Z-형태의 대칭형 레이저 공진기 구조를 갖는 연속 발진 및 Kerr-렌즈 모드-록킹되는 티타늄 사파이어 레이저의 설계와 동작 특성

Abstract

티타늄 사파이어 레이저에 대한 활용도를 높기 위하여 4개의 거울로 구성된 Z-형태의 대칭형 레이저 공진기를 구성하여 넓은 파장가변성을 갖는 고효율 연속 발진 티타늄 사파이어 레이저를 제작하였다. 또한 Kerr-렌즈 모드-록킹(KLM)을 일으키기 위한 KLM 강도 및 공진기 모드 크기가 Kerr 매질을 포함하는 Z-형태의 대칭형 공진기에 대하여 공진기 내의 위치, 내부 공진기 레이저 출력 및 안정 파라메터 등에 의존함을 확인하였고, 이를 근거로 하여 펌핑 효율이 높고 KLM 강도가 강한 KLM 티타늄 사파이어 레이저를 제작하여 출력 특성, 펄스폭 및 스펙트럼 반치폭 등을 측정하였다. 그 결과 연속 발진 티타늄 사파이어 레이저의 출력에 대한 기울기 효율은 31.3%이고, 5W의 Ar-이온 펌핑 레이저 출력에 대해 최대 1420㎽의 평균 출력을 얻을 수 있었으며, 파장가변 영역은 730㎚~908㎚까지 모두 700㎽ 이상의 평균 출력을 보였다. 자체-조리개 효과에 의한 KLM 동작 또한 쉽게 얻을 수 있었으며, KLM된 티타늄 사파이어 레이저로부터 출력에 대한 기울기 효율은 16%이고, 5W 펌핑 출력에 대해 최대 500㎽의 평균 출력을 얻었다. 또한 중심 파장 807㎚에서 스펙트럼 반치폭이 33㎚이며, 펄스 반복률이 82㎒인 27fs의 안정된 짧은 펄스를 얻을 수 있었다. We have constructed a high efficiency and broad tunable cw Ti:sapphire laser with a four-mirror symmetric Z-type laser cavity to increase the laser usability. From theoretical analyses and experimental data for a symmetric Z-type laser cavity containing a Kerr medium, the cavity mode size and the Kerr-lens mode-locking (KLM) strength for KLM lasers can be confirmed as function of the position in the cavity, the intracavity laser power, and the stability parameter. As a result, the slope efficiency and the maximum average output power of cw Ti:sapphire laser at 5 W pumping power of Ar-ion laser were 31.3% and 1420 ㎽ respectively. The tunablility was ranged from 730 ㎚ to 908 ㎚ with average output power above 700 ㎽. We obtained the KLM operation easily by self-aperturing effect in the Kerr medium and the slope efficiency and the maximum average output power of KLM Ti:sapphire laser was 16% and 550 ㎽ respectively. The spectral bandwidth was 33 ㎚ at the center wavelength of 807 ㎚ and the pulse width was 27 fs with a repetition rate of 82 ㎒.