With the progress of femtosecond laser technology high-power few-cycle lasers have been developed for the investigations of ultrafast phenomena. In order to generate high-power few-cycle laser pulses, an additional pulse compression method, such as filamentation or hollow-fiber pulse compression, is required in a chirped pulse amplification (CPA) femtosecond Ti:Sapphire laser. For the realization of filamentation pulse compression, a 1-kHz Ti:Sapphire laser pulses with energy of 3 mJ and chirp-free duration of 28 fs were injected to a 2.5-m Ar gas cell. The output laser spectrum was optimized, under the conditions of stable single filament formation, by controlling initial laser chirp and gas pressure to obtain broadest spectrum and shortest pulse duration. Positively chirped laser pulse generated broader spectrum, but the filament length was shorter, compared to chirp-free or negatively chirped pulses. Output laser pulses with duration of 5.5 fs and energy of 0.5 mJ were obtained with positively chirped 30-fs pulses and 220-torr Ar, giving 0.1-TW output at 1 kHz, but the spectral composition varied along the radial direction. The basic physical process could be understood by considering the self-phase modulation (SPM) process during filamentation.
A hollow-fiber pulse compressor was also investigated for the generation of high-power few-cycle pulses. A 1-m hollow-core fiber with an inner diameter of 300 μm was installed in a neon gas cell, and the gas cell was differentially pumped to accommodate multi-mJ input laser energy. For the generation of high-power few-cycle pulses, laser pulses with 5.0-mJ energy were launched into the hollow-fiber compressor and the spectral broadening was optimized while measuring the pulse duration using the frequency-resolved optical gating technique. It was found that the spectral broadening by SPM and ionization in the gas medium was sensitively affected by input laser chirp and gas pressure. The output laser chirp could be compensated precisely by adjusting Ne pressure and input laser chirp, together with sets of chirped mirrors. As a result, output laser pulses with duration of 3.7 fs and energy of 1.25 mJ, corresponding to 1.5-cycle, 0.3-TW output, were achieved with 1.6-bar Ne with positively chirped 33-fs pulses. After the integration of the carrier-envelop phase stabilization by the direct locking method, developed at KAIST, the high-power few-cycle laser will become a powerful and valuable tool for attosecond physics research.
극초단 현상을 연구하기 위해 고출력 수 펨토초 레이저 펄스를 발생시키는 연구가 진행되었다. 5 mJ, 26 fs의 레이저 펄스가 출력되는 1 kHz 티타늄 사파이어 레이저 시스템에 필라멘트 펄스 압축기나 hollow-fiber 펄스 압축기 같이 기체에서 자기 위상 변조 현상을 발생시켜 스펙트럼을 넓히는 장치를 추가 설치하였다. 첫째, 커 효과에 의한 자기 집속 현상과 이온화에 의한 빔의 퍼짐 현상의 상호작용으로부터 발생되는 필라멘트를 생성시키기 위해, 3.1 mJ, 28 fs의 레이저 펄스를 2.5 m 길이의 아르곤이 채워진 관에 입사시켰다. 안정적인 단일 필라멘트가 생성되는 조건에서 스펙트럼이 가장 넓어지고 펄스의 시간폭이 가장 짧아지도록 입사 레이저의 처프 조건과 아르곤의 압력을 최적화시켰다. 필라멘트 발생 후의 레이저 펄스의 스펙트럼은 입사 레이저 펄스의 처프에 의해 자기 위상 변조 현상이 영향을 받아 음의 처프를 가진 레이저 펄스를 사용할 때보다 양의 처프를 가진 레이저 펄스를 사용할때 더 넓게 측정되었다. 또한 입사 레이저 펄스의 처프에 따라 필라멘트 길이도 다르게 생성되었다. 음의 처프를 가진 레이저 펄스가 매질에 의한 양의 처프 때문에 처프 양이 보상되어 양의 처프를 가진 레이저 펄스를 입사시켰을 때보다 레이저 펄스의 첨두 세기가 더 오랫동안 변하지 않고 지속된다. 따라서 음의 처프를 가진 30 fs의 펄스를 아르곤 기체관에 입사시켰을 때 필라멘트가 75 cm 동안 유지된 반면, 양이 처프를 가진 30 fs의 펄스는 45 cm 길이의 필라멘트가 발생되었다. 처프 거울에 의해 필라멘트에서 발생된 레이저 펄스의 분산을 보상하였으며, 측정된 레이저 펄스의 GDD를 분석함으로써 필라멘트가 지속되는 길이에 따라 발생되는 처프의 양이 다르다는 것을 알 수 있었다. 각 조건을 최적화 시켜 아르곤 기체 220 torr, 입사 펄스의 에너지 3.1 mJ, 양의 처프를 가진 30 fs의 입사 펄스를 이용하여 0.5 mJ의 5.5 fs의 펄스를 생성해 내었다. 필라멘트 빔은 쉽게 정렬할 수 있는 장점을 가지고 있지만 공간에 따라 분포되는 스펙트럼이 다른 문제를 가지고 있다. 둘째, 5 펨토초 이하의 펄스를 생성하기 위해 또 다른 방법인 hollow-fiber 펄스 압축기를 이용하였다. 차등 펌핑되는 300 μm의 내경을 가진 1 m의 hollow fiber에 네온 기체를 채웠으며, 5.0 mJ의 에너지를 가진 29 fs의 펄스를 입사시켰다. 5 fs 이하의 펄스를 발생시키기 위해, 넓은 스펙트럼이 발생되도록 입사 레이저 펄스의 처프와 네온 기체의 압력을 조절하였다. 입사 레이저 펄스의 처프와 네온의 압력이 자기 위상 변조와 이온화에 의해 발생되는 스펙트럼에 영향을 미친다. 따라서 처프 거울에 의한 보상뿐 아니라 기체의 압력과 입사 펄스의 처프를 조절하여 변환 한계 펄스에 가깝도록 미세하게 분산을 보상할 수 있었다. 그 결과, 1.25 mJ, 3.7 fs의 펄스, 즉, 1.5 주기, 0.3 TW의 펄스가 네온 1.6 bar에서 양의 처프를 가지는 33 fs의 레이저 펄스를 이용함으로써 발생되었으며 공간적으로 균일한 스펙트럼 분포를 가지고 있었다. 이 레이저 펄스는 본 연구실에서 개발된 직접 잠금 방식을 이용하여 절대 위상을 안정화 시킨 후에도 안정되게 생성될 수 있으므로, 절대 위상에 따라 발생되는 고차 조화파의 특성을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 아토초 펄스를 발생시키기 위한 강력한 도구가 될 것이다.
