KR101394720B1 - Method and apparatus to generate high power femtosecond light pulses by combining nonlinear polarization rotation and saturable absortion - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 관한 것으로, 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서, 레이저 소스를 포함하는 링타입(ring-type) 구조의 광섬유 기반의 공진기이며, 상기 공진기 상에 구성되고, 펄스 쉐이핑(shaping)으로 극초단 펄스를 생성하는 비선형 편광회전 모드잠금부 및 펄스 진폭의 비선형 필터링을 수행하며, 상기 공진기 내부의 초과 비선형 현상을 억제, 초기펄스의 생성 및 솔리톤 펄스에서 생성되는 기생 분산파(Dispersive wave) 제거를 수행하는 포화흡수체 모드잠금부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a high output optical fiber femtosecond laser resonator which is produced by nonlinear polarization rotation and coupled mode locking of a saturated absorber. In the optical fiber femtosecond laser resonator, a ring-type optical fiber- A nonlinear polarization rotation mode lock and a nonlinear filtering of pulse amplitude which are configured on the resonator and which are formed on the resonator and which generate an ultrashort pulse by pulse shaping and suppress the excess nonlinear phenomenon in the resonator, And a saturable absorber mode locking unit for performing the generation of the parasitic wave and the elimination of the parasitic dispersion wave generated in the soliton pulse.

Description

비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기{Method and apparatus to generate high power femtosecond light pulses by combining nonlinear polarization rotation and saturable absortion}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high output optical fiber femtosecond laser resonator, which is produced by nonlinear polarization rotation and coupled mode locking of a saturated absorber.

본 발명은 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 모드잠금을 통해 고출력 펨토초 레이저 펄스를 출력할 수 있는 광섬유 공진기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high power optical fiber femtosecond laser generated by nonlinear polarization rotation and coupled mode locking of a saturated absorber, and more particularly, to an optical fiber resonator capable of outputting a high output femtosecond laser pulse through a mode lock.

광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 종류는 공진기의 형태에 따라 링형(ring-type)과 8자형(figure eight type) 그리고 페브리-페롯형(Fabry-Perot type)으로 나눌 수 있다. 링형에서는 비선형 편광회전(nonlinear polarization rotation)현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 페브리-페로형의 경우 원형 공진기와는 달리 공진기 내부에서의 펄스의 진행 방향이 양방향이기 때문에 주로 포화 흡수 거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 8자형의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스 간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.The fiber-based femtosecond laser resonator can be classified into a ring-type, a figure-eight type, and a Fabry-Perot type according to the shape of a resonator. In the ring type, passive mode locking is realized by using a saturable absorber exhibiting nonlinear polarization rotation and different transmission and absorption characteristics depending on the amount of light to generate a narrow pulse. In the case of the Fabry-Perot type, unlike a circular resonator, a narrow pulse is generated mainly by using a saturable absorber mirror since the traveling direction of the pulse in the resonator is bidirectional. On the other hand, in the case of the 8-shape, two resonant loops are connected through a fiber coupler, and a narrow pulse is generated using the difference between nonlinear phenomena in the clockwise and counterclockwise pulses.

광섬유 펨토초 레이저는 대부분 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber, SMF)와 이득매질인 희토류 첨가 광섬유(Rare earth doped fiber)로 구성된 단 방향 순환 공진기(unidirectional ring cavity)로 구성 되어 있어 후방산란(backscatter)을 감소시키므로 자가 발진(self-starting)이 용이하여 turnkey 방식의 쉬운 작동이 가능하고, 환경변화에 둔감하여 장기간 작동이 가능하며, 통신대역에서의 광섬유 구성품을 사용하여 낮은 가격과 통신대역에서의 활용 등의 산업적으로 응용하기 좋은 여러 장점을 가지고 있다.The fiber optic femtosecond laser is mostly composed of a unidirectional ring cavity composed of a single mode fiber (SMF) and a rare earth doped fiber (gain medium), which reduces backscatter This makes it possible to operate the turnkey system easily because of self-starting easily, and it is possible to operate for a long time by insensitivity to environmental changes. It is possible to use the optical fiber components in the communication band at a low price, It has several advantages that are suitable for industrial application.

대표적인 이득매질로는 980nm 또는 1480nm파장을 흡수대역으로 하고 1550nm 파장을 중심으로 넓은 방출 대역을 갖는 어븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber, EDF)와 980nm의 파장을 흡수대역으로 하여 1030nm 파장을 중심으로 수십 nm의 넓은 방출 대역을 갖는 이터븀 첨가 광섬유(Ytterbium Doped Fiber, YDF)를 사용하는 것이 일반적이며, 이외에 다른 파장 대역에 gain을 형성하는 Thulium, Holmium, Neodymium, Praseodymium 등의 희토류 첨가 광섬유(rare earth doped fiber)를 사용한다.As a typical gain medium, an erbium doped fiber (EDF) having an absorption band of 980 nm or 1480 nm as a absorption band and a broad emission band around a wavelength of 1550 nm, and an absorption band of 980 nm, Ytterbium doped fiber (YDF) having a wide emission band of the rare earth doped fiber (YDF) is generally used. In addition, a rare earth doped fiber such as Thulium, Holmium, Neodymium, Praseodymium etc. forming a gain in a different wavelength band ) Is used.

희토류 첨가 광섬유는 넓은 파장대역폭 갖는 이득매질이므로, 반복률에 해당하는 간격을 갖는 105 ~ 106개의 주파수 모드들이 이득매질에서 증폭 되어 광 빗을 형성하고, 모드잠금에 의해 각 주파수 모드들의 위상을 일치 시켜 시간 축에서 좁은 펄스를 형성한다.Since the rare-earth doped optical fiber is a gain medium having a wide wavelength bandwidth, 10 5 to 10 6 frequency modes having an interval corresponding to the repetition rate are amplified in the gain medium to form an optical comb, and the phases of the respective frequency modes are matched by mode locking Forming a narrow pulse on the time axis.

광섬유 펨토초 레이저의 수동 모드잠금의 종류는 일반적으로 비선형 편광회전(nonlinear polarization rotation, NPR), 포화흡수체(saturable absorber, SA), 비선형 증폭 루프 거울(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)을 이용한 세 가지 방식으로 나눠진다.
The passive mode locking of fiber-optic femtosecond lasers is generally done in three ways using nonlinear polarization rotation (NPR), saturable absorber (SA), and nonlinear amplifying loop mirror (NALM) It is divided.

아래에서 수동 모드잠금 방식에 따라 보다 구체적으로 설명한다.The manual mode locking scheme will be described in more detail below.

비선형 편광 회전방식(Nonlinear polarization evolution)을 이용한 모드잠금은 타원편광(elliptical polarization)된 빛이 커 매질(Kerr medium)을 지날 때 발생하는 비선형 효과(nonlinear effect)를 이용한 것이다. Mode locking using nonlinear polarization evolution is based on a nonlinear effect that occurs when elliptically polarized light passes through a Kerr medium.

비선형 커 회전(nonlinear Kerr rotation)을 설명하면, 단일 모드 광섬유의 굴절률(refractive index), n이 빛의 세기, I 에 따라 식

Figure 112012084908983-pat00001
와 같이 달라지고, 이로 인해 타원편광을 구성하는 서로 다른 세기의 수직성분 전기장과 수평성분 전기장이 단일 모드 광섬유를 지나면서 서로 다른 굴절률을 겪게 되어 두 전기장 사이의 위상 차이가 발생하고 타원 편광된 빛의 주축이 회전하게 된다.In nonlinear Kerr rotation, the refractive index, n, of a single-mode fiber is given by
Figure 112012084908983-pat00001
And thus the vertical component electric field and the horizontal component electric field of the different intensities constituting the elliptical polarization undergo different refractive indices through the single mode optical fiber, resulting in a phase difference between the two electric fields, and the elliptically polarized light The main shaft rotates.

여기서, 비선형 편광회전 현상에 의한 모드동기를 하기 위해 희토류 첨가 광섬유 레이저의 각 부분의 역할과 일어나는 현상을 순차적으로 알아보면 다음과 같다.Here, the role of each part of the rare-earth-doped fiber laser and the phenomenon occurring in order to perform mode locking by the nonlinear polarization rotation phenomenon will be sequentially described.

공진기 내부에서 이득 매질인 희토류 첨가 광섬유의 흡수 대역과 일치하는 펌핑(pumping) 레이저의 출력을 증가시켜주면 이득매질의 방출대역으로 자연방출(spontaneous emission)을 하게 된다. 이때 자연방출 된 빛은 백색잡음(white noise)으로 작용하고 공진기 안에서 왕복하며 증폭된다. 증폭된 백색 잡음 중 가장 높은 세기를 갖는 부분이 공진기 안에서 왕복할 때 발생하는 손실을 넘게 되면 작은 펄스가 생성되고 이 펄스가 증폭되어 자가 발진(self starting)을 하게 된다. 공진기 내부에서 생성된 펄스는 편광기(polarizer)에 의해 선형 편광상태를 갖게 되고, 첫 번째 편광 조절기(polarization controller)를 지나며 타원편광으로 바뀌게 된다. 편광 조절기에 의해 형성된 타원편광은 수직성분 전기장과 수평성분 전기장이 다른 위상속도(phase velocity)와 빛의 세기를 갖게 되고, 커 매질인 단일 모드 광섬유를 지나면서 발생하는 비선형 효과에 의해 펄스의 편광이 회전을 하게 된다. 이때 식

