• Element 2

• •Ultrashort Pulsed Femtosecond Lasers
• •극초단 펨토초 Ti:sapphire 레이저
• •제조사: (미) MKS Spectra-Physics

Element 2 레이저는 업계를 선도하는 초고속 퓨사이클 펄스 오실레이터 (few-cycle pulsed oscillator) 로서 뛰어난 안정도, 초저잡음, 핸즈프리 작동을 위해 디자인되었으며 당사가 제공하는 극초단펄스 레이저중 가장 짧은 펄스를 내는 레이저입니다. 옵션으로 제공되는 최신의 Carrier Envelope Phase Stabilization, CEP4 유닛과 쌍을 이루면 가장 안정되고 초저잡음의 극초단 CEP 안정화 펄스를 제공하게 되며, 이는 가장 높은 수준으로 요구되는 극초단 과학 응용분야에 문을 여는 것입니다.  

모델&옵션: Element 2

• •7-500: <7fs, BW>300nm, 800+/-20nm, >500mW
• •10-600: <10fs, BW>100nm, 800+/-10nm, >600mW 
• •10-1000: <10fs, BW>100nm, 800+/-10nm, >1000mW 
• •20-600: <20fs, BW>40nm, 800+/-10nm, >600mW 
• •20-1200: <20fs, BW>40nm, 800+/-10nm, >1200mW 
• •공통: 80+/-5MHz, 선편광>100:1
• •Femtolock 2 옵션
• •CEP4 옵션
•  

모델&옵션: Element 2 CEP

• •7-500 CEP4: BW>300nm, 800+/-20nm, >250mW
• •10-600 CEP4: BW>100nm, 800+/-20nm, >300mW 
• •20-600 CEP4: BW>40nm, 800+/-20nm, >400mW 
• •공통: uncompressed pulse output, 80MHz, fCEO 0Hz, CEP stability<60mrad rms (0.05Hz-500kHz)
• •Femtolock 2 옵션 

• Synergy

• •Ultra-Broadband Femtosecond Ti:sapphire Oscillators
• •펨토초 Ti:Sapphire 오실레이터 (시더)
• •제조사: (미) MKS Spectra-Physics

Synergy 레이저는 펄스폭 <10fs, <20fs 대의 극초단 펄스를 위한 극도로 넓은 파장범위를 출력하는 Ti:sapphire 오실레이터로서 펨토초 증폭기의 시더 레이저로 이상적입니다. 이 레이저는 별도의 Millennia eV 레이저로 펌프됩니다. 

모델&옵션

• •Synergy Pro: PW<10fs, BW>100nm, >500mW
• •Synergy M1: PW<10fs, BW>100nm, >1000mW
• •Synergy 20: PW<20fs, BW>40nm, >500mW
• •Synergy 20 UHP: PW<20fs, BW>40nm, >1200mW
• •공통: 센터파장 800+/-10nm, 75MHz, TEMoo, 선편광>100:1
• •FemtoLock 2 옵션
• •펌프레이저 옵션: Millennia eV 5, 10
•  

Carrier Enevlope Phase (CEP) Stabilization 

펄스레이저를 비롯한 극초단펄스광 발생기술이 진보함에 따라 펄스폭이 점점 짧아져 수 fs 대의 정말로 극극초단 (extreme ultrashort) 시간영역까지 도달하였습니다. 20~25 년전만 해도 50fs 레이저는 그래도 극초단펄스의 선두그룹에 있었습니다만, 5~6fs 펄스폭의 레이저까지 상용으로 출시되고 있는 현재는 명함도 못 내미는 시대가 되었습니다. 50fs 정도의 극초단레이저에서 레이저과학자들은 CEP에 크게 주목하지 않았습니다. 극초단펄스광이 매질과 상호작용할 때 CEP 영향은 대체적으로 30fs 이하의 펄스에서부터 영향이 나타나며, 10fs 이하의 퓨사이클펄스(few-cycle pulse)가 되면 현저하게 나타나는 것으로 알려져 있습니다.

나노초 펄스, 피코초 펄스광에서는 전혀 문제가 안 되는 CEP가 왜 극극초단 퓨-사이클 펄스광의 중요한 특성이 되는지를 설명합니다. CEP는 Carrier Envelope Phase, 또는 Carrier Envelope Offset Phase 의 약자로 통신용어를 빌리면 “반송파 포락선 위상” “반송파 포락선 옵셋 위상” 정도로 해석됩니다.

개략적으로 아래 그림처럼 광펄스는 시간영역에서 전기장의 진폭커브-포락선(envelope)-와 빠르게 진동하는 전기장 사이클-반송파(carrier)-로 볼 수 있으며, 이 둘 사이의 시간적인 차이-옵셋 위상(offset phase) Φ-가 존재하게 되는데 이 위상차 Φ를 CEP 라고 합니다. 반송파 사이클이 몇 개 정도가 진폭커브의 폭(펄스폭)과 비슷해지면서 위상옵셋에 따라 동일 펄스폭을 가진 광펄스에서 서로 다른 특성의 광펄스가 됩니다. 아래그림에서 동일한 펄스폭이라도 위상차 Φ=0, Φ=90, Φ=180, Φ=270 에 따라 서로 다른 특성의 펄스가 됩니다.  

일반적으로 CEP 값은 펄스내에서 시간에 따라 규칙적으로 변하거나 매 펄스마다 랜덤한 값을 가질 수 있습니다. 따라서 동일한 레이저에서 출력되는 6 fs 펄스들은 전기장의 위상에 민감한 실험에서는 다 같은 펄스가 아닐 수 있습니다. 펄스폭이 30fs 이상 넓어지면 10 이상의 사이클로 진동하므로 평균하면 위상차이에 그렇게 민감하지 않을 수 있습니다.

아래 그림의 퓨-사이클 펄스에서 왼쪽은 반송파의 피크위상이 포락곡선의 중심으로부터 180도 어긋나(옵셋) 있는 상태를, 오른쪽은 반송파의 피크와 포락선이 중심이 서로 일치하여 위상차 0에 해당하는 경우를 보여주고 있습니다.

문제는 이러한 펄스가 매질을 통과시 군속도와 위상속도의 차이를 유발하는 군속도분산이나 다른 비선형성에 의해 위상차가 매 펄스마다 일정하지 않고 변한다는 것입니다. 위상차의 요동은 매질과의 상호작용시 shot-to-shot 강도요동을 유발하게 됩니다. 펄스의 사이클 수가 적을수록 즉 펄스가 극극초단이 될수록 위상차에 의한 강도요동의 정도는 심하게 됩니다. 따라서 매 펄스마다 위상차가 0 이거나 일정한 위상차를 가지도록 강제한다면 위상차의 불일치에 따르는 매질과의 상호작용의 요동을 현저하게 줄일 수 있습니다. CEP 값이 0 이 되게하거나 일정한 값을 가지도록 강제하는 방법을 CEP Stabilization 라고 합니다. 

다음은 CEP 에 민감한 몇가지 실험 사례들입니다.

• ▷ Coherent control with a combination of fundamental and SHG pulses
• ▷ Optical synthesizers and frequency combs for metrology
• ▷ High harmonic and attosecond pulse generation
•  

그렇다면 어떻게 각 펄스들의 CEP를 안정화시킬 수 있습니까? 그동안 CEP 안정화 기술, 즉 각 펄스마다 CEP 값이 일정한 값을 유지하기 (대부분의 경우 CEP=0이 되도록) 위한 몇가지 기술들이 개발되었습니다. Spectra-Physics Element 2 레이저에 적용된 CEP4 방법이 그중 하나입니다. 

(이미지 출처: 구글)