펄스 레이저 개요

개요펄스 레이저

가장 직접적인 생성 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 난제에 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 커플링 거울을 통해 펄스를 전송하며, 재주파수는 일반적으로 10MHz에서 100GHz 사이입니다. 아래 그림은 완전 정상 분산(ANDi) 소산 솔리톤 펨토초를 보여줍니다.파이버 레이저 장치대부분은 Thorlabs 표준 구성 요소(섬유, 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-스위칭 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, 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, 반대의 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 전파 중 펄스가 분산되기 쉽게 만듭니다. 대역폭이 제한된 다른 이득 매체를 포함한 모든 유형의 광섬유는 대역폭 또는 초단 펄스의 모양에 영향을 미칠 수 있으며, 대역폭 감소는 시간적 폭이 넓어지는 결과를 초래할 수 있습니다. 또한 스펙트럼이 좁아지면 강하게 처핑된 펄스의 펄스 폭이 짧아지는 경우도 있습니다.