펨토초 펄스 레이저를 위한 실시간 모니터링 및 제어 시스템

Abstract

극초단 펨토초 펄스 레이저는 짧은 펄스폭, 넓은 광대역, 높은 첨두 출력, 높은 광 주파수 안정도의 장점에 의해 정밀 측정 및 측량, 정밀 위치 결정, 마이크로 가공, 광통신 및 나노 바이오 산업 등 광범위한 산업 분야에 적용되고 있다. 또한 이러한 극초단 레이저 기술을 우주 분야로 확장할 경우 정밀 분광 시스템의 보정, LIDAR, 광시계, 등가구경 대형 망원경을 통한 정밀 천체 관측, 상대성 원리 검증과 같은 미래 우주 기술에서도 획기적인 성능 개선이 가능할 것으로 보인다. 상기와 같은 산업/우주 분야에 펨토초 레이저를 적용하기 위해서는 광원의 광 주파수, 광출력 및 펄스의 안정화가 필수적이며 이와 동시에 광원의 특성을 지속적으로 감시 해야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 일반적으로 많은 모니터링 및 제어 장비를 포함한 크고 복잡한 시스템이 요구되며 펨토초 레이저 광원의 산업 및 우주 적용을 보다 용이하게 하기 위해서는 초소형의 자동 모니터링/제어 통합 시스템이 필요할 것으로 사료된다. 이에 따라 본 연구에서는 차세대 우주 및 산업 활용을 위한, 초소형의 펨토초 레이저의 모니터링 및 제어(RMC) 시스템을 목표로 하였다. 펨토초 레이저의 모드 잠금 및 특성 측정을 위하여 시간 영역과 주파수 영역, 전 영역에 걸친 모니터링이 요구되며, RMC 시스템에서는 시간 및 주파수 영역의 측정 메커니즘을 통합함으로써 한번의 측정으로 펨토초 펄스 레이저의 평균 출력, 펄스열, 펄스폭, 광스펙트럼 및 반복률 데이터를 획득할 수 있도록 하였다. 수백 펨토초 수준의 펄스폭을 측정할 수 있도록 증폭된 주사 거리를 얻을 수 있는 불균형 팔(unbalanced arm)을 가진 자기 상관기(autocorrelator)를 도입하였으며 높은 분해능의 반복률 측정을 위하여 헤테로다인 검출(heterodyne detection)을 통해 낮춘 주파수를 FPGA 프로그래밍으로 구현한 주파수 계수기로 측정되도록 하였다. 기본 특성 모니터링과 동시에 펄스폭과 반복률 특성 측정을 위한 PZT 주사 및 PLL 제어가 자동적으로 이루어지며 펌핑 레이저의 출력 및 온도 폐루프 제어를 통해 레이저 출력이 안정적으로 유지되도록 하였다. 이와 같은 설계에 따라 어븀 첨가 광섬유를 이득 매질로 하는 펨토초 수준의 펄스폭을 가진 레이저를 대상으로 1% 이내의 분해능으로 평균 출력 측정이 가능하고, 최대 수십에서 수백 MHz에 이르는 반복률의 펄스열 측정이 가능하며 수 fs 수준의 분해능으로 펄스폭 측정이 가능하며 mHz 수준의 높은 분해능으로 반복률 측정이 가능한 RMC 시스템을 구현하였다. 다음으로, 구현한 RMC 시스템의 성능 검증을 위하여 통과형 포화흡수체를 기반으로 하는 턴키 방식의 자동 모드 잠금이 가능한 광섬유 레이저를 개발하였다. RMC 시스템은 주어진 레이저의 평균 출력을 0.2%의 분해능으로, 펄스폭은 1 fs 수준의 분해능으로, 반복률은 50 mHz 수준의 분해능으로 측정하였으며 이에 따라 주어진 어븀 첨가 광섬유 레이저를 계획된 성능으로 측정 가능함을 검증하였다. 향 후 소자 변경을 통하여 측정 대상을 일반적인 펨토초 레이저로 확장 시킬 수 있다.