This thesis is devoted to an investigation of a technique to monitor and actively stabilize the carrier-envelope phase (CEP) of high-power femtosecond laser pulses. The carrier-envelope phase stabilization and electronic control of the CEP of amplified femtosecond laser pulses, generated in a grating-based chirp-pulse amplification (CPA) kHz Ti-sapphire laser, has been demonstrated. The CEP of a femtosecond laser oscillator was stabilized using the direct locking technique developed in our group. The CEP of amplified laser pulses was monitored using a self-referencing spectral interferometry. The modulation of fringe patterns provided the information on CEP variation. The measurements revealed a very slow CEP drift, at about 0.1 Hz. This slow CEP drift was stabilized by applying an electrical feedback to the acousto-optic modulator controlling the pump power input of the oscillator, adding a slow feedback loop to the fast feedback loop used in the direct locking electronics. The technique to compensate the slow variation in the CEP of the amplified pulses was successfully demonstrated. In the experiments performed, the average CEP drift of the amplified laser pulses was reduced below 0.2 radians. Long term stabilization up to 180 seconds was demonstrated, which will be further extended to several tens of minutes as the oscillator could be stabilized for two hours.
In addition, the characterization of femtosecond laser mirrors, necessary for the generation of few-cycle laser pulses, has also been investigated. A compact and practical white-light interferometer was developed for rapid evaluation of the group delay dispersion (GDD) of femtosecond optics. GDD is obtained from the Fourier transform of the cross-correlation interferogram with femtosecond time resolution. The GDD characterization of broadband dielectric mirrors, broadband chirped mirrors and output couplers of different reflectivities has been performed. This study was used to select appropriate mirrors for the experiments conducted.
The measurement and analysis procedure for femtosecond optics and the CEP stabilization technique for amplified femtosecond laser pulses, described in this thesis, should contribute to extensive applications of femtosecond lasers to research on ultrafast phenomena.
본 논문에서는 펨토초 광학기기의 군지연 분산 (group delay dispersion)을 신속하게 측정할 수 있는 방법과 kHz로 작동하는 티타늄 사파이어 레이저에서 증폭된 펄스의 절대위상 (carrier-envelope phase) 변화의 측정과 제어에 대하여 논의하였다. 2,3 그리고 4 장에서는 티타늄 사파이어 레이저 공진기와 증폭 단에서의 발생된 펄스의 절대위상 측정과 안정화에 대해서 기술하였다. 모드잠금 (mode locking)된 공진기에서 발생된 각각의 펄스의 절대위상은 상대적으로 간단한 장치와 응용이 용이한 직접잠금 (direct locking) 방법을 이용해서 안정화 되었다. 증폭된 펄스의 절대위상 안정화를 위해서 f-to-2f 자체 참고 간섭계 (self-referencing interferometer) 가 사용되었다. 간섭계를 통해서 레이저 펄스의 지연된 단파장 부분과 장파장의 2차 조화파의 간의 주파수 간섭무늬를 생성했다. 주파수 간섭무늬는 증폭된 펄스의 절대위상에 대한 정보를 포함하고 있으며 공진기 펄스의 절대위상의 안정화된 경우 수분 동안 안정된 간섭무늬를 유지할 수 있었다. 그러나 공진기 펄스의 절대위상이 안정화된 경우에도 0.1 Hz 미만의 아주 느린 흐름이 관찰되었다. 이러한 느린 변화는 공진기의 펌프 세기를 변조하는 음향광학 변조기에 느린 되먹임을 통해서 보상되었다. 느린 되먹임이 가해진 경우 증폭된 펄스의 절대위상 떨림은 1.2 rad에서 180 mrad으로 줄어들었다. 그리기 전기적 변조 신호를 가해서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상 제어를 수행하였다. 5장에서는 펨토초 광학기기의 군지연 분산을 측정하고 특성화하는 간단한 마이켈슨 간섭계에 대해서 자세하게 기술하였다. 군지연 분산은 간섭계를 통해서 얻어진 자체상관과 교차상관 신호의 푸리에 변환을 통해서 얻어진 각각의 위상 차에 두 번의 미분을 가해서 얻어졌다. Borosilicate 유리 판, 광대역 저분산 거울, 광대역 처프 거울 쌍 그리고 출력 거울의 군지연 분산이 정밀하고도 높은 신뢰도로 측정되었다. 각각의 광학기기에서 측정된 파장에 따른 군지연 분산 곡선은 제조 회사에서 제공된 자료와 잘 일치함을 확인하였다. 특히 처프 거울 쌍의 경우에는 파장에 따른 군지연 분산 곡선에 나타난 진동이 잘 확인되었다. 이 실험 장치는 간단하고 펨토초 광학기기의 일상적인 특성화에 이상적이다. 군지연 분산의 측정 결과는 극초단 펄스 생성에 관련된 실험들을 구상하는데 유용하게 이용될 것이다.
결론으로 본 논문에서는 극초단 레이저 펄스의 생성을 위한 광학기기의 특성화와 고출력 극초단 레이저 펄스의 절대위상 안정화가 논의되었다. 이 연구는 극초단 고출력 레이저 펄스를 이용한 극비선형 광학의 보다 심도 있는 연구에 기여를 할 수 있을 것이다. 이러한 연구는 요즘 아토초 과학으로 알려진 연구분야에서 빠르게 성장하고 있는 분야이다.
절대위상이 제어된 극초단 펄스는 아토초 펄스의 재현의 핵심이므로 절대위상 제어와 관련된 기술의 중요성은 앞으로도 계속 유지될 것이다. 절대위상이 제어된 극초단 펄스와 함께 아토초 연엑스선 펄스의 사용은 원자 내 전자의 내부 껍질의 역학 연구를 가능하게 하고 엑스선 레이저 발전에 핵심적인 확인과 특성화 과정에 중요한 역할을 할 수 있다. 절대위상의 안정화 기술을 연구하면서 증폭된 레이저 펄스의 절대위상을 직접적으로 측정할 수 있는 연구도 같이 진행되었다. 이러한 연구는 레이저 펄스의 위상에 민감한 장시간의 측정에 믿을 만한 방법으로 이용될 수 있다.
장시간 절대위상이 제어된 극초단 레이저 펄스는 전자와 양성자의 레이저 wake-field 가속 분야에서 응용될 수 있으며 입자 가속분야에서 새로운 기원을 열 수 있을 것이다. 이러한 가능성들은 아직은 깊이 있게 연구가 이루어지지 않았지만 이러한 실험에 필요한 고출력 펨토초 레이저들이 제작 중에 있으며 수년 내로 가동이 될 것으로 보인다. 아토초 분광학, 도량학과 같은 기술과 함께 극초단 레이저 펄스와 절대위상 제어에 관계되는 기술의 빠른 발전으로 실험실 수준의 레이저로 유도되는 입자 가속과 엑스선 레이저가 멀지 않은 미래에 가능할 것이다.
