Efficient pulsed lasers in compact cavity designs provide considerable potential for integrated photonics and practical application areas of lasers including spectroscopy, metrology, microscopy, and microprocessing. This thesis addresses extensive study of pulsed operation of compact waveguide solid-stae lasers. The mode-locking of waveguide laser can achieve high repetition frequency of ultrafast pulses. The gigahertz-level high repeition rate is especially benefical for fast sampling, precise processing, and astro-combs. To demonstrate pulsed opeartion, nanocarbon-based saturable absorbers are widely applied in various types of laser cavities. Their unique optical properties including high 3rd-order nonlinearity, ultrabroadband absorption, ultrashort relaxation times, and flexible application tyeps make possible to be efficiently integrated into miniaturized laser system. Therefore, this thesis studies pulsed opeartion of nanocarbon-integrated compact waveguide lasers. Critical factors for pulsed operation including pumping efficiency, saturable abnsorber interaction types, transition mechanism up to continuous-wave mode-locking from Q-switching, waveguide gain medium, beam-splitter-type waveguide, and noise characteristies are discussed based on experimental and theoretical analysis of waveguide lasers. The extensive understanding of pulsed waveguide laser provides basis to achieve higher performance of compact ultrafast lasers.
높은 펄스 에너지와 첨두 출력, 짧은 시간 분해능을 가지는 펄스 레이저는 현대 사회에서 학계는 물론 실생활에까지 다양하게 응용되고 있다. 본 학위 논문에서는 고체 레이저의 형태를 기본으로 하는 초소형 도파로 레이저의 펄스 작동에 대한 심화된 분석 연구를 다룬다. 센티미터 길이의 초소형 레이저는 모드 잠금 동작 시에 기가헤르츠 급의 고반복률 초고속 펄스 생성이 가능하여 고유한 응용 분야를 가지며, 작은 크기로 더 실용적인 장점을 지닌다. 초소형 레이저의 펄스 동작을 위한 포화 흡수체로는 높은 비선형성, 넓은 흡수 파장 대역, 초고속 반응 시간과 유연한 적용 형태 등의 장점을 가진 탄소나노물질이 활용되고 있다. 따라서, 본 학위 논문에서는 탄소나노물질이 결합된 초소형 도파로 레이저의 펄스 작동에 대하여 펌핑 효율과 포화 흡수체 상호작용 방법 최적화, 펄스 작동 범위 가변 원리, 도파로 레이저 물질, 빔가르개 도파로 등을 기반으로 도파로 레이저의 펄스 작동에 대한 실험적 및 이론적 분석 연구를 진행하였다. 또한, 모드 잠금 된 기가헤르츠 급 초고속 도파로 레이저의 잡음 특성까지 분석하여 도파로 레이저의 펄스 작동에 대한 심화된 이해를 이루어 차후 더욱 고성능의 초소형 레이저를 구현하기 위한 기반이 된다.
