초고속레이저는 초고속 광학현상에 기반한, 통상 100ps 이하의 피코초부터 수 펨토초 폭의 극초단 펄스광을 발생하는 레이저입니다. 극초단펄스 발생메카니즘이 공진기를 구성하는 게인매질과 광소자들의 초고속 광 상호작용에 기초하고 있기 때문에, 수10ps 펄스폭의 극초단펄스광을 발생할 수있는 게인스위칭 다이오드레이저 (당사제품 예: Pilas DX ps diode laser) 는 극초단펄스레이저로 볼 수있지만 초고속레이저의 범주에 포함되지는 않습니다.
공진기내부의 매질과 광의 비선형 상호작용은 초고속으로 작용하는데 대표적으로 Kerr 렌즈효과, 포화흡수 (saturable absorption), 비선형분산 (nonlinear dispersion) 등을 들 수있습니다. 이러한 비선형 초고속 상호작용은 공진기에서 고강도의 광이 공진될 때 작동합니다. 주어진 게인레벨에서 발생가능한 모든 종모들간의 위상이 일정하면 보강간섭이 이루어져 강도를 순간적으로 높힐 수 있습니다. 모들간의 위상을 시간적으로 가지런하게 조정하는 기법을 모드잠금(mode-locking) 이라고 합니다. 위 비선형 초고속작용의 결과 모드잠금 프로세스가 작동하여 극초단펄스가 형성됩니다. 매질과 광의 초고속 비선형 상호작용으로 모드잠금이 작동하고 결과적으로 피코초 펨토초대의 극초단펄스의 발생으로 요약할 수있습니다. 이러한 레이저를 구체적으로 모드잠김(mode-locked) 초고속레이저라고 합니다.
모드잠김 프로세스는 어떤 특정조건에 이르면 대부분의 레이저에서 스스로 시동하여 (self-starting) 외부교란을 받지 않는 한 멈추지 않고 계속 지속됩니다. 따라서 전자회로 발진기처럼 레이저가 일정한 주파수로 펄스광를 지속적으로 방출합니다. 이러한 이유로 모드잠금 기법으로 발생된 초고속레이저를 (광)오실레이터라고도 합니다. 모드잠김 주파수는 레이저공진기의 물리적 길이(엄밀히 말하면 광경로거리)와 연관이 (왕복주행시간) 있어서 공진길이를 현실적으로 극도로 짧게 하거나 극도로 길게 할수없기 때문에 대부분의 주파수는 수10MHz~수GHz의 범위에 있습니다.
모드잠김 초고속레이저의 출력펄스는 다음 몇가지 특징을 가집니다.
초고속 레이저 오실레이터의 출력(파워, 에너지)을 증강시키기 위하여 구성된 증폭기를 초고속증폭기라고 합니다. 대부분의 증폭기는 마스터오실레이터-파워증폭기 (MOPA) 구성입니다. 마스터오실레이터 펄스는 증폭기의 파장, 선폭, 펄스폭, 모드 등 거의 모든 파라미터를 결정합니다. 이러한 마스터오실레이터를 시더(Seeder) 라고도 합니다. 시더레이저에서 출력되는 펄스들 중 일부 펄스만 선별되어 증폭기에서 펄스에너지가 일정 주파수로 증폭됩니다. 따라서 평균파워를 증가시킬 수 있습니다. 오늘날 초고속 증폭기 기술이 발전되어 순간파워가 수 페타와트(PW)까지 이르지만 상용 증폭기 시스템은 평균파워 수W~수100와트 정도이고 반복율 또한 최대 수MHz 대 입니다.
(내용준비중)
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