파수 대역폭을 갖는 supercontinuum을 생성하였고, 비동일 간섭계를 이용하여 측정한 supercontinuum의 평균 가시도가 0.93으로 측정되므로 고 가가섭성을 갖는 광대역 광 빗 생성을 검증하였다. 이상과 같이 구현된 고출력, 좁은 펄스 폭, 고 안정도, 광대역, 고가간섭성의 특성을 모두 갖춘 광섬유 펨토초 레이저는 기존의 광 측정 분야인 대 영역의 조선, 국방, 우주 산업부터 정밀 산업인 반도체, 디스플레이, 바이오 영역에 까지 적용 되므로 간섭법 기반의 초정밀 광 측정의 구현과 펨토초 레이저 광원의 산업화에 기여할 것으로 기대된다.