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직접 잠금 방법에 의해 절대 위상이 안정화된 펨토초 레이저의 시간 및 주파수 영역 특성 연구 = Investigation on time- and frequency-domain characteristics of carrier-envelope-phase stabilized femtosecond lasers by the direct locking method
서명 / 저자 직접 잠금 방법에 의해 절대 위상이 안정화된 펨토초 레이저의 시간 및 주파수 영역 특성 연구 = Investigation on time- and frequency-domain characteristics of carrier-envelope-phase stabilized femtosecond lasers by the direct locking method / 이재환.
저자명 이재환 ; Lee, Jae-hwan
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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초록정보

The time and frequency-domain characteristics of carrier-envelope-phase (CEP) stabilized femtosecond lasers by the direct locking method has been investigated. The direct locking method is a method developed at KAIST for CEP stabilization of a femtosecond laser. The direct locking method compensates for CEP variation of femtosecond pulses by quenching the beating signal measured by an $f$-to-2$f$ interferometer. As a result, identical pulses, having same CEP, are generated from the stabilized femtosecond oscillator. The performance of the direct locking method was greatly enhanced by employing the homodyne balanced detection and by devising a double feedback loop. The CEP stabilization of the femtosecond oscillator by the direct locking method was maintained for a whole day, with a phase jitter smaller than 50 mrad. The CEP of a high-power femtosecond pulses operating at 1 kHz could be stabilized by installing a slow feedback loop. The CEP variation of amplified pulses was measured using a spectral interferometer. In order to compensate for large CEP drift of amplified pulses, the separation of the grating pair in the pulse compressor of the kHz laser was adjusted. The CEP stabilization of amplified pulses was maintained over 8 hours with a phase jitter of 130 mrad. The frequency-domain characteristics of the CEP-stabilized femtosecond oscillator by the direct locking method have been investigated. For the measurement of non-zero $f_{ceo}$, an out-of-loop $f$-to-$2f$ interferometer, frequency shifted by AOM, was employed. The RMS frequency variation was 15 mHz without drift, which is comparable to that obtained using the conventional phase-locked-loop method. The weighted average of $f_{ceo}$ showed that $f_{ceo}$ is truly locked to zero. The triangular deviation showed the slope of $\tau^{-1.3}$, indicating that the type of noise of the oscillator is phase noise. These results showed that the stabilized oscillator by the direct locking method has a good potential for applications in the frequency domain. In addition, the frequency-synthesizer has been demonstrated by the direct locking method. In order to confirm the performance of the new synthesizer realized by the direct locking method, the direct comb comparison between the synthesizers by the direct locking method and the PLL method was done. The Allan deviation by the frequency differences had the slope of $\tau^{-1}$, showing that the frequency-synthesizer by the direct locking method is locked in phase. For the application of the synthesizer in the frequency domain, the absolute frequency of an acetylene-stabilized diode laser was measured. The measured value was well suited to the recommended value, which shows that the direct locking method can be successfully applied to works in the frequency domain. It is concluded that the direct locking method developed for CEP stabilization of femtosecond lasers is an excellent tool in the time and frequency domains. It will be very valuable especially for applications in attosecond science.

직접 잠금 방법에 의해 CEP(carrier-envelope phase)가 안정화된 펨토초 레이저의 시간 및 주파수 영역의 특성에 관하여 연구하였다. 직접 잠금 방법은 펨토초 레이저의 CEP를 안정화하기 위해 KAIST에서 개발한 방법이다. 직접 잠금 방법은 f-2f 간섭계로부터 측정된 맥놀이 신호를 제거함으로써 펨토초 펄스의 CEP 변화를 보상한다. 안정화된 펨토초 공진기는 동일한 CEP를 가지는, 동일한 펄스를 생성하게 된다. 이중 잠금 고리와 homodyne-balanced 검출 방법을 이용하여 직접 잠금 방법의 성능을 향상 시켰다. 직접 잠금 방법에 의해 펨토초 레이저의 CEP를 만 하루 동안 안정화 시켰으며 이 때 측정된 위상 잡음은 50 mrad 이하였다. 1 kHz로 동작하는 고출력 펨토초 레이저의 CEP를 느린 잠금 고리를 이용하여 안정화하였다. 증폭된 레이저 펄스의 CEP 변화량은 스펙트럼 간섭계를 이용하여 측정하였다. 증폭된 펄스의 큰 CEP 흐름을 보상하기 위하여 kHz 레이저의 펄스 압축기의 에돌이발 쌍의 간격을 조절하였다. 증폭된 펄스의 CEP를 8시간 동안 안정화 하였으며 이 때 측정된 위상 잡음은 130 mrad이다. 직접 잠금 방법에 의해 CEP가 안정화된 펨토초 공진기의 주파수 영역의 특성에 대해 연구하였다. 0이 아닌 fceo를 측정하기 위하여 AOM에 의해 주파수가 편이된 out-of-loop f-2f 간섭계를 이용하였다. 측정된 주파수 평균의 제곱 평균은 15 mHz이며 한쪽 방향으로의 흐름은 관찰되지 않았고, 이 값은 기존의 위상 잠금 고리를 이용하여 안정화된 펨토초 레이저가 보여주는 결과와 비등하다. 측정된 주파수를 이용하여 가중 평균을 계산하였으며 이 결과는 직접 잠금 방법에 의해 안정화된 공진기의 fceo가 실제로 0에 고정됨을 보여주었다. 계산된 삼각 편차의 기울기는 gate time의 -1.3승을 가지며 이는 안정화된 공진기의 잡음 유형이 위상 잡음임을 보여주는 증거이다. 이상의 결과들은 직접 잠금 방법에 의해 안정화된 공진기가 주파수 영역에서의 응용에 있어 충분한 잠재력을 가지고 있음을 보여준다 하겠다. 이러한 잠재력을 확인하기 위하여 직접 잠금 방법을 이용하여 광주파수 합성기를 구성하였다. 먼저 기존의 위상 잠금 고리를 이용한 광주파수 합성기와의 직접 주파수 비교를 수행하였다. 측정된 주파수가 보여준 알란 편차의 기울기는 gate time의 -1승이었으며 이는 직접 잠금 방법을 이용하여 구성된 광주파수 합성기의 잡음 유형이 위상 잡음임을 말한다. 직접 잠금 방법을 이용하여 구성된 광주파수 합성기의 주파수 영역에서의 응용을 위해 아세틸렌 안정화 다이오드 레이저의 절대 광주파수를 측정하였다. 측정된 광주파수는 고시된 값과 잘 일치하였으며 이는 직접 잠금 방법이 주파수 영역에 성공적으로 응용될 수 있음을 보여준다. 직접 잠금 방법은 시간 및 주파수 영역에서 훌륭한 도구임을 확인하였으며 특히 아토초 과학에 있어 훌륭한 역할을 담당할 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 13003
형태사항 vi, 72 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jae-hwan Lee
지도교수의 한글표기 : 남창희
지도교수의 영문표기 : Chang-Hee Nam
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 64-69
주제 펨토초 레이저
절대 위상
직접 잠금 방법
femtosecond laser
carrier-envelope phase
direct locking method
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