Coherent 패러데이 회전자를 사용하여 초고속 Ti:Sapphire 재생 증폭기에서 펄스 선택

1 초고속 재생 증폭기에서 고에너지 펄스 선택

입력에서 출력을 분리하려면 특수 광학 장치가 필요합니다. . . .

티타늄 도핑된 사파이어(Ti:Sapphire) 결정은 몇 펨토초(fs)까지 펄스를 발생시키는 최단 펄스 초고속 레이저 시스템에서 널리 사용됩니다. Ti:Sapphire의 매우 넓은 파장 범위는 약 650~1100nm 사이로 확장되지만, 대부분의 시스템은 최대 레이저 이득과 효율성을 위해 대체로 800nm 파장에서 작동합니다. 우수한 열전도율 및 비교적 쉽게 액세스 가능한 펌프 파장을 사용할 수 있는 기능을 비롯한 추가적인 특성 덕분에 Ti:Sapphire 이득 매질은 발진기와 증폭기 모두에서 유용하므로 가능한 넓은 범위의 펄스 에너지에 액세스할 수 있습니다. 저에너지 한계점에서 초고속 발진기는 가장 높은 반복률(일반적으로 메가헤르츠 이상)을 제공하지만 나노줄(nJ) 수준으로 제한됩니다.

예를 들어 처프 펄스 증폭(CPA) 설계를 이용해 초고속 발진기 시드 소스에 단일 패스 증폭기를 추가하면 킬로헤르츠의 10~100s에서 마이크로줄(μJ) 수준의 펄스 에너지를 얻을 수 있습니다. 하지만 대부분의 과학 응용 분야 및 일부 산업 응용 분야에서는 밀리줄(mJ)이 필요합니다. 따라서 초고속 레이저 시스템의 에너지를 높이기 위해 다중 패스 증폭기가 사용됩니다.

다중 패스 증폭기의 한 특정 유형인 재생 증폭기(그림 1 참조)는 광학 스위치가 포함되어 있는 광학 공진기 내에 배치된 증폭기 이득 매질을 통한 다중 패스가 이루어짐에 따라 왕복 횟수를 제어하고 전반적으로 매우 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 재생 증폭기 작동의 핵심은 펄스가 목표 수준까지 증폭된 후 펄스를 선별하는 기능입니다.

펄스 선별이라는 목표를 달성하려면 정방향 및 역방향의 편광 회전에 대해 비가역적인 광학 장치를 사용해야 합니다. 광학 패러데이 회전자가 이러한 작업을 수행할 수 있습니다.

2 패러데이 회전자를 사용하여 편광 선택

패러데이 회전자는 특별한 속성을 가지고 있는 자기 광학 재료로 제작된 수동 광학 장치입니다. 작동은 편광면을 정방향으로 45° 회전시키고 빛의 선형 편광을 유지하면서 역방향으로 45° 비가역 회전을 추가로 수행하는 방식으로 이루어집니다. 편광 광학 장치와 함께 사용할 경우, 패러데이 회전자를 사용하여 광선을 공진기로 통과시킨 다음 편광 상태가 전환될 때 광선을 출력 경로로 보낼 수 있습니다. 흡수율이 낮고 손상 임계값이 높은 광학 장치가 포함되어 있는 Coherent 패러데이 회전자 및 아이솔레이터는 초고속 레이저 시스템의 평균 출력이 최대 50W인 평균 출력 수준과 함께 사용하는 데 이상적입니다.

패러데이 회전자 선택 시 염두에 두어야 할 몇 가지 기준이 있는데 입사 빔 크기, 회전자에 대한 입사 광학 출력 및 에너지, 다음 단계에 필요한 전송 출력입니다.

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3 패러데이 회전자 설치

재생 증폭기 시스템의 광학 경로에 패러데이 회전자를 설치하는 것은 비교적 간단합니다. 모든 Coherent 패러데이 회전자는 빔 경로에서 장치를 정렬하는 방법이 기술된 사용 설명서ⁱ와 함께 제공됩니다. 적절한 회전자 선택 시 광학 빔 크기, 광출력 및 중심 파장, 대역폭 등의 매개변수를 고려해야 합니다. Coherent의 제품은 선택한 모델의 정확한 사양에 맞춰 제작됩니다. 재생 증폭기 시스템에 패러데이 회전자가 설치되는 위치에 대한 예는 그림 1을 참조하십시오. 실제 응용 분야의 예는 참고 자료 2ⁱⁱ에서 확인할 수 있습니다.

