탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저의 극초단 펄스 생성 및 응용에 관한 연구

Abstract

극초단 펄스 레이저는 여기-탐침 분광학, OCT, 테라헤르츠 분광학, 광통신 등의 다양한 과학 및 산업분야에 응용 가능하다. 또한 탄소나노튜브 포화흡수체 기반의 광섬유 모드 잠금 레이저는 편광 및 다양한 환경 변화에 둔감하며 소형화에 유리하기 때문에, 산업이나 야외 환경 조건에서 응용하는데 매우 큰 장점을 갖느다. 하지만 탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저의 경우 광대역의 스펙트럼과 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스를 발진시키기가 매우 어렵다고 알려져 있다. 본 논문에서는 낮은 반전비를 갖는 이득 광섬유가 넓은 이득폭을 갖는다는 사실을 활용하여 극초단 펄스를 발진 시켰다. 원리적으로 높은 펄스에너지 또는 공진기의 총 분산이 0 근처인 극초단 펄스 발진 조건에서 공진기 안을 도는 펄스는 이득 광섬유의 강한 필터링 효과에 의해 불안정성이 생기게 되는데, 본 연구에서 설계한 공진기의 경우 이러한 필터링 효과를 감소시킴으로써 펄스 안정성을 향상시켰다. 따라서 포화흡수체의 낮은 변조깊이에도 불구하고 공진기 총분산 0 근처에서 안정적으로 펄스 발진이 가능하였고, 발진된 펄스는 매우 넓은 스펙트럼폭과 좁은 펄스폭을 형성 하였다. 이러한 안정성 향상에 대한 실험적 검증은 탄소나노튜브와 Na-CMC의 혼합체로 구성된 탄소나노튜브 포화흡수체를 제작한 뒤, 기존 설계안과 제안된 설계안으로 제작된 두 대의 레이저에 적용하여 펄스를 발진 시킨 뒤, 발진 된 펄스의 특성들을 비교 분석하여 진행 하였다. 각각의 레이저에 대해서 솔리톤 영역에서 펄스 에너지에 따른 안정성과, 공진기 총 분산에 따른 안정성을 비교하여 제안된 설계안이 실제로 펄스 안정성을 향상시킨다는 사실을 검증 하였으며, 최종적으로 공진기 총 분산이 $0.004 ps^2$ 인 영역에서 약 92 fs의 펄스폭과 47 nm의 스펙트럼폭을 갖는 매우 높은 성능의 펄스를 발진 시켰다. 이때 발진 된 펄스의 신호대 잡음비는 70 dB 이상이었다. 최종적으로 제작된 광섬유 기반 탄소나노튜브 포화흡수체 모드잠금 레이저를 테라헤르츠 시영역 분광 시스템에 응용하여 테라헤르츠 펄스를 획득하였으며, 신호처리 기술을 통해 실시간 측정 가능성에 대해 검토하였다.