[논문 리뷰] Directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked, few-cycle Cr:ZnSe oscillator

Nathalie Nagl, Sebastian Gröbmeyer외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 60인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 단일 1650 nm InP 레이저 다이오드를 사용하여 직접 다이오드 펌프링된 첫 번째 킬러 렌즈 모드-잠금 Cr:ZnSe 레이저 오실레이터를 제시한다. 이로써 평균 출력이 500 mW를 초과하고 펄스 길이가 45 fs에 이르며, 2.4 µm에서 여섯 개 이내의 광학 주기 수준에 해당한다. 이는 이전의 다이오드 펌프링 시스템 대비 피크 전력이 60배 증가한 것으로, 섬유 펌프링 오실레이터 수준의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Lasers based on Cr$^{2+}$-doped II-VI material, often known as the Ti:Sapphire of the mid-infrared, can directly provide few-cycle pulses with super-octave-spanning spectra, and serve as efficient drivers for generating broadband mid-infrared radiation. It is expected that the wider adoption of this technology benefits from more compact and cost-effective embodiments. Here, we report the first directly diode-pumped, Kerr-lens mode-locked Cr$^{2+}$-doped II-VI oscillator pumped by a single InP diode, providing average powers of over 500 mW and pulse durations of 45 fs - shorter than six optical cycles at 2.4 $\mu$m. These correspond to a sixty-fold increase in peak power compared to the previous diode-pumped record, and are at similar levels with respect to more mature fiber-pumped oscillators. The diode-pumped femtosecond oscillator presented here constitutes a key step towards a more accessible alternative to synchrotron-like infrared radiation, and is expected to accelerate research in laser spectroscopy and ultrafast infrared optics.

연구 동기 및 목표

• 섬유 펌프링된 중적외선 펌터세컨드 레이저의 대안으로 소형, 저비용, 고효율인 장치를 개발하기 위해.
• Cr:ZnSe 레이저에서 저출력, 저빛줄기 밝기의 다이오드 펌프링의 한계를 극복하고, 높은 빛줄기 품질을 갖춘 직접 다이오드 펌프링을 가능하게 하기 위해.
• 다이오드 펌프링된 증폭 매체를 사용한 킬러 렌즈 모드-잠금을 통해 중적외선 범위에서 초단 펄스 수준의 몇 주기 펄스를 달성하기 위해.
• 고정밀 분광법 및 주파수 조합 응용에 적합한 낮은 진폭 노이즈 성능을 확보하기 위해.

제안 방법

• 5 mm 길이의 다결정 Cr:ZnSe 결정을 단일 1650 nm InP 레이저 다이오드로 펌프링하였으며, 최대 3.6 W의 출력을 달성하였다.
• 레이저 빔은 비구면 렌즈와 원통형 렌즈를 사용하여 수정하여, 결정 부위에서 약 50 µm × 90 µm의 집속 초점이 되도록 하였다.
• 왜곡을 최소화하고 캐비티의 군속도 분산를 제어하기 위해 곡면 거울과 YAG 판을 포함한 비대칭 X-폴드 캐비티를 사용하였다.
• 부드러운 약한 조건의 킬러 렌즈 모드-잠금은 기계적 거울 이동을 통해 시작되었으며, 이는 초단 펄스의 자가 시작을 가능하게 하였다.
• 군지연 분산(GDD)은 브류스터 각도에서 3 mm 두께의 사파이어 판을 사용하여 보정하였고, 삼차분산(TOD)은 특수 설계된 분산 거울을 통해 보정하였다.
• 진폭 노이즈는 저노이즈 전류원, InGaAs 광검출기, DC 필터링 기능을 갖춘 RF 스펙트럼 분석기를 사용하여 주파수 제곱의 펄스 열을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 다이오드 펌프링된 Cr:ZnSe 오실레이터가 섬유 펌프링 시스템과 유사한 펌터세컨드 펄스 길이를 달성할 수 있는가?
• RQ2 단일 에미터 레이저 다이오드를 사용한 직접 다이오드 펌프링에서 얻을 수 있는 최대 평균 출력과 펄스 길이는 얼마인가?
• RQ3 다이오드 펌프링된 KLM Cr:ZnSe 오실레이터의 진폭 노이즈 성능은 기존의 섬유 펌프링 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 소형 단일체 캐비티에서의 분산 관리가 고빛줄기 품질을 유지하면서 2.4 µm 범위에서 몇 주기 펄스를 가능하게 하는가?
• RQ5 다이오드 빔의 이방성과 열 부하가 모드-잠금 안정성과 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 오실레이터는 2.4 µm에서 500 mW 이상의 평균 출력과 45 fs의 펄스 길이를 달성하였으며, 이는 여섯 개 이내의 광학 주기 수준에 해당한다.
• 이전의 다이오드 펌프링 기록 대비 피크 전력이 60배 증가하였고, 더 성숙한 섬유 펌프링 오실레이터 수준의 성능을 보였다.
• 20 Hz에서 1 MHz 대역폭 범위에서 통합 RMS 상대 강도 노이즈(RIN)는 < 0.068%로 측정되어 뛰어난 낮은 노이즈 성능을 나타냈다.
• 3시간 동안의 측정에서 0.12% 이내의 RMS 출력 변동을 보이며 안정적인 작동을 확인하였다. 이는 장기적 안정성을 의미한다.
• 단일 에미터 다이오드의 사용으로 고빛줄기 품질과 효율적인 모드-잠금이 가능해졌으며, 다이오드 바의 한계를 극복하였다.
• 사파이어 판과 특수 설계된 분산 거울을 사용한 분산 관리로 솔리톤 모드-잠금과 변환 제한된 상태로의 펄스 압축이 가능해졌다.