The second harmonic(SH) pulse of a femtosecond, chirped-pulse amplified Ti:sapphire laser pulse was generated by using a nonlinear crystal. In order to characterize the SH pulse, a single-shot cross-correlation frequency-resolved optical gating(XFROG) was fabricated. Before the measurement of SH pulse, the temporal characterization of the fundamental pulse was performed using a single-shot frequency-resolved optical gating. The measured fundamental pulse duration was 32.0 fs when the laser system was optimized. The XFROG scheme was used to obtain the XFROG trace(the spectrogram of the cross-correlation signal) from which the intensity and phase profiles of a selected pulse was reconstructed using XFROG algorithm. XFROG algorithm was executed by utilizing the temporal electric field of the measured fundamental pulse. In the chirp-free region, the measured SH pulse duration is 26.7 fs with a type 1, BBO crystal of thickness 100 μm. The SH pulse is temporally broadened due to group velocity mismatch. When the fundamental pulse was intentionally chirped, the SH pulse acquired a positive chirp because of self phase modulation in the crystal. Thus the SH pulse has different characteristics depending on the chirp of the fundamental pulse. Consequently, a negatively chirped fundamental pulse leads to a temporally shorter SH pulse and a positively chirped one results in a temporally broader SH pulse. When the SH pulse was generated using 200 μm, BBO crystal, the SH pulse intensity was higher and the pulse duration was larger than for the 100μm, BBO cystal, Therefore, SH pulse of higher intensity and shorter pulse duration can be generated by adjusting the thickness of BBO crystals and the chirp of the fundamental pulse.
본 연구에서는 TW급 펨토초 티타늄사파이어 레이저에서 발생하는 극초단 펄스를 이용하여 이차조화파를 발생시키고 그 펄스의 특성을 연구하기 위하여 single-shot XFROG를 제작하여 실험을 수행하였다. 사용한 레이저는 10 Hz의 반복률을 가지고 있고 스펙트럼 폭이 38.2 nm이다.
XFROG 알고리즘을 수해아기 위하여 먼저 sinle-shot SHG FROG를 이용하여 레이저의 극초단 펄스의 시간 특성을 진단하였다. 최적화된 펄스의 폭은 32.0 fs로 측정되었으며 펄스압축기의 두 에돌이발 사이의 거리를 바꿔가면서 실험을 수행하였고 그 결과를 살펴보았다.
이차조화파를 발생시키기 위하여 제1종 BBO 비선형 결정을 사용하였고, XFROG 실험 장치를 이용하여 이차조화파 펄스를 진단하였다. 또한 측정 결과가 맞는 지를 확인하기 위하여 이론적으로 펄스폭을 계산하였다. 최적화된 기준 펄스를 가지고 100 μm 두께의 BBO를 사용하여 이차조화파를 발생시켰을 때 이차조화파 펄스의 펄스폭은 26.7 fs 이었다. 펄스압축기의 에돌이발 사이의 거리를 조절함으로써 기준 펄스에 chirp을 주면서 나타나는 이차조화파의 특성에 대해 논의한 결과 군속도 부정합(roup velocity mismatch)에 의해 이차조화파의 펄스폭이 길어졌고 자기 위상 변조(self phase modulation)에 의해 기본파의 chirp의 qnh와 크기가 변하므로 이차조화파 역시 비선형 매질을 지나면서 바뀐 chirp에 따라 다른 성격의 이차조화파를 발생시켰다. 또한 비선형 결정의 두께를 100μm와 200μm를 사용하여 측정하고 비교해 본 결과 매질이 두꺼워지며 이차조화파의 펄스폭이 넓어지고 에너지는 세지지만 chirp의 부호와 크기를 조절하면 최적화된 경우보다 짧은 펄스폭을 갖는 이차조화파가 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 비선형 매질의 두께와 chirp의 부호와 양을 조절하면 세기가 세면서 짧은 이차조화파를 생성할 수 있는 것을 확인하였다.
본 논문에서 제작된 XFROG를 이용하여 펨토초 레이저 펄스의 이차조화파를 측정하여 그것의 특성을 알 수 있었고, 앞으로 chirp의 양과 비선형 결정의 두께를 다양하게 변화시키면서 이차조화를 측정하고 최적의 조건을 가진 이차조화파를 찾을 예정이다.
