KR20100023269A - 탄소나노튜브 포화흡수체를 이용해 자동발진 모드잠금된 크롬:포스터라이트 고체 레이저 - Google Patents

탄소나노튜브 포화흡수체를 이용해 자동발진 모드잠금된 크롬:포스터라이트 고체 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진기와, 펌프광원을 포함하여 이루어지는 크롬:포스터라이트 고체 레이저에 관한 것으로서, 상기 공진기가 탄소나노튜브 포화흡수체를 포함하여 이루어져서 상기 탄소나노튜브 포화흡수체에 의해 모드잠금되어 1.25㎛ 대역에서 동작하는 것을 특징으로 한다. 상기 탄소나노튜브 포화흡수체는, 단일벽 탄소나노튜브를 디클로벤젠에 혼합하여 탄소나노튜브 용액을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 용액을 PMMA(polymethyl methacrylate)에 혼합하여 SWCNT/PMMA 복합체를 형성한 후에, 상기 SWCNT/PMMA 복합체를 석영기판 위에 스핀 코팅 방법을 통하여 얇은 박막 형태로 형성시킴으로써 얻어지는 것이 바람직하다.
단일벽 탄소나노튜브 포화흡수체, 크롬:포스터라이트 고체 레이저

Description

탄소나노튜브 포화흡수체를 이용해 자동발진 모드잠금된 크롬:포스터라이트 고체 레이저{Solid-state Cr:forsterite laser self-mode-locked by using carbon nanotube saturable absorber}
본 발명은 크롬:포스터라이트(Cr:forsterite) 고체 레이저에 관한 것으로서, 특히 탄소나노튜브 포화흡수체에 의해 자동발진 모드잠금되어 1.25㎛ 대역에서 동작하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저에 관한 것이다.
단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube: SWCNT)는 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인하여 포토닉스와 광전자 분야에서 광범위한 응용을 위해 활발히 연구되고 있다. 탄소나노튜브는 판 형태의 탄소 구조체(graphene sheet)가 튜브형태로 말리는 방향에 따라서 금속성 또는 반도체 특성을 나타내게 된다. 특히 반도체 특성을 지닌 탄소나노튜브의 경우 다양한 파장 대역에서 동작하는 극초단 펄스 레이저 개발에 응용하기 위한 우수한 포화흡수체 개발의 주재료로 주목받고 있다.
포화흡수체(saturable absorber)란 입사되는 빔의 세기에 따라서 빛의 흡수율이 다른 특성을 지닌 광소자를 말한다. 일반적으로 포화흡수체는 빛의 세기가 강해질수록 그 흡수율이 낮아진다. 이러한 특성을 지닌 포화흡수체를 레이저에 삽입하여 수동모드잠금이나 Q-스위칭을 유도하면 짧은 펄스를 얻을 수가 있다.
반도체 물질 기반의 포화흡수체 거울(semiconductor saturable absorber mirror: SESAM)은 Nd:YLF 레이저에서 최초로 성공적인 모드잠금 현상을 확인한 이후 다양한 레이저 시스템에서 활발하게 사용되고 있으나, MBE(molecular beam epitaxy) 또는 MOCVD(metal-organic vapor-phase deposition) 등의 고가 장비 등이 활용된 복잡한 제작 과정을 거쳐야 한다는 단점을 지니고 있다. 또한 더욱 짧은 펄스를 얻기 위해서 SESAM의 반응 시간을 줄이기 위한 공정이 추가적으로 필요하다는 단점도 있다.
이에 반해, 단일벽 탄소나노튜브 포화흡수체(single-walled carbon nanotube saturable absorber: SWCNT-SA)는 스핀 코팅(spin coating)이나 스프레이(spray) 방법을 이용하여 저렴하면서도 단순한 공정과정을 통해 제작이 가능하고, 탄소나노튜브의 직경 조절만을 통해 손쉽게 SWCNT-SA가 흡수특성(동작특성)을 나타내는 파장대 조절이 가능하다는 장점이 있다.
