Advancement of femtosecond laser technology has been very rapidly progressed in recent years. Laser pulses containing only two optical cycles (~ 5 fs) have been generated either from a femtosecond Ti:sapphire oscillator or by going through a second pulse compression of amplified pulses. In the few-cycle regime, the phase difference between the carrier wave and its pulse envelope, called the carrier-envelope phase (CEP), is an important parameter characterizing the laser pulse. The CEP effects become apparent in light-matter interactions with few-cycle laser pulses. It is now well recognized that such experiments should be carried out with CEP-stabilized laser pulses.
The direct locking (DL) method is a newly proposed method for CEP stabilization of femtosecond laser pulses. It uses the time domain beat signal for the generation of the feedback signal to stabilized CEP of a femtosecond oscillator, and directly makes the CEP slip between successive pulses to zero. In this case, every pulse has a same CEP value, and, consequently, the time-domain applications of CEP stabilized femtosecond pulses are much more straightforward than the conventional phase-locked loop (PLL) method that stabilizes the CEP slip to a constant value. The time-domain approach for CEP stabilization provides a number of advantages over the PLL method, such as easy realization of CEP locking with simple setup and intuitive data analysis.
The CEP of femtosecond laser pulses has been successfully stabilized using the DL method. The reliability of the DL method was confirmed with an out-of-loop measurement. Furthermore, the DL method has been upgraded for simple realization of the CEP stabilization using standard electronic components. The CEP of the laser pulses was stabilized using the commercial feedback electronics instead of the specially manufactured locking servo. Furthermore, CEP stabilization was realized without using any frequency-analysis equipments. With the improvements the CEP of the femtosecond oscillator was stabilized for 18 hours with phase jitter of 37 mrad. As a consequence, the upgraded DL method will be a very practical solution for the CEP stabilization of a femtosecond laser pulses for the investigations of CEP-sensitive physics research.
최근 펨토초 레이저 기술의 눈부신 발달로 티타늄사파이어 레이저 공진기에서 생성된 펄스뿐만 아니라 증폭된 펄스도 추가적인 펄스 압축을 통해서 중심파장의 두 주기에 해당하는 5 펨토초의 극초단 펄스의 생성이 가능해졌다. 수주기의 극초단 펄스의 경우 운반자와 포락선 사이의 위상차에 해당하는 절대위상이 중요한 변수가 된다. 극초단 펄스를 이용한 빛과 매질의 상호작용에서 절대위상의 효과는 극명하게 들어나고 이러한 효과는 절대위상이 안정화된 레이저 펄스를 사용할 때만 관찰이 가능하다. 직접잠금 방법은 레이저 펄스의 절대위상을 안정화하기위해서 새롭게 제안된 방법이다. 이 방법은 시간 영역에서의 맥놀이 신호를 되먹임에 이용하며 펄스 간 절대위상의 미끄러짐을 직접적으로 0으로 만들게 된다. 이 경우 모든 레이저 펄스는 같은 절대위상을 같게 되어 시간 영역의 응용에서 절대위상의 미끄러짐을 안정화하는 위상 고정 루프 방법에 비해서 용이하다. 직접잠금 방법의 절대위상 안정화를 위한 시간 영역에서의 접근은 위상 고정 루프 방법에 비해서 안정화가 쉽고 비교적 간단한 장비로 구현이 가능하며 결과 분석이 직관적이라는 장점이 있다. 직접잠금 방법을 통해서 펨토초 레이저 펄스의 절대위상이 성공적으로 안정화되었으며 잠금 고리 밖에서 측정을 통해서 직접잠금 방법의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 더욱이 직접잠금 방법은 범용의 전자 장비를 이용해서 보다 간단하게 절대위상 안정화를 구현할 수 있도록 개선되었다. 상용화된 PID 제어기를 통해서 특별히 제작된 잠금 서보를 대신하였고 어떤 주파수 관련 장비의 사용 없이 절대위상을 안정화하였다. 이러한 개선을 통해서 펨토초 펄스의 절대위상을 37 mrad의 작은 위상 떨림으로 18 시간 동안 안정화할 수 있게 되었다. 따라서 개선된 직접잠금 방법은 절대위상 관련 연구를 위한 펨토초 펄스의 절대위상 안정화에 아주 실질적인 해결책이 될 것이다.
