Mephisto 레이저 - 극저노이즈와 좁은 선폭

Mephisto 레이저 제품군은 상업용 연속파(CW) 레이저 중 가장 낮은 노이즈와 가장 좁은 선폭을 자랑합니다. 능동형 노이즈 억제 기능을 갖춘 모놀리식 비평면 링 발진기(NPRO) 아키텍처로 중력파 연구, 원자 냉각 및 트래핑, 광선 레이더, 장거리 간섭계, 광통신 및 기타 고성능 응용 분야에서 가치 높은 광학 도구가 됩니다.

소개

2015년 9월 최초로 감지된 중력파(GW)는 수십 년에 걸친 연구의 정점일 뿐만 아니라 시공간 계측 데이터가 완전히 새로운 관찰 창을 열었던 천문학의 흥미롭고 새로운 시대의 시작으로서, 2017년 노벨 물리학상을 수상한 과학적 업적이었습니다. 현재 GW 감지가 좁은 선폭 CW 레이저에 대한 가장 까다로운 응용 분야라고 주장하는 사람은 거의 없습니다. 연구자들은 10²²분의 1만큼 작은 시공간 변조를 관찰할 수 있어야 합니다. 이러한 미세한 시공간 이동을 감지할 때 연구자들이 선호하는 접근 방식은 매우 안정적인 레이저를 사용하는 장거리 간섭계입니다. 이러한 간섭계(LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA)는 모두 90도 각도로 연결된 수 킬로미터의 암을 가지고 있습니다. GW를 감지하려면 시스템이 파장의 1조분의 1에 해당하는 경로 차이를 측정할 수 있어야 하는데, 이는 광학 간섭계에서 전례가 전혀 없는 정확도입니다. 가능한 한 낮은 노이즈를 달성하기 위해 앞서 언급한 4개 GW 관측소의 광학 시스템은 Mephisto 레이저를 시드 소스로 사용하여 시작합니다. 그런 다음 1064nm 출력이 증폭되고 강도 및 주파수 모두에서 몇 배 더 안정화되어 간섭계 암에 주입되는 빛에 필요한 매개변수를 달성합니다[^1].

저노이즈 레이저에 크게 의존하는 또 다른 응용 분야는 저온 원자 트래핑입니다. 여기서 Mephisto의 증폭 버전(최대 55W)은 업계 최고의 안정성과 선폭을 자랑하며 다양한 종의 저온 원자에 대한 광학 쌍극자 트랩을 형성하는 데 사용됩니다. 그 고급 버전인 광학 격자 형성은 저온 원자가 분포되어 있는 광학적으로 형성된 마이크로 트랩 환경입니다. 광학 격자는 상전이, 광학 원자시계, 이원자 분자 및 양자 시뮬레이터를 연구하기 위해 저온 ​​원자를 사용하는 연구에서 널리 사용되고 있습니다. 여기에서 최저 원자 가열 속도를 보장하여 실험 시간을 최대화하려면 강도 및 위상 양쪽에 대한 레이저의 광학적 안정성이 중요합니다. 위에서 언급한 응용 분야는 좁은 선폭의 고안정성 CW 레이저 소스를 통해 구현되는 많은 응용 분야 중 일부에 불과합니다. 광선 레이더, 광주파수 표준, 압착광 실험, 레이저 주입 시딩, 자유 공간 광통신, 광학 계량, 나노입자 트래핑 등 다른 많은 분야에서 Mephisto 제품 라인에서 가용한 매개변수가 장점이 될 수 있습니다. 이 백서에서는 업계에서 가장 조용한 레이저 제품의 기술과 기능을 살펴봅니다.

NPRO – 모놀리식 안정성

1984/5년 스탠포드 대학교의 Byer, Kane과 동료 연구자들에 의해 발명된 이후^[2], 비평면 링 발진기(NPRO)는 여전히 사용 가능한 가장 낮은 노이즈의 CW 레이저 아키텍처로 인정받고 있습니다. 낮은 출력 노이즈의 관건 중 하나는 안정적인 레이저 공동입니다. 일반적인 단일 모드 레이저는 이득 매질과 정밀 기계식 마운트로 지지되는 두 개 이상의 거울로 형성된 공진 공동에 상주하는 다양한 광학 장치를 통합합니다. NPRO에는 레이저 공동에 대해 완전히 다른 접근 방식이 적용됩니다. 이 접근 방식에서는 단결정이 이득 매질이자 결정면에 의해 정의되는 레이저 공동으로 작용합니다. 마찬가지로 중요한 점은 NPRO가 단방향 진행파 링 발진기 역할을 한다는 것입니다. 선형 레이저 공동에서 가장 높은 이득 모드(및 모든 모드)의 전기장 벡터는 공동을 따라 정상파 패턴을 따르며 "홀 버닝"을 유발합니다. 이득은 공동을 따라 정현파 패턴으로 고갈됩니다(또는 고갈되지 않음). 다른 종방향 모드는 절대 이득이 더 낮더라도 가장 강한 모드에 의해 고갈되지 않은 채로 남겨진 이득을 사용하여 여전히 진동할 수 있습니다. 원하지 않는 모드의 진동이 제거되어 레이저가 진행파 공진기로 작동하도록 설계되었습니다. 이러한 유형의 공진기는 광학 다이오드를 사용하여 진동이 단일 방향으로 전파되도록 합니다. 광학 다이오드는 순방향 전송이 역방향 전송보다 훨씬 높은 소자로, 단일 종파가 순방향을 따라서만 전파됩니다. 정상파 패턴과 달리 진행파는 사용 가능한 모든 이득을 고갈시키고 다른 원치 않는 모드의 진동을 방지합니다. NPRO 디자인의 독창적인 요소 중 하나는 결정이 공동 역할을 할 뿐만 아니라 광학 다이오드를 만드는 데 필요한 모든 요소를 모놀리식 형식으로 통합한다는 것입니다.

