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탄소나노튜브 포화흡수체를 이용한 광섬유 레이저 개발에 관한 연구 = The study on a mode-locked fiber laser with a carbon nanotube saturable absorber
서명 / 저자 탄소나노튜브 포화흡수체를 이용한 광섬유 레이저 개발에 관한 연구 = The study on a mode-locked fiber laser with a carbon nanotube saturable absorber / 류성윤.
저자명 류성윤 ; Ryu, Sung-Yoon
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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DME 13054

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초록정보

Single wall carbon nanotubes (SWNTs) have several advantages over the semiconductor SA mirrors (SESAMs) such as low saturation intensity, faster recovery time, broad spectral range, large third-order non-linear susceptibilities and easy fabrication. In using SWNT-SAs to mode lock an all-fiber laser, to obtain an even shorter pulse width requires a SWNT-SA with an even greater modulation depth, where it is inserted in the fiber, leading to a high absorption of light in a small area. The SWNT mode lockers suffer from the optical power induced thermal damage such that the SWNTs are burned out with the optical power of less than 30 mW. It turns out that the structure of CNTs may change under certain laser conditions Although in the case of SWNT-SAs, where the optical properties are also expected to change by laser heating due to continuous exposure to high-energy pulses in the laser cavity, up to now, no study has been systematically performed on the changes in the output pulse characteristics and the SWNT-SAs damage. In this work, the long-term stability of a mode-locked Er-doped fiber laser is investigated using a sand-wich type SWNT-SA fabricated with a polydimethylsiloxane (PDMS) and SWNTs film. We found that the power and spectral bandwidth of the output pulse vary when the SWNT-SA is exposed to high power pulses in the cavity. Characteristics of SWNT-SA also change over time when irradiated by a CW laser of ~4.5 mW power. Graphitization of SWNTs film is verified based on the changes of the optical micrographs, Raman spectra, and SEM images before and after the irradiation with a laser. In order to acquire a stable mode-locked laser pulse for a long period of time, the pump power transmit-ting the SWNT-SAs must be below the associated threshold level, for the characteristics of SWNT-SAs change with time due to light-induced damages. It could be inferred that this plays an important role in limiting the enhancement of the output power or lowering the pulse width of a mode-locked laser. This necessitates SWNT-SAs that are insensitive to light-induced damages. It was confirmed that the higher the absorbance of SWNT-SAs, the higher the damage threshold and better mode-locking traits. Furthermore, the usage of SWNT-SAs with lower purity showed lower damage levels at high pump power. By controlling the total dispersion of the cavity and adjusting the position of the output coupler and SWNT-SAs, the optimal mode-locking performance and pulse characteristics were obtained, respectively. To enhance the SWNT-SAs characteristics, a pre-treatment process using high-power laser pulses was suggested, and to especially improve the thermal characteristics, gold nanoparticles showing good heat conductivity were added in the SA and analyzed with respect to the tendency in thermal damage levels and mode-locking characteristic variations. Strong resistance to light-induced damages and superior mode-locking traits were obtained through SWNT-SAs made with HiPCO type, 65 wt% pure SWNTs. Addition of gold nanoparticles further enhanced the characteristics. The produced SWNT-SAs were pre-treated, and through this process it was possible to acquire laser pulses showing the best performance. Mode-locking was carried out by inserting the produced SWNT-SA into the optimally designed fiber os-cillator, and an output pulse with a 130 fs pulse width, 34.32 nm bandwidth, and 11.57 mW power was ob-tained. The result shows the highest output power value ever achieved from a SWNT-SA film-based all-fiber mode-locked laser with a pulse width lower than 150 fs. Miniaturization of the fiber oscillator was also performed and an all-fiber laser system to amplify the output pulse was constructed. The output pulse was amplified via the all-fiber amplifying laser system and characteristics showing 85 mW in output power, 77 nm in bandwidth and 46 fs (Gaussian fitting) in pulse width were obtained.