Figure 112012084908983-pat00002
에서 보는 바와 같이 굴절률이 빛의 세기의 함수이므로 펄스 중심 부근의 빛의 세기가 강한 부분과 양쪽 가장자리의 빛의 세기가 약한 부분에서 타원편광의 회전 정도가 달라진다. 회전된 타원편광의 펄스는 이득 매질인 희토류 첨가 광섬유에서 출력이 증폭된다. 증폭 된 펄스는 다시 커 매질인 단일 모드 광섬유를 지나 더 큰 타원편광의 회전을 겪게 되고 두 번째 편광 조절기에서 선편광 펄스로 전환되게 된다. 이때 편광 조절기를 이용하여 펄스의 빛의 세기가 강한 부분과 약한 부분의 타원편광 주축을 서로 수직하게 조절한 후 선편광으로 전환한다. 선편광의 펄스는 다시 편광기로 입사하게 되고 편광기의 편광 방향이 펄스의 빛의 세기가 강한 부분의 편광 방향과 일치 하도록 되어 있으므로 펄스의 빛의 세기가 강한 부분에서 최소한의 손실이 발생하는 반면, 펄스의 빛의 세기가 약한 부분에서 큰 손실이 발생하여 좁은 폭의 펄스를 생산한다.If the output of the pumping laser is increased in accordance with the absorption band of the rare earth doped optical fiber, which is a gain medium in the resonator, spontaneous emission is caused to the emission band of the gain medium. At this time, the naturally emitted light acts as white noise and is amplified by reciprocating in the resonator. If the portion of the amplified white noise having the highest intensity exceeds the loss caused by reciprocation in the resonator, a small pulse is generated and the pulse is amplified to self-start. The pulse generated inside the resonator is linearly polarized by a polarizer and passes through the first polarization controller and is converted to elliptical polarized light. The elliptically polarized light formed by the polarization controller has a phase velocity and a light intensity which are different from each other in the vertical component electric field and the horizontal component electric field. The nonlinear effect generated through the single mode optical fiber, which is a core, Rotation. In this case,
Figure 112012084908983-pat00002
The refractive index is a function of the intensity of the light, so that the degree of rotation of the elliptically polarized light changes at a portion where the intensity of the light near the center of the pulse is strong and a portion where the intensity of light at both edges is weak. The pulse of the rotated elliptical polarization is amplified in the rare earth doped optical fiber, which is a gain medium. The amplified pulse is again passed through a single mode fiber, which is a Kerr medium, and is subjected to a rotation of a larger elliptically polarized light, and is converted to a linearly polarized light pulse by a second polarization controller. At this time, the elliptically polarized main axis of the strong part of the pulse and the weak part of the pulse are adjusted perpendicular to each other by using a polarization controller, and then converted into linearly polarized light. The pulse of linearly polarized light is incident on the polarizer again and the polarizing direction of the polarizer coincides with the polarizing direction of the strong portion of the pulse light so that a minimum loss occurs in the portion where the light intensity of the pulse is strong, A large loss occurs in a portion where the intensity of light is weak, thereby producing a pulse of a narrow width.

즉, 비선형 편광 회전 모드잠금 조건은 공진기 내부의 편광기에 의해 펄스 중심의 빛이 강한 부분이 살아남고 펄스 가장자리의 빛이 약한 부분은 제거 시킬 수 있는 인공 포화 흡수체(artificial saturable absorber)를 형성하는 조건을 말한다. 이러한 비선형 편광 회전방식 모드잠금의 장점으로는 특별한 장치 없이 백색잡음으로부터 모드잠금을 위한 자가 발진이 가능하고, 한정된 수명이 없이 비교적 저렴한 통신대역의 광섬유 제품들로 구성이 가능하며, 100fs 이하의 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 광섬유 내부에서의 편광 변화를 이용한 모드잠금이므로 안정된 편광 상태를 위하여 공진기를 구성하는 광섬유의 온도안정화가 필요하다.
In other words, the nonlinear polarization rotation mode locking condition is a condition for forming an artificial saturable absorber capable of eliminating a weak portion of a pulse edge due to a strong portion of a pulse centered by a polarizer inside the resonator. . The nonlinear polarized rotation type mode locking is advantageous in that it can self-oscillate for mode locking from white noise without any special device, can be constructed with optical fiber products with relatively low communication bandwidth without a limited lifetime, ≪ / RTI > The disadvantage is the mode locking using the polarization change inside the optical fiber, so it is necessary to stabilize the temperature of the optical fiber constituting the resonator for the stable polarization state.

다음으로 포화흡수체(Saturable absorber)를 이용한 모드잠금을 설명한다. 상기 포화흡수체는 빛의 세기가 증가하게 되면 빛의 흡수가 감소하는 현상을 이용한 것으로, 공진기 안에서 진행하는 펄스의 가장자리 부분은 빛의 세기가 약하기 때문에 포화 흡수체를 통해 흡수가 되어 더 이상 공진기 내부를 진행을 못하는 반면, 펄스의 중간 부분은 빛의 세기가 강하여 포화 흡수체에서의 흡수를 포화(saturation)시켜 공진기 내부를 계속 진행할 수 있는 비선형필터(Nonlinear filter)의 역할을 하므로 좁은 펄스폭을 갖게 하는 모드잠금을 유도한다.Next, a mode lock using a saturable absorber will be described. The saturable absorber utilizes a phenomenon in which the absorption of light decreases when the intensity of light is increased. Since the intensity of light traveling through the resonator is weak, the saturable absorber is absorbed through the saturable absorber, While the middle part of the pulse acts as a nonlinear filter capable of continuing the inside of the resonator by saturating the absorption in the saturated absorber due to strong intensity of the light so that the mode lock having a narrow pulse width .

모드잠금 시 사용되는 포화흡수체의 종류는 반도체 포화흡수체(semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(carbon nano tubes), 그래핀(graphene) 등이 있다. 포화흡수체를 이용한 모드잠금의 장점은 다른 모드잠금 방식에 비해 쉽게 펄스 생성이 가능하고, 짧은 길이의 공진기를 구성할 수 있어 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저 형성이 가능하며, 주변 환경 변화에 의한 광섬유 내부에서의 편광 변화에 영향이 적다. 단점으로는 mW 수준의 흡수체 손상 한계점(absorber damage threshold)을 갖고 있고 한정된 수명이 있으며, 완화시간(relaxation time)에 따라 줄일 수 있는 펄스폭이 수 백 fs 수준으로 한정되어 있다.Types of saturable absorbers used in mode locking include semiconductor saturable absorbers, carbon nano tubes, and graphene. The advantage of mode locking using a saturated absorber is that it can generate pulses more easily than other mode locking methods, can form a short-length resonator, can form a femtosecond laser with a high repetition rate, The influence of the polarization change is small. Disadvantages include absorber damage threshold at mW level, limited lifetime, and limited pulse widths of several hundred fs that can be reduced with relaxation time.

비선형 증폭 루프거울 방식(Nonlinear amplifying loop mirror)을 이용한 모드잠금은 8-자형 공진기에서 사용되는 모드잠금 방식이다. 이는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 펄스의 증폭 위치를 다르게 하거나 결합(coupling) 비율을 다르게 하여 두 펄스간의 비선형 위상 차이를 발생시킨다.Mode locking using a nonlinear amplifying loop mirror is a mode locking method used in an 8-shaped resonator. This is a system in which two resonant loops are connected through a fiber coupler. The amplification positions of the pulses traveling in the clockwise direction and the counterclockwise direction are made different or the coupling ratios are made different, Causing a difference.

그리고 두 펄스가 만나는 지점에서 간섭을 통해 빛의 세기가 강한 펄스의 중간부분은 보강간섭이 되어 빛의 투과가 최대가 되는 반면 빛의 세기가 약한 펄스의 가장자리 부분은 상쇄간섭을 유도하여 빛의 투과를 낮추므로 좁은 펄스폭을 유도하는 모드잠금 방식이다. 장점으로는 긴 공진기 길이를 이용하여 높은 에너지와 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있는 반면, 긴 공진기 길이가 요구되므로 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저를 형성하기 어렵다는 단점이 있다.At the point where the two pulses meet, the middle part of the pulse having strong intensity of the light through the interference becomes the constructive interference, and the transmission of the light is maximized. On the other hand, the edge part of the pulse having weak light intensity induces the destructive interference, , Which is a mode locking method that induces a narrow pulse width. The advantage is that it is possible to generate a pulse with a high energy and a narrow width by using a long resonator length, but it is disadvantageous in that it is difficult to form a femtosecond laser having a high repetition rate because a long resonator length is required.

광섬유 기반 펨토초 레이저의 모드잠금을 결정짓는 요소는 편광(polarization), 펌핑출력(pumping power), 비선형(nonlinearity), 분산(dispersion)이다. 이 4가지 요소를 조절하여 모드잠금 조건을 만족 시키므로 안정된 모드잠금을 구현할 수 있다. 이 4가지 요소는 서로 긴밀하게 연관되어 있어 각 요소를 조절할 때 다른 요소에 영향을 끼치므로 서로 제한 조건이 되기도 한다. 광섬유 펨토초 레이저 모드잠금에 대한 각 요소의 역할에 대해 정리하면 다음과 같다.The factors that determine the mode locking of fiber-based femtosecond lasers are polarization, pumping power, nonlinearity, and dispersion. By adjusting these four factors, a stable mode lock can be realized because the mode lock condition is satisfied. These four elements are closely related to each other, and when controlling each element, they affect other elements, and therefore, they are mutually restrictive. The role of each element in optical fiber femtosecond laser mode locking is summarized as follows.

