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작성일 : 16-04-10 20:38
처프펄스 Chirped pulse
 글쓴이 : 관리자
조회 : 1,364  

처프펄스

    Chirped pulse

 

다음 그림은 B, G, R 컬러의 3 파장 성분 펄스그룹들이 매질 입사전에는 시간적으로 동일선상에서 잘 정렬되어 (변환한계 펄스) 입사하는 것을 개념적으로 보여주고 있습니다. R, G, B는 실제 컬러가 아니고 실제 펄스의 스펙트럼분포에서 성분파장이 긴 쪽을 R, 짧은 쪽을 B로 보는 상대적인 개념입니다. 예를들어 센터파장이 800nm 이고 밴드폭이 50nm 인 실제 펄스인 경우 대략 775nmB, 800nmG, 825nmR 컬러로 대입하여 생각할 수 있습니다. 각 펄스그룹들이 서로 다른 GDD 값으로 진행한 후 매질 통과 후에는 시간적으로 R 성분이 맨 먼저, 뒤를 이어 G, B 펄스그룹이 통과하는 것을 보여줍니다. (양의 분산매질인 경우) 이들 RGB 성분의 펄스들이 시간적으로 순차적으로 지연 통과하기 때문에 최종펄스는 지연시간 차이만큼 펄스폭이 늘어나게 됩니다. 통과 후 펄스폭은 매질이 두꺼울수록, GVD 값이 클수록, 펄스폭이 짧아서 스펙트럼폭이 넓을수록 넓어지게 됩니다.

Chirped pulse 1.jpg



이렇게 성분파장의 각 그룹들이 시간적으로 순차적으로 정렬되어 있는 펄스를 처프펄스 chirped pulse 라고 합니다. R 성분이 선행하는 펄스를 양의 처프펄스 (positive chirped pulse), B 성분이 선행하는 펄스를 음의 처프펄스 (negative chirped pulse) 라고 합니다.

 

변환한계 펄스가 매질에 입사하여 GDD 값으로 통과한 후, 늘어난 처프펄스의 펄스시간폭 t 는 다음과 같이 계산됩니다.

Chirped pulse 2.jpg

예를들어 센터파장 800nm30fs 펄스광이 10mm 두께의 용융쿼츠 윈도우를 통과하는 경우, 용융쿼츠의 GDD=GVD x L= 36.1 fs^2/mm x 10mm= 361 fs^2 로 계산되므로 통과 후 펄스폭은 ~45fs가 되며, 10cm 길이의 쿼츠 막대봉을 통과하면 335fs 로 대폭 늘어나게 됩니다.

 

레이저크리스털 (Ti:sapphire, Yb:YAG 등등)을 포함한 대부분의 레이저용 광학매질들은 양의 GVD 값을 가지므로 포지티브 처프펄스를 유발합니다. 이러한 처프펄스 특성을 이용하여 펄스폭을 확장하는데 사용하기도 합니다.

 

이처럼 극초단펄스레이저빔이 광학매질을 투과할 때 펄스폭이 확장되는 현상은 매질의 GVD 특성 때문이라는 것을 살펴보았습니다. 그렇다면 매질의 투과가 아닌 반사의 경우에도 GVD 특성을 보일까요 ? 가장 좋은 예가 광학미러입니다. 일반적인 광학미러의 반사막은 설계된 파장에서 반사율을 가지기 위해 굴절율이 서로 다른 증착막을 일정두께로 순차적으로 여러층으로 쌓아놓은 구조입니다. 만약에 아래그림처럼 증착막의 두께를 점진적으로 달리한다면 각 성분파장에 따라 반사가 일어나는 깊이가 달라지므로 광의 경로차이가 발생함으로써 반사펄스광은 성분파장에 따라 시간적인 처프펄스가 됩니다. 아래그림은 단파장이 장파장보다 먼저 반사가 일어나도록 특수증착을 함으로써 음의 처프펄스를 만들어 냅니다. B 성분이 R 성분보다 선행하도록 디자인된 이러한 미러를 네가티브분산미러 (negative dispersion mirror) 라고 합니다. GDD 값이 0 이거나 근처값이 되도록 설계된 미러는 제로분산 또는 저분산미러(low dispersion mirror)라고 합니다. 이처럼 미러의 증착막의 구조를 변경함으로써 반사층의 GDD 값을 설계할 수 있습니다. (당사 Femtooptics 카탈로그 참조)

Dispersion mirror.jpg


네거티브 GDD 값을 가지는 특수한 미러는 광학매질의 포지티브 GDD 값을 상쇄하는데 사용함으로써, 레이저에서 극초단펄 발생을 용이하게 하거나 펄스본래의 특성을 그대로 유지하는데 사용합니다.

 

다음절에서는 네가티브 GDD를 만듬으로써 분산을 제어하거나 펄스폭을 압축하는 원리에 대해서 정리하겠습니다.