Phase control of stimulated Brillouin scattering (SBS) wave is investigated in order to develop a high power/energy beam combination laser with high repetition rate using SBS phase conjugate mirrors (PCMs). A novel phase control technique by a self-generated density modulation is proposed and its potential is demonstrated. Through this phase control technique, the relative phase difference between two SBS waves is contained within a quarter wave for all the laser pulses. This technique is expected to be very useful to develop highly repetitively operating high power/energy laser systems using a beam combination with the SBS-PCMs. In addition, stimulated Brillouin scattering and its applications is investigated. Through the measurement of the SBS reflectivity for the various liquids and for the different pumping conditions, it has been found that the reflectivity for the multi-mode pump, with large number of longitudinal modes, is significantly affected by the nonlinear effects due to the intensity spikes, so that the reflectivity is lower than that of the single mode pump. In addition, it has been demonstrated that the optical isolator composed of the SBS-PCM and the quarter wave plate can perfectly cut off the leak beam from the post stage if the distance between the SBS-PCM and the post stage is long enough compared to the pump pulse width. The works in this thesis will contribute to advancing the laser technology and its applications.
고출력/고에너지 레이저들은 이득매질 및 광학계의 손상을 막고 큰 증폭률을 얻기 위해서 대형 이득매질을 사용한다. 그러나 이것은 증폭시스템의 냉각시간 증가를 가져오고 결과적으로 고반복률로 작동하는 것이 어렵게 된다. 광선 재결합 레이저는 대형 이득매질 대신, 소형의 이득매질을 사용하므로 고반복률이 가능하고, 이득매질의 개수를 늘림에 따라 고출력/고에너지 레이저 빔을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히 유도 브릴루앙 산란 위상공액거울(Stimulated Brillouin Scattering-Phase Conjugate Mirror, SBS-PCM)을 광선 재결합 레이저에 적용하는 경우, 레이저빔의 반사시에 위상공액파를 발생시키므로, 증폭 중에 발생하는 레이저빔의 왜곡을 보상하여 고품질의 레이저빔을 얻을 수 있고, 정렬 또한 용이하다. 그러나, SBS-PCM은 그 특성상 반사파들이 무작위의 위상을 가지게 하므로 광선 재결합된 빔은 하나의 동일한 위상을 가질 수 없다. 따라서, 반사파인 유도 브릴루앙 산란파의 위상제어가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 고반복률을 갖는 고출력/고에너지 레이저 개발을 위하여 제안된 유도 브릴루앙 산란 위상공액거울(SBS-PCM)을 적용한 광선 재결합 레이저에서 유도 브릴루앙 산란파의 위상제어 방식을 제안하고 이론 및 실험적으로 그 가능성을 보였다. 더불어 SBS-PCM의 반사 특성을 여러 종류의 SBS 매질에 대해서 살펴 보았고, 제안된 광선 재결합 레이저의 십자형 증폭 시스템을 구성하는 SBS-PCM을 이용한 광차단기의 특성 및 그 가능성을 실험적으로 보였다.
고출력/고에너지 레이저는 일반적으로 넓은 레이저 선폭을 가지며 많은 종모드로 구성되어 있다. 따라서 넓은 선폭을 갖는 레이저와 유도 브릴루앙 산란(SBS)의 상호작용 연구가 요구된다. 여러 종류의 SBS 매질의 반사 특성을 다중 종모드 레이저를 사용하여 살펴보았고, 이를 단일 종모드의 결과와 비교하였다. 단일 종모드의 경우에는 매질에 관계없이 높은 반사율을 보이는 반면, 다중 종모드의 경우에는 매질에 따라 다른 반사율을 보이고, 전체적으로 낮은 반사율을 보였다. 이는 다중 종모드의 레이저 펄스가 종모드들 사이의 간섭에 의하여 나타나는 intensity spike를 가지고 있어, SBS와 경쟁하는 비선형 현상 및 optical breakdown 발생시켜서 나타나는 결과로 보인다. 특히 비선형 굴절율이 높은 매질에 대해서는 self-focusing이 강하게 유도되어, SBS 문턱에너지 부근에서는 단일 종모드에 비해 높은 반사율을 보이지만 에너지가 증가함에 따라 optical breakdown을 발생시켜 반사율이 감소하는 현상이 나타났다.
SBS-PCM을 이용한 광선 재결합 레이저의 기본 증폭 시스템은 십자(+) 형태로 증폭기와 광차단기로 구성되어 있다. 본 연구에서는 광차단기의 특성 및 적용 가능성을 살펴 보았다. 광차단기는 SBS-PCM의 에너지에 따른 비선형적인 반사 특성을 이용한다. 증폭기의 SBS-PCM 대신 거울을 사용하고, 증폭기를 배치하지 않은 실험을 통해서, 광차단기의 SBS-PCM과 거울 사이의 거리가 레이저 펄스 길이에 비해 충분히 길면, 되먹임되는 펄스가 완전히 차단되는 결과를 얻었다. 또한 광차단기에 입사되는 펌프 펄스 및 되먹임 펄스의 에너지가 증가하는 경우, 광차단을 위해서 SBS-PCM과 거울 사이의 거리가 증가함을 보였다.
유도 브릴루앙 산란파의 위상제어를 위해서 SBS-PCM 내부에 전자기적인 정상파를 생성시켜 밀도변조(density modulation)를 유도하였다. 이를 통하여 음파의 초기 발생 위치가 고정된다. 음파의 초기 발생 시간은 레이저 펄스의 에너지에 따라 결정되며, 따라서 밀도변조 및 레이저 펄스의 에너지에 의하여 유도 브릴루앙 산란파의 위상은 제어된다. 파면 분할 방식과 진폭 분할 방식 두가지의 레이저 빔 분할 방식에 대해서 연구가 수행되었다. 파면 분할 방식의 경우, 상대적인 위상차에 요동이 있음에도 불구하고, 위상제어가 됨을 보였고, 레이저 펄스들의 96%가 l/4 파장보다 작은 상대적인 위상차를 보였다. 진폭 분할 방식의 경우, 파면 분할 방식에 비해 요동이 감소됐고, 레이저 펄스의 100%가 l/4 파장보다 작은 상대적인 위상차를 보였다. 이는 파면 분할 방식이 레이저의 beam pointing에 더 영향을 받아 레이저 펄스 에너지의 요동이 심하여 나타나 결과로 보인다. 제안된 밀도 변조를 이용한 유도 브릴루앙 산란파의 위상제어는 기존의 방식과 달리 에너지의 제한이 없고, 위상공액 현상도 유지 할 수 있으므로 SBS-PCM이 적용된 고반복률을 갖는 고출력/고에너지 광선 재결합 레이저의 개발에 유용할 것으로 기대된다.