편광(Polarization)은 공진기 내부에 구성 되어 있는 편광 조절기와 커 매질(Kerr medium) 내부에서 비선형 현상에 의해 발생되는 비선형 편광회전 정도에 의해 조절되므로 모드잠금에 적합한 편광 상태를 유도한다. 편광 조절기는 편광기 전후에 위치하며 파장판(waveplates) 또는 광섬유를 비틀거나 눌러주는 방식의 광섬유 형태의 편광 조절기의 조합으로 이루어져 있고 파장판을 회전시키거나 광섬유에 복굴절을 형성시키므로 공진기 내부의 편광상태를 수동적으로 조절할 수 있다. 또한 펌프 출력 및 편광기 전의 편광조절에 의한 광량조절을 통해 커 매질에서 비선형 편광회전의 정도를 조절하여 모드잠금 조건을 만족 시키는 편광상태를 조절한다.Polarization is controlled by the degree of nonlinear polarization generated by the nonlinear phenomenon in the polarization controller and Kerr medium inside the resonator, which leads to a polarization state suitable for mode locking. The polarization controller is located before and after the polarizer and is composed of a wave plate or a combination of optical fiber type polarization controller which twists or pushes the optical fiber. Since the wave plate is rotated or birefringence is formed in the optical fiber, It can be controlled manually. Also, by adjusting the amount of light by controlling the pump output and the polarization before the polarizer, the degree of nonlinear polarization rotation in the medium is controlled to adjust the polarization state satisfying the mode locking condition.

펌프출력(Pump power)은 앞에서 설명 한 바와 같이, 커 매질(kerr medium) 내부에서 비선형 현상에 의한 비선형 편광 회전을 조절하는 동시에 공진기 내부의 이득(gain)을 조절하는 역할을 한다. 즉, 공진기 내부의 편광조절기의 편광상태가 정해져 있을 때, 펌프 출력을 조절하여 비선형 편광회전을 조절하므로 모드잠금을 유도할 수 있다. 만약 펌프출력에 의한 비선형 편광회전만으로 모드잠금 조건을 만족 시킬 수 있다면, 공진기 내부에 편광조절기를 사용하지 않아도 되지만, 광섬유 내부가 균일하지 못하고 공진기 구성 시 광섬유의 휘어짐과 광섬유 연결부위의 접합상태 등에 의해 편광조절기 없이 모드잠금 조건을 찾기란 어렵다. 모드잠금 된 상태에서 펌프출력을 계속 증가시키면 펄스 외의 잡음 성분에 이득을 주게 되고, 이득매질에서 펄스의 증폭은 포화(saturation)되는 반면, 잡음 성분의 증폭이 커져 다수의 펄스(multi-pulse)를 생성하게 된다. 결국 모드잠금 조건을 만족하는 편광 상태를 벗어나 모드잠금이 상태를 유지하지 못하게 된다.As described above, the pump power controls the nonlinear polarization rotation due to the nonlinear phenomenon in the kerr medium, and regulates the gain inside the resonator. That is, when the polarization state of the polarization controller inside the resonator is fixed, the mode lock can be induced by controlling the non-linear polarization rotation by controlling the pump output. If the mode locking condition can be satisfied by only the nonlinear polarization rotation by the pump output, it is not necessary to use a polarization controller inside the resonator. However, since the inside of the optical fiber is not uniform and the optical fiber is bent during the resonator configuration, It is difficult to find the mode lock condition without the polarization controller. If the pump output is continuously increased while the mode is locked, the gain of the non-pulse will be increased, and the amplification of the pulse in the gain medium will saturate, while the amplification of the noise component will be increased to generate multiple pulses Respectively. As a result, the mode lock state can not be maintained beyond the polarization state satisfying the mode lock condition.

비선형성(Nonlinearity)은 공진기에서 비선형 편광회전을 발생시켜 모드잠금 조건을 형성시키기 위한 중요한 요소이며, 펌프출력 및 편광기 전의 편광조절에 의한 광량조절에 의해 조절되고 공진기에서 형성되는 펄스의 에너지를 한정 짓는 역할을 한다.Nonlinearity is an important factor for forming a mode locking condition by generating nonlinear polarization rotation in a resonator. It is controlled by adjusting the amount of light by controlling the pump output and the polarization before the polarizer, It plays a role.

분산(Dispersion)은 공진기를 형성하는 서로 다른 부호와 크기의 분산을 갖는 광섬유 길이의 조합으로 조절할 수 있고, 분산을 조절하므로 공진기에서 생성되는 펄스의 특성을 조절 할 수 있다. 공진기 전체의 분산을 조절함으로써 전체분산이 음(-)의 영역인 이상분산(anomalous dispersion) 영역이면 솔리톤 광섬유 레이저(soliton fiber laser)를 형성하고, 전체분산이 양(+)의 영역인 정상분산(normal dispersion) 영역이면 self-similar fiber laser를 형성하며, 전체분산이 0(zero dispersion)이면 분산제어 광섬유 레이저(dispersion managed fiber laser)를 형성한다.
Dispersion can be controlled by a combination of the lengths of the optical fibers having different sign and size dispersion forming the resonator, and the dispersion can be controlled, so that the characteristics of the pulse generated in the resonator can be controlled. A soliton fiber laser is formed when the dispersion of the entire resonator is controlled so that the dispersion is an anomalous dispersion region where the dispersion is negative and the dispersion is a normal dispersion normal dispersion region forms a self-similar fiber laser, and when the total dispersion is zero dispersion, a dispersion managed fiber laser is formed.

다음으로 전체 분산에 따른 광섬유 펨토초 레이저 분류를 분류하면 아래와 같다.Next, classification of optical fiber femtosecond laser according to total dispersion is as follows.

솔리톤 레이저(soliton laser)는 펄스를 형성하는 조건으로 비선형 현상인 자기위상변조(self phase modulation)에 의한 비선형 위상지연(nonlinear phase delay)을 단일모드 광섬유의 이상분산에 의한 분산 위상지연(dispersion phase delay)으로 보상하여 일정한 펄스상태를 유지하는 것이다. 즉, 높은 에너지 상태에서는 비선형 현상이 증가하여 광섬유의 분산과 균형을 이룰 수가 없으므로 펄스를 유지 할 수 없다. 그러므로 솔리톤 펄스 레이저는 생성할 수 있는 펄스폭과 출력이 제한되어 있고 비선형 현상도 제한되어 있어 넓은 스펙트럼을 형성하는데 한계가 있다.The soliton laser is a nonlinear phase delay (nonlinear phase delay) caused by a nonlinear phenomenon, which is a condition for forming pulses, by a dispersion phase delay caused by anomalous dispersion of a single mode optical fiber ) To maintain a constant pulse state. In other words, the pulse can not be maintained because the dispersion and balance of the optical fiber can not be achieved due to the increase of the nonlinear phenomenon at the high energy state. Therefore, the soliton pulse laser has a limitation on the formation of a broad spectrum because of limited pulse width and output that can be generated, and limited nonlinear phenomenon.

분산제어 레이저(dispersion managed laser)는 정상분산 광섬유의 분산 위상지연과 이상분산 광섬유의 분산 위상지연이 동일하므로 공진기 내부에서 펄스의 폭이 breathing하며 펄스를 형성하게 된다. 즉, 공진기 내부에서 펄스의 폭이 breathing 하므로 공진기의 높은 에너지 상태에서 과도한 비선형현상(excessive nonlinear effect)에 의한 펄스의 깨짐(pulse breaking) 현상을 억제하여 높은 출력과 넓은 스펙트럼을 형성할 수 있다. 또한, 공진기의 세기 및 타이밍 잡음이 매우 낮은 것으로 최근에 보고되어 정밀 측정 및 가공 응용에 적합한 타입으로 고려된다.In a dispersion managed laser, the dispersion phase delay of a normal dispersion fiber is equal to the dispersion phase delay of an ideal dispersion fiber. Therefore, the pulse width is breathing in the resonator and forms a pulse. That is, since the width of the pulse is breathing inside the resonator, it is possible to suppress the pulse breaking due to the excessive nonlinear effect in the high energy state of the resonator, so that the high output and the broad spectrum can be formed. In addition, it has recently been reported that the resonator intensity and timing noise are very low, which is considered as a type suitable for precision measurement and processing applications.

자가 유사 레이저(Self-similar laser)는 광섬유 분산에 의해 계속 증가하는 펄스폭이 이득매질의 주파수 대역폭 한계 및 비선형 편광회전 모드잠금에 의한 주파수 필터링으로 인해 감소되므로 일정한 폭을 갖는 안정적인 펄스를 형성한다. 광섬유 분산과 비선형 현상인 자기위상변조는 펄스의 양(+)의 처프(chirp)를 생성하므로 공진기에서 형성된 펄스는 넓은 폭을 가지며, 이로 인해 초과된 비선형 현상 없이 높은 출력을 갖는다. 자가 유사 레이저는 공진기의 세기 및 타이밍 잡음이 높고, 좁은 폭의 펄스를 형성 시 외부 분산보상기가 필요하다.A self-similar laser forms a steady pulse with a constant width because the continuously increasing pulse width due to fiber dispersion is reduced due to frequency bandwidth limitations of the gain medium and frequency filtering by nonlinear polarization rotation mode locking. Since the optical fiber dispersion and the nonlinear phenomenon, self-phase modulation, generate chirps of positive (+) pulses, the pulses formed in the resonator have a wide width and therefore have high output without excess nonlinear phenomenon. Self-similar lasers have high resonance intensity and timing noise, and require an external dispersion compensator to form narrow pulse widths.

한편, 평균출력 100mW 이상, 펄스 에너지 3nJ 이상, 펄스폭 100fs 수준의 특성을 동시에 만족하는 광섬유 펨토초 펄스를 생성하기 위해서는 일반적으로 공진기 외에 추가적으로 증폭기와 외부 분산 보상기가 요구된다. 이러한 경우 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하므로 산업분야 적용에 단점이 되며, 시스템의 추가로 인해 발생하는 주변 환경에 대한 안정도 감소와 증폭기에서 발생하는 잡음의 증가는 정밀분야 적용에 한계를 발생시킨다.On the other hand, in order to generate an optical fiber femtosecond pulse satisfying the characteristics of an average power of 100 mW or more, a pulse energy of 3 nJ or more, and a pulse width of 100 fs simultaneously, an amplifier and an external dispersion compensator are additionally required in addition to a resonator. In this case, the system is complicated and the cost is increased, which is a disadvantage in the application of the industrial field. Further reduction of the stability of the surrounding environment caused by the addition of the system and increase of the noise generated by the amplifier cause limitations in the application of the precision field.