단방향 NPRO 진동^[3]의 전체 이론은 이 백서의 범위를 벗어납니다. 요약하자면, 결정은 강한 자기장 안에 유지되는데, 이는 패러데이 회전자 역할을 하여 결정을 따라 통과하는 레이저 광선의 편광을 빔 전파 방향(비가역 회전)에 독립적으로 동일한 양 및 방향으로 회전시킵니다. 또한, 패싯 B 및 D(그림 1)의 내부 전반사(TIR)는 공동 내부의 레이저 광선에 왕복 회전을 가합니다. 이로 인한 순효과는 공동 주변의 한 방향에서는 자기장과 TIR로 인한 분극 회전이 합산되고, 반대 방향에서는 서로 상쇄되어 반대 방향으로 전파되는 두 모드에 대해 서로 다른 두 가지 분극 상태가 발생한다는 것입니다. 그러면 패싯 A의 출력 커플링 코팅을 한 극성을 약간 선호하도록 설계하여 단방향 진동이 발생하도록 할 수 있습니다.

그림 1: NPRO 결정 내부의 광학 모드(파란색 화살표)를 보여 주는 개략도(주황색 화살표는 펌프 광을 나타냄).  NPRO 이득 결정은 모놀리식 레이저 공동을 형성하며, 여기서 패싯 각도는 내부 전반사(TIR)를 통해 높은 반사율을 보장합니다. 패싯은 외부에서 인가된 자기장과 결합하여 (TIR로 인한) 편광 회전이 단방향 진행파 레이저 작동을 우선적으로 지원하도록 배열됩니다.  

선폭 및 주파수 조정

NPRO의 주파수 특성, 즉 선폭은 다른 레이저 유형보다 우수합니다. Mephisto 모델은 추가 안정화 없이 레이저에서 바로 3kHz 이하의 선폭을 달성합니다. 오늘날에도 최신 파이버 레이저와 외부 공동 다이오드 레이저로 자유 작동에서 동일한 선폭 성능을 달성하는 일은 어렵습니다. 

물론, 주파수 드리프트를 적극적으로 제어할 수 없다면 좁은 선폭 공진기는 단기 응용 분야에서만 유용할 것입니다. Mephisto에서는 방출 주파수를 빠르고 미세하게 제어하고 느리고 대략적으로 제어하기 위해 두 가지 메커니즘이 사용됩니다. 확장을 통해 이 컨트롤은 30GHz 영역에서 Mephisto의 절대 주파수를 조정하기도 합니다.

빠르고 미세한 제어는 결정의 큰 비광학면 중 하나(즉, 그림 1의 수평 표면 중 하나)에 부착된 압전 변환기(PZT) 요소를 사용하여 달성됩니다. PZT 요소에 의한 결정의 압축(변형)으로 인해 유효 길이(또는 굴절률)가 변경되어 종모드의 주파수가 이동됩니다. 이 고속 루프는 최대 100kHz 대역폭으로 작동할 수 있으며 모드 주파수를 1MHz/V씩 변경합니다. 

