Study on characteristics of SESAM mode-locked laser

Abstract

1960년대 처음 모드 잠금된 고체 레이저가 발진된 이후로, 펨토초의 고체 레이저가 설명되었다. 극초단의 모드 잠금된 펄스는 그것의 높은 첨두 파워와 짧은 펄스 지속 시간 때문에 micro-machining 이나 X-ray 발진을 포함한 여러 응용 분야에서 주목을 받아왔다. 커 렌즈 모드 잠금은 빛의 비선형성을 활용하여 극초단 펄스를 만드는 데 널리 사용된다. 하지만,이것은 낮은 3차 비선형성을 가진 매질에서 작동에 어려움을 가지고, 레이저의 안정성 한계근처에서 작동한다. 이 점을 보완하기 위해 공진기 내부에 포화 흡수 반도체 거울이 위치한다. 이 포화흡수체를 사용함으로써 모드 잠금에 더 유리해진다. 하지만, 포화흡수체를 사용하면 공진기 내부의 에너지가 높아질 때 더블 펄스가 발생한다. 높은 에너지에서 단일 펄스는 더블 펄스로 쪼개지는데, 더블 펄스가 발생하면 안정된 단일 펄스의 에너지를 높이는 데어려움이 있다. 본 실험에서는 수십 nJ 의 펄스와 함께 66.7 MHz 의 반복률을 갖는 SESAM을 활용한 모드 잠금 레이저를 구성하였다. 또한, 처프 거울을 활용하여 음의 GDD 값을 변화시켜 이에따른 스펙트럼 및 펄스 길이와 공진기 내부 에너지를 측정하였다. 게다가, 실험의 경향성을찾기 위하여, 수식적인 해답을 바탕으로 하는 시뮬레이션이 동반되었다. 즉, 실험을 기반으로 시뮬레이션이 추가되어, 그 경향성을 확인 및 비교하였다. 나아가, 공진기 내부의 에너지가 높아질 때 더블 펄스가 생성되며, 이를 통해서 단일 펄스의 상한선을 알고자 하였다. 이과정을 시뮬레이션을 통하여 검증하였고, 단일 펄스 에너지의 상한선을 찾기 위하여 여러가지 변수(parameter)를 활용하였다. 이 연구를 통하여 더욱 높은 에너지를 가지는 펄스 발진이 가능 할 것으로 예상되며 이에 따른 다른 연구와 그 응용이 가능 할 것으로 기대된다.|Since the first mode-locked solid-state laser was generated in the 1960s, the femtosecond solid-state lasers have been demonstrated. The ultrashort mode-locked pulses have been in spotlight for many applications including micro-machining or X-ray generation, due to its high peak power and short pulse duration. Kerr-lens mode-locking is widely used to generate ultrashort pulse by using the nonlinearity of light. However, it is difficult to operate in a material with low 3-order nonlinearity, and operates near the stability limit of the laser. To complement this, a SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror) is located inside the oscillator. The use of SESAM makes it more helpful for mode-locking. However, when a saturable absorber is used, double-pulse occurs when the energy inside the oscillator increases. At high energy, a single-pulse is split into double-pulse. When double-pulse occurs, it is difficult to increase the energy of stable single-pulse. In this experiment, a SESAM mode-locked laser was conducted with repetition rate of 66.7 MHz and several tens of nJ pulse. Also, the spectrum bandwidth, pulse duration and intracavity energy were measured by changing the negative GDD using chirp mirror. In addition, an analytical simulation which is based on a mathematical solution was accompanied to find the tendency of the experiment. That is, simulation was added based on experiment, and the tendency was confirmed and compared. Furthermore, double-pulse was generated when the intracavity energy was high. Through this, we want to know the upper limit of a single-pulse. This process was verified through simulation, and various parameters were used to find the upper limit of the energy of a single-pulse. Through this study, pulse generation with higher energy is expected to be possible, and it is expected that other studies and applications are possible.