본 연구는 야외 환경에 적용 가능한 SWNT-SAs 기반의 all-fiber 모드 잠금 레이저를 개발하는 것을 목표로 한다. 출력 특성이 우수한 All-fiber 모드 잠금 레이저를 개발하기 위하여 다양한 종류의 SWNT-SAs를 제작한 후 성능을 평가하였으며, 파이버 공진기 설계를 최적화 하였다. 제작 조건에 따른 SWNT-SAs의 특성 변화를 측정하기 위하여 설계 변수를 선정하고 그 값에 따른 모드 잠금 특성을 분석하였다. SWNT-SAs에 임계치 이상의 높은 에너지 빛에 지속적으로 노출될 경우 graphitization 현상이 발생하게 되며 보다 큰 에너지에 노출되면 optical burning 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 광 손상 현상에 의해 SWNT-SAs의 특성이 시간에 따라 변하기 때문에 모드 잠금 레이저의 펄스가 장시간 안정적으로 출력되기 위해서는 임계 치 이하의 빛이 SWNT-SAs를 투과하도록 펌프 파워가 조절되어야 한다. 이로 인하여 모드 잠금 레이저의 출력 파워를 높이거나 펄스폭을 줄이는데 제한이 되는 것을 알 수 있었다. 따라서 광 손상에 강인한 SWNT-SAs의 제작이 요구된다. SWNT-SAs의 흡광도가 증가할수록 광 손상 임계 치가 증가하는 것을 확인하였으며, 모드 잠금 특성도 향상되는 것을 확인하였다. 또한 순도가 낮은 SWNT를 이용하여 제작된 흡수체가 높은 에너지에서의 손상이 적게 발생하는 것을 확인하였다. 공진기 내부의 전체 분산 값을 조절하여 모드 잠금 성능을 극대화하였으며 최적의 특성을 가지는 펄스가 발진될 수 있도록 출력 커플러 및 SWNT-SAs의 위치를 최적화하였다. SWNT-SAs의 특성을 향상시키기 위하여 높은 에너지의 펄스를 이용하여 SWNT-SAs를 전처리하는 방법을 제안하였으며, SWNT-SAs의 열적 특성을 향상시키기 위하여 열전도도가 좋은 금 나노입자를 첨가하여 열손상 경향 및 모드 잠금 특성 변화를 분석하였다. HiPCO 방식으로 제작된 순도 65wt%인 SWNT를 이용하여 흡광도 1.6~1.8을 만족하는 SWNT-SAs를 제작하였을 때 광 손상에 강인하고 모드 잠금 특성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한 제작 과정에서 금 나노입자를 첨가시킴으로써 그 특성을 보다 향상시킬 수 있었다. 제작된 SWNT-SAs는 전처리 과정을 거치게 되며, 이를 통해 최고의 출력 특성을 나타내는 펄스를 획득할 수 있었다. 최적 설계된 파이버 공진기에 제작된 SNWT-SAs를 삽입시켜 모드 잠금을 수행하였으며, 출력된 펄스는 130fs의 펄스폭과 34.32nm의 파장폭, 11.57mW의 파워를 나타내었다. 이는 150fs 이하의 펄스폭을 갖는 SWNT-SAs 필름 기반의 all-fiber 모드 잠금 레이저의 출력 파워 값 중 가장 큰 값이다. 파이버 공진기 소형화를 수행하였으며, 출력 펄스를 증폭시키기 위한 all-fiber amplifying laser system을 구축하였다. 제작된 all-fiber amplifying laser system을 이용하여 출력 증폭을 수행하였으며 획득된 펄스는 출력 파워 85mW, 파장폭 77nm, 펄스폭 46fs(Gaussian fitting)의 특성을 나타내는 것을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 13054
형태사항 xi, 143 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Sung-Yoon Ryu
지도교수의 한글표기 : 김수현
지도교수의 영문표기 : Soo-Hyun Kim
수록잡지명 : "Degradation of optical properties of film-type a single-wall carbon nanotubes saturable absorbers (SWNT-SAs) with an Er-doped all-fiber laser". Optics Express, v.20, no.12, pp.12966~12974(2012)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 137-143
주제 모드 잠금
단일벽 탄소나노튜브
포화흡수체
흑연화
광손상
전처리
파이버
Mode-locking
SWNT
Saturable absorber
stretched-pulse
graphitization
optical burning
post-treatment
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