20펨토초 미만의 가시광선 가변 펄스 레이저 소스

20펨토초 미만의 가시광선가변 펄스 레이저 소스

최근 영국의 한 연구팀은 20펨토초 미만의 가변 메가와트급 가시광선 가변 소자를 성공적으로 개발했다고 발표하며 혁신적인 연구를 발표했습니다.펄스 레이저 소스. 이 펄스 레이저 소스는 초고속파이버 레이저이 시스템은 파장을 조절할 수 있고, 지속 시간이 매우 짧으며, 에너지는 최대 39나노줄이고, 피크 전력은 2메가와트를 초과하는 펄스를 생성할 수 있어 초고속 분광법, 생물학적 이미징, 산업 처리 등의 분야에서 완전히 새로운 응용 가능성을 열어줍니다.

이 기술의 핵심은 "이득 관리 비선형 증폭(GMNA)"과 "공진 분산파(RDW) 방출"이라는 두 가지 최첨단 기술의 결합에 있습니다. 과거에는 이러한 고성능 가변 초단 펄스를 얻기 위해 일반적으로 고가이고 복잡한 티타늄-사파이어 레이저 또는 광 파라메트릭 증폭기가 필요했습니다. 이러한 장치는 비용이 많이 들고 부피가 크며 유지 보수가 어려웠을 뿐만 아니라 낮은 반복률과 튜닝 범위로 인해 제약을 받았습니다. 이번에 개발된 완전 광섬유 솔루션은 시스템 아키텍처를 크게 단순화할 뿐만 아니라 비용과 복잡성을 크게 줄입니다. 400~700나노미터까지 튜닝 가능한 20펨토초 미만의 고출력 펄스를 4.8MHz의 높은 반복 주파수에서 직접 생성할 수 있습니다. 연구팀은 정밀하게 설계된 시스템 아키텍처를 통해 이러한 획기적인 성과를 달성했습니다. 첫째, 비선형 증폭 링 미러(NALM) 기반의 완전 편광 보존 모드 잠금 이터븀 파이버 발진기를 시드 소스로 사용했습니다. 이 설계는 시스템의 장기 안정성을 보장할 뿐만 아니라 물리적인 포화 흡수체로 인한 성능 저하 문제를 방지합니다. 전치 증폭 및 펄스 압축 후, 시드 펄스는 GMNA 단계로 유입됩니다. GMNA는 광섬유의 자기 위상 변조 및 종방향 비대칭 이득 분포를 활용하여 스펙트럼 확장을 달성하고 거의 완벽한 선형 처프를 갖는 초단 펄스를 생성하며, 이 펄스는 최종적으로 격자 쌍을 통해 40펨토초 미만으로 압축됩니다. RDW 생성 단계에서 연구진은 자체 설계 및 제작한 9개 공진기를 갖는 반공진 중공 광섬유를 사용했습니다. 이러한 광섬유는 펌프 펄스 대역과 가시광선 영역에서 손실이 매우 낮아 펌프에서 분산파로 에너지를 효율적으로 변환하고 고손실 공진 대역으로 인한 간섭을 피할 수 있습니다. 최적의 조건에서 시스템의 분산파 펄스 에너지 출력은 39나노줄, 최단 펄스 폭은 13펨토초, 최대 전력은 2.2메가와트, 에너지 변환 효율은 최대 13%에 달할 수 있습니다. 더욱 흥미로운 점은 가스 압력과 광섬유 매개변수를 조정함으로써 자외선 및 적외선 대역까지 쉽게 확장하여 심자외선에서 적외선까지 광대역 튜닝을 달성할 수 있다는 것입니다.

이 연구는 광자학의 기초 분야에서 중요한 의미를 가질 뿐만 아니라, 산업 및 응용 분야에 새로운 지평을 열어줍니다. 예를 들어, 다중 광자 현미경 이미징, 초고속 시간 분해능 분광법, 재료 가공, 정밀 의학, 초고속 비선형 광학 연구 분야에서 이 작고 효율적이며 저렴한 새로운 유형의 초고속 광원은 사용자에게 전례 없는 도구와 유연성을 제공할 것입니다. 특히 높은 반복률, 최대 전력, 초단 펄스가 필요한 상황에서 이 기술은 기존의 티타늄-사파이어 또는 광 매개 증폭 시스템보다 경쟁력이 뛰어나고 홍보 잠재력도 더 큽니다.

연구팀은 향후 시스템의 소형화 및 집적화를 위해 여러 개의 자유 공간 광 소자를 포함하는 현재 아키텍처를 광섬유에 통합하거나, 기존 발진기와 증폭기 조합을 단일 마미셰프 발진기로 대체하는 등 시스템을 더욱 최적화할 계획입니다. 또한, 다양한 유형의 반공진 광섬유에 적용하고, 라만 활성 가스와 주파수 배가 모듈을 도입함으로써 이 시스템은 더 넓은 대역으로 확장되어 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 영역에 대한 광대역 초고속 레이저 솔루션을 제공할 것으로 기대됩니다.

그림 1. 펄스 레이저 튜닝의 개략도