[논문 리뷰] Modeling of mode-locking in a laser with spatially separate gain media

Ruud Oldenbeuving, Chris Lee외 3명|University of Twente Research Information|2010. 08. 27.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 레이저 캐비티 내에서 공간적으로 분리된 증폭 매질을 사용하는 새로운 모드 잠금 기법을 제안한다. 여기서 상호 위상 잠금된 연속파 발진기들이 공통의 포화 흡수 거울(SESAM)을 통해 동기화된다. 이 방법은 초단파 펄스를 생성할 수 있으며, 반복 주파수를 독립적으로 조절 가능하고(최대 THz 범위), 높은 평균 출력과 동적 조절이 가능한 대역폭을 제공하여, 기존 모드 잠금 레이저에서 흔히 발생하는 반복 주파수와 출력 전력 간의 상충 관계를 극복한다.

ABSTRACT

We present a novel laser mode-locking scheme and discuss its unusual properties and feasibility using a theoretical model. A large set of single-frequency continuous-wave lasers oscillate by amplification in spatially separated gain media. They are mutually phase-locked by nonlinear feedback from a common saturable absorber. As a result, ultra short pulses are generated. The new scheme offers three significant benefits: the light that is amplified in each medium is continuous wave, thereby avoiding issues related to group velocity dispersion and nonlinear effects that can perturb the pulse shape. The set of frequencies on which the laser oscillates, and therefore the pulse repetition rate, is controlled by the geometry of resonator-internal optical elements, not by the cavity length. Finally, the bandwidth of the laser can be controlled by switching gain modules on and off. This scheme offers a route to mode-locked lasers with high average output power, repetition rates that can be scaled into the THz range, and a bandwidth that can be dynamically controlled. The approach is particularly suited for implementation using semiconductor diode laser arrays.

연구 동기 및 목표

• 기존 모드 잠금 레이저에서 반복 주파수와 고출력 간의 근본적인 상충 관계를 해결하기 위해.
• 각각의 별도 증폭 매질에서 연속파 증폭을 통해 군속도 분산 및 비선형 효과로 인한 펄스 왜곡을 피할 수 있는 모드 잠금 메커니즘을 개발하기 위해.
• 캐비티 길이가 아닌 공진기 기하학적 구조를 통해 펄스 반복 주파수를 독립적으로 제어하고, 증폭 모듈 전환을 통해 동적 대역폭 제어를 가능하게 하기 위해.
• 특히 빠른 SESAM(고조도, 피크 시간이 1피크세컨드 이내)을 포함한 현재 반도체 구성 요소를 기반으로 이 기법의 실현 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 단일 주파수 연속파 레이저를 하나의 캐비티 내에서 공간적으로 분리된 증폭 매질에 배치하여 사용한다.
• 공통의 반도체 포화 흡수 거울(SESAM)을 활용하여 비선형 피드백을 제공함으로써 개별 발진기를 위상 잠금한다.
• 포화 흡수 거울의 반사율 동역학을 수식 $ R = R_0 + \Delta R \left(1 + \frac{I}{I_{\text{sat}}}\right)^{-1} $ 를 통해 이론적 프레임워크로 모델링한다. 여기서 $ I $ 는 강도이고, $ I_{\text{sat}} $ 는 포화 플루엔스이다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 SESAM의 파rameter(예: 조도 깊이($ \Delta R $), 복귀 시간($ \tau $), 플루엔스($ S $)) 를 변화시켜 모드 잠금의 실현 가능성을 분석한다.
• SESAM에 작용하는 집중 강도( $ S = \Phi / \Phi_{\text{sat}} $ 로 정량화) 가 모드 잠금의 안정성과 범위에 미치는 영향을 평가한다.
• 49 W 평균 출력을 갖는 다이오드 레이저 어레이를 사례 연구로 활용하여, 67 GHz 반복 주파수와 300 fs 펄스 지속시간을 목표로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공통의 포화 흡수 거울을 사용하는 공간적으로 분리된 증폭 매질을 갖는 레이저 시스템에서 모드 잠금을 달성할 수 있는가?
• RQ2 SESAM의 물리적 파라미터—특히 조도 깊이($ \Delta R $), 복귀 시간($ \tau $), 포화 플루엔스—는 모드 잠금의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 반복 주파수를 캐비티 길이에서 분리하여 공진기 기하학적 구조로 제어할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 현재의 SESAM 기술을 사용하여 고출력(예: 20 W), 고반복 주파수(예: 67 GHz), 300 fs 이하 펄스를 달성하는 것이 가능한가?
• RQ5 SESAM에 가해지는 플루엔스($ S $) 를 증가시킬 경우 모드 잠금 영역은 어떻게 변화하며, 어느 정도에서 이중광자 흡수로 인해 성능이 제한되는가?

주요 결과

• SESAM의 조도 깊이($ \Delta R \geq 15\% $) 가 높고 복귀 시간($ \tau \leq 0.5~\text{ps} $) 이 짧을 경우, 특히 고플루엔스 조건에서 모드 잠금이 실현 가능하다.
• $ S = 10 $ 인 경우, 10 × $ \Phi_{\text{sat}} $ 의 플루엔스로 50 $ \mu \text{m}^2 $ 모드 면적에서 20 W의 총 출력이 현재 다이오드 레이저 어레이로도 달성 가능하다.
• $ S $ 가 증가할수록 모드 잠금 영역이 넓어지지만, 매우 높은 플루엔스($ S > 10 $) 에서는 두 개의 광자 흡수로 인해 반사율 조도가 감소하여 다시 좁아진다.
• 연구 당시 최고의 상용 SESAM( $ \Delta R \approx 15\text{--}30\% $, $ \tau \approx 0.5~\text{ps} $) 은 $ S \approx 10 $ 인 조건에서 모드 잠금을 위해 충분하다.
• 이 기법은 67 GHz 반복 주파수, 300 fs 펄스, 49 W 평균 출력을 달성할 수 있으며, 고반복 주파수, 고출력 초단파 레이저의 실현 가능성을 입증한다.
• 모델은 일반화 가능하며 다른 레이저 유형과 파라미터 조합에 적용 가능하며, 증폭 모듈의 온/오프 전환을 통해 동적 대역폭 제어를 가능하게 한다.