그러나 현재까지 대부분의 SWCNT-SA의 활용은 1.0㎛와 1.5㎛ 대역에서의 광섬유 레이저에 국한되어 있다. 이는 광섬유 레이저의 경우가 고체 레이저에 비하여 이득매질의 이득값이 매우 커서 SWCNT-SA의 공진기 내부 삽입에 따른 큰 내부손실이 발생하더라도 레이저 발진에 어려움이 적기 때문이다.
SWCNT-SA를 광섬유 레이저가 아닌 고체 레이저에서 활용하기 위해서는 제작된 포화흡수체가 공진기 내부에 삽입되었을 때의 손실을 최소화하여야만 한다. 즉, 고체레이저에서 활용될 포화흡수체는 낮은 삽입 손실, 낮은 변조 깊이(modulation depth), 및 빠른 반응 시간특성들을 가져야 한다.
변조 깊이(modulation depth)는 포화흡수체 특성 분석에 중요한 요소 중 하나로써, 포화흡수체가 강한 레이저 펄스에 의해 표백(bleach)되어 포화 손실(saturable losses)되는 총량을 의미한다. 짧은 펄스를 얻기 위해서는 포화흡수체의 큰 변조 깊이 특성이 중요한 요소가 된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 종래의 SESAM이 안정적으로 동작하는데 큰 어려움이 있었던 1.25㎛ 대역의 고체 레이저에 탄소나노튜브 포화흡수체를 적용하여 성공적인 모드잠금 현상이 나타나도록 함으로써, 탄소나노튜브 포화흡수체에 의해 모드잠금되어 1.25㎛ 대역에서 동작하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 공진기와, 펌프광원을 포함하여 이루어지는 크롬:포스터라이트 고체 레이저에 관한 것으로서, 상기 공진기가 탄소나노 튜브 포화흡수체를 포함하여 이루어져서 상기 탄소나노튜브 포화흡수체에 의해 모드잠금되어 1.25㎛ 대역에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 투과형 또는 반사형일 수가 있다.
상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 투과형일 경우에는 상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 동일한 곡률반경을 가지는 두 개의 오목한 거울 사이의 초점 근방에 브루스터 각으로 삽입 설치되는 것이 바람직하다.
상기 펌프광원으로서 1064 nm의 연속성 Yb:fiber 레이저가 사용될 수 있다.
상기 탄소나노튜브 포화흡수체는 1.2~1.4nm의 직경을 가지는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 포화흡수체는, 단일벽 탄소나노튜브를 디클로벤젠에 혼합하여 탄소나노튜브 용액을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 용액을 PMMA(polymethyl methacrylate)에 혼합하여 SWCNT/PMMA 복합체를 형성한 후에, 상기 SWCNT/PMMA 복합체를 석영기판 위에 스핀 코팅 방법을 통하여 얇은 박막 형태로 형성시킴으로써 얻어지는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 탄소나노튜브 용액을 형성하는 과정에 상기 단일벽 탄소나노튜브의 용해도를 증가시키기 위하여 상기 탄소나노튜브 용액에 PmPV를 첨가하고, 상기 SWCNT/PMMA 복합체는 이렇게 PmPV가 첨가된 탄소나노튜브 용액을 동일한 비율로 상기 PMMA와 혼합함으로써 얻어지는 것이 바람직하다. 여기서, PmPV는 poly(m-phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene)를 말한다.
본 발명에 의하면, 현재까지 극초단 펄스 방출을 위해 활용되어온 SESAM 대신에 매우 손쉽고 저렴한 공정과정으로 제조된 SWCNT-SA를 적용함으로써, 크롬:포스터라이트 고체 레이저가 1.25㎛ 대역에서 자동발진 모드잠금되어 약 79 MHz의 반복률로 동작되며, 202mW의 최대출력을 나타내도록 할 수 있다. 이 수치는 현재까지 고체 레이저 영역에서 SWCNT 기반의 포화흡수체를 활용하여 방출된 출력파워 중에서 가장 높은 값이다. 방출된 펄스는 푸리에 변환 한계값에 거의 근접한 120 펨토초의 펄스폭과 14 nm의 스펙트럼 폭을 지닌다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
[SWCNT-SA 제작 및 특성]
1.25㎛ 영역에서 동작하는 SWCNT-SA를 제작하기 위하여 현재 판매되고 있는 HiPCO (high pressure CO conversion) 방법으로 제작된 SWCNT를 구입하였다. 이렇게 구입한 HiPCO 탄소나노튜브가 90% 이상의 순도를 지니고 있음을 TGA(thermogravimetric analysis) 방법을 통해 확인하였고, 그 직경이 1.2~1.4nm 임을 라만 분광법(Raman spectroscopy)을 활용하여 분석하였다.