느리지만 큰 주파수 변동이라는 문제는 NPRO 온도 변경을 통해 해결됩니다(온도 조정). Nd:YAG 모놀리식 공진기의 온도 변화는 결정 열팽창 계수와 온도에 따른 굴절률 변화라는 두 가지 효과를 통해 주파수를 이동시킵니다. 이러한 효과 외에도 온도 변화는 Nd:YAG의 이득 곡선에 미세한 변화를 일으킬 수도 있습니다. 이를 고려하면 순 유효 변화는 약 -3GHz/K입니다. 그림 2는 Mephisto의 측정된 온도 기반 주파수 제어를 보여줍니다. 모드 홉은 발진 모드의 주파수(공진기에 의해 결정됨)가 이득 대역폭의 중심 주파수를 기준으로 공진기 자유 스펙트럼 범위(FSR)와 유사한 양만큼 이동할 때 발생합니다. Mephisto의 전체 조정 범위는 결정 온도가 25°C 변동 시 ~30GHz입니다. 이 값은 모드 홉으로 인해 3GHz/K 값보다 낮습니다. 특수 Mephisto 버전은 더 넓은 모드 호핑 없는 범위를 달성할 수 있습니다(모드 홉 간 15GHz 조정이 포함된 확장 조정 범위 옵션). 특정 스펙트럼 라인을 사용하는 경우 조정 범위를 더 낮은 주파수(최저 281.565THz)로 이동하는 옵션도 사용할 수 있습니다.   그림 3에는 온도 및 PZT 조정을 모두 수행했을 때 Mephisto의 전반적인 조정 특성이 요약되어 있습니다.

위상 노이즈 및 주파수 잠금

위상 노이즈는 레이저의 주파수 선폭 오차의 명칭입니다. 모놀리식 Mephisto 레이저 공진기는 서로에 대해 진동하거나 열로 인해 드리프트되는 분리된 공동 요소로 구성된 레이저 공진기보다 주파수 노이즈 성능이 우수합니다. 응용 분야에 따라 이 주파수 지터는 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 통계 분포의 형태로 표현될 수 있습니다(Hz/√Hz 단위).

Mephisto 주파수 노이즈는 이러한 방식으로 표현되면 1/f 동작을 따릅니다. 주파수 노이즈는 1Hz에서 약 10⁴Hz/√Hz이고 10kHz에서는 1Hz/√Hz로 감소합니다(그림 4). 이전의 독립적인 테스트를 통해 Mephisto가 광범위한 주파수에서 가장 낮은 절대 위상 노이즈를 제공하는 것으로 나타났습니다^[4]. 이러한 독자적인 성능으로 인해 Mephisto 레이저 제품군은 가능한 가장 낮은 주파수 노이즈가 필요한 응용 분야에서 최적의 선택지가 됩니다.

온도 및 PZT 조정 메커니즘은 외부 제어 하에서 레이저를 원활하게 조정할 때 사용할 수 있으며 절대 고정 주파수 출력이 필요한 응용 분야의 경우 레이저 출력을 외부 기준에 고정할 때 사용할 수도 있습니다. 이 잠금은 또한 자유 작동 레이저에 비해 저주파에서 위상 노이즈를 낮추는 역할도 합니다. Mephisto(1064nm 및 532nm 출력을 모두 제공하는 Prometheus 레이저)의 2배 주파수 버전은 532nm를 중심으로 존재하는 다중 분자 요오드(I₂) 전이선을 간편하게 처리하며, 방출 주파수를 해당 선의 초미세 전이 중 하나에 고정할 때 사용할 수 있습니다. 이런 점 때문에 절대 주파수 기준 및 고정밀 계측을 위한 이상적인 레이저 소스입니다. 요오드 고정 Prometheus의 Allan 편차 측정 예가 그림 6에 나와 있습니다. 여기서 Prometheus 레이저는 분자 요오드 R(56)32-0 전이의 a10 구성 요소에 고정되어 있습니다. 20시간 동안 기록된 Allan 편차 측정은 약 10^-13(1초간 평균된 수정 Allan 편차)에서 3·10-14(1000초간 평균됨)까지의 상대 안정성을 나타냅니다. 요오드 잠금 작업 및 측정은 TEM Messtechnik GmbH에서 수행했습니다[^6].

절대 주파수가 필요하지 않고 더 높은 주파수에서 레이저 출력을 안정화하는 응용 분야에서는 Mephisto로 레이저를 안정화된 고정밀 공동에 고정하는 데 필요한 기능을 얻을 수 있습니다.

진폭 노이즈 및 노이즈 감소

또한 Mephisto 제품 라인은 극도로 낮은 진폭 노이즈를 특징으로 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 진폭 노이즈는 출력 강도에서의 경미한 지터를 나타냅니다. 진폭 노이즈는 일반적으로 해당 노이즈가 측정되는 평균 전력 수준으로 정규화된 노이즈인 상대 강도 노이즈(RIN)로 표현됩니다. Mephisto와 같은 다이오드 펌핑 고체 레이저에서 진폭 노이즈의 주요 원인은 일반적으로 잔류 펌프 다이오드 노이즈에 의해 생성되는 완화 진동입니다.