공진기만을 사용하여 펨토초 펄스를 생성하는 비선형 편광 회전 모드잠금 또는 포화흡수체 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저의 출력, 에너지 및 펄스 폭 한계에 대해 설명하자면, 비선형 편광 회전 모드잠금에 의한 광섬유 펨토초 레이저는 전체분산이 음의 영역에 있는 솔리톤 레이저의 경우, 100 펨토초 수준의 좁은 펄스 생성이 가능한 반면, 높은 첨두 출력을 갖는 펄스가 공진기 내부에서 일정하게 유지되므로 초과된 비선형 현상(excessive nonlinear effect)에 의한 펄스의 분리 및 왜곡이 쉽게 발생하여 0.1nJ 수준의 펄스 에너지 한계를 갖는다.To describe the output, energy, and pulse width limits of a nonlinear polarized rotation mode locked or saturated absorber mode locked fiber femtosecond laser using only a resonator to generate a femtosecond pulse, a fiber optic femtosecond laser with nonlinear polarization rotation mode locking has a total dispersion In the case of a soliton laser in the negative domain, it is possible to generate a narrow pulse at a level of 100 femtoseconds, while a pulse with a high peak output is kept constant inside the resonator, so that the pulse is separated by an excessive nonlinear effect Distortion is easily generated and has a pulse energy limit of 0.1 nJ.

또한, 전체분산이 0 근처인 분산 조절 (솔리톤) 레이저의 경우 펄스 폭의 확장과 축소를 유도하여 초과된 비선형 현상을 억제하므로 펄스에너지의 증가를 유도할 수 있지만 1nJ 수준의 펄스 에너지 생성의 한계를 갖는다.In the case of a dispersion-controlled (soliton) laser with a total dispersion close to 0, it induces the expansion and contraction of the pulse width to suppress excess nonlinear phenomenon, thereby inducing an increase in pulse energy. However, .

또한, 솔리톤과 분산 조절 솔리톤 레이저는 주요 펄스 외에 분산파(dispersive wave)를 생성하여 시간상에서 주요 펄스의 에너지 집중도를 감소시킨다.In addition, soliton and dispersion-controlled soliton lasers produce dispersive waves in addition to the main pulses, reducing the energy concentration of the main pulses over time.

또한, 포화흡수체 모드잠금에 의한 광섬유 펨토초 레이저는 수 nJ 이상의 펄스 에너지생성이 가능하지만, 수백 펨토초의 펄스폭 한계를 가지며, 광 빗의 주파수 대역폭 또한 10 nm 정도로 좁게 형성되는 단점이 있다.In addition, although the femtosecond laser of the optical fiber by the saturable absorber mode locking can generate pulse energies of several nJ or more, it has a pulse width limit of several hundred femtoseconds, and the frequency bandwidth of the optical comb is also formed to be as narrow as 10 nm.

KR 10-0957133호KR 10-0957133 KR 10-1155541호KR 10-1155541

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 비선형 편광 회전 모드잠금 방식과 포화흡수체 모드잠금 방식을 결합한 하이브리드 모드잠금 방식을 구현하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide a hybrid mode locking system combining a nonlinear polarization rotation mode locking system and a saturable absorber mode locking system.

이에 따라 본 발명은 비선형 편광 회전의 펄스 shaping에 의한 좁은 폭의 펨토초 펄스 생성과 포화흡수체의 비선형 필터링에 의한 이득매질에서의 초과 비선형 현상 억제를 유도하고, 외부 증폭기 및 분산 보상기가 없는 단일 공진기에서 100fs 수준의 좁은 펄스폭과동시에 펄스 출력 및 에너지 한계를 극복한 100mW 이상의 출력, 3nJ 이상의 에너지를 갖도록 하며, 포화흡수체에 의한 분산파 억제로 주요 펄스에 높은 에너지가 집중된 고출력 광섬유 펨토초 레이저를 생성하는데 목적이 있다.
Accordingly, the present invention is directed to a method of generating a narrow-width femtosecond pulse by nonlinear polarization rotation pulse shaping and nonlinear filtering of a saturated absorber to induce suppression of excess nonlinear phenomena in a gain medium, The goal is to produce a high power optical fiber femtosecond laser with a narrow pulse width at the same time, over 100mW output over the pulse output and energy limit, energy more than 3nJ, have.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서, 레이저 소스를 포함하는 링타입(ring-type) 구조의 광섬유 기반의 공진기이며, 상기 공진기 상에 구성되고, 펄스 쉐이핑(shaping)으로 극초단 펄스를 생성하는 비선형 편광회전 모드잠금부 및 펄스 진폭의 비선형 필터링을 수행하며, 상기 공진기 내부의 초과 비선형 현상을 억제, 초기펄스의 생성 및 솔리톤 펄스에서 생성되는 기생 분산파(Dispersive wave) 제거를 수행하는 포화흡수체 모드잠금부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical fiber femtosecond laser resonator including: a ring-type optical fiber-based resonator including a laser source; a resonator formed on the resonator; A nonlinear polarization rotation mode lock unit for generating a super short pulse and nonlinear filtering of the pulse amplitude, suppressing excess nonlinear phenomenon in the resonator, generating an initial pulse, and generating a parasitic dispersion wave generated from a soliton pulse, And a saturable absorber mode locking portion for performing the removal.

또한, 상기 비선형 편광회전 모드잠금부는, 광포트, 편광조절기, 편광광분할기(PBS), 편광조절기, 광포트 순으로 구성되는 것을 특징으로 한다.The nonlinear polarization rotation mode locking unit may include an optical port, a polarization controller, a polarizing beam splitter (PBS), a polarization controller, and an optical port in this order.

또한, 상기 편광 조절기는, 1/2 파장판, 1/4 파장판으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Further, the polarization controller is constituted by a half-wave plate and a quarter-wave plate.

또한, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 광 접속기(Optical connector), 투과형 포화흡수체, 광 접속기(Optical connector) 순으로 구성되는 것을 특징으로 한다.The saturable absorber mode locking unit is characterized by being composed of an optical connector, a transmissive saturable absorber, and an optical connector in this order.

또한, 상기 투과형 포화흡수체는, 반도체 포화흡수체(semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene) 중 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.The transmission type saturated absorber may be one of a semiconductor saturable absorber, carbon nanotubes, and graphene.

또한, 상기 공진기는, 펄스의 비선형 편광 회전을 위해 커 미디움을 사용하는 단일모드광섬유, 이득 매질을 사용되는 희토류 첨가 광섬유 및 단방향 펄스를 생성하는 아이솔레이터를 더 포함하는 구성되는 것을 특징으로 한다.The resonator further comprises a single mode optical fiber using a medium for nonlinear polarization rotation of the pulse, a rare earth doped optical fiber using a gain medium, and an isolator for generating a unidirectional pulse.

또한, 상기 공진기는, 출력단을 위한 광 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the resonator further includes an optical coupler for an output terminal.

또한, 상기 공진기는, 편광 빔 분할기에서 반사되는 펄스를 공진기 출력으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Further, the resonator is characterized in that the pulse reflected by the polarization beam splitter is composed of a resonator output.

또한, 상기 비선형 편광회전 모드잠금부는, 광포트, 편광조절기, 편광기(polarizer), 편광조절기, 광포트 순으로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the nonlinear polarization rotation mode locking unit may include an optical port, a polarization controller, a polarizer, a polarization controller, and an optical port in this order.

또한, 상기 비선형 편광회전 모드잠금부는, 광섬유 기반의 편광 회전 모드잠금부로 구성되며, 광섬유 기반 편광 조절기와 광섬유 기판 편광기 및 광섬유 기반 편광 조절기 순으로 구성되고, 상기 광섬유 기판 편광 조절기는 광섬유를 다수의 paddle에 감아 회전시키거나, 광섬유를 비틀거나(squeeze), 눌러주어(press) 파장판 역할을 구현하는 것을 특징으로 한다.The nonlinear polarization rotation mode lock unit may include a polarization rotation mode lock unit based on an optical fiber and may include an optical fiber based polarization controller, an optical fiber substrate polarizer, and an optical fiber based polarization controller. The optical fiber substrate polarization controller adjusts an optical fiber to a plurality of paddle And squeezes and presses the optical fiber to realize a wave plate function.

또한, 상기 공진기는, 출력단을 위한 광 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Further, the resonator further includes an optical coupler for an output terminal.

또한, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 입력단으로 들어온 펄스를 전달하는 광섬유 순환기, 상기 광섬유 순환기에 전달받은 광을 콜리메이팅 또는 포커싱 시키는 광포트 및 상기 광포트를 통해 입사되는 펄스의 비선형 필터링을 구현하는 반사형 포화 흡수체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The saturable absorber mode locking unit may include an optical fiber circulator for transmitting a pulse to the input end, an optical port for collimating or focusing the light transmitted to the optical fiber circulator, and a reflection saturation unit for implementing nonlinear filtering of pulses incident through the optical port. And an absorber.

또한, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부에 구성되는 편광 빔 분할기를 투과되는 펄스를 입사 받도록 구성하며, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 하나의 λ/4 파장판과 포화흡수체로 구성되는 것을 특징으로 한다.The saturable absorber mode locking portion is configured to receive a pulse transmitted through a polarization beam splitter provided in the nonlinear polarization rotation mode lock portion, wherein the saturated absorber mode locking portion includes a single? / 4 wave plate and a saturated absorption body .