HiPCO 탄소나노튜브를 충분히 진공건조하고 초음파 분해과정을 통하여 디클로로벤젠(dichlorobenzene)과 혼합하였다. 이러한 혼합 과정에 용해도를 증가시키기 위하여 poly(m-phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy-p-phenylenevinylene) (PmPV)를 탄소나노튜브 용액에 첨가하였다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브 용액을 동일한 부피 비율로 고분자인 PMMA(polymethyl methacrylate)와 다시 혼합하였다. 이렇게 하여 제조된 SWCNT/PMMA 복합체를 1인치 크기의 석영(quartz) 기판 위에 스핀 코팅 방법을 통하여 얇은 박막 형태로 형성시켜 투과형 SWCNT-SA를 완성하였다.
SWCNT-SA의 투과율은 SWCNT의 농도와 스핀 코팅기(spin coater)의 회전 속도에 의해 조절이 가능하다. 최적화된 SWCNT-SA의 투과 스펙트럼을 측정한 결과 1.1에서 1.8㎛ 영역 사이, 약 700 nm 가량의 넓은 대역에서 흡수특성을 나타내었다. 이러한 흡수특성은 HiPCO SWCNT의 E11 천이(transition)에서 기인하는 것이다. 또한 제작된 SWCNT-SA의 선형 투과 특성은 1.25㎛ 영역에서 98.7%에 해당하고, 포화흡수체는 석영 샘플 표면에 균일하게 코팅이 되었다.
[SWCNT-SA가 삽입된 크롬:포스터라이트 고체 레이저]
도 1은 상술한 투과형 SWCNT-SA가 삽입된 크롬:포스터라이트 고체 레이저의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 비점수차가 보정된 X 형태의 공진기를 구성하였으며, 브루스터 각으로 잘려진 11mm 길이의 크롬:포스터라이트 단결정(10)이 이득매질로 활용되어 곡률반경이 -100 mm 인 두 거울(M1 & M2) 사이에 설치되었다. 펌프 광원(20)으로는 1064 nm의 연속성 Yb:fiber 레이저(PYL-10-LP, IPG Photonics)가 사용되었고. 이득매질 지지대(crystal holder)의 온도는 열전 소자(thermal electric cooler)와 물 냉각기(water chiller)를 통해서 약 15℃ 가량으로 안정화 시켰다. SWCNT-SA(30)를 공진기 내부에 삽입하기 위해 곡률반경이 -100 mm 인 두 거울(M3 & M4)을 이용하여 추가적인 집속 영역을 만들었다. 이 집속 영역에 삽입에 의한 반사 손실을 최소화 하고, SWCNT-SA(30)가 정상적으로 동작할 수 있도록 높은 에너지를 주입하기 위하여 초점 근방에 브루스터 각으로 SWCNT-SA(30)를 삽입하였다.
[SWCNT-SA에 의해 모드잠금된 크롬:포스터라이트 레이저의 동작 특성]
프리즘 쌍을 활용하여 군속도 분산(group-delay dispersion; GDD)이 보상이 되지 않은 상태에서의 크롬:포스터라이트 레이저는 SWCNT-SA(30)에 의하여 자동발진되어 수동 모드잠금 되었으며, 83 MHz의 반복률로 동작하였다. 이때 공진기에서 방출된 펄스는 4.3nm의 스펙트럼 폭과 6.5ps의 펄스폭을 지닌다. 이를 통해 계산된 시간-대역폭의 곱(time-bandwidth product)은 5.45 이다. 1240nm의 중심파장에서 5% 출력특성을 지니는 출력경을 사용하였을 때 레이저의 최대 평균출력은 215mW이다.