완화 진동은 상부 상태 수명이 공동 감쇠 시간, 즉 레이저 펌프 전원이 꺼질 때 (주로 출력 커플러 손실을 통해) 레이저의 모든 순환 전력이 감쇠하는 시간보다 긴 모든 레이저에서 발생합니다. 다이오드 펌핑 레이저를 사용하면 레이저 다이오드 펌프 전력이 조금만 변하더라도 진동 완화가 발생하여 NPRO 또는 기타 고체 레이저의 노이즈 스펙트럼에서 피크가 생성됩니다(그림 6 참조). Mephisto에서 이 피크는 Noise Eater라는 기능을 사용하여 효과적으로 제거됩니다. 이는 레이저 헤드 내의 포토다이오드에 의해 제공되고 펌프 레이저 다이오드 전류에 작용하는 구동 신호를 가진 내장된 빠른 피드백 루프입니다. 그림 6은 이 기능이 kHz~2MHz 스펙트럼 영역의 펌프 다이오드 노이즈와 완화 진동 피크를 제거하는 데 얼마나 효과적인지 보여줍니다. Noise Eater 외에도, Mephisto 시스템은 극도로 낮은 노이즈 방출을 지원하기 위해 주로 아날로그 설계를 기반으로 특별히 설계된 저노이즈 전자 콘트롤러를 사용합니다.

전력 확장 및 파장 옵션

일반적으로 펌프 전력이 확장됨에 따라 NPRO에서는 양의 열 렌즈 현상이 발생하게 되고, 이에 따라 펌프 다이오드와 공진기 모드 간의 모드 매칭이 악화되고 결국 공진기가 불안정해지는 두 가지 부정적인 결과를 초래합니다. 열 렌즈 체계에서 NPRO 설계에 대한 자세한 연구^[7]는 펌프 전력이 증가하면 열 렌즈 효과로 ​​인해 모드의 스폿 크기가 감소한다는 것을 보여줍니다. 궁극적으로 이로 인해 펌프 다이오드와 공진기 기본 모드 간의 모드 매칭이 손실되어 다중 횡모드 진동이 발생하고 NPRO의 주요 기능이 손실됩니다. 이런 사항들을 고려해 볼 때, 고전력 NPRO는 저전력에서 사용될 때 낮은 임계값 또는 높은 효율보다는 공칭 출력 전력에 최적화되어 있음이 분명합니다. Mephisto는 일반적인 매우 좁은 선폭, 낮은 노이즈, 높은 주파수 안정성을 유지하면서 최대 2W의 출력 전력을 달성할 수 있습니다. 더 많은 전력이 필요한 경우 매우 좁은 선폭을 유지하면서 수십 와트를 달성하는 가장 좋은 방법은 최대 55W의 전력(Mephisto MOPA 모델)으로 사용할 수 있는 마스터 발진기 출력 증폭기(MOPA) 접근 방식을 사용하는 것입니다.

NPRO 결정은 가장 일반적으로 1064nm의 Nd:YAG 기본 파장에서 사용 가능하지만 특정 응용 분야에서는 다양한 파장이 장점이 될 수 있습니다. 이러한 이유로 Mephisto 레이저는 녹색(532nm) 출력을 갖춘 2배 주파수 버전(Prometheus 모델)에서도 사용할 수 있습니다.

견고한 설계

또한 모놀리식 공진기 설계는 개별 구성 요소로 제작된 일반적인 레이저보다 더 견고합니다. 전체 공동이 대량의 활성 매질로 둘러싸여 있을 뿐만 아니라 한 표면을 제외한 모든 표면의 내부 반사를 사용하여 광학 코팅을 사용해야 할 필요성이 최소화됩니다. 실제로 유일하게 코팅된 표면은 출력면이지만 여기서도 실제 공동 내 반사는 활성 매질 내부에서 발생합니다. 따라서 전체 레이저 공동이 설계상 오염이 없으며 사실상 손상 또는 노화가 발생하지 않습니다. 설계자(및 종종 최종 사용자)가 광학 정렬 및 레이저 공동 청결도 유지를 걱정해야 하는 대부분의 다른 레이저와는 극명한 대조를 이룹니다. 또한 NPRO 및 펌프 다이오드의 작은 크기 덕분에 헤드 크기도 작아져 작동 온도를 정밀하게 안정화하는 작업을 간단하게 수행할 수 있으며 OEM 도구에도 쉽게 통합할 수 있습니다.

참고 문헌

[1] P. Kwee et al., Opt. Express 20, 10, pp. 10617-10634 (2012)
[2] T.J. Kane, R.L. Byer, Opt. Lett. 10, 65 (1985)
[3] A.C. Nilsson, E.K. Gustafson, R.L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. QE25, 767 (1989)
[4] K. Numata et al., Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 105111D (2018)
[5] J. Ye et al., IEEE T. Instrum. Meas. 48, 2, pp. 544 - 549 (1999)
[6] https://tem-messtechnik.de/en/
[7] I. Freitag, A. Tunnermann, H. Welling, Opt. Comm. 115, pp. 511-515 (1995)