This dissertation reports a new electrodes scheme for the fabrication of high quality $90\deg$-domain inverted periodic structures of $KNbO_3$ and an efficient broadband frequency doubling of ultra-short laser pulses in the telecommunication L-band at room temperature by satisfying both quasi-phase-matching and group-velocity-matching conditions.
We devise multiple-line-shaped electrodes to fabricated a periodically poled $90\deg$-domain structures in $KNbO_3$ (PP90KN) by applying an electric field, which gives better uniformity of periodic domains than the conventional one and new electric poling scheme for preventing crystal loss.
Theoretical investigation for various types of second-harmonic generation under simultaneous QPM and GV matching conditions in PP90KN were accomplished and an efficient broadband frequency doubling of ultra-short laser pulses in the telecommunication L-band at room temperature was demonstrated using a fabricated 8.3 mm long PP90KN of $20.25 \microm$ period.
Second-harmonic pulses showed no significant temporal and spectral distortion and had a pulse duration of about 144 fs, which agreed well with the theoretical value of 142 fs. The conversion efficiency of the second-harmonic generation was 28.7% at the fundamental pulse energy of 0.92 nJ, which is about 60% of the theoretical value.
본 논문에서는 비선형 광학 결정인 $KNbO_3$의 90도 도메인을 이용한 주기적 분극반전구조 (PP90KN) 제작 과정과 이를 이용한 효율적인 광대역 이차 조화파 발생에 관해 연구하였다.
우선, 준위상정합 소자인 PP90KN의 주기성을 높이기 위하여 다중라인 전극형태를 사용하여 분극반전이 전 영역에 걸쳐 고루 발생 할 수 있도록 하였으며, 결정절단시 발생하는 손실을 최소화 하기 위해 전기폴링 방식에 변화를 주었다. 이러한 방식을 통해 주기성이 뛰어난 다양한 크기의 준위상정합 소자를 제작할 수 있었고, 제작된 소자의 최대 길이는 10.5 mm 였으며 최대 두께는 1.5 mm였다.
다음으로, 광대역 이차 조화파 발생과 관련된 이론적인 분석을 통해 입사파와 출사파 사이의 반응형태는 type 0, type I, type II 가 존재함을 확인하였다. 극초단파의 효율적인 이차 조화파 발생을 위해서는 위상정합뿐만 아니라 입사파와 조화파 간의 군속도 차이도 보상이 되어야 한다. 이러한 사실을 바탕으로 각각의 반응형태에 대한 다양한 계산을 수행하였다. 계산결과 type I의 경우, 준위상정합 주기는 $20.25 \microm$ 였고, 이때 군속도 차이 보상을 위한 입사파의 파장은 1619 nm였다.
이론적인 분석을 바탕으로, 제작된 PP90KN(길이 8.3 mm)을 이용하여 상온에서 극초단 레이저의 효율적인 이차조화파 발생에 성공하였다. 발생된 이차조화파는 펄스폭 및 스펙트럼 상의 왜곡이 나타나지 않았음이 확인되었다. 발생된 이차조화파의 펄스폭은 계산결과와 유사한 144 fs 였으며, 전환 효율은 0.92 nJ의 입사파에 대해 28.7% 로 높게 나타났다.