펨토초 수준의 극초단 펄스 생성을 위하여 SF10 프리즘 쌍(P1, P2)을 출력경이 있는 공진기 팔에 설치하였다. 각각 다른 투과율을 지닌 3가지 출력경을 비교 분석하여 공진기를 최적화 시켰으며, 펨토초 펄스 방출시 크롬:포스터라이트 레이저의 반복률은 79 MHz 이다.
도 2는 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 레이저가 펨토초 펄스 방출시 펌프 파워 대비 출력 파워를 측정한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 1, 3.3, 그리고 5 %의 출력경에서 최대 파워는 각각 45, 135, 그리고 202mW 이다. 레이저 문턱값(threshold)에서 최대 출력에 이르기 까지 대부분의 영역에서 서로 다른 출력경을 사용하였을 경우 모두 복합적인 펄스(multiple pulse) 방출 없이 안정적으로 손쉽게 모드잠금되는 것을 확인하였다. 모드잠금 문턱값은 1, 3.3, 그리고 5%의 출력경에서 펌프파워가 각각 2.3, 2.8, 그리고 3.2W 일 때이다.
레이저가 낮은 출력 파워를 낼 때는 프리즘을 움직이는 등의 약간의 섭동(perturbation)이 필요하였으나, 그 외의 대부분 출력 파워 영역에서는 대부분 자동발진을 하였다. 사용된 SWCNT-SA는 수개월이 지난 후에서 파괴되거나 성능이 저하되는 것이 확인되지 않을 정도로 안정적이었다.
SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 크롬:포스터라이트 레이저는 5% 출력경을 사용하여 최적화 되었다. 레이저에 좀 더 높은 펌프 파워를 주입할 경우 230mW 이상의 높은 출력 특성을 나타내지만, 강한 스펙트럼 변조(spectrum modulation)와 복합적인 펄스(multiple pulse) 방출 현상이 지속적으로 나타나 레이저 동작이 불안정하였다. 가장 짧은 펄스는 분산보정을 위해 사용된 프리즘 쌍의 첨두간 거 리(tip-to-tip distance)는 43cm일 때 얻을 수 있었다. 방출되는 펄스의 펄스폭은 0.1 mm 두께의 BBO 결정을 이용한 세기 자체상관계(intensity autocorrelation)를 통해 측정하였다.
도 3은 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 레이저가 최대출력 특성을 나타낼 때 방출된 펄스를 자체상관계로 측정한 그래프와 동시에 측정된 스펙트럼이다. 도 3을 참조하면, Sech2 펄스로 가정시 측정된 펄스는 120fs의 펄스폭을 지니고, 동시 측정된 스펙트럼은 중심파장이 1245nm에서 약 14nm의 스펙트럼 폭을 지녔다. 이를 통해 계산된 시간-대역폭의 곱은 0.325로 푸리에 변환 한계값(Fourier transform limitation)에 매우 근접하였다.
도 4는 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 크롬:포스터라이트 레이저에서 방출된 펄스를 라디오 주파수 스펙트럼 분석기(Radio frequency spectrum analyzer)를 통해 분석한 그래프이다. 여기서, 첫번째 신호는 79.12 MHz에서 나타났으며, 측정된 신호는 200 kHz의 영역에서 1 kHz의 해상 대역폭(resolution bandwidth)으로 측정이 되었다. 이때 신호는 62 dBc 정도의 높은 신호-잡음비(signal-to-noise ratio)를 나타내었고, 1 GHz의 넓은 대역폭에서도 높은 신호-잡음비를 나타내어 방출된 펄스가 Q-스위칭되지 않고 안정적인 연속적 단일 펄스 방출 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 현재까지 극초단 펄스 방출을 위해 활용되어온 SESAM 대신에 매우 손쉽고 저렴한 공정과정으로 제조된 SWCNT-SA를 적용함으로써, 크롬:포 스터라이트 고체 레이저가 1.25㎛ 대역에서 자동발진 모드잠금되어 약 79 MHz의 반복률로 동작되며, 202mW의 최대출력을 나타내도록 할 수 있다. 이 수치는 현재까지 고체 레이저 영역에서 SWCNT 기반의 포화흡수체를 활용하여 방출된 출력파워 중에서 가장 높은 값이다. 방출된 펄스는 푸리에 변환 한계값에 거의 근접한 120 펨토초의 펄스폭과 14 nm의 스펙트럼 폭을 지닌다.
