Measurements and active control of the temporal characteristics of femtosecond laser pulses are investigated. The effect of quadratic, cubic and quartic phase terms on the temporal profile of frequency-chirped laser pulses is analyzed, and a new technique is developed for the characterization of femtosecond laser pulses by applying an evolutionary algorithm to an interferometric autocorrelation measurement. The absolute phase term is discussed as a parameter of temporal characteristics in the case of few-cycle pulses.
Chirped femtosecond laser pulses, generated by adjusting the grating separation of a pulse compressor in a chirped-pulse amplification laser, are investigated in time, frequency, and time-frequency domains. The quadratic phase terms and the pulse duration are analyzed with respect to grating detuning, and the effect of the high-order phase terms on the pulse duration is also examined. A time-frequency analysis of chirped femtosecond pulses is performed using the Wigner distribution (WD) function. The chirp structure is graphically interpreted in the WD using a peak detection method, which resolves the multicomponent frequencies that cannot be seen in the standard Fourier analysis. A new technique to recover the temporal phase of a femtosecond laser pulse from its interferometric autocorrelation trace and laser spectrum is presented. The phase retrieval algorithm, called `Evolutionary Phase Retrieval from Interferometric Auto-Correlation (EPRIAC),` is optimized for the characterization of few-cycle optical pulses and is tested with numerically generated femtosecond pulses. In actual applications, a 29-fs negatively chirped pulse and a sub-10-fs pulse containing high-order phase distortion are successfully characterized. Adaptive compression of femtosecond laser pulses is demonstrated using a low-loss pulse shaper that employs a micro-machined deformable mirror and a Brewster-cut prism. Much enhanced transmission efficiency (more than 85 %) is achieved in the pulse shaper. The compensation of quadratic phase term and that of cubic phase term are demonstrated in the compression of a 84-fs positively chirped pulse and a sub-10-fs pulse, respectively. The shot-to-shot slip of absolute phase or carrier-envelope phase (CEP) of mode-locked femtosecond laser pulses is measured using a 2f-to-f self-referencing interferometer. The CEP slip between two successive laser pulses is obtained from the beat signal generated in the interferometer and controlled from 0 to π by adjusting either the intracavity prism insertion or the pumping power of the laser. This measurement offers the basic information needed for the design a feedback control loop to stabilize the shot-to-shot CEP slip of mode-locked laser pulses. The analysis and control techniques of femtosecond laser pulses given in this thesis will help extensive applications of femtosecond lasers to wide research fields.
본 논문에서는 펨토초 레이저 펄스의 시간특성을 측정하고 능동적으로 제어하였다. 주파수 위상의 2차, 3차, 4차항에 의하여 유도되는 레이저의 주파수 처프(chirp)에 관하여 논의하였고, 간섭형 자체 상관계와 진화 알고리즘을 이용한 새로운 펄스특성 측정법을 제안하였다. 수주기의 펄스의 경우에는 절대위상항이 펄스모양에 미치는 효과도 고려하였다.
처프펄스증폭(CPA) 레이저의 펄스 압축기에 있는 에돌이발의 간격을 조정함으로써 처프된 펨토초 레이저 펄스를 생성하여 주파수분해 광게이팅(FROG) 방법으로 시간특성을 측정하였고 시간, 주파수, 시간-주파수 영역에서 분석하였다. 2차 위상항들과 펄스폭을 에돌이발 간격에 따라 정량적으로 분석하였고 고차 위상항들이 펄스폭에 미치는 영향을 알아내었다. 처프된 펨토초 펄스들에 대하여 위그너 함수를 이용하여 시간-주파수 분석을 행하였고 펄스의 순간 중심주파수와 군지연을 위그너 함수 상에서 꼭지점 추적법으로 알아내었다. 이것을 이용하여 시간적 위상의 미분으로 정의되는 수학적인 순간 중심주파수가 실제적인 광학적 스펙트럼과 일치하지 않음을 확인하였다. 낙타등 모양의 스펙트럼을 가진 펄스와 3차 분산에 의하여 위상왜곡된 펄스에 대하여 시간-주파수 분석을 하여 시간에 따른 광학적 스펙트럼의 변화을 분해하였으며, 이것은 실험적으로 측정된 펨토초 처프 펄스들에도 적용되었다. 펄스의 시간-주파수 분석이 표준적인 푸리에 분석으로 얻어내지 못하는 위상정보들을 보여줌을 알 수 있었다.
펨토초 펄스의 간섭형 자체상관신호로부터 위상을 복원해내는 새로운 방법을 제시하였다. 진화적 전략(ES)에 근거한 이 방법을 EPRIAC이라 명하였으며, 10 fs 미만의 펄스의 특성 측정을 위하여 최적화시켰다. 수치적으로 생성된 펨토초 펄스들에 적용하여 성공적으로 펄스들이 복원되는 것을 확인하였고, 실험적으로 측정된 29 fs의 처프된 펄스와 10 fs 미만의 펄스를 이 방법을 이용하여 성공적으로 복원하였다.
적은 손실의 펄스 위상변조기(pulse shaper)를 고안하여 펨토초 레이저 펄스를 적응적으로 압축하였다. 미세가공 가변거울(MMDM)과 브루스터 각 프리즘을 이용한 펄스위상변조기는 에돌이발 대신 프리즘을 이용하므로 총 85 % 이상의 투과효율을 가진다. 이 변조기만을 사용하여 84 fs의 양으로 처프된 펄스를 23 fs으로 압축하였으며, 이 때 펄스 압축을 위한 되먹임 방법은 유전 알고리즘(GA)을 이용하였다. 이 결과는 위상변조기가 군지연분산을 효과적으로 보상할 수 있음을 보여준다. 또한, 이 위상변조기를 처프거울로 미리 압축된 10 fs 미만의 펄스를 더욱 압축하기 위하여 사용하였다. 측정된 펄스폭은 8.4 fs으로 처프거울로만 압축된 경우인 8.7 펨토초보다 변환한계 펄스폭인 7.6 fs에 보다 가까왔으며, 3차분산의 보상이 더 이루어진 것으로 관찰되었다. 이 위상변조기의 압축률은 변환한계 펄스폭의 1.1 - 1.2 배였다.
모드록킹된 펨토초 레이저 펄스들의 펄스간 절대위상의 변화량을 측정하였다. 이를 위하여 한 옥타브 스펙트럼 발생기와 비선형 간섭계로 이루어진 2f대f 자체참조 간섭계를 구성하였고 스펙트럼의 2f 성분과 f성분의 2차조화파 성분 간의 맥놀이 신호를 관찰하여 라디오 주파수에서 맥놀이 주파수를 알아냄으로써 성공적으로 펄스간 절대위상의 변화량을 측정하였다. 공진기 내부의 프리즘 삽입량과 레이저의 펌핑 출력을 조정함으로써 이 값을 0에서 π 사이에서 제어할 수 있었고, 이 두가지 인자들에 대한 변화량 측정결과는 레이저를 안정화하여 펄스간 절대위상 변화를 고정하고 더 나아가서는 0으로 만들어 모든 펄스가 같은 절대위상값을 갖도록 하기 위한 기본적인 정보를 제공한다.
