Monitoring/control integrated system for femtosecond lasers is described. An ultrashort femtosecond pulse has an extremely short duration period, an extremely broad spectral bandwidth, extremely high peak power, and extremely high frequency stability. It has therefore been widely applied in various fields, such as surface metrology, distance measurement, micromachining, optical communication, spectroscopy, and bio-medical engineering. Real-time monitoring and remote control are essential for femtosecond lasers in these industri-al/space applications.
Average power, pulse RF train, and pulse duration in the time domain, optical spectrum, and repetition rate in the frequency domain are key parameters of the ultrashort femtosecond pulses, because they can determine the state of mode-locking and characterize the ultrafast femtosecond pulse. In general, much conventional equipment is required to measure all these characteristics of femtosecond pulses. To overcome bulkiness and complexity of conventional equipment, Real-time Monitoring and Control (RMC) system for femtosecond lasers is proposed. RMC system is designed to measure key parameters of femtosecond lasers and control the pumping laser diode and PZT. Eventually it is intended to monitor and control femtosecond lasers with a single compact system. Furthermore, RMC system enables fulfillment of the important auxiliary requirements of low power consumption, robustness, and automation.
Here, RMC system is designed for Er-doped-fiber femtosecond lasers. Developed system can monitor up to hundreds of mW average power, up to hundreds of fs pulse duration, up to hundreds of MHz repetition rate, and 1530 to 1610 nm wavelength range of spectrum. To measure pulse duration of several hundreds of femtoseconds, unbalanced arm autocorrelator is proposed, which offers a substantially amplified scanning range by cavity length control of the femtosecond lasers. To measure repetition rate of several hundreds of MHz with high resolution, the hybrid frequency measurement algorithm is being implemented in FPGA. Heterodyne detection technique is also used to enhance the resolution of frequency counting. We experimentally verified the performance of RMC system, utilizing a passively mode-locked Er-doped-fiber femtosecond laser. The average power of a sample laser is monitored with a resolution of 20 μW, the pulse duration is monitored with a resolution of 1 fs, and the repetition rate is monitored with a resolution of 50 mHz. The measurement range and resolution of RMC system can be adjusted by changing optical/electrical parts in the system.
극초단 펨토초 펄스 레이저는 짧은 펄스폭, 넓은 광대역, 높은 첨두 출력, 높은 광 주파수 안정도의 장점에 의해 정밀 측정 및 측량, 정밀 위치 결정, 마이크로 가공, 광통신 및 나노 바이오 산업 등 광범위한 산업 분야에 적용되고 있다. 또한 이러한 극초단 레이저 기술을 우주 분야로 확장할 경우 정밀 분광 시스템의 보정, LIDAR, 광시계, 등가구경 대형 망원경을 통한 정밀 천체 관측, 상대성 원리 검증과 같은 미래 우주 기술에서도 획기적인 성능 개선이 가능할 것으로 보인다. 상기와 같은 산업/우주 분야에 펨토초 레이저를 적용하기 위해서는 광원의 광 주파수, 광출력 및 펄스의 안정화가 필수적이며 이와 동시에 광원의 특성을 지속적으로 감시 해야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 일반적으로 많은 모니터링 및 제어 장비를 포함한 크고 복잡한 시스템이 요구되며 펨토초 레이저 광원의 산업 및 우주 적용을 보다 용이하게 하기 위해서는 초소형의 자동 모니터링/제어 통합 시스템이 필요할 것으로 사료된다. 이에 따라 본 연구에서는 차세대 우주 및 산업 활용을 위한, 초소형의 펨토초 레이저의 모니터링 및 제어(RMC) 시스템을 목표로 하였다. 펨토초 레이저의 모드 잠금 및 특성 측정을 위하여 시간 영역과 주파수 영역, 전 영역에 걸친 모니터링이 요구되며, RMC 시스템에서는 시간 및 주파수 영역의 측정 메커니즘을 통합함으로써 한번의 측정으로 펨토초 펄스 레이저의 평균 출력, 펄스열, 펄스폭, 광스펙트럼 및 반복률 데이터를 획득할 수 있도록 하였다. 수백 펨토초 수준의 펄스폭을 측정할 수 있도록 증폭된 주사 거리를 얻을 수 있는 불균형 팔(unbalanced arm)을 가진 자기 상관기(autocorrelator)를 도입하였으며 높은 분해능의 반복률 측정을 위하여 헤테로다인 검출(heterodyne detection)을 통해 낮춘 주파수를 FPGA 프로그래밍으로 구현한 주파수 계수기로 측정되도록 하였다. 기본 특성 모니터링과 동시에 펄스폭과 반복률 특성 측정을 위한 PZT 주사 및 PLL 제어가 자동적으로 이루어지며 펌핑 레이저의 출력 및 온도 폐루프 제어를 통해 레이저 출력이 안정적으로 유지되도록 하였다. 이와 같은 설계에 따라 어븀 첨가 광섬유를 이득 매질로 하는 펨토초 수준의 펄스폭을 가진 레이저를 대상으로 1% 이내의 분해능으로 평균 출력 측정이 가능하고, 최대 수십에서 수백 MHz에 이르는 반복률의 펄스열 측정이 가능하며 수 fs 수준의 분해능으로 펄스폭 측정이 가능하며 mHz 수준의 높은 분해능으로 반복률 측정이 가능한 RMC 시스템을 구현하였다. 다음으로, 구현한 RMC 시스템의 성능 검증을 위하여 통과형 포화흡수체를 기반으로 하는 턴키 방식의 자동 모드 잠금이 가능한 광섬유 레이저를 개발하였다. RMC 시스템은 주어진 레이저의 평균 출력을 0.2%의 분해능으로, 펄스폭은 1 fs 수준의 분해능으로, 반복률은 50 mHz 수준의 분해능으로 측정하였으며 이에 따라 주어진 어븀 첨가 광섬유 레이저를 계획된 성능으로 측정 가능함을 검증하였다. 향 후 소자 변경을 통하여 측정 대상을 일반적인 펨토초 레이저로 확장 시킬 수 있다.
