획기적인 발견! 세계 최고 출력 3μm 중적외선 펨토초 파이버 레이저

획기적인 발견! 세계 최고 출력 3μm 중적외선펨토초 파이버 레이저

파이버 레이저중적외선 레이저 출력을 달성하기 위한 첫 번째 단계는 적절한 파이버 매트릭스 재료를 선택하는 것입니다. 근적외선 파이버 레이저에서 석영 유리 매트릭스는 매우 낮은 투과 손실, 신뢰할 수 있는 기계적 강도 및 뛰어난 안정성을 갖춘 가장 일반적인 파이버 매트릭스 재료입니다. 그러나 높은 포논 에너지(1150cm-1) 때문에 석영 파이버는 중적외선 레이저 전송에 사용할 수 없습니다. 중적외선 레이저의 저손실 투과를 달성하기 위해서는 황화물 유리 매트릭스나 불화물 유리 매트릭스와 같이 포논 에너지가 낮은 다른 파이버 매트릭스 재료를 다시 선택해야 합니다. 황화물 파이버는 포논 에너지가 가장 낮지만(약 350cm-1), 도핑 농도를 높일 수 없다는 문제가 있어 중적외선 레이저 생성을 위한 이득 파이버로 사용하기에 적합하지 않습니다. 불화물 유리 기판은 황화물 유리 기판보다 포논 에너지(550cm-1)가 약간 높지만, 파장이 4μm 미만인 중적외선 레이저에 대해서도 저손실 전송을 달성할 수 있습니다. 더 중요한 것은, 불화물 유리 기판이 높은 희토류 이온 도핑 농도를 달성할 수 있어 중적외선 레이저 생성에 필요한 이득을 제공할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, Er3+용 불화물 ZBLAN 파이버 중 가장 발전된 것은 최대 10mol의 도핑 농도를 달성할 수 있었습니다. 따라서 불화물 유리 매트릭스는 중적외선 파이버 레이저에 가장 적합한 파이버 매트릭스 재료입니다.

최근 심천대학교 Ruan Shuangchen 교수와 Guo Chunyu 교수 팀은 고출력 펨토초펄스 파이버 레이저2.8μm 모드 잠금 Er:ZBLAN 파이버 발진기, 단일 모드 Er:ZBLAN 파이버 프리앰프, 대형 모드 필드 Er:ZBLAN 파이버 주 증폭기로 구성됩니다.
본 연구팀의 편광 상태에 의해 제어되는 중적외선 초단 펄스의 자기 압축 및 증폭 이론과 수치 시뮬레이션을 기반으로, 대형 모드 광섬유의 비선형 억제 및 모드 제어 기법, 능동 냉각 기술, 그리고 양단 펌프의 증폭 구조를 결합하여, 본 시스템은 평균 전력 8.12W, 펄스 폭 148fs의 2.8μm 초단 펄스 출력을 달성했습니다. 본 연구팀이 달성한 최고 평균 전력의 국제 기록은 더욱 경신되었습니다.

그림 1 MOPA 구조 기반 Er:ZBLAN 파이버 레이저의 구조도
구조펨토초 레이저시스템은 그림 1에 나와 있습니다. 3.1m 길이의 단일 모드 이중 클래드 Er:ZBLAN 파이버는 도핑 농도가 7mol.%이고 코어 직경이 15μm(NA = 0.12)인 프리앰프의 이득 파이버로 사용되었습니다. 주 증폭기에서는 길이 4m의 이중 클래드 대모드 필드 Er:ZBLAN 파이버가 도핑 농도가 6mol.%이고 코어 직경이 30μm(NA = 0.12)인 이득 파이버로 사용되었습니다. 더 큰 코어 직경은 이득 파이버의 비선형 계수를 낮추고 더 높은 피크 전력과 더 큰 펄스 에너지의 펄스 출력을 견딜 수 있게 합니다. 이득 파이버의 양쪽 끝은 AlF3 터미널 캡에 융합됩니다.