획기적인 발명! 세계 최고 출력의 3μm 중적외선 펨토초 파이버 레이저

획기적인 발견! 세계 최고 출력의 3μm 중적외선펨토초 파이버 레이저

파이버 레이저중적외선 레이저 출력을 얻기 위한 첫 번째 단계는 적절한 광섬유 매트릭스 재료를 선택하는 것입니다. 근적외선 광섬유 레이저에서는 석영 유리 매트릭스가 가장 일반적인 재료이며, 투과 손실이 매우 낮고 기계적 강도가 우수하며 안정성이 뛰어납니다. 그러나 석영 섬유는 높은 포논 에너지(1150 cm⁻¹) 때문에 중적외선 레이저 전송에는 사용할 수 없습니다. 중적외선 레이저의 낮은 투과 손실을 달성하기 위해서는 황화물 유리 매트릭스나 불화물 유리 매트릭스와 같이 포논 에너지가 낮은 다른 광섬유 매트릭스 재료를 선택해야 합니다. 황화물 섬유는 포논 에너지가 가장 낮지만(약 350 cm⁻¹), 도핑 농도를 높일 수 없다는 문제가 있어 중적외선 레이저를 생성하는 이득 섬유로는 적합하지 않습니다. 불화물 유리 기판은 황화물 유리 기판보다 포논 에너지가 약간 높지만(550 cm⁻¹), 4 μm 미만의 파장을 가진 중적외선 레이저에 대해 낮은 투과 손실을 달성할 수 있습니다. 더욱 중요한 것은 불화물 유리 기판이 높은 희토류 이온 도핑 농도를 달성할 수 있다는 점이며, 이는 중적외선 레이저 발생에 필요한 이득을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 가장 성숙한 Er3+용 불화물 ZBLAN 광섬유는 최대 10mol의 도핑 농도를 달성했습니다. 따라서 불화물 유리 기판은 중적외선 광섬유 레이저에 가장 적합한 광섬유 기판 재료입니다.

최근 선전대학교의 루안솽천 교수와 궈춘위 교수 연구팀은 고출력 펨토초 레이저를 개발했습니다.펄스 파이버 레이저2.8μm 모드 고정형 Er:ZBLAN 광섬유 발진기, 단일 모드 Er:ZBLAN 광섬유 전치 증폭기 및 대모드 필드 Er:ZBLAN 광섬유 주 증폭기로 구성됩니다.
본 연구팀의 편광 상태 제어에 의한 중적외선 초단펄스의 자체 압축 및 증폭 이론과 수치 시뮬레이션 연구 결과를 바탕으로, 대형 모드 광섬유의 비선형 억제 및 모드 제어 방식, 능동 냉각 기술, 그리고 양단 펌프의 증폭 구조를 결합하여 평균 출력 8.12W, 펄스 폭 148fs의 2.8μm 초단펄스를 구현했습니다. 이로써 본 연구팀이 달성한 최고 평균 출력의 국제 기록을 경신했습니다.

그림 1. MOPA 구조 기반 Er:ZBLAN 파이버 레이저의 구조도
구조는 다음과 같습니다.펨토초 레이저그림 1에 시스템이 나타나 있다. 프리앰프의 이득 광섬유로는 도핑 농도 7mol%, 코어 직경 15μm(NA = 0.12)의 3.1m 길이의 단일 모드 이중 클래드 Er:ZBLAN 광섬유를 사용하였다. 주 증폭기에서는 도핑 농도 6mol%, 코어 직경 30μm(NA = 0.12)의 4m 길이의 이중 클래드 대모드 필드 Er:ZBLAN 광섬유를 이득 광섬유로 사용하였다. 코어 직경이 클수록 이득 광섬유의 비선형 계수가 낮아져 더 높은 피크 전력과 더 큰 펄스 에너지의 펄스 출력을 견딜 수 있다. 이득 광섬유의 양 끝단은 AlF3 단자 캡에 융합되었다.