4 분산 관련 고려 사항

분산은 초고속 레이저에서 중요한 문제이며, 이는 펄스 지속 시간에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 초단 펄스의 피크 출력에도 영향이 미칩니다. 분산은 위상 속도가 주파수(또는 파장)에 따라 달라지는 매질에서 광학 펄스가 이동할 때 발생합니다. 패러데이 회전자는 분산성 재료로 만들어지므로 이 장치를 통해 가로지르는 펄스의 길이는 확장될 수 있습니다. 단, 그 효과의 규모 및 타당성은 초기 펄스와 응용 분야에 따라 다릅니다.

일반적으로 Ti:Sapphire 재생 증폭기 시스템은 30~40nm 또는 그 이상의 광학적 대역폭으로 약 20fs 이상 ⁱⁱ의 펄스를 생성합니다. 이 시스템에 사용된 패러데이 회전자의 길이와 더불어 실제 시스템 대역폭이 펄스가 장치를 통해 가로지를 때 발생하게 되는 펄스 확장 정도를 결정합니다. 이 시스템에 포함되어 있는 그 밖의 광학 장치는 사실상 패러데이 회전자보다 더 많은 색 분산을 사용할 수 있으며 광학 장치의 체인, 특히 포켈스 셀 스위칭 광학 장치에서의 분산 총량은 신중하게 보정해야 합니다.

8mm의 테르비움 갈륨 가넷(TGG)을 사용하는 패러데이 회전자가 10~10,000fs의 범위에 걸쳐 약 800nm 초단 펄스의 펄스 지속 시간에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 예가 그림 2에 나와 있습니다. 그래프는 800nm 펄스에 대해 군속도 분산(GVD)이 얼마나 발생하는지를 측정하여 생성된 것입니다. 이 작업은 다음과 같이TGGiii에 셀마이어 방정식을 사용하여 수행되었습니다.

굴절률의 2차 도함수를 분해적으로 풀 수 있습니다. 즉, GVD를 계산한 다음 GVD에 재료(이 경우에는 회전자에 사용된 TGG)의 길이를 곱하여 GVD와 관련된 특정 장치에 대한 실제 2차 분산(여기서는 2차 군지연 분산을 나타내는 β₂로 표시)을 계산할 수 있습니다. 이 정보는 TGG 회전자 재료의 길이를 따라 통과한 후 주어진 입력 펄스 지속 시간에 대한 출력 펄스 지속 시간을 계산하는 데 다시 사용할 수 있습니다. 입력 펄스 길이를 제곱한 값(즉, t₀ ² )이 β₂보다 훨씬 작은 경우 β₂에 비례하는 펄스 확장을 표현하는 방정식을 사용할 수 있습니다^v.

이러한 계산을 수행함으로써 800nm 범위에 걸친 분산량 β₂는 8mm 길이 TGG에 대해 약 1500 fs²인 것으로 확인되었습니다. 10~10,000fs 범위의 펄스에 대한 2차 분산량에서 추정된 확장이 아래 그래프에 나와 있습니다. 펄스가 75fs보다 큰 경우에는 펄스 확장이 문제가 되지 않습니다. 그러나 대부분의 재생 증폭기 시스템에서 가능한 가장 짧은 펄스를 얻으려면 패러데이 회전자에서의 TGG 분산은 분산 보상 체계에서 처리되어야 합니다.

5 결론

재생 증폭기가 탑재된 초고속 레이저 시스템 설계 시, 패러데이 회전자 사용이 작동의 핵심입니다. 레이저 시스템에 Coherent 패러데이 회전자를 사용하면 목표 성능을 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

초고속 파이버 레이저 시스템에 Coherent 패러데이 회전자를 사용하는 방법에 대한 자세한 내용은 Coherent에 문의하십시오.

참고 자료:

i Coherent User Manual for Faraday Rotators and Isolators

ii C. Barty, T. Guo, C. Le Blanc, F. Raksi, C. Rose-Petruck, J. Squier, A.Tian, K. Wilson, V.Yakovlev, and K. Yamakawa, ”Generation of 18-fs, multiterawatt pulses by regenerative pulse shaping and chirped-pulse amplification”, Opt. Lett. vol. 21, 668 (1996).

iii U. Schlarb and B. Sugg, “Refractive Index of Terbium Gallium Garnet”, Phys. Stat. Sol. (b) 182 K91 (1994)

iv As one source, see “Nonlinear Fiber Optics” by G. P. Agrawal for more details on group velocity dispersion

v. See the section on Dispersive Pulse Broadening and Chirping at: http://www.rp-photonics.com/chromatic_dispersion.html