SWCNT-SA는 상술한 바와 같은 투과형 뿐만 아니라 유전체 거울 위에 코팅함으로써 반사형으로도 제작이 가능하며, 이를 이용하여 1.25㎛ 대역에서 자동발진 모드잠금되는 크롬:포스터라이트 고체 레이저를 제조할 수도 있다.
도 1은 투과형 SWCNT-SA가 삽입된 크롬:포스터라이트 고체 레이저의 구성도;
도 2는 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 레이저가 펨토초 펄스 방출시 1, 3.3, 5%의 출력경을 사용했을 때 펌프 파워 대비 출력 파워를 측정한 그래프;
도 3은 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 레이저가 최대출력 특성을 나타낼 때 방출된 펄스를 자체상관계로 측정한 그래프와 동시에 측정된 스펙트럼;
도 4는 SWCNT-SA를 통해 수동모드 잠금된 도 1의 크롬:포스터라이트 레이저에서 방출된 펄스를 라디오 주파수 스펙트럼 분석기(Radio frequency spectrum analyzer)를 통해 분석한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>
10: 크롬:포스터라이트 단결정
20: 펌프 광원
30: SWCNT-SA

Claims (7)

  1. 공진기와, 펌프광원을 포함하여 이루어지는 크롬:포스터라이트 고체 레이저에 있어서,
    상기 공진기가 탄소나노튜브 포화흡수체를 포함하여 이루어져서 상기 탄소나노튜브 포화흡수체에 의해 모드잠금되어 1.25㎛ 대역에서 동작하는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 투과형 또는 반사형인 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 투과형이며, 동일한 곡률반경을 가지는 두 개의 오목한 거울 사이의 초점 근방에 브루스터 각으로 삽입 설치되는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저.
  4. 제1항에 있어서, 상기 펌프광원으로서 1064 nm의 연속성 Yb:fiber 레이저가 사용되는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 포화흡수체가 1.2~1.4nm의 직경을 가지는 단일벽 탄소나노튜브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라 이트 고체 레이저.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 포화흡수체가, 단일벽 탄소나노튜브를 디클로벤젠에 혼합하여 탄소나노튜브 용액을 형성하고, 상기 탄소나노튜브 용액을 PMMA(polymethyl methacrylate)에 혼합하여 SWCNT/PMMA 복합체를 형성한 후에, 상기 SWCNT/PMMA 복합체를 석영기판 위에 스핀 코팅 방법을 통하여 얇은 박막 형태로 형성시킴으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저.
  7. 제6항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 용액을 형성하는 과정에 상기 단일벽 탄소나노튜브의 용해도를 증가시키기 위하여 상기 탄소나노튜브 용액에 PmPV를 첨가하고, 상기 SWCNT/PMMA 복합체는 이렇게 PmPV가 첨가된 탄소나노튜브 용액을 동일한 비율로 상기 PMMA와 혼합함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 크롬:포스터라이트 고체 레이저, 여기서, PmPV는 poly(m-phenylenevinylene-co-2,5-dioctoxy -p-phenylenevinylene)를 말한다.
KR1020080081944A 2008-08-21 2008-08-21 탄소나노튜브 포화흡수체를 이용해 자동발진 모드잠금된 크롬:포스터라이트 고체 레이저 KR20100023269A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102164750B1 (ko) 2019-07-31 2020-10-14 한국과학기술원 포화 흡수체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저 발생 장치

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KR102164750B1 (ko) 2019-07-31 2020-10-14 한국과학기술원 포화 흡수체, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저 발생 장치

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