또한, 상기 공진기는, 공진기 내부에(비선형 편광 회전 모드잠금부와 포화흡수체 모드잠금부 사이에) 회절격자를 더 구비하여 공진기 전체 분산 조절을 구현하는 것을 특징으로 한다.
The resonator may further include a diffraction grating inside the resonator (between the nonlinear polarization rotation mode lock portion and the saturable absorber mode lock portion) to implement resonator overall dispersion control.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 구성이 간단하고 경제적인 단일 광섬유 공진기만을 사용하여 높은 에너지 집중도를 갖는 고출력 펨토초 펄스와 안정도 높은 넓은 파장대역의 광 빗을 생성하므로, 천문 분광기 보정(Astronomical Spectrograph Calibration), 원격거리 측정(Remote distance ranging), 가간섭 라이더(Coherent LIDAR)등의 정밀 응용분야 및 형상측정, 가공 등의 산업적 응용분야, 구체적으로 광대역 분광, 원격탐사, 생체의료영상과 같은 정밀산업 응용에 광섬유 펨토초 레이저를 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있다.
The present invention configured as above generates a high output femtosecond pulse having a high energy concentration and an optical comb of a wide wavelength band with high stability using only a single optical fiber resonator having a simple and economical structure. Therefore, astronomical spectrograph calibrations, It can be used for precision applications such as remote distance ranging and coherent LIDAR, industrial applications such as shape measurement and processing, and optical fiber femtosecond for precision industrial applications such as broadband spectroscopy, remote sensing, There is an advantage that a laser can be easily applied.

도 1은 일자형 비선형 편광 회전 부분과 광섬유 기반의 투과형 포화흡수체가 결합된 하이브리드 모드잠금 공진기의 구성도,
도 2는 하이브리드 모드잠금 된 공진기에서 생성된 광 빗의 광 스펙트럼(optical spectrum)과 펄스의 자기상관(auto-correlation) 신호,
도 3은 비선형 편광회전 우세(NPR-dominating) 모드잠금 된 공진기에서 생성된 광 빗의 광 스펙트럼(optical spectrum)과 펄스의 자기상관(auto-correlation) 신호,
도 4는 하이브리드 모드잠금 된 펄스와 비선형 편광회전 우세 모드잠금 된 펄스의 에너지 집중도 비교 그래프,
도 5는 하이브리드 모드잠금 된 고출력 광섬유 레이저 반복률의 RF 스펙트럼 및 안정화된 반복률 주파수의 시간에 따른 변화 그래프,
도 6은 도 1의 편광 광 분할기(102)를 편광기(600)와 광섬유 출력단(602)로 대체한 하이브리드 모드잠금 공진기 구성도,
도 7은 전체 광섬유 기반의 하이브리드 모드잠금 공진기 구성도,
도 8은 일자형 비선형 편광 회전 부분과 부피형 포화흡수체가 결합된 하이브리드 모드잠금 공진기 구성도,
도 9는 꺾인 경로 비선형 편광 회전 부분과 부피형 포화흡수체가 결합된 하이브리드 모드잠금 공진기 구성도,
도 10은 실시간 분산조절 가능한 하이브리드 모드잠금 공진기 구성도.FIG. 1 is a schematic view of a hybrid mode lock resonator in which a linear nonlinear polarization rotating portion and an optical fiber-based transmission type saturated absorber are combined,
2 is a graph showing the relationship between the optical spectrum of an optical comb generated in a hybrid mode locked resonator and the pulse auto-correlation signal,
3 is a graph illustrating the optical spectrum of an optical comb and the auto-correlation signal of a pulse generated in a NPR-dominating mode locked resonator,
Figure 4 is a graph of energy concentration versus hybrid mode locked pulses and nonlinear polarization rotating dominant mode locked pulses,
Figure 5 is a graph of the time-dependent change in the RF spectrum of the hybrid mode locked high power fiber laser repetition rate and the stabilized repetition rate frequency,
FIG. 6 is a hybrid mode lock resonator configuration in which the polarized light splitter 102 of FIG. 1 is replaced by a polarizer 600 and an optical fiber output stage 602,
FIG. 7 is a schematic view of a hybrid optical fiber based hybrid mode lock resonator,
8 is a hybrid mode lock resonator configuration combining a linear nonlinear polarized rotating portion and a bulk saturated absorber,
9 is a hybrid mode lock resonator configuration in which a bent path nonlinear polarization rotating portion and a bulk saturated absorber are combined,
10 is a configuration diagram of a hybrid mode lock resonator capable of real-time dispersion adjustment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a high power optical fiber femtosecond laser produced by coupling mode locking of nonlinear polarization rotation and saturable absorber according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저는, 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서, 레이저 소스를 포함하는 링타입(ring-type) 구조의 광섬유 기반의 공진기(10)이며, 상기 공진기 상에 구성되고, 펄스 쉐이핑(shaping)으로 극초단 펄스를 생성하는 비선형 편광회전 모드잠금부 및 펄스 진폭의 비선형 필터링을 수행하며, 상기 공진기 내부의 초과 비선형 현상을 억제, 초기펄스의 생성 및 솔리톤 펄스에서 생성되는 기생 분산파(Dispersive wave) 제거를 수행하는 포화흡수체 모드잠금부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The high output optical fiber femtosecond laser generated by the nonlinear polarization rotation and the coupling mode locking of the saturable absorber according to the present invention can be used for an optical fiber femtosecond laser resonator in which an optical fiber based resonator of a ring- 10), which is configured on the resonator, performs nonlinear polarization rotation mode locking and pulse amplitude nonlinear filtering to generate an ultrashort pulse by pulse shaping, suppresses excess nonlinear phenomena in the resonator, And a saturable absorber mode locking portion for performing generation of a pulse and removal of a parasitic dispersion wave generated in a soliton pulse.

본 발명에 따른 펨토초 레이저는, 광섬유 기반 부품으로 구성된 공진기, 펄스 shaping으로 좁은 폭의 극초단 펄스를 생성하는 비선형 편광회전 모드잠금부(100), 펄스진폭의 비선형 필터링 효과를 제공하여 공진기 내부의 초과 비선형 현상을 억제, 초기펄스의 용이한 생성 및 솔리톤 펄스에서 생성되는 기생 분산파(Dispersive wave) 제거를 수행하는 포화흡수체 모드잠금부(101)로 구성되어 시간상의 깨끗하고 높은 에너지가 집중된 단일 고출력 극초단 펄스를 생성하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.
The femtosecond laser according to the present invention includes a resonator composed of optical fiber based components, a nonlinear polarization rotation mode lock unit 100 for generating a narrow width ultrashort pulse by pulse shaping, and a nonlinear filtering effect of pulse amplitude, And a saturable absorber mode locking unit 101 for suppressing nonlinear phenomenon, easily generating an initial pulse, and eliminating a parasitic dispersion wave generated in a soliton pulse, and is provided with a clean high-energy-concentrated single high- The main technical point is to generate short pulses.

아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 전체 구성도이다. 본 발명에 따른 공진기는 고출력 펄스를 생성하기 위해 크게 광섬유 공진기(10) 부분, 비선형 편광 회전 모드잠금부(100), 포화흡수체 모드잠금부(101)로 크게 구성된다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an overall configuration diagram of a high output optical fiber femtosecond laser resonator generated by nonlinear polarization rotation and coupled mode locking of a saturated absorber according to the present invention. The resonator according to the present invention largely consists of a portion of the optical fiber resonator 10, a nonlinear polarization rotation mode lock portion 100, and a saturated absorptive mode lock portion 101 in order to generate a high output pulse.

상기 광섬유 공진기는 링타입(ring-type)으로써, 링캐비티(ring cavity) 구조를 가지며, 이득 매질(gain medium)로 사용하기 위한 희토류 첨가광섬유(110)와 이득매질의 흡수 광 파장에 해당하는 레이저 다이오드(109), 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 이득매질을 통과시키기 위한 파장 분할 다중화기(108), 펄스의 비선형 편광 회전을 위해 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드광섬유(111), 광 잡음을 줄이고 단방향으로 펄스를 생성하기 위한 아이솔레이터(112) 및 공진기 출력단을 위한 광 커플러(601)를 포함하여 구성된다.The optical fiber resonator is a ring type and has a ring cavity structure. The optical fiber resonator is composed of a rare-earth doped optical fiber 110 for use as a gain medium and a laser corresponding to an absorption light wavelength of the gain medium A diode 109, a wavelength division multiplexer 108 for passing the light output from the laser diode through a gain medium, a single mode optical fiber 111 for use as a Kerr medium for nonlinear polarization rotation of pulses, An isolator 112 for reducing optical noise and generating a pulse in a unidirectional direction, and an optical coupler 601 for a resonator output stage.

상기 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(100)의 구성으로는 다수의 1/2 파장판과 1/4 파장판의 조합으로 구성된 편광 조절기(103)와 상기 편광 조절기 가운데 위치하는 편광 광 분할기(102)로 구성되며, 공진기를 구성하는 광섬유로부터 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부로 광을 입/출력하기 위해 파장판 양측으로 구비되어 광섬유에서 나온 빔을 콜리메이팅하고 다시 포커싱하는 광 포트(104)를 포함하여 구성된다. 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부는 편광 광분할기(102 ; PBS)의 편광 축을 기준으로 상기 파장판을 조절하여 최적의 모드잠금을 위한 편광 상태를 도달시킨다. 이는 대한민국 등록특허 "제 10-1155541호, 발명의 명칭 : 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치"에 기술된 모드잠금 구현을 통해 자동화가 가능하다.The nonlinear polarized rotation mode locking unit 100 includes a polarization controller 103 configured by a combination of a plurality of half wave plates and a quarter wave plate, a polarization beam splitter 102 positioned in the polarization controller, And an optical port (104) provided on both sides of the wave plate for inputting / outputting light from the optical fiber constituting the resonator to the nonlinear polarization rotation mode lock part, for collimating and re-focusing the beam from the optical fiber, do. The non-linear polarization rotation mode lock part adjusts the wavelength plate with respect to the polarization axis of the polarization beam splitter 102 (PBS) to reach a polarization state for optimum mode locking. This can be automated through the implementation of the mode lock described in Korean Patent No. 10-1155541 entitled "Mode Lock Automation Device of Optical Fiber Femtosecond Laser".

