[논문 리뷰] A high throughput (>90%), large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor

Lingjie Kong, Meng Cui|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 20.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 30cm의 프리즘-루프미러 간격을 가진 단일 프리즘 패스파인세컨드 펄스 압축기로, 두 개의 루프미러를 후방 반사경으로 사용하여 >90.7%의 시스템 효율과 약 14,500 fs²의 그룹 지연 분산(GDD) 보상 범위를 달성한다. 이 설계는 각도 분산, 공간 분산, 펄스 프론트 기울기 없이, 퓌즈 실리카 루프미러의 전반사에 의해 왜곡 없는 압축과 단위 확대율, 고효율을 실현한다.

ABSTRACT

We demonstrate a high throughput, large compensation range, single-prism femtosecond pulse compressor, using a single prism and two roof mirrors. The compressor has zero angular dispersion, zero spatial dispersion, zero pulse-front tilt, and unity magnification. The high efficiency is achieved by adopting two roof mirrors as the retroreflectors. We experimentally achieved ~ -14500 fs2 group delay dispersion (GDD) with 30 cm of prism tip-roof mirror prism separation, and ~90.7% system throughput with the current implementation. With better components, the throughput can be even higher.

연구 동기 및 목표

• 다중광자 현미경 응용을 위한 고성능, 소형, 조정이 용이한 펌프스파인세컨드 펄스 압축기를 개발하기 위해.
• 기존의 금속 코팅이 된 코너 큐브를 사용한 단일 프리즘 압축기의 낮은 효율(~70%) 문제를 해결하기 위해.
• 각도 분산, 공간 분산, 펄스 프론트 기울기를 유도하지 않으면서도 넓고 조절 가능한 그룹 지연 분산(GDD) 범위를 달성하기 위해.
• 퓨즈 실리카 루프미러의 전반사 기반으로 고비침습성 및 편광 유지 성능을 확보하여 높은 빔 품질을 유지를 위해.

제안 방법

• 반사 손실을 최소화하기 위해 p-편광 광선을 브류스터 각도에서 입사시키는 단일 분산 프리즘(N-SF66)을 사용한다.
• 두 개의 퓌즈 실리카 루프미러(90° 프리즘)가 전반사에 의해 후방 반사경으로 기능하여 고반사율과 편광 각도 변화 없음을 보장한다.
• 빔은 프리즘을 두 번 통과한다: 한 번은 정방향, 한 번은 루프미러 시스템에 의해 반사된 후 역방향으로 통과한다.
• 출력 빔은 D자형은 은색 미러를 사용하여 추출하며, 고반사 다이렉틱 미러로 교체하면 효율을 추가로 향상시킬 수 있다.
• 첫 번째 루프미러를 이동시켜 효과적 경로 길이를 변화시킴으로써 GDD를 조절한다.
• 실험적으로 확인된 바, 시스템은 영각도 분산, 영공간 분산, 영펄스 프론트 기울기, 단위 확대율을 유지하도록 설계되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 프리즘 펌프스파인세컨드 펄스 압축기가 고효율(>90%)을 유지하면서도 넓은 GDD 보상 범위를 달성할 수 있는가?
• RQ2 전반사 기반의 루프미러로 코너 큐브를 대체할 경우, 시스템 효율과 편광 보존 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 프리즘과 조절 가능한 미러 이동만으로 GDD를 넓은 범위에서 얼마나 조절할 수 있는가?
• RQ4 루프미러의 사용이 출력 빔에서 각도 분산, 공간 분산, 펄스 프론트 기울기를 제거하는 데 기여하는가?
• RQ5 최소한의 광학 손실을 갖는 후방 반사경을 사용한 단일 프리즘 압축기에서 도달 가능한 최대 GDD와 시스템 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 프리즘 뾰족부에서 루프미러까지의 거리가 약 30cm일 때, 측정된 그룹 지연 분산(GDD)은 약 -14,500 fs²였다.
• GDD와 거리의 기울기는 -84 fs²/mm로 측정되었으며, 이는 이론적 값인 -82 fs²/mm과 매우 유사했다.
• 930 nm 펄스에서 시스템의 효율은 90.7% ± 0.7%로 측정되었으며, 이는 금속 코팅 코너 큐브를 사용한 이전의 단일 프리즘 설계보다 뚜렷이 높았다.
• D자형 은색 미러를 고반사 다이렉틱 미러로 교체하면 효율이 약 3% 향상될 것으로 예측된다.
• FROG 측정을 통해 시스템이 영각도 분산, 영공간 분산, 영펄스 프론트 기울기, 단위 확대율을 유지함을 확인하였다.
• 퓨즈 실리카 루프미러의 전반사 기반으로 고반사율을 확보하고 입사 빛의 편광 상태를 유지함으로써, 금속 코팅 코너 큐브보다 손실을 줄였다.