펄스 레이저 개요

개요펄스 레이저

생성하는 가장 직접적인 방법원자 램프펄스 생성의 한 가지 방법은 연속 레이저 외부에 변조기를 추가하는 것입니다. 이 방법은 간단하지만 가장 빠른 피코초 펄스를 생성할 수 있지만, 낭비되는 광 에너지와 피크 전력은 연속 광 전력을 초과할 수 없습니다. 따라서 레이저 펄스를 생성하는 더 효율적인 방법은 레이저 공동 내에서 변조하여 펄스 열의 오프타임(off-time)에 에너지를 저장하고 온타임(on-time)에 에너지를 방출하는 것입니다. 레이저 공동 변조를 통해 펄스를 생성하는 데 사용되는 네 가지 일반적인 기술은 이득 스위칭, Q 스위칭(손실 스위칭), 공동 비우기, 그리고 모드 잠금입니다.

이득 스위치는 펌프 전력을 변조하여 짧은 펄스를 생성합니다. 예를 들어, 반도체 이득 스위치 레이저는 전류 변조를 통해 수 나노초에서 수백 피코초까지의 펄스를 생성할 수 있습니다. 펄스 에너지는 낮지만, 이 방식은 반복 주파수와 펄스 폭을 조절할 수 있어 매우 유연합니다. 2018년 도쿄대학교 연구진은 펨토초 이득 스위치 반도체 레이저를 발표했는데, 이는 40년간의 기술적 난관에 돌파구를 마련한 것입니다.

강한 나노초 펄스는 일반적으로 Q-스위치 레이저에 의해 생성되며, 이 레이저는 공동 내에서 여러 차례 왕복하여 방출됩니다. 펄스 에너지는 시스템 크기에 따라 수 밀리줄에서 수 줄 범위에 있습니다. 중간 에너지(일반적으로 1 μJ 미만)의 피코초 및 펨토초 펄스는 주로 모드 잠금 레이저에 의해 생성됩니다. 레이저 공진기에는 연속적으로 순환하는 하나 이상의 초단 펄스가 있습니다. 각 공동 내 펄스는 출력 결합 거울을 통해 펄스를 전송하며, 재주파수는 일반적으로 10 MHz에서 100 GHz 사이입니다. 아래 그림은 완전 정상 분산(ANDi) 소산 솔리톤 펨토초를 보여줍니다.파이버 레이저 장치대부분은 Thorlabs 표준 구성 요소(파이버, 렌즈, 마운트 및 변위 테이블)를 사용하여 제작할 수 있습니다.

공동 비우기 기술은 다음에 사용될 수 있습니다.Q-스위치 레이저더 짧은 펄스를 얻고, 모드 잠금 레이저를 사용하여 더 낮은 재주파수로 펄스 에너지를 증가시킵니다.

시간 영역 및 주파수 영역 펄스
시간에 따른 펄스의 선형 형태는 일반적으로 비교적 간단하며 가우시안 함수와 sech² 함수로 표현할 수 있습니다. 펄스 시간(펄스 폭이라고도 함)은 일반적으로 반치폭(FWHM) 값으로 표현되는데, 이는 광 출력이 피크 출력의 최소 절반 이상이 되는 폭입니다. Q-스위치 레이저는 나노초 단위의 짧은 펄스를 생성합니다.
모드 잠금 레이저는 수십 피코초에서 펨토초 단위의 초단 펄스(USP)를 생성합니다. 고속 전자 장치는 최대 수십 피코초까지만 측정할 수 있으며, 이보다 짧은 펄스는 자기상관기(autocorrelator), FROG, SPIDER와 같은 순수 광학 기술로만 측정할 수 있습니다. 나노초 이상의 펄스는 장거리에서도 펄스 폭이 거의 변하지 않지만, 초단 펄스는 다음과 같은 다양한 요인의 영향을 받을 수 있습니다.

분산은 펄스 폭을 크게 넓힐 수 있지만, 반대 분산으로 재압축될 수 있습니다. 다음 다이어그램은 Thorlabs 펨토초 펄스 압축기가 현미경 분산을 어떻게 보상하는지 보여줍니다.

비선형성은 일반적으로 펄스 폭에 직접적인 영향을 미치지 않지만, 대역폭을 넓혀 펄스가 전파 중 분산에 더 취약하게 만듭니다. 대역폭이 제한된 다른 이득 매체를 포함한 모든 유형의 광섬유는 대역폭 또는 초단 펄스의 모양에 영향을 미칠 수 있으며, 대역폭이 감소하면 시간이 지남에 따라 펄스 폭이 넓어질 수 있습니다. 또한 스펙트럼이 좁아지면 강하게 처핑된 펄스의 펄스 폭이 짧아지는 경우도 있습니다.