상기 포화흡수체 모드잠금부(101)는 광 접속기(107) 사이에 투과형 포화흡수체(106)를 삽입하여 구성되며, 사용되는 포화흡수체로는 반도체 포화흡수체(semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene)이 있다. 상기 포화흡수체는 레이저에서 생성되는 펄스폭 보다 느린 완화시간(relaxation time)을 가지며, 레이저 내부 펄스 플루엔스보다 높은 포화 플루엔스를 가지므로 펄스의 생성과 출력감쇠를 수행하여 이득매질에서 초과 비선형 현상 없이 증폭 가능한 고출력의 하이브리드 모드잠금을 발생하는 반면, 레이저 내부 펄스 플루엔스 보다 포화 플루엔스가 낮다면 흡수체가 포화되어 펄스의 출력 감쇠에 대한 역할을 하지 못하므로 이득매질에서 발생하는 초과 비선형 현상에 의해 제한된 저출력의 비선형 편광회전 우세 모드잠금을 발생시킨다.The saturable absorber mode locking portion 101 is constructed by inserting a transmissive saturated absorber 106 between the optical connectors 107. The saturated absorber used may be a semiconductor saturable absorber or carbon nanotubes ), And graphene. The saturated absorber has a relaxation time that is slower than the pulse width generated by the laser and has a saturation flux higher than that of the laser internal pulse fluence so that pulse generation and output attenuation are performed to eliminate excess nonlinearity in the gain medium If the saturation absorber saturates and does not play a role in pulse attenuation if the saturation fluorescence is lower than that of the laser internal pulse fluence while generating a hybrid mode lock of amplifiable high power, it is limited by the excess nonlinear phenomenon occurring in the gain medium Low-power nonlinear polarization rotation dominant mode lock.

도 2는 분산조절 솔리톤 대역에서 하이브리드 모드잠금 된 어븀첨가 광섬유 펨토초 레이저의 스펙트럼(200)과 자기상관신호(201)이다. 156mW의 출력과 3.13nJ의 펄스 에너지를 가지며, 약 1570nm를 중심으로 30nm의 파장대역폭을 갖는 스펙트럼과 시간영역에서 146fs의 폭을 갖고 분산파가 없는 깨끗한 펄스가 생성되어 주 펄스에 고에너지가 집중됨을 알 수 있다.2 is a spectrum 200 and autocorrelation signal 201 of a hybrid mode locked erbium-doped fiber femtosecond laser in the dispersion-controlled soliton band. With a power of 156 mW and a pulse energy of 3.13 nJ, a spectrum having a wavelength bandwidth of 30 nm around 1570 nm and a clean pulse having a width of 146 fs in a time domain and having no dispersion wave are generated and high energy is concentrated on the main pulse Able to know.

도 3은 분산조절 솔리톤 대역에서 비선형 편광 회전 우세 모드잠금 된 어븀첨가 광섬유 펨토초 레이저의 스펙트럼(300)과 자기상관신호(301)이다. 출력은 하이브리드 모드잠금에 비해 약 1/6에 해당하는 41mW이며, 시간영역에서 주 펄스 외에 분산파가 생성되어 에너지 집중도가 낮음을 알 수 있고, 이는 주파수 스펙트럼에서 Kelly side peak 으로 나타남을 볼 수 있다.FIG. 3 is a spectrum 300 and autocorrelation signal 301 of a non-linear polarization-dominant mode locked erbium-doped fiber femtosecond laser in the dispersion-controlled soliton band. The output is 41 mW, which is about 1/6 of that of the hybrid mode lock. It can be seen that the energy concentration is low due to the generation of the dispersion wave in addition to the main pulse in the time domain, which is seen as the Kelly side peak in the frequency spectrum .

도 4는 도 2의 하이브리드 모드잠금과 도 3의 비선형 편광회전 우세 모드잠금의 펄스에너지 집중도를 비교하기 위한 축적된 펄스 에너지 비교 그래프(400)와 축적된 펄스 에너지 백분율 비교 그래프(401)로서, 하이브리드 모드잠금 된 펄스의 에너지 중 약 98.5%가 메인 펄스에 집중되어 있는 반면, 비선형 편광회전 우세 모드잠금 된 펄스의 에너지 중 94%만이 메인 펄스에 집중되어 하이브리드 모드잠금 된 펄스의 에너지 집중도가 높음을 알 수 있다.FIG. 4 is an accumulated pulse energy comparison graph 400 and an accumulated pulse energy percentage comparison graph 401 for comparing the pulse energy concentration of the hybrid mode lock of FIG. 2 and the nonlinear polarization rotation dominant mode lock of FIG. 3, Approximately 98.5% of the energy of the mode-locked pulse is concentrated in the main pulse, whereas only 94% of the energy of the nonlinear polarization-dominant mode locked pulse is concentrated in the main pulse, indicating that the energy concentration of the hybrid mode locked pulse is high .

도 5는 도 2의 하이브리드 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저의 펄스 반복률의 RF 스펙트럼(500)과 시간에 따른 안정화된 반복률 주파수 그래프(501)로써, 고차 RF 반복률의 생성과 2시간 동안 약 0.2MHz 표준편차를 갖는 반복률 안정도를 통해 광 빗의 가간섭성과 안정도가 검증됨을 알 수 있다.
FIG. 5 is a graph of the RF spectrum 500 of the pulse repetition rate of the hybrid mode locked fiber femtosecond laser of FIG. 2 and the stabilized repetition rate frequency graph 501 over time, showing the generation of a higher order RF repetition rate and about 0.2 MHz standard deviation The interference and stability of the optical comb can be verified through the repetition rate stability.

도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 레이저 공진기의 다른 실시예를 각각 도시한 것으로, 각 도면을 참조하여 설명하기로 한다.6 to 10 show another embodiment of the laser resonator according to the present invention, and will be described with reference to the drawings.

도 6은 도 1의 비선형 편광 회전 모드잠금부에 구성된 편광 광분할기(102)를 대체하여 편광기(600)를 사용하고, 자유공간 출력단(105)을 광섬유 기반의 광 커플러(601)와 광섬유 출력단(602)으로 대체한 하이브리드 모드잠금 공진기를 구성한 것이다. 공진기 상에 광 커플러를 적용하여 출력단(도 1의 자유공간 출력단 105를 602로 대체함.)으로 적용한 것으로, 편광 회전 모드잠금부의 빔스플리터를 편광기로 대체하였다.Fig. 6 illustrates the use of a polarizer 600 in place of the polarization beam splitter 102 configured in the nonlinear polarization rotation mode lock of Fig. 1 and the free space output stage 105 to an optical fiber based optical coupler 601 and an optical fiber output stage 602 in FIG. 1). Applying an optocoupler on the resonator and applying it to the output stage (replacing the free-space output stage 105 of Figure 1 with 602) replaced the beam splitter of the polarization rotation mode lock with a polarizer.

도 7은 공진기의 모든 부품이 광섬유 기반인 all fiber laser 로, 도 1의 부피형 비선형 편광 회전 모드잠금부(100)가 광섬유 기반의 편광 회전 모드잠금부(700)로 대체 되며, 이는 광섬유 기반 편광 조절기(701)와 광섬유 기반 편광기(702)로 구성된다. 상기 광섬유 기반 편광 조절기는 광섬유를 다수의 paddle에 감아 회전시키거나, 광섬유를 비틀거나(squeeze), 눌러주어(press) 파장판의 역할을 구현하게 되는 것이다.7 is an all fiber laser in which all parts of the resonator are fiber optic, in which the volumetric nonlinear polarization rotation mode lock 100 of FIG. 1 is replaced by a fiber optic based polarization rotation mode lock 700, Controller 701 and an optical fiber-based polariser 702. The optical fiber- The optical fiber-based polarization controller adjusts the optical fiber by winding the optical fiber around a plurality of paddles or squeezing and pressing the optical fiber to realize a role of a wave plate.

도 8은 도 1의 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(101)를 부피형의 포화흡수체 모드잠금부(800)로 대체한 공진기로, 광섬유 순환기(802)의 입력단으로 들어온 펄스는 광 포트(104)를 통해 반사형 포화흡수체(801)로 콜리메이팅 혹은 포커싱 되고, 포화흡수체에서 반사된 펄스는 다시 광 포트(104)와 광섬유 순환기(802)의 출력단으로 출력되어 공진기를 순환하게 된다. 비선형 편광 회전 모드잠금부의 구성은 도 1에서 나타낸 구성과 동일하게 구현되었다.FIG. 8 is a resonator in which the optical fiber based saturable absorber mode lock 101 of FIG. 1 is replaced by a saturable absorber mode lock 800 of a volume type. A pulse entering the input end of the optical fiber circulator 802 is transmitted through the optical port 104, And the pulse reflected by the saturated absorber is output to the output port of the optical port 104 and the optical fiber circulator 802 to circulate the resonator. The configuration of the nonlinear polarization rotation mode lock unit is implemented in the same manner as the configuration shown in FIG.

