탄소나노튜브 포화흡수체를 이용한 광섬유 레이저 개발에 관한 연구

Abstract

본 연구는 야외 환경에 적용 가능한 SWNT-SAs 기반의 all-fiber 모드 잠금 레이저를 개발하는 것을 목표로 한다. 출력 특성이 우수한 All-fiber 모드 잠금 레이저를 개발하기 위하여 다양한 종류의 SWNT-SAs를 제작한 후 성능을 평가하였으며, 파이버 공진기 설계를 최적화 하였다. 제작 조건에 따른 SWNT-SAs의 특성 변화를 측정하기 위하여 설계 변수를 선정하고 그 값에 따른 모드 잠금 특성을 분석하였다. SWNT-SAs에 임계치 이상의 높은 에너지 빛에 지속적으로 노출될 경우 graphitization 현상이 발생하게 되며 보다 큰 에너지에 노출되면 optical burning 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 광 손상 현상에 의해 SWNT-SAs의 특성이 시간에 따라 변하기 때문에 모드 잠금 레이저의 펄스가 장시간 안정적으로 출력되기 위해서는 임계 치 이하의 빛이 SWNT-SAs를 투과하도록 펌프 파워가 조절되어야 한다. 이로 인하여 모드 잠금 레이저의 출력 파워를 높이거나 펄스폭을 줄이는데 제한이 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 광 손상에 강인한 SWNT-SAs의 제작이 요구된다. SWNT-SAs의 흡광도가 증가할수록 광 손상 임계 치가 증가하는 것을 확인하였으며, 모드 잠금 특성도 향상되는 것을 확인하였다. 또한 순도가 낮은 SWNT를 이용하여 제작된 흡수체가 높은 에너지에서의 손상이 적게 발생하는 것을 확인하였다. 공진기 내부의 전체 분산 값을 조절하여 모드 잠금 성능을 극대화하였으며 최적의 특성을 가지는 펄스가 발진될 수 있도록 출력 커플러 및 SWNT-SAs의 위치를 최적화하였다. SWNT-SAs의 특성을 향상시키기 위하여 높은 에너지의 펄스를 이용하여 SWNT-SAs를 전처리하는 방법을 제안하였으며, SWNT-SAs의 열적 특성을 향상시키기 위하여 열전도도가 좋은 금 나노입자를 첨가하여 열손상 경향 및 모드 잠금 특성 변화를 분석하였다. HiPCO 방식으로 제작된 순도 65wt%인 SWNT를 이용하여 흡광도 1.6~1.8을 만족하는 SWNT-SAs를 제작하였을 때 광 손상에 강인하고 모드 잠금 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 제작 과정에서 금 나노입자를 첨가시킴으로써 그 특성을 보다 향상시킬 수 있었다. 제작된 SWNT-SAs는 전처리 과정을 거치게 되며, 이를 통해 최고의 출력 특성을 나타내는 펄스를 획득할 수 있었다. 최적 설계된 파이버 공진기에 제작된 SNWT-SAs를 삽입시켜 모드 잠금을 수행하였으며, 출력된 펄스는 130fs의 펄스폭과 34.32nm의 파장폭, 11.57mW의 파워를 나타내었다. 이는 150fs 이하의 펄스폭을 갖는 SWNT-SAs 필름 기반의 all-fiber 모드 잠금 레이저의 출력 파워 값 중 가장 큰 값이다. 파이버 공진기 소형화를 수행하였으며, 출력 펄스를 증폭시키기 위한 all-fiber amplifying laser system을 구축하였다. 제작된 all-fiber amplifying laser system을 이용하여 출력 증폭을 수행하였으며 획득된 펄스는 출력 파워 85mW, 파장폭 77nm, 펄스폭 46fs(Gaussian fitting)의 특성을 나타내는 것을 확인하였다.