초고속 파이버 레이저 기술은 펨토초 또는 피코초{0}} 수준의 초단 레이저 펄스를 생성하여 높은 빔 품질, 뛰어난 안정성, 컴팩트한 구조와 같은 이점을 제공합니다. 정밀 가공, 생물 의학 연구, 분광학 및 통신 분야에서 광범위한 응용 분야를 찾습니다. 기존의 초고속 광섬유 레이저는 희토류-도핑된 섬유를 이득 매체로 사용하고 희토류 이온의 다{5}}레벨 에너지 구조를 활용하여 유도 방출을 달성합니다. 그러나 희토류 이온 전이의 고정된 에너지 준위 간격과 제한된 스펙트럼 폭으로 인해 레이저 출력은 개별 스펙트럼 범위로 제한되어 초고속 광섬유 레이저의 적용 범위를 크게 제한합니다. 이온 전이가 적용되는 범위 이상으로 초고속 광섬유 레이저의 출력 파장을 확장하는 것은 초고속 기술 개발의 자연스러운 진전일 뿐만 아니라 과학 연구, 의료 응용, 국방 및 기타 분야 전반의 실제 요구 사항을 해결합니다.
초고속 라만 파이버 레이저는 특정 파장에서 레이저 펄스를 생성하는 효과적인 방법을 나타냅니다. 초고속 라만 레이저를 생성하기 위한 현재 주류 기술에는 모드-잠금, 동기식 펌핑 및 비선형 광 이득 변조(NOGM)가 포함됩니다. 모드-잠금은 일반적으로 연속-파 펌핑을 사용하며, 충분한 라만 이득을 달성하려면 수십 미터에서 수백 미터의 광섬유가 필요하므로 상당한 분산 및 비선형성을 갖춘 공진기가 생성됩니다. 동기 펌핑은 펄스 펌핑을 활용하여 공진기 길이를 효과적으로 단축합니다. 그러나 펌프 펄스와 라만 펄스 간의 동기화가 필요하므로 시스템 복잡성이 증가합니다. 두 기술 모두 광섬유 공진기 구조에 의존하여 출력 라만 펄스 에너지를 nJ 범위로 제한합니다. 이와 대조적으로 NOGM 기술은 단일-주파수 시드-주입 라만 광섬유 증폭기 구성을 사용하여 고에너지 라만 레이저 펄스를 생성합니다. 현재 이 기술을 사용하여 생성된 라만 펄스는 수백 nJ 범위에 도달합니다. 더 높은{14}}에너지 라만 펄스를 생성하도록 시스템 아키텍처를 최적화하는 것이 주요 연구 초점입니다.
희귀-지구 라만 하이브리드 증폭기
중국과학원 SIOM 항공우주 레이저 기술 및 시스템 부서의 Zhou Jiaqi 교수와 USTC 상하이 고등연구소의 Feng Yan 교수로 구성된 공동 연구팀은 NOGM 기술을 이테르븀- 도핑된 광섬유 증폭기와 결합했습니다. 희토류 이온과 유도 라만 산란(SRS)의 하이브리드 증폭 메커니즘을 활용하여 펄스 폭을 589fs로 압축할 수 있는 미세 초점화 기능을 갖춘 1121nm 파장에서 초고속 라만 레이저 출력을 달성합니다.
일반적인 NOGM 시스템에서는 단일{0}}주파수 연속 레이저가 단일 섬유 내에서 증폭 및 성형되는 시드 소스 역할을 합니다. 초고속 레이저는 펌프 소스 역할을 하여 SRS를 통해 비선형 광학 이득을 제공합니다. 단일-주파수 연속 레이저와 펌프 레이저 사이의 시간적 중첩 영역에서만 증폭이 발생하여 궁극적으로 펌프 레이저와 동기화된 라만 펄스로 변환됩니다. 기존 NOGM 시스템에서는 펌프 펄스 에너지 증폭 장치와 비선형 광 주파수 변환 장치가 분리됩니다. 고-에너지 펌프 펄스를 단일-주파수 연속 레이저 시드와 결합하려면 고-전력 파장 분할 멀티플렉서가 필요합니다. 더욱이, 고전력 조건에서 활성 및 수동 광섬유의 융합 접합은 -장기적인 시스템 안정성에 위험을 초래합니다. 연구팀은 새로운 초고속 광섬유 레이저 희토류 라만 하이브리드 증폭기를 개발했습니다. 이터븀- 도핑된 섬유를 활용하여 희토류 이득과 라만 이득을 동시에 제공함으로써 마이크로줄 범위의 단일-펄스 에너지로 라만 펄스를 생성할 수 있습니다. 그림 1에 표시된 것처럼 이득- 스위칭 다이오드는 펄스 폭 18.3ps, 반복 속도 10MHz로 설정된 1065nm 펄스 레이저를 생성하여 시스템의 펌프 소스 역할을 합니다. 좁은-선폭 1121nm 반도체 단일-주파수 연속 레이저는 시드 소스 역할을 하며 동시에 이터븀- 도핑된 광섬유 증폭기에 입력됩니다.
그림 1 초고속 광섬유 레이저 희토류 라만 하이브리드 증폭기 시스템의 회로도
그림 2(a)-(d)에 표시된 것처럼 1121 nm 라만 펄스의 단일- 펄스 에너지는 ~1 μJ까지 증폭될 수 있으며 펄스 폭은 589 fs로 압축됩니다. 최대 라만 변환 효율은 69.9%에 도달하고 펄스 반복률 신호-대-잡음비는 81.1dB를 달성합니다. 단일-주파수 연속 레이저 주입이 없는 경우 1121nm 라만 펄스의 특성은 (e)-(h)에 표시됩니다. 이러한 조건에서 생성된 라만 펄스는 불안정한 펄스 시퀀스 강도와 감소된 반복-속도 신호-대-잡음 비율이 67.4dB인 거의 -잡음-에 가까운 특성을 나타냅니다. 이러한 실험 결과는 희토류 라만 하이브리드 증폭 NOGM의 타당성과 단일{24}}주파수 시드 주입의 필요성을 확인시켜 줍니다.
그림 2 (a)-(d) 단일- 주파수 연속 레이저 주입과 (e)-(h) 단일- 주파수 연속 레이저 주입이 없는 라만 펄스 레이저 특성
동시에 수치 시뮬레이션은 그림 3에 설명된 대로 60ps 펌프 펄스 폭과 14.5μm의 라만 섬유 코어 직경 조건에서 펄스 전개를 모델링했습니다. 결과는 더 넓은 펌프 펄스와 더 큰-코어- 직경의 라만 섬유를 사용하여 10μJ 범위의 라만 펄스 출력을 달성할 수 있음을 나타냅니다.
그림 3 펌프 펄스 폭이 60ps이고 섬유 코어 직경이 약 14.5μm인 경우의 시뮬레이션 결과
이 연구에서는 589fs까지 압축 가능한 펄스 폭으로 1121nm 라만 레이저 출력의 ~1μJ를 달성하는 새로운 초고속 광섬유 레이저 이터븀-라만 하이브리드 증폭기를 보여줍니다. 추가 수치 시뮬레이션을 통해 펄스 폭이 더 넓은 펌프 레이저와 코어 직경이 더 큰 섬유를 활용하면 잠재적으로 후속 연구의 핵심 초점인 10μJ 범위의 펨토초 라만 펄스 출력을 달성할 수 있음이 밝혀졌습니다. 특정 파장에서 고에너지 펄스를 생성할 수 있는 이 펨토초 라만 광섬유 레이저는 재료 처리 및 생체 의학 이미징과 같은 응용 분야에 대한 유망한 광원 기술 지원을 제공합니다.