도 9는 도 1의 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(100)의 광 경로를 편광 광분할기(102)를 통해 꺾어서 구성한 꺾인 광 경로 비선형 모드잠금부(900)와 부피형 포화 흡수체 모드잠금부(901)로 구성된 하이브리드 공진기 이다. 상기 부피형 포화 흡수체 모드잠금부(901)는 λ/4 파장판(902)과 반사형 포화흡수체(801)로 구성되어 편광 광분할기에서 반사된 펄스가 포화흡수체에 반사되어 다시 편광 광분할기를 통과할 때 투과하도록 하므로 공진기를 순환하도록 한다.FIG. 9 is a sectional view of a polarized light path nonlinear mode lock unit 900 formed by folding the optical path of the linear polarized rotation mode lock unit 100 of FIG. 1 through the polarization beam splitter 102 and the volume type saturated polarizer mode lock unit 901 ) Is a hybrid resonator. The volume-type saturable absorber mode locking unit 901 includes a? / 4 wave plate 902 and a reflection type saturable absorber 801. The pulse reflected by the polarized light splitter is reflected by the saturated absorber and passes through the polarized light splitter So that the resonator is circulated.

도 10은 공진기 내부에 회절격자(1002)를 설치하여 공진기 전체 분산을 조절할 수 있도록 구성한 공진기에 해당한다. 공진기의 일측에 빔스플리터(1001)를 구성하여 순환하는 레이저를 반사시켜 한 쌍의 회절격자(1002)를 통해 분산 보상을 구현할 수 있는 것이다. 이터븀 첨가 광섬유 레이저의 경우, 정상분산을 갖는 광섬유의 부재로 회절격자(1002)에 의한 분산 보상이 필요하기 때문이다. 여기서 상기 회절격자는 프리즘으로 대체 될 수 있다.10 corresponds to a resonator configured to adjust the dispersion of the entire resonator by providing a diffraction grating 1002 inside the resonator. A beam splitter 1001 may be formed on one side of the resonator to reflect the circulating laser so as to realize dispersion compensation through the pair of diffraction gratings 1002. [ In the case of the ytterbium-doped fiber laser, dispersion compensation by the diffraction grating 1002 is required as an element of the optical fiber having normal dispersion. Wherein the diffraction grating can be replaced by a prism.

본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 주요 기술적 요지를 요약하자면, 링 캐비티(Ring cavity) 구조로 구성되며, 펄스의 shaping을 위해 파장판(waveplate)과 편광판(polaizer)으로 구성된 비선형 편광 회전 모드잠금부(100), 초과 비선형 현상 및 분산파 억제와 쉬운 초기 펄스 발진을 위한 포화흡수체 모드잠금부(101)로 구성되는 것을 특징으로 한다.In summary, the optical fiber femtosecond laser according to the present invention has a ring cavity structure and includes a nonlinear polarization rotation mode lock part composed of a wave plate and a polarizer for pulse shaping 100), a saturated absorber mode locking portion 101 for excess nonlinear phenomenon, dispersion wave suppression and easy initial pulse oscillation.

또한, 상기 공진기는, 이득 매질(gain medium)로 사용하기 위한 희토류 첨가광섬유(Rare-earth doped fiber)와 이득매질의 흡수 광 파장에 해당하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 이득매질을 통과시키기 위한 파장분할 다중화기(wavelength division multiplexer, WDM), 펄스의 비선형 편광 회전을 위해 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 단일모드광섬유(Single mode fiber, SMF), 광 잡음을 줄이고 단방향으로 펄스를 생성하기 위한 아이솔레이터(isolator) 및 공진기 출력단을 위한 광 커플러(optical coupler)를 포함하여 구성된다.The resonator may include a rare earth doped fiber for use as a gain medium, a laser diode corresponding to an absorption light wavelength of the gain medium, a light source for emitting light output from the laser diode to a gain medium, Single mode fiber (SMF) for use as a kerr medium for nonlinear polarization rotation of pulses, a wavelength division multiplexer And an optical coupler for the resonator output stage.

또한, 상기 공진기는, 희토류 첨가 광섬유와 단일모드광섬유 길이를 조절하거나 공진기 내에 회절격자(grating)를 설치 및 조절하여, 공진기의 전체 분산이 음(-)의 영역인 솔리톤 레이저, 혹은 전체 분산이 0 근처의 영역인 분산보상 솔리톤 레이저를 생성한다.The resonator may be a soliton laser whose entire dispersion of the resonator is a negative region or a soliton laser having a total dispersion of 0 (zero), by adjusting the length of the rare-earth doped optical fiber and the single mode optical fiber or by installing and adjusting a grating in the resonator. To generate a dispersion compensating soliton laser, which is a region near the center.

또한, 상기 공진기는, 공진기를 구성하는 광섬유 길이를 조절하여 펄스의 반복률을 조절하므로, 생성되는 펄스 에너지를 조절한다.In addition, the resonator adjusts the length of the optical fiber constituting the resonator to adjust the repetition rate of the pulse, thereby controlling the generated pulse energy.

또한, 상기 비선형 편광 회전 조절부는, 편광판 혹은 편광 광 분할기(polarization beam splitter) 전 후의 파장판들의 각도를 조절하므로 펄스의 편광상태를 조절하여 비선형 편광회전 모드잠금을 유도하고, 파장판들의 특정 각도조합에서 모드잠금이 되어 좁은 폭의 펄스가 생성된다.In addition, the non-linear polarization rotation controller adjusts the angle of the wave plates before and after the polarizing plate or the polarization beam splitter to adjust the polarization state of the pulse to induce the nonlinear polarization rotation mode lock, A mode lock is performed in the pulse width modulation mode to generate a pulse having a narrow width.

또한, 상기 포화흡수체는, 포화흡수체의 특성인 포화플루엔스(saturation fluence) 보다 낮은 플루엔스(fluence)를 갖는 공진기 내부 펄스 및 분산파에 대해 흡수를 수행하고, 펄스의 흡수에 대해서는 공진기 안에서 진행하는 펄스의 가장자리 부분이 빛의 세기가 약하기 때문에 포화 흡수체를 통해 흡수가 되어 더 이상 공진기 내부를 진행을 못하는 반면, 펄스의 중간 부분은 빛의 세기가 강하여 포화 흡수체에서의 흡수를 포화(saturation)시켜 공진기 내부를 계속 진행할 수 있는 비선형필터(Nonlinear filter)의 역할을 하므로 펄스를 유지하면서 펄스의 첨두 출력을 감쇠시킨다.The saturable absorber also performs absorption for the resonator internal pulses and dispersed waves with lower fluence than saturation fluence, which is characteristic of the saturated absorber, and for absorptions of the pulses to proceed in the resonator The edges of the pulses are absorbed through the saturated absorber because the intensity of the light is weak and the absorber can no longer proceed inside the resonator. On the other hand, the middle portion of the pulse is strong in intensity, saturating the absorption in the saturated absorber, It serves as a nonlinear filter that can keep going inside and attenuates the peak output of the pulse while maintaining the pulse.

또한, 상기 포화흡수체는 비선형 편광회전 조절부 후, 이득매질 전에 위치하여, 비선형 편광회전에 의해 생성된 좁은 폭을 갖는 펄스의 플루엔스가 포화흡수체의 포화플루엔스 보다 낮은 조건에서, 비선형 흡수에 의한 펄스의 감쇠 및 광잡음(optical noise)의 제거를 수행하므로, 이득매질에서 증폭 시 펄스의 초과된 비선형 효과에 의한 wave breaking 및 noise 펄스 증폭에 의한 다중펄스 생성 없이 단일 고출력 펨토초 펄스를 생성한다.In addition, the saturated absorber is positioned before the gain medium after the nonlinear polarization rotation regulator, and at a condition where the fluence of the narrow width pulse generated by the nonlinear polarization rotation is lower than the saturation fluorescence of the saturated absorber, Because of the attenuation of the pulses and the elimination of optical noise, a single high-power femtosecond pulse is generated without generating multiple pulses by wave breaking and noise pulse amplification due to excess nonlinear effects of the pulses during amplification in the gain medium.

또한, 상기 포화흡수체는 분산파를 감쇠시켜 주요펄스에 에너지 집중도를 높인다.In addition, the saturated absorber attenuates the dispersed wave to increase the energy concentration on the main pulse.

또한, 상기 포화흡수체는 레이저에서 생성되는 펄스폭 보다 느린 완화시간(relaxation time)을 가지므로 초기펄스 생성을 쉽게 하는 역할을 한다.In addition, the saturated absorber has a relaxation time that is slower than the pulse width generated by the laser, thereby facilitating initial pulse generation.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 하이브리드형 공진기는 높은 에너지 집중도를 갖는 고출력 펨토초 펄스와 안정도 높은 넓은 파장대역의 광 빗을 생성할 수 있는 장점이 있으며, 기기를 간소화시킬 수 있어 경제성 있는 펨토초 레이저 공진기를 제조할 수 있는 효과가 있고, 다양한 산업분야에 응용할 수 있는 특징이 있다.The hybrid resonator according to the present invention has the advantage of generating a high-power femtosecond pulse having a high energy concentration and an optical comb of a wide wavelength band with high stability, and can simplify the device, thereby providing an economical femtosecond laser resonator There is an effect that it can be manufactured, and there are characteristics that can be applied to various industrial fields.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.

