This thesis consists of two parts: the first part concentrates on the principle of femtosecond laser pulses using Titanium Sapphire as a gain medium. This part considers fundamentals of ultrashort laser pulses, generation, amplification and characterizations of femtosecond laser pulses.
The second part deals with the real-time temporal characterization of femtosecond laser pulses by using the Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction (SPIDER) method. It is an accurate and rapid method for characterization of femtosecond laser pulses. This technique, which is based on spectral interferometry, spectral shearing and sum frequency generation (SFG), utilizes a direct inversion routine to reconstruct the spectral phase. The electric field in the time domain is obtained directly from the combination of spectrum and spectral phase. This part of the thesis describes simulation, optimization and implementation of a real time SPIDER: a version of SPIDER that has been optimized and constructed for real time measurements. Comparing to the original setup, this experimental setup has some advantages that can be listed as follows: the use of an etalon glass to avoid instability from the use of Michelson`s interferometer and unwanted group delay dispersion (GDD) raising from its beam splitter, careful selection of the thickness of an etalon for optimum pulse separation, optimum selection of SFG crystal thickness for given characteristics of laser pulses in order to get the most efficient SFG, the use of a periscope to rotate the polarization of input pulses instead of using broadband half wave plate (due to the imperfection of broadband wave plates) and finally that is the optimization of data acquisition and data analysis to perform SPIDER acquisition in real time. The result is then compared to the result acquired by the frequency-resolved optical gating method. The consistency between two results shows that SPIDER is truly an accurate technique for temporal characterization.
이 논문은 펨토초 레이저 펄스의 실시간 계측 방법에 대한 것이다. 먼저 티타늄 사파이어를 이득 물질로 하는 펨토초 레이저의 원리에 대해 설명한다. 극초단 레이저 펄스의 기초와 함께 펨토초 레이저 펄스의 생성과 증폭 및 특성에 대해 논한다. 그리고 전기장의 직접적인 복원을 위한 주파수 위상 간섭계(Spectral Phase Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction, SPIDER)를 이용하여 펨토초 레이저 펄스의 시간 특성을 실시간으로 분석하는 것에 대해 다루고 있다. 이 방법은 펨토초 레이저 펄스의 특성을 분석하는 정확하고 빠른 방법이다. 스펙트럼 간섭계와 스펙트럼 자르기, 합 주파수 발생을 기초로 하는 이 방법은 스펙트럼 위상을 복원하기 위해 직접적인 재구성 과정을 이용한다. 시간 영역에서의 전기장에 대한 정보는 스펙트럼과 주파수 위상의 조합으로부터 얻을 수 있다. 이 부분에서는 실시간 SPIDER실시간 측정을 위해 구성되고 최적화된 SPIDER의 전산시늉과 최적화 그리고 그 구현에 대해 기술한다. 기존의 구성과 비교하였을 때, 이 실험 장치는 다음과 같은 장점을 가진다: 유리판 에탈론의 사용으로 마이켈슨 간섭계로 인한 불안정성과 빔 가르개에서 나타나는 원하지 않는 군지연 분산을 없앴으며, 가장 효율적인 합 주파수 발생을 얻기 위해 사용된 레이저 펄스의 특성에 최적화된 합 주파수 발생 결정의 두께를 선택하였고, 입력 펄스의 편광을 바꾸기 위해 불완전한 광대역 반파장판 대신 페리스코프를 사용하였다. 마지막으로 실시간으로 SPIDER를 실행하기 위해 자료획득과 자료 분석을 최적화하였다. 그리고 이 방법으로 분석한 결과를 주파수 분해 광게이팅(Frequency-Resolved Optical Gating, FROG) 방법으로 분석한 결과와 비교하였다. 두 분석 결과가 일관성 있게 나타난 것으로부터 SPIDER가 시간 특성분석에 있어서 잘 작동하고 있음을 확인할 수 있었다. 즉 실시간으로 펨토초 레이저 펄스를 계측할 수 있는 SPIDER 장치를 제작하여 실제 펨토초 레이저 펄스의 계측에 성공적으로 사용하였다.
