Various types of femtosecond fiber lasers are available to provide all-fiber solutions for diverse purposes of ultrafast optics. In comparison to bulk femtosecond lasers, fiber lasers are advantageous in many aspects such as the size compactness, robustness against environmental disturbance, and production cost. However, fiber lasers require more effort to be competitive particularly in terms of the output power and operational reliability.
In this research, a new scheme of constructing high power fiber lasers is described which is attempted by combining two different rare-earth fiber systems; Er-doped fiber oscillator and Yb-doped fiber chirped pulse amplification (CPA) system. The Er-doped fiber is excellent gain medium providing high frequency stability in generating ultrashort pulses by means of passive mode-locking. Despite the merit, the Er-doped fiber suffers low pump-to-signal conversion efficiency in its operating frequency range, thereby being found not very adequate to produce high output power by means of CPA system. On the other hand, the Yb-doped fiber CPA system offers complementary characteristics to the Er-doped fiber oscillator; the long-term frequency stability of Yb-doped fiber based system is found relatively poor yet, but the output frequency range of the Yb-doped fiber matches well with the frequency range of the pumping diode lasers available for high power CPA, thereby resulting in high pump-to-signal conversion efficiency. Hence, by using frequency stabilized Er-doped fiber oscillator as a seed lasers of an Yb-doped fiber femtosecond CPA system, the system which have not only high power but also long-term frequency stability can be realized.
Frequency stabilized high power fiber femtosecond laser system is expected to be used for numerous applications of ultrafast optics such as long range length/distance metrology as well as time/frequency measurement, manufacturing and spectroscopy. And another noticeable application area is frequency stabilized EUV and X ray generation based on high harmonic generation (HHG). Unlike bulk type high power CPA system, fiber based high power CPA system can maintain its original high repetition rate, hence there exists no degradation on generated EUV and X ray comb. Consequently it could act like a confidential frequency comb in EUV and X ray region and can be used to frequency measurement/calibration tool of various kinds of EUV and X ray sources.
희토류 원소가 도핑 된 광섬유를 이득 매질로 사용하는 광섬유 기반 펨토초 레이저는 사용에 있어서의 용이성, 차지하는 부피, 안정화 지속 시간, 제작 단가 및 유지 비용의 측면에서 고체 기반의 펨토초 레이저에 비해 장점을 가지며, 이로 인해 최근 안정화된 광 빗(optical frequency comb)을 생성하기 위한 광원으로써 각광 받고 있다. 이 중, Erbium(Er) 및 Ytterbium(Yb)을 기반으로 한 펨토초 레이저가 대표적이다.
Er 광섬유 기반 펨토초 레이저의 경우, 무엇보다도 주파수 안정화 기법이 성숙되어 장기간 주파수 안정화가 가능하다는 점이 큰 장점이며, 이는 장시간 연속적인 데이터 축적이 필요한 실험이나 큰 환경변화에도 신뢰성을 유지해야만 하는 산업 분야에의 적용에 있어서 장점을 갖는다. 하지만 고출력 증폭의 측면에서는, Er 광섬유를 이득 매질로 사용하게 될 경우, 낮은 펌프 대 신호(pump to signal) 변환 효율로 인해 출력이 제한된다는 단점이 있다. 한편 Yb 광섬유 기반 펨토초 레이저는 Er 광섬유 기반 펨토초 레이저와는 상반된 특성을 보인다. 주파수 안정화 측면에서는 2008 년 IMRA와 MIT 등에 의해 수 시간 수준의 안정화가 유지됨이 시연되었으며, Er 광섬유 기반 펨토초 레이저에 비해 상대적으로 불안정한 특성을 보이고 있다. 반면 Yb 광섬유 기반 펨토초 레이저는 높은 펌프 대 신호(pump to signal) 변환 효율로 인해 처프펄스증폭 (CPA: Chirped Pulse Amplification) 기술을 통한 고출력으로의 증폭이 가능한 장점을 가진다.
장기간 주파수 안정화가 가능한 고출력 광섬유 펨토초 레이저는 고출력 광 빗 생성, 원거리 측정/LIDAR 시스템, 고차 조화파 생성 (HHG: High Harmonic Generation)을 통한 극자외선(EUV: Extreme Ultraviolet) 대역의 광 빗 형성 및 이를 기반으로 하는 분광/측정에의 응용 및 나노/마이크로 가공 등의 분야에서 매우 적합한 광원이다. Er 광섬유 기반 펨토초 레이저가 갖는 우수한 주파수 안정화 특성과, Yb 광섬유 이득 매질의 높은 펌프 대 신호 변환 효율을 이용한 고출력 증폭 특성을 결합함으로써, 앞서 언급된 장기간 주파수 안정화가 가능한 고출력 광섬유 펨토초 레이저를 구현할 수 있다.
본 논문에서는 안정화된 Er 광섬유 기반 펨토초 레이저의 출력을 증폭, 주파수 넓힘(spectral broadening) 후 Yb 광섬유 이득 매질의 발진 파장에 해당하는 주파수 성분을 추출하여 처프펄스증폭 시스템의 시드 신호(seed signal)로 사용함으로써, 장기간 주파수 안정화가 가능한 고출력 광섬유 펨토초 레이저를 구현하고자 한다.