10 : 공진기
100: 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부
101: 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부
102: 편광 광 분할기
103: 편광 조절기
104: 광 포트
105: 자유공간 출력단
106: 투과형 포화흡수체
107: 광 접속기(Optical connector)
108: 파장 분할 다중화기
109: 레이저 다이오드
110: 희토류 첨가 광섬유
111: 단일모드 광섬유
112: 광섬유 아이솔레이터(fiber isolator)
200: 하이브리드 모드잠금 된 레이저의 스펙트럼
201: 하이브리드 모드잠금 된 레이저의 오토코릴레이션
300: 비선형편광 회전 우세 모드잠금 된 레이저의 스펙트럼
301: 비선형편광 회전 우세 모드잠금 된 레이저의 자기상관신호
400: 축적된 펄스 에너지 비교 그래프
401: 축적된 펄스 에너지 백분율 비교 그래프
500: 펄스 반복률의 RF 스펙트럼
501: 시간에 따른 안정화된 반복률 주파수 변화 그래프
600: 편광기
601: 광 커플러
602: 광섬유 출력단
700: 광섬유 기반 비선형 편광 회전 모드잠금 부분
701: 광섬유 기반 편광 조절기
702: 광섬유 기반 편광기
800: 부피형 포화흡수체 모드잠금 부분 1
801: 반사형 포화흡수체
802: 광섬유 순환기(Fiber circulator)
900: 꺾인 광경로 비선형 편광회전 모드잠금 부분
901: 부피형 포화흡수체 모드잠금 부분 2
902: λ/4 파장판
1000: 부피형 아이솔레이터
1001: 빔 스플리터
1002: 회절격자
1003: 반사거울10: Resonator
100: Straight nonlinear polarization rotation mode lock part
101: Optical fiber based saturable absorber mode locking part
102: polarized light splitter
103: polarization controller
104: Optical port
105: Free space output stage
106: transmission type saturated absorber
107: Optical connector
108: Wavelength Division Multiplexer
109: laser diode
110: Rare earth doped optical fiber
111: Single mode optical fiber
112: Fiber isolator
200: Spectrum of hybrid mode locked laser
201: Auto correlation of hybrid mode locked lasers
300: Nonlinear polarization rotation dominant mode Locked laser spectrum
301: Nonlinear polarization rotation dominant mode Locked laser autocorrelation signal
400: Accumulated pulse energy comparison graph
401: Accumulated pulse energy percentage comparison graph
500: RF spectrum of pulse repetition rate
501: Stable repetition rate over time Frequency variation graph
600: Polarizer
601: Optocoupler
602: Fiber optic output
700: Fiber-based nonlinear polarization rotating mode lock part
701: Fiber-based polarization controller
702: Fiber-based polarizer
800: Volume type saturated absorber mode lock part 1
801: reflective saturable absorber
802: Fiber circulator
900: Non-linear polarized rotation mode locking part with deflected light
901: Volume type saturated absorber mode lock part 2
902:? / 4 wavelength plate
1000: Volumetric isolator
1001: beam splitter
1002: diffraction grating
1003: Reflecting mirror

Claims (13)

광섬유 펨토초 레이저 공진기에 있어서,
레이저 소스를 포함하는 링타입(ring-type) 구조의 광섬유 기반의 공진기이며,
상기 공진기 상에 구성되고, 펄스 쉐이핑(shaping)으로 극초단 펄스를 생성하는 비선형 편광회전 모드잠금부; 및
펄스 진폭의 비선형 필터링을 수행하며, 상기 공진기 내부의 초과 비선형 현상을 억제, 초기펄스의 생성 및 솔리톤 펄스에서 생성되는 기생 분산파(Dispersive wave) 제거를 수행하는 포화흡수체 모드잠금부;를 포함하고,
상기 비선형 편광회전 모드잠금부는 광포트, 편광조절기, 편광광분할기(PBS), 편광조절기, 광포트 순으로 구성되고,
상기 편광 조절기는 1/2 파장판, 1/4 파장판으로 구성되는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되며,
상기 포화흡수체 모드잠금부는 광 접속기(Optical connector), 투과형 포화습수체, 광 접속기(Optical connector) 순으로 구성되고,
상기 공진기는 펄스의 비선형 편광 회전을 위해 커 미디움을 사용하는 단일모드광섬유;
이득 매질을 사용되는 희토류 첨가 광섬유; 및
단방향 펄스를 생성하는 아이솔레이터;를 더 포함하는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되며,
공진기 내부에(비선형 편광 회전 모드잠금부와 포화흡수체 모드잠금부 사이에) 회절격자를 더 구비하여 공진기 전체 분산 조절을 구현하는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.In an optical fiber femtosecond laser resonator,
An optical fiber-based resonator of a ring-type structure including a laser source,
A non-linear polarization rotation mode lock configured on the resonator and generating an ultrashort pulse by pulse shaping; And
And a saturable absorber mode locking unit performing nonlinear filtering of the pulse amplitude and performing suppression of excess nonlinear phenomenon in the resonator, generation of an initial pulse, and elimination of a parasitic dispersion wave generated in a soliton pulse,
The non-linear polarization rotation mode lock unit is composed of an optical port, a polarization controller, a polarization beam splitter (PBS), a polarization controller,
The polarization controller is generated by non-linear polarization rotation consisting of a 1/2 wave plate and a 1/4 wave plate and a coupling mode lock of a saturated absorber,
The saturable absorber mode locking unit is configured in the order of an optical connector, a transmissive saturating wet body, and an optical connector,
Wherein the resonator comprises a single mode optical fiber using a medium for nonlinear polarization rotation of a pulse;
A rare earth doped optical fiber using a gain medium; And
Directional pulses, and a combined mode lock of the saturated absorber, wherein the non-
A high output optical fiber femtosecond laser (not shown) generated by coupling mode lock of nonlinear polarization rotation and saturable absorber which further includes a diffraction grating (between the nonlinear polarization rotation mode lock and the saturable absorber mode lock) Resonator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 투과형 포화흡수체는,
반도체 포화흡수체(semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 그래핀(graphene) 중 하나로 구성되는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.The absorbent article as set forth in claim 1,
A high power fiber femtosecond laser resonator produced by coupled mode locking of nonlinear polarization rotation and saturable absorber consisting of semiconductor saturable absorber, carbon nanotubes, and graphene. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 공진기는,
편광 광 분할기에서 반사되는 펄스를 공진기 출력으로 포함하는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.The resonator according to claim 1,
A high power optical fiber femtosecond laser resonator produced by nonlinear polarization rotation including a pulse reflected from a polarization beam splitter as a resonator output and coupled mode locking of a saturated absorber. 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 공진기는,
출력단을 위한 광 커플러를 더 포함하는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.The resonator according to claim 1,
Output optical fiber femtosecond laser resonator produced by combined mode locking of nonlinear polarization rotation and saturable absorber further comprising an optocoupler for the output stage. 제 1항에 있어서, 상기 포화흡수체 모드잠금부는,
입력단으로 들어온 펄스를 전달하는 광섬유 순환기;
상기 광섬유 순환기에 전달받은 광을 콜리메이팅 또는 포커싱 시키는 광 포트; 및
상기 광 포트를 통해 입사되는 펄스의 비선형 필터링을 구현하는 반사형 포화 흡수체;를 포함하여 구성되는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.2. The absorbent article of claim 1,
An optical fiber circulator for transmitting a pulse input to an input end;
An optical port for collimating or focusing the light transmitted to the optical fiber circulator; And
And a reflective saturable absorber that implements nonlinear filtering of pulses incident through the optical port. The high power optical fiber femtosecond laser resonator is produced by coupling mode locking of a nonlinear polarization rotation and a saturated absorber. 제 1항에 있어서, 상기 포화흡수체 모드잠금부는,
상기 비선형 편광 회전 모드잠금부에 구성되는 편광 빔 분할기를 투과되는 펄스를 입사받도록 구성하며,
상기 포화흡수체 모드잠금부는, 하나의 λ/4 파장판과 포화흡수체로 구성되는 비선형 편광 회전과 포화흡수체의 결합 모드잠금에 의해 생성되는 고출력 광섬유 펨토초 레이저 공진기.2. The absorbent article of claim 1,
The polarization beam splitter configured in the non-linear polarization rotation mode lock unit is configured to receive a transmitted pulse,
Wherein the saturable absorber mode lock is generated by coupling mode lock of non-linear polarization rotation and saturable absorber consisting of a lambda / 4 wave plate and a saturable absorber. 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105470791B (en) * 2015-12-29 2019-01-29 中国科学院物理研究所 Space structure optical fiber laser based on two-dimension nano materials mode locking
KR101975407B1 (en) * 2017-05-22 2019-05-07 한국기계연구원 Distant Measurement System and Method of Distant Measurement Using the Same
KR102041679B1 (en) * 2017-09-28 2019-11-07 한국과학기술원 Apparatus and method for suppressing intensity noise of a mode locked laser
KR102037729B1 (en) * 2018-02-19 2019-10-29 서울대학교산학협력단 Laser resonator and coherence adjustment method thereof
CN110829164B (en) * 2019-11-19 2021-07-13 长春理工大学 All-fiber ultrashort pulse light source capable of simultaneously generating soliton and noise-like pulses
RU2764384C1 (en) * 2020-12-03 2022-01-17 Илья Олегович Орехов Method for controlling the amount of coupled solitons in a femtosecond fibre laser

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09167869A (en) * 1995-09-05 1997-06-24 Imra America Inc Mode locking laser device
KR19980022444A (en) * 1996-09-23 1998-07-06 양승택 Passive Mode Locking Fiber Laser Structure
US6480637B1 (en) * 2000-09-30 2002-11-12 General Photonics Corporation Fiber squeezer polarization controller with low activation loss
JP2006511949A (en) * 2002-12-20 2006-04-06 株式会社アルネアラボラトリ Optical pulse laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09167869A (en) * 1995-09-05 1997-06-24 Imra America Inc Mode locking laser device
KR19980022444A (en) * 1996-09-23 1998-07-06 양승택 Passive Mode Locking Fiber Laser Structure
US6480637B1 (en) * 2000-09-30 2002-11-12 General Photonics Corporation Fiber squeezer polarization controller with low activation loss
JP2006511949A (en) * 2002-12-20 2006-04-06 株式会社アルネアラボラトリ Optical pulse laser

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