Despite the excellent nonlinear optical properties of $BiB_{3}O_{6}$ (BIBO) crystals, their wide application to nonlinear wavelength conversion has been limited because they are very susceptible to photo-induced damage at moderate fundamental input power of short wavelength. This dissertation reports the growth of BIBO single crystals, cause and repair of optical damage, and application to optical parametric chirped-pulse amplification.
BIBO crystals of large size ($21\times30\times40 mm^{3}$) and very high quality were grown using top-seeded solution growth method. The photo-induced birefringence change (PIBC) was observed when a BIBO crystal was illuminated by a laser of 476 nm wavelength. A study by using a Senarmont compensator showed that the PIBC was induced by photorefraction and the BIBO crystals were more susceptible to photorefractive damage in visible light than in IR light. However, the optical damage could be prevented by keeping the BIBO crystals above 120 $^{o}$C.
By analyzing the gain characteristics of BiBO and $\beta-BaB_{2}O_{4}$ (BBO) crystals, an OPCPA system was set up based on the serial combination of both crystals. The maximum signal gain of $1.13\times10^{7}$ was obtained at a pump intensity of 260 MW/$cm^{2}$ and pump energy of 53 mJ using a 15 mm-long BBO crystal at OPA stage 1 and a 12 mm-long BiBO crystal at OPA stage 2. The signal energy of 0.17 nJ was amplified to 2 mJ with a central wavelength of 1053 nm and a repetition rate of 10 Hz. The results clearly show the potential to amplify the signal energy in the order of picojoules to milijoules using low pump intensities less than 290 MW/$cm^{2}$.
다른 borate 비선형 결정에 비해 높은 비선형광학 계수를 가지고 있는 $BiB_{3}O_{6}$ (BiBO) 결정은 단파장 영역의 파장에 대한 광유도 데미지에 의해 파장변환 응용에 많은 제약을 받아왔다. 본 논문에서는 BiBO 결정에 발생한 광유도 데미지를 극복하기 위한 방법들에 대한 연구와 함께 BiBO 결정을 이용한 펄스처핑 광매개증폭에 관한 연구를 수행하였다. 광유도 데미지에 대한 연구를 수행하기 위하여 BiBO 결정 성장을 통해 높은 결정질을 가지는 크기 $21\times30\times40 mm^{3}$에 무게 44g의 BiBO 결정을 얻었다. 이 BiBO 결정을 이용한 청색 파장용 DPSSL 레이저 실험 중 발생한 광유도 데미지에 대한 연구를 수행하였으며, 실험을 통해 BiBO 결정에 발생한 데미지가 광굴절 효과에 의한 것임을 증명하였다. 이러한 광굴절 효과를 극복하기 위한 방법으로 높은 온도에서의 광굴절 효과를 주는 레이저 빔에 대한 굴절률 변화를 측정하여 레이저의 세기에 무관하게 결정온도 120 $^{o}$C 이상에서는 광굴절 효과가 나타나지 않음을 증명하였다. 이러한 결과는 BiBO 결정의 청색 영역 및 그 이하의 단파장 영역에 대한 파장 변환 응용에 있어 많은 가능성을 제시해 주는 결과라고 할 수 있다.
펄스처핑 광매개증폭계에서 문제가 되는 펌프광에 의한 광학부품의 손상을 막기 위해, BiBO 결정의 높은 비선형광학 계수를 이용하여 낮은 펌프광의 세기에 응용가능성이 높은 펄스처핑 광매개증폭 실험을 진행하였다. 기존에 펄스처핑 광매개증폭계에서 가장 널리 사용되어온 BBO 결정과의 1단의 광매개증폭 특성 비교를 통해 BiBO 결정이 낮은 펌프광에서 매우 우세한 결정임을 증명하였다. BiBO 결정과 BBO 결정의 연속적 구조로 배열한 2단의 펄스처핑 광매개증폭을 통해 펌프 세기 260 MW/$cm^{2}$에서 $1.13\times10^{7}$의 증폭 이득을 얻었으며, 에너지로 보았을 때 0.17nJ의 신호광을 이용하여 2.1mJ의 증폭된 빔을 얻었다. 본 실험을 통해 고출력의 펄스처핑 광매개증폭계에서 광학부품의 광손상을 줄이면서 안정적으로 신호광의 증폭을 이룰 수 있는 계기를 마련하였다.
