탄소 나노 튜브 기반 모드 잠금 레이저

Abstract

피코초 이하의 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스 레이저는 광통신, 광신호 처리, 레이저 수술, Micro-machining 등을 비롯하여 여러 가지 분야에서 유용하게 사용 되고 있다. 피코초 이하의 펄스를 제작하기 위하여 공진기 안에서 공진되어 진행하는 여러 가로 모드들의 상대적 위상이 일정한 관계를 갖고 잠겨 동시에 진동하게 하여 일정한 간격으로 벌어진 매우 짧은 펄스폭을 갖는 펄스를 제작하는 모드 잠금 기술이 널리 이용되고 있다. 특히 수동 모드 잠금 레이저는 구현하기 간편하고 피코초 이하의 영역에서 transform-limited 광 펄스를 제작 할 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되어져 오고 있다. 수동 모드 잠금 레이저는 연속 발진 레이저를 펄스로 바꿔 줄 수 있는 입력 세기에 의존하는 3차 비선형 요소를 가지고 있어야 하는데 보통 비선형 흡수에 기반을 두는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용함으로서 구현 할 수 있다. 포화 흡수체 중에서 흔히 반도체 포화 흡수체 거울(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)이라고 불리는 양자 벽 반도체 기반 장비가 상용 수동 모드 잠금 레이저에 많이 이용되고 있는데 제작과정이 복잡 하고 고 비용이 들 뿐만 아니라 수 피코초 영역의 짧은 펄스 레이저를 구현하기 위하여 장비의 회복 시간(recovery time)을 수 나노초 이하로 감소시킬 때 고 에너지 중이온 착상 과정이 필요할 뿐만 아니라 반사형 구조이기에 여러 가지 공진기 형태에 대하여 응용하기가 어렵다는 단점이 있다. 게다가 낮은 광 손상 문턱값 (optical damage threshold)을 갖기 때문에 이를 대체할 다른 방식의 포화 흡수체가 필요하다. 본 논문에서는 탄소 나노 튜브의 포화 흡수 특성을 분석하고 팸토초 펄스 레이저를 구현하였다. 탄소 나노 튜브의 포화 흡수 특성 향상을 위하여 나노 물질의 균질한 증착이 가능한 전기 방사 기술을 활용하여 탄소 나노 튜브를 기질위에 증착하였다. 진행하는 광의 소산장 상호작용을 이용하기 위하여 측면 연마 광섬유를 제작하여 연마된 표면위에 탄소 나노 튜브를 증착하였다. 탄소 나노 튜브가 코팅된 측면 연마 광섬유의 포화 흡수 특성의 최적화를 위하여 측면 연마 광섬유 표면의 기하학적 구조에 따른 포화 흡수 특성 변화에 대한 연구를 수행하였다. 제작된 탄소 나노 튜브가 코팅된 측면 연마 광섬유를 포화 흡수체로서 광섬유 고리형 레이저에 삽입하여 고리형 광섬유 모드 잠금 펄스 레이저를 구현하였다. 구현된 모드 잠금 펄스 레이저는 13.87 nm의 스펙트럼 상의 밴드 폭과 190.9 fs의 펄스폭을 보였고 펄스의 반복률을 3.95 MHz로